金属材料化学成分剖析：碳、硅、锰、磷和硫等元素对生铁性能的影响

金属材料化学成分剖析：碳、硅、锰、磷和硫等元素对生铁性能的影响

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今天，小编就为大家分析了一下各种金属材料的化学成分，分享给各位粉丝们！

1.生铁：

生铁除铁外，还含有碳、硅、锰、磷和硫等，这些元素对生铁的性能有一定的影响。

碳（C）：在生铁中以两种形态存在，一种是游离碳（石墨），主要存在于铸造生铁中；一种是结合碳（碳化铁），主要存在于炼钢生铁中。碳化铁硬而脆，塑性低，适当的含量可以提高生铁的强度和硬度。含量过多，生铁不易切削，这就是炼钢生铁切削性能差的原因。石墨很软，强度低，它的存在可以增加生铁的铸造性能。

硅（Si）：能促使生铁中所含碳析出成石墨，除去氧，减少铸件气孔，提高铁水流动性，减少铸件收缩。但硅含量过多会使生铁变硬变脆。

锰（Mn）：能溶于铁素体和渗碳体中。在高炉冶炼生铁时，适量的锰可改善生铁的铸造性能和切削性能。在高炉中，锰还能与有害杂质硫形成硫化锰，进入炉渣中。

磷（P）：是一种有害元素，但能增加铁水的流动性。这是因为硫会降低生铁的熔点，所以有些产品中往往含有较高含量的磷。但磷的存在使铁更硬、更脆。优质生铁含磷较少。有时为了增加流动性，磷含量可达1.2%。

硫（S）：是生铁中的有害元素，它促使铁与碳结合，使铁变硬变脆，并与铁结合生成低熔点的硫化铁，使生铁变热变脆。它使铁水的流动性降低，所以含硫量高的生铁不宜铸造精细的零件。铸造生铁中硫含量规定不得超过0.06%（车轮生铁除外）。

2.钢铁：

钢中除碳外，还含有少量的锰（Mn）、硅（Si）、硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）和氢（H）。这些元素不是为了改善钢的质量而故意加入的，而是由矿石和冶炼过程中带入的，所以称为杂质元素。这些杂质对钢的性能有一定的影响。为了保证钢的质量，国家标准对各类钢的化学成分都有严格的规定。

1）硫

硫来自炼钢矿石和燃料焦，是钢中的有害元素。硫在钢中以硫化铁（FeS）的形式存在，FeS与Fe形成低熔点（985℃）化合物。钢的热加工温度一般在1150-1200℃以上，因此钢在热加工时，由于FeS化合物过早熔化，使工件产生开裂，这种现象称为“热脆”。硫含量越高，热脆现象越严重，因此必须控制钢中的硫含量。高级钢：S<0.02%～0.03%；优质钢：S<0.03%～0.045%；普通钢：S<0.055%～0.7%以下。

2）磷

磷是从矿石中带入钢中的，一般是有害元素。磷虽然能提高钢的强度和硬度，但引起塑性和冲击韧性的明显下降。特别是在低温下，使钢明显变脆，这种现象称为“冷脆”。冷脆性使钢的冷加工性和焊接性变坏。磷含量越高，冷脆性越大，因此对钢中的磷含量有严格的控制。优质钢：P<0.025%；高级优质钢：P<0.04%；普通钢：P<0.085%。

3）锰

锰在炼钢时作为脱氧剂加入钢中。由于锰能与硫生成熔点较高的MnS(1600℃)，在一定程度上消除了硫的有害作用。锰有很好的脱氧能力，能与钢中的FeO变成MnO进入炉渣，从而改善钢的质量，特别是能降低钢的脆性，提高钢的强度和硬度。因此，锰是钢中的有益元素。一般认为，当钢中锰含量在0.5％～0.8％以下时，锰被视为永久性杂质。技术条件规定优质碳素结构钢中锰的正常含量为0.5％～0.8％；含锰较高的结构钢，其含量可达0.7％～1.2％。

4）硅

硅也是炼钢时作为脱氧剂加入钢中的元素。硅与钢水中的FeO能形成密度小的硅酸盐渣而被除去，因此硅是一种有益元素。硅溶于钢中的铁素体中，使钢的强度和硬度提高，但塑性和韧性降低。镇静钢中硅含量通常为0.1%～0.37%，沸腾钢中仅为0.03%～0.07%。由于钢中硅含量一般不超过0.5%，所以对钢的性能影响不大。

5）氧气

氧是钢中的有害元素，在炼钢过程中自然进入钢中，虽然在炼钢结束时会加入锰、硅、铁、铝等进行脱氧，但不可能完全除去。钢中的氧以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂物形式存在，降低钢的强度和塑性，特别是对疲劳强度和冲击韧性有严重影响。

6）氮铁素体溶解氮的能力很低。当钢中溶解过饱和的氮时，经长时间放置或随后在200～300℃加热后，氮将以氮化物形式析出，钢的硬度和强度提高，而塑性下降，引起时效。在钢水中添加Al、Ti或V进行固氮处理，可将氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除时效倾向。

7）氢气

钢中溶解的氢会引起氢脆、白点等缺陷。白点在轧制厚板和大型锻件中很常见。在纵切面上可见圆形或椭圆形白点；在横切面上则有细长的发丝状裂纹。锻件如有白点，在使用过程中可能突然断裂，造成事故。因此，化工容器用钢不允许有白点。氢气产生白点冷裂纹的主要原因是高温奥氏体冷却到较低温度时，氢在钢中的溶解度急剧下降。当冷却较快时，氢原子来不及扩散到钢表面而逸出，在钢中的某些缺陷处由原子氢变成分子氢。氢分子在不能扩散的情况下，在局部区域产生很大的压力。这个压力超过了钢的强度极限，在该处形成裂纹，即白点。

3.合金钢

合金钢中元素的作用：最常用添加的用于合金化的合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、硼、铝等，现在我们分别讲解一下它们在钢中的作用。

1）硅

①增加钢中固溶体的强度和冷作硬化程度，降低钢的韧性和塑性。

②硅能显著提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比。

③耐腐蚀性能。含硅质量分数为15%～20%的高硅铸铁是十分优良的耐酸材料。含硅的钢在氧化性气氛中加热时，表面还会生成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温下的抗氧化性能。

缺点：降低钢的焊接性能。

2）锰

①锰能提高钢的淬硬性。

②锰对提高低碳、中碳珠光体钢的强度有明显作用。

③锰提高钢的高温瞬时强度。

缺点：

①当锰含量较高时，有较明显的回火脆性现象。

②锰有促进晶粒长大的作用，因此锰钢对过热比较敏感，在热处理时必须加以注意。这一缺点可通过添加钼、钒、钛等细晶粒元素来克服。

③当锰的质量分数超过1%时，钢的焊接性能会变坏。

3）铬在钢中的作用

①铬能提高钢的强度和硬度。

②铬能提高钢的高温力学性能。

③使钢具有良好的抗腐蚀性能和抗氧化性能。

④防止石墨化。

⑤提高淬透性。

缺点：

①显著提高钢的脆性转变温度。

②铬能促进钢的回火脆性。

4）镍在钢中的作用

①能提高钢的强度而不显著降低其韧性。

②镍能降低钢的脆性转变温度，即提高钢的低温韧性。

③改善钢的加工性能和焊接性能。

④镍能提高钢的耐腐蚀性能，使它不但能耐酸，而且能耐碱和大气的腐蚀。

5）钼在钢中的作用

①钼对铁素体有固溶强化作用。

②提高钢的热强度。

③抗氢腐蚀。

④提高钢的淬透性。

缺点：

钼的主要不利影响是其使低合金钼钢石墨化的倾向。

6）钨在钢中的作用

①提高强度。

②提高钢的高温强度。

③提高钢的抗氢性能。

④使钢具有热硬性。因此，钨是高速工具钢中的主要合金元素。

7）钒在钢中的作用

①热强度。

②钒能明显改善普通低碳低合金钢的焊接性能。

8）钛在钢中的作用

①钛能提高钢的热强度，增强其抗蠕变性能和高温耐久性能。

②还能提高钢在高温高压氢气中的稳定性，可使钢在高压下对氢的稳定性达到600℃以上。在珠光体低合金钢中，钛能阻止钼钢在高温下的石墨化，因此钛是锅炉高温部件用耐热钢中重要的合金元素之一。

9）铌在钢中的作用

①铌与碳、氮、氧有极强的结合力，并和它们形成相应的极其稳定的化合物，能细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性。

②具有优良的抗氢性能。

③铌能提高钢的热强度。

10）硼在钢中的作用

①提高钢的淬透性。

②提高钢的高温强度，强化晶界。

11）铝在钢中的作用

①在炼钢中用作脱氧、固氮剂，能细化晶粒，抑制低碳钢的老化，提高钢的低温韧性，特别是降低钢的脆性转变温度。

②提高钢的抗氧化性能。对铁铝合金的抗氧化性能已作了大量的研究；4%的铝能改变氧化皮的组织结构，加入6%的铝可使钢在980℃以下具有抗氧化性能。当铝和铬并用时，它们的抗氧化性能又有进一步的提高。例如含50%~55%铁、30%~35%铬、10%~15%铝的合金，在1400℃高温下仍有相当好的抗氧化性能。由于铝的这种作用，近年来铝常被作为合金元素加入到耐热钢中。

③另外，铝还能提高耐硫化氢和V2O5腐蚀的性能。

缺点：

①脱氧时如果使用过多的铝，会促进钢的石墨化倾向。

②铝含量较高时，其高温强度和韧性较低。