鋼中雜質元素對材料性能的影響

作者：吳佳（高級工程師）

我們常把WC＜2.11%的鐵碳合金稱為鋼，在討論鋼的組織和性能時也只考慮了碳的影響，但在煉鋼過程中，不可能除盡所有雜質，所以實際使用的碳鋼中，除碳以外，還有少量的硅（Si）、錳（Mn）、硫（S）、磷（P）、氫（H）、氮（N）、氧（O）等元素，它們的存在也會對鋼的性能產生影響。

Si、Mn的影響 

Si和Mn是煉鋼過程中隨脫氧劑進入鋼中的元素，少量Si和Mn可以固溶于鐵素體中，產生固溶強化，使鐵素體強度和硬度增加，對鋼的性能有利。但Si與O的親和力很強，可形成SiO₂，Mn與鋼中雜質S形成MnS，兩者都是鋼中的夾雜物，對鋼的性能不利。一般規定，WSi＜0.5%，WMn＜0.8%，使大部分Si、Mn溶于鐵素體中，起有利作用。

S、P的影響 

S、P是生鐵中帶來而在煉鋼時未能除盡的有害元素。S不溶于Fe，而與Fe形成熔點為1190℃的FeS，FeS與γ-Fe形成低熔點（980℃）的共晶體，分布在奧氏體晶界上，當鋼材在1000~1200℃鍛造或軋制時，共晶體會熔化，使鋼材變脆，沿奧氏體晶界開裂，這種現象也叫熱脆。適當增加Mn的含量，可與S優先形成高熔點的MnS（1620℃），避免熱脆。但MnS是鋼中的夾雜物，在鍛造或軋制時變形成條狀，沿受力方向分布形成流線，使鋼材橫向塑性、韌性顯著低于縱向。

P在鋼中全部溶于鐵素體中，雖然有較強的固溶強化作用，但它會劇烈降低鋼的塑性和韌性，特別是低溫韌性，使鋼在低溫下變脆，這種現象稱為冷脆。P還使鋼產生偏析，此外，S、P均降低鋼的焊接性能。因S、P為有害元素，通常會嚴格控制其含量，普通鋼要求WS≤0.035%~0.050%、WP≤0.030%~0.035%，優質鋼要求WS≤0.020%、WP≤0.030%。風電零件原材料要求更高，一般要求WS≤0.015%、WP≤0.020%，此外，P還增強鋼在大氣中的抗腐蝕性，若在煉鋼時加入少量稀土、鈦等元素，可以抑制P的冷脆作用。

氣體的影響 

鋼中氣體對鋼材性能的影響往往被忽略，隨著質量事故的發生，人們也越來越重視鋼材中H、N、O等氣體元素的影響，某些行業在采購原材料時也對氣體元素含量做了限定。

H在鋼中含量甚微，但對鋼的危害極大，鋼中微量的H（0.5~3mL/100g）可以引起“氫脆”，甚至在鋼材中產生大量裂紋，使鋼的塑性、韌性顯著下降，導致零件在使用中突然斷裂，國內外均發生過因“氫脆”導致的極其嚴重的質量事故。此外，H對鋼材的焊接性能不利，在焊縫處易產生裂紋。

N固溶于鐵素體中產生“應變時效”。所謂應變時效是指冷變形低碳鋼在室溫放置或加熱一定時間后強度增加，塑性、韌性降低的現象。“應變時效”對鍋爐、化工容器等不利，會增加零件脆性，影響安全可靠性。因此從應變時效考慮，N是有害元素。但是N可與鋼中的Al、V、Ti、Nb等元素形成細小彌散的氮化物，細化晶粒，提高鋼的強度并降低N的應變時效作用，此時，N是有益元素。

O是鋼中的有害元素，盡管煉鋼過程中會加入脫氧劑進行脫氧，但無法除盡。鋼水凝固時，O與C反應生成CO，造成氣泡。此外，O在鋼中主要以FeO、MnO、SiO₂、Al₂O₃等雜質形式存在，使鋼的強度、塑性降低，尤其對鋼的疲勞強度、沖擊韌性等有嚴重影響。

為了提高鋼的性能，在煉鋼時，除了保證鋼中C及合金元素在規定范圍內，還必須控制雜質元素的含量。但是煉出了一爐合格的鋼液并不等于得到合格的鋼錠和鋼材，鋼材中大部分冶金缺陷都是在澆注成鋼錠的過程中形成的。因此，鋼錠的組織和質量是影響鋼材質量的重要環節。

（來源：南京安維士傳動技術股份有限公司）