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各化学元素对钢材的影响1、碳(C):钢中含碳量增加,屈服点和抗拉强度升高,但塑性和冲击性降低,当碳量0.23%超过时,钢的焊接性能变坏,因此用于焊接的低合金结构钢,含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力,在露天料场的高碳钢就易锈蚀;此外,碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。2、硅(Si):在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂,所以镇静钢含有0.15-0.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限,屈服点和抗拉强度,故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0-1.2%的硅,强度可提高15-20%。硅和钼、钨、铬等结合,有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用,可制造耐热钢。含硅1-4%的低碳钢,具有极高的导磁率,用于电器工业做矽钢片。硅量增加,会降低钢的焊接性能。3、锰(Mn):在炼钢过程中,锰是良好的脱氧剂和脱硫剂,一般钢中含锰0.30-0.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”,较一般钢量的钢不但有足够的韧性,且有较高的强度和硬度,提高钢的淬性,改善钢的热加工性能,如16Mn钢比A3屈服点高40%。含锰11-14%的钢有极高的耐磨性,用于挖土机铲斗,球磨机衬板等。锰量增高,减弱钢的抗腐蚀能力,降低焊接性能。4、磷(P):在一般情况下,磷是钢中有害元素,增加钢的冷脆性,使焊接性能变坏,降低塑性,使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%,优质钢要求更低些。5、硫(S):硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性,降低钢的延展性和韧性,在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利,降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%,优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫,可以改善切削加工性,通常称易切削钢。6、铬(Cr):在结构钢和工具钢中,铬能显著提高强度、硬度和耐磨性,但同时降低塑性和韧性。铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性,因而是不锈钢,耐热钢的重要合金元素。7、镍(Ni):镍能提高钢的强度,而又保持良好的塑性和韧性。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。但由于镍是较稀缺的资源,故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。8、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(长期在高温下受到应力,发生变形,称蠕变)。结构钢中加入钼,能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。9、钛(Ti):钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密,细化晶粒力;降低时效敏感性和冷脆性。改善焊接性能。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛,可避免晶间腐蚀。10、钒(V):钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒,提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物,在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。11、钨(W):钨熔点高,比重大,是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨,可显著提高红硬性和热强性,作切削工具及锻模具用。12、铌(Nb):铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性,提高强度,但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌,可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌,可防止晶间腐蚀现象。13、钴(Co):钴是稀有的贵重金属,多用于特殊钢和合金中,如热强钢和磁性材料。14、铜(Cu):武钢用大冶矿石所炼的钢,往往含有铜。铜能提高强度和韧性,特别是大气腐蚀性能。缺点是在热加工时容易产生热脆,铜含量超过0.5%塑性显著降低。当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。15、铝(Al):铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝,可细化晶粒,提高冲击韧性,如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能,铝与铬、硅合用,可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。16、硼(B):钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能,提高强度。17、氮(N):氮能提高钢的强度,低温韧性和焊接性,增加时效敏感性。18、稀土(Xt):稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属,但他们的氧化物很象“土”,所以习惯上称稀土。钢中加入稀土,可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质,从而改善了钢的各种性能,如韧性、焊接性,冷加工性能。在犁铧钢中加入稀土,可提高耐磨性。1.Al(1)Al当钢中其含量小于3~5%时,是一有益的元素。其作用是:高的抗氧化性和电阻。①作为强烈脱氧剂加进的Al,可生成高度细碎的、超显微的氧化物,分散于钢体积中。因而可阻止钢加热时的晶粒长大(含Al<10%,在加热<1200℃才有细化作用,否则其作用甚小)和改善钢的淬透性。所以这些氧化物成为结晶的中心,而在钢冷却时又对A体分解起促进作用。②作为合金元素,有助于钢的氮化,因而可提高钢的热稳定性。所以AlN本身在加热时具有高稳定性,①与②都有利于减弱钢的过热倾向。舞钢张艺①⑦⑦⑧⑧①①⓪②⑨⑨③可改善钢的抗氧化性,考虑②和③,④能提高钢的电阻,与Cr共同用于制造高电阻铬铝合金:如Cr13Al4、1Cr17Al5、1Cr25Al5。Al使电阻增高的程度比Cr还高的多。在Cr钢中加Al,会粗晶易脆,所以其量一般不超过5%,个别才有8~9%。⑤对硅钢而言,Al可减少α铁心损失,降低磁感强度,与氧结合可减弱磁时效现象,但Al的氧化物会使磁性变坏。Al(>0.5%)也会使硅钢变脆。(2)Al的不良影响①促进钢的石墨化,减少合金相中的碳溶浓度,所以硬度、强度降低。②加速脱碳当Al含量增加至3~5%时,8~9%将会大大地促进钢锭的柱状结晶过程。因此而大大增加钢的机械热加工的困难,也使钢极易脱碳。(其热加工之所以困难是因为该合金钢锭具有粗晶结构,且其晶体的解理极弱,所以导热性低,加热时容易出现大的温度差而锻裂,甚至钢锭的去皮加工都会使其晶界氧化而破坏。此外,它在800℃以上的高温长时间停置也极易变脆。一般合金钢中含Al量:合金结构钢:Al=0.4~1.1%(38CrAlA、38CrMoAlA、38CrWVAlA等)耐热不起皮钢:Al=1.1~4.5%(Cr13SiAl、Cr24Al2Si、Cr17Al4Si等)电热合金:Al=3.5~6.5%(Cr13Al4、1Cr17Al5、Cr8Al5、0Cr17Al5等)甚至Al=8%Cr7Al7:考虑电热合金受荷不大,虽有脆性,仍可使用.2.Si(1)一般合金钢中的Si含量不会高于3.5%,更多时(4.8~6.5%)将使钢具有很高的脆性。Si的有益作用:高的热强性和弹性极限,高的导磁率,涡流损失少。①象Al、Cr一样,其氧化物均是尖晶石类型的组织。其晶格常数与α-Fe、γ-Fe区别小。因为其氧化物与金属分界处的晶胞之间就紧密而强固地结合在一起,氧化皮紧密地被贴在金属上,甚至在高温下也不剥落。所以它具有很强的抗氧化性和耐热性能,而被加入耐热钢。②有利于提高钢的弹性极限,在中碳钢中加入1~2%的Si,调质中σb将增15~20%,而Aku也提高了,还提高了σs和δ。③利于促进钢中石墨化而用于炼制石墨钢。此钢可制轴承,甚至作为工具钢代替,制冲头,拉模、弯曲模等。④脱氧能力较强,是炼钢常用的脱氧剂,故一般钢中均含Si,其量≤0.5%。⑤硅可减小晶体的各向异性,使磁化容易,使磁阻减小,它还可减轻钢中其他杂质对磁场磁感的危害(使%C石墨化,脱氧,与N形成氢化硅等)。所以可大大减少涡流损失。由于硅的脆性,目前高硅钢片硅含量规定为低于4.5%,最多只为4.8%,正在研究提高至6.5%。⑥硅可显著地减慢回火马氏体在低温(200℃)时的分解速度。(在较高温度即400~500℃则作用并不显著)Si是铁素体形成元素,多加Si会使A-α转化。(2)Si的不良影响①促使石墨化,促进脱碳(它是阻止碳化物形成的一种元素),含Si钢一般不作渗碳。②促进回火脆性的发展,使塑性降低。Si对冲击韧性和韧性的温度储量的影响不是等值的。当Si=1~1.5%时作用尚良好。Si=2.5~3%时则影响不良,含Si=2~2.5%,则难以锻造。当Si≤2.3%时,矽铬钢对回火脆性的敏感性还很低,但对当Si=2.5~3.5%时,对回火脆性和敏感性就高。用这种钢必须采取韧性处理(回火后在水中浸渍,锻时用少韧处理),而当Si>3.5%时,甚至持用韧性处理也已不能消除矽铬钢的脆性。(不过,Mo的加入可使其脆性稍许改善),SI=4%时,室温下即可能脆裂。③对碳素工具钢,Si含量上升时,将降低其淬透性等级。一般结构钢中均不宜加Si,对于高速钢,不大于0.4%。④由于硅的存在,使钢中增碳困难,并使渗碳速度降低,所以此类钢多不作渗碳处理。⑤硅锰结合,Mn可下降,因为Si引起的脱碳,Si有微弱的抑制晶粒长大的作用,可稍下降,Mn引起的调质粗晶,有相互改善作用,但易生白点,应注意冶炼时原材料的干燥烘烤。⑥硅在钢中还常以Fe、Mn的硅酸盐类夹杂物而存在,均会降低钢的各种性能,塑性比硫化物低。这类夹杂物透光度很高,而反光度则低,故显微镜下常呈灰黑色。(3)一般合金钢中Si含量:一般碳钢:Si<0.5%合金结构钢:Si=0.9~1.6%(27SiMn、40CrSi、20CrMnSi、35CrMnSiA等)弹簧钢:Si=1.5~2%(55Si2Mn、60Cr2Mn等)轴承钢:Si=0.4~0.7%(GCr9SiMn、GCr15SiMn、GCr6SiMn等)工具钢:Si=0.65~1.8%(SiMn、9SiCr、5SiMnMoV、6SiMoV等)耐热钢:Si=1~4.3%(Cr17Al4Si、Cr20Si3、4Cr9Si2、4Cr3Si4等)电机硅钢片:Si=0.8~1.8%、1.8~2.8%、2.8~3.8%、3.8~4.8%为低、中、较高、高级硅钢片3、Mn(1)锰的有益作用是高的强度和耐磨性),淬透、渗碳、冷工硬化。14%(高耐磨钢),17~19%(护环钢)①作为炼钢的脱氧剂用,因为一般钢中均含Mn,其量≤0.7%。②Mn和S作用抵消S对铁的红脆影响。③Mn对各类钢的作用是:珠光体Mn钢:可提高其强度和耐磨性,塑性亦不错。所以它能细化珠光体组织。(对含碳量较高的钢,Mn↑,塑性稍有降低。对低碳钢则含Mn↑,而韧性↑。奥氏体Mn钢:有足够高的塑性和很高的耐磨性。所以Mn能增加奥氏体的稳定性,扩大γ相区得奥氏体。降低淬火时的临界冷却速度。降低钢的临界点(A1和A3)同碳量碳素钢低25~30℃,所以可提高钢的淬透性,淬火时的变形也比较小,因此适于制大截面和复杂的零件。Mn=5%时,Mn降至0℃。马氏体Mn钢:易使之发脆、淬裂。Mn易溶于铁素体内,形成弱碳化物其稳定性不强。所以加热过程中极易完全溶入奥氏休中,加之其临界点又低,所以晶粒极易粗化、极易淬裂,为此应严格控制淬火加热温度和保温时间,一般均以油淬或流动空气中冷却为宜,只有形状简单件才好用水淬。调质钢:将降低其塑性(回火脆性影响)。渗碳钢:Mn的存在能促进渗碳作用,所以能大大提高钢的表面硬度与耐磨性,尤其可贵的是在渗碳时表面软点较少,也不改变过分增碳的倾向。(渗碳后的锰钢,在最后淬火前,应进行一次正火或退火处理,以消除因长时间渗碳造成的心部过热)。结构钢:将促使其回火脆性增强。工具钢:加入约1%Mn,可减少淬火时的体积变形,这对于精密工具和长形工具来说有重要的意义。(如CrMn、CrWMn钢等)。④Mn可改善钢的焊接性和低温性能,还可减慢钢的脱碳作用。⑤Mn量中还可适当改善钢的切削性能。⑥对某些钢,Mn的作用可代Ni,能扩大γ相区得奥氏体,如模具钢(增强淬透性)、奥氏体钢等。⑦高锰钢对冷工硬化敏感,可提高钢的强度和耐磨性。(Mn=10~14%,而C=1~1.4%)⑧铬锰奥氏体钢的热强性很好,甚至可超过Cr、Ni钢,加4%Cr、Ni红热耐磨性更好。Mn价廉。(2)锰的不良影响是:①增加钢的过热敏感性(粗晶):这是由于含Mn渗碳体的稳定性不强,在加热过程中很容易完
本文标题:各化学元素对钢材的影响
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