合金元素对钢性能的影响及作用解析

合金元素对钢性能的影响及作用解析

在冶炼过程中，为改善和提高钢的某些性能，以及使钢获得某些特殊性能而有意加入的元素称为合金元素。常用的合金元素有铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、硅、锰、铝、铜、硼和稀土等。磷、硫、氮等在某些情况下也起合金的作用。

（1）Cr能增加钢的淬硬性，有二次硬化作用。它能提高碳钢的硬度和耐磨性，而不使钢变脆。含量超过12%时，钢具有良好的抗高温氧化性和抗氧化腐蚀性，还能提高钢的热强度。铬是不锈钢、耐酸钢、耐热钢的主要合金元素。

铬能提高碳钢在轧制状态下的强度和硬度，降低伸长率和断面收缩率。当铬含量超过15%时，强度和硬度会下降，而伸长率和断面收缩率则相应增大。含铬钢件经磨削加工后容易获得较高的表面加工质量。

铬在调质组织中的主要作用是提高淬透性，使钢经淬火、回火后具有较好的综合力学性能。在渗碳钢中，还可形成含铬的碳化物，从而提高材料表面的耐磨性。含铬弹簧钢在热处理时不易脱碳。铬能提高工具钢的耐磨性、硬度和红硬性，并有良好的回火稳定性。在电热合金中，铬能提高合金的抗氧化性、抗腐蚀性和强度。

（2）镍 镍在钢中能强化铁素体、细化珠光体，总的作用是提高强度，对塑性影响不显著。一般来说，对于不需要回火，在轧制、正火或退火状态下使用的低碳钢，一定的镍含量可提高钢的强度，而不明显降低其韧性。据统计，镍每增加1%，强度可提高29.4Pa左右。随着镍含量的增加，钢的屈服强度增加的速度比抗拉强度快，因此含镍钢可比普通碳素钢提高强度。镍在提高钢强度的同时，对钢的韧性、塑性和其他工艺性能的损害比其他合金元素要小。对于中碳钢，镍使珠光体转变温度降低，珠光体更细小； 而且由于镍降低了共晶点的碳含量，使其中的珠光体量比相同碳含量的碳钢多，使得含镍珠光体铁素体钢的强度比相同碳含量的碳钢高。反之，若要求钢的强度相同，含镍钢的碳含量可适当降低，从而提高钢的韧性和塑性。镍能提高钢的抗疲劳性能，降低钢对缺口的敏感性。镍降低钢的低温脆性转变温度，这对低温钢极为重要，含3.5%镍的钢可在-100℃下使用，含9%镍的钢可在-196℃下工作。镍不会增加钢的抗蠕变能力，所以一般不用作耐热钢的强化元素。

高镍含量的铁镍合金的线膨胀系数随着镍含量的增加或减少而发生显著的变化，利用这一特性可以设计和生产具有极低或一定线膨胀系数的精密合金和双金属材料。

另外，在钢中添加镍，不但能耐酸，而且能耐碱，并能抵抗大气和盐的腐蚀，镍是不锈钢和耐酸钢中的重要元素之一。

（3）钢中钼能提高淬透性和热强性，防止回火脆性，增加剩磁和矫顽力，提高在某些介质中的耐腐蚀性能。

在调质钢中，钼能使截面较大的零件获得深而彻底的淬硬，提高钢的抗回火性能或回火稳定性，允许零件在较高的温度下回火，从而更有效地消除（或减少）残余应力，提高塑性。

在渗碳钢中，钼除具有上述作用外，还能降低渗碳层中碳化物在晶界上形成连续网络的趋势，减少渗碳层中的残余奥氏体，相对提高表层的耐磨性。

在锻模钢中，钼还能保持钢的相对稳定的硬度，提高其抗变形、开裂和磨损的能力。

在不锈耐酸钢中，钼可进一步提高钢对有机酸（如甲酸、乙酸、草酸等）以及过氧化氢、硫酸、亚硫酸、硫酸盐、酸性染料、漂白粉溶液等的耐腐蚀性能。特别是钼的加入可防止由于氯离子存在而引起的点蚀倾向。

含钼1%左右的高速钢具有耐磨性、回火硬度和红硬性。

（4）钨在钢中除形成碳化物外，还部分溶于铁中形成固溶体，其作用与钼相似，按质量分数计算，其作用一般不如钼显著。钨在钢中的主要作用是由于形成碳化物而增加回火稳定性、红硬性、热强性和耐磨性。因此主要用于工具钢，如高速钢、热锻模具钢等。

钨在优质弹簧钢中形成难熔碳化物，在较高温度回火时，能缓和碳化物的聚集过程，保持较高的高温强度。钨还能降低钢的过热敏感性，增加淬透性，提高硬度。弹簧钢热轧后空冷后具有很高的硬度。截面为50mm2的弹簧钢可在油中淬硬，可用作承受重载荷、耐热（不大于350℃）、冲击的重要弹簧。高强度耐热优质弹簧钢具有很大的淬透性，经1050~1100℃淬火、550~650℃回火后，抗拉强度达1470~。主要用于制造在高温（不大于500℃）条件下使用的弹簧。

由于钨的添加能显著提高钢的耐磨性和切削性能，因此钨是合金工具钢的主要元素。

（5）钒与碳、氨和氧有很强的亲和力，并和它们形成相应的稳定化合物。钒在钢中主要以碳化物形式存在，其主要作用是细化钢的组织和晶粒，降低钢的强度和韧性。在高温下溶入固溶体时，提高淬透性；反之，以碳化物形式存在时，降低淬透性。钒能提高淬火钢的回火稳定性，并产生二次硬化作用。钢中钒含量，除高速工具钢外，一般不大于0.5%。

钒在一般低碳合金钢中能细化晶粒，提高正火后强度和屈强比，提高低温性能，改善钢的焊接性能。

合金结构钢中的钒在一般热处理条件下能降低淬透性，所以在结构钢中常与锰、铬、钼、钨等元素复合使用。钒在调质钢中主要起提高钢的强度和屈强比、细化晶粒、降低过热敏感性的作用。在渗碳钢中能细化晶粒，使钢渗碳后可直接淬火，不需二次淬火。

钒在弹簧钢、轴承钢中能提高强度、屈强比，特别是提高比例极限和弹性极限，降低热处理时脱碳敏感性，从而改善表面质量。五铬含钒轴承钢碳化物弥散度高，性能良好。

钒能细化工具钢中的晶粒，降低过热敏感性，提高回火稳定性和耐磨性，从而延长工具的使用寿命。

（6）钛与氮、氧、碳的亲和力都很大，与硫的亲和力比铁强，因此是良好的脱氧剂，也是固定氮、碳的有效元素。钛虽然是强碳化物形成元素，但不与其他元素形成络合物。碳化钛结合力强，稳定，不易分解，只有加热到1000℃以上才能缓慢地溶解到钢中的固溶体中。在溶解之前，碳化钛粒子有阻止晶粒长大的作用。由于钛与碳的亲和力远大于铬与碳的亲和力，所以在不锈钢中常用钛来固定其中的碳，以消除铬在晶界的贫化，从而消除或减轻钢的晶间腐蚀。

钛也是强铁素体形成元素之一，能强烈提高钢的A1、A3温度。钛在普通低合金钢中能提高塑性和韧性。由于钛能固定氮、硫并形成碳化钛，使钢的强度提高。正火处理细化晶粒，析出碳化物，可明显提高钢的塑性和冲击韧性。含钛合金结构钢具有良好的力学性能和工艺性能，但其主要缺点是淬透性稍差。

在高铬不锈钢中，通常添加含量为碳含量5倍左右的钛，不仅能提高钢的耐蚀性(主要是抗晶间腐蚀)和韧性;还能组织钢在高温下的晶粒长大倾向，改善钢的焊接性能。

（7）Nb/Cb铌、铌常与钽共存，在钢中作用相似。铌、钽部分溶入固溶体，起固溶强化作用。溶于奥氏体中时，明显提高钢的淬硬性，但以碳化物、氧化物粒子形式存在时，则细化晶粒，降低钢的淬硬性。能增加钢的回火稳定性，有二次硬化作用。微量铌能提高钢的强度，而不影响钢的塑性或韧性。由于细化晶粒的作用，能提高钢的冲击韧性，降低其脆性转变温度。当含量大于碳的8倍时，几乎能将钢中所有的碳固定，使钢具有良好的抗氢性能。在奥氏体钢中，能防止氧化性介质对钢的晶间腐蚀。 由于固定碳和沉淀硬化作用，可提高耐热钢的高温性能，如蠕变强度。

铌能提高普通低合金建筑用钢的屈服强度和冲击韧性，降低脆性转变温度，有利于焊接性能；在渗碳和调质合金结构钢中，能增加淬透性，改善钢的韧性和低温性能；能降低低碳马氏体耐热不锈钢的空冷硬化，避免淬火回火脆性，提高蠕变强度。

（8）锆是强碳化物形成元素，在钢中的作用与铌、钽、钒相似。加入少量锆有脱气、净化和细化晶粒的作用，有利于钢的低温性能，提高冲压性能。常用于制造超高强度钢及燃气发动机、弹道导弹结构件用的镍基高温合金。

（9）钴多用于特种钢和合金。含钴的高速钢具有较高的高温硬度。与钼一起加入马氏体时效钢中，可获得超高的硬度和良好的综合力学性能。此外，钴也是耐热钢和磁性材料中的重要合金元素。

钴降低钢的淬透性，因此单独加入碳钢中会降低淬火、回火后的综合力学性能。钴能强化铁素体，加入碳钢中可提高钢在退火或正火状态下的硬度、屈服点和抗拉强度，对伸长率和断面收缩率有不利影响，冲击韧性也随钴含量的增加而下降。由于钴具有抗氧化性能，在耐热钢和耐热合金中得到应用。在钴基合金燃气轮机中更显示出它的独特作用。

（10）硅能固溶于铁素体和奥氏体中，提高钢的硬度和强度。其作用仅次于磷，强于锰、镍、铬、钨、钼、钒等元素。但硅含量超过3%时，钢的塑性和韧性将显著降低。硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比（σs/σb），也能提高疲劳强度和疲劳比（σ-1/σb）。这就是硅或硅锰钢可用作弹簧钢的原因。

硅能降低钢的密度、热导率和电导率。能促使铁素体晶粒粗化，降低矫顽力。有降低晶体各向异性的趋势，使磁化更容易，降低磁阻，可用来生产电工钢，因此硅钢片的磁滞损耗低。硅能提高铁素体的磁导率，使钢片在较弱的磁场中具有较高的磁感应强度。但在强磁场中硅却使钢的磁感应强度降低。硅有很强的脱氧力，从而降低铁的磁时效作用。

含硅钢在氧化性气氛中加热时，表面会生成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温下的抗氧化性能。硅能促使铸钢中柱状晶的生长，降低塑性。硅钢在加热过程中若冷却速度过快，由于硅钢的热导率低，钢内外温差大，容易导致钢断裂。

硅能降低钢的焊接性能。由于硅与氧的结合能力比铁强，焊接时易生成低熔点的硅酸盐，使熔渣和熔融金属的流动性增加，引起飞溅，影响焊接质量。硅是良好的脱氧剂，在用铝脱氧时，酌情加入一定量的硅，可明显提高脱氧率。钢中存在一定量的残余硅，是炼铁、炼钢时作为原料带入的。在沸腾钢中，硅的添加量限制在

（11）锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。钢中一般含有一定量的锰，能消除或减弱由硫引起的钢的热脆性，从而改善钢的热加工性能。

锰与铁形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度。同时它又是碳化物形成元素，进入渗碳体中取代部分铁原子。钢中的锰降低临界转变温度，起细化珠光体的作用，间接起提高珠光体钢强度的作用。锰稳定奥氏体的能力仅次于镍，同时还强烈增加钢的淬硬性。含量不超过2%的锰已与其他元素配合使用，制成多种合金钢。

锰具有资源丰富、功能多样的特点，得到了广泛的用途，如含锰较高的碳素结构钢、弹簧钢等。

高碳高锰耐磨钢中锰含量可达10%～14%，经固溶处理后，具有良好的韧性，当受到冲击变形时，表层因变形而得到强化，具有较高的耐磨性。

锰和硫形成熔点较高的MnS，能防止FeS引起的热脆性。锰有增加钢晶粒粗化的倾向，增加回火脆性的敏感性。如果冶炼、浇注和锻造后的冷却不彻底，钢中容易出现白点。

（12）Al 铝主要用于脱氧和细化晶粒。它促使氮化钢中形成坚硬而耐腐蚀的氮化层。铝能抑制低碳钢的时效，提高钢的低温韧性。含量较高时，能提高钢的抗氧化性能和在氧化性酸和H2S气体中的耐腐蚀性能，并能改善钢的电性能和磁性能。铝在钢中具有很大的固溶强化作用，提高渗碳钢的耐磨性、疲劳强度和心部力学性能。

在耐火合金中，铝与镍形成化合物，提高冶金强度。含铝的铁铬铝合金具有接近恒定电阻的性质，在高温下具有优良的抗氧化性能，适用于电冶金合金材料和铬铝电阻丝。

有些钢在脱氧时，如果加入过多的铝，会引起组织异常，并促使钢的石墨化。在铁素体钢和珠光体钢中，当铝含量较高时，会降低其高温强度和韧性，给冶炼和铸造带来一定的困难。

（13）铜在钢中的突出作用是提高普通低合金钢的耐大气腐蚀性能。特别是与磷配合使用时，铜的加入还能提高钢的强度和屈强比，而对焊接性能又不产生不良影响。含0.20%～0.50%铜（U-Cu）的钢轨钢，除耐磨外，耐腐蚀寿命是普通碳钢轨的2～5倍。

当铜含量超过0.75%时，经固溶处理和时效处理后，能产生时效强化作用，含量较低时，其作用与镍相似，但较弱，含量较高时，不利于热变形加工，在热变形加工过程中引起铜脆性。奥氏体不锈钢中加入2%～3%的铜，可提高对硫酸、磷酸和盐酸的耐蚀性能和对应力腐蚀的稳定性。

（14）硼在钢中的主要作用是提高钢的淬硬性，从而节省其它稀有贵重金属，如镍、铬、钼等。为此目的，其含量一般规定在0.001%～0.005%范围内。它可以代替1.6%的镍、0.3%的铬或0.2%的钼。用硼代替钼时应注意，钼能防止或减轻回火脆性，而硼有轻微的促进回火脆性的倾向，因此硼不能完全代替钼。

在中碳钢中添加硼，由于淬硬性提高，可使厚度大于20mm的钢材在淬火回火后的性能大大提高。因此，可用40B、40MnB钢代替40Cr，用40Cr钢代替渗碳钢。但由于硼的作用随钢中碳含量的增加而减弱甚至消失，因此，在选用含硼渗碳钢时，必须考虑到零件渗碳后，渗碳层的淬硬性会低于心部。

弹簧钢一般要求充分淬硬，通常弹簧面积不大，使用含硼钢有利，而硼对高硅弹簧钢的影响波动较大，使用不便。

硼与氮、氧有较强的亲和力，在沸腾钢中加入0.007%的硼，可消除钢的时效现象。

（15）稀土元素 稀土元素一般指元素周期表中的17种元素，包括原子序数从57到71的镧系元素（15种元素），加上钪（21）和钇（39）。它们性质相近，不易分离。未分离的稀土称为混合稀土，价格比较便宜。稀土元素能提高锻钢，特别是在铸钢中的塑性和冲击韧性。能提高耐热钢电热合金和高温合金的抗蠕变性能。稀土元素还能提高钢的抗氧化性和抗腐蚀性能，抗氧化效果超过硅、铝、钛等元素。能改善钢的流动性，减少非金属夹杂物，使钢组织致密、纯净。

在普通低合金钢中添加适量的稀土元素，有良好的脱氧、脱硫效果，提高冲击韧性（特别是低温韧性），改善各向异性性能。铁铬铝合金中添加稀土元素，提高合金的抗氧化能力，在高温下保持钢的细小晶粒，提高高温强度，从而明显提高电热合金的寿命。

（16）氮在铁中可部分用来强化固溶体，提高淬透性，但作用不显著。氮化物在晶界上析出，能提高晶界高温强度，提高钢的蠕变强度。与钢中其他元素结合，有沉淀硬化作用。对钢的耐蚀性无明显影响，但钢表面氮化后，不但增加其硬度和耐磨性，而且耐蚀性有明显的提高。低碳钢中残留氮，会引起时效脆性。

（17）S 增加硫、锰含量，可改善钢的切削加工性。在易切削钢中，硫作为有益元素加入。硫在钢中偏析严重，它使钢的质量恶化，在高温下使钢的塑性降低。它是一种有害元素，以熔点较低的FeS形式存在。FeS单独的熔点仅为1190℃，而FeS在钢中与铁形成的共晶温度则更低，仅为988℃。钢在凝固时，在初生晶界处析出硫化铁，当钢在1100～1200℃轧制时，晶界上的FeS就会熔化，大大削弱晶粒间的结合力，造成钢的热脆性。因此，应严格控制硫，一般控制在0.020%～0.050%。 为了防止硫引起的脆性，应加入足够的锰，以形成熔点较高的MnS。如果钢中锰含量过高，由于焊接时生成SO2，焊缝金属中会形成气孔和疏松。

（18）磷在钢中有很强的固溶强化和冷作硬化作用。作为合金元素，能提高低合金结构钢的强度和耐大气腐蚀性能，但降低其冷冲压性能。磷与硫、锰等配合，能增加钢的切削加工性和加工件的表面质量。它用于易切削钢中，因此易切削钢中磷含量也较高。磷在铁素体中使用时，虽然能提高钢的强度和硬度，但其最大的危害是偏析严重，增加回火脆性，显著增加钢的塑性和韧性，使钢在冷加工时易开裂，这就是所谓的“冷脆”现象。磷对焊接性也有不利影响。磷是有害元素，应严格控制，一般含量不得超过0.03%～0.04%。