钢的化学成分及其影响

钢的主要化学成分是铁（Fe，在普通碳素钢中约占99%）和少量的碳（C）。此外有锰（Mn）、硅（Si）等有利元素，以及熔炼中很难除尽或混入的硫（S）、磷（P）、氧（O）、氮（N）、氢（H）等有害杂质元素。在合金钢中还有特意添加以改善钢材性能的某些合金元素，如锰、钒（V）等。碳、锰、硅和杂质元素以及合金元素的含量虽少，但对钢材性能有很大的影响。

1．碳（C）

碳是形成钢材强度的主要成分。碳钢的组织都是由铁素体和渗碳体这两个相组成的。钢的强度来自渗碳体与珠光体（渗碳体与纯铁体的混合物）。

碳含量对钢的强度、塑性、韧性和焊接性有决定性的影响。随着碳含量的增加，碳钢中的渗碳体数量也随着增多，因此硬度直线上升。钢材的抗拉强度和屈服强度提高；但其塑性、冷弯性能和冲击韧性，特别是低温冲击韧性降低，焊接性也变坏。钢结构的钢材不但应有较高的强度，而且应有良好的塑性、较好的焊接性和冷弯性能以及必要的韧性。所以结构钢材的碳含量不能过高，通常不超过 0.22%。

2．锰（Mn）

锰是有益元素，它能增加珠光体相对量，使组织细化。因此，它能显著提高钢材强度，但不过多降低塑性和冲击韧性。锰有脱氧作用，是弱脱氧剂，可消除有害气体，能防止形成FeO（降低钢的脆性）。Mn还能与S化合成MnS，以减轻硫的有害作用，改善钢的热加工性能，使钢材热加工时因硫而产生裂纹的“热脆”现象减少。在室温下Mn 可溶入铁素体形成置换固溶体，使钢强化。在低合金钢中，Mn 是合金元素。我国低合金钢中锰的含量在 l.0%～1.7%。但是过量的锰含量会使钢材的可焊性降低，钢材变脆和塑性降低，故含量有限制。

3．硅（Si）

硅是有益元素，有更强的脱氧作用，是强脱氧剂。硅的脱氧能力比锰强，可以防止形成FeO，改善钢质；可溶于铁素体，使钢材的粒度变细和散布均匀，提高钢的强度、硬度和弹性，但使钢的塑性和韧性降低。

硅的含量在碳素镇静钢中为 0.12%～0.3%，低合金钢中为 0.2%～0.55%，过量时则会恶化可焊性及抗锈蚀性。

4．钒（V）、铌（Nb）、钛（Ti）

钒、铌、钛都能使钢材晶粒细化。我国的低合金钢都含有这3种元素，作为合金元素，可提高钢材强度和细化钢的晶粒。钒、铌、钛的化合物具有高温稳定性，使钢的高温硬度提高。

5．铝（Al）、铬（Cr）、镍（Ni）(www.xing528.com)

铝是强脱氧剂，用铝进行补充脱氧，不仅进一步减少钢中的有害氧化物，而且能细化晶粒。低合金钢的C、D及E级都规定铝含量不低于0.015%，以保证必要的低温韧性。铬和镍是提高钢材强度的合金元素，用于Q390钢和Q420钢。

6．硫（S）

硫是有害元素，属于杂质。固态下 S 在铁素体中的溶解度极小，在钢中主要以 FeS的形态存在。FeS 塑性差、强度低，所以含S量高的钢脆性大。更严重的是，FeS 和 Fe能形成低熔点（985 °C）的共晶体分布在奥氏体晶界上，当碳钢加热到 1 100～1 200 °C进行锻、轧等压力加工时，由于低熔点共晶体熔化而使钢在热加工过程中沿着晶界开裂，这种现象称为钢的“热脆”。

硫还能降低钢的冲击韧性，同时影响疲劳性能与抗锈蚀性能。

为了消除硫的有害作用，可在炼钢中加入锰铁以提高钢的含锰量，使Mn与S化合成高熔点（1 620 °C）的 MnS 并呈粒状分布在晶粒内，在高温下有一定塑性（部分 MnS随炉渣一起清除），从而避免了热脆现象。

因此，对硫的含量必须严加控制，一般不得超过 0.045%～0.05%，质量等级为 D、E 级的钢则要更严，Q345E 的硫含量不应超过 0.025%。近年来发展的抗层间断裂的钢（厚度方向性能的钢板），含硫量要求控制在 0.01% 以下。

7．磷（P）

磷既是有害元素也是能利用的合金元素。磷固溶于铁素体中，提高了钢的强度和硬度，但在室温下使钢的塑性、韧性显著下降，并使脆性转变温度升高，使钢变脆。这种脆化现象在低温时更为严重，称为“冷脆”。磷的存在也使焊接性能变坏。所以，必须严格控制钢（特别是结构钢和工具钢）的磷含量，其含量应限制在 0.045% 以内，质量等级 C、D、E 级的钢则含量更少。但是，磷有时也作为有效元素加入或与其他合金元素一起加入，生产出某些特殊性能钢，如耐大气腐蚀钢，尤其钢中含铜时，其抗腐蚀性能更为显著。

8．氧（O）、氮（N）、氢（H）

氧、氮、氢通常是在钢熔融时从空气或水分子分解等进入钢液，在冷却后余留下来的极其有害的元素。氧的有害作用同硫且更甚，增加钢的脆性；氮的作用类似于磷，能显著降低钢材的塑性、冲击韧性并增大其“冷脆”性；氢在低温时易使钢呈脆性破坏，产生所谓“氢脆”破坏现象。因此，较重要的钢结构，尤其是在低温下承受动力荷载的钢结构用钢的上述元素含量也常要求加以限制。

钢在浇铸过程中，应根据需要进行不同程度的脱氧处理。碳素结构钢的氧含量不应大于0.008%。但氮有时却作为合金元素存在于钢之中，桥梁用钢15锰钒氮（15MnVNq）就是如此，它的B级钢氮含量为 0.01%～0.02%。