对钢的显微组织及热处理的作用

对钢的物理、化学及工艺性能的作用

在钢中的优点

B

• 显微组织影响：硼元素能够显著提高钢材的淬透性，即在淬火过程中使奥氏体转变为马氏体的能力增强。硼原子在奥氏体晶界处形成覆盖层，抑制了铁素体和珠光体的形成，从而促进了马氏体的生成。

• 热处理影响：由于硼的存在，在低合金钢中，即使碳含量较低，经过淬火处理后也能获得较高的硬度和强度，这使得硼钢具有优良的机械性能，适用于制造需要高强度和耐磨性的零件。

N

• 固溶强化：氮元素能溶解在钢的晶格中，起到固溶强化的作用，增加钢材的强度和硬度。

• 氮化物形成：氮易与铁、铬、钒等元素形成氮化物，这些细小的氮化物颗粒可以在钢材中均匀分布，有效提高钢的强度、硬度和耐磨性，同时抑制晶粒长大，细化显微组织。

• 氮对淬透性的影响：氮增加钢材的淬透性，特别是在低碳氮化钢中，氮可以提高钢材在淬火过程中的硬化能力，形成更加均匀且细密的马氏体组织。

• 氮化处理：氮元素在氮化处理过程中形成表层氮化物层，显著提高表面硬度、耐磨性和抗腐蚀性，使其适用于需要高表面性能的应用。

• 增强强度和硬度：氮元素在钢中与铁形成氮化物（如氮化铁），增加了钢材的强度和硬度。这种增强作用尤其在高强度钢和耐磨钢中显著。

• 提高疲劳强度：氮化物的形成有助于提升钢材的疲劳强度，增加其抗疲劳破坏的能力。

• 改善耐磨性：氮元素的加入可以提高钢材的耐磨性，使其在高磨损条件下表现更好。

• 影响塑性和韧性：氮元素的过量可能导致钢材的脆性增加，降低其延展性和韧性，特别是在低温条件下更为明显。

O

P

• 形成珠光体：磷元素的存在会促进珠光体的形成。珠光体是由铁素体和渗碳体（Fe₃C）交替排列的组织，其硬度和强度较高，但延展性和韧性较差。

• 影响晶界：磷在钢中容易偏析，尤其是在晶界处。磷的偏析会导致晶界脆化，使得钢材在高温或受力情况下容易发生裂纹。

• 增加脆性：磷的含量增加会显著降低钢材的韧性，使钢材在低温下表现出更高的脆性。磷使得钢材的晶界脆化，影响其抗裂性能。

• 影响可淬性：磷的存在会降低钢材的可淬性。磷与碳结合可能影响碳化物的形成，改变钢材的淬火特性。

• 降低钢材的退火效果：在退火过程中，磷会增加钢材的退火硬度，并可能影响其退火后的组织稳定性。退火温度和时间的选择需要考虑磷的含量，以避免因磷偏析导致的组织不均匀。

• 影响冷却速度：磷含量增加可能使钢材在冷却过程中更易产生冷裂纹，因为磷使钢材在冷却过程中变得更加脆弱。

• 脆性增强：磷的存在会导致钢材的脆性增加，尤其在低温下，磷会使钢材的延展性和韧性显著降低，增加断裂的风险。

• 冲击性能：高磷含量的钢材在冲击载荷下更容易发生脆性断裂，因此磷的增加会降低钢材的冲击韧性，特别是在低温条件下表现尤为明显。

• 低温脆性：磷的存在会显著提升钢材在低温下的冷脆性，使得钢材在低温环境下更加容易发生脆性断裂。

• 焊接问题：高磷钢材在焊接过程中容易出现焊接裂纹和冷裂纹，降低焊接接头的强度和可靠性。

S

• 硫化物的形成：硫在钢中与铁结合，形成硫化物（如铁硫化物FeS）。这些硫化物在钢的显微组织中表现为颗粒状或条状的夹杂物，通常分布在晶粒界面或晶粒内部。

• 晶粒界面强化：硫化物会在钢材的晶粒界面处聚集，形成所谓的“硫化物带”或“硫化物网”，这会导致钢的晶粒边界处的强度和硬度提高。

• 内应力和裂纹倾向：硫化物夹杂物的存在可能会引起内应力集中，并导致局部的脆性。尤其是在热处理和冷却过程中，硫化物的存在可能会引发裂纹或使得裂纹容易扩展。

• 热处理过程中硫化物的稳定性：在钢材的热处理过程中（如退火、正火等），硫化物的稳定性会影响钢材的最终显微组织。高温下，硫化物可能会重新分布或与其他夹杂物反应，改变钢材的显微结构。

• 影响相变和硬度：硫元素会影响钢的相变行为。在加热和冷却过程中，硫化物的存在可能会影响奥氏体的转变、珠光体的形成以及其他相变过程，从而影响钢的硬度和机械性能。

• 影响焊接性能：在焊接过程中，硫化物可能会导致焊接区的焊缝裂纹或焊接热影响区的性能下降。焊接过程中高温可能导致硫化物熔化或形成液相，增加焊接缺陷的风险。

• 脆性增加：硫的存在会导致钢材的韧性显著降低。硫通常会形成硫化物（如FeS），这些硫化物在钢材的晶粒内部或晶界处分布，形成脆性相，从而使钢材在低温条件下变得更加脆性，容易发生脆性断裂。

• 应变硬化：硫化物的存在还会引起应变硬化效应，使钢材在拉伸或冲击载荷下更容易发生裂纹和断裂。

• 断裂韧性：硫化物在钢材中形成的内应力会导致材料的断裂韧性降低，尤其在高应力条件下，钢材更容易出现断裂。

• 延展性损失：硫化物的存在使得钢材在塑性变形过程中容易形成裂纹，进而降低延展性，导致钢材的成形性和加工性变差。

V

1）V和Fe形成连续的固溶体，强烈地缩小奥氏体相区；

2）钒和碳、氮、氧都有极强的亲和力，在钢中主要以碳化物或氮化物、氧化物的形态存在；

3）通过控制奥氏体化温度来改变钒在奥氏体中的含量和未溶碳化物的数量以及钢的实际晶粒度，可以调节钢的淬透性；

1）少量的钒使钢晶粒细化，韧性增大，对低温钢尤为有利；

2）钒量较高导致聚集的碳化物出现时，会降低强度；碳化物在晶内析出会降低室温韧性；

3）适当的处理使碳化物弥散析出时，钒可提高钢的高温持久强度和蠕变抗力；

Ti

1）钛和氮、氧、碳都有极强的亲和力，是一种良好的脱氧去气剂和固定氮和碳的有效元素；

2）钛和碳的化合物结合力极强，稳定性高，只有加热到1000℃以上才会缓慢溶入铁的固溶体中。TiC微粒有阻止钢晶粒长大粗化的作用，使粗化温度提高至1000℃以上；

3）钛是强铁素体形成元素之一，使奥氏体相区缩小，强烈提高A₁、A₃；固溶态的钛提高钢的淬透性，而以TiC微粒存在时则降低钢的淬透性；

1）当钛以固溶态存在于铁素体之中时，其强化作用高于Al、Mn、Ni、Mo等，次于Be、P、Cu、Si；

2）钛对钢力学性能的影响取决于其存在形态和Ti与C质量比以及热处理制度。微量的钛使屈服强度有所提高，但当Ti与C质量比超过4时，其强度和韧性急剧下降。过高的加热温度（>1000℃）进行正火或淬火，虽可使强度提高50%，但剧烈降低塑性及韧性；

3）钛对钢的韧性，特别是低温冲击韧性少有改善作用；

1）提高钢在高温、高压氢气中的稳定性；

2）提高不锈耐酸钢的耐蚀性，特别是对晶间腐蚀的抗力，原因是防止铬碳化物在晶界析出而导致的贫铬；

3）低碳钢中，当Ti与C质量比达到4.5以上时，由于氧、氮、碳全部被固定，具有很好的应力腐蚀和碱脆抗力；

4）在铬的质量分数为4%~6%的钢中加入钛，能提高再高温时的抗氧化性；

5）钢中加入钛可促进淡化层的形成和较迅速获得所需的表面硬度，成为“快速氮化钢”；

1）钛的质量分数超过0.025%时，可作为合金元素考虑；

2）钛作为合金元素在普通低合金钢、合金结构钢、合金工具钢、高速工具钢、不锈钢、耐热钢、永磁钢、永磁合金及铸钢中均已得到应用；

1)含Ti钢，特别是低碳之Ti钢，往往因其钢液粘度较大，而使其中非金属加杂，不易分离浮出应一致，在防止造成缺陷应注意。可在冶炼时注意高温操作和钢液的脱氧。

2)淬火钛钢硬度随含Ti量增加而降低。因为TiC非常稳定，甚至加热到1300℃都不能溶入到固溶体而减少了合金固溶体中的碳浓度的缘故。

3)钛与N、0有很大的亲和力而极易成形TiN和Ti02，钢锭在较低温度时，就形成了较多的非金属夹杂和皮下多孔等缺陷

4)Ti也是铁素体形成元素，所以其含量较多(>2%)就易生成铁素体8相或其它脆性相而使韧性降低。

5)同V一样，含Ti达0.05%时就将使硅钢矫顽力降低，这可能是脱氧的作用，它对硅钢还会促进其二次再结品，这倒可得粗晶而改善磁性。

Zr

1）锆是高熔点的稀有金属，是碳化物形成元素，在炼钢过程中是强力的脱氧和脱氮元素，并有脱氢及脱硫的作用；

2）锆能细化钢的奥氏体晶粒；

1）锆降低钢的应变时效倾向和回火脆性；

2）在改善低合金钢的低温脆性方面的作用，锆强于钒；

1）低碳镍铬不锈钢中加入少量的锆可防止晶间腐蚀；

2）锆与硫形成硫化物，可有效防止钢的热脆；含铜钢中加入锆，可显著减轻龟裂倾向；

3）高显著提高高碳工具钢和高速钢的切削寿命；

1）锆产量稀少，价格昂贵，在钢中的溶解度很小，在普通钢中很少使用，而主要用于特殊用途的钢和合金中。

Mo

1、可明显的提高钢的淬透性和热强性，防止回火脆性，提高剩磁和娇顽力；

2、钼能使钢的品粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。结构钢中加入钼，能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。

3、钼可增加钢之最大强度及硬度，因此在合金钢中也颇为重要。

a.能改善钢在高温之抗拉及潜变强度。

b.在工作红热情况下，能使钢之硬度保持不变。

c.高速工具钢含钼，可予以较佳之切割性能。

d.合金钢中加入钼可去除回火脆性。

4、提高钢的淬透性，含量0.5%时，能降低回火脆性，有二次硬化作用。提高热强性和蠕变强度，含量2%~3%时，提高抗有机酸及还原性介质腐蚀能力;

1)有挥发性，在加热时，会生成褐色烟气(氧化钼)发生蒸发。

2)促进脱碳，所以为防止脱碳其淬火温度应较一般降低10~20℃，阻碍石墨化。

3)Mo是铁素体形成元素，所以为了得到奥氏体，应相应多加Ni、Mn等奥氏体形成元素。否则当Mo含量较多时就易出现铁素体8相或其它脆性相而使韧性降低。

4)Mo降低钢导热率的作用同W，但Mo可防止过热。

5)Mo钢比碳钢变形抗力高。

Al

1、能细化钢的晶粒组织，阻抑低碳钢的时效.提高钢在低温下的韧性，还能提高钢的抗氧化性，提高钢的耐磨性和疲劳强度等.

2、铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化品粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08AI钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。

3、铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。

(1)用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，抑制低碳钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别是降低了钢的脆性转变温度;

(2)提高钢的抗氧化性能。曾对铁铝合金的抗氧化性进行了较多的研究:4%AI即可改变氧化皮的结构，加入6%Al可使钢在980℃以下具有抗氧化性。当铝和铬配合并用时，其抗氧化性能有更大的提高。由于铝的这一作用，近年来，常把铝作为合金元素加入耐热钢中。

(3)铝还能提高对硫化氢和V205，的抗腐蚀性。

①促进钢的石墨化，减少合金相中的碳溶浓度，所以硬度、强度降低。

②加速脱碳

当AI含量增加至3~5%时，8~9%将会大大地促进钢锭的柱状结晶过程。因此而大大增加钢的机械热加工的困难，也使钢极易脱碳。(其热加工之所以困难是因为该合金钢锭具有粗品结构，且其品体的解理极弱，所以导热性低，加热时容易出现大的温度差而锻裂，甚至钢锭的去皮加工都会使其晶界氧化而破坏。此外，它在800℃以上的高温长时间停置也极易变脆。

Cu

1、它的突出作用是改善普通低合金钢的抗大气腐蚀性能，特别是和磷配合使用时更为明显；

2、铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响;

3、合金钢中铜之含量不可以超过1.5%，否则会使钢变脆：a.铜在钢中有抵抗大气腐蚀之性能。低碳钢内含铜1%，其抵抗大气腐蚀性约较不含铜者高出四倍。在不锈钢中加铜 3-4%，亦有助不锈钢之防蚀作用；

b.可以增加钢的强度，但不宜超过0.2%。

4、含量低时，作用和镍相似，含量较高时，对热变形加工不利，如超过0.30%时，在热变形加工时导致高温铜脆现象，含量高于0，75%时，经固溶处理和时效后可产生时效强化作用。在低碳合金钢中，特别是与磷同时存在。可提高钢的抗大气腐蚀性，2%一3%的铜在不锈钢中可提高对硫酸、磷酸及盐酸等的抗腐蚀性及对应力腐蚀的稳定性。

1)含Cu量较高时将导致钢具热脆性，而使热锻轧加工困难。

2)含Cu过多会使矫顽力和磁滞损失增加，于钢不利。

3)“铜脆"当Cu>0.2%时，加热过程由于表面发生选择性氧化，使Fe先Cu而发生氧化，而表层Cu含量即相对增加形成一层薄膜，然后向扩散形成含Cu网络，在1030℃即容易锻裂。适量加Ni可生成熔点较高的Cu-Ni固溶体，可降低“铜脆”。

综合来说，含Cu<0.7%会溶于a-Fe中，促使碳不氧化，对磁性无大影响。含Cu=0.5%时，防锈能力可提高15倍;含Cu>0.7%时将出现不均匀混合物，而使矫顽力和磁滞损失增加，并使铜变脆。

Nb/Ta

1）Nb、Ta均为难熔的稀有金属元素，在元素周期表中与V同族，其在钢中的作用与V、Ti、Zr类似，和碳、氮、氧都有很强的亲和力，形成极为稳定的化合物；

2）Nb、Ta在钢中的主要作用是细化晶粒，提高晶粒粗化温度；

1）钢中加入质量分数为0.005%~0.05%Nb能提高屈服强度和冲击韧性，降低其韧脆转变温度；

1）改善奥氏体型不锈钢抗晶间腐蚀的性能；在高铬铁素体钢中，改善高温不起皮性和抗浓硝酸侵蚀的性能；

2）在奥氏体型无磁钢中，加入铌和采用沉淀强化热处理，可有效提高其屈服强度而不损害其磁性能；

1）加入少量铌应用于：建筑用低碳普通合金钢、渗碳及调质合金钢、高铬耐热不锈钢、奥氏体不锈耐热钢、无磁钢等；

W

1）钨是难熔金属，在钢中的行为与Mo类似，即缩小奥氏体相区。并是强碳化物形成元素，部分地溶于铁中；

2）钨对钢的淬透性的作用不如Mo和Cr，当以W的特殊碳化物存在时，则降低钢的淬透性和淬硬性；

3）钨的特殊碳化物阻止钢晶粒的长大，降低钢的热敏感性；

1）钨提高了耐回火性，其碳化物十分剪影，因而提高了钢的耐磨性，还使钢具有一定的热硬性；

2）提高钢在高温时的蠕变抗力，其作用不如钼强

1）钨显著提高钢的密度，强烈降低钢的热导率；

2）显著提高钢矫顽力和剩余磁感；

3）钨对钢的耐蚀性和高温抗氧化性无有利作用，含钨钢在高温时的耐热性显著下降，但钨能提高钢的抗氢作用的稳定性；

4）含钨的高速钢塑性低，变形抗力高，热加工性能较差；

1)增加脱碳(碳化物稳定)阻止石墨化。

2)W是强碳化物元素，应防止碳化物不均影响性能而成废品(可增加镦拔数及正火处理纠正)。

3)含W>9%时硬度显著提高，而6、ψ显著降低。

4)W使钢导热率降低，含W>10%其导热率只有纯铁的0.7倍。

5)含W增加，可锻温度范围降低。

1）Be是稀有轻金属元素，和氧及硫都有极强的亲和力，在炼钢中是立项的脱氧去硫剂；

2）Be在钢中缩小奥氏体相区，以固溶态存在的Be增加钢的淬透性；

1）对铁素体有很强的固溶强化作用；

1）在因瓦而今和恒弹性合金中加入质量分数为0.5%~1.0%的Be并调整其它成分可改善性能；

1）由于Be属于稀有元素，价格昂贵，在一般合金钢中较少使用；

1）稀土元素化学性质活泼，在钢中与硫、氧、氢等化合，是很好的脱硫剂和去气剂，能消除砷、锑、铋等元素的有害作用，改变钢中夹杂物的形态和分布，起到净化作用，改善钢的质量；

2）稀土元素在铁中的溶解度很低，不超过0.5%；

1）提高钢的塑性和冲击韧度，特别是低温韧性；

2）提高耐热钢、电热合金和高温合金的抗蠕变性能；

1）提高钢的抗氧化性；

2）提高18-8型不锈钢的乃是性能（包括在浓硝酸中的耐蚀性）；

3）稀土元素能提高钢液的流动性，改善浇注的成品率，减少铸钢的热裂倾向；

4）显著改善高铬不锈钢的热加工性能；

1）在普通低合金钢、合金结构钢、轴承钢、工具钢、不锈和耐蚀钢、电热合金以及铸钢中得到应用；

2）为了稳定获得稀土元素改善钢的组织和性能的效果，应注意准确控制稀土在钢中的含量；

3）我国富产稀土元素，有关稀土在钢中的作用机理和开发应用还应大力加强。

1）铅与铋实际上不溶于钢中，其沸点都很低，冶炼过程中大部分化为蒸汽逸出，因而在钢中的残留量很低，为了特殊用途需要增加Pb、Bi含量时，须在浇铸过程中加入；

1）对钢的强度无明显影响，使钢的塑性略有下降，使冲击韧性有较大降低；

1）铅显著改善钢的切削加工性能，使切削碎断，增加切削时工具与工件之间的润滑，降低切削温度和动力消耗，延长工具寿命，提高切削速度；

1）含有质量分数为0.2%左右铅的钢有“超级易切钢”之称；

2）含铅钢中需防止铅的偏析，并对铅蒸气进行防护。

钴为制造合金钢之重要元素，在钢中可以生成碳化物，它具有以下特性:

a.钴可代替镍，如增加强度及耐热等性能。

b.会降低钢的硬化能。

c.能提高钢之淬火温度。

d.增加钢之保磁能力，故为制造磁石钢之主要元素。

1)能细化晶粒，可降低钢的过热倾向性，向高速钢中加Co，可提高其耐用度。

2)能提高钢的热强性(热硬性)，它给高速钢增加了合金化的强度和促进回火碳化物形成。

3)能提高磁钢的矫顽力又同时提高它对磁碱留感应值，所以对磁钢有良好的影响(它本身即为磁性物质)。

4)含碳量很高时会促进钢中碳石墨化。

1）含量过高，难以锻造。因为易析出硬而脆的金属化合物。

2)有相当高的脱碳倾向性。

3)价格昂贵，所以下列各种钴钢都很少使用。

4)钴的一个特性是:降低奥氏体的稳定性，促使钢中奥氏体等温转变曲线(C-曲线)左移。

5)因为易析出硬而脆的金属间化合物使机性变坏。

• 细化晶粒：镁的添加可以显著细化钢材的晶粒结构。镁在钢液中形成镁化物（如MgO），这些化物作为细化剂，有助于减少晶粒尺寸，提高钢材的均匀性和强度。

• 改变夹杂物形态：镁可以与钢中的硫和氧反应，形成镁硫化物（如MgS）和镁氧化物（如MgO）。这些镁化物通常是较为圆整和均匀分布的夹杂物，相较于铁硫化物（FeS），它们对钢材的力学性能影响较小，从而改善钢材的延展性和韧性。

• 减少夹杂物数量：镁的添加能够减少钢液中的有害夹杂物，增强钢材的纯净度和整体性能。镁通过与硫反应生成稳定的镁硫化物，从而降低了钢中的硫含量。

• 提高热处理稳定性：镁的存在能稳定钢材的显微组织，减少热处理过程中晶粒的粗化现象，使得钢材在高温处理后仍保持较好的力学性能。

• 影响相变行为：镁对钢中的相变行为有一定影响，特别是在高温热处理过程中。镁化物可以改变钢材中的相变动力学，影响最终的显微结构和机械性能。

• 改善热处理后的机械性能：由于镁可以细化晶粒和改善夹杂物的性质，这些效应有助于提高钢材在热处理后的强度和韧性，尤其是在高温处理和冷却过程中。

周期系第ⅣA族元素，原子序数50，原子量118.69，有白锡，灰锡，脆锡三种同素异构体，密度:白锡7.28g/cm3,灰锡5.75 g/cm3,，脆锡6.32-6.56g/cm3,熔点:白锡231.88℃，灰锡231.99℃，脆锡231.99℃。沸点:白锡2260℃，灰锡2270℃，锡2260℃

锡可大大降低钢及合金的高温机械性能，对钢的加工性能也十分有害。在钢中加入少量锡时能提高钢的耐腐蚀性，其强度也有一定提高，而对塑性却影响不大。

周期系V A族元素，原子序数33，原子量74.92，俗名砒，有灰，黄，黑三种同素异构体，密度5.727g/cm3，熔点717℃，613℃升华。

砷在钢中常以Fe2As,Fe3As2,FeAs及固溶体形式存在，易发生偏析现象，砷与磷，锑同族，对钢性能影响有类似之处，砷能提高钢的抗拉强度和屈服点，增强抗腐蚀和抗氧化性能，但砷含量较高时(如大于0.2%)，则使钢的脆性增加，延伸率，断面收缩率及冲击韧性降低，并影响焊接。