金屬中氣體元素原定義為氧、氮、氫三種填隙式相元素，我國自1953年開展金屬中氣體分析工作以來，已有46年歷史。它們以溶液和剩余相夾雜物的形式處于固體的和熔融的金屬系統中，在一定條件下，這些元素在金屬中形成真正的氣體雜質，由于這種原因，氫、氧、氮稱為“金屬中氣體生成元素”即這些元素可以在由凝聚相轉變成氣相后用氣體分析器來測定。在實驗過程中，由于氣態(tài)反應產物的排出而使平衡移動時，氫、氧、氮和碳在高溫和試劑的作用下可以從金屬中定量在析出到氣相中。這些化合物－H2O2、N2、CO、CO2、CH4、NH3、H2O等可以用氣體分析方法來測定。因此象形成SO2、H2S、SO3等類化合物的硫也屬于氣體生成元素。這樣金屬中氣體元素分析廣義上指－將在分析過程中能形成氣體狀態(tài)而分析的碳、硫、氧、氮、氫五元素。

    在與金屬接觸的氣體中，無論是地球的大氣，真空系統的殘留氣體，或惰性氣體中，總是有氫、氧、氮、碳、硫。因此在地球上不可能得到完全不含“氣體”元素的金屬。隨著科學技術的發(fā)展，我們可以通過廣泛的科學研究進一步探討和認識氣體元素在金屬中的行為，已弄清了過去所不知道的固體中氣體雜質形成的來源。作為理想的金屬晶格而言，氫、氧、氮、碳(硫除外，它不屬于間隙相元素)，在達到一定濃度值以前，將僅以間隙溶液形式存在。半徑分別接近于0.46、0.7、0.71、0.77(A°)的氫、氧、氮、碳的原子填充到金屬晶格的結點中間并不置換金屬原子，使晶格對稱性稍有扭曲。除間隙固溶體外，氣體在金屬中還能以剩余相(凝聚相和氣態(tài)相)形式，圍繞位錯堆聚的形式以及在內表面上的吸著形式存在。

    在相同的晶體結構范圍內氫、氧、氮、碳在金屬中的最大溶解度隨著原子序數的增加，按鈦－鋅，鋯－鎘，鉿－汞的方向，從百分之幾十降到千分之幾(原子百分數單位)，在某些情況下，已達到用目前可行的方法所能檢測的范圍以外。在超過氣體元素溶解度極限的情況下(在一定的溫度和分壓下)，剩余相的形式的析出過程就開始了。

    在實際金屬中，雜質氣體元素由氣相經表面層轉入凝聚相可以分為吸附、分解、表面溶液的形成、擴散、溶解雜質氣體元素在固溶體和結構缺陷間的分配，剩余相的成核和析出幾個階段。氣體雜質元素的原子在間隙固溶體和位錯附近的堆聚區(qū)之間可以達到平衡分配，在溫度急劇改變的情況下，原先接近平衡的氣體－金屬系統變成不平衡，為吸著和解吸過程的發(fā)展提供條件。

    在金屬原子的密堆積點陣中，存在兩種填隙位置，即坐標數為6的“八面體的”位置和坐標數為4的“四面體的”位置，氣體元素占據哪種位置取決于與其體積相適應的最高坐標數。較大的原子往往會占有八面體位置，而較注的則占有四面體的點陣位置，即氫傾向于占據填隙式四面體位置，而較大的氧和氮原子傾向于占據密堆積金屬晶格中八面體的位置。

    氣體在金屬中的溶解度在相應溫度和溶化溫度下都出現突變。鐵的a和d相是體心立方結構，而g相鐵是面心立方結構，填隙元素在面心立方晶格中的溶解度較大。

    氣體元素能使鋼材產生縮孔、氣泡、疏松、點狀偏析、裂紋等缺陷?？s孔是鋼錠冷卻收縮時，因無液體補充而在鋼錠內部形成的孔洞。鋼中氣泡是由于鋼錠凝固時，碳－氧反應生成的氣泡來不及排除就被圍在鋼錠內部產生的。疏松是一種微小孔洞分布在鋼材內部。點狀偏析形成的原因是鋼件中已凝固或已呈糊狀的金屬部份，存在氣泡或收縮孔隙，這些位置隨后為富含低熔點組元和雜質的溶液所填充，就造成了點狀偏析，點狀偏析嚴重的鋼中氣體元素含量往往較高。而裂紋的產生通常是由于鋼液凝固過程中發(fā)生了夾雜質物的集聚和氣體溶解度的降低，并且一般集中在晶粒邊界，形成了薄弱環(huán)節(jié)，以后當熱處理或壓力加工時產生的應力超過強度時，這種地方容易開裂產生裂紋。鋼中氣體元素除了與其它各種因素綜合作用產生許多缺陷外，其本身還會對鋼材性能產生各自獨有的影響。

    鋼中氧對鋼材性能的影響

    氧對于把鐵冶煉成鋼是不可缺少的。鐵中的雜質元素碳、硅、錳、磷、硫等就是通過氧化來去除或使之降低到需要的程度。但是在冶煉結束時，鋼液中如殘留過多的氧，鋼液凝固后會在鋼錠內部產生大量的氣泡和非金屬夾雜物，影響鋼材質量，因此鋼液成份達到所煉鋼種的要求后，又必須采取加入脫氧劑的方式來降低鋼液中的氧含量，但最終總會有少量氧主要以氧化物夾雜的形態(tài)存在于鋼中。

    鋼中氮及其對鋼材性能的影響

    鋼中氮主要來源于爐料和大氣，它對鋼性能的影響與氫和氧有些不同，氫、氧尤其是氫對鋼材產生非常有害的影響。因此在冶煉過程中盡量設法去除。而氮作為雜質元素雖在一定條件下導致鋼材的藍脆、時效等現象，并且超過某一限度時易在鋼中形成氣泡、疏松等缺陷。但它對鋼材性能還有有利的作用，已被認為是一種重要的合金元素，并用中間合金和滲氮的方法加入鋼中，以獲得所需的鋼材性質。

    鋼中氫及其對鋼材性能的影響

    氫對鋼造成很多嚴重缺陷，危害性極大。白點是氫造成的嚴重缺陷之一。五十年代美國曾發(fā)生幾起發(fā)電機轉子，汽輪機轉子和葉輪脆性斷裂的嚴重事故，據斷口分析其原因之一就是存在白點。