【干货资源】钢中的合金元素与杂质元素

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碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)、硫(S)通常被称为钢铁材料的五大元素。

C，Si，Mn对钢铁材料是有益的，称为合金元素；

P和S则是有害元素，称为杂质元素；

 N、H、O等元素的影响。

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上图 为铁碳相图

（1）锰的影响

锰在钢中的存在也属于有益元素，它与氧有较强的亲合力，具有较好的脱氧能力，在炼钢时作为脱氧剂加入。

另外锰与硫的亲合力很强，在钢液中与硫形成MnS，起到去硫作用，大大的消除了硫的有害影响。

钢中的含锰量一般为0.25~0.80%，它一部分溶入铁素体起到固溶强化作用，提高铁素体的强度，锰还可溶入渗碳体形成合金渗碳体（Fe，Mn）3C，使钢具有较高的强度；

另一部分锰与硫形成MnS，与氧形成MnO，这些非金属夹杂物大部分进入炉渣。

（2）硅的影响 

硅在钢中的存在属于有益元素，由于它与氧有很大的亲合力，具有很好地脱氧能力。在炼钢时作为脱氧剂加入，Si+2FeO=2Fe+SiO2，硅与氧化铁反应生成二氧化硅（SiO2）非金属夹杂物，一般大部分进入炉渣，消除了FeO的有害作用。但如果它以夹杂物形式存在于钢中，将影响钢的性能。

碳钢中的含硅量一般Si%≤0.4%，它大部分溶入铁素体，起固溶强化作用，提高铁素体的强度，而使钢具有较高的强度。

（3）硫的影响 

硫在钢中是有害的杂质。

液态时Fe、S能够互溶，固态时Fe几乎不溶解硫，而与硫形成熔点为1190℃的化合物FeS。形成的共晶体（γ-Fe+FeS）以离异共晶形式分布在γ -Fe晶界处。

若将含有硫化铁共晶体的钢加热到轧制、锻造温度时，共晶体熔化，进行轧制或锻造时，钢将沿晶界开裂，这种现象称为钢的“热脆”或“红脆”。

（4）磷的影响  

磷在钢中的存在一般属于有害元素。

在1049℃时，磷在Fe中的最大溶解度可达2.55%，在室温时溶解度仍在1%左右，因此磷具有较高的固溶强化作用，使钢的强度、硬度显著提高，但也使钢的塑性，韧性剧烈降低，特别是使钢的脆性转折温度急剧升高，这种现象称为冷脆。

    

 （5）氮的影响 

氮在钢中的存在一般认为是有害元素。

N在γ中的最大溶解度在650℃为2.8%N，在α中的最大溶解度在590℃约为0.1%N,而在室温时的溶解度很小低于0.001%N，因此将钢由高温快速冷却后，可得到溶氮过饱和的铁素体。这种溶氮过饱和的铁素体是不稳定的，在室温长时间放置时N将以Fe4N的形式析出，使钢的强度、硬度升高，塑性、韧性降低，这种现象称为时效硬化。

为了减轻氮的有害作用，就必须减少钢中的含氮量或加入Al、V、Nb、Ti等元素，使它们优先形成稳定的氮化物，以减小氮所造成的时效敏感性。

（6）氢的影响

氢在钢中的存在也是有害元素，它是由潮湿的炼钢原料和炉气而进入钢中的。

氢在钢中的溶解度甚微，但严重的影响钢的性能，氢溶入铁中形成间隙固溶体，使钢的塑性大大降低，脆性大大升高，这种现象称为氢脆。

含有较多氢的钢，在加热热轧时溶入，冷却时溶解度降低，析出的氢结合成氢分子，使钢的塑性大大降低，脆性大大升高，加上热轧时产生的内应力，当它们的综合作用力大于钢的时，在钢中就会产生许多微细裂纹如头发丝一样，也称发裂，这种组织缺陷称为白点。

 （7）氧的影响 

氧在钢中的存在也是有害元素，由于炼钢是一个氧化过程，氧在钢液中起到去除杂质的积极作用，但在随后的脱氧过程中不能完全将它除净，氧在钢中的溶解度很小，在700℃时为0.008%，在500℃时在铁素体中的溶解度<0.001%。

氧溶入铁素体一般降低钢的强度、塑性和韧性，氧在钢中主要以氧化物方式存在，如（FeO、Fe2O3、Fe3O4、MnO、SiO2、Al2O3等），所以它对钢的性能的影响主要取决于这些氧化物的性能，数量、大小和分布等。

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@文章来源于：热处理小讲堂

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