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钢中元素的作用

工业纯铁的塑性很好，但强度很低，一般不能满足实际需要。通常加入Si、

Mn等合金钢元素改善钢材性能，以满足实际要求。另外，钢材在冶炼的过程

中不可避免的含有C，S，P等杂质元素。它们的存在，对钢材的性能也有很大

影响。

1对钢材力学性能的影响1.1杂质的影响

1.1.1碳的影响碳与铁可以形成一系列化合物：Fe3C，Fe2C，FeC等。碳

能提高钢材的强度和硬度，但会降低钢材的塑性。碳含量增加0.1%，钢材的抗

拉强度可提高70MPa，屈服点提高28MPa。含碳量大于6.67%的合金脆性大，

不具有实际使用价值。海洋工程用钢根据碳的含量一般可分为三类（Section8,

APIRP-2A-WSD,1994）：①普通钢。含碳量小于或等于0.4%。最小屈服应

力为280MPA。②高强度钢。碳含量为0.45%或更高。屈服应力在280MPA

和360MPA之间。③对于屈服应力大于360MPA的超高强度钢要限制使用。

1.1.2硫的影响硫通常以FeS的形式存在于钢材中。FeS塑性差，熔点低。

钢水结晶时FeS分布于晶界周围。在8000C~12000C时，轧制或铸造会导致

晶界开裂，此现象即通常所说的钢的热脆现象。若钢材中有Mn，则可形成高

熔点的MnS（16000C）。钢水在结晶时，MnS呈颗粒分布于晶内，这样就可

以大大降低硫的危害。作为有害杂质，钢材中的硫含量通常限制在≤0.04%。

1.1.3磷的影响钢材中的磷能全部溶于中，使其在室温下的强度升高，塑

性降低，产生冷脆现象。除上述有害方面外，磷对钢材有很高的强化作用。磷提

高钢材的屈服强度比镍高10倍，比锰高5倍，比铬高5倍，比铜高2.5倍，比

硅高2倍，比钛高1.7倍。磷提高钢材的极限强度比镍高6倍，比锰高5倍，

比铬高3倍，比铜高1.1倍，比硅高1.3倍，比钛稍低。此外，磷、铜共存可大

大提高抗腐蚀性。针对磷使钢脆化，冲击韧性降低，生产中一般把磷控制在0.12%

以下。钢中加如铝、钛细化晶粒，这样既可消除冷脆，又能提高钢的塑性和韧性。

传统上把磷含量控制在≤0.04%。而我国针对磷的有害和有益两方面作用研究出

一系列含磷量为0.07%~0.15%的磷钢。

1.1.4．氮的影响氮在中的溶解能力差，在200~3000C加热过程中常呈

氮化合物析出（时效现象），使钢的强度极限升高，塑性下降，这种现象称为钢

的兰脆。除氮的有效方法是在钢中加入铝中进行脱氮处理，是氮固定在氮化铝

（AlN）中，这样就消除了产生时效的可能。

1.1.5氧的影响炼钢的过程就是氧化过程，氧化钢中的杂质调整钢中各元

素的含量。在氧化的过程中，钢中的一部分氧化成FeO。氧主要以FeO的形式

存在于钢中。钢中由于FeO的存在，致使其强度、塑性下降。一般脱氧程度差

的沸腾钢比镇静钢具有更大的时效倾向。通常使用锰钢、硅钢或铝进行脱氧。

1.1.6氢的影响氢在中的溶解能力差，在中的溶解能力大。在钢水的结

晶过程中，如果冷却速度太快，氢来不及扩散到金属外部而只能聚集在晶体的缺

陷处（空位，滑移线，晶界）。聚集的氢将产生很大的压力，是钢材内部出现裂

纹（所谓白点）。对于合金钢，氢的影响尤其显著。1.2合金元素的影响最常

见的合金元素有Mn(0.08%)、Si(0.5%)、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Al等。

它们对钢材性能的影响见下表：合金元素的影响元素晶粒大小过热的可能性

淬透性退火、正火淬火的温度强度和硬度塑性C增增降增降Mn稍增

稍增增降含量增加1%，抗拉强度增加90MPa，屈服点上升82MPa