一、常用碳素钢中各元素对性能的影响

压力管道中除螺柱材料外， 常用的碳素钢为含碳量小于 0.25％的亚共析钢， 而螺柱材料常用含碳量为 0.25％－0.45％的亚共析钢。碳素钢中， 其主要影响元素是碳（C）。 除此之外， 尚有硅（Si）、 硫（S）、 氧（O）、磷（As）、 砷（As）、 锑（Sb）、 等杂质元素。
1： 碳（C） 在碳素钢中的作用
从铁碳合金金相图中可以看出， 碳素钢随含碳量的增加， 其组织中的铁素体量在减少， 而渗碳体的量在增加， 从而使得碳素钢的强度和硬度增加， 而塑性、 韧性和焊接性能降低。 一般情况下， 当含碳量大于 0.25％时， 碳钢的可焊性开始变差， 故压力管道中一般采用含碳量小于 0.25％的碳钢。含碳量的增加， 其球化和石墨化的倾向增加。
2. 硅（Si） 在碳素钢中的作用
硅是碳素钢的常用元素之一， 但它一般不是主要元素， 而是用于炼钢时的脱氧。 硅和氧的亲和力仅次于铝和钛， 而强于锰、 铬和矾， 所以在炼钢中常用的还原剂和脱氧剂。
为了保证碳素钢的质量， 除沸腾钢和半镇静钢外硅在钢中的含量不应少于 0.1％， 因此，有时也根据碳素钢中是否含硅 或含硅的多少来判断其脱氧程度。硅在碳素钢中不形成碳化物， 而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中可起到提高它们的硬度和强度的作用。 但硅含量超过 3％时， 将明显降低钢的塑性、 韧性、 延长性和可焊性， 并易导致冷脆， 对中、 高碳钢回火时易产生石墨化。
3. 硫（S）、 氧（O） 在碳素钢中的作用
硫和氧作为杂质元素常以非金属化合物（如 FeS、 FeO） 形式存在于碳素钢中， 形成非金属夹杂， 从而导致材料性能的劣化， 尤其是硫的存在常引起材料的热脆。 硫和磷常是钢中要控制的元素， 并以其含量的多少来判定碳素钢的优劣。
4. 磷（P）、 砷（As）、 锑（Sb） 在碳素钢中的作用
磷、 砷和锑是属于元素周期标中的同一族元素， 因此三个元素在钢中有一些类似的作用。 作为杂质元素， 它们对提高碳素钢的抗拉强度有一定作用， 但同时又都增加钢的脆性， 尤其低温脆性。 磷和砷又都是造成碳素钢严重偏析的有害元素。 磷对钢的焊接性不利， 它能增加焊裂的敏感性。

二、常用低合金钢中各元素对性能的影响

压力管道除螺柱材料外， 常用的低合金钢为含碳量小于 0.20％碳锰钢、 硅钢、 铬钼钢、 铬钼矾钢和铬钼矾铝钢， 而螺柱材料则常用含碳量为 0.25％－0.45％的铬钢和铬钼
钢。低合金钢中， 其主要影响元素有碳（C）、 锰（Mn）、 铬（Gr）、 钼（Mo）、 矾（V）、硅（Si）、 铝（Al） 等。 除此之外， 尚有硫（S）、 氧（O）、 磷（P）、 砷（As）、 锑（Sb）、等杂质元素。
1. 碳（C） 在低合金钢中的作用
同碳素钢部分
2. 锰（Mn） 在低合金钢中的作用
锰与铁形成固溶体， 可提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度。 锰又是碳化物形成的元素， 它进入渗碳体中将取代一部分铁原子。 锰还可以起到细化珠光体的作用， 因此， 在碳锰钢中常利用锰来提高钢的强度， 但它使材料的延展性有所降低， 而且增加了应力腐蚀开裂的敏感性。 在一般碳锰钢和低合金钢中， 其含量应在 1％－2％。锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。 锰与硫形成 MnS， 可防止因硫导致的热脆现象， 从而改善钢的热加工性能。 因此， 在工业用钢中一般都含有一定数量的锰。锰在钢中由于能降低临界转变温度， 故碳锰钢的低温冲击韧性比碳素刚好。锰强烈增加碳锰钢的脆透性。 锰含量较高时， 有使钢晶粒粗化并增加钢的回火脆性的不利倾向。 锰对钢的焊接性有不利的影响。 为改善钢的焊接性， 应在许可的范围内， 适当降低钢的含碳量。 焊接时也许采用优质低氢焊条和相应的焊接工艺。
3. 铬（Gr） 在低合金钢中的作用
铬是缩小 相区和形成 相圈的元素， 在 a-Fe 中无限固溶， 在 －Fe 中的最大溶解度为12.5％。铬属于中等碳化物形成元素。 随铬元素的增加， 可形成（Fe,Gr）3C、 (Gr,Fe)7C3、（Gr,Fe）23C6 等碳化合物， 是铬钼钢和铬钼矾钢优良好的抗高温氧化性和耐氧化介质腐蚀作用， 并增加钢的热强性。铬增加钢的淬透性并有二次硬化作用。铬是显著提高钢的脆性转变温度的元素， 随着铬含量的增加， 钢的脆性转变温度也逐步提高， 冲击值随铬含量的增加而下降。在含钼的锅炉钢中， 加入少量铬， 能防止钢在长期使用中的石墨化。
4. 钼（Mo） 在低合金钢中的作用
钼属于强碳化物形成元素， 当其含量较低时， 与铁及碳形成复杂的渗碳体； 当含量较高时， 则形成特殊碳化物。 在较高回火温度下， 由于钼的弥散分布， 可是材料出现二次硬化钼对铁素体有固溶强化作用， 同时也提高碳化物的稳定性， 因此对钢的强度产生有力作用。 钼是提高钢热强性最有效的合金元素， 主要在于他能强烈提高钢中铁素体对儒变的
抗力。 此外， 钼还可以有效的抑制渗碳体在 450C-650C 工作温度下的聚集， 促进弥散的特殊化合物的析出， 从而进一步起到的了强化作用。 自含钼 0.5％的低和金钢用于锅炉管后，一系列二元和多元的含钼珠光体钢被广泛的用于动力、 石油和化学工业中， 如 15GrMo、12GrMoV、 1Gr5Mo 等。 钼同样也能提高马氏体钢和奥氏体钢的热强性。钼在钢中， 由于形成特殊碳化物， 可以改善在高温高压下抗氢腐蚀的作用。钼常与其它元素如锰、 铬等配合使用， 可显著提高钢的脆透性； 钼含量约 0.5％时， 能抑制或降低其它元素导致的回火脆性。
5. 矾（V） 在低合金钢中的作用
矾是缩小 γ 相区、 形成 γ 相圈的元素， 在 a-Fe 中无限固溶， 在 γ －Fe 中的最大溶解度约 1.35％。矾与碳氧碳都有较强的亲和力， 为强碳化合物及氮化物形成元素。 在低合金钢中， 矾能有效地固定钢中的碳和氮， 并形成高度的弥散分布的碳化物和氮化物微粒， 即使在高温下， 聚合长大也极缓慢， 因而可以增加钢的热强性和对儒变的抗力。 一系列的铬钼矾钢已成为制造锅炉、 汽轮机的主要钢种， 如 12GrMoV 及 12GrMoV 常用于锅热器钢管、 导管及相应的锻件等。含矾钢在热处理中， 能提高晶粒粗化的温度， 从而降低钢的过热敏感性， 并提高钢的强度和韧性等， 尤其是它能提高钢正火后的强度和屈服比及低温韧性， 因此它已成为普通低合金钢的一种比较理想的合金元素。由于矾对碳的固定作用， 在高温下， 对抗氢腐蚀（脱碳和脆化） 是有益的。 在抗氢钢中矾和碳含量之比应在 5： 7 左右， 过低时不足以有效地起抗氢腐蚀作用， 过高时， 将有部分的矾溶入铁素体中降低其塑性和焊接性能。
6. 硅（Si） 在低合金钢中的作用
硅作为杂质元素时， 它在低合金钢中的作用与在碳素钢中的作用相同， 作为合金元素时， 一般应不低于 0.4％。硅在钢中不形成碳化物， 而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。 硅固溶于铁素体和奥氏体中可起到提高它们的硬度和强度的作用， 在常见元素中仅此于磷， 而较锰、镍、 铬、 钨、 钼、 矾等为强。 但硅含量若超过 3％时， 将显著的降低钢的塑性、 韧性和延展性。低硅含量对钢的抗腐蚀性能影响不大， 只有当硅含量达到一定值时， 它对钢的抗腐蚀性能才有显著的增强作用。 硅含量为 15％－20％的硅铸铁是很好的耐酸材料， 对不同浓度硫酸、 硝酸都很稳定， 但在盐酸和王水的作用下稳定性很小， 在氢氟酸中则不稳定。 高硅铸铁之所以抗腐蚀， 是由于当开始腐蚀时， 在其表面形成致密的 SiO 薄层， 阻碍着酸的进一步向内侵蚀。含硅钢在氧化气氛中加热时， 表面也将形成 SiO 薄层， 从而提高钢高温时的抗氧化性。
7. 铝（Al） 在低合金钢中的作用
铝与氮及氢的亲和力很强， 因此它也用作炼钢时的脱氧定氮剂， 并起到细化晶粒、 阻抑碳钢的时效、 提高钢在低温下韧性的作用。铝作为合金元素加入钢中时能提高钢的抗氧化性， 改善钢的电磁性， 提高渗氮钢的耐磨性和疲劳强度等。 因此， 铝在不起皮钢、 电热合金、 磁钢和渗氮钢中， 得到了广泛得应用。铝和氮虽然可以化合生成碳化物 AlC 和 AlC， 但它和碳的亲和力小于铁和碳的亲和力，因此在钢中一般不存在铝的碳化物。当铝含量达到一定量时， 可是钢产生钝化现象， 使钢在氧化性酸中具有抗蚀性， 但使钢的焊接性变坏。铝还能提高钢对硫化氢的抗蚀作用。 铝含量在 4％左右的钢， 在温度不超过 600C 时有较好的抗硫化氢腐蚀作用。铝对钢的水蒸气、 氯气、 特别是在氯气及其化合物气氛中的抗蚀作用是不利的。在钢铁材料表面镀铝和渗铝，可以提高其抗氧化性和在工业和海洋气氛中的抗蚀性。含铝的钢渗氮后， 在钢的表面形成一层牢固的薄而硬的弥散分布的淡化铝层， 从而提高其硬度和疲劳强度， 并改善其耐磨性。铝是高锰低温钢的主要合金元素。 一定量的铝， 有提高铁锰奥氏体的稳定度、 抑制－Mn 相变的作用， 从而使铝在低温钢中得到了应用。
8. 硫（S）、 氧（O）、 磷（P）、 砷（As）、 锑（Sb） 等杂质元素在低合金钢中的作用
同在碳素钢的作用。 但是由于低合金钢溶点较高， 磷、 砷、 锑等杂质元素容易在高温下迁移聚集， 从而导致低合金钢的高温回火脆性。 一般情况下， 低合金钢均采用较高级的冶炼方法（如电炉冶炼）， 故其硫、 磷等杂质元素含量较低。

三、常用高合金刚中各元素对其性能的影响

压力管道中高合金钢为含碳量小于 0.10％的铬钼、 铬镍、 铬镍钼耐热钢和不锈钢。 高合金钢中， 其主要影响元素有碳（C）、 铬（Gr）、 钼（Mo）、 镍（Ni）、 钛（Ti）、 硅（Si）等杂质元素。
1. 碳（C） 在高合金钢中的作用
碳也是该合金钢中的强化元素， 但不是主要强化元素， 此时的强化元素主要是合金元素。 为了满足高合金钢的塑性、 韧性、 耐蚀性和焊接性能的要求， 它的含碳量一般不大于0.1％。对于铬镍或铬镍钼奥氏体不锈钢， 它的含碳量一般不大于 0.08％。 当其含量小于等于 0.03％时， 由于含碳量较低， 高温强度也较低， 故不宜用于 525C 及以上的温度环境中。 作为高温下耐热用的高合金钢， 其含碳量应大于等于 0.04％， 但此时奥氏体不锈钢的抗晶间腐蚀性能下降。
2. 铬（ Gr） 在高合金钢中的作用
铬在铬钼高合金钢中的作用于在低合金钢中的作用相似。铬在不锈耐热钢中， 当其含量超过 12％时， 使钢具有良好的高温抗氧化性和耐氧化介质腐蚀作用， 并增加钢的耐热性。 但铬含量太高时或者处理不当， 易发生 相和 475C 回火脆化。在单一的铬钢中， 材料的焊接性随铬含量的增加而恶化。
3. 钼（ Mo） 在高合金钢中的作用
钼在铬钼高合金钢中的作用于在低合金钢的作用相似。钼再不锈耐热钢中， 也能使钢表面钝化， 但作用不如铬显著。 钼与铬相反， 它即能在还原性酸（ HCl、 H2CO4、 H2SO3） 有能在强氧化性溶液（ 特别是含有氯离子时） 中， 是钢材表面钝化。 因此， 目可以普遍提高钢的抗腐蚀性能。钼加入奥氏体耐酸钢中， 能显著提高材料对醋酸、 环烷酸的抗蚀性。在含有氯化物的溶液中， 常会引起奥氏体耐酸钢的点腐蚀和晶间腐蚀。 材料中加入钼后，这些倾向在很大程度上会被减缓和抑止。
4. 镍（ Ni） 在高合金钢中的作用
镍是扩大 相区， 形成无限固化体的元素， 它是奥氏体不锈钢中的主加元素。镍和碳不形成碳化物， 它是形成和稳定奥氏体的主要和金元素。 镍与铁以互溶的形式存在于钢中的 相和 性中， 使之强化。镍能细化铁素体晶粒， 改善钢的低温性能。 含镍量超过一定值的碳钢， 其低温脆化转变温度显著降低， 而低温冲击韧性显著提高， 因此镍纲常用作低温材料。 一般情况下， 含镍达到 3.5％的镍钢可用在－100C 低温下使用， 含镍量达到 9％的镍钢可在－196C 超低温下使用。 含镍的低合金钢还有较高的抗腐蚀疲劳性能。 镍钢不宜在含硫或一氧化碳的气氛中加热， 因为镍易于硫化合， 在晶介上形成低熔点的 NiS 网状组织而产生热脆。 在高温时镍将于一氧化碳化合形成 Ni(CO)4 气体而有合金中逸出， 从而在材料中留下孔洞。在不锈耐热钢中， 镍与铬、 钼等元素适当配合是材料在常温下为奥氏体组织， 即得到所谓的奥氏体不锈钢或耐热钢。 然而， 目前镍在全世界范围内都是一种比较稀缺的元素， 故作为一种合金元素， 应该只有在用其它元素不能获得所需要的性能时， 才考虑是用它。由于镍可降低临介转变温度和降低钢中各元素的扩散速度， 因而它可提高钢的脆透性。镍不增加钢对儒变的抗力， 因此一般不作为热强钢中的强化元素。 在奥氏体热强钢中，镍的作用只是使钢奥氏体化， 钢的强度必须靠其它元素如钼、 钨、 矾、 钛、 铝来提高。镍是有一定抗腐蚀能力的元素， 对酸、 碱、 盐以及大气均具有一定的抗蚀能力。
5. 钛（ Ti） 在高合金钢中的作用
钛是缩小 相区， 形成相圈的元素。钛是最强的碳化物形成元素， 与氮、 氧的亲和力也极强， 是良好的脱氧剂和固定氮、 碳的有效元素， 正因为这样， 含钛的高合金钢不易用于铸件。在奥氏体不锈钢中， 由于钛能固定碳， 由防止和减轻材料晶间腐蚀和应力腐蚀的作用。如果奥氏体不锈钢中的钛、 碳含量之比超过 4.5％时， 由于此时材料中的氧、 氮和碳可以全部被固定住， 故使得材料对晶间腐蚀、 应力腐蚀和碱脆性有很好的抗力当钛以碳化钛微粒存在时， 由于它能细化钢的晶粒并成为奥氏体分解时的有效晶核， 可是钢的脆透性降低， 但也是材料的高温固溶强化效果降低。钛能提高钢的抗氧化性和耐热性。 在高镍含铝合金中能形成 相[Ni3(Al， Ti)]， 并弥散析出， 从而提高材料的热强性。 目前， 钛越来越多的被用作航空、 宇航工业材料。钛作为强碳化物形成元素， 可以提高钢在高温、 高压、 氢气中的稳定性。 当钢中的钛含量达到碳含量的 4 倍时， 可是钢在高压下对氢的稳定性几乎高达 600C 以上。
6. 硅（Si） 在高合金钢中的作用
硅在高合金钢中常用于奥氏体－铁素体或铁素体－奥氏体双相不锈钢中， 其固溶强化作用。各种奥氏体不锈钢中加入约 2％的硅， 可以增强它们的高温不起皮性。在铬、 铬钼、 铬镍、 铬钨等钢中加入硅， 都将提高他们的高温抗氧化性能。 但硅含量太高时， 材料的表面脱碳倾向增加。
7. 硫（S）、 磷（P）、 砷（As）、 锑（Sb） 等杂质元素在高合金钢中的作用同低合金钢
部分。