【材料课堂】常见元素对金属材料性能的影响

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1. 碳

（1）含碳量的增加，使得碳素钢的强度和硬度增加，而塑性、韧性和焊接性能下降。

（2）一般情况下，当含碳量大于0.25%时，碳钢可焊性开始变差，故压力管道中一般采用含碳量小于0.25%的碳钢。含碳量的增加，其球化和石墨化的倾向增加。

（3）作为高温下耐热用的高合金钢，含碳量应大于或等于0.04%，但此时奥氏体不锈钢的抗晶间腐蚀性能下降。

2.硅

（1）硅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。

（2）含硅量若超过3%时，将显著地降低钢的塑性、韧性、延展性和可焊性，并易导致冷脆，中、高碳钢回火时易产生石墨化。

（3）各种奥氏体不锈钢中加入约2%的硅，可以增强它们的高温不起皮性。在铬、铬铝、铬镍、铬钨等钢中加入硅，都将提高它们的高温杭氧化性能。但含硅量太高时，材料的表面脱碳倾向增加。

（4）低含硅量对钢的耐腐蚀性能影响小大，只有当含硅量达到一定值时，它对钢的耐腐性能才有显著的增强作用。含硅量为l5%~20%的的硅铸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，在氢氟酸中则不稳定。高硅铸铁之所以耐腐蚀，是由于当开始腐蚀时，在其表面形成致密的SiO2薄层，阻碍了酸的进一步向内侵蚀。

3.硫、氧在碳素钢中的作用

硫和氧作为杂质元素常以非金属化合物（如FeS、FeO）形式存在于碳素钢中，形成非金属杂质，从而导致材料性能劣化，尤其是硫的存在引起材料的热脆。六和磷是钢中要控制的元素，并以其含量的多少来评定碳素钢的优劣。

（由于FeS可与铁形成共晶，并沿晶界分布），Fe-FeS共晶物的熔点为985℃，当在1000~1200℃温度下，对材料进行压力加工时，由于它已经熔化而导致晶粒开裂，使材料呈现脆性。这种现象称为热脆。）

4.磷、砷、锑在碳素钢中的作用

（1）磷、砷、锑作为杂质元素，它们对提高碳素钢的抗拉强度有一定的作用，但同时又都增加钢的脆性，尤其是低温脆性。（由于磷以固溶形式存在于铁素体中，影响铁素体的晶格变形，使碳素钢在常温下呈现脆性。

这种现象称为冷脆）。磷和砷有都是造成碳素钢严重偏析的有害元素。磷对钢的焊接性不利，它能增加焊裂的敏感性。

（2）由于低合金钢熔点较高，磷、砷、锑等杂质元素容易在高温下迁移聚集，从而导致低合金钢的高温回火脆性。（合金钢在进行高温回火热处理或长期在高温下工作时，其中的杂质元素磷、砷、锑等容易在高温下迁移聚集。

由于这些元素的熔点一般比合金元素低，它将“割裂”材料基体而导致合金钢在高温下呈现脆性。因为合金钢的这种脆性发生在红热的温度下，故称为红脆。）一般情况下，低合金钢均采用较高级的冶炼方法（如电炉冶炼），故其硫、磷元素含量较低。

5.钨在碳素钢中的作用

(1）钢中含钨量高时有二次硬化作用，有红硬性，以及增加耐磨性。钨对钢的淬透性、回火稳定性、力学性能的影响均与钼相似，但以质量计，其作用效果不如钼显著。钨提高钢在高温下的蠕变抗力与热强性，当与钼复合使用时．效果更佳。

（2）钨能提高钢的抗氢作用的稳定性。钨通常加入低碳和中碳高级优质合金结构钢中，钨能阻止热处理时晶粒的长大和粗化，降低具回火脆化倾向，并显著提高钢的强度和韧性。

6. 锰在低合金钢中的作用

（1）锰与铁形成固溶体．可提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度。在碳锰钢中常利用锰来提高钢的强度，但它是材料的延展性有所降低，而且增加了应力腐蚀开裂的敏感性。在一般碳锰钢和低合金钢中，其含量在1%~2%。

（2）锰是良好的脱敏剂和脱硫剂。锰与硫形成MnS，可防止因硫而导致的热脆现象，从而改善钢的热加工性能。因此，在工业用钢中一般都含有一定数最的锰。

（3）锰在钢中由于能降低临界转变温度．故碳锰钢的低温冲击韧性比碳素钢好。

（4）锰能强烈增加碳锰钢的淬透性。含锰量较高时，有使钢晶粒粗化并增加钢的回火脆性的不利倾向。

（5）锰对钢的焊接性有着不利的影响响。为改善钢的焊接性，应在许可的范围内，适当降低钢的含碳量。焊接时也需采用优质低氢焊条和相应的焊接工艺。

7.铬在低合金钢中的作用

（1）随含铬量的增加．使铬钼钢和铬钼钒钢有良好的的抗高温性和耐氧化介质腐蚀作用，并增加钢的热强性。但含铬量太高时或者处理不当．易发生δ相和475℃回火脆化。

（2）铬增加钢的淬透性并有二次硬化作用。

（3）铬是显著提高钢的脆性转变温度的元素，随着含铬量的增加，钢的脆性转变温度也逐步提高，冲击值随含铬量增加而下降。

(4）在含钼的锅炉钢中，加入少量的铬，能肪止钢在长期使用过程中的石墨化。

（5）在单一的铬钢中，材料的焊接性能随含铬量的增加而恶化。

8．铝在低合金钢中的作用

（1）铝与氮及氧的亲和力很强，因此它也作为炼钢时的脱氧定氮剂，井起到细化晶粒、阻抑碳钢的时效、提高钢在低温下韧性的作用。

（2）铝作为合金元素加入钢中时能提高钢的抗氧化性，改善钢的电磁性能．提高渗氮钢的耐磨性和疲劳强废等。因此，铝在不起皮钢、电热合金、磁钢和渗氮钢中，得到了广泛的应用。

（3）铝在铁索体及珠光体钢中，当其含量较高时，材料的高温强度和韧性较低。

（4）当含铝量达到一定量时，可使钢产生钝化现象，使钢在氧化性酸中具有耐蚀性，但使钢的焊接性变坏。

（5）铝还能提高钢对硫化氢的耐蚀作用。含铝量在4％左右的钢，在温度不超过600℃时有较好的抗硫化氢腐蚀作用。

（6）在钢铁材料表面镀铝和渗铝，可以提高其抗氧化性和在工业和海洋性气氛中的耐蚀性。

（7）含铝的钢渗氮后，在钢的表面形成一层牢固的薄而硬的弥散分布的氮化铝层，从而提高其硬度和疲劳强度，并改善其耐磨性。

（8）铝是高锰低温钢的主要合金元素。一定量的铝，有提高铁锰奥氏体的稳定度、抑制β—Mn相变的作用，从而使铝在低愠钢中得到了应用。

9.钼在低合金钢的作用

（1）钼属于强碳化物形成元素，当其含量较低时，与铁及碳形成复杂的渗碳体；当其含量较高时．则形成特殊碳化物。在较高回火温度下，山于钼的弥散分布，可使材料出现二次硬化。

（2）钼对铁紊体有固溶强化作用，同时也提高碳化物的稳定性，因此对钢的强度产生有利用。钼是提高钢热强性最有效的合金元紊。钼同样也能提高马氏体钢和奥氏体钢的热强性。

（3）钼在钢中，由于形成特殊碳化物，可以改善在高温高压下抗氢侵蚀的作用。

（4）钼常与其它元素如锰、铬配合使用，可显著提高钢的淬透性；含钼量约0.5%时，能抑制或降低其他合金元紊导致的回火脆性。

（5）钼在不锈耐热钢中，也能使钢表面钝化，但作用不如铬显著。钼与铬相反，它既能在还原性酸(HCl、H2SO4、H2SO3)中又能在强氧化性盐溶液(特别是含有氯离子时)中使钢材表面钝化。因此，钼可以普遍提高钢的耐蚀性能．

（6）钼加入奥氏体耐酸钢中，能显著地提高材料对醋酸、环烷酸的耐蚀性，在含有氯化物的溶液中，常会引起奥氏体耐酸钢的点腐蚀和晶间间腐蚀。材料中加入钼后，这种倾向在很大程度上会被减缓或抑制。

10.镍在高合金钢中的作用

（1）镍是扩大γ相区，形成无限固溶体的元素，它是奥氏体不锈钢中的主要元素。

（2）镍能细化铁素体晶粒，改善钢的低温性能。含镍量超过一定值的碳钢，其低温脆化转变温度显著降低，而低温冲击韧性显著提高，因此镍钢常用于低温材料。一般情况下，含镍量达到3.5%的镍钢可以在-100℃低温下使用，含镍量达到9%的镍钢可在-196℃超低温下使用。

（3）含镍的低合金钢还有较高的抗腐蚀疲劳的性能。镍钢不宜在含硫或一氧化碳的气氛中加热，因为镍易与硫化合，在晶界上形成低熔点的NiS网状组织而产牛热脆。在高温时镍将与—氧化碳化合形成Ni(CO)4气体而由合金中逸出，从而在材料中留下孔洞。

（4）在不锈耐热钢中，镍与铬、钼等元紊适当配合使材料在常温下为奥氏体组织，即得到奥氏体不锈钢或耐热钢。然而，目前镍在全世界范围内都是一种比较稀缺的元素，故作为一种合金元素，应该只有在用其他素不能状得所需要的性能时，才考虑使用它。

（5）由于镍可降低临界转变湿度和降低钢中各元素的扩散速度，因而它可以提高钢的淬透性。

（6）镍不增加钢对蠕变的抗力，因此一般不作为热强钢中的强化元紊。在奥氏体热强钢中，镍的作用只是使钢奥氏体化，钢的强度必须靠其他元素如钼、钨、钒、钛、铝来提高。

（7）镍是有一定耐腐蚀能力的元素，对酸、碱、盐以及大气均具有一定的耐腐蚀能力。

11．钛在高合金钢中的作用

（1）钛是最强的碳化物形成元素，与氮、氧的亲和力也极强，是良好的脱气剂和固定氮、碳的有效元素．正因为这样．含钛的高台金钢不宜用于铸件。

（2）在奥氏体不锈钢中，由于钛能固定碳，有防止和减轻材料晶司腐蚀和应力腐蚀的作用。如果奥氏体不锈钢中的钛、碳含量之比超过4.5时，由于此时材料中的氧、氮和碳可以全部被固定住，故使得材料对晶间腐蚀、应力腐蚀和碱脆有很好的抗力。

（3）当钛以碳化钛微粒存在时，由于它能细化钢的晶粒并成为奥氏体分解时的有效晶核，可使钢的淬透性降低，但也使材料的高温固溶强化效果降低。

（4）钛能提高耐热钢的抗氧化性和热强性。

（5）钛作为强碳化物形成元素，可以提高钢在高温、高压、氢气中的稳定性。当钢中的含钛量达到含碳量的4倍时，可使钢在高压下对氢的稳定性几乎高达600℃以上。

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