钢材中微量元素介绍

钢材材质成份解析
一、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳含量超过0.23%时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。

碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。

二、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－
0.30%的硅。

如果钢中含硅量超过0.50-0.60%，硅就算合金元素。

硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。

在调质结构钢中加入1.0－1.2%的硅，强度可提高15－20%。

硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。

含硅1－4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。

硅量增加，会降低钢的焊接性能。

三、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.50%。

在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40%。

含锰11－14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。

锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。

四、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。

因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。

五、硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。

使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。

硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。

所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。

在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。

六、铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。

铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢、耐热钢的重要合金元素。

七、镍(Ni)：镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。

镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。

但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。

八、钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。

结构钢中加入钼，能提高机械性能。

还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。

在工具钢中可提高红性。

九、钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂。

它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。

改善焊接性能。

在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。

十、钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。

钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强
度和韧性。

钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。

十一、钨(W)：钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。

钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。

在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用。

十二、铌(Nb)：铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。

在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。

铌可改善焊接性能。

在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。

十三、钴(Co)：钴是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中，如热强钢和磁性材料。

十四、铜(Cu)：武钢用大冶矿石所炼的钢，往往含有铜。

铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。

缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低。

当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。

十五、铝(Al)：铝是钢中常用的脱氧剂。

钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。

铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。

铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。

十六、硼(B)：钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。

十七、氮(N):氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。

十八、稀土(Xt)：稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。

这些元素都是金属，但他们的氧化物很象“土”，所以习惯上称稀土。

钢中加入稀土，可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善了钢的各种性能，如韧性、焊接性，冷加工性能。

在犁铧钢中加入稀土，可提高耐磨性。

碳（C）在不锈钢中的作用
碳在奥氏体和铁素体不锈钢中以间隙元素存在于固溶体中，是奥氏体不锈钢中最有效地固溶强化元素；在高碳马氏体不锈钢中，会有共晶碳化物和其他碳化物生成，对硬度及耐磨性非常有利，适合于生产各类刀具。

经固溶处理的奥氏体不锈钢中，碳以固溶体存在，当C＞0.03%时，若将钢置于538~815℃的温度范围内，碳可能以碳化物形式在晶界析出，同时形成贫铬（Cr）区（焊接时最易产生的现象），这种现象成为敏化析出（Susceptibility），使不锈钢增加了晶界腐蚀的敏感性；铁素体不锈钢亦会产生铬的碳化物而引起晶界腐蚀现象。

目前的技术手段，只有在奥氏体不锈钢中把碳元素含量将至0.03%以下，或通过加入钛（Ti）或Nb（铌）元素以形成稳定的碳化物，来避免敏化及防止出现贫铬（Cr）区（Poor - Cr Zone）及避免焊接时产生的刀状腐蚀。

名词解释（Terms’Definition）
❶间隙元素（interstitial element）：是指在金属中熔质原子（碳，氧，氮等原子）填入溶剂金属点阵中的间隙位置，所形成的一种固溶体的一种补充元素，起到稳定其金属原子晶格形式的作用。

❷固溶体(solid solution)：是金属物在一定结晶构造位置上离子的互相置换，而不改变整个晶体的结构及对称性；固溶体分为三种：替代式固溶体、填隙式固溶体和缺位式固溶。

❸敏化析出（sensitization）：不锈钢钢中的碳(通常含0.03％)与铬结合，在热处理过程中或在焊接过程中在晶界析出；形成的碳化物使晶界出现贫铬，发生
局部的晶界腐蚀，降低了材料的耐应力腐蚀性。

❹贫铬区（Poor - Cr Zone）：是指不锈钢中的碳元素与晶界处的铬结合，使晶界处的铬含量降低并析出； .造成不锈钢表面或内部局部铬含量低于平均含量的区域。

贫铬区的出现，通常是碳化铬析出的结果。

❺刀状腐蚀（Knife Line Attack）：简称刀蚀。

在含有稳定元素的奥氏体不锈钢中（如1Cr18Ni9Ti，Cr18Ni12Mo3Ti等），焊接热影响区的过热区在腐蚀介质作用下，发生沿熔合线走向的深沟状似刀痕的腐蚀，称为刀状腐蚀。

铬（Cr）在不锈钢中的作用
铬是不锈钢中不可缺少的元素，不锈钢的耐蚀性和抗氧化性都由随着的Cr含量的增加而增加；因为Cr在不锈钢表面形成一层薄的氧化膜，阻碍或防止不锈钢的进一步氧化和腐蚀，在氧化环境中这层膜得到了强化。

在Fe-Cr系中，在所有温度下当Cr含量超过12%，均体现为铁素体；但高温情况下可能产生一下奥氏体组织，其原因是因为含有一定量的C和N元素的缘故。

名词解释-------------
间隙相：当非金属原子半径与金属原子半径比值小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相；当比值大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。

中间相：两组元A和B组成合金时，除了可形成以A为基体或以B为基体的固溶体外（端际固溶体）外，还可能形成晶体结构与A,B两组元均不相同的新相。

空淬效应：钢在一定条件下淬火时获得淬硬层（马氏体层）深度。

它是衡量各个不同钢种接受淬火能力的重要指标之一；淬透性主要取决于其临界冷却速度的大小，而临界冷却速度则主要取决于过冷奥氏体的稳定性。

镍（Ni）在不锈钢中的作用
最近镍价一直上涨，影响了不锈钢价格的波动。

但镍对于不锈钢有什么影响？
镍是不锈钢中仅次于铬的重要合金元素。

为了耐还原性酸和碱介质的腐蚀，钢中仅含铬是不够的，铬必须加入镍。

镍促进不锈钢钝化膜的稳定性，提高不锈钢的热力学稳定性。

因此，不锈钢中铬和镍共存，可显著强化不锈钢的不锈性和耐蚀性。

镍对不锈钢的高温抗氧性有益，但对高温抗硫化性有害。

因为镍与硫作用易形成低熔点硫化物。

而低熔点硫化物的形成会显著降低钢的热加工性。

镍与铬组合能显著提高奥氏体不锈钢在苛性介质（例如NaOH）中的耐蚀性，镍还提高18-8不锈钢耐氯化物应力腐蚀的性能。

虽然在耐点蚀、耐缝隙腐蚀的PRE 值（Cr+3.3Mo+16N，此值越大，耐点蚀、耐缝隙腐蚀性能越强）中并没有镍的作用在内，但在低铬、钼的通用铬镍奥氏体不锈钢中，镍的作用还是有益的。

镍是奥氏体形成的稳定元素，若含Ni量约为8%时，Fe-Ni系中在室温下为奥氏体组织，具有很好的可成型性，更好地焊接性，优异的韧性。

Ni对高温性能，特别是强度，冶金稳定性和保护性氧化膜的稳定性都有明显地提高。

在铁素体不锈钢中，加入Ni可提高韧性及弯曲性能，焊接性能及耐蚀性。

在沉
淀硬化不锈钢中，Ni是重要元素。

在双相钢中，通过调整Cr和Ni的含量的变化，可改变铁素体的百分比，Ni还可以改善双相钢抗全面腐蚀和抗应力腐蚀性能。

Ni在奥氏体不锈钢中会降低其熔点，平均增加1%的镍含量，就可降低其4.4℃。

随着Ni的增加而是δ相减少；但是热加工性，低温塑性和韧性可得到改善，其成型性能（深冲性能增加，加工硬化性能降低，还可增加在硫酸中的钝化（passivation）作用。

镍能显著改善不锈钢的塑、韧性，可使具有脆性转变温度的一些不锈钢的脆性温度下移。

镍可提高一些不锈钢的冷成型性和焊接性，降低奥氏体不锈钢的冷加工硬化倾向。

镍可提高一些不锈钢的冷成型性和焊接性，降低奥氏体不锈钢的冷加工硬化倾向。

此外，Ni的另一方面的作用是表现了在其不锈钢及镍合金指数上不可替代的“王道”；一种足以让不锈钢和镍金属从业者们“HIGH”到极致的“摇头丸”；一种其金融属性已经远远超出其实际价值的“产业利益链”。

锰（Mn）在不锈钢中的作用
锰元素可形成无限固溶体，有着强烈稳定奥氏体不锈钢结构的作用；并且对于铁素体和奥氏体不锈钢均有较强的固溶强化作用，提高了不锈钢的硬度和强度。

Mn是不锈钢生产的重要合金元素，在CrNi系不锈钢生产中作为脱氧元素，一般加入1.5%Mn，在Cr-Mn-Ni-N ,Cr-Mn-N系不锈钢中作为重要的合金化元素，一般加入6—20%。

和Cr-Ni奥氏体不锈钢相比，Cr-Mn-Ni-N奥氏体不锈钢最大的区别是大量地加入了合金元素Mn、N，从而带来了一系列的性能变化。

在奥氏体中，锰一般以合金形式存在，且含量小于2%；此含量对于不锈钢组织不会造成明显的影响。

但是锰元素，在不锈钢生产过程中被视为脱氧作用的残留元素看待。

锰元素在120℃以上温度，会随着温度的升高而产生一定的挥发现象。

1、Mn在不锈钢中的有益作用
（1）N在不锈钢中的溶解度公式：N=0.021（Cr+0.9Mn）-0.204wt%。

因此，为了提高N的溶解度，Mn元素被大量加入。

在节镍奥氏体不锈钢中，Mn是非常重要的合金元素，其主要作用是使氨在钢中的溶解度提高且提高钢的强韧性，是节镍奥氏体必不可少的元素。

（2）Mn是比较弱的奥氏体形成元素，但具有强烈稳定奥氏体的作用。

Cr-Ni奥氏体不锈钢中，随着Mn含量增加强度提高。

在无Ni的Cr-Mn-N奥氏体不锈钢中低温下会出现韧脆转变现象。

（3）Mn在不锈钢中的另一有益作用是形成MnS抑制钢中硫的有害作用，提高了钢的热敏性，在焊接材料中加入2%以上的锰，可提高奥氏体不锈钢焊缝的抗热裂纹敏感性。

2、Mn的不利影响
（1）Mn对不锈钢的不锈钢耐蚀性的影响，基本上都是负面的。

随着锰量的增加，钢的耐点蚀性、耐缝隙腐蚀性能下降。

这与锰和硫形成MnS，或随钢中锰量增加，MnS中的铬量降低所引起的MnS夹杂在腐蚀介质中的溶解，常常成为点蚀、缝隙腐蚀源。

实验证明，当将18-8不锈钢中的锰量降到约0.1%，此钢的耐点蚀能力将达到含2%Mo的316的水平。

(2) Mn在不锈钢中还促进σ相等脆性相的析出，降低钢的塑、韧性，为锰的高铬、钼不锈钢中的应用带来不利影响。

以Mn, N代Ni的节镍和无镍奥氏体不锈钢，其耐蚀性主要取决于钢的Cr、Ni、
Mo、N等元素的含量，而Mn的作用甚微。

目前研制成熟的钢种主要有200系
列以及Arlnco公司的Nitronic系列。

还有一些钢种也在广泛研究中。

磷（P）在不锈钢中的作用
磷（P）在不锈钢中的存在不与碳元素形成碳化物，但是易造成不锈钢中的严重偏析现象，一般来说，磷在不锈钢冶炼和后续加工过程中都被认为有害元素，尤其在焊接时，会产生热裂焊缝现象
在奥氏体不锈钢中，磷被允许存在的含量约为0.03%~0.035%；此外，若不锈钢
中因焊接而在焊缝处所产生的铁素体中，其磷元素被允许的最大含量约为0.03%。

磷元素对提高不锈钢的强度及冷作硬化作用强，但却会增加不锈钢的脆性（尤其是低温脆性）。

若磷与铜元素配合，可大大提高低合金钢的耐大气腐蚀的能力。

名词解释：
❶偏析现象：合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象称为偏析。

❷低温脆性：材料的冲击吸收功随温度降低而降低，当试验温度低于Tk(韧脆
临界转变温度)时，冲击吸收功明显下降，材料由韧性状态变为脆性状态，这种现象称为低温脆性。

金属的低温脆性是由于金属的屈服强度随温度降低而升高造成的。