应该说，在影响材料性能的诸多因素中，化学成分是起主要作用的。不同的元素以及它在材料中的含量、和哪些元素配合等都决定了材料的最基本性能。因此，了解元素在钢中起的作用，可以帮助材料工程师了解材料的性质。工程上黑色金属材料应用的最多，故在此仅介绍黑色金属材料。由于黑色金属材料的基本元素是铁(Fe)，所以对材料性能的影响主要是指铁以外的其它元素。
1、常用碳素钢中各元素对其性能的影响
压力管道中除螺栓材料外，常用的碳素钢为含碳量小于0.25%的亚共析钢，而螺栓材料则常用含碳量为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(0)、磷(P)、砷(b)、锑(Sb)等杂质元素。
a 碳(C)在碳素钢中的作用
1）碳素钢随含碳量的增加，其强度和硬度增加，而塑性、韧性和焊接性能下降。
2）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。
3)含碳量的增加，其球化和石墨化的倾向增加。
b 硅(S)在碳素钢中的作用
1）判断其脱氧程度。为了保正碳素钢的质量，除沸腾钢和半镇静钢外，硅在钢中的含量应≮0.1%。
硅是碳素钢中的常见元素之一，但它一般不是主加元素，而是用于炼钢时的脱氧。硅和氧的亲合力仅次于铝和钒，而强于Mn、Cr、V，所以在炼钢过程为常用的还原剂和脱氧剂。
2）起到提高硬度和强度的作用。硅含量超过3％时，将显著地降低钢塑性、韧性和可焊性。
c 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)型式存在于碳素钢中，形成非金属夹杂，从而导致材料性能的劣化，尤其是S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评定碳素钢的优劣。
d 磷(P)、砷(As)、锑(Sb)在碳素钢中的作用
磷、砷、锑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的作用，但同时又都增加钢的脆性。
2、常用低合金钢中各元素对其性能的影响
管道中除螺栓材料外，常用的低合金钢为含碳量小于0.20％的碳锰钢、硅钢、铬钼钢、铬钼钒钢和铬钼钒铝钢，而螺栓材料则常用含碳量为0.25％～0.45％的铬钢和铬钼钢。
主要影响元素：碳(C)、锰(Mn)、铬(Cr)、Mo、V、Si、Al杂质元素：S、O、P、As、Sb。
a 碳(C)在低合金钢中的作用同碳素钢部分。
b 锰(Mn)在低合金钢中的作用
1）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。它使材料的延展性有所降低;
2）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%；
3）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；
4）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钢好；
5）锰对钢的焊接性有不利的影响；
c 铬(Cr)在低合金钢中的作用
铬在α-Fe中无限固溶，在γ-Fe中的最大溶解度为12.5％。
1）铬钼钢和铬钼钒钢有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。
2）显著提高钢的脆性转变温度，随着铬含量的增加，钢的脆性转变温度也逐步提高，冲击值随铬含量增加下降。
3）在含铬的锅炉钢中，加入少量的铬，能防止钢在长期使用过程中的石墨化。
d 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。
1）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利作用。
2）钼是提高钢热强性最有效的合金元素，主要在于它能强烈提高钢中铁素体对蠕变的抗力。
3）钼还可有效地抑制渗碳体在450℃~650℃工作温度下的聚集，促进弥散的特殊碳化物的析出，从而进一步起到了强化作用。
4） 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侵蚀的作用。
5）钼同样也能提高马氏体钢和奥氏体钢的热强性。
一系列二元和多元的含钼珠光体钢被广泛地用于动力、石油和化学工业中，如15CrMo、12Cr1MoV、1Cr5Mo等。
e 钒(V)在低合金钢中的作用
钒在α-Fe中无限固溶，在γ-Fe中的最大溶解度约1.35%。
钒与碳、氧、氮都有较强的亲合力，为强碳化物及氮化物形成元素。
1）钒增加钢的热强性和对蠕变的抗力。钒能有效地固定钢中的碳和氮，并形成高度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。
一系列的铬钼钒钢已成为制造锅炉、汽轮机的主要钢种，如12CrMoV及12CrlMoV常用于过热器钢管、导管及相应的锻件等。
2）含钒钢在热处理中，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。3) 由于钒对碳的固定作用，在高温下，对抗氢腐蚀(脱碳和脆化)是有益的。
在抗氢钢中钒和碳含量之比应在5.7左右，过低时不足以有效地起抗氢腐蚀作用，过高时，将有部分的钒溶入铁素体中降低其塑性和焊接性能。
f 硅(st)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。
1）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
在常见元素中仅次于磷，而较锰、镍、铬、钨、钼、钒等为强。但硅含量若超过3%时，将显著地降低钢的塑性、韧性和延展性。
2）当硅含量达到一定值时，它对钢的抗腐蚀性能有显著的增强作用。
硅含量为15%～20%的硅铸铁是很好的耐酸材料，对不同温度和浓度的硫酸、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。
3）提高钢在高温时的抗氧化性。含硅的钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成SiO2薄层。
g 铝(AL)在低合金钢中的作用
1）时能提高钢的抗氧化性，改善钢的电磁性能，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，得到了广泛的应用。
2）铝在铁素体及珠光体钢中，当它的含量较高时，材料的高温强度和韧性较低。
3）当铝含量达到一定量时，可使钢产生钝化现象，使钢在氧化性酸中具有抗蚀性，但使钢的焊接性变坏。
4）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600℃时有较好的抗硫化氢腐蚀作用。
5）铝对钢在水蒸汽、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。
h 硫(S)、氧(0)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等杂质元素在低合金钢中的作用
同在碳素钢中的作用。
3 常用高合金钢中各元素对其性能的影响
压力管道中常用的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，主要影响元素：碳(C)、铬(Cr)、钼(Mo)、镍(Ni)、钛(TI)、硅(Si)等；
杂质元素：硫(S)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等。
a 碳(C)在高合金钢中的作用
碳也是高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%。当其含碳量小于等于0.03%时，由于含碳量较低，高温强度也较低，故不宜用于525℃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。
b 钼在高合金钢中的作用
与在低合金钢中的作用相似。
c 镍(Ni)在高合金钢中的作用
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合金元素。镍与铁以互溶的形式存在于钢中的α相和γ相中，使之强化。
1）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，因此镍钢常用作低温材料。一般情况下，含镍达到3.5%的镍钢可以在-100℃低温下使用；含镍达到9%的镍钢可在－196℃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；
2）镍是有一定抗腐蚀能力的元素，对酸、碱、盐以及大气均具抗蚀能力；
镍钢不宜在含硫或一氧化碳的气氛中加热，因为镍易与硫化合，在晶界上形成低熔点的NiS网状组织而产生热脆。在高温时镍将与一氧化碳化合形成Ni(CO)4气体而由合金中逸出，从而在材料中留下孔洞；
3）在奥氏体热强钢中，镍的作用只是使钢奥氏体化。 镍不增加钢对蠕变的抗力，因此一般不作为热强钢中的强化元素。钢的强度必须靠其它元素如钼、钨、钒、铁、铝来提高。
d 钛(Ti)在高合金钢中的作用
钛是最强的碳化物形成元素，与氮、氧的亲合力也极强，是良好的脱气剂和固定氮、碳的有效元素，正因为这样，含钛的高合金钢不宜用作铸件。
1） 由于钛能固定碳，有防止和减轻材料晶间腐蚀和应力腐蚀的作用；
2）钛能提高耐热钢的抗氧化性和热强性。
e 硅(S)在高合金钢中的作用
1）各种奥氏体不锈钢中加入约2%的硅，可增强它们的高温不起皮性；
2）在铬、铬铝、铬镍、等钢中加入硅，都将提高它们的高温抗氧化性。
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