各化学元素对钢材的影响.pdf

1、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 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 0.150.30% 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

2、。在调质结构钢中加入 1.0 1.2% 的硅，强度可提高 1520% 。 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 0.300.50%。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 1114% 的钢有极高的耐

3、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

4、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

5、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 0.5% 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

6、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 0.5% 塑性显著降低。 当铜含量小于 0.50% 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，

7、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

8、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 （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。 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 Al10% ， 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。 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

9、身在加热时具有 高 稳定性，与都有利于减弱钢的过热倾向。舞钢张艺 可改善钢的抗氧化性，考虑和， 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% 。 对硅钢而言，Al 可减少铁心损失，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（0.5% ）也会使硅钢变脆。 （2 ）Al 的不良影响 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。 加速脱碳 当

10、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=0.4 1.1% (38CrAlA 、38CrMoAlA 、38CrWVAlA 等) 耐热不起皮钢：Al=1.1 4.5% (Cr13SiAl、Cr24Al2Si、Cr17

11、Al4Si 等) 电热合金： Al=3.5 6.5% (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 3.5% ，更多时（4.8 6.5% ）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。 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-Fe、-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

12、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。 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 b 将增 15 20% ，而 Aku 也提高了，还提高了s 和。 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。 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0.5% 。 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 4.5%

13、，最多只为 4.8% ，正在研究提高至 6.5% 。 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 400500 则 作用并不显著）Si 是铁素体形成元素，多加 Si 会使 A- 转化。 （2 ）Si 的不良影响 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。 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 1.5% 时作用尚良好。Si=2.5 3% 时则影响不良，含 Si=2 2.5% ，则难以锻造。 当 Si2.3% 时,矽铬钢对回火脆性的敏感性还很低,但对当 Si=2.5

14、 3.5% 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 Si3.5 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。 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 0.4% 。 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。 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

15、，但易生白点，应注意冶炼时原材料的干燥烘烤。 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：Si0.5% 合金结构钢： Si =0.9 1.6% (27SiMn 、40CrSi、20CrMnSi、35CrMnSiA 等) 弹簧钢： Si =1.5 2% (55Si2Mn 、60Cr2Mn 等) 轴承钢： Si =0.4 0.7% (GCr9SiMn 、GCr15SiMn 、GCr6SiMn 等) 工具钢： Si =0.65 1.8% (

16、SiMn 、9SiCr、5SiMnMoV 、6SiMoV 等) 耐热钢： Si =1 4.3% (Cr17Al4Si、Cr20Si3 、4Cr9Si2 、4Cr3Si4 等) 电机硅钢片： Si =0.8 1.8% 、1.8 2.8% 、2.8 3.8% 、3.8 4.8% 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） 作为炼钢的脱氧剂用，因为一般钢中均含 Mn，其量0.7% 。 Mn 和 S 作用抵消 S 对铁的红脆影响。 Mn 对各类钢的作用 是： 珠光体 Mn 钢：可提高其强

17、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。对低碳钢则含 Mn，而韧性 。 奥氏体 Mn 钢： 有足够 高的塑性和很高的耐磨性。 所以 Mn 能增加奥 氏体的稳定性， 扩大相 区得奥氏体。 降低淬火时的临界冷却速度。 降低钢的临界点 （A1 和 A3 ） 同碳量碳素钢低 25 30 ，所 以可 提高钢的淬透性，淬火时的变形也比较小，因此适于制大截面和复杂的零件。 Mn=5% 时，Mn 降至 0 。 马氏体 Mn 钢：易使之发脆、淬裂。Mn 易溶 于铁素体内，形成弱碳化物其稳定性不强。所以 加热过程中极易完全溶入奥氏休中， 加之其临界点又低， 所

18、以晶粒极易粗化、 极易淬裂， 为此 应严格控制淬火加热温度和保温时间， 一般均以油淬或流动空气中冷却为宜， 只有形状简单件 才好用水淬。 调质钢：将降低其塑性（回火脆性影响） 。 渗碳钢：Mn 的存在能 促进渗碳作用， 所以能大大提高钢的表面硬度与耐磨性， 尤其可贵的是 在渗碳时表 面软点 较少 ，也不改变 过分增 碳的 倾向。 （渗 碳后的 锰钢 ，在最后淬 火前， 应进 行 一次正火或退火处理，以消除因长时间渗碳造成的心部过热） 。 结构钢：将促使其回火脆性增强。 工具钢： 加入约 1%Mn， 可减少淬火时的体积变形， 这对于精密工具和长形工具来说有重要的 意义。 （如 CrMn 、CrW

19、Mn 钢等） 。 Mn 可改善钢的焊接 性和低温性能，还可减慢钢的脱碳作用。 Mn 量中还可适当改 善钢的切削性能。 对某些钢，Mn 的作 用可代 Ni ， 能扩大相区得奥氏体， 如模具钢 （增强淬透性） 、 奥氏体 钢等。 高锰钢对冷工硬化敏感，可提高钢的强度和耐磨性。 （Mn=10 14% ，而 C=1 1.4% ） 铬锰奥氏体钢的热强性很好， 甚至可超过 Cr 、Ni 钢 ，加 4%Cr 、Ni 红热耐磨性更好。Mn 价 廉。 （2 ）锰的不良影响是： 增加钢的过热敏感性 （粗晶） ： 这是由于含 Mn 渗碳体的稳定性 不强， 在加热过程中很容易 完全溶于奥氏体中。 加 之，Mn 钢的临

20、界点亦较低， 所以就易粗晶了 。 为此锻造和热处理加热 都要严格控制加热温度和保温时间。 所有合金元素中，Mn 是不能减 低奥氏体晶粒长大倾向的 元素，相反引起粗晶。 增强钢对白点的敏感性，故要缓冷。 （含 C 0.3% 时影响即较大） 增强回火脆性， 且易形成带状和纤维组织。 故纵、 横向性能差较大 （Mn2.4% 延伸率 ） 高锰钢熔点低 （Mn13 14% ，T 熔 13501400 ） 平均线膨胀系 数大 （相当于钢类矽钢的 1.9 倍） ，导热系数小（约为同类矽钢的 1/3 1/4 ） ，热加工稍难。 高锰钢在冷速 不够 时，易生成 块状碳 化物 沿晶界析出 ，使钢 变脆 ，采用水淬

21、 速冷时 ，可 使 碳化物来不及析出， 得到均匀奥氏体组织， 性能改善。 但因为含 Mn 量高， 导热性差， 速冷 则 温差应力大而易淬裂，所以淬火次数不宜多。 （3 ）含 Mn 钢的分类 碳钢：a 、正常含 Mn 量碳钢 Mn=0.250.8% B 、较高含 Mn 量碳钢 Mn=0.7 1.0% 及 0.9 1.2% 锰钢： Mn=1.1 1.8% 少数 2.4% 高锰钢： Mn=13 14% （C=1.0 1.3% ） 注： Mn1.2% 为炼钢脱氧及稍许改变钢性能， 作一般矽钢。 Mn=1.1 1.8% 或 2.4% 为具高塑性、 耐磨性， 强度而 被采用 。Mn=2.4 13% 为粗晶

22、 极脆而不 可用。Mn=13 14% 为冷 工硬化 而成 为 高耐磨钢。 4 、Ni （1 ）镍的有益作用是：高的强度、高的韧性和良好的淬透性、高电阻、高的耐腐蚀性。 一方面既强烈 提高 钢的强度， 另方面 又始 终使铁的韧 性保持 极高 的水平。其 变脆温 度则 极 低。 （当镍0.3% 时， 其变脆温度即达-100以 下 ，当 Ni 量增高时， 约 4 5% ， 其变脆温度竞 可降至-180。所以能同时提高淬火结构钢的 强度和塑性。含 Ni=3.5% ，无 Cr 钢 可空淬， 含 Ni=8% 的 Cr 钢在很小冷速下也可转变为 M 体。 Ni 的晶格常数与- 铁相近， 所以可成连续固溶体。

23、 这就有利于提高钢的淬硬性， Ni 可降低 临界点并增加奥氏体的稳定性， 所以其淬火温度可降低， 淬透性好。 一般大断面的厚重伯都用 加 Ni 钢。当它同 Cr 、W 或 Cr 、Mo 结合的时候，淬透性尤可增高。镍钼钢还具有很高的疲劳 极限。 （Ni 钢有良好的耐热疲劳性，工作在冷热反复。、k 高） 在不锈钢中用 Ni ，是为了使钢具有均匀的 A 体组织，以改善耐蚀性。 有 Ni 钢一般不易过热，所以它可阻止高温时晶粒的增长，仍可保持细晶粒组织。 含 Ni 量相当高的钢，其热膨胀系数很小而用作不变钢（Ni36% ） 和代用白金（Ni42%）。 含 Ni 更高时，与 Cr 结合作高电阻合金（C

24、r15Ni60、Cr20Ni80）。 Ni 和 V 一样，对脱 碳过程没有影响。 Ni 本 身不是 有效 的抗 氧化学 元素， 所以 很少 单独用 作不锈 钢的 合金 元素， 但对浓 苛性 碱有 好 的作用。 Ni 可提高 A 体钢的 蠕变抗力， 但还一定值作用则减弱， 须加入别的合金元素， 通过固溶强 化或沉淀硬化的途径来解决。 Cr 、Ni 钢的焊接性能和低温性能也不错。 （2 ）Ni 的不良作用： Ni 不能提高铁素体的蠕变抗力， 相反会使珠光体 M 体钢热脆性增大。 所以珠光体、 马 氏体 钢不加镍。 含硫气氛中的 Ni 钢耐蚀性也不及无 Ni 钢，因硫化镍会引起钢的赤热脆性。 铬镍钢

25、容易感 受回 火脆性和易 形成白 点（ 前者可在回 火后采 用速 冷防止，后 者应采 用正 确 的熔炼规范和锻造、冷却规范防止。 ） 对高速钢， 因为它 降低了它 的硬度 而被视 为有害杂 质，当 Ni 2% 时或 更高时 ，由于 其 抗 600660 回火稳定性 降低而热硬性变坏（使 A 体稳定不分解） ，所以硬度降低。 同样，因为 Ni 降 低钢之淬火层的硬度，在轴承钢中也不希望有它，Ni 不大于 0.30% ，且 Ni+Cu 不大于 0.50% （Cu 不大于 0.25%）。 Ni 虽可提高电阻， 促使矽石墨化， 但会降低磁感和最大磁导率。 所以硅钢片也不希望有 Ni 。 Ni 在我国早

26、，价钱高。 Ni 钢氧化容易起鳞，所镍钢的氧化铁皮粘在钢表面上不易脱落。 （3 ）一般合金钢中的 Ni 含量： 渗碳钢：含 C=0.150.25% Ni=1 4.5% 调质钢：含 C=0.350.55% Ni=1 1.75% 不锈钢：含 Ni 2% M 体不锈钢，含 Ni=8 18% A 体不锈钢。含 Ni=2 8% M-P 体类不锈钢 。 耐热不起皮钢：含 Ni 达 9 36% ，属 A 体 钢。 磁钢：含 Ni 25% 的（Ni25 、Ni9Mn9 等）为 弱磁性钢，用 9301000 淬火能很好不被磁 化， 可用于制机器，仪表等不应被磁化零件（电机环、指南针盒、电阻等） 。 含 Ni=2

27、5 30% 的是陈 化磁性钢，它具有非常高的磁性，当残余磁感应为 50007500 高斯 时， 矫顽磁力可达 500700 奥斯特甚至 1000， 但 它具有高的脆性 （和硬度） ， 所以多做铸造磁铁。 含 Ni=35 37% 的是恒 范合金（不变合金） Ni=42 44% 的是类铂合金。 含 Ni=50 80% 的是高 导磁率的合金， （但要很纯，才能发挥作用） 5 、Cr （1 ）铬的有 益作用： 具有许多有 价值的性 能 ：高硬度、 高强度、 屈 服点、高的 耐磨性而 对 塑 性、韧性影响又不大，高的抗氧化性，耐蚀性，还能提高电阻和导磁率等等。 1 ）Cr 是中等碳化物形成元素， 在所有

28、各种碳化物中， 铬碳化物是最细小的一种， 它可均匀地 分布在钢体积中， 所以具有高的强度、 硬度、 屈服点和高的耐磨性。 由于它能使组织细化而又 均分布，所以塑性、韧性也好，这对工具钢尤有价值。 2 ）Cr 的碳化物也较难溶解， 在短时间加热下有阻碍晶粒长大作用， 长时间渗碳还会粗晶。 所 以可减小过热敏感效应。 3 ）Cr 可使 A 体分解速 度减缓，降低淬火时的临界冷却速度，因而有助于 M 体形成和提 高 M 体的稳定性，所以 Cr 钢均有优良的淬透性，且淬火变形较小。注意：Cr 是铁素体形成元素， 缩小区，所以在没 A 体化元素存在时，高 Cr 钢将呈铁素体组织。 4 ）Cr 与 W 或

29、 Mo 结合 ， 能使淬火钢中残余奥氏体增加， 而有助于获得需要粉碎程度的碳化物 相。 5 ） Cr 能大大提高结构钢的强度和塑性， 这种影响在 Cr 与 Ni 结合的钢中尤其显著。 如 12CrNi3N 等。 6 ）Cr 12% 时，有好的耐蚀性，再加 8 9% 的 Ni ，耐蚀性更会大大 提高。Cr 提高耐蚀能力的 作用随含碳量增加而会有所降低，因为 Cr 与 C 结合后不起作用。 7) Cr 2530% 时,有好 抗氧化性。如 Cr=27 28% 即可作 1300的热 电偶温度计的防护罩，当 Cr 与 Si、Al 结合时，甚至 Cr 相当少而抗氧化性也很高。如 Cr 6 10%+Si 2

30、 3% 就有高的耐热 性和抗氧性。 8 ）Cr 、Al 结合（1Cr17AL5 、Cr13AL4 等 ）及 Cr 、Ni 结合（如 Cr15Ni60 、Cr20Ni80 等）均有 很 高的电阻。 9 ）Cr 能提高钢的矫顽力和阻止钢的组织时效，所以 Cr 钢用于制造永久磁铁。 10）Cr 价较低。 11）因为 Cr 可形成稳 定的碳化物，减缓碳的扩散和生成紧固的氧化皮膜，所以可降低脱碳作 用。 12）含 Cr 2.5% 的多元素合金钢。 （18Cr3MoWVA 、20Cr3MoWVA 等） 是良好的抗氢蚀钢。 含 Cr 0.08% 这是石墨钢的要求，所以 Cr 是阻止石墨化的一种元素。 含 C

31、r 1.2% 低合金高强度钢（一般 Mn 钢和 SiMn 钢） 含 Cr=0.5 1.65% 作轴 承钢 （C 1% ）其 合金含量低， 价廉， 而 又具有高强度、 高耐磨性、 良好的耐疲劳性和淬透性，且热处理也简便。 含 Cr=3 10% 的钢Cr 对钢强度和韧性的影响是 Cr 2% 时逐渐增强到 2% 时， 强化作用最为 显著。 但超过此限则会损害其热强性。 3 10% 时最为明显， 当含 Cr 12% 时， 则强度又复升高。 但是当含 Cr 量增至 3% 时， 由于其马氏体回火稳定性显著增高。 所以有较高的硬度和耐磨性而 用于模具。当含 Cr 量增至 3% 时，其与含 C1% 的磁性配合

32、也最好。 所以又用作磁钢。含 Cr4% 而与 18%W 及 1%V 结合可得到很好的红硬性（620 HRC=60 ） ，所 以广泛用于高速工具钢中， 含 Cr5% 的钢（含 C1% ）即可空气中淬火。含 Cr5 6% 及含 Cr6 10% 且含 Si2 3% 的矽铬钢， 尽管强度不是很高， 但亦具有足够的耐热性和抗氧化性而用于气阀中及石油、 化学工业 （氨合 成设备等） 。 含 Cr=12 14% 的钢是 最典型的不锈钢 （1Cr13 4Cr13） 它们都有较 高的抗蚀力， 强度也不错， 面 Cr12 、Cr12Mo 等则 是典型的具有高淬透性和高耐磨性的模具钢。 （此类多属马氏体钢） 含 C

33、r=16 18% 的钢有 的只具单相 （铁素体） ， 有的双相 （M 体铁 素体） ， 此类具单相的 Cr 钢 耐蚀力比含 Cr=12 14% 的钢还高。如 Cr17 、9Cr18 等，如再 加 8 9% 的 Ni 其耐蚀力又将大 大 增高。 如 1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti 等都是典型的不锈钢、 耐酸性较好，CrNi 钢的缺点是有晶间腐 蚀，加 Ti 、Nb 可改善 。 含 Cr=23 32% 的钢具有很好的抗蚀稳定性，极高的抗氧化性，甚至在普通温度下能抵抗浓硝 酸、浓磷酸、浓硫酸的浸蚀。含 Cr 27 28% 的钢可作 1300的热 电偶温度计的防护罩。这类 钢是纯铁素体钢， 所

34、以不能通过热处理改变其组织及性能。 且再结晶温度较低， 粗晶作用较强， 有高的脆性，所以不能作受振及打击零件。加入 Mo 、W、V 可适当 改变性能。减少 Cr 含量， 加 Si 量可提高其热强度如 Cr9Si2 、 Cr10Si2Mo等 。加 Ni 也成， 如 Cr20Ni14Si 、 Cr25Ni20、 Cr18Ni25Si 、 Cr14Mn14W 、Cr18Ni6Mn5 等等。 Cr 不同于 Mn、 Ni ， 它是 缩小区的合金元素。 （它同-Fe 都具有体心 立方晶格,且自熔点 1849 至绝对 0oK, 纯铬均为这 一晶格不变）,所以随含 Cr 量增加 Ac3 虽也从 910开始降低

35、,但其 速很 慢,而 Ac4 却从 1400 迅速降低,至含铬达 8% 时 Ac3 为 850已为最 低。含 Cr 再增加，Ac3 即 迅速上升。 当含 Cr 量达 13% 时，Ac3 与 Ac4 会合为一点， 区被封闭， 所以含 Cr 13% 时变为 纯铁素 体相， 不再 发生 转变， 用热处 理也 不能 再改变 其晶粒 尺寸 。 即为 铁素体 钢。 当 Cr 量继续增加，约在 25 60% 特别是 4548% 区域，当温度低于 950 时（多在 820）慢 冷， 将会析出一种无磁性脆性组分相。 这些在进行二次加热后将会游离析出， 致使得在固溶 体中产生巨大体积改变造成颇大应力， 故极脆。

36、但在 950以下急冷 时， 相可由于固溶体内 不析出，影响则较小。相问题：有人指出，当 Cr 和 C 含量搭配时，特别在含左右时，将极 易生成游离态的铁素体即相，它将使钢的工艺性能和耐热性降低，所以要很好注意在含 Cr=0.11% 时，含 Cr=10.9% 可使相量减至最少。 Cr 对抗腐性的改善上很有利的， 但对抗蠕变的影响则较复杂。 因为作耐热钢应注意， 当含 Cr=1% 抗蠕变强度最高。含 Cr 则出现，Cr C3 三方 晶格，至 Cr=7% 抗蠕强 降至最低点，当含 Cr 增 至 12% 时，Cr23C6 将取代 Cr7C3 ， 抗蠕强 （耐 热性） 可有少许提高， 添加 V 、Nb、

37、Ti 可得极细 弥散相，对抗蠕强（耐热性）改善极为有利。 6 、W （1 ）W 的良好作用是： 1）细 化晶粒， （其作用 比 Cr 还强， 所以可降 低钢的过热倾向性， 提高强度、 韧性和热稳定性。 2）提 高 M 体稳定性， 大大提高淬透性，18CrNiWN 任何冷却速度都 能完全淬透， 得 M 体 ，用 W18% 与 Cr4% 配合，M 体稳定性可达 600， 保持红硬性。 3 ）阻止回火脆性发展，所以可提高强度同时不降低塑性，提高韧性。 4 ）提高淬火钢的矫顽磁力，阻止钢的组织时效。 5 ）其碳化物极其稳定，高温也难溶进固溶体，所以可作高速工具钢。 6 ）W 钢一般硬度、耐磨性较好，热

38、处理变形小，不易淬裂，回火稳定性也较好。 7 ）W 因能提高 A 体的稳定性，而用于阀门钢中，缩小区，同 Cr 。 8 ）可提高珠光体耐热钢的热强性，提高再结晶温度。 9 ） 在高合金 Cr 、Ni 钢中加入 2 4%W 便可提高钢的屈服点， 疲劳强度和热稳定性， 并因为形 成碳化物而减小晶向腐蚀倾向 （Fe3W2 和 Fe2W 都是极稳定的化合物， 高度弥散， 所以可提高 强度、热稳定性。 ） （2 ）W 的不良影响： 1 ）增加脱碳（碳化物稳定）阻止石墨化。 2 ） W 是强碳化物元素， 应防止碳化物不均影响性能而成废品 （可增加镦拔数及正火处理纠正） 。 3 ）含 W9% 时硬度显著提高

39、，而、显著降低。 4 ）W 使钢导热率降低，含 W10% 其导热率只有纯铁的 0.7 倍。 5 ）含 W 增加，可锻温度范围降低。 （3 ）一般合金钢中的 W 的含量： 合金结构钢：W=0.3 1.0% （例 20Cr3MoWVA 、18Cr3MoWVA 等） 耐热不起皮钢：W=0.3 3.2% （上二种为抗氢钢亦属此类，又如 Cr15Ni36W3Ti 等） 合金工具钢：W=1 18% （CrWMn 、W、W2 、3Cr2W8V、P9 、P18 等） 向钢中加入多于 2022% 的 W，是不合适的。所以超过此值 W 对 钢的性能的改善并没更好的 作用，所以多加是不经济的。 一般提到的降低回火脆

40、性的方法有如下几种： 1 ）在钢中加入 0.3 1.0% 的 Mo 或 1 1.5% 的 W。 2 ）回火时采用快速冷却，用水冷或油冷。 3 ）提高回火温度，此法因为使性能（强度）下降，得不到充分发挥，所以少用。 4 ）延长回火时间，或增加重复高温回火的次数。 5 ） 降低淬火温度， 或 采用二次淬火AC3 以上正常淬火AC1 AC3 之间不完全淬火以消除回 火脆性。 6 ） 在钢中加入 V （约是 钼含量%+0.1% 可等效） ， 以提高钢的回火稳定性， 抑制回火脆性， 不过 此作用甚微。 7 ）采用形变热处理，即加热至 AC3 以上进行形变（变形度 1520% 最佳）后立即淬火回火， 韧性

41、提高 3 倍。 8 ）高速度（1000/ 秒 ）加热和冷却，最后二种方法因为生产上很难实现而未被采用。 注： 常说的回火脆性是第二类回火脆性 （即 450 570 可 650 700出现的） ， 而第一类回火 脆性（250400） ， 所有钢都不可避免的存在，而可用重复回火即能消除，故多不再讨论。 9 、Co （1 ）Co 良好作用是： 1 ）能细化晶粒，可降低钢的过热倾向性，向高速钢中加 Co ，可提高其耐用度。 2 ）能提高钢的热强性（热硬性） ，它给高速钢增加了合金化的强度和促进回火碳化物形成。 3 ）能提高磁 钢的矫顽 力又同时提 高它对磁 碱 留感应值， 所以对磁 钢 有良好的影 响

42、（它本 身 即 为磁性物质） 。 4 ）含碳量很高时会促进钢中碳石墨化。 （2 ）Co 的不良影响： 1 ）含量过高，难以锻造。因为易析出硬而脆的金属化合物。 2 ）有相当高的脱碳倾向性。 3 ）价格昂贵，所以下列各种钴钢都很少使用。 4 ）钴的一个特性是：降低奥氏体的稳定性，促使钢中奥氏体等温转变曲线（C- 曲线）左移。 5 ）因为易析出硬而脆的金属间化合物使机性变坏。 （3 ）一般合金钢的钴含量： 1 ）热强钢：含 Co=2 4% （主要是铬钴钼钢组） 2 ）高速钢：含 Co=4.5 10.5% (BCo5 、BCo10 等超过 10% 作用已无显著增加) 。 3 ）磁钢：含 Co=2.5

43、16.5% (Cr6Co3 、Cr6Co5 、Cr7Co10Mo、Cr9Co15Mo 等) 。 10、Ti （1 ）钛的有益作用是： 1 ）能形成很强固的 TiC ，可稳定到 1300， 有此稳定到高温的高度分散的 TiC 质点，所以 可 细化晶粒，降低钢的过热倾向性。 2 ） 能防止产生晶间腐蚀现象， 实践知： 当 Ti ：C=5 （一般 C=0.03） 时， 效果最佳。 当 Ti ：C=3 ， 抗蠕变强度最高。满足上条件时的钢，因为所有的游离碳都被结合成了强固 TiC ，所以在加 热过程中就不会再沿奥氏体晶界析出碳化铬。 否则， 晶界碳化铬的生成就将出现晶界固溶体的贫 铬区， 其电位就相对

44、地降低了， 而与固溶体基体和碳化物形成微温差电偶， 晶间固溶体本身即 为阳极而被腐蚀。晶间腐蚀的程度将随含碳量增加而加强。 （粗晶亦易蚀） 3 ）钛钢易产生时效硬化，含钛量超过 2% 的低碳合金，其时效硬化就尤其明显。 4 ）钛可改善不锈钢的焊接性能。 5 ）Ti 是强烈的铁素体形成元素。0.65%Ti 就能使区完全封闭。它又是强碳化物形成元素。 6 ）Ti 能与 S 作用，降低硫的热脆作用，这与 Mn 相似。 （2 ）钛的不良影响： 1）含 Ti 钢， 特别是低 碳之 Ti 钢， 往往因其钢液粘度较大， 而使其中非金属加杂， 不易分离浮 出应一致，在防止造成缺陷应注意。可在冶炼时注意高温操作

45、和钢液的脱氧。 2 ） 淬火钛钢硬度随含 Ti 量增加而降低。 因为 TiC 非常稳定， 甚至加热到 1300都不能溶入 到 固溶体而减少了合金固溶体中的碳浓度的缘故。 3 ）钛与 N 、O 有很大的亲和力而极易成形 TiN 和 TiO2 ，钢锭在较低温度时，就形成了较多的 非金属夹杂和皮下多孔等缺陷。 4 ）Ti 也是铁 素体形成 元素，所以 其含量较 多 （2% ）就易 生成铁素 体相或其 它脆性相 而 使 韧性降低。 5 ）铜 V 一样，含 Ti 达 0.05% 时就将使硅钢矫顽力降低，这可能是脱氧的作用，它对硅钢还会 促进其二次再结晶，这倒可得粗晶而改善磁性。 （3 ）一般钢中的 Ti

46、 含量： 1 ）通常钢中含 Ti 量取决于它的含碳量，一般约为 Ti%=4 8 倍*C% 。 2 ）合金结构钢中有铬锰钛钢、不锈钢和耐热钢中也含 Ti ，一般为 0.06% 2% 。 11、Nb （1 ）铌的有益作用是： 1 ） 能生成高度分散的强固的碳化物 NbC （熔点 3500） ， 所以可细 化晶粒， 直加热至于 1100 1200，仍可阻止晶粒 长大。 2 ）同 Ti 能防止产生晶间腐蚀，实践知，以含 Ni=8*C% 为佳。 3 ）能与 Fe 生成金属间化合物 Fe2Nb2 ，这种 化合物在铁中听溶解度随温度而，所以含 Nb 低碳钢能促进时效 硬化。 4 ） 加铌可提高低碳钢的抗强度

47、和屈服点 （25% ） ， 可提高不锈钢的高温抗蚀性和强度， 可提高 抗酸能力。 （2 ）铌的不良影响是： 1 ）同 Ti 钢，铌钢的硬度亦将随含 Nb 量而 。 2 ）Nb 虽可细化晶粒而 提高钢的韧性， 但含量过高时， 亦将生成铁素体相或其它脆性相， 而 使其韧性降低，热加工性能变坏。 一般合金钢中的含 Nb 量：仅不锈钢中含 Nb ，其量为 8 12*C% 1.5% 。 12、Cu （1 ）铜的有益作用： 1 ）能提高钢中奥氏体的稳定性，所以可提高可淬性和淬透性，在 A 体钢中加 2 4%Cu ，可提高抗酸力。 2 ） 有强化铁素体的作用， 在铁素体中加 Cu ， 可提高它在某些还原性介

48、质中的耐蚀性和改善钢 的韧性。 3 ）在低合金钢中加入 0.20% 左右的 Cu ，特别 当和 P 联合使用时，可提高钢对大气的抗蚀力， 当含 Cu 量超过 0.75% 时，可以经过沉淀硬化处理提高钢强度。 4 ）Cu 是一种强烈的石 墨化元素，用于炼制石墨钢。 （Cu 钢的时效硬化是因为 Cu 在铁中 的 溶解度变化很大，在 830时达 3.5% ，到 20 则降至 0.35% ，所以含 Cu0.35% 者可促进时效 硬化。 ） （2 ）铜的不良影响是： 1 ）含 Cu 量较高时将导致钢具热脆性，而使热锻轧加工困难。 2 ）含 Cu 过多会使矫顽力和磁滞损失增加，于磁钢不利。 3 ） “铜脆”在钢的缺陷一文中指出当 Cu0.2% 时， 加热过程由于 表面发生选择性氧化， 使 Fe 先 Cu 而发生氧化， 而表层 Cu 含量即相对增加形成一层薄膜，然后向扩散形成含 Cu 网络， 在 1030即容易锻裂 。适量加 Ni 可生成熔点较高的 Cu-Ni 固溶体 ，可降低“铜脆” 。 综合来说，含 Cu 0.7% 会溶于-Fe 中，促使碳不氧化，对磁性无大影响。含 Cu=0.5% 时，防 锈能力可提高 15 倍 ；含 Cu 0.7% 时将出现不均匀混合物， 而使矫顽力和磁滞损失增加， 并使 铜变脆。 （3 ）一般合金钢中含铜量： 1 ）硅