常見元素對鋼性能的影響

常見元素對鋼性能的影響碳C由于其對鋼的性能的影響常被稱為“控制者”。雖然碳本身不具有強(qiáng)度和硬度，但是在固溶體中作為鐵的碳化物Fe3C，碳是強(qiáng)度和硬度的首要控制元素。碳的主要作用：在鋼中隨著含碳量的增加，可提高鋼的強(qiáng)度、硬度和淬透性；但降低塑性、韌性、磁性和導(dǎo)電性能。碳和鋼中某些合金元素化合形成各種碳化物，對鋼的性能產(chǎn)生不同的影響。碳在一些鋼中的含量范圍：碳素鋼0.03?1.04%，高速工具鋼0.75?1.60%，熱作工具鋼0.22?0.70%，冷作工具鋼0.45?2.85%.錳Mn廣泛用于熔態(tài)鋼的脫氧和脫硫。它在鋼中殘留的量小于1%。當(dāng)錳在鋼中的含量超過1%時，錳就是有意加入的合金元素。錳的主要作用：提高鋼的抗拉強(qiáng)度；適度提高鋼的淬透性，并且既提高韌性又提高加工性能；在含硫的鋼中，錳使硫造成的熱脆性和冷脆性減到最?。缓i量高的鋼，經(jīng)冷加工或沖擊后具有高的耐磨性，但有促使鋼的品粒長大和增加第二類回火脆性的傾向。錳元素在結(jié)構(gòu)鋼、鋼筋鋼、彈簧鋼中應(yīng)用較大。錳在一些鋼中的含量范圍：碳素鋼0.25?0.65%，錳鋼1.6?1.9%，冷作工具鋼0.30?2.50%，奧氏體銘-竦不銹鋼2.00?15.5%.硅Si硅是鐵素體形成元素。它既提高A1溫度又提高A3溫度。由于硅有石墨化的作用，所以一般它在鋼中與錳結(jié)合作為碳化物的穩(wěn)定劑。為常用的脫氧劑。硅的主要作用：在電工薄板鋼中，硅提高磁導(dǎo)率和電阻率并允許獲得非常低的磁滯損失，硅在這些鋼中的含量范圍是0.5?4.5%；硅使一些耐高溫鋼抗氧化；硅與錳結(jié)合可提高淬透性、強(qiáng)度和沖擊韌性；特別是經(jīng)淬火、回火后能提高鋼的屈服極限和彈性極限；含硅量高的鋼，其磁性和電阻均明顯提高，但硅有促進(jìn)石墨化傾向，當(dāng)鋼中含碳量高的時候，影響更大；對鋼還有脫碳和存在第二類回火脆性傾向。硅元素在鋼筋鋼、彈簧鋼和電工鋼中應(yīng)用較多。含量較高時，對鋼的焊接性不利，焊接時噴濺較嚴(yán)重，有損焊縫質(zhì)量，并導(dǎo)致冷脆；對高、中碳鋼易產(chǎn)生石墨化。普通鋼中硅的含量范圍在0.17?0.37%。銘是碳化物形成元素。它形成硬的碳化物Cr7C3和Cr23C6，另一方面還可以與碳形成復(fù)合碳化物。所有這些碳化物都比初始的滲碳體硬。作為鐵素體形成元素，銘降低了A4溫度并提高A3溫度，因此以丫-相為代價穩(wěn)定了a-相。如果在純鐵中加入大于11%的銘，那么丫-相會全部消失。銘Cr銘的主要作用：在鋼中含足夠的碳時銘提高鋼的硬度，含1%碳的低銘鋼是非常硬的；在低碳鋼中加入的銘能夠提高強(qiáng)度但延展性有所降低；銘提高鋼的高溫強(qiáng)度；銘提供中等淬透性；在高碳鋼中，銘改善耐磨性能；當(dāng)加入大量的銘，直到25%時，由于在鋼的表面形成保護(hù)性的氧化物層而改善耐腐蝕能力；與竦元素等配合能提高抗氧化性和鋼的熱強(qiáng)性，并進(jìn)一步提高抗腐蝕性；銘促進(jìn)晶粒長大，導(dǎo)致鋼的脆性增加。銘是結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、軸承鋼、不銹鋼和耐熱鋼中應(yīng)用很廣的元素。銘在一些鋼和合金中的含量范圍：銘鋼0.30?1.60%，奧氏體銘-竦不銹鋼15.0?30.0%，馬氏體銘鋼4.0?18.0%，鐵索體銘鋼10.5?27.0%，沉淀硬化鋼12.2?18.0%，鎢W鎢是非常強(qiáng)的碳化物形成元素。它形成非常硬而又穩(wěn)定的碳化物W2C、WC和復(fù)合碳化物Fe4W2C。這些碳化物溶解很慢并且只在很高的溫度溶解。因此鎢是工具鋼的重要成分，尤其是高速工具鋼。在這些鋼中，鎢顯著地提高二次硬化后的硬度。作為鐵素體形成元素，鎢降低A4溫度而提高A3溫度。鎢的主要作用：鎢抑制品粒長大并因此有晶粒細(xì)化的作用；鎢減少在熱加工和熱處理過程中的脫碳；鎢提高耐磨性；它提高淬火及回火鋼的高溫硬度；在一些高溫合金中，鎢提高蠕變強(qiáng)度；鎢對淬透性的貢獻(xiàn)是非常重要的；鎢限制回火軟化，含鎢的鋼加熱到600?700°C碳化物仍不會沉淀，從而避免了鋼的軟化。是高速工具鋼、合金工具鋼中應(yīng)用較多的元素之一。對鋼抗氧化性不利。鎢在一些鋼中的含量范圍：鎢-銘鋼1.75%，高速工具鋼1.15?21.0%，熱作工具鋼0?19.0%，冷作工具鋼0?2.0%，抗沖擊鋼0?3.0%.鉬Mo鉬是強(qiáng)的碳化物形成元素。它形成硬而穩(wěn)定的碳化物MoC,以及另外的復(fù)合2碳化物，例如FeMoC和FeMoC4 2 21 6鉬的主要作用：少量的鉬即可有效地降低轉(zhuǎn)變速率；提高高溫合金的高溫強(qiáng)度和抗蠕變能力；提高不銹鋼的耐腐蝕能力，特別是在鹽酸溶液中；與鎢有相似的作用，在高速工具鋼中常以鉬代鎢，從而減輕含鎢高速鋼碳化物堆集的程度，提高了力學(xué)性能；鉬是竦-銘-鉬鋼中的重要組成部分之一，這種鋼具有高的抗拉強(qiáng)度與良好的塑性的結(jié)合;在銘鋼中，鉬的加入是為了改善加工性能和力學(xué)性能；在竦-鉬鋼中，鉬提高鋼的表面硬度。鉬在一些鋼中的含量范圍：鉬鋼0.15?0.60%，高速工具鋼0?10.0%，熱作工具鋼0?5.5%，冷作工具鋼0?1.8%，奧氏體銘-竦不銹鋼0.?4.0%，馬氏體銘鋼0?1.25%，鐵索體銘鋼0?1.25%.釩V釩是強(qiáng)的碳化物形成元素。它形成碳化物VC。釩以細(xì)小品粒而彌散的碳化物和氮化物存在于鋼中，它們在正常的熱處理溫度下不分解，它們的存在抑制品粒長大。足夠量的碳和在溫度升高時可溶的釩引起可觀察到的最大二次硬化效果。釩的主要作用：釩是非常重要的品粒細(xì)化元素，它抑制奧氏體長大，少到0.1%的釩就會有效地抑制硬化過程中的品粒長大，但是在把鋼加熱到品粒長大抑制碳化物和氮化物粒子溶解的溫度時，品粒長大馬上開始；釩即使少量的溶解也會提高淬透性；它可抵抗高溫軟化；在生產(chǎn)脫氣鑄錠的最后脫氧階段，釩迅速與氧化物結(jié)合，常用來作為“清洗劑”或“清潔器”銘-釩鋼表現(xiàn)出比較高的屈服應(yīng)力和斷面收縮率；提高鋼的強(qiáng)度和和韌性，提高鋼的耐磨性和熱硬性以及回火穩(wěn)定性，在高速工具鋼中經(jīng)多次回火有二次硬化的作用。固溶于鐵素體有極強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，有細(xì)化品粒作用，對低溫沖擊韌性有利。碳化釩是金屬碳化物中最硬、最耐磨的，可提高工具鋼的使用壽命。通過細(xì)小碳化釩晶粒彌散分布，可以提高鋼的蠕變和持久強(qiáng)度。鐵、碳含量比大于5.7時，可防止或減輕介質(zhì)對不銹耐酸鋼的品間腐蝕，并大大提高鋼的抗高溫、高壓、氫腐蝕的能力，能細(xì)化品粒，減緩合金元素的轉(zhuǎn)移速度，但對鋼的高溫抗氧化性不利。釩在一些鋼和合金中的含量范圍：銘-釩鋼0.10?0.20%,高速工具鋼0.90?5.25%，熱作工具鋼0?2.20%，冷作工具鋼0?5.15%鉆Co鉆是碳化物形成元素。它的碳化物形成傾向稍微比鐵強(qiáng)。有固溶強(qiáng)化作用，賦予鋼硬性，改善鋼的高溫性能和抗氧化及耐腐蝕的能力。鉆是某些超硬高速工具鋼、某些永磁合金以及高溫合金的重要成分。在一些含竦18%、鉆8%?12%、鉬3%~5%和少量的鈦和鋁的鋼中，鉆通過產(chǎn)生更多的（Ti、Al、Mo）Ni3沉淀成核的部位而促進(jìn)沉淀硬化。鉆的主要作用：鉆提高永磁合金的剩余感應(yīng)和高的矯頑力；鉆通過促進(jìn)沉淀硬化過程來大量提高強(qiáng)度和韌性；當(dāng)鉆溶解到鐵素體或奧氏體中時，它抑制溫升過程中發(fā)生的軟化；鉆降低淬透性。鉆在一些鋼和合金中的含量范圍：高速工具鋼0?13.0%，熱作工具鋼0?4.5%鈦Ti鈦是非常強(qiáng)的碳化物形成元素。固溶狀態(tài)時，固溶強(qiáng)化作用極強(qiáng)，但同時降低固溶體的韌性。鈦的主要作用：在中銘鋼中，鈦從固溶體中拉回碳并降低馬氏體硬度及淬透性；在高銘鋼中，鈦?zhàn)柚剐纬蓨W氏體；在奧氏體不銹鋼中，鈦在高溫時從固溶體中拉回碳，并因此阻止因在晶界生成銘的碳化物，使局部的銘被用盡，而造成的晶界損失；在奧氏體高溫合金中，鈦促進(jìn)沉淀硬化；在鎮(zhèn)靜高強(qiáng)度低合金鋼中，鈦能提高鋼的韌性，；鈦用作脫氧劑；與釩有相似的作用，在以鈦為基的合金鋼有較小的密度，較高的高溫強(qiáng)度；在竦銘不銹鋼中有減少晶間腐蝕的的作用。提高耐熱鋼的抗氧化性和熱強(qiáng)性。有防止和減輕不銹耐酸鋼品間和應(yīng)力腐蝕的作用。由于細(xì)化品粒和固定碳，對鋼的焊接性有利。鈦在高強(qiáng)度低合金鋼中的含量范圍在0?0.10%鉛Pb鉛在熔融的鋼中有有限的溶解度。由于它有遠(yuǎn)大于鋼的密度，所以它在熔態(tài)鋼中下沉而與鋼分開。它在鋼中以夾雜物形式存在。這些夾雜是軟的并起著間隙潤滑作用。其含量為0.20%左右并以極微小的顆粒存在時，能在不顯著影響其他性能的前提下，改善鋼的切削性。竦Ni竦不形成碳化物。鋼中存在的竦使鐵的碳化物失去穩(wěn)定并因此促進(jìn)石墨化。竦通過形成簡單的置換固溶體起著強(qiáng)化鐵素體的作用。作為奧氏體形成元素，竦通過提高A4溫度并降低A3溫度來穩(wěn)定奧氏體。如果純鐵中含有大于25%的竦，所得到的合金即使緩冷到室溫也是純奧氏體。竦的主要作用：在含竦達(dá)5%的合金鋼中，竦提高強(qiáng)度和韌性；竦使高銘成分的奧氏體形成，得到了奧氏體銘-竦不銹鋼；竦起著進(jìn)一步細(xì)化品粒的作用；在含有少量碳的高竦鋼中，它顯著提高同素異品轉(zhuǎn)變的熱滯后，以致馬氏體時效鋼中的馬氏體在加熱到600°C時仍能夠保留；竦降低熱膨脹系數(shù)；在高竦合金中，它提高導(dǎo)磁率；含量高時與銘配合能顯著提高鋼的耐腐蝕性和耐熱性。它應(yīng)用廣泛，特別是在不銹鋼和耐熱鋼中。竦在一些鋼和合金中的含量范圍：竦鋼3.25?5.25%，奧氏體銘-竦不銹鋼1.0?37.0%，馬氏體銘鋼0?2.50%，沉淀硬化鋼3.0?8.50%鈮Nb鈮既可通過沉淀硬化又可通過鐵素體景粒進(jìn)一步細(xì)化來提高強(qiáng)度。鈮的主要作用：少量的鈮（約0.02%）即可有效地提高碳鋼的抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度；強(qiáng)度的提高伴隨著顯著的缺口韌性的惡化；鈮是一些高強(qiáng)度低合金鋼的重要成分。當(dāng)含量大于碳含量的8倍時，幾乎可以固定鋼種所有的碳，使鋼具有很好的抗氫性能；在奧氏體鋼中，可以防止氧化介質(zhì)對鋼的晶間腐蝕。由于固定鋼中的碳和沉淀硬化作用，可以提高熱強(qiáng)鋼的高溫性能，如蠕變強(qiáng)度等。銅Cu銅是奧氏體形成元素。由于銅有石墨化傾向，所以其僅加入低碳鋼中，并且數(shù)量不大于1.5%。銅的主要作用：改善耐蝕能力；借助沉淀硬化來提高合金的抗拉強(qiáng)度；銅在那些不發(fā)生沉淀硬化的鋼中能夠輕微地提高屈服強(qiáng)度，但鋼的塑性、韌性下降；在碳鋼中，它提高淬透性并降低延展性；當(dāng)含銅量超過0.4%-0.5%時，使鋼件在熱加工時表面容易產(chǎn)生裂紋。鋁Al鋁的碳化物形成能力比鐵低。鋁促進(jìn)石墨化。鋁的主要作用：鋁與氮或氧生成有效的細(xì)小彌散物而抑制品粒長大；鋁通過氮的較低溫?cái)U(kuò)散（氮化）而生成有效的表面硬化層；鋁借助在鋼的表面生成一層強(qiáng)的氧化鋁使鋼耐腐蝕；鋁是優(yōu)良的脫氧劑；鋁能細(xì)化品粒，從而提高鋼的強(qiáng)度和韌性；用鋁脫氧的鎮(zhèn)靜鋼，能降低鋼的時效傾向，如冷軋低碳薄鋼板，經(jīng)精軋后可長期存放，不產(chǎn)生應(yīng)變時效；鋁對淬透性的貢獻(xiàn)是中等的。鋁在一些鋼和合金中的含量范圍：普通鋼中鋁的含量在0.01?0.03%，鐵素體不銹鋼0?0.30%，沉淀硬化不銹鋼0?1.5%15.硼B(yǎng)硼是在2300°C熔化的非常硬的固體。硼的主要作用：在完全脫氧的鋼中加入微量的硼（0.0005?0.005%）能顯著提高鋼的淬透性，這時由于降低了冷卻期間相轉(zhuǎn)變速率所致，但當(dāng)含碳量增加時，使淬透性下降，因此，硼加入含碳量＜0.6%的低碳或中碳鋼中作用明顯；如加入少量的硼，減少其它更昂貴的合金元素一半的量，仍能使鋼保持同樣的轉(zhuǎn)變速率；硼改善了鋼的延展性能和力學(xué)性能.硫S硫是對鋼鐵危害大的元素，硫通過形成脆的硫化物FeS對鋼產(chǎn)生最有害的影響。硫化物在鋼中存在的數(shù)量低到0.01%時，它也可以激發(fā)硫化物沿品粒邊界析出。硫的主要作用：通過生成低熔點(diǎn)的脆性硫化物，硫形成鋼在熱加工中破裂，這種鋼也不適于冷加工過程；當(dāng)鋼中加入足夠量的錳時，硫形成在熱加工溫度下可塑的MnS；這些硫化物以相當(dāng)大的球狀遍布于鋼中，它在鋼中不溶解并因此而不與鋼的組織結(jié)合；增加鋼中非金屬夾雜物，使鋼的強(qiáng)度降低，還會明顯降低鋼的焊接性能。在熱加工時，容易產(chǎn)生脆性（熱脆性），但稍高的含硫量能改善低碳鋼的切削加工性。普通鋼中硫的含量^0.045%。.磷P磷是鋼材中的有害成分。磷在其含量低于1.0%時溶解于固態(tài)鋼中。當(dāng)含量超過此值時，磷析出生成脆性的磷化物Fe3P。磷的主要作用：在溶體中磷產(chǎn)生重要的硬化效果，然后由于磷增加脆性，所以其含量一般以0.05%為限，磷化物Fe3P在顯微組織中以獨(dú)立的組成部分存在；是降低鋼的表面張力的的元素；增加鋼中的非金屬夾雜物，使鋼的強(qiáng)度和塑性降低，并使鋼的焊接性能和冷彎性能變差；特別是在低溫時更嚴(yán)重（冷脆性），但稍高的含磷量能改善低碳鋼的切削加工性。與銅聯(lián)合使用，能提高低合金高強(qiáng)度鋼的耐大氣腐蝕性能，但降低其冷沖壓性能。與硫錳聯(lián)合使用，改善鋼的切削性。普通鋼中磷的含量^0.045%。.氮N在鋼中氮既可形成氮化物又可以溶解殘留在凝固后的間隙中。在這兩種方式中，氮都使鋼脆化而不適于冷加工。因此，為了生產(chǎn)高塑性的軟鋼，氮含量必須低到0.002%。減少氮的含量也降低了淬火時效。在熱軋或鍛造的鋼中，磷生成所謂的“反常帶”，這些部位成為鋼中的薄弱面.氫H氫含量約大于0.0005%就會導(dǎo)致鋼的延展性降低。氫在室溫就可以在鋼中擴(kuò)散出去。這種擴(kuò)散在緩慢的升溫過程中更有效。氫含量超過0.0005%，會造成鋼內(nèi)部破