第一章 钢铁中的合金元素

钢中的合金元素与杂质元素碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)、硫(S)通常被称为钢铁材料的五大元素。

C，Si，Mn对钢铁材料是有益的，称为合金元素；P和S则是有害元素，称为杂质元素；N、H、O等元素的影响。

（1）锰的影响锰在钢中的存在也属于有益元素，它与氧有较强的亲合力，具有较好的脱氧能力，在炼钢时作为脱氧剂加入。

另外锰与硫的亲合力很强，在钢液中与硫形成M n S，起到去硫作用，大大的消除了硫的有害影响。

钢中的含锰量一般为0.25~0.80%，它一部分溶入铁素体起到固溶强化作用，提高铁素体的强度，锰还可溶入渗碳体形成合金渗碳体（F e，M n）3C，使钢具有较高的强度；另一部分锰与硫形成M n S，与氧形成M n O，这些非金属夹杂物大部分进入炉渣。

（2）硅的影响硅在钢中的存在属于有益元素，由于它与氧有很大的亲合力，具有很好地脱氧能力。

在炼钢时作为脱氧剂加入，S i+2F eO=2F e+Si O2，硅与氧化铁反应生成二氧化硅（Si O2）非金属夹杂物，一般大部分进入炉渣，消除了F e O的有害作用。

但如果它以夹杂物形式存在于钢中，将影响钢的性能。

碳钢中的含硅量一般S i%≤0.4%，它大部分溶入铁素体，起固溶强化作用，提高铁素体的强度，而使钢具有较高的强度。

（3）硫的影响硫在钢中是有害的杂质。

液态时F e、S能够互溶，固态时Fe几乎不溶解硫，而与硫形成熔点为1190℃的化合物F e S。

形成的共晶体（γ-F e+F eS）以离异共晶形式分布在γ-F e晶界处。

若将含有硫化铁共晶体的钢加热到轧制、锻造温度时，共晶体熔化，进行轧制或锻造时，钢将沿晶界开裂，这种现象称为钢的“热脆”或“红脆”。

磷在钢中的存在一般属于有害元素。

在1049℃时，磷在F e中的最大溶解度可达 2.55%，在室温时溶解度仍在1%左右，因此磷具有较高的固溶强化作用，使钢的强度、硬度显著提高，但也使钢的塑性，韧性剧烈降低，特别是使钢的脆性转折温度急剧升高，这种现象称为冷脆。

合金元素在钢铁中的存在形式及其影响1.碳(C)碳是钢铁中的重要元素,它是区分钢铁的主要标志之一。

在决定钢号时,往往注意碳的含量。

碳对钢铁的性能起决定性的作用。

由于碳的存在,才能将钢进行热处理,才能调节和改变其机械性能。

当碳含量在一定范围内时。

随着碳含量的增加,钢的硬度和强度得到提高,其塑性和韧性下降;反之,则硬度和强度下降,而塑性和韧性提高。

由于碳含量在钢铁中的重要作用,所以快速、准确地测定钢铁中的碳含量也就具有相当重要的意义。

2.硅(Si)硅在钢铁中主要以固溶体形式存在,还可形成硅化物,其形式有MnSi或FeMnSi等;也有少许以硅酸盐以及游离SiO2的形式成为钢铁中非金属夹杂物而存在;在高碳钢中可能有少量SiC形式存在。

硅能增强钢的抗张力、弹性、耐酸性和耐热性,又能增大钢的电阻系数。

故钢中含量硅一般不小于0.10%;作为一种合金元素,一般不低于0.4%;耐酸耐热钢及弹簧钢中、含量硅较高;而硅钢中含硅量可高达4%以上。

3.磷(P)磷在钢中以固溶体和磷化物形态存在。

磷化物形态有Fe3P,Fe2P等。

Fe3P是一种很硬而脆性大的物质。

当磷含量高时易形成Fe3P,增加钢的冷脆敏感性,增加钢的回火脆性以及焊接裂纹敏感性。

一般认为在钢中含磷量高于0.1%,便会发生上述的危害性。

通常的情况下认为磷是钢中的有害的元素,但是它也是可利用的一面。

例如,磷和铜联合作用时,能提高钢的抗蚀性;它和锰、硫联合作用时,能改善钢的切削加工性。

硫(S)硫主要以硫化物的形态存在于钢中。

一般认为硫是钢中的有害元素之一。

硫在钢中易于偏析,恶化钢的质量。

如以熔点较低的FeS的形式存在时,将导致钢的热脆现象。

此外,硫存在于钢内能使钢的机械性能降低,同时对钢的耐蚀性、可焊性也不利。

5. 锰(Mn)锰在钢中能形成固溶体。

在冶炼钢铁过程中,通常作为脱氧剂及脱硫剂而特意加入。

锰与硫能形成熔点较高的MnS,可防止因FeS而导致的热脆现象,并提高了钢的可锻性。

第1章1.1钢铁中的合金元素热脆性 —— S —— FeS(低熔点989℃)；？ 冷脆性 —— P —— Fe3P（硬脆）； ？ 氢 脆 —— H —— 白点。

2、合金元素（alloying-element） 为合金化目的加入，其加入量有一定范围 的元素称为合金元素。

钢中常用合金元素： Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等。

Me和Fe基二元相图一、钢中的Me 1、杂质元素（impurity- element）常存杂质 冶炼残余，由脱氧剂带入。

Mn、Si、Al；S、P难清除。

生产过程中形成， 微量元素O、H、N等。

与炼钢时的矿石、废钢有关， 如Cu、Sn、Pb、Cr等。

隐存杂质常存杂质二、Me在钢中的存在形式1、Me在不同状态下的分布1、退火、正火态 非K形成元素基本上固溶于基体中， 而K形成元素视C和本身量多少而定。

优先形成K，余量溶 入基体。

2、淬火态 Me分布与淬火工艺有关。

溶入A体的元素 淬火后存在于M、B中或AR中；未溶者仍在K中。

2、Me的偏聚（segregation ）偏聚 现象Me偏聚 → 缺陷处C’> 基体平均C 这种现象也称为吸附现象。

偏聚现象对钢的组织和性能产生了较大影响， 如晶界扩散、晶界断裂、晶界腐蚀、相变形核等 都与此有关.Me+⊥：溶质原子在刃型位错处吸附，形成柯氏气团； 3、回火态 低回: Me不重新分布；> 400℃，Me开始 重新分布。

非K形成元素仍在基体中，K形成元素逐步进 入析出的K中，其程度决定于回火温度和时间。

Me+≡ ：溶质原子在层错处吸附形成铃木气团； Me+◎ ：溶质原子在螺位错吸附形成Snoek气团.1偏聚 机理溶质原子在缺陷处偏聚，使系统自由能↓， 符合自然界最小自由能原理。

结构学：缺陷处原子排列疏松，不规则，溶质原 子容易存在； 能量学：原子在缺陷处偏聚，使系统自由能↓， 符合自然界最小自由能原理。

（在没有强制外 力作用下，事物总是朝着↓能量的方向发生。

各种元素在钢铁中的作用钢是一种合金，主要由铁、碳和其他合金元素组成。

这些合金元素在钢中起着不同的作用，以下是一些常见的合金元素及其作用：1.碳（C）：碳是钢中最重要的合金元素之一，它能够提高钢的硬度和强度。

高碳钢含碳量超过0.6%，通常用于制造刀具和机械零件。

中碳钢常用于制造车轴、齿轮等。

低碳钢含碳量少于0.3%，其韧性较好，常用于制造汽车结构部件等。

2.硅（Si）：硅用于降低钢的液相温度和粘度，促进钢的液相区域扩大。

它还能提高钢的强度和耐磨性。

硅常用于制造电力设备、变压器等。

3.锰（Mn）：锰能够提高钢的韧性和延展性，并抑制高温下的晶界腐蚀。

锰常用于制造桥梁、建筑结构等。

4.磷（P）：磷用于提高低碳钢的强度和硬度，但过高的磷含量会降低钢的可焊性。

因此，磷含量应控制在一定范围内。

5.硫（S）：硫能够提高钢的切削性能和机械加工性能。

但高硫含量的钢会降低钢的可焊性和韧性，同时还容易形成疏松铸态组织。

6.铬（Cr）：铬是不锈钢的主要合金元素之一，它能够提高钢的耐蚀性和耐磨性。

铬还能提高钢的强度和硬度，常用于制造压力容器、船舶等。

7.镍（Ni）：镍能够提高钢的韧性和抗冲击性能。

它还能提高钢的耐高温性能，因此常用于制造汽车发动机、航空发动机等。

8.钼（Mo）：钼能够提高钢的硬度和强度，同时还能提高钢的耐腐蚀性能。

它常用于制造汽车结构部件、涡轮发动机等。

9.钒（V）：钒能够提高钢的强度和硬度，同时还能提高钢的耐热性能。

钒主要用于制造高速切削工具、齿轮等。

总而言之，钢中各种合金元素的添加能够改善钢的机械性能、耐磨性、耐腐蚀性和热处理性能等。

通过适当调整合金元素的含量，可以生产出满足不同工程要求的各类钢材。

合金元素在钢铁中的存在形式及其影响合金元素是指将两种或两种以上的金属或非金属加入到钢铁中，以改变钢铁的特性和性能。

在钢铁中的合金元素存在形式主要有溶解形式和沉淀形式两种，不同的存在形式会对钢铁的组织结构、力学性能、耐热性、耐腐蚀性等方面产生影响。

首先，合金元素的存在形式对钢铁的组织结构具有重要影响。

合金元素在钢中的溶解形式可以使钢铁具有均匀的组织结构。

例如，镍等元素可以在钢中溶解，使得钢铁具有面心立方的组织结构，提高钢铁的延展性和韧性。

另一方面，合金元素的沉淀形式会形成钢中的非均匀相，如碳化物、硫化物和氧化物等。

这些非均匀相可以改变钢铁的硬度、强度和韧性等力学性能。

其次，合金元素的存在形式对钢铁的力学性能产生直接影响。

溶解在钢中的合金元素可以通过固溶强化作用，增加钢的抗拉强度和硬度。

例如，铬元素可以增加钢的抗氧化性和耐腐蚀性，钼元素可以提高钢的抗拉强度和耐蚀性。

沉淀在钢中的合金元素则可以通过位错阻力和弹性应变能的杂化作用，提高钢的屈服强度和韧性。

此外，合金元素的存在形式还对钢铁的耐热性和耐腐蚀性产生影响。

合金元素的溶解形式可以提高钢的耐高温性能和耐腐蚀性。

例如，钼元素可以提高钢铁的耐高温性能和耐腐蚀性，镍元素可以增加钢铁的耐腐蚀性和抗应力腐蚀性能。

另外，合金元素的存在形式还可以影响钢铁的加工性能。

合金元素的沉淀形式会对钢铁的加工硬化率、红脆倾向以及可焊性产生影响。

沉淀相的形成会使钢的加工硬化率增加，加工性能降低。

而合金元素的溶解形式可以通过调整钢铁的化学成分，改善钢铁的可焊性。

综上所述，合金元素在钢铁中的存在形式及其影响是多方面的，主要包括对钢铁的组织结构、力学性能、耐热性、耐腐蚀性和加工性能等方面产生影响。

合金元素的选择和调控可以通过合理设计钢铁的成分，以满足不同场合对钢铁性能的需求。

《金属材料学》课程考试大纲编写刘文俊一、考试对象参加材料学及材料加工硕士点研究生复试的考生。

二、考试目的考核学生对本课程知识的掌握和运用能力，属水平测试。

三、考试内容、要求第一章钢铁中的合金元素考试内容：合金元素与杂质元素，合金元素对铁碳二元相图的影响，合金钢的分类与编号，固溶体，碳氮化合物，合金元素对自由能、原子的扩散及碳在铁中的活度的影响，钢的重结晶与组织遗传性，合金元素对奥氏体晶粒长大的影响，合金元素对钢冷却时组织转变的影响，合金元素对钢的强韧性和工艺性能的影响，微量元素在钢中的作用。

考试要求：1、掌握合金元素与杂质元素在钢中的作用；2、熟悉合金钢的分类与编号；3、掌握置换固溶体、间隙固溶体、碳氮化合物的形成规律；4、掌握合金钢中的扩散规律；5、了解合金元素对加热、冷却、回火时组织结构及性能的影响；6、掌握钢的强化机制与韧化途径；7、熟悉合金元素对钢的工艺性能的影响；8、了解钢中常用的微量元素及微量元素对钢的有益作用。

9、能较好地掌握不同性能要求的合金钢的合金化设计思路第二章工程结构钢考试内容：工程结构钢的合金化，铁素体-珠光体钢的成分特点、性能及典型的钢种，低碳贝氏体和马氏体钢的的成分特点、性能及典型的钢种，双相钢的组织特点、性能及获得方法，提高低碳工程构件用钢性能的途径。

考试要求：1、合金元素在工程结构钢中的作用；2、碳含量和合金元素含量对钢的使用性能和工艺性能的影响；3、双相钢的组织结构特点、性能及获得方法；控制轧制。

第三章机械制造结构钢考试内容：四种典型机器零件用钢（调质钢、渗碳钢、弹簧钢、滚动轴承钢）、低碳马氏体钢、高锰耐磨钢的成分特点、热处理特点及性能特点；超高强度钢的合金化原理。

考试要求：1、根据四种典型机器零件用钢的不同性能要求，选择合适的钢种，并确定正确的热处理方法。

2、掌握钢中含碳量、热处理工艺与性能间的关系。

3、掌握四种超高强度钢的热处理方法及强化机制。

4、熟悉耐磨钢的典型钢种，掌握该钢种的热处理特点、组织及性能特点。

钢铁材料中的八大元素钢铁材料中的八大元素包括碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）、铁（Fe）、氮（N）、氧（O）。

这些元素在钢铁材料中的作用和影响如下：1.碳（C）：是钢铁中最重要的合金元素之一，它显著影响钢的强度、硬度和塑性。

碳含量的增加可以提高钢材的强度，但同时会降低其塑性和韧性，尤其是低温冲击韧性。

建筑用钢的含碳量通常要求在0.22%以下。

2.硅（Si）：作为脱氧剂加入普通碳素钢中，适量的硅可以提高钢材的强度，对塑性、冲击韧性等无显著不良影响。

但含量过高会降低钢材的塑性、冲击韧性和可焊性。

3.锰（Mn）：是一种弱脱氧剂，能够提高钢材的强度和耐磨性，同时也能改善钢材的韧性。

锰在钢中还能与硫形成硫化锰，从而减少硫的有害影响。

4.磷（P）：通常被视为有害元素，因为它会增加钢的冷脆性，降低其冲击韧性。

然而，在某些特定类型的钢中，磷可以用来提高强度。

5.硫（S）：也是一种有害元素，它会降低钢材的焊接性和耐腐蚀性，增加热脆性。

在炼钢过程中应尽量降低硫的含量。

6.铁（Fe）：是钢的基本元素，普通碳素钢中约占99%。

铁是构成钢铁材料的主要成份。

7.氮（N）：在钢中通常被视为有害元素，因为它会降低钢材的塑性和韧性，尤其是在铝脱氧的镇静钢中。

然而，适量的氮可以作为合金元素提高钢的强度。

8.氧（O）：在钢中也是有害元素，它会降低钢材的力学性能，尤其是冲击韧性。

炼钢过程中会采取措施减少氧的含量。

这些元素的存在和比例决定了钢铁材料的微观组织和相结构，进而影响了钢铁的宏观性能，如强度、硬度、塑性、韧性等。

通过调整这些元素的含量，可以制造出满足不同需求的钢铁产品。

钢铁化学成分表简介钢铁是广泛使用的金属材料之一，其化学成分对其性能具有重要影响。

钢铁的化学成分主要由碳（C）、硅（Si）、锰（Mn）、磷（P）、硫（S）以及铁（Fe）等元素组成。

这些元素的不同含量与钢铁的物理特性、机械性能和耐蚀性等密切相关。

元素含量以下是钢铁中常见元素的含量范围：1. 碳（C）：碳是钢铁中最重要的合金元素之一。

它的含量决定了钢铁的硬度和强度。

通常，含碳量在0.02%至0.25%之间的钢被称为低碳钢、中碳钢和高碳钢。

2. 硅（Si）：硅对钢铁的影响类似于碳，但是其效果较弱。

硅的存在可以增强钢铁的抗腐蚀性和减少热膨胀。

硅含量一般在0.15%至0.35%之间。

3. 锰（Mn）：锰是一种重要的合金元素，对钢铁的凝固过程和晶体结构具有重要作用。

锰的含量通常为0.30%至0.80%。

4. 磷（P）：磷的含量应控制在较低水平，以确保钢铁的可塑性和韧性。

磷含量通常不超过0.035%。

5. 硫（S）：硫是一种有害元素，会降低钢铁的可焊性和冲击韧性。

因此，硫含量应控制在低水平，一般不超过0.040%。

6. 铁（Fe）：铁是钢铁的主要组成元素，其含量通常是余量。

总结钢铁的化学成分对其物理和机械性能具有重要影响。

了解钢铁化学成分的含量范围，有助于我们合理选择和使用钢铁材料。

根据具体需求，我们可以根据钢铁的化学成分进行合金化和淬火处理，以获得所需的材料特性。

同时，通过控制不同元素的含量，可以生产出适用于不同领域的特殊钢铁材料。

以上是钢铁化学成分表的介绍，希望对您有所帮助。

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各元素在钢铁中的作用钢铁是一种重要的建筑和工程材料，由铁和少量碳以及其他元素组成。

这些元素的添加可以改善钢铁的性能，使其适应不同的应用领域。

以下是各元素在钢铁中的作用：1. 碳（Carbon）：碳是钢铁中最常见的合金元素，其添加可以增加钢铁的硬度和强度。

具体来说，碳在钢铁中形成了碳化铁颗粒，这些颗粒使钢铁更加坚硬。

同时，适量的碳还可以提高钢铁的可加工性和耐磨性。

2. 硅（Silicon）：硅的添加可以改善钢铁的耐磨性、耐蚀性和热稳定性。

硅还可以降低钢铁的磁性，使其成为非磁性材料。

硅还可以促进钢铁中的纯净化过程，去除杂质并提高钢铁的质量。

3. 锰（Manganese）：锰的添加可以提高钢铁的硬度、强度、韧性和耐磨性。

锰还可以有效地抑制钢铁中的气体和杂质形成，并提高钢的挠曲强度和抗疲劳能力。

4. 磷（Phosphorus）：磷是钢铁中最常见的杂质之一，但适量的磷可以提高钢铁的硬度和强度。

然而，过量的磷会导致脆性，并降低钢铁的延展性。

因此，通常需要控制磷含量。

5. 硫（Sulfur）：硫是钢铁中另一个常见的杂质元素。

适量的硫可以提高钢铁的易切削性和加工性。

然而，过量的硫会降低钢铁的韧性和延展性，并导致热处理过程中的裂纹和剪切断裂。

6. 钼（Molybdenum）：钼的添加可以提高钢铁的硬度、强度和耐腐蚀性。

钼还可以增加钢铁的耐高温性能，使其在高温下仍保持良好的强度和韧性。

7. 铬（Chromium）：铬的添加可以提高钢铁的硬度、强度和耐腐蚀性。

铬还可以形成一种稳定的氧化层，保护钢铁不被氧化，从而提高其抗氧化能力。

8. 镍（Nickel）：镍的添加可以提高钢铁的韧性和抗腐蚀性能。

镍还可以改善钢铁的可塑性和加工性，并提高钢铁在高温下的性能。

9. 钒（Vanadium）：钒的添加可以提高钢铁的硬度、强度和耐磨性。

钒还可以改善钢铁的耐热性和热处理特性。

10. 钛（Titanium）：钛的添加可以提高钢铁的硬度、强度和耐腐蚀性。

Chapter 1 钢铁中的合金元素几个基本概念合金元素：特别添加到钢中为了保证获得所要求的组织结构、物理、化学和机械性能的化学元素。

杂质：冶炼时由原材料以及冶炼方法、工艺操作而带入的化学元素。

碳钢：含碳量在0.0218-2.11%范围内的铁碳合金。

合金钢：在碳钢基础上加入一定量合金元素的钢。

低合金钢：一般指合金元素总含量小于或等于5%的钢。

中合金钢：一般指合金元素总含量在5～10%范围内的钢。

高合金钢：一般指合金元素总含量超过10%的钢。

微合金钢：合金元素(如V,Nb,Ti,Zr,B)含量小于或等于0.1%，而能显著影响组织和性能的钢。

1.1 碳钢概论一、碳钢中的常存杂质（1）1.锰（Mn ）和硅（Si ）：炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。

Mn：在碳钢中的含量一般小于0.8%。

可固溶，也可形成高熔点MnS（1600℃）夹杂物。

MnS 在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，加工后硫化锰呈条状沿轧向分布。

Si：在钢中的含量通常小于0.5%。

可固溶，也可形成SiO2夹杂物。

Mn和Si是有益杂质，但夹杂物MnS、SiO2将使钢的疲劳强度和塑、韧性下降。

2．硫（S）和磷（P）S：在固态铁中的溶解度极小，S和Fe能形成FeS，并易于形成低熔点共晶。

发生热脆(裂)。

P：可固溶于α-铁，但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。

磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。

S和P是有害杂质，但可以改善钢的切削加工性能。

3．氮（N）、氢（H）、氧（O）N：在α-铁中可溶解，含过饱和N的钢经受冷变形后析出氮化物—机械时效或应变时效。

N 可以与钒、钛、铌等形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化。

H：在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。

O：在钢中形成硅酸盐2MnO•SiO2、MnO•SiO2或复合氧化物MgO•Al2O3、MnO•Al2O3。

N、H、O是有害杂质。

二、碳钢的分类（1）1．按钢中的碳含量（1）按Fe-Fe3C相图分类亚共析钢：0.0218%≤wc≤0.77% 共析钢：wc =0.77% 过共析钢：0.77%＜wc≤2.11% （2）按钢中碳含量的多少分类低碳钢：wc ≤0.25% 中碳钢：0.25%＜wc≤0.6% 高碳钢：wc＞0.6%2．按钢的质量（品质），碳钢可分为（1）普通碳素钢：wS≤0.05%，wP≤0.045%（2）优质碳素钢：wS≤0.035%，wP≤0.035% （3）高级优质碳素钢：wS≤0.02%，wP≤0.03% （4）特级优质碳素钢：wS≤0.015%，wP≤0.025%。