一、钢中常存杂质元素对性能的影响

钢中的常存杂质元素主要是指锰、硅、硫、磷及氮、氧、氢等元素。这些杂质元素在冶炼时或者是由原料、燃料及耐火材料带入钢中，或者是由大气进入钢中，或者是脱氧时残留于钢中。它们的存在显然会对钢的性能产生影响。

1、硅和锰的影响

硅和锰在钢中均为有益元素，能溶于铁素体中起固溶强化作用，提高钢的强度和硬度。当硅和锰作为杂质元素时，其含量分别控制在0.5%和0.8%以下。

2、硫的磷的影响

硫和磷在钢中都是有害元素。

硫在a-Fe中的溶解度很小，在钢中常以FeS的形式存在。FeS与Fe易在晶界上形成低熔点（985℃）的共晶体，当钢在1000～1200℃进行热加工时，由于共晶体的熔化而导致钢材脆性开裂，这种现象称为热脆性。加锰可消除硫的这种有害作用：FeS+Mn→Fe+MnS，所生成的MnS熔点高（1600℃），从而可避免热脆性。

磷能全部溶于铁素体中，有强烈的固溶强化作用，虽可提高强度、硬度，但却显著降低钢的塑性和韧性，这种现象称为冷脆性。

由于硫、磷对钢的质量影响严重，因此对钢中的硫、磷含量应严格控制。

3、气体元素的影响

氮  室温下氮在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和的氮在常温放置过程中会以Fe2N、Fe4N形式析出而使钢变脆，称为时效脆化。在钢中加入Ti、V、Al等元素可使氮以这些元素氮化物的形式被固定，从而消除时效倾向。

氧  氧在钢中主要以氧化物夹杂的形式存在，氧化物夹杂与基体的结合力弱，不易变形，易成为疲劳裂纹源。

氢  常温下氢在钢中的溶解度很低。当氢在钢中以原子态溶解时，降低韧性，引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高的内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。 

二、合金元素在钢中的主要作用

㈠ 合金元素对钢中基本相的影响

铁素体和渗碳体是碳素钢中的两个基本相，合金元素进入钢中将对这两个基本相的成分、结构和性能产生影响。

1、溶于铁素体，起固溶强化作用

加入钢中的非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元素都将溶于铁素体，形成合金铁素体，起固溶强化作用。图6-1和图6-2为几种合金元素对铁素体硬度和韧性的影响，可以看出，P、Si、Mn的固溶强化效果最显著，但当其含量超过一定值后，铁素体的韧性将急剧下降。而Cr、Ni在适当的含量范围内不但能提高铁素体的硬度，而且还提高其韧性。因此，为了获得良好的强化效果，应控制固溶强化元素在钢中含量。

2、形成碳化物

加入到钢中的合金元素，除溶入铁素体外，还能进入渗碳体中，形成合金渗碳体，如铬进入渗碳体形成(Fe、Cr)3C。当碳化物形成元素超过一定量后，将形成这些元素自己的碳化物。合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为：Zr、Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。合金元素与碳的亲和力越大，所形成化合物的稳定性、熔点、分解温度、硬度、耐磨性就越高。在碳化物形成元素中，钛、铌、钒是强碳化物形成元素，所形成的碳化物如TiC、VC等； 钨、钼、铬是中碳化物形成元素，所形成的碳化物如Cr23C6、Cr7C3、W2C等。锰、铁是弱碳化物形成元素，所形成的碳化物如Fe3C、Mn3C等。碳化物是钢中的重要组成相之一，其类型、数量、大小、形态及分布对钢的性能有着重要的影响。

㈡ 合金元素对铁碳相图的影响

1、对奥氏体相区的影响

加入到钢中的合金元素，依其对奥氏体相区的作用可分为两类。

一类是扩大奥氏体相区的元素，如Ni、Co、Mn、N等，这些元素使A1、A3点下降，A4点上升。当钢中的这些元素含量足够高（如Mn含量大于13%或Ni含量大于9%）时，A3点降到零度以下，因而室温下钢具有单相奥氏体组织，称为奥氏体钢。

另一类是缩小奥氏体相区的元素，如Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等，这些元素使A1、A3点上升，A4点下降。当钢中的这些元素含量足够高（如Cr含量大于13%）时，奥氏体相区消失，室温下钢具有单相铁素体组织，称为铁素体钢。

图6-3和图6-4分别为锰和铬对奥氏体相区的影响。

㈢ 合金元素对钢中相变过程的影响

1、对钢加热时奥氏体化过程的影响

⑴ 对奥氏体形成速度的影响

大多数合金元素（除镍、钴以外）都减缓钢的奥氏体化过程。因此，合金钢在热处理时，要相应地提高加热温度或延长保温时间，才能保证奥氏体化过程的充分进行。

⑵ 对奥氏体晶粒长大倾向的影响

碳、氮化物形成元素阻碍奥氏体长大。合金元素与碳和氮的亲和力越大，阻碍奥氏体晶粒长大的作用也越强烈，因而强碳化物和氮化物形成元素具有细化晶粒的作用。Mn、P对奥氏体晶粒的长大起促进作用，因此含锰钢加热时应严格控制加热温度和保温时间。

2、对钢冷却时过冷奥氏体转变过程的影响

⑴ 对C曲线和淬透性的影响

除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素均使C曲线右移，钢的临界冷却速度下降，淬透性提高。淬透性的提高，可使钢的淬火冷却速度降低，这有利于减少零件的淬火变形和开裂倾向。合金元素对钢淬透性的影响取决于该元素的作用强度和溶解量，钢中常用的提高淬透性元素为Mn、Si、Cr、Ni、B。如果采用多元少量的合金化原则，对提高钢的淬透性将会更为有效。

对于中强和强碳化物形成元素（如铬、钨、钼、钒等），溶于奥氏体后，不仅使C曲线右移，而且还使C曲线的形状发生改变，使珠光体转变与贝氏体转变明显地分为两个独立的区域。合金元素对C曲线的影响如图6-5所示。

⑵ 对Ms、Mf点的影响

除Co、Al外，所有溶于奥氏体的合金元素都使Ms、Mf点下降，使钢在淬火后的残余奥氏体量增加。一些高合金钢在淬火后残余奥氏体量可高达30~40%，这对钢的性能会产生不利的影响，可通过淬火后的冷处理和回火处理来降低残余奥氏体量。

3、对淬火钢回火转变过程的影响

⑴ 提高耐回火性

淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称为耐回火性。由于合金元素阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大过程，使回火时的硬度降低过程变缓，从而提高钢的耐回火性。因此，当回火硬度相同时，合金钢的回火温度比相同含碳量的碳钢高，这对于消除内应力是有利的。而当回火温度相同时，合金钢的强度、硬度要比碳钢高。

⑵ 产生二次硬化

含有高W、Mo、Cr、V等元素的钢在淬火后回火加热时，由于析出细小弥散的这些元素碳化物以及回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体，使钢的硬度不仅不下降，反而升高，这种现象称为二次硬化。二次硬化使钢具有热硬性，这对于工具钢是非常重要的。

⑶ 防止第二类回火脆性

如第五章所述，在钢中加入W、Mo可防止第二类回火脆性。这对于需调质处理后使用的大型件有着重要的意义。