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各化学元素对钢材的影响
各化学元素对钢材的影响
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 %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 %。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 －%的硅。如果钢中含硅量超过 -%,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 －%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 －%。在碳素钢中加入 %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 %，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 %，优质钢要求
小于 %。在钢中加入 -%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。
7、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。
8、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。
9、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。
10、钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加 %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。
11、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。
12、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。
13、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。
14、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 %塑性显著降低。当铜含量小于 %对焊接性无影响。
15、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。
16、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。
17、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。
18、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。

（1）Al 当钢中其含量小于 3～5%时，是一有益的元素。其作用
是：高的抗氧化性和电阻。
①作为强烈脱氧剂加进的 Al，可生成高度细碎的、超显微的氧化
物，分散于钢体积中。因而可阻止钢加热时的晶粒长大（含 Al＜10%，
在加热＜1200℃才有细化作用，否则其作用甚小）和改善钢的淬透性。
所以这些氧化物成为结晶的中心，而在钢冷却时又对 A 体分解起促进
作用。
②作为合金元素，有助于钢的氮化，因而可提高钢的热稳定性。
所以 AlN 本身在加热时具有高稳定性，①与②都有利于减弱钢的过热
倾向。舞钢张艺①⑦⑦⑧⑧①①?②⑨⑨
③可改善钢的抗氧化性，考虑②和③，
④能提高钢的电阻，与 Cr 共同用于制造高电阻铬铝合金：如
Cr13Al4、1Cr17Al5、1Cr25Al5。Al 使电阻增高的程度比 Cr 还高的
多。在 Cr 钢中加 Al，会粗晶易脆，所以其量一般不超过 5%，个别才
有 8～9%。
⑤对硅钢而言，Al 可减少 α 铁心损失，降低磁感强度，与氧结合
可减弱磁时效现象，但 Al 的氧化物会使磁性变坏。Al（＞%）也会
使硅钢变脆。 : .
（2）Al 的不良影响
①促进钢的石墨化，减少合金相中的碳溶浓度，所以硬度、强度
降低。
②加速脱碳
当 Al 含量增加至 3～5%时，8～9%将会大大地促进钢锭的柱状结
晶过程。因此而大大增加钢的机械热加工的困难，也使钢极易脱碳。
（其热加工之所以困难是因为该合金钢锭具有粗晶结构，且其晶体的
解理极弱，所以导热性低，加热时容易出现大的温度差而锻裂，甚至
钢锭的去皮加工都会使其晶界氧化而破坏。此外，它在 800℃以上的
高温长时间停置也极易变脆。
一般合金钢中含 Al 量：
合 金 结 构 钢 ： Al= ～ % (38CrAlA 、 38CrMoAlA 、
38CrWVAlA 等)
耐 热 不 起 皮 钢 ： Al= ～ % (Cr13SiAl 、 Cr24Al2Si 、
Cr17Al4Si 等)
电 热 合 金 ： Al= ～ % (Cr13Al4 、 1Cr17Al5 、 Cr8Al5 、
0Cr17Al5 等)
甚至 Al=8% Cr7Al7：考虑电热合金受荷不大，虽有脆性，仍可使
用.
2. Si
（1）一般合金钢中的 Si 含量不会高于 %，更多时（ ～
%）将使钢具有很高的脆性。Si 的有益作用：高的热强性和弹性极
限，高的导磁率，涡流损失少。
①象 Al、Cr 一样，其氧化物均是尖晶石类型的组织。其晶格常数
与 α-Fe、γ-Fe 区别小。因为其氧化物与金属分界处的晶胞之间就紧密
而强固地结合在一起，氧化皮紧密地被贴在金属上，甚至在高温下也
不剥落。所以它具有很强的抗氧化性和耐热性能，而被加入耐热钢。
②有利于提高钢的弹性极限，在中碳钢中加入 1～2%的 Si，调质
中 σb 将增 15～20%，而 Aku 也提高了，还提高了 σs 和 δ。
③利于促进钢中石墨化而用于炼制石墨钢。此钢可制轴承，甚至 : .
作为工具钢代替，制冲头，拉模、弯曲模等。
④脱氧能力较强，是炼钢常用的脱氧剂，故一般钢中均含 Si，其
量≤%。
⑤硅可减小晶体的各向异性，使磁化容易，使磁阻减小，它还可
减轻钢中其他杂质对磁场磁感的危害（使%C 石墨化，脱氧，与 N 形
成氢化硅等）。所以可大大减少涡流损失。由于硅的脆性，目前高硅
钢片硅含量规定为低于 %，最多只为 %，正在研究提高至 %。
⑥硅可显著地减慢回火马氏体在低温（200℃）时的分解速度。
（在较高温度即 400～500℃则作用并不显著）Si 是铁素体形成元素，
多加 Si 会使 A-α 转化。
（2）Si 的不良影响
①促使石墨化，促进脱碳（它是阻止碳化物形成的一种元素），
含 Si 钢一般不作渗碳。
②促进回火脆性的发展，使塑性降低。
Si 对冲击韧性和韧性的温度储量的影响不是等值的。
当 Si=1～%时作用尚良好。 Si=～3%时则影响不良，含
Si=2～%，则难以锻造。
当 Si≤%时,矽铬钢对回火脆性的敏感性还很低,但对当 Si=～
%时，对回火脆性和敏感性就高。用这种钢必须采取韧性处理（回
火后在水中浸渍，锻时用少韧处理），而当 Si＞％时，甚至持用韧
性处理也已不能消除矽铬钢的脆性。（不过，Mo 的加入可使其脆性稍
许改善），SI=4%时，室温下即可能脆裂。
③对碳素工具钢， Si 含量上升时，将降低其淬透性等级。一般结
构钢中均不宜加 Si，对于高速钢，不大于 %。
④由于硅的存在，使钢中增碳困难，并使渗碳速度降低，所以此
类钢多不作渗碳处理。
⑤硅锰结合，Mn 可下降，因为 Si 引起的脱碳，Si 有微弱的抑制
晶粒长大的作用，可稍下降，Mn 引起的调质粗晶，有相互改善作用，
但易生白点，应注意冶炼时原材料的干燥烘烤。
⑥硅在钢中还常以 Fe、Mn 的硅酸盐类夹杂物而存在，均会降低 : .
钢的各种性能，塑性比硫化物低。这类夹杂物透光度很高，而反光度
则低，故显微镜下常呈灰黑色。
（3）一般合金钢中 Si 含量：
一般碳钢：Si＜%
合金结构钢： Si =～% (27SiMn、40CrSi、20CrMnSi、
35CrMnSiA 等)
弹簧钢： Si =～2% (55Si2Mn、60Cr2Mn 等)
轴承钢： Si = ～% (GCr9SiMn、GCr15SiMn、GCr6SiMn
等)
工 具 钢 ： Si = ～ % (SiMn 、 9SiCr 、 5SiMnMoV 、
6SiMoV 等)
耐 热 钢 ： Si =1 ～ % (Cr17Al4Si 、 Cr20Si3 、 4Cr9Si2 、
4Cr3Si4 等)
电机硅钢片： Si =～% 、～%、～%、～
%为低、中、较高、高级硅钢片
3、Mn
（1）锰的有益作用是高的强度和耐磨性 ),淬透、渗碳、冷工硬化。
14%（高耐磨钢），17～19%（护环钢）
①作为炼钢的脱氧剂用，因为一般钢中均含 Mn，其量≤%。
②Mn 和 S 作用抵消 S 对铁的红脆影响。
③Mn 对各类钢的作用是：
珠光体 Mn 钢：可提高其强度和耐磨性，塑性亦不错。所以它能
细化珠光体组织。（对含碳量较高的钢，Mn↑，塑性稍有降低。对低