氫、硼、氮等n種元素對(duì)鋼鐵性能的影響！
H是一般鋼中最有害的元素，鋼中溶有氫會(huì)引起鋼的氫脆、白點(diǎn)等缺陷。氫與氧、氮一樣，在固態(tài)鋼中溶解度極小，在高溫時(shí)溶入鋼液，冷卻時(shí)來(lái)不及逸出而積聚在組織中形成高壓細(xì)微氣孔，使鋼的塑性、韌度和疲勞強(qiáng)度急劇降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成裂紋、脆斷。“氫脆”主要出現(xiàn)在馬氏體鋼中，在鐵氧體鋼中不十分突出，一般與硬度和含碳量一起增加。
另一方面，H能提高鋼的磁導(dǎo)率，但也會(huì)使矯頑力和鐵損增加（加H后矯頑力可增大0.5～2倍）。
B在鋼中的主要作用是增加鋼的淬透性，從而節(jié)約其他較稀貴的金屬，與鎳、鉻、鉬等。為了這一目的，其含量一般規(guī)定在0.001%～0.005%范圍內(nèi)。它可以代替1.6%的鎳、0.3%的鉻或0.2%的鉬，以硼代鉬應(yīng)注意，因鉬能防止或降低回火脆性，而硼卻略有促進(jìn)回火脆性的傾向，所以不能用硼將鉬完全代替。
中碳碳素鋼中加硼，由于提高了淬透性，可使厚20mm以上的鋼材調(diào)質(zhì)后性能大為改善，因此，可用40B和40MnB鋼代替40Cr，可用20Mn2TiB鋼代替20CrMnTi滲碳鋼。但由于硼的作用隨鋼中碳的含量的增加而減弱，甚至消失，在選用含硼滲碳鋼時(shí)，必須考慮到零件滲碳后，滲碳層的淬透性將低于芯部的淬透性的這一特點(diǎn)。
彈簧鋼一般要求完全淬透，通常彈簧面積不大，采用含硼鋼有利。對(duì)高硅彈簧鋼硼的作用波動(dòng)較大，不便采用。
硼和氮及氧有強(qiáng)的親和力，沸騰鋼中加入0.007%的硼，可以消除鋼的時(shí)效現(xiàn)象。
C是僅次于鐵的主要元素，它直接影響鋼材的強(qiáng)度、塑性、韌性和焊接性能等。
當(dāng)鋼中含碳量在0.8%以下時(shí)，隨著含碳量的增加，鋼材的強(qiáng)度和硬度提高，而塑性和韌性降低；但當(dāng)含碳量在1.0%以上時(shí)，隨著含碳量的增加，鋼材的強(qiáng)度反而下降。
隨著含碳量的增加，鋼材的焊接性能變差（含碳量大于0.3%的鋼材，可焊性顯著下降），冷脆性和時(shí)效敏感性增大，耐大氣銹蝕性下降。
N對(duì)鋼材性能的影響與碳、磷相似，隨著氮含量的增加，可使鋼材的強(qiáng)度顯著提高，塑性特別是韌性也顯著降低，可焊性變差，冷脆性加劇；同時(shí)增加時(shí)效傾向及冷脆性和熱脆性，損壞鋼的焊接性能及冷彎性能。因此，應(yīng)該盡量減小和限制鋼中的含氮量。一般規(guī)定氮含量應(yīng)不高于0.018%。
氮在鋁、鈮、釩等元素的配合下可以減少其不利影響，改善鋼材性能，可作為低合金鋼的合金元素使用。有些牌號(hào)的不銹鋼，適當(dāng)增加N的含量，可以減少Cr的使用量，可以有效降低成本。
O在鋼中是有害元素。它是在煉鋼過(guò)程中自然進(jìn)入鋼中的，盡管在煉鋼末期要加入錳、硅、鐵和鋁進(jìn)行脫氧，但不可能除盡。鋼水凝固期間，溶液中氧和碳反應(yīng)會(huì)生成一氧化碳，可以造成氣泡。氧在鋼中主要以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夾雜形式存在，使鋼的強(qiáng)度、塑性降低。尤其是對(duì)疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性等有嚴(yán)重影響。
氧會(huì)使硅鋼中鐵損增大，磁導(dǎo)率及磁感強(qiáng)度減弱，磁時(shí)效作用加劇。
鎂能使鋼中夾雜物數(shù)量減少、尺寸減小、分布均勻、形態(tài)改善等。微量鎂能改善軸承鋼的碳化物尺寸及分布，含鎂軸承鋼的碳化物顆粒細(xì)小均勻。當(dāng)鎂含量為0.002%～0.003% ,其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度增加5%以上，塑性基本保持不變。
鋁作為脫氧劑或合金化元素加入鋼中，鋁脫氧能力比硅、錳強(qiáng)得多。鋁在鋼中的主要作用是細(xì)化晶粒、固定鋼中的氮，從而顯著提高鋼的沖擊韌性，降低冷脆傾向和時(shí)效傾向性。如D級(jí)碳素結(jié)構(gòu)鋼要求鋼中酸溶鋁含量不小于0.015%，深沖壓用冷軋薄鋼板08AL要求鋼中酸溶鋁含量為0.015%―0.065%。
鋁還可提高鋼的抗腐蝕性能，特別是與鉬、銅、硅、鉻等元素配合使用時(shí)，效果更好。
鉻鉬鋼和鉻鋼中含Al可增加其耐磨性。高碳工具鋼中Al的存在可使產(chǎn)生淬火脆性。鋁的缺點(diǎn)是影響鋼的熱加工性能、焊接性能和切削加工性能。
Si是煉鋼過(guò)程中重要的還原劑和脫氧劑：對(duì)于碳鋼中的很多材質(zhì)來(lái)說(shuō)，都含有0.5%以下的Si，這些Si一般是由于煉鋼過(guò)程中作為還原劑和脫氧劑而帶入的。
硅能溶于鐵素體和奧氏體中提高鋼的硬度和強(qiáng)度，其作用僅次于磷，較錳、鎳、鉻、鎢、鉬、釩等元素強(qiáng)。但含硅量超過(guò)3%時(shí)，將顯著降低鋼的塑性和韌性。硅能提高鋼的彈性極限、屈服強(qiáng)度和屈服比（σs/σb），以及疲勞強(qiáng)度和疲勞比（σ-1/σb）等。這是硅或硅錳鋼可作為彈簧鋼種的緣故。
硅能降低鋼的密度、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)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(lái)生產(chǎn)電工用鋼，所以硅鋼片的磁阻滯損耗較低。硅能提高鐵素體的導(dǎo)磁率，使鋼片在較弱磁場(chǎng)下有較高的磁感強(qiáng)度。但在強(qiáng)磁場(chǎng)下硅降低鋼的磁感強(qiáng)度。硅因有強(qiáng)的脫氧力，從而減少了鐵的磁時(shí)效作用。
含硅的鋼在氧化氣氛中加熱時(shí)，表面將形成一層SiO2薄膜，從而提高鋼在高溫時(shí)的抗氧化性。
硅能促使鑄鋼中的柱狀晶成長(zhǎng)，降低塑性。硅鋼若加熱時(shí)冷卻較快，由于熱導(dǎo)率低，鋼的內(nèi)部和外部溫差較大，因而斷裂。
硅能降低鋼的焊接性能。因?yàn)榕c氧的結(jié)合能力硅比鐵強(qiáng)，在焊接時(shí)容易生成低熔點(diǎn)的硅酸鹽，增加熔渣和融化金屬的流動(dòng)性，引起噴濺現(xiàn)象，影響焊接質(zhì)量。硅是良好的脫氧劑。用鋁脫氧時(shí)酌情加一定量的硅，能顯著提高率的脫氧性。硅在鋼中本來(lái)就有一定的殘存，這是由于煉鐵煉鋼時(shí)作為原料帶入的。在沸騰鋼中，硅限制在<0.07%，有意加入時(shí)，則在煉鋼時(shí)加入硅鐵合金。
P是由礦石帶入鋼中的，一般說(shuō)磷也是有害元素。磷雖能使鋼材的強(qiáng)度、硬度增高，但引起塑性、沖擊韌性顯著降低。特別是在低溫時(shí)，它使鋼材顯著變脆，這種現(xiàn)象稱"冷脆"。冷脆使鋼材的冷加工及焊接性變壞，含磷愈高，冷脆性愈大，故鋼中對(duì)含磷量控制較嚴(yán)。高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：P＜0.025%；優(yōu)質(zhì)鋼：P＜0.04%；普通鋼：P＜0.085%。
P的固溶強(qiáng)化及冷作硬化作用很好，與銅聯(lián)合使用，提高低合金高強(qiáng)度鋼的耐大氣腐蝕性能，但降低其冷沖壓性能，與硫、錳聯(lián)合使用，改善切削性，增加回火脆性及冷脆敏感性。
磷可提高比電阻，且由于容易粗晶而可使矯頑力和渦流損失降低，于磁感而言，則在弱中磁場(chǎng)下磷含量高的鋼磁感會(huì)提高，含P硅鋼的熱加工也并不困難，但由于它會(huì)使硅鋼具冷脆性，含量≯0.15%（如冷軋電機(jī)用硅鋼含P=0.07～0.10%）。
磷是強(qiáng)化鐵素體作用最強(qiáng)的元素。（P對(duì)硅鋼再結(jié)晶溫度和晶粒長(zhǎng)大的影響將超過(guò)同等硅含量作用的4～5倍。）
硫來(lái)源于煉鋼的礦石與燃料焦炭。它是鋼中的一種有害元素。硫以硫化鐵(FeS)的形態(tài)存在于鋼中，F(xiàn)eS和Fe形成低熔點(diǎn)(985℃)化合物。而鋼材的熱加工溫度一般在1150～1200℃以上，所以當(dāng)鋼材熱加工時(shí)，由于FeS化合物的過(guò)早熔化而導(dǎo)致工件開(kāi)裂，這種現(xiàn)象稱為“熱脆”。降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時(shí)造成裂紋。硫?qū)附有阅芤膊焕档湍透g性。高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：S＜0.02%～0.03%；優(yōu)質(zhì)鋼：S＜0.03%～0.045%；普通鋼：S＜0.055%～0.7%以下。
由于其切屑發(fā)脆而可得到非常光澤的表面，所以可用于制要求負(fù)荷不大而具高表面光潔度的鋼制件（名為快削鋼），（如Cr14）有意加進(jìn)少量的硫（=0.2～0.4%）。 某些高速鋼工具鋼進(jìn)行硫化表面。
鉀/鈉可作為變質(zhì)劑使白口鐵中碳化物團(tuán)球化，使白口鐵（以及萊氏體鋼）)在保持原有硬度的條件下, 韌性提高二倍以上；使球墨鑄鐵的組織細(xì)化、蠕鐵的處理過(guò)程穩(wěn)定化；是強(qiáng)烈的促進(jìn)奧氏體化的元素，例如，它可使奧氏體錳鋼的錳/碳比從10:1~13:1降至4:1~5:1。
鋼中加鈣能細(xì)化晶粒，部分脫硫，并改變非金屬夾雜物的成分、數(shù)量和形態(tài)。與鋼中加稀土的作用基本相似。
改善鋼的耐蝕性、耐磨性、耐高溫和低溫性能；提高了鋼的沖擊韌性、疲勞強(qiáng)度、塑性和焊接性能；增加了鋼的冷鐓性、防震性、硬度和接觸持久強(qiáng)度。
鑄鋼中加鈣使鋼水流動(dòng)性大為提高；鑄件表面光潔度得到改善, 鑄件中組織的各向異性得以消除；其鑄造性能、抗熱裂性能、機(jī)械性能和切削加工性能均有不同程度的增加。
鋼中加鈣能改善抗氫致裂紋性能和抗層狀撕裂性能，可延長(zhǎng)設(shè)備、工具的使用
壽命。鈣加入母合金中可用作脫氧劑和孕育劑，并起微合金化作用。
鈦和氮、氧、碳都有極強(qiáng)的親和力，與硫的親和力比鐵強(qiáng)，是一種良好的脫氧去氣劑和固定氮和碳的有效元素。鈦雖然是強(qiáng)碳化物形成元素，但不和其他元素聯(lián)合形成復(fù)合化合物。碳化鈦結(jié)合力強(qiáng)，穩(wěn)定，不易分解，在鋼中只有加熱到1000℃以上才能緩慢地溶入固溶體中。
在未溶入之前，碳化鈦微粒有阻止晶粒長(zhǎng)大的作用。由于鈦和碳之間的親和力遠(yuǎn)大于鉻和碳之間的親和力，在不銹鋼中常用鈦來(lái)固定其中的碳以消除鉻在晶界處的貧化，從而消除或減輕鋼的晶間腐蝕。
鈦也是強(qiáng)鐵氧體形成元素之一，強(qiáng)烈的提高了鋼的A1和A3溫度。鈦在普通低合金鋼中能提高塑性和韌性。由于鈦固定了氮和硫并形成碳化鈦，提高了鋼的強(qiáng)度。經(jīng)正火使晶粒細(xì)化，析出形成碳化物可使鋼的塑性和沖擊韌性得到顯著改善，含鈦的合金結(jié)構(gòu)鋼，有良好的力學(xué)性能和工藝性能，主要缺點(diǎn)是淬透性稍差。
在高鉻不銹鋼中通常需加入約5倍碳含量的鈦，不但能提高鋼的抗蝕性（主要是抗晶間腐蝕）和韌性；還能組織鋼在高溫時(shí)的晶粒長(zhǎng)大傾向和改善鋼的焊接性能。
釩和碳、氨、氧有極強(qiáng)的親和力，與之形成相應(yīng)的穩(wěn)定化合物。釩在鋼中主要以碳化物的形式存在。其主要作用是細(xì)化鋼的組織和晶粒，降低鋼的強(qiáng)度和韌性。當(dāng)在高溫溶入固溶體時(shí)，增加淬透性；反之，如以碳化物形式存在時(shí)，降低淬透性。釩增加淬火鋼的回火穩(wěn)定性，并產(chǎn)生二次硬化效應(yīng)。鋼中的含釩量，除高速工具鋼外，一般均不大于0.5%。
釩在普通低碳合金鋼中能細(xì)化晶粒，提高正火后的強(qiáng)度和屈服比及低溫特性，改善鋼的焊接性能。
釩在合金結(jié)構(gòu)鋼中由于在一般熱處理?xiàng)l件下會(huì)降低淬透性，故在結(jié)構(gòu)鋼中常和錳、鉻、鉬以及鎢等元素聯(lián)合使用。釩在調(diào)質(zhì)鋼中主要是提高鋼的強(qiáng)度和屈服比，細(xì)化晶粒，撿的過(guò)熱敏感性。在滲碳鋼中因能細(xì)化晶粒，可使鋼在滲碳后直接淬火，不需二次淬火。
釩在彈簧鋼和軸承鋼中能提高強(qiáng)度和屈服比，特別是提高比例極限和彈性極限，降低熱處理時(shí)脫碳敏感性，從而提高了表面質(zhì)量。五鉻含釩的軸承鋼，碳化彌散度高，使用性能良好。
釩在工具鋼中細(xì)化晶粒，降低過(guò)熱敏感性，增加回火穩(wěn)定性和耐磨性，從而延長(zhǎng)了工具的使用壽命。
鉻能增加鋼的淬透性并有二次硬化的作用，可提高碳鋼的硬度和耐磨性而不使鋼變脆。含量超過(guò)12%時(shí)，使鋼有良好的高溫抗氧化性和耐氧化性腐蝕的作用，還增加鋼的熱強(qiáng)性。鉻為不銹鋼耐酸鋼及耐熱鋼的主要合金元素。
鉻能提高碳素鋼軋制狀態(tài)的強(qiáng)度和硬度，降低伸長(zhǎng)率和斷面收縮率。當(dāng)鉻含量超過(guò)15%時(shí)，強(qiáng)度和硬度將下降，伸長(zhǎng)率和斷面收縮率則相應(yīng)地有所提高。含鉻鋼的零件經(jīng)研磨容易獲得較高的表面加工質(zhì)量。
鉻在調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)中的主要作用是提高淬透性，使鋼經(jīng)淬火回火后具有較好的綜合力學(xué)性能，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(shí)不易脫碳。鉻能提高工具鋼的耐磨性、硬度和紅硬性，有良好的回火穩(wěn)定性。在電熱合金中，鉻能提高合金的抗氧化性、電阻和強(qiáng)度。
Mn能提高鋼材強(qiáng)度：由于Mn價(jià)格相對(duì)便宜，且能與Fe無(wú)限固溶，在提高鋼材強(qiáng)度的同時(shí)，對(duì)塑性的影響相對(duì)較小。因此，錳被廣泛用于鋼中的強(qiáng)化元素。可以說(shuō)，基本上所有碳鋼中，都含有Mn。我們常見(jiàn)的沖壓軟鋼，雙相鋼(DP鋼)，相變誘導(dǎo)塑性鋼(TR鋼)，馬氏體鋼(MS鋼)，都含有錳元素。一般，軟鋼中的Mn含量不會(huì)超過(guò)0.5%；高強(qiáng)鋼中的Mn含量會(huì)隨著強(qiáng)度級(jí)別的升高而升高，例如馬氏體鋼，錳含量可高達(dá)3%。
Mn提高鋼的淬透性，改善鋼的熱加工性能：比較典型的例子是40Mn和40號(hào)鋼。
Mn能消除S（硫）的影響：Mn在鋼鐵冶煉中可與S形成高熔點(diǎn)的MnS，進(jìn)而消弱和消除S的不良影響。
但是，Mn的含量也是一把雙刃劍。Mn含量并不是越高越好。錳含量的增高，會(huì)降低鋼的塑性以及焊接性能。
鈷多用于特殊的鋼和合金中，含鈷的高速鋼有高的高溫硬度，與鉬同時(shí)加入馬氏體時(shí)效鋼中可以獲得超高硬度和良好綜合力學(xué)性能。此外，鈷在熱強(qiáng)鋼和磁性材料中也是重要的合金元素。
鈷降低鋼的淬透性，因此，單獨(dú)加入碳素鋼中會(huì)降低調(diào)質(zhì)后的綜合力學(xué)性能。鈷能強(qiáng)化鐵素體，加入碳素鋼中，在退火或正火狀態(tài)下能提高鋼的硬度、屈服點(diǎn)和抗拉強(qiáng)度，對(duì)伸長(zhǎng)率和斷面收縮率有不利的影響，沖擊韌性也隨著鈷含量的增加而降低。由于鈷具有抗氧化性能，在耐熱鋼和耐熱合金中得到應(yīng)用。鈷基合金燃?xì)鉁u輪中更顯示了它特有的作用。
鎳的有益作用是：高的強(qiáng)度、高的韌性和良好的淬透性、高電阻、高的耐腐蝕性。
一方面既強(qiáng)烈提高鋼的強(qiáng)度，另方面又始終使鐵的韌性保持極高的水平。其變脆溫度則極低。（當(dāng)鎳＜0.3%時(shí)，其變脆溫度即達(dá)‐100℃以下，當(dāng)Ni量增高時(shí)，約4～5%，其變脆溫度競(jìng)可降至‐180℃。所以能同時(shí)提高淬火結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度和塑性。含Ni=3.5%，無(wú)Cr鋼可空淬，含Ni=8%的Cr鋼在很小冷速下也可轉(zhuǎn)變?yōu)镸體。
Ni的晶格常數(shù)與γ‐鐵相近，所以可成連續(xù)固溶體。這就有利于提高鋼的淬硬性，Ni可降低臨界點(diǎn)并增加奧氏體的穩(wěn)定性，所以其淬火溫度可降低，淬透性好。一般大斷面的厚重件都用加Ni鋼。當(dāng)它同Cr、W或Cr、Mo結(jié)合的時(shí)候，淬透性尤可增高。鎳鉬鋼還具有很高的疲勞極限。（Ni鋼有良好的耐熱疲勞性，工作在冷熱反復(fù)。σ、αk高）
在不銹鋼中用Ni，是為了使鋼具有均勻的A體組織，以改善耐蝕性。有Ni鋼一般不易過(guò)熱，所以它可阻止高溫時(shí)晶粒的增長(zhǎng)，仍可保持細(xì)晶粒組織。
銅在鋼中的突出作用是改善普通低合金鋼的抗大氣腐蝕性能，特別是和磷配合使用時(shí)，加入銅還能提高鋼的強(qiáng)度和屈服比，而對(duì)焊接性能沒(méi)有不利的影響。含銅0.20%～0.50%的鋼軌鋼（U-Cu），除耐磨外其耐腐蝕壽命為一般碳素鋼軌的2-5倍。
銅含量超過(guò)0.75%時(shí)，經(jīng)固溶處理和時(shí)效后，可產(chǎn)生時(shí)效強(qiáng)化作用。含量低時(shí)，其作用與鎳相似，但較弱。含量較高時(shí)，對(duì)熱變形加工不利，在熱變形加工時(shí)導(dǎo)致銅脆現(xiàn)象。2%～3%銅在奧氏體不銹鋼中可以對(duì)硫酸、磷酸及鹽酸等抗腐蝕性能及對(duì)應(yīng)力腐蝕的穩(wěn)定性。