钢中各合金元素的作用

二、各元素的作用
碳C
Q235、45#
(1)碳是钢铁材料的主要合金元素，因此钢铁材料也可以称为铁碳合金。
(2)C在钢中主要以三种状态存在：固溶于δ/γ/α-Fe中形成高温铁素体、奥 氏体和铁素体，提高钢的强度；形成金属碳化物，如如Fe3C、Vc等，提 高钢的硬度和耐磨性；游离态石墨(过共析钢中)，这种状态于钢材的性 能有害，应当避免，但是却是铸铁中的常见形态。
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(3)形成金属碳(氮)化物。 碳(氮)化物存在于晶体内部的、可以阻碍位错的移动， 即常说的钉扎作用，消耗位错滑移的能量达到强化的效果；碳(氮)化物存在于晶 界，一方面有阻碍位错晶间滑移，另一方面在热处理的过程中可以阻碍晶粒的长 大，从而达到细晶强化的效果。金属元素与C的亲和力从大到小为 Ti>Zr>Nb>V>W，Mo>Cr>Mn>Fe。 (4)改变相图。如对不锈钢来说，添加奥氏体化元素，扩大(如C、N、Cu)或开启 (如Mn、Ni、Co)奥氏体区，从而得到室温奥氏体不锈钢。
二、各元素的作用
硼B
40MnB*
(1)钢中加入微量的B元素可以提升其淬透性，改善致密性和热轧性能， 提高强度。
(2)B在钢中以三种形式存在，固溶态、游离态和B的N/O化合物。B的N/O 化合物对硼钢的性能不利，应当避免。
(3)微量的B(0.001~0.005%)可以成倍的提升钢的淬透性，但对钢的淬裂敏 感性影响甚小，对其他性能也影响非常微弱。
(3)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；因此，含碳量的高低决定了钢材的用途：低碳 钢(含碳量＜0.25%)，一般用作型材及冲压材料；中碳钢(含碳量＜0.6%)， 一般用作机械零件；高碳钢(含碳量＞0.7%)，一般用作工具、刀具及模 具等。此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。
二、各元素的作用
磷P
Y12*
(1)在一般情况下，磷是钢中有害元素，使钢的晶粒粗化，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。
(2)在钢中P主要以固溶态和游离态存在，表面磷化处理则以化合物形态 存在。 (3)钢中的磷由于使液相线与固相线温度范围加大，易形成严重偏析。磷 是固溶强化铁素体元素，能显著提高钢的抗拉强度，也能提高钢的耐蚀 性。但却增加钢的脆性，尤其是显著降低钢的低温韧性，称为冷脆。磷 也增加钢对回火脆性的敏感性。利用磷的有利作用发展了含磷低合金钢 和轻轨用钢轨；利用磷可改善钢的被切削加工性，发展了含磷易切削钢。 (4)磷化膜主要用作涂料的底层、金属冷加工时的润滑层、金属表面保护 层以及用作电机硅钢片的绝缘处理、压铸模具的防粘处理等。
(4)一般地说，硫对各种钢均为有害的杂质元素，所以均限制它的含量。 普通碳钢S≤0.05%，酸性转炉冶炼，18MnSi及25MnSi钢允许含S≤0.05%)。 轴承钢S≤0.02%，优质碳钢S≤0.04%，高级优质钢S≤0.03%。仅有极个别 要求表面很光洁的钢(如Cr14)有意加进少量的硫(约0.2～0.4%)(Cr14可做 螺钉、螺母、磁轮及其它螺纹零件，其表面光滑，耐磨性好)。
一、基础知识
3、合金元素分类
(1)常见的合金化元素。 非金属：C、N、B、Si、S、P、O、H(O为绝对杂质，H、S、P为相对杂质*)； 金属：Mn、W、Cr、V、Mo、Ti、Ni、Al、Cu、Nb、Co、Pb、Zr、Sn、Re(稀 土元素总称)。 (2)分类 A、按照元素的金属特性分为： 铁族金属——Co、 Ni、 Mn；难熔金属——W、Mo、Nb、V、Cr；轻金属—— Ti、Al 、Mg、Li；稀土金属——La、Ce、Nd；贵金属元素——Au、Ag；…… B、按照与C的亲和力分为： 碳化物形成元素：Ti、Zr、V、Nb、 Cr、Mo、W、Mn； 非碳化物形成元素：Cu、 Ni、 Co、 Si、 Al。 C、按照改变相图的趋势 奥氏体形成元素：在γ-Fe中有较大的溶解度，且能稳定γ相，如 Mn、Ni、Co、C、 N、Cu等；1)开启γ相区，Mn、Ni、Co 与 γ-Fe无限互溶；2)扩大γ相区，C、N、 Cu等； 铁素体形成元素：在α-Fe中有较大的溶解度，且能稳定α相，如：VБайду номын сангаасNb、Ti 等； 1)封闭γ相区，使相图中γ区缩小到一个很小的面积形成γ圈，其结果使δ相区与α 相区连成一片，如V、Cr、Si 、A1 、Ti 、Mo 、W 、P 、Sn 、As 、Sb。2)缩小γ 相区，如Zr 、Nb 、Ta 、B 、S 、Ce 等
(5)鉴于P的不利作用，一般合金钢的磷含量：普通碳钢P≤0.055%；轴承 钢P ≤ 0.027%、P+S ≤ 0.045%；优质碳钢P ≤ 0.045%，合金钢P ≤ 0.15%， P+C ≤ 0.025%，高级优质钢P ≤ 0.035% 。
二、各元素的作用
氢H
(1)氢是一般钢铁材料中的有害元素，钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点 等缺陷。 (2)在钢铁中H主要以固溶态和气态存在，由于常温下H在铁素体和珠光体 中的溶解度很低，导致溶解于钢液中的H常以分子态H2、CH4等形式存在。 (3)氢产生白点冷裂的主要原因是高温奥氏体冷至较低温时，氢在钢中的 溶解度急剧降低。当冷却较快时，氢原子来不及扩散到钢的表面而逸出， 就在钢中的一些缺陷处由原子状态的氢变成分子状态的氢。氢分子在不 能扩散的条件下在局部地区产生很大压力，这压力超过了钢的强度极限 而在该处形成裂纹，即白点。 (4)白点常在轧制的厚板、大锻件中发现，在纵断面中可看到圆形或椭圆 形的白色斑点；在横断面上则是细长的发丝状裂纹。锻件中有了白点， 使用时会发生突然断裂，造成不测事故。因此，化工容器用钢，不允许 有白点存在。 (5) H 能提高钢的磁导率，但也会使矫顽力和铁损增加(加H后矫顽力可增 大0.5～2倍)；H与C作用能生成甲烷(CH4)，所以H 的存在会促进脱碳。 此外在储氢钢铁中H的稳定储存量越大越好。
二、各元素的作用
硫S
Y40Ca， Y40Mn*
(1)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。
二、各元素的作用
硅Si
60Si2Mn* 35AW300**
(1)Si是钢中常见的还原剂和脱氧剂，能显著提高钢的弹性极限、屈服点和抗拉强 度，用于低碳钢中具有极高的导磁率，常用来做硅钢片。 (2)在钢中Si主要以三种状态存在，固溶态(固溶于铁素体和奥氏体中)、氧化态(Si 与O的结合能力比Fe强，这也导致其有氧焊接性能大大降低)和游离态。 (3)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，用于电器工业做硅钢 片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。 (4)硅能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度，其作用仅次于磷，较锰、 镍、铬、钨、钼和钒等元素强。但含硅超过3%时，将显著降低钢的塑性和韧性。 硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比(σs/σb)，以及疲劳强度和疲劳比(σ1/σb)等，这是硅或硅锰钢可作为弹簧钢种的缘故。硅能降低钢的密度、热导率和 电导率。能促使铁素体晶粒粗化。降低矫顽力。有减小晶体的各向异性倾向，使 磁化容易，磁阻减小，可用来生产电工用钢，所以硅钢片的磁滞损耗较低，硅能 提高铁素体的磁导率，使硅钢片在较弱磁场下有较高的磁感强度。但在强磁场下， 硅降低钢的磁感强度。硅因有强的脱氧力，从而减小了铁的磁时效作用。含硅的 钢在氧化气氛中加热时，表面将形成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧 化性。
(2)共晶转变点C，转变完成之 后得到的是奥氏体和渗碳体的 机械混合物，称为莱氏体Ld ， 727度以下称为变态莱氏体Ld’。 共析转变点S，转变完成之后 得到的是铁素体和渗碳体的机 械混合物，称为珠光体P。
(3)Fe3CI、II、III分别表示一次、 二次、三次渗碳体，是分别从 液相、奥氏体和铁素体中析出 的渗碳体，一般是在晶界析出。 渗碳体性脆，用热处理的方法 可以消除这种偏析。
(4)低碳硼钢渗碳性能良好，中碳硼钢在调质后有良好的综合机械性能， 硼钢的热加工性能良好。硼溶于固溶体，晶格变大，使强度提高，晶界 中硼有阻止再结晶扩散作用，所以可增加钢的热强性。
(5) 含B量超过0.007%时，容易使钢变脆。B的加入会降低奥氏体体晶粒 粗化的温度，易粗晶，但加铝可改善。热处理时心部易生针状铁素体而 影响机械性能。B与O、N亲和力很强，易生非金属夹杂。为克服此缺陷 可于冶炼时加0.1~0.12%Al和0.06~0.04%Ti以脱氧，去氮。
(2)S在钢中主要以固溶态和硫化物的形式存在，如FeS和MnS。 (3)形成硫化物的结果是：a.增加钢的热脆性，FeS和形成低熔点(985℃)化 合物，而钢材的热加工温度一般在1150～1200℃以上，所以当钢材热加 工时，由于FeS化合物的过早熔化而导致工件开裂，这种现象称为“热 脆”；b.硫含量0.2%以上，就会严重影响钢的强度和韧性；c.硫可使钢强 度降低，因此有利于钢的切削，但除了易切钢之外，极少利用。
二、各元素的作用
氮N
Cr18Mn18N*
(1)N是碳钢中非常重要的强化元素，常见的掺氮工艺，如渗氮和氰化， 都是增加表面硬度以增加工件的耐磨性的方法。
(2)N在钢中主要以两种形式存在：固溶于奥氏体和铁素体中，提高强度， 作用机理类似于C，同C一样低温下N的固溶度非常有限(约0.001%)，过 饱和固溶的N(C)马氏体具有极高的硬度；以氮的化合物的形态弥散于钢 铁中，起到沉淀强化的作用。 (3)形成高熔点高硬度氮化物的氮有两个作用，其一，弥散分布于基体相 中阻碍结晶和再结晶晶粒的长大，起到细晶强化的作用；其二，由于氮 化物具有硬度高的特点，均匀分布的氮化物大大改善器件的耐磨性能， 渗氮的目的就是在表面形成一层耐磨层。 (4)此外，固溶渗氮还可以有效的防止晶间腐蚀，表面渗氮能提升奥氏体 不锈钢的耐腐蚀性能，N还可以扩大奥氏体区，这些对于非常有限的Ni 资源无异于雪中送炭。 (5)注意，氮含量超过0.01%时，容易形成N2 气孔，而钢中的气孔正是裂 纹产生的源头。晶界过度偏析的氮化物会造成脆断，破坏钢的韧性。
一、基础知识
2、合金元素改性原理
(1)形成固溶体。 原子直径较小的常形成间隙固溶体，如C、N、B等；原子直径 较 大 的 形 成 置 换 固 溶 体 ， 如 Cr 、 Ni 、 Mn 、 Co 、 V 等 。 一 般 有 如 下 规 律 ： Radd/RFe>0.59形成置换固溶体，Radd/RFe<0.59形成间隙固溶体。如Fe-C相图中奥氏 体便是C原子在面心立方相γ-Fe中的间隙固溶体。固溶体的强化是以形成晶格畸 变来实现的。 (2)细晶强化。一些合金元素如V、Ti、Mo等有细化晶粒的作用，在液相结晶过程 中形成的化合物/中间相，起到类似于形核剂的作用；这些化合物、中间相又在 热处理和锻压中起固溶析出、钉扎，从而细化晶粒。多晶材料的屈服强度σs和晶 粒尺寸d之间存在经验公式Hall-Petch公式：式中σ0和k都是材料属性。
钢中各合金元素的作用
2012年7月
一、基础知识
钢 铁
1、铁碳平衡相图*
(1)四个单相区+Fe3C，7个两相 区。 δ/γ/α-Fe是铁的单质，晶 体结构分别是体心立方、面心 立方、体心立方，图中δ/γ/α相 区实际上是含碳的固溶体，分 别称之为高温铁素体、奥氏体 (A)、铁素体(F)，Fe3C又称渗 碳体。