化学成分对钢材性能的影响

钢材中除主要含有铁元素和碳元素外，另外还含有少量的硅、锰、铝、钛、钒、硫、磷、氧、氮、氢等元素，这些少量元素的含量会决定钢材的性能和质量。

(一)碳对钢材性能的影响(C)

建筑钢材含碳量不大于0．8%，所以，随含碳量增大，钢材强度和硬度相应提高，塑性和韧性则相应下降(图8－4)。当含碳量超过1%时，钢中单独存在的渗碳体连成网状分布于珠光体的晶界上，这种网络达到相当厚度并连成片，使钢材硬脆性增大。含碳量超过0．3%时，钢材焊接性能显著降低。碳还增加钢的冷脆性和时效敏感性，并降低抗锈蚀的能力。

图8－4 含碳量对热轧碳素钢性质的影响

σ－抗拉强度；α－冲击韧性；

HB－硬度；δ－伸长率；－断面收缩率

(二)硅对钢材性能的影响(Si)

硅大部分熔于铁素体中以置换固熔体形式存在，产生固熔强化作用。当硅含量小于1%时，随含量增大，钢材强度和硬度提高，对塑性和韧性影响不明显。硅是钢的主要合金元素之一。

硅是我国钢筋钢材的主加合金元素，它的主要作用是提高钢材的强度。

(三)锰对钢材性能的影响(Mn)

锰熔于铁素体中以置换固熔体形式存在，产生固熔强化作用。锰能使珠光体细化，钢的强度和硬度提高，塑性和韧性得到改善。锰与FeS反应生成MnS，MnS熔点高，且部分进入渣中，所以，锰可以消减硫引起的热脆性，提高可焊性和热加工性能。若锰含量过多时，钢的塑性和韧性显著下降。碳素钢中锰的含量一般为0．2%～0．8%，低合金钢中锰含量一般为1%～2%。高锰钢中锰的含量可达11%～14%，钢材耐磨性显著提高。锰是炼钢中掺入的主要合金元素之一。

锰是我国生产低合金结构钢的主加合金元素，掺量一般在1%～2%范围内，其主要作用是熔于铁素体中使其强化，并起到细化珠光体的作用，使钢材的强度提高。

(四)硫对钢材性能的影响(S)

钢中未除尽的硫常以FeS和MnS的形式存在。FeS与Fe在985℃时互熔生成共晶体，共晶体熔点(1190℃)低，强度低，脆性大，且在晶粒周围界面上形成网状结构夹杂物，严重降低可焊性，引起钢材热脆，且又是疲劳裂纹的源头。硫在炼钢时易偏析，危害更大。硫是钢中的有害元素。

(五)磷对钢材性能的影响(P)

磷是碳素钢中的有害元素(杂质)。主要熔于铁素体起强化作用，其含量提高，钢材的强度提高，但塑性和韧性显著下降，温度愈低，对塑性和韧性影响愈大，称为钢材的冷脆性。磷在钢中的偏析倾向强烈，一般认为由于磷的偏析富集，使铁素体晶格严重畸变，是钢材冷脆性显著增大的原因。另外，磷使钢材变脆的作用，又显著降低钢材的可焊性。

(六)氧对钢材性能的影响(O)

少数氧间隙固熔于铁素体中，多数则以氧化物(FeO，SiO，MnO等)形式存在，形成非金属夹杂物，降低钢的机械性能，特别是韧性。氧有促进时效倾向的作用，会加剧硫的热脆性。氧化物所造成的低熔点亦使钢材的可焊性变坏。由以上可以看出，氧属有害元素。

(七)氮对钢材性能的影响(N)

氮主要间隙固熔于铁素体中，也可呈化合物形式存在，具有固熔强化作用，但使钢材的韧性显著下降。铁素体中的氮与碳和氧一样，有向晶格缺陷处移动、富集的倾向，可加剧钢的时效敏感性和冷脆性。若氮含量高，在250～350℃时，以FeN的形式析出，钢显得硬脆(蓝脆)，故一般要求其含量不超过0．03%。

氮虽为有害元素，若其与铝或钛反应生成AIN和TiN，既可消除对钢材时效敏感性和冷脆性的影响，又可获得强度高、塑性和韧性好的钢材。所以，在有铝、钛等金属的配合下，氮可以作为低合金钢的合金元素使用。

(八)氢对钢材性能的影响(H)

氢在铁素体中熔入量少，若炼钢时冷却速度快，氢不能逸出而存留于钢锭中，会在晶格缺陷处形成分子氢，产生很大压力，使钢材内部出现小裂纹(称白点)。氢属有害元素。

(九)钛对钢材性能的影响(Ti)

钛是强脱氧剂，它与碳和氧的亲和力强，可减少钢的时效倾向，改善可焊性。钛可以细化晶粒，显著提高钢材强度，改善韧性，对塑性影响不大。钛作为合金元素，一般掺量为0．06%～0．12%。

(十)钒对钢材性能的影响(V)

钒与C、N等元素的亲和力强，使生成的碳化物和氮化物稳定，可减少钢的时效倾向。钒可以细化晶粒，提高钢的强度和韧性。钒作为合金元素，掺量一般小于0．5%，若含量过高，会使塑性和韧性下降，增加焊接时的硬脆倾向。

(十一)铌对钢材性能的影响(Nb)

铌是强的碳化物和氮化物的形成元素，不仅可减小钢材时效倾向，而且能细化晶粒，是生产合金钢的合金元素。