钢材的材料力学及其热处理第二部分.ppt

三.钢材的基本知识 (一).钢结构的定义 1.是指由钢板、型材和钢索、钢束等钢材， 经适当加工后，用焊、铆、螺栓或胶等连 接而成的、具有一定用途和功能的结构。 2.冷作：将金属材料（在这里我们主要讲钢 板）在基本不改变其断面特征的情况下， 加工成各种制品和结构的综合工艺，称为 冷作，现在一般称为钢结构的加工制作。 冷作是一种综合性的金属加工工艺，常 与焊接、机加工、热处理和检验工艺相结 合，以形成完整的产品制造过程。 3. 钢结构工程的过程： 工程立项方案设计 技术设计， 即建筑行业称为 施工设计 招投标 签合同 深化设计 即施工图详图 设计 材料准备放样下料加工制作 运输至现场现场拼装吊装完工验收 (二).钢材的各种性质 1.含碳量低于2.11%的铁-碳合金称为钢; 钢中除含有铁、碳以外，还含有硅（Si）、锰（Mn ）、硫（S）和磷（P）以及其他相关的合金元素。 当钢的含碳量a：在0.0218%0.25%称为低碳钢。 b：在0.25%0.6%称为中碳钢。 c：在0.6%2.11%称为高碳钢。 而建筑钢结构一般用低碳钢。当然有部分也用到中 碳钢，如销轴就用到45号钢，其含碳量在0.42%到 0.50%；或合金结构钢40Cr钢其含碳量在0.37% 0.44%，含铬Cr在0.80%1.10% 2.金属材料的使用性能 为了保证由金属材料所制成的产品（机 械零件或金属结构件）能正常使用而应具 备的性能，称为金属材料的使用性能，如 物理性能、化学性能、力学性能。 1）物理性能 金属的本质不发生变化所表现出来的性 能，称为物理性能。包括密度、熔点、导 电性、导热性、磁性等。 （1）密度 密度是指金属单位体积所具有的质量，即： 密度= ，单位是g/cm3。 （2）熔点 物质由固态转变为液态时的温度，称为熔点，钢的 熔点为14001500。 金属材料的熔点是铸造、焊接、热镀、配制合金时 必须考虑的重要因素，与金属的应用有很大关系。例如 ，制造电器保险丝，印刷合金等大多采用铅、锡等配制 的低熔点合金，而熔点较高的合金，常用来制造机械零 件、结构件、电灯丝及电炉加热元件等。 （3）.导热性 金属传导热量的能力，称为导热性。金 属的导热性越差，在加热或冷却时，零件 的表面和内部的温差就愈大，因此而产生 的内应力就愈大，就愈易发生裂纹；反之 ，导热性好的金属就不易开裂。 导热系数以物体内维持单位温度梯度时 ，在单位时间内流经垂直于热流方向的单 位面积上的热量表示，符号为，单位为（ w/m）。 纯金属的导热性较合金好。 （5）.导电性 金属传导电流的能力，称为导电性。 不同种类金属的导电性不同。银的导电性最好 ，其次为铜和铝。如果把银的导电性作为100，那 么，铜的导电性为94，铝为55，铁为2。一般来说 ，纯金属的导电性较合金为好。材料的导电性愈 好，则电流通过时电能的损失愈小。所以导电材 料多选用铜或铝（银的价格太高）。与导电性相 反的性能称为电阻。电阻大的金属，则电流通过 时会产生很大的热量。所以电热炉内电热元件（ 电阻丝、电阻带等）都采用铬镍合金、铁铬铝合 金等高电阻材料。 （6）.磁性 金属能被磁场吸引或磁化的性能，称为 磁性。根据磁性，可把金属分为：铁磁性的 ，即在外磁场中能强烈被磁化的，如铁、镍 、钴及其合金都是铁磁性金属；顺磁性的， 即在外磁场中只能微弱地被磁化，如锰、铝 、铬、钨等都是顺磁性金属。逆磁性的，即 能抗拒或削弱外磁场的磁化作用、的，如铜 、铅、锌、锡等都是逆磁性金属，通常说的 磁性材料，指的是铁磁性金属材料，而弱磁 性或无磁性金属材料，则指的是顺磁性和逆 磁性金属材料。 （7）.耐磨性 机件和工具的磨损是降低机器和工具效 率、精度和寿命的主要原因之一。因此， 钢材的耐磨性是很重要的一种物理性能。 影响钢材耐磨性能的因素有很多，就钢 材本身来说钢材的化学成分、热处理状态 、力学性能、热稳定性等都是重要原因。 比如滚珠轴承是否经久耐用，不但决定于 钢材的质量，而且加工质量也是一个很关 键的因素。 2）.化学性能 金属材料的化学性能主要指其化学稳定 性，即抵抗周围各种介质（如大气、水、 各种酸、碱、盐溶液等）腐蚀的能力。 （1）.抗蚀性 抗蚀性又叫做耐蚀性，是指金属材料抵 抗周围介质腐蚀作用的能力。金属的抗蚀 性好，就不易受到周围介质的作用而发生 质量上的变化，表现出稳定的化学性能， 因此又叫做化学稳定性。根据腐蚀的种类 不同，抗蚀性可分为抗氧化性、耐酸性等 。 （2）.抗氧化性 许多金属容易与氧化合成氧化物，特别是在高 温下，氧化速度更快，如果在金属表面的氧化物 层比较松散，外界氧气便可以继续与金属接触， 并不断进行氧化，致使金属受到破坏。如果生成 的氧化物层致密，并且牢固地覆盖在金属表面上 ，就能使氧气与金属层隔离，使氧化作用中断。 金属抵抗高温下气体腐蚀的能力成为抗氧化性。 锅炉、汽轮机零部件、内燃机阀门等是在高温下 工作的，这些零部件应选用具有良好的抗高温氧 化能力的材料制造，不然表面很快就被氧化剥落 而破坏。钢材的抗氧化性与钢材的化学成分组成 关系很大。 钢材的抗氧化试验方法，国家有统一的标准。 对耐热钢来说，这也是一个必须检验的项目。 （3）.热强性 热强性是指金属材料在高温下不仅具有 抗氧化性，还具有足够的高温强度。 不同使用条件要求金属材料具有不同的 耐腐蚀能力，因此选用不同成分的材料。 如：化工设备中输送酸的管道，应选用耐 酸钢；加热设备的支架、退火炉罩等，应 选抗氧化钢；汽轮机的叶片、转子，高温 下工作的螺栓、弹簧、紧固件等，应选用 热强钢。 3）.力学性能 某些零件或工具在使用过程中要受到各种外力 的作用，如起重机的钢丝绳受起吊重物拉力的作 用；船舶在航行中，船体不仅要受到拉、压作用 ，还要承受冲击力的作用等。金属材料在外力的 作用下表现出来的各种特性，称为力学性能。如 弹性、塑性、韧性、强度、硬度等。 （1）.弹性 材料受到外力时产生变形，外力去掉后又恢复 到原来形状的性质就叫做弹性。这种变形量越大 ，说明材料弹性越好。在弹性范围内，材料所受 到的外力和变形量成正比。 金属的弹性，对制造弹性零部件具有重要意义 。 （2）.刚度 材料抵抗弹性变形的能力。其衡量指标为弹性模数。 （3）.强度 金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力称为强 度。金属材料的强度，是通过屈服强度、抗拉强度等许多 强度指标来反映的。 （4）.塑性 金属材料在外力作用下产生永久变形（指去掉外力后 不能恢复原状的变形），但不会被破坏的能力叫做塑性。 塑性用伸长率、断面收缩率表示。 金属的塑性与变形方式有关。例如，有些金属在受拉 伸变形时要发生破坏，但受挤压或模锻时可不发生破裂。 金属的塑性是进行压力加工、冷弯工艺等必须考虑的 重要因素。另外，适当的塑性对提高金属结构的安全可靠 十分必要。 （5）.拉力试验和拉伸曲线 拉力试验是按标准规定的形状和尺寸把材料制 成拉伸试样，装在拉力试验机上，对试样施加逐 渐增大的拉力，使试样逐渐产生变形，直到拉断 为止。根据试样变形值随外力变化的关系，可以 画出拉伸曲线，也称为拉伸图。 拉伸曲线 大多数拉力试验机能自动绘出试样的拉伸曲线 。下图1为低碳钢的拉伸曲线，图中纵坐标表示荷 载即拉力，单位为N(牛顿)；横坐标表示变形量， 单位为mm。 由下图可以看出试样在拉伸过程中，变形与荷 载的关系分为以下几个阶段： 图1 低碳钢的拉伸曲线 图2 铸铁的拉伸曲线 oe-弹性变形阶段。当载荷小于Fe时，随载荷 增加，试样被伸长，如果卸除载荷，变形会完 全消失，这种随载荷的作用产生，随载荷卸除 而消失的变形，即为弹性变形，载荷超过Fp后 拉伸曲线开始偏离直线，但发生的仍是弹性变 形，Fe是保持弹性变形的最大载荷，实际上Fp 和Fe很接近。 es-微量的塑性变形阶段。当载荷超过Fe后，试 样进一步发生变形，此时若去除载荷，大部分 变形随之消失（弹性变形部分），但有部分（ 微量）变形不能消失，这种不能随载荷去除而 消失的变形，称为塑性变形。Fe是使试样只发 生弹性变形的最大载荷。 ss-屈服阶段。当载荷大到Fs时，载荷保持不变而 试样的变形继续增加，这种现象称之为屈服现象 。这时在拉伸曲线上出现水平线段（或锯齿行线 段）。Fs是使试样发生屈服现象时的载荷。 sb-均匀的塑性变形阶段。当载荷超过Fs后，试样 开始发生大量的塑性变形，同时为使变形量增加 ，载荷也必须增加，直到Fb。此阶段试样的变形 量是沿试样长度均匀发生的。Fb是试样被拉断前 ，所能承受的最大载荷。 bk-颈缩阶段。当载荷超过Fb时，试样局部发生大 量变形，称为颈缩现象，此后，试样的变形也局 限在颈缩现象部分。由于试样局部截面积减少， 使试样需要较少的载荷就断裂了，Fk为试样断裂 时的载荷。 通过上述分析可以看出，金属材料在外力作用 下发生的变化是开始弹性变形；然后是弹、塑性 变形、直至断裂。但并非所有的金属材料都具有 这三个阶段的变化，如铸铁，在无明显塑性变形 的情况就断裂了，铸铁的拉伸曲线见图2。 金属材料弹性、强度的大小常用单位面积上承 受的载荷应力表示。公式为： = 式中=应力，单位为MPa，即N/mm2； F=载荷（外力），单位为N； S=横截面面积，单位为mm2 通过拉伸曲线可以求出弹性、强度等指标。 （6）.弹性模数 当材料在外力作用下，发生弹性变形，而变形量和外 力总是成正比地增长时，这个比例系数就叫弹性模数，用 E表示，单位为MPa。E也就是拉伸曲线在弹性变形阶段的 斜率。弹性模数相当于引起单位变形所需的应力，它是衡 量材料抵抗弹性变形能力的指标。在其他条件相同时，材 料的弹性模数越高，由其制成的零件或构件弹性变形越小 ，也就是刚度越大。常用的金属材料中钢的弹性模数较高 ，大约是（1.92.1）105MPa，是铜合金的两倍，铝合金 和铸铁的三倍。镗床的镗杆若刚度不足，使用时当进刀具 较大时，镗杆本身变形过大，镗出的内孔会偏小而影响精 度。 弹性模数的大小，主要取决于金属的原子本性和晶体 结构。至于合金化、热处理、冷热加工等因素对它的影响 很小，所以要提高零件、构件的刚度，必须改变材料的种 类或零件、构件的断面形状和结构。 （7）.比例极限 在弹性变形阶段，金属材料所承受的和应变能力保持正 比的最大应力，称为比例极限。由于比例极限很难测定，所 以常常采用发生很微小的塑性变形量的应力值来表示，称为 规定的比例极限。用p表示，单位为MPa。计算公式为： p= （8）弹性极限 金属能保持弹性变形的最大应力，称为弹性极限。由于 弹性极限很难测定，所以常常采用很微小的塑性变形量的应 力值来表示。弹性极限为e表示，单位为MPa。 e= （9）.屈服点 金属试样在拉伸过程中，载荷不再增加，而试样仍继续发生形变 的现象，称为“屈服”。发生屈服现象时的应力，即开始出现塑性变形时 的应力，称为屈服点或屈服极限，用s表示，单位为MPa。计算公式为 ： （10）.屈服强度 拉伸试验时，只有少数材料如低碳钢、中碳钢等有明显的屈服现 象，其他大多数材料没有明显的屈服现象，因此，对这些材料规定以 屈服强度代替屈服点，用0.2表示。屈服强度指材料产生0.2%塑性变形 时的应力。 由于屈服点（或屈服强度）和弹性极限的数值相差不大，而弹性 极限又不易测定，因此，实际工作中常常用屈服点而不用弹性极限来 衡量材料的弹性。 （11）.抗拉强度 指材料被拉断之前，所能承受的最大应力，用b表示： 屈服点（屈服强度）和抗拉强度是工程技术上设计和选 材的重要依据，因此，也是金属材料购销和检验工作中的重 要性能指标。 工程上所用的金属材料往往对屈强比还有一定要求。所 谓屈强比是指屈服点s和抗拉强度b的比。屈强比愈小，愈 不易发生突然断裂，但屈强比太低，材料的强度水平就不能 充分发挥。因此，不同的零件对屈强比有不同要求，如弹簧 就要求有高的屈强比。 对我们建筑用钢的屈强比，一般要求为： （12）伸长率 金属在拉伸试验时，试样拉断后，其标距部分所增加 的长度与原标距长度的百分比，称为伸长率。以表示，单 位为%，计算公式为： 标距长度对伸长率影响很大，所以伸长率必须注明标 距。如对长试样，伸长率用10或表示； 对短式样，伸长率用5表示。 S0为试样原横截面面积，d0为试样之原直径。凡L0与S0 满足上面括号内关系的试样，称为比例试样。非比例试样 的L0与F0之间无上述一定关系。对特薄板、线材及部分小 型材，其试样通采用非比例试样（按有关标准规定）。 同一材料的5，这是因为试样拉断后总伸长 量是均匀伸长量与缩颈部分伸长量之和。其中缩颈 部分伸长量与试样长度无关，所以，短试样测得的 伸长率大于长试样。对于不同材料，只有采用相同 长度的试样，值才能比较。 （13）.断面收缩率 金属拉伸试验中，在断裂处试样截面面积减小的 百分率，称为断面收缩率。以表示，单位为%。计 算公式为： 断面收缩率与试样尺寸无关，它能较可靠地代表 金属材料的塑性。 伸长率和断面收缩率其值愈大，材料的塑性愈 好，使用中安全可靠性越大，齿轮、轴类等许多 零件，工作中是不允许产生塑性变形的，但在选 材时，除了强度外，还要求材料有一定的塑性， 就是为了零件的安全可靠性。工程上通常把 5%的材料称为塑性材料； 5%的材料成为脆性 材料或处于脆性状态的材料。 对厚度方向性能Z向钢要求：三个试样的断面 收缩率的平均值： 当为Z15时，15%； Z25时，25%； Z35时，35%； （14）冲击吸收功或冲击韧性值 金属材料对冲击载荷的抵抗能力称为韧性，通 常用冲击吸收功或冲击韧性值来度量。 冲击吸收功是指试样在冲击载荷作用下，折断 时所吸收的功，用符号Ak表示，单位为J。 冲击韧性值是指吸收功除以试样缺口处底部横 截面面积所得的商。用ak表示，单位为J/cm2 。 冲击吸收功和冲击韧性值通常通过一次摆锤弯 曲冲击试验求得。采用的试样有两种：V型缺口 试样和U型缺口试样，见图3，试验时先将试样放 在试验机的支座上，使其缺口背向摆锤的冲击方 向，然后将重量为G的摆锤举至一定高度H1，使其 由此高度下落，将试样冲断后，又继续提起一定 高度H2，见图4 图3 冲击试样及安放 图4 冲击试验原理图 式中，S0试样缺口处底部的横截面积，单位 为cm2。 我国目前一般是以冲击韧性值作为材料韧性指 标的。实际上把ak作为材料冲击韧性指标不是很 合适的，因为ak值的大小不仅决定于材料本身， 它还随试样尺寸、形状及缺口加工质量等在很大 的范围内变化，所以现在有些国家已不再采用ak 值，而是直接用Ak来表示试验结果，这样既简便 ，误差也小。应该指出，即使用冲击吸收功Ak来 表示冲击韧性，也还是有误差的，因为试验所消 耗的冲击功、除用于试样变形和断裂外，还有一 部分被冲掉的试样带走和消耗于试验本身的震动 。 一般认为ak或Ak越大，材料的韧性越好。 在冲击载荷下工作的零件，很少因受一次超载荷冲击而 破坏，大多数情况下是承受小能量的多次冲击载荷而破坏。 其破坏过程是由于多次冲击损伤的积累所导致的裂缝的发生 和发展。因此为了更符合实际情况，应进行小能量多次冲击 试验，找出材料在多次冲击作用下破坏过程的变化规律，而 不应以一次冲击试验得出的ak值作为选材和设计的唯一依据 。近来研究的结果说明，材料承受多次重复冲击的能力，主 要是取决于其强度高低，而不是主要取决于其冲击值大小， 因此对于在能量不太大多次冲击载荷作用下工作的零件，主 要强调的是应具有足够的强度。 低温冲击韧性和高温冲击韧性 金属材料在常温、低温及高温下所测得的冲击吸收功或 者冲击韧性值是不一样的。低温条件下测得的冲击韧性，称 为低温冲击韧性；高温条件下测得的冲击韧性，称为高温冲 击韧性。低温或高温下测得的冲击吸收功或冲击韧性值都要 注明试验温度。 （15）.硬度 金属材料的硬度，一般是指材料表面局部地区 抵抗变形或破裂的能力。硬度这个概念不是一个 确定的物理量，随测量方法不同，其含义也不同 。根据试验方法和适用范围不同，硬度大致可分 为压痕硬度、刻痕硬度、回弹硬度三种类型。例 如：压痕硬度的硬度值，是表示材料表面抵抗另 一更硬的物体压入时产生塑性变形的能力；刻痕 法的硬度值是指材料表面抵抗局部破裂的能力； 而回弹法硬度是代表材料弹性变形功的大小。 根据试验方法和适用范围的不同，可分为布氏 硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度等许多种 。 （16）.脆性 材料在受力时没有显著的变形而突然断裂的性质，叫 做脆性。金属材料的脆性主要取决于其成分和组织结构。 热脆性 钢材在高温下所表现出的脆性特征，叫做热脆性。 钢材的热脆性是由硫元素引起的。硫在钢中以硫化铁 （FeS）形式存在，它的塑性不好，并且形成熔点低（ 985）的硫化铁铁（ FeSS）的共晶体存在与晶界处 。当钢材在10001200 高温下工作时，硫化铁铁的共 晶会先于钢熔化，使晶粒脱开，而造成钢材的脆断。 冷脆性 室温下钢的塑性、韧性急剧降低，并使脆性转化温度 有所升高，使钢变脆，这种现象称为冷脆性。 磷是引起钢产生冷脆现象的一个元素，它在钢中形成 脆性很大的化合物磷化三铁（Fe3P）。 3.金属材料工艺性能 金属工艺性能是指金属材料在投入生产的过程 中，能承受各种加工制造工艺而不产生疵病或废 品而应具备的性能。 1）铸造性 铸造性指金属材料是否适于铸造及所铸制件的 质量好坏。 金属材料的铸造性能包括流动性、缩减性和偏 析等方面。流动性是指液态金属充满铸模的能力 ，流动性越好，越易制造细薄精致的铸件；缩减 性是指铸件凝固时体积缩减的程度，缩减愈小， 铸件凝固变形愈小；偏析是指化学成分不均匀， 偏析愈严重，铸件各部位的性能愈不均匀，铸件 的可靠性愈小。 2）.切削加工性 切削加工性，是金属材料被切削加工时所表现 出来的性能，亦即金属材料承受切削加工的难易 程度。 可从下述三个方面来衡量金属材料切削加工性 ： （1）切削加工后工件表面粗糙程度； （2）允许的切削速度； （3）对切削刀具的磨损程度。 目前尚没有统一的检验金属材料切削加工性的 方法。一般是根据材料的硬度和韧性作大致的判 断，硬度过大、过小或韧性过大，则切削加工性 均不好。适合的硬度大约是HB=140250。 3）.冷弯性 金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂 的能力，称为冷弯性能。出现裂纹前能承 受的弯曲程度愈大，则材料的冷弯性能愈 好。弯曲程度一般用弯曲角度或弯芯直径d 对材料厚度a的比值表示，弯曲角度愈大或 弯芯直径d对材料厚度a的比值愈小，则材料 的冷弯性能就愈好。 金属材料的弯曲是靠弯曲处附近的塑性 变形来实现的，因此塑性愈大，冷弯性能 也愈好。 按照国标GB232的规定，冷弯试验时的弯曲程度 分为： （1）弯到一定角度（外角120，90等）； （2）绕着弯心弯到两面平行（即180 ）、弯心 直径d等于试样厚度a的1/2、相等、两倍、三倍等； （3）弯到两面接触（即弯曲180 弯心直径d=0 ）。 4）.冲压性 冲压性是指金属经过冲压变形而不产生裂纹等 缺陷的能力。 许多金属产品的制造都要经过冲压工艺。如汽 车壳体、搪瓷制品坯料及锅、盆、盂、壶等日常用 品。为保证制品的质量和工艺的顺利进行，用于冲 压的金属板、带等必须具有合格的冲压韧性。 5）.焊接性（可焊性） 焊接性是指金属适应常用焊接方法和焊接工艺 的能力。焊接性好的金属材料易于用常用的焊接 方法和焊接工艺焊接；焊接性较差的金属材料则 必须用特定的焊接方法和焊接工艺进行焊接；焊 接性很差的金属材料甚至不能焊接。 导热性过高或过低、热膨胀性大、塑性低或焊 接时容易氧化、吸气的金属。其焊接性一般教差 。焊接性差的金属，焊接后焊缝强度低，还可能 出现变形、开裂等现象。 金属焊接的焊接性一般根据焊接时产生裂纹的 敏感性及焊缝区力学性能的变化来判断。 四、钢材中的合金元素及其作用 钢是铁和碳（2.11）的合金。在工业 用钢中尚存在少量非有意加入的其它元素， 例如一般含量的硅（Si），锰（Mn），硫（ S），磷（P）等，这些合金元素通常称为常 存元素或残余元素。另外为了合金化的目的 ，即为改善或获得钢的某些性能，在冶炼过 程中有意加入的元素，均统称为合金元素。 它们在钢中的含量各有不同，有的可高达百 分之几十，有的则低至十万分之几。 （一）根据各种合金元素在钢中形成碳化物的倾向 不同，可以把它们分成以下几类： 1、不形成碳化物元素：只与铁形成固溶体，如 硅（Si）、镍（Ni）、铜（Gu）、铝（Al）、钴（ Co）等； 2、强碳化物形成元素：这类元素由于和碳的亲 和力极强，在适当的条件下，就形成各自的特殊碳 化物；但在缺少碳时，则以原子状态进入固溶体中 ，如矾（V）、锆（Zr）、铌（Nb）、钛（Ti）、钽 （Ta）等； 3、弱碳化物形成元素：介于上述两类之间，部 分进入固溶体，另一部分与碳形成碳化物，如锰（ Mn）、铬（Cr）、钨（W）、钼（Mo）等。但当元 素含量超过一定限度时（锰除外），又将形成各自 特殊的碳化物。 除了形成碳化物或溶解于固溶体之外，大部分 元素都能与钢中的氧、氮、硫等形成简单的或复合 的非金属杂质，如Al2O3，VXNY，MnS，FeOTiO2， MnOSiO2，SiO2MXOY等。钢中合金含量较高时， 某些元素彼此作用而形成金属间化合物，如FeSi， FeW，Ni3Al，Ni3Ti等。有的元素如铜、铅，当含量 超过它在钢中的溶解度时，常以游离状态或纯的金 属相存在。 钢中各种元素通过与铁和碳这两个基本组元的 作用，以及它们彼此之间的相互作用，可使钢中各 组成相，组织，结构以及性能发生各种有利的变化 ，例如可明显的提高钢的综合机械性能，以及使钢 获得耐热、耐蚀或电磁等各种特殊物理化学性能。 （二）五种最常见元素在钢中的主要作用： 1、碳（C）：是钢中的两个基本组元之一 ，它可以扩大相区，但因渗碳体的形成，而 不能无限固溶。碳在铁（铁素体）及铁（ 奥氏体）中的最大溶解度分别为0.02及2.1 。钢中随着碳含量的增加，珠光体和渗碳 体也愈多，铁素体也愈少，可提高其硬度和 强度，但降低塑性和韧性。碳和钢中某些合 金元素形成各种碳化物，对钢的性能产生不 同的影响。 2、硅（Si）：熔点1410，是缩小相区的 元素，在铁及铁中的溶解度分别为18.5及 2.15。它和氧的亲和力仅次于铝和钛，为常 用的脱氧剂。硅在钢中不形成碳化物，提高钢 中固溶体的强度和冷加工变形硬化率的作用极 强，但同时也降低钢的韧性和塑性。硅还可提 高钢的淬火性和抗回火性，对钢的综合机械性 能，特别是对弹性极限、屈强比的提高显著， 并可增强钢在大气中的耐蚀性。硅提高和改善 钢的电阻率和磁导率，降低磁滞损耗，为硅钢 片的主要合金元素。硅含量较高时，对焊接性 不利，并易导致冷脆，还降低钢的被切削性； 对中、高碳钢回火时易产生石墨化。 3、锰（Mn）：熔点1244，扩大相区， 形成无限固溶体。对铁素体和奥氏体均有较 强的固溶强化作用，提高硬度和强度。它是 弱碳化物形成元素，可形成合金渗碳体。锰 是良好的脱氧剂和脱硫剂，与硫形成MnS，可 防止因硫而导致的热脆现象；在易切钢中MnS 可改善被切削性。锰降低钢的下临界点，增 加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织 ，以改善其机械性能，为低合金钢的重要合 金元素，并为无镍及少镍奥氏体钢的主要合 金元素。在高碳高锰耐磨钢中和中碳高锰无 磁钢中，锰也是主要合金元素之一。锰还强 烈增加钢的淬透性，但有增加晶粒粗化和回 火脆化的不利倾向。 4、硫（S）：熔点118，缩小相区， 因有FeS的形成。它在铁中溶解度很低，主 要以硫化物形式存在。一般认为它是残存 在钢中的有害元素之一，例如在钢中产生 严重偏析，恶化钢质；如以熔点较低的FeS 形式存在，将导致钢的热脆现象。用于焊 接的钢，硫含量偏高会产生SO2，使焊接金 属内形成气孔和疏松。但在含硫易切钢中 ，其唯一有利的作用是硫和锰的配合，形 成细小的（Mn，Fe）S夹杂形态分布于钢中 ，可改善钢的被切削性能。 5、磷（P）：熔点44，缩小相区。在 铁及铁中的最大溶解度分别为2.8及0.25 。它在钢中不形成碳化物，但易造成严 重偏析，故磷在钢中一般说来是有害元素 ，但也有其可利用的一面。磷对提高钢的 强度以及冷作硬化作用很强；但增加钢的 脆性，尤其是低温脆性。它与铜配合使用 ，可提高低合金钢耐大气腐蚀性能，但降 低其冷冲压性能。它与硫、锰配合使用， 可增加钢的被切削性能。 （三）其他合金元素在钢中的主要作用： 1、铝（Al）：熔点660，是强烈缩小 相区的元素。在铁及铁中的最大溶解度分 别为36及0.6。不形成碳化物，它与氮 和氧的亲和力很强。铝主要作用作脱氧和 细化晶粒。在渗氮钢中促使形成坚硬耐蚀 的渗氮层。含量高时，赋予钢高温抗氧化 及耐氧化性介质及H2S气体的腐蚀作用，固 溶强化作用大。在高温合金中，与镍形成 相（Ni3Al），从而提高其热强性。在磁性 材料中，改善钢的电、磁性能。对淬透性 影响不显著，有促进石墨化的倾向。 2.氢（H）：熔点-262，扩大相区， 在奥氏体中的溶解度远大于在铁素体中的 溶解度；而在铁素体中的溶解度亦随温度 的下降而剧减。氢使钢易产生白点、点状 偏析、氢脆等严重缺陷，也是导致焊缝热 影响区中发生冷裂的重要因素。氢虽然也 能起到某些合金化的作用，但这些缺陷的 危害性远大于作为合金化元素的好处，因 此采取种种措施来降低钢中的氢含量。 3.氧（O）：熔点-218.7，缩小相区， 在铁及铁中的最大溶解度分别为0.03%及 0.003%。由于钢中总有一些残留的氧，根据 其类型、组成和分布状态，对钢的性能起 不同的影响。如固溶于钢中的数量级少， 则对钢性能的影响并不显著。若超过溶解 部分的氧，以各种夹杂物的形式存在，对 钢的塑性、韧性及疲劳性能不利，特别对 冲击韧性和脆性转变温度极为不利。所以 通常把钢中的氧看作有害的但又不可避免 的元素。但在铁氧体磁性材料中，氧增加 矫顽力和电阻系数，降低导磁率，是有益 的重要元素。 4 氮（N）：熔点-210，扩大相区，是一种 很强的形成和稳定奥氏体的元素，在铁及铁中 的最大溶解度分别为0.1%及2.8%。它在钢中不形 成碳化物，但与其它元素形成氮化物，如TiN， AlN等。由于氮化物在晶界上析出提高了晶界高 温强度，从而增加钢的蠕变强度。氮可形成和稳 定奥氏体组织，在奥氏体中可取代一部分镍。钢 经渗氮后，可增加表层的硬度、强度、耐磨性和 抗蚀性。氮与其它合金元素化合，有沉淀硬化作 用；并有一定的固溶强化和提高淬透性作用。氮 在低碳钢中，由于Fe4N的析出，会导致时效和蓝 脆的现象。 5镍（Ni）：熔点1453，扩大相区 ，形成无限固溶体，在铁中的最大溶解度 为10。它在钢中不形成碳化物，是形成和 稳定奥氏体的重要合金元素。镍细化铁素 体晶粒，改善钢的低温性能，特别是韧性 。因此在很低温度下使用的材料，可采用 纯镍钢种。但是镍大都和铬、钼等配合使 用，能使结构钢在热处理后获得强度与韧 性配合良好的综合机械性能；在奥氏体不 锈耐热钢中，可提高钢的热强性、耐热和 耐腐蚀性能。镍也是炼制轴瓦合金