化學(xué)元素對各種鋼性能的影響
一、常用碳素鋼中各元素對性能的影響
壓力管道中除螺柱材料外， 常用的碳素鋼為含碳量小于 0.25％的亞共析鋼， 而螺柱材料常用含碳量為 0.25％－0.45％的亞共析鋼。碳素鋼中， 其主要影響元素是碳（C）。 除此之外， 尚有硅（Si）、
硫（S）、 氧（O）、磷（As）、 砷（As）、 銻（Sb）、 等雜質(zhì)元素。
1： 碳（C） 在碳素鋼中的作用
從鐵碳合金金相圖中可以看出， 碳素鋼隨含碳量的增加， 其組織中的鐵素體量在減少， 而滲碳體的量在增加， 從而使得碳素鋼的強(qiáng)度和硬度增加， 而塑性、 韌性和焊接性能降低。 一般情況下， 當(dāng)含碳量大于 0.25％時(shí)， 碳鋼的可焊性開始變差， 故壓力管道中一般采用含碳量小于 0.25％的碳鋼。含碳量的增加， 其球化和石墨化的傾向增加。
2. 硅（Si） 在碳素鋼中的作用
硅是碳素鋼的常用元素之一， 但它一般不是主要元素， 而是用于煉鋼時(shí)的脫氧。 硅和氧的親和力僅次于鋁和鈦， 而強(qiáng)于錳、 鉻和礬， 所以在煉鋼中常用的還原劑和脫氧劑。
為了保證碳素鋼的質(zhì)量， 除沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼外硅在鋼中的含量不應(yīng)少于 0.1％， 因此，有時(shí)也根據(jù)碳素鋼中是否含硅 或含硅的多少來判斷其脫氧程度。硅在碳素鋼中不形成碳化物， 而是以固溶體的形態(tài)存在于鐵素體或奧氏體中可起到提高它們的硬度和強(qiáng)度的作用。
但硅含量超過 3％時(shí)， 將明顯降低鋼的塑性、 韌性、 延長性和可焊性， 并易導(dǎo)致冷脆， 對中、 高碳鋼回火時(shí)易產(chǎn)生石墨化。
3. 硫（S）、 氧（O） 在碳素鋼中的作用
硫和氧作為雜質(zhì)元素常以非金屬化合物（如 FeS、 FeO）
形式存在于碳素鋼中， 形成非金屬夾雜， 從而導(dǎo)致材料性能的劣化， 尤其是硫的存在常引起材料的熱脆。 硫和磷常是鋼中要控制的元素， 并以其含量的多少來判定碳素鋼的優(yōu)劣。
4. 磷（P）、 砷（As）、 銻（Sb） 在碳素鋼中的作用
磷、 砷和銻是屬于元素周期標(biāo)中的同一族元素， 因此三個(gè)元素在鋼中有一些類似的作用。 作為雜質(zhì)元素， 它們對提高碳素鋼的抗拉強(qiáng)度有一定作用， 但同時(shí)又都增加鋼的脆性，
尤其低溫脆性。 磷和砷又都是造成碳素鋼嚴(yán)重偏析的有害元素。 磷對鋼的焊接性不利， 它能增加焊裂的敏感性。
二、常用低合金鋼中各元素對性能的影響
壓力管道除螺柱材料外， 常用的低合金鋼為含碳量小于 0.20％碳錳鋼、 硅鋼、 鉻鉬鋼、 鉻鉬礬鋼和鉻鉬礬鋁鋼， 而螺柱材料則常用含碳量為 0.25％－0.45％的鉻鋼和鉻鉬
鋼。低合金鋼中， 其主要影響元素有碳（C）、 錳（Mn）、
鉻（Gr）、 鉬（Mo）、 礬（V）、硅（Si）、 鋁（Al） 等。 除此之外， 尚有硫（S）、 氧（O）、 磷（P）、
砷（As）、 銻（Sb）、等雜質(zhì)元素。
1. 碳（C） 在低合金鋼中的作用
同碳素鋼部分
2. 錳（Mn） 在低合金鋼中的作用
錳與鐵形成固溶體， 可提高鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強(qiáng)度。 錳又是碳化物形成的元素， 它進(jìn)入滲碳體中將取代一部分鐵原子。 錳還可以起到細(xì)化珠光體的作用， 因此， 在碳錳鋼中常利用錳來提高鋼的強(qiáng)度， 但它使材料的延展性有所降低，
而且增加了應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性。 在一般碳錳鋼和低合金鋼中， 其含量應(yīng)在 1％－2％。錳是良好的脫氧劑和脫硫劑。 錳與硫形成 MnS， 可防止因硫?qū)е碌臒岽喱F(xiàn)象，
從而改善鋼的熱加工性能。 因此， 在工業(yè)用鋼中一般都含有一定數(shù)量的錳。錳在鋼中由于能降低臨界轉(zhuǎn)變溫度， 故碳錳鋼的低溫沖擊韌性比碳素剛好。錳強(qiáng)烈增加碳錳鋼的脆透性。
錳含量較高時(shí)， 有使鋼晶粒粗化并增加鋼的回火脆性的不利傾向。 錳對鋼的焊接性有不利的影響。 為改善鋼的焊接性， 應(yīng)在許可的范圍內(nèi)， 適當(dāng)降低鋼的含碳量。 焊接時(shí)也許采用優(yōu)質(zhì)低氫焊條和相應(yīng)的焊接工藝。
3. 鉻（Gr） 在低合金鋼中的作用
鉻是縮小 相區(qū)和形成 相圈的元素， 在 a-Fe 中無限固溶， 在 －Fe 中的最大溶解度為12.5％。鉻屬于中等碳化物形成元素。 隨鉻元素的增加， 可形成（Fe,Gr）3C、 (Gr,Fe)7C3、（Gr,Fe）23C6 等碳化合物， 是鉻鉬鋼和鉻鉬礬鋼優(yōu)良好的抗高溫氧化性和耐氧化介質(zhì)腐蝕作用， 并增加鋼的熱強(qiáng)性。鉻增加鋼的淬透性并有二次硬化作用。鉻是顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度的元素，
隨著鉻含量的增加， 鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度也逐步提高， 沖擊值隨鉻含量的增加而下降。在含鉬的鍋爐鋼中， 加入少量鉻， 能防止鋼在長期使用中的石墨化。
4. 鉬（Mo） 在低合金鋼中的作用
鉬屬于強(qiáng)碳化物形成元素， 當(dāng)其含量較低時(shí)， 與鐵及碳形成復(fù)雜的滲碳體； 當(dāng)含量較高時(shí)， 則形成特殊碳化物。 在較高回火溫度下， 由于鉬的彌散分布， 可是材料出現(xiàn)二次硬化鉬對鐵素體有固溶強(qiáng)化作用， 同時(shí)也提高碳化物的穩(wěn)定性， 因此對鋼的強(qiáng)度產(chǎn)生有力作用。 鉬是提高鋼熱強(qiáng)性最有效的合金元素， 主要在于他能強(qiáng)烈提高鋼中鐵素體對儒變的
抗力。 此外， 鉬還可以有效的抑制滲碳體在 450C-650C 工作溫度下的聚集， 促進(jìn)彌散的特殊化合物的析出，
從而進(jìn)一步起到的了強(qiáng)化作用。 自含鉬 0.5％的低和金鋼用于鍋爐管后，一系列二元和多元的含鉬珠光體鋼被廣泛的用于動(dòng)力、
石油和化學(xué)工業(yè)中， 如 15GrMo、12GrMoV、 1Gr5Mo 等。 鉬同樣也能提高馬氏體鋼和奧氏體鋼的熱強(qiáng)性。鉬在鋼中， 由于形成特殊碳化物，
可以改善在高溫高壓下抗氫腐蝕的作用。鉬常與其它元素如錳、 鉻等配合使用， 可顯著提高鋼的脆透性； 鉬含量約 0.5％時(shí)，
能抑制或降低其它元素導(dǎo)致的回火脆性。
5. 礬（V） 在低合金鋼中的作用
礬是縮小 γ 相區(qū)、 形成 γ 相圈的元素， 在 a-Fe 中無限固溶， 在 γ －Fe 中的最大溶解度約 1.35％。礬與碳氧碳都有較強(qiáng)的親和力， 為強(qiáng)碳化合物及氮化物形成元素。 在低合金鋼中，
礬能有效地固定鋼中的碳和氮， 并形成高度的彌散分布的碳化物和氮化物微粒， 即使在高溫下， 聚合長大也極緩慢， 因而可以增加鋼的熱強(qiáng)性和對儒變的抗力。 一系列的鉻鉬礬鋼已成為制造鍋爐、
汽輪機(jī)的主要鋼種， 如 12GrMoV 及 12GrMoV 常用于鍋熱器鋼管、
導(dǎo)管及相應(yīng)的鍛件等。含礬鋼在熱處理中， 能提高晶粒粗化的溫度， 從而降低鋼的過熱敏感性， 并提高鋼的強(qiáng)度和韌性等， 尤其是它能提高鋼正火后的強(qiáng)度和屈服比及低溫韌性，
因此它已成為普通低合金鋼的一種比較理想的合金元素。由于礬對碳的固定作用， 在高溫下， 對抗氫腐蝕（脫碳和脆化） 是有益的。 在抗氫鋼中礬和碳含量之比應(yīng)在 5： 7 左右， 過低時(shí)不足以有效地起抗氫腐蝕作用， 過高時(shí)， 將有部分的礬溶入鐵素體中降低其塑性和焊接性能。
6. 硅（Si） 在低合金鋼中的作用
硅作為雜質(zhì)元素時(shí)， 它在低合金鋼中的作用與在碳素鋼中的作用相同， 作為合金元素時(shí)， 一般應(yīng)不低于 0.4％。硅在鋼中不形成碳化物， 而是以固溶體的形態(tài)存在于鐵素體或奧氏體中。
硅固溶于鐵素體和奧氏體中可起到提高它們的硬度和強(qiáng)度的作用， 在常見元素中僅此于磷， 而較錳、鎳、 鉻、 鎢、 鉬、 礬等為強(qiáng)。 但硅含量若超過 3％時(shí)， 將顯著的降低鋼的塑性、 韌性和延展性。低硅含量對鋼的抗腐蝕性能影響不大， 只有當(dāng)硅含量達(dá)到一定值時(shí)， 它對鋼的抗腐蝕性能才有顯著的增強(qiáng)作用。
硅含量為 15％－20％的硅鑄鐵是很好的耐酸材料， 對不同濃度硫酸、
硝酸都很穩(wěn)定， 但在鹽酸和王水的作用下穩(wěn)定性很小， 在氫氟酸中則不穩(wěn)定。 高硅鑄鐵之所以抗腐蝕， 是由于當(dāng)開始腐蝕時(shí)， 在其表面形成致密的 SiO 薄層， 阻礙著酸的進(jìn)一步向內(nèi)侵蝕。含硅鋼在氧化氣氛中加熱時(shí)， 表面也將形成 SiO 薄層， 從而提高鋼高溫時(shí)的抗氧化性。
7. 鋁（Al） 在低合金鋼中的作用
鋁與氮及氫的親和力很強(qiáng)， 因此它也用作煉鋼時(shí)的脫氧定氮?jiǎng)?并起到細(xì)化晶粒、 阻抑碳鋼的時(shí)效、 提高鋼在低溫下韌性的作用。鋁作為合金元素加入鋼中時(shí)能提高鋼的抗氧化性，
改善鋼的電磁性， 提高滲氮鋼的耐磨性和疲勞強(qiáng)度等。 因此， 鋁在不起皮鋼、 電熱合金、 磁鋼和滲氮鋼中， 得到了廣泛得應(yīng)用。鋁和氮雖然可以化合生成碳化物 AlC 和 AlC，
但它和碳的親和力小于鐵和碳的親和力，因此在鋼中一般不存在鋁的碳化物。當(dāng)鋁含量達(dá)到一定量時(shí)， 可是鋼產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象， 使鋼在氧化性酸中具有抗蝕性， 但使鋼的焊接性變壞。鋁還能提高鋼對硫化氫的抗蝕作用。 鋁含量在 4％左右的鋼， 在溫度不超過 600C 時(shí)有較好的抗硫化氫腐蝕作用。鋁對鋼的水蒸氣、 氯氣、 特別是在氯氣及其化合物氣氛中的抗蝕作用是不利的。在鋼鐵材料表面鍍鋁和滲鋁，可以提高其抗氧化性和在工業(yè)和海洋氣氛中的抗蝕性。含鋁的鋼滲氮后， 在鋼的表面形成一層牢固的薄而硬的彌散分布的淡化鋁層， 從而提高其硬度和疲勞強(qiáng)度， 并改善其耐磨性。鋁是高錳低溫鋼的主要合金元素。 一定量的鋁， 有提高鐵錳奧氏體的穩(wěn)定度、 抑制－Mn 相變的作用， 從而使鋁在低溫鋼中得到了應(yīng)用。
8. 硫（S）、 氧（O）、 磷（P）、 砷（As）、 銻（Sb）
等雜質(zhì)元素在低合金鋼中的作用
同在碳素鋼的作用。 但是由于低合金鋼溶點(diǎn)較高， 磷、 砷、 銻等雜質(zhì)元素容易在高溫下遷移聚集， 從而導(dǎo)致低合金鋼的高溫回火脆性。 一般情況下， 低合金鋼均采用較高級的冶煉方法（如電爐冶煉）， 故其硫、 磷等雜質(zhì)元素含量較低。
三、常用高合金剛中各元素對其性能的影響
壓力管道中高合金鋼為含碳量小于 0.10％的鉻鉬、 鉻鎳、 鉻鎳鉬耐熱鋼和不銹鋼。
高合金鋼中， 其主要影響元素有碳（C）、 鉻（Gr）、
鉬（Mo）、 鎳（Ni）、 鈦（Ti）、 硅（Si）等雜質(zhì)元素。
1. 碳（C） 在高合金鋼中的作用
碳也是該合金鋼中的強(qiáng)化元素， 但不是主要強(qiáng)化元素， 此時(shí)的強(qiáng)化元素主要是合金元素。 為了滿足高合金鋼的塑性、 韌性、 耐蝕性和焊接性能的要求， 它的含碳量一般不大于0.1％。對于鉻鎳或鉻鎳鉬奧氏體不銹鋼，
它的含碳量一般不大于 0.08％。 當(dāng)其含量小于等于 0.03％時(shí)，
由于含碳量較低， 高溫強(qiáng)度也較低， 故不宜用于 525C 及以上的溫度環(huán)境中。 作為高溫下耐熱用的高合金鋼， 其含碳量應(yīng)大于等于 0.04％， 但此時(shí)奧氏體不銹鋼的抗晶間腐蝕性能下降。
2. 鉻（ Gr） 在高合金鋼中的作用
鉻在鉻鉬高合金鋼中的作用于在低合金鋼中的作用相似。鉻在不銹耐熱鋼中， 當(dāng)其含量超過 12％時(shí)， 使鋼具有良好的高溫抗氧化性和耐氧化介質(zhì)腐蝕作用， 并增加鋼的耐熱性。 但鉻含量太高時(shí)或者處理不當(dāng)， 易發(fā)生 相和 475C 回火脆化。在單一的鉻鋼中，
材料的焊接性隨鉻含量的增加而惡化。
3. 鉬（ Mo） 在高合金鋼中的作用
鉬在鉻鉬高合金鋼中的作用于在低合金鋼的作用相似。鉬再不銹耐熱鋼中， 也能使鋼表面鈍化， 但作用不如鉻顯著。 鉬與鉻相反， 它即能在還原性酸（ HCl、 H2CO4、 H2SO3） 有能在強(qiáng)氧化性溶液（ 特別是含有氯離子時(shí)） 中， 是鋼材表面鈍化。 因此， 目可以普遍提高鋼的抗腐蝕性能。鉬加入奧氏體耐酸鋼中，
能顯著提高材料對醋酸、 環(huán)烷酸的抗蝕性。在含有氯化物的溶液中， 常會(huì)引起奧氏體耐酸鋼的點(diǎn)腐蝕和晶間腐蝕。 材料中加入鉬后，這些傾向在很大程度上會(huì)被減緩和抑止。
4. 鎳（ Ni） 在高合金鋼中的作用
鎳是擴(kuò)大 相區(qū)， 形成無限固化體的元素， 它是奧氏體不銹鋼中的主加元素。鎳和碳不形成碳化物， 它是形成和穩(wěn)定奧氏體的主要和金元素。 鎳與鐵以互溶的形式存在于鋼中的 相和 性中， 使之強(qiáng)化。鎳能細(xì)化鐵素體晶粒， 改善鋼的低溫性能。 含鎳量超過一定值的碳鋼， 其低溫脆化轉(zhuǎn)變溫度顯著降低， 而低溫沖擊韌性顯著提高，
因此鎳綱常用作低溫材料。 一般情況下， 含鎳達(dá)到 3.5％的鎳鋼可用在－100C 低溫下使用， 含鎳量達(dá)到 9％的鎳鋼可在－196C 超低溫下使用。
含鎳的低合金鋼還有較高的抗腐蝕疲勞性能。 鎳鋼不宜在含硫或一氧化碳的氣氛中加熱， 因?yàn)殒囈子诹蚧希?在晶介上形成低熔點(diǎn)的 NiS 網(wǎng)狀組織而產(chǎn)生熱脆。 在高溫時(shí)鎳將于一氧化碳化合形成 Ni(CO)4 氣體而有合金中逸出，
從而在材料中留下孔洞。在不銹耐熱鋼中， 鎳與鉻、 鉬等元素適當(dāng)配合是材料在常溫下為奧氏體組織， 即得到所謂的奧氏體不銹鋼或耐熱鋼。 然而， 目前鎳在全世界范圍內(nèi)都是一種比較稀缺的元素，
故作為一種合金元素， 應(yīng)該只有在用其它元素不能獲得所需要的性能時(shí)， 才考慮是用它。由于鎳可降低臨介轉(zhuǎn)變溫度和降低鋼中各元素的擴(kuò)散速度， 因而它可提高鋼的脆透性。鎳不增加鋼對儒變的抗力， 因此一般不作為熱強(qiáng)鋼中的強(qiáng)化元素。 在奧氏體熱強(qiáng)鋼中，鎳的作用只是使鋼奧氏體化， 鋼的強(qiáng)度必須靠其它元素如鉬、 鎢、 礬、 鈦、 鋁來提高。鎳是有一定抗腐蝕能力的元素， 對酸、 堿、 鹽以及大氣均具有一定的抗蝕能力。
5. 鈦（ Ti） 在高合金鋼中的作用
鈦是縮小 相區(qū)， 形成相圈的元素。鈦是最強(qiáng)的碳化物形成元素， 與氮、 氧的親和力也極強(qiáng)， 是良好的脫氧劑和固定氮、 碳的有效元素， 正因?yàn)檫@樣， 含鈦的高合金鋼不易用于鑄件。在奧氏體不銹鋼中， 由于鈦能固定碳， 由防止和減輕材料晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕的作用。如果奧氏體不銹鋼中的鈦、 碳含量之比超過 4.5％時(shí)， 由于此時(shí)材料中的氧、 氮和碳可以全部被固定住，
故使得材料對晶間腐蝕、 應(yīng)力腐蝕和堿脆性有很好的抗力當(dāng)鈦以碳化鈦微粒存在時(shí)， 由于它能細(xì)化鋼的晶粒并成為奧氏體分解時(shí)的有效晶核， 可是鋼的脆透性降低， 但也是材料的高溫固溶強(qiáng)化效果降低。鈦能提高鋼的抗氧化性和耐熱性。 在高鎳含鋁合金中能形成 相[Ni3(Al， Ti)]， 并彌散析出， 從而提高材料的熱強(qiáng)性。 目前， 鈦越來越多的被用作航空、 宇航工業(yè)材料。鈦?zhàn)鳛閺?qiáng)碳化物形成元素， 可以提高鋼在高溫、 高壓、 氫氣中的穩(wěn)定性。 當(dāng)鋼中的鈦含量達(dá)到碳含量的 4 倍時(shí)， 可是鋼在高壓下對氫的穩(wěn)定性幾乎高達(dá) 600C 以上。
6. 硅（Si） 在高合金鋼中的作用
硅在高合金鋼中常用于奧氏體－鐵素體或鐵素體－奧氏體雙相不銹鋼中， 其固溶強(qiáng)化作用。各種奧氏體不銹鋼中加入約 2％的硅， 可以增強(qiáng)它們的高溫不起皮性。在鉻、 鉻鉬、 鉻鎳、 鉻鎢等鋼中加入硅， 都將提高他們的高溫抗氧化性能。 但硅含量太高時(shí)， 材料的表面脫碳傾向增加。
7. 硫（S）、 磷（P）、 砷（As）、 銻（Sb） 等雜質(zhì)元素在高合金鋼中的作用同低合金鋼
部分。
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