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合金元素对钢材性能的主要影响

大型锻件

元素名称

对钢材性能的主要影响

碳(C

钢中碳含量对于冶炼、轧制和热处理的温度制度均有极大影响。碳含量在 0.25% 以下的低钢塑性很好,没有淬硬倾向,焊接性也好。碳含量为 0.25% 0.60% 的中碳钢综合性能良好(即强韧性均好),碳含量≥0.60%属高碳钢,硬度高、望性差。碳在轴承钢和工、模具钢中,形成多种高硬度碳化物。可提高钢的硬度和耐磨性。

硅(Si

硅在炼钢过程中是主要的还原剂和脱氧剂,镇静钢一般含有 0.15%0.30% 的硅。在室温下钢中的硅能溶于铁素体,对钢有一定的强化作用。如果钢中硅含量超过 0.50% 0.60%,可显著提高钢的弹性极限、屈服点和抗拉强度,故可被用于弹簧钢。硅和钼、钨、铬等结合,有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用,能用以制造耐热钢。硅含量1% 4% 的低碳钢,具有极高的磁导率,是电工硅钢片的原料。硅含量较高时,易导致冷脆,存在于中碳钢和高碳钢里回火时易产生石墨化。

锰(Mn

锰在碳素结构钢中的含量为0.50% 1.50%,在优质碳素结构钢中为0.20% 1.20%。是主要脱氧、除硫元素。对于镇静钢来说,锰可以提高硅和铝的脱氧能力,钢中的锰形成的氧化物有部分可与确结合而生成球形,高熔点的硫化锰,它在高温下具有一定塑造性,从而可减轻硫所造成的热脆性,在一定程度上可消除硫在钢中的有害影响。另一部分锰溶于铁素体引起固溶强化,使钢在轧后冷却时得到比较细且强度较高的珠光体,可提高钢热轧后的硬度和强度,对断面收缩率(Z) 和冲击韧性(Akv)略有影响。锰是一种强烈扩大γ相区的元素,可用于高锰奥氏体耐磨钢、高强度无磁钢、奥氏体不锈钢和耐磨钢。

磷(P

磷随原料进入钢中,磷有极强的固溶强化作用,能全部溶于铁素体中,使钢的强度、硬度增加,而显著降低其塑性和韧性。这种脆化现象在低温时更为严重,称“冷脆”。特别是磷在结晶过程中,由于容易产生晶内偏析,使局部磷含量偏高,致使冷脆转变温度升高,危害更大。此外,磷的偏析还使钢材在热轧后形成带状组织。在钢中要尽量降低磷的含量(一般钢小于 0.045,优质钢则要求瞬量更低)。在一定条件下,磷与铜的共同使用会提高低合金高强度钢的耐大气腐蚀性能。

硫(S

硫是随原料及燃料进人钢中的。在固态下,钢中的硫以 FeS 的形态存在,其溶解度极小,由于FeS的塑性差,使含硫较高的钢脆性大。尤其是FeS Fe可形成低熔点的共晶体分布在奥氏体的晶界上,当钢加热到1200 进行压力加工时,由于晶界处共晶体溶化,晶粒间结合被破坏,使钢材在加工过程中沿晶界开裂,这种现象称为“热脆”。为了消除硫的有害作用,要严格限制硫的含量,并适当增加钢中锰含量。通常情况下硫被认为是有害成分,但硫含量较多的钢,因为能形成较多的 MnS,在切削加工中,能起润滑和断屑作用,可改善钢的切削加工性,所以是易切削钢的常用添加剂。

铬(Cr

铬是贵重金属,它有固溶强化的作用,使钢具有热硬性,能提高高温性能、抗氧化性和耐腐蚀性,是高温合金及超硬高速钢的重要合金元素。

在结构钢和工具钢中,铬能显著提高强度、硬度和耐磨性,但会降低塑性和韧性。能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性,因而也是不锈钢、耐热钢的重要合金元素。

镍(Ni

镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力,在高温下有防锈和耐热能力,但价格昂贵,是我国的稀缺资源,常在高级合金钢中与铬、钼联合使用,为热强钢及不锈钢以及高温合金的主要合金元素。镍能提高钢的强度并保持良好的塑性和韧性。

铜(Cu

铜含量高时,对热变形加工不利,如超过0.3%,在热变形加工时会导致高温铜脆现象,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,特别是铜与磷同时存在,可提高钢的抗大气腐蚀性,2% -3% 的铜在不钢中可提高对硫酸、磷酸及盐酸的抗腐蚀能。

钨(W

钨熔点高,密度大,是中国储量丰富的合金。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢里加钨,可显著提高红硬性和热强性,适宜制造工、模具钢及硬质合金等

钼(Mo

钼能使钢的晶粒细化,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。结构钢中加人钼,能提高力学性能,还可以抑制合金钢由于回火而引起的脆性,在工具钢中可提高红硬性、耐磨性。

钒(V

钒固溶于铁素体中产生极强的固溶强化作用,可以细化晶粒,钒固溶于奥氏体中可提高钢的淬透性,提高低温冲击韧性。但化合状态存在的钒,会降低钢的淬透性、增加钢的回火稳定性,并有很强的二次硬化作用。碳化钒是一种硬度极高、耐磨性极好的金属硬化物,可明显提高工具钢的寿命,提高钢的蠕变和持久强度。

钛(Ti

钛是钢的强脱氧剂,它能使钢的内部组织致密,细化晶粒,降低时效敏感性和冷脆性。钛的固溶强化作用强,固溶于奥氏体中提高钢的淬透性,但又会降低固溶体的韧性。钛化合物会降低钢的淬透性、改善回火稳定性并有二次硬化作用。能提高耐热钢的抗氧化性和热强性、蠕变和持久强度,对于改善钢的焊接性有良好的作用。

铌(Nb

近年来发展起来的微合金钢(合金元素含量小于0.1%的钢),主要使用铌、钒、钛为合金元素,其中铌对于提高钢的强度有突出的作用。它的特点是能与碳、氮结合成氮化物和碳氮化物。这些化合物在高温下溶解,在低温下析出。其作用是加热时阻碍原始奥氏体晶粒长大、在轧制过程中抑制再结晶及再结晶后的晶粒长大,在低温时析出起强化的作用。微合金钢所加人的微量元素能提高强度,但必须采用控轧工艺进行压力加工,否则韧性反而变坏。这是因为控轧工艺可使晶粒细化,从面抵消因析出强化而引起的韧性恶化。

铝(Al

铝是化学性质极为活泼的元素之一,和氧、氮都有很强的亲和力。为了脱氧,炼钢通常都要加人铝。它可以细化晶粒、阻抑低碳钢的时效,提高钢在低温下的韧性,当被用作合金元素时能提高钢的抗氧化性,也可用以改善钢的电磁性能、提高渗氮钢的耐磨性和疲劳强度。因此被广泛应用于渗氮钢、耐热不起皮钢、磁钢、电热合金中。

硼(B

硼是化学性质极为活泼的元素之一,和氮、氧、碳都有很强的亲和力,加入钢中主要是为提高淬透性,在 300400℃进行回火能提高冲击性,常用来生产齿轮钢、弹簧钢、耐热钢等。但用于高碳钢或钢中的残余氧含量高时,会影响其应有的作用。

氮(N

钢中的氮来自炉料,在冶炼、浇铸时钢液从炉气和大气中会吸收氮。氮引起碳钢的淬火和形变时效从而对碳钢的性能发生显善的影响。由于氮的时效作用,钢的硬度、强度虽然有所提高,但是塑性和韧性却会降低,特别是在形变时效的情况下,塑性和韧性的降低很显著。对于普通低合金钢来说,时效现象是有害的,因而,氮被视为有害元素。

但应用于某些细晶粒钢及含钒、铌钢,超级不锈钢时,则由于氮化物有强化和细化晶粒的作用,因此近年来又发现了它的有益作用。另外,作为合金元素,氮被用在一些不锈耐酸钢中以及氮化处理中,氮化处理能使机器零件获得极好的综合力学性能,延长零件的使用寿命,所以氮化处理是工具钢用来提高硬度的一种方法。

铅(Pb

铅的熔点很低,在钢中以低熔点的细小金属颗粒形态分布于晶界,造成脆性,对于一般钢而言它是有害元索。然而用以制造铅易切钢时,由于铅会附着于硫化物的周围,当切削时熔融铅渗出,起润滑和断屑作用,减少缠绕刀具;而且,在提高钢的切削性的同时它对常温力学性能的影响不大。

稀土(Re

稀土元素是指元素周期表中原子序数为57 ~71 15个镧系元素,以及钇、钪在内的共17个元素。稀土元素可以改善钢的铸态组织,改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质,从而改善钢的各种性能,如韧性、焊接性、冷加工性能,并可以提高抗氧化性、高温强度及蠕变强度,增加耐腐蚀性。

氢(H

钢中的氢是由含水或锈蚀的炉料带入的,或者从含有水蒸气的空气中吸收得到的。氢对钢的危害很大,会引起“氢脆”,即在低于钢材许用应力的情况下,经一定的运行时间后,钢材在无任何预兆的情况下会突然断裂,造成灾难性的后果;也会造成钢材内部产生大量细微裂纹——白点,即在钢的横断面上出现光滑的银白色斑点,在酸洗后的纵断面上呈现发丝样的裂纹。这种发纹使钢材的伸长率断面收缩率和冲击韧性显著下降,这类缺陷常发生在合金钢中,危害严重。

氧(O

氧在钢中的溶解度很低,几乎全部以氧化物夹杂形式存在于钢中,如 Fe0AL2O3MnOCaOMgO等。除此之外,钢中还存在 FeSMnS、硅酸盐、氮化物及磷化物等。这些夹杂物破坏了钢基体的连续性,在静载荷和动载荷的情况下都会成为裂纹源。这些非金属夹杂物的各种状态不同程度地影响钢的塑性、韧性、疲劳强度和抗腐蚀的性能。


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