各种合金元素在钢中的作用

各种元素在钢铁中的作用

钢铁是铁与C(碳)、Si(硅)、Mn(锰)、P(磷)、S(硫)以及少量的其他元素所组成的合金。其中除Fe(铁)外，C的含量对钢铁的机械性能起着主要作用，故统称为铁碳合金。它是工程技术中最重要、用量最大的金属材料。

各种元素在钢铁中有什么作用

碳（Carbon)

存在于所有的钢材，是最重要的硬化元素。有助于增加钢材的强度，我们通常希望刀具级别的钢材拥有0.6%以上的碳，也成为高碳钢。

铬（Chromium)

增加耐磨损性，硬度，最重要的是耐腐蚀性，拥有13%以上的认为是不锈钢。尽管这么叫，如果保养不当，所有钢材都会生锈

锰（Manganese）

重要的元素，有助于生成纹理结构，增加坚固性，和强度、及耐磨损性。在热处理和卷压过程中使钢材内部脱氧，出现在大多数的刀剪用钢材中，除了A-2,L-6和CPM 420V。

钼（Molybdenum）

碳化作用剂，防止钢材变脆，在高温时保持钢材的强度，出现在很多钢材中，空气硬化钢（例如A-2,ATS-34）总是包含1%或者更多的钼,这样它们才能在空气中变硬。

镍（Nickle）

保持强度、抗腐蚀性、和韧性。出现在L-6\AUS-6和AUS-8中。

硅（Silicon）

有助于增强强度。和锰一样，硅在钢的生产过程中用于保持钢材的强度。

钨（Tungsten）

增强抗磨损性。将钨和适当比例的铬或锰混合用于制造高速钢。在高速钢M-2中就含有大量的钨。

钒（Vanadium）

增强抗磨损能力和延展性。一种钒的碳化物用于制造条纹钢。在许多种钢材中都含有钒，其中M-2，Vascowear，CPM T440V和420VA含有大量的钒。而BG-42与ATS-34最大的不同就是前者含有钒

按钢的用途分类

一、结构钢

（1)建筑及工程用结构钢简称建造用钢，它是指用于建筑、桥梁、船舶、锅炉或其他工程上制作金属结构件的钢。

（2)机械制造用结构钢--是指用于制造机械设备上结构零件的钢。这类钢基本上都是优质钢或高级优质钢，主要有优质碳素结构钢、合金结构钢、易切结构钢、弹簧钢、滚动轴承钢等

1、 Si

Si的熔点1410℃，是缩小γ相区、形成γ相圈的元素，在α铁和γ铁中的溶解度分别为18.5%及2.15%。

Si是钢中常见元素之一，Si和氧的亲和力仅次于铝和钛，而强于Mn、Cr、V。所以在炼钢中为常用的还原剂和脱氧剂。

为保证质量，除沸腾钢的半镇静钢外，Si在钢中含量应不小于0.10%，作为合金元素一般不低于0.4%

Si在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。Si固溶于铁素体和奥氏体中可起到提高它们的硬度和强度的作用，在常见元素中仅次于P，而较Mn、Ni、Cr、W、Mo、V等为强。但Si量超过3%，将显著降低钢的塑性、韧性和延展性。

低Si含量对钢的抗腐蚀性能有显著增强作用。Si含量为15~20%的Si铁是很好的耐酸材料，对不同温度和浓度的硫酸、硝酸都很稳定。但在盐酸和王水的作用下稳定性很小，在HF酸中则不稳定。高Si铸铁之所以抗腐蚀，是由于当开始腐蚀时，在其表面形成致密的SiO2薄层，阻碍着酸的进一步向内侵蚀。

含Si的钢在氧化气氛中加热时，表面也形成SiO2薄层，从而提高钢在高温时的抗氧化性。

在Cr、Cr-Al、Cr-Ni、Cr-W等钢中加Si，都将提高它们的高温抗氧化性能。各种奥氏体不锈钢中加入约2%的Si，可以增强它们的高温不起皮性。Mn钢加Si也可以提高它的抗氧化性。但Si含量高时，钢的表面脱碳倾向加剧。

Si提高钢中固熔体的硬度和强度，从而提高钢的屈服强度和抗拉强度。在普通低合金钢中，Si还可以增强钢在自然条件下的耐腐蚀性，特别时增高局部腐蚀的抗力。Si含量较高时，对焊接性不利，并易导致冷脆，还降低钢的被切削性；对中高碳钢回火时易产生石墨化。

2、 Mn

Mn的熔点1244℃，扩大γ相区，形成无限固熔体。

三、各种合金元素对钢性能的影响

目前在合金钢中常用的合金元素有：铬(Cr)，锰(Mn)，镍(Ni)，硅(Si)，硼(B)，钨(W)，钼(Mo)，钒(V)，钛(Ti)和稀土元素(Re)等。五大元素:硅、锰、碳、磷、硫。五大杂质元素:氧、氮、磷、硫、氢。

1、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，当碳量0.23%超过时，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。

2、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。硅可提高强度、高温疲劳强度、耐热性及耐H2S等介质的腐蚀性。硅含量增高会降低钢的塑性和冲击韧性。

3、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。锰可提高钢的强度，增加锰含量对提高低温冲击韧性有好处。

4、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。

钢材中各元素对性能性的影响

1、 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,当碳量0.23%超过时，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。

2、 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。

3、 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。

4、 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。

5、 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.

6、 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.