元素在熱處理中對鋼影響

1、鉻(Cr)

鉻能增加鋼的淬透性並有二次硬化作用。可提高高碳鋼的硬度和耐磨性而不使鋼變脆；含量超過12%時，使鋼有良好的高溫抗氧化性和耐氧化性介質腐蝕的作用，還可以增加鋼的熱強性。鉻為不鏽耐酸鋼及耐熱鋼的主要合金元素。 鉻能提高碳素鋼軋製狀態的強度和硬度，降低伸長率和斷面收縮率。當鉻含量超過15%時，強度和硬度將下降，伸長率和斷面收縮率則相應地有所提高。含鉻鋼的零件經研磨容易獲得較高的表面加工質量。 鉻在調質結構鋼中的主要作用是提高淬透性，使鋼經淬火回火後具有較好的綜合力學效能，在滲碳鋼中還可以形成含鉻的碳化物，從而提高材料表面的耐磨性。 含鉻的彈簧鋼在熱處理時不易脫碳。鉻能提高工具鋼的耐磨性、硬度和淬硬性。有良好的回火穩定性。在電熱合金中，鉻能提高合金的抗氧化性、電阻和強度。

1對鋼的顯微組織及熱處理的作用

01

鉻與鐵形成連續固溶體，縮小奧氏體相區域。鉻與碳形成多種碳化物，與碳的親和力大於鐵和錳而低於鎢、鉬等。鉻與鐵可形成金屬間化合物σ相（FeCr）。

02

鉻使珠光體中碳的濃度及奧氏體中碳的極限溶解度減少。

03

減緩奧氏體的分解速度，顯著提高鋼的淬透性，但亦增加鋼的回火脆性傾向。

2對鋼的力學效能的作用

01

提高鋼的強度和硬度．時加入其他合金元素時，效果較顯著。

02

顯著提高鋼的脆性轉變溫度。

03

在含鉻量高的Fe-Cr合金中，若有σ相析出，衝擊韌性急劇下降。

3對鋼的物理、化學及工藝效能的作用

01

提高鋼的耐磨性，經研磨，易獲得較高的表面光潔度。

02

降低鋼的電導率，降低電阻溫度係數。

03

提高鋼的矯頑力和剩餘磁感．廣泛用於製造永磁鋼。

04

鉻促使鋼的表面形成鈍化膜，當有一定含量的銘時，顯著提高鋼的耐腐蝕效能（特別是硝酸）。若有鉻的碳化物析出時，使鋼的耐腐蝕效能下降。

05

提高鋼的抗氧化效能。

06

鉻鋼中易形成樹枝狀偏析，降低鋼的塑性。

07

由於鉻使鋼的熱導率下降，熱加工時要緩慢升溫，鍛、軋後要緩冷。

4在鋼中的應用

01

合金結構鋼中主要利用鉻提高淬透性，並可在滲碳表面形成含鉻碳化物以提高耐磨性。

02

彈簧鋼中利用鉻和共他合金元素一起提供的綜合性能。

03

軸承鋼中主要利用鉻的特殊碳化物對耐磨性的貢獻及研磨後表面光沽度高的優點。

04

工具鋼和高速鋼中主要利用鉻提高耐磨性的作用，並具有一定的回火穩定性和韌性。

05

不鏽鋼、耐熱鋼中鉻常與錳、氮、鎳等聯合便用，當需形成奧氏體鋼時，穩定鐵素體的鉻與穩定奧氏體的錳、鎳之間須有一定比例，如Cr18Ni9等。

06

我國鉻資源較少．應儘量節省鉻的使用。

2、鉬(Mo)

鉬在鋼中能提高淬透性和熱強性。防止回火脆性，增加剩磁和矯頑力以及在某些介質中的抗蝕性。 在調質鋼中，鉬能使較大斷面的零件淬深、淬透，提高鋼的抗回火性或回火穩定性，使零件可以在較高溫度下回火，從而更有效地消除（或降低）殘餘應力，提高塑性。 在滲碳鋼中鉬除具有上述作用外，還能在滲碳層中降低碳化物在晶界上形成連續網狀的傾向，減少滲碳層中殘留奧氏體，相對地增加了表面層的耐磨性。 在鍛模鋼中，鉬還能保持鋼有比較穩定的硬度，增加對變形、開裂和磨損等的抗力。 在不鏽耐酸鋼中，鉬能進一步提高對有抗酸（如蟻酸、醋酸、草酸等）以及過氧化氫、硫酸，亞硫酸、硫酸鹽、酸性染料、漂白粉液等的抗蝕性。特別是由於鉬的加入，防止了氯離子存在所產生的點腐蝕傾向。 含1%左右鉬的W12Cr4V4Mo高速鋼具有高的耐磨性、回火硬度和紅硬性等。

1對鋼的顯微組織及熱處理的作用

01

鉬在鋼中可固溶於鐵素體、奧氏體和碳化物中，它是縮小奧氏體相區的元素。

02

當鋼含量較低時，與鐵、碳形成複合的滲碳體；含量較高時可形成鋼的特殊碳化物。

03

鉬提高鋼的淬透性，其作用較鉻強．而稍遜於錳。

04

鉬提高鋼的回火穩定性，作為單一合金元素存在時，增加鋼的回火脆性；與鉻、錳等並存時，鉬又降低或抑止因其他元素所導致的回火脆性。

2對鋼的力學效能的作用

01

鉬對鐵素體有固溶強化作用．同時也提高碳化物的穩定性，從而提高鋼的強度。

02

鉬對改善鋼的延展性和韌性以及耐磨性起到有利作用。

03

鉬對改善鋼的延展性和韌性以及耐磨性起到有利作用。

3對鋼的物理、化學及工藝效能的作用

01

在含碳1。5％的磁鋼中，2％-3％的鋼提高剩餘磁感和矯頑力。

02

在還原性酸及強氧化性鹽溶液中都能使鋼表面鈍化．因此鉬可以普遍提高鋼的抗蝕效能，防止鋼在氯化物溶液中的點蝕。

03

鉬含量較高（>3%）時使鋼的抗氧化性惡化。

04

含鉬不超過8％的鋼仍可以鍛、軋，但含量較高時，鋼對熱加工的變形抗力增高。

4在鋼中的應用

01

在調質和滲碳結構鋼、彈簧鋼、軸承鋼、工具鋼、不鏽耐酸鋼、耐熱鋼、磁鋼中都得到了廣泛應用。

02

鉻鉬鋼在許多情況下可代替鉻鎳鋼來製造重要的部件。

03

我國富產鉬，但在世界範圍內的儲量並不豐富。含鉬鋼在我國應適當發展，但鉬是重要戰略物資，應注意合理和節約使用。

3、矽(Si)

矽能溶於鐵素體和奧氏體中提高鋼的硬度和強度，其作用僅次於磷，較錳、鎳、鉻、鎢、鉬和釩等元素強。但含矽超過3%時，將顯著降低鋼的塑性和韌性。矽能提高鋼的彈性極限、屈服強度和屈服比（σ

s

/σ

b

），以及疲勞強度和疲勞比（σ

-1

/σ

b

）等，這是矽或矽錳鋼可作為彈簧鋼種的緣故。 矽能降低鋼的密度、熱導率和電導率。能促使鐵素體晶粒粗化。降低矯頑力。有減小晶體的各向異性傾向，使磁化容易，磁阻減小，可用來生產電工用鋼，所以矽鋼片的磁滯損耗較低，矽能提高鐵素體的磁導率，使矽鋼片在較弱磁場下有較高的磁感強度。但在強磁場下，矽降低鋼的磁感強度。矽因有強的脫氧力，從而減小了鐵的磁時效作用。 含矽的鋼在氧化氣氛中加熱時，表面將形成一層SiO

2

薄膜，從而提高鋼在高溫時的抗氧化性。 矽能促使鑄鋼中的柱狀晶成長，降低塑性。矽鋼若加熱或冷卻較快，由於熱導率低，鋼的內部和外部溫差較大，因而易裂。 矽能降低鋼的焊接效能。因為與氧的親合力矽比鐵強，在焊接時容易生成低熔點的矽酸鹽，增加熔渣和熔化金屬的流動性，引起噴濺現象，影響焊縫質量。矽是良好的脫氧劑。用鋁脫氧時酌加一定量的矽，能顯著提高鋁的脫氧能力。矽在鋼中本來就有一定的殘存，這是由於鍊鐵鍊鋼作為原料帶入的。在沸騰鋼中，矽限制在＜0。07% ，有意加入時，則在鍊鋼時加入矽鐵合金。

1對鋼的顯微組織及熱處理的作用

1

作為鋼中的合金元素，其含量一般不低於0。4%。以固溶體形態存在於鐵素體或奧氏體中，縮小奧氏體相區。

2

提高退火、正火和淬火溫度，在亞共析鋼中提高淬透性。

3

矽不形成碳化物，有強烈的促進碳的石墨化的作用，在矽含量較高的中碳和高碳鋼中，如不含有強碳化物形成元素，易在一定溫度條件下發生石墨化。

4

在滲碳鋼中，矽減小滲碳層厚度和碳的濃度。

5

矽對鋼水有良好脫氧作用。

2對鋼的力學效能的作用

1

提高鐵素體和奧氏體的硬度和強度，其作用較Mn、Ni、Cr、W、Mo、V等更強；顯著提高鋼的彈性極限、屈服強度和屈強比（σs/σb），並提高疲勞強度和疲勞比（σ-1/σb）。

2

矽含量超過3%時顯著降低鋼的塑性和韌性；矽提高塑/脆轉變溫度。

3

矽易使鋼中形成帶狀組織，使橫向效能低於縱向效能。

4

改善鋼的耐磨效能。

3對鋼的物理、化學及工藝效能的作用

1

降低鋼的密度、熱導率、電導率和電阻溫度係數。

2

矽鋼片的渦流損耗量顯著低於純鐵，矯頑力、磁阻和磁滯損耗較低．磁導率和磁感強度較高。但在強磁場中，矽降低磁感強度。

3

提高高溫時鋼的抗氧化效能，但矽含量高時，表面脫碳加劇。

4

矽含量超過2。5％的鋼，其變形加工較為困難。

5

矽降低鋼的可焊性。

4在鋼中的應用

1

在普通低合金鋼中提高強度，改善區域性腐蝕抗力，在調質鋼中提高淬透性和抗回火性，是多元合金結構鋼中的主要合金組元之一。

2

矽含量為0。5%-2。8%的SiMn 或SiMnB鋼（碳含量0。5%-0。7%）廣泛用於高載荷彈黃材料，同時加人W、V 、Mo、Nb 、Cr等強碳化物形成元素。

3

矽鋼片為含矽1。0％-4。5％的低碳和超低碳鋼，用於電機和變壓器。

4

在不鏽鋼和耐蝕鋼中，與Mo 、W 、Cr、Al、Ti、N 等配合，提高抗蝕和抗高溫氧化能力。

5

矽含量較高的石墨鋼用於冷作模具材料。

4、錳(Mn)

錳是良好的脫氧劑和脫硫劑 。鋼中一般都含有一定量的錳，它能消除或減弱由於硫所引起的鋼的熱脆性，從而改善鋼的熱加工效能。 錳和鐵形成固溶體，提高鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強度；同時又是碳化物形成元素，進入滲碳體中取代一部分鐵原子。錳在鋼中由於降低臨界轉變溫度。起到細化珠光體的作用。也間接地起到提高珠光體鋼強度的作用；錳穩定奧氏體組織的能力僅次於鎳，也強烈增加鋼的淬透性。已用含量不超過2%的錳與其他元素配合製成多種合金鋼。 錳具有資源豐富、效能多樣的特點，獲得了廣泛的應用，如含錳較高的碳素結構鋼、彈簧鋼。 在高碳高錳耐磨鋼中。錳含量可達10%-14% ，經固溶處理後有良好的韌性，當受到衝擊而變形時，表面層將因變形而強化，具有高的耐磨性。 錳與硫形成熔點較高的MnS 。可防止因FeS而導致的熱脆現象。錳有增加鋼晶粒粗化的傾向和回火脆性敏感性。若冶煉澆鑄和鍛軋後冷卻不當，容易使鋼產生白點。

1對鋼的顯微組織及熱處理的作用

錳是良好的脫氧劑和脫硫劑，工業用鋼中一般均含有一定量的錳。錳固溶於鐵素體和奧氏體中．擴大奧氏體區，使臨界溫度A4點升高，A3點降低，（α+γ）區下移．當錳含量超過12％時，上臨界點降至室溫以下，使鋼在室溫時形成單一奧氏體組織。在降低共析溫度同時，使共析體中的碳含量減少。錳強烈降低鋼的Ar1和馬氏體轉變溫度（其作用僅次於碳）和鋼中相變的速度，提高鋼的淬透性，增加殘餘奧氏體含量。使鋼的調質組織均勻、細化，避免了滲碳層中碳化物的聚整合塊，但增大了鋼的過熱敏感性和回火脆性傾向。錳是弱碳化物形成元素。

2對鋼的力學效能的作用

錳強化鐵素體或奧氏體的作用不及碳，磷、矽，在增加強度的同時，對延展性無影響。由於細化了珠光體，顯著提高低碳和中碳珠光體鋼的強度，使延展性有所降低。透過提高淬透性而提高了調質處理索氏體鋼的力學效能。在嚴格控制熱處理工藝、避免過熱時的晶粒長大以及回火脆性的前提下，錳不會降低鋼的韌性。

3對鋼的物理、化學及工藝效能的作用

隨錳含量的增加，鋼的熱導率急劇下降，線脹係數上升，使快速加熱或冷卻時形成較大內應力，工件開裂傾向增大。使鋼的電導率急劇降低，電阻率相應增大，電阻溫度係數下降。

使矯頑力增大，飽和磁感、剩餘磁感和磁導率均下降，因而錳對永磁合金有利，對軟磁合金有害。

錳含量很高時，鋼的抗氧化效能下降。使鋼中的硫形成較高熔點的MnS ，避免了晶界上的FeS 薄膜，消除鋼的熱脆性，改善熱加工效能。高錳奧氏體鋼的變形阻力較大，且鋼錠中柱狀結晶明顯，鍛軋時較易開裂。由於提高了淬透性和降低了馬氏體轉變溫度，對焊接效能有不利影響。在適當範圍內應降低碳含量。

4在鋼中的應用

易切削鋼中常有適量的錳和磷，MnS夾雜使切屑易於碎斷。普通低合金鋼中利用錳來強化鐵素體和珠光體，提高鋼的強度，錳含量一般為1％-2%。滲碳和調質合金結構鋼的許多系列中含有不超過2％的錳。彈簧鋼、軸承鋼和工具鋼中利用錳強烈提高淬透性的作用，可採用油淬和空冷的淬火工藝，減少開裂、扭曲和變形。耐磨鋼、無磁鋼、不鏽鋼、耐熱鋼，包括高碳高錳耐磨鑄鋼（C：1。0%-1。4%，Mn：10％-14%），中碳高錳無磁鋼（C：0。3％-0。6% ，Mn：18％-19%），低碳高錳不鏽鋼（有Cr ，無Ni或少Ni），高錳耐熱鋼（以Mn代Ni 的耐熱不起皮鋼，或含有Al、Mo、V等）。

5、硫(S)

硫在鋼鐵中一般認為是有害元素，它主要以MnS和FeS形式存在，可以引起鋼的熱脆性降低鋼的力學效能，特別是屈服極限強度、塑性和耐磨性。硫的存在對鋼的耐蝕性及可焊性也有不得影響。一般要求普通鋼中ω（S）≤0。050%，優質鋼中ω（S）≤0。030%，高階優質鋼中ω（S）≤0。020%，然而在某些鋼中（如切削鋼、磁鋼），加入適量的硫［有的ω（S）高達0。35%，能改善鋼的切削性、加工性和磁性等。 提高硫和錳的含量，可改善鋼的被切削效能，在易切削鋼中硫作為有益元素加入。硫在鋼中偏析嚴重，惡化鋼的質量。在高溫下，降低鋼的塑性，是一種有害元素，它以熔點較低的FeS的形式存在；單獨存在的FeS的熔點只有1190℃ ，而在鋼中與鐵形成共晶體的共晶溫度更低，只有988℃ ，當鋼凝固時，硫化鐵析集在原生晶界處。鋼在1100-1200℃進行軋製時，晶界上的FeS就將熔化，大大地削弱了晶粒之間的結合力，導致鋼的熱脆現象。因此對硫應嚴加控制，一般控制在0。020%-0。050%。為了防止因硫導致的脆性，應加入足夠的錳，使其形成熔點較高的MnS。若鋼中含硫量偏高，焊接時由於SO

2

的產生，將在焊接金屬內形成氣孔和疏鬆。

1對鋼的顯做組織及熱處理的作用

氮和碳一樣可固溶於鐵，形成間隙式的固溶體。氮擴大鋼的奧氏體相區，是一種很強的形成和穩定奧氏體的元素，具效力約20倍於鎳，在一定限度內可代替一部分鎳用於鋼中。滲入鋼表面的氮與鉻、鋁、釩、鈦等元素可化合成極穩定的氮化物，成為表而硬化和強化元素。氮使高鉻和高鉻鎳鋼的組織緻密堅實。鋼中殘留氮量過高會導致宏觀組織疏鬆或氣孔。

2對鋼的力學效能的作用

氮有固溶強化作用。

含氮鐵素體鋼中，在快冷後的回火或在室溫長時間停留時，由於析出超顯微氮化物，可發生沉澱硬化過程• 氮也使低碳鋼發生應變時效現象。在強度和硬度提高的同時，鋼的韌性下降，缺口敏感性增加，氮導致鋼的脆性的特件近似磷，其作用遠大於磷、氮也是導致鋼產生藍脆的主要原因。提高高鉻和高鉻鎳鋼的強度，而塑性並不降低，衝擊韌性還有顯著提高。氮還能提高鋼的蠕變和高溫持久強度。

3對鋼的物理、化學及工藝效能的作用

氮對不鏽鋼的抗蝕效能無顯著影響。對鋼的高溫抗氧化性也無顯著影響，氮含量過高（如＞0。16%）可使抗氧化性惡化。含氮鋼冷作變形硬化率較高，採用冷變形工藝時應予注意。氮可降低高鉻鐵素體鋼的晶粒長大傾向，從而改善其焊接效能。

4在鋼中的應用

氮作為合金元素，在鋼的含量一般小於0。3% ，特殊情況下可高達0。6%。主要應用於滲氮調質結構鋼、普通低合金鋼、不鏽耐酸鋼及耐熱不起皮鋼。氮在鋼中作為合金元素的應用還在擴大。

6、磷(P)

磷在鋼中固溶強化和冷作硬化作用強，作為合金元素加入低合金結構鋼中，能提高其強度和鋼的耐大氣腐蝕效能，但降低其冷衝壓效能。磷與硫和錳聯合使用，能增加鋼的被切削效能，增加加工件的表面質量，用於易切鋼，所以易切鋼含磷也較高。磷溶於鐵素體，雖然能提高鋼的強度和硬度，最大的害處是偏析嚴重，增加回火脆性，顯著降低鋼的塑性和韌性，致使鋼在冷加工時容易脆裂，也即所謂”冷脆”現象。磷對焊接性也有不良影響。磷是有害元素，應嚴加控制，一般含量不大於0。030%-0。040%。

7、碳（C）

鋼中含碳量增加，屈服點和抗拉強度升高，但塑性和衝擊性降低，當碳量0。23%超過時，鋼的焊接效能變壞，因此用於焊接的低合金結構鋼，含碳量一般不超過0。20%。碳量高還會降低鋼的耐大氣腐蝕能力，在露天料場的高碳鋼就易鏽蝕；此外，碳能增加鋼的冷脆性和時效敏感性。典型的例子是低碳鋼、高碳鋼、高碳鋼力學效能變化。