各种金属元素对材料性能影响

钢中常见元素对钢的各种性能影响1、SiSi的熔点1410℃，是缩小γ相区、形成γ相圈的元素，在α铁和γ铁中的溶解度分别为18.5%及2.15%。Si是钢中常见元素之一，Si和氧的亲和力仅次于铝和钛，而强于Mn、Cr、V。所以在炼钢中为常用的还原剂和脱氧剂。为保证质量，除沸腾钢的半镇静钢外，Si在钢中含量应不小于0.10%，作为合金元素一般不低于0.4%Si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。Si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P，而较Mn、Ni、Cr、W、Mo、V等为强。但Si量超过3%，将显著降低钢的塑性、韧性和延展性。低Si含量对钢的抗腐蚀性能有显著增强作用。Si含量为15~20%的Si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HF酸中则不稳定。高Si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SiO2薄层，阻碍着酸的进一步向内侵蚀。含Si的钢在氧化气氛中加热时，表面也形成SiO2薄层，从而提高钢在高温时的抗氧化性。在Cr、Cr-Al、Cr-Ni、Cr-W等钢中加Si，都将提高它们的高温抗氧化性能。各种奥氏体不锈钢中加入约2%的Si，可以增强它们的高温不起皮性。Mn钢加Si也可以提高它的抗氧化性。但Si含量高时，钢的表面脱碳倾向加剧。Si提高钢中固熔体的硬度和强度，从而提高钢的屈服强度和抗拉强度。在普通低合金钢中，Si还可以增强钢在自然条件下的耐腐蚀性，特别时增高局部腐蚀的抗力。Si含量较高时，对焊接性不利，并易导致冷脆，还降低钢的被切削性；对中高碳钢回火时易产生石墨化。2、MnMn的熔点1244℃，扩大γ相区，形成无限固熔体。Mn与硫形成MnS，是良好的脱氧剂和脱硫剂，可防止因硫而导致的热脆现象，从而改善钢的热加工性能。在工业用钢中一般都含有一定数量的Mn。Mn与Fe形成固溶体，提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度；同时又是碳化物的形成元素，进入渗碳体中取代一部分铁原子。Mn在钢中由于降低临界转变温度，起到细化珠光体的作用，也间接起到提高珠光体钢强度的作用。Mn还强烈增加钢的沾透性。Mn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。Mn在钢中部分与铁互溶，形成固溶体（铁素体或奥氏体）部分和铁碳化合，形成渗碳体。Mn对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。但使钢的延展性有所降低。Mn对钢的焊接性有不利影响。为改善钢的焊接性，应在许可的范围内适当降低钢的碳含量。焊接时也需采用优质低氢焊条和相应的焊接工艺。在普通低合金钢中，利用Mn可起到强化铁素体和细化珠光体的作用，以提高钢的强度，其含量一般在1~2%，含Mn的普通低合金钢发展十分迅速。3、AL在钢中的作用Al的熔点660℃，是强烈缩小γ相区、形成γ相圈的元素，在α铁和γ铁中的最大溶解度分别为36%及0.6%，它与氮及氧的亲和力很强。铝在钢中的作用，一是作炼钢时的脱氧定氮剂，并细化晶粒，阻抑碳钢的时效，提高钢在低温下的韧性；二是作为合金元首加入钢中提高钢的抗氧化性、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，得到了广泛应用。在铁锰铝系合金中，铝作为主要合金加入耐热钢、低温钢和无磁钢中。铝可提高钢在氧化性酸中的耐蚀性。铝在铁素体及珠光体钢中，当铝含量较高时，其高温强度和韧性较低。铝和碳虽然可以化合成Al4C3和Al3C，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。铝细化钢的本质晶粒，提高钢晶粒粗化的温度。由于铝细化钢的晶粒，固定钢中的氧和氮，因此可以减轻钢对缺口的敏感性，减少或消除刚的时效现象，并提高钢的冲击韧性，特别是降低钢的脆性转变温度。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。铝还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H2S侵蚀作用。铝对于钢在水蒸汽、氮气、特别是在氯气及其化合物气氛中的抗蚀作用是不利的。在钢铁材料表面渡铝或渗铝，可提高其抗氧化性和在工业性和海洋性气份中的抗蚀性。铝作为合金元素加入钢中，显著提高钢的抗氧化性，当铝与铬配合并用时，其抗氧化性可得到更大的提高。但使钢的焊接性变坏。含铝的钢渗氮后，在钢件表面牢固地形成一层薄而硬的弥散分布的氮化铝层，从而提高其硬度和疲劳强度，并改善其耐磨性。铝在高温合金中，与镍形成γˊ相（Ni3AL），从而提高其热强性。在磁性材料中，改善钢的电磁性能。对沾透性影响不显著，有促进石墨化倾向。近年来我国研究成功的15Al3MoWTi钢，铝含量为2.2~2.8%，是一中无镍铬的低合金耐蚀钢，曾用于炼油厂的裂化、焦化分馏塔低、常压蒸馏塔顶等典型部位代替碳素钢和0Cr13不锈钢使用，在含硫及H2S的腐蚀条件下，其耐蚀性优于0Cr13而比碳素钢提高数十倍。可作加热炉炉管以及工作在550~650℃各种耐蚀不起皮钢构件，性能优于Cr5Mo钢。铝是高锰低温钢的主要合金元素，一定含量的铝，有提高铁锰奥氏体稳定性，抑制β-Mn相变的作用，从而使铝在低温钢中得到了应用。4、钼（MO）在钢中的作用钼：熔点2610℃，是使γ相区缩小、形成γ相圈的元素，在α铁和γ铁中的最大溶解度分别为4%及37.5%。钼在钢中存在于固溶体相和碳化物中。钼属于强碳化物形成元素，当其含量较低时，与铁及碳形成复合的渗碳体；当含量较高时，则形成特殊碳化物，在较高回火温度下，由于弥散分布，有二次硬化作用。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。钼是提高钢热强性最有效的合金元素，主要在于强烈地提高钢中铁素体对蠕变的抗力。此外，还可有效地抑制渗碳体在工作温度450~650℃下的聚集，促进弥散的特使碳化物的析出，从而进一步地起到了强化作用。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。钼加入钢中，也能使钢表面钝化，但作用不如铬显著，钼与铬相反，它既能在还原性酸（HCl、H2SO4、H2SO3）中又能在强氧化性盐溶液（特别是含有氯离子时）中，使钢表面钝化，因此，钼可以普遍提高钢的抗蚀性能。钼通常与其它元素如锰、铬等配合使用，可显著提高钢的沾透性；钼含量约0.5%时，能抑止或减低其它合金元素导致的回火脆性。它还提高耐热钢的热强性和蠕变强度；含量2~3%时能增加不锈钢的抗有机酸及还原性介质腐蚀的能力。钼加入铁素体耐酸钢中，也显著地提高钢对醋酸及含氯离子溶液的抗蚀性。在含有氯化物的溶液中，常会引起材料的点腐蚀。钢中加入钼后，在很大程度上这种倾向被减缓或抑止。钼是提高珠光体钢热强性最有效的合金元素。自含钼0.5%的低碳钢用于锅炉管后，一系列二元和多元的含钼珠光体钢被广泛应用于动力、石油和化学工业中。如15CrMo、12CrMoV、Cr5Mo等。钼同样也能提高马氏体钢和奥氏体钢的热强性。5、钨在钢中的作用钨：熔点3380℃，缩小γ相区、形成γ相圈的元素，在α铁和γ铁中的最大溶解度分别为3。3%及3.2%。它是强碳化物形成元素，常形成特殊碳化物。钢中钨含量高时有二次硬化作用，有红硬性，以及增加耐磨性。钨对钢的沾透性、回火稳定性、机械性能等的影响均与钼相似。但以重量计，其作用效果不如钼显著。钨提高钢在高温下的蠕变抗力与热强性，当与钼复合使用时，效果更佳。钨能提高钢的抗氢作用的稳定性。钨通常加入低碳和中碳的高级优质合金结构钢中，钨能阻止热处理时晶粒的长大和粗化，降低其回火脆化倾向，并显著提高钢的强度和韧性。6、钒在钢中的作用钒：熔点1730℃，缩小γ相区、形成γ相圈，在α铁中无限固溶，在γ铁中的最大溶解度约为1.35%。它和碳、氧、氮都有较强的亲和力，为强碳化物及氮化物形成元素。钒对钢的沾透性影响和钛相似。它在钢中的作用主要是细化钢的组织和晶粒，提高晶粒粗化温度，从而降低钢的过热敏感性，并提高钢的强度和韧性等。少量的钒是钢晶粒细化，韧性增加，这对低温用钢是很重要的一项特性。钒能有效地固定钢中的碳和氮，因此钢中加入微量的钒可消除低碳钢甚至沸腾钢的时效现象。钒细化钢的晶粒，提高钢正火后的强度和屈服比及低温韧性，改善钢的焊接性能，因此成为普通低合金钢的一种比较理想的合金元素，含钒钢用于制造低温结构或低温设备等。钒在钢中，如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，因而可以增加钢的热强性和对蠕变的抗力。一系列的CrMoV钢已成为制造锅炉、汽轮机的主要钢种。如12CrMoV及12Cr1MoV用于过热器钢管、导管及相应的锻件等。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，过低不足以固定所有的碳，因而不足以有效地抗氢腐蚀作用；过高则有部分的钒溶入铁素体中降低其塑性。如20Cr3MoWVA钢，钒含量为0.75~0.85%，为一种高压抗氢用钢，用于10MPa和520℃以下工作的高压加氢设备的零件。7、钛在钢中的作用钛：熔点1812℃，缩小γ相区、形成γ相圈，在α铁及γ铁中的最大溶解度为7%和0.75%。钛是最强的碳化物形成元素，与氧、氮的亲和力也极强，是良好的脱气剂和固定碳氮的有效元素。在低碳钢中加入足够钛，可消除应变时效现象，由于钛可促进渗碳层的形成，二创制了含钛的“快速渗氮钢”。在不锈钢中，由于钛固定碳，有防止和减轻钢的晶间腐蚀和应力腐蚀的作用。钛固溶状态时，固溶强化作用极强，但同时降低韧性。钛固溶于奥氏体中，提高钢的沾透性很显著，而以碳化钛微粒存在时，由于它细化钢的晶粒，并成为奥氏体分解时的有效晶核，反使钢的沾透性降低。钛含量高时析出弥散分布的拉氏相，而产生时效强化作用。钛还提高耐热钢的抗氧化性和热强性。在高镍含铝合金中形成γˊ相{Ni3（Al，Ti）}，弥散析出，亦提高热强性。目前，钛越来越多地被用作航空、宇航工业材料。在碳素钢、低合金铬钼钢中加入钛，能提高它们的持久强度和蠕变强度。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。为防止氢对碳素钢的侵蚀，通常在钢中加入强碳化物形成元素，如铬、钼、钨、钒等，使其产生比较稳定的复合或特殊的碳化物以抵抗氢的破坏作用。当钢中的钛含量达到碳含量4倍时，可使钢在高压下对氢的稳定性几乎高达600℃以上。在不锈耐酸钢中加入钛，能提高抗蚀性，特别是对晶间腐蚀。低碳碳素钢和低合金钢，如其中钛、碳含量比超过4.5时，由于钢中的氧、氮和碳可以全部被固定住，对应力腐蚀和碱脆也有很好的抗力。8、铬在钢中作用铬：熔点1920℃，缩小γ相区、形成γ相圈元素，在α铁中无限固溶，在γ铁中的最大溶解度约为12.5%。铬属于中等碳化物形成元素，随铬含量的增加，可形成（Fe，Cr）3C，（Cr，Te）7C3，（Cr，Te）23C6等碳化物，对钢的性能有显著影响。铬增加钢的沾透性并有二次硬化作用。在不锈耐热钢中，当铬含量超过12%时，具有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀作用，并增加钢的热强性。但含量高时或处理不当，易发生σ相和475℃脆相。在单一的铬钢中，焊接性能随铬含量增加而恶化。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，对钢有不利影响，冲击值随铬含量的增加而下降。9、镍在钢中的作用镍：熔点1453℃，扩大γ相区，形成无限固溶体，在α铁中的最大溶解度约为10%。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。镍细化铁素体晶粒，改善钢的低温性能，特别是韧性，因此在很低温度下工作的材料，可采用纯镍钢种。但镍大多与铬、钼等配合使用。由于镍可降低临界转变温度和降低钢中各元素的扩散速度，因而提高钢的沾透性。目前镍在全世界范围内都是一种稀缺的元素。作为钢的一种元素，应该只在不能用其它元素来获得所需要的性能时，才考虑使用它。镍可降低钢低温脆化转变温度，含镍3.5%的钢可以在-100℃时使用，含镍9%的钢可在-196℃时使用。镍不增加钢对蠕变的抗力，因此不作