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十一个元素对钢铁性能的影响!
来源:rcd | 作者:rcd摘自 | 发布时间: 2022-03-23 | 334 次浏览 | 分享到:

                   十一个元素对钢铁性能的影响!

元素1C(碳)对钢铁性能的影响:

碳是仅次于铁的主要元素,它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和焊接性能等。 

当钢中含碳量在0.8%以下时,随着含碳量的增加,钢材的强度和硬度提高,而塑性和韧性降低;但当含碳量在1.0%以上时,随着含碳量的增加,钢材的强度反而下降。

随着含碳量的增加,钢材的焊接性能变差(含碳量大于0.3%的钢材,可焊性显著下降),冷脆性和时效敏感性增大,耐大气锈蚀性下降。

元素2S(硫)对钢铁性能的影响:

硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。它是钢中的一种有害元素。硫以硫化铁(FeS)的形态存在于钢中,FeS和Fe形成低熔点(985℃)化合物。而钢材的热加工温度一般在1150~1200℃以上,所以当钢材热加工时,由于FeS化合物的过早熔化而导致工件开裂,这种现象称为“热脆”。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。高级优质钢:S<0.02%~0.03%;优质钢:S<0.03%~0.045%;普通钢:S<0.055%~0.7%以下。由于其切屑发脆而可得到非常光泽的表面,所以可用于制要求负荷不大而具高表面光洁度的钢制件(名为快削钢),(如Cr14)有意加进少量的硫(=0.2~0.4%)。某些高速钢工具钢进行硫化表面。

元素3P(磷)对钢铁性能的影响:

磷是由矿石带入钢中的,一般说磷也是有害元素。磷虽能使钢材的强度、硬度增高,但引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时,它使钢材显著变脆,这种现象称"冷脆"。冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏,含磷愈高,冷脆性愈大,故钢中对含磷量控制较严。高级优质钢:P<0.025%;优质钢:P<0.04%;普通钢:P<0.085%。

 

P的固溶强化及冷作硬化作用很好,与铜联合使用,提高低合金高强度钢的耐大气腐蚀性能,但降低其冷冲压性能,与硫、锰联合使用,改善切削性,增加回火脆性及冷脆敏感性。

磷可提高比电阻,且由于容易粗晶而可使矫顽力和涡流损失降低,于磁感而言,则在弱中磁场下磷含量高的钢磁感会提高,含P硅钢的热加工也并不困难,但由于它会使硅钢具冷脆性,含量≯0.15%(如冷轧电机用硅钢含P=0.07~0.10%)。

磷是强化铁素体作用最强的元素。(P对硅钢再结晶温度和晶粒长大的影响将超过同等硅含量作用的4~5倍。)

元素4Cr(铬)对钢铁性能的影响:

铬能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用,可提高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆。含量超过12%时,使钢有良好的高温抗氧化性和耐氧化性腐蚀的作用,还增加钢的热强性。铬为不锈钢耐酸钢及耐热钢的主要合金元素。

铬能提高碳素钢轧制状态的强度和硬度,降低伸长率和断面收缩率。当铬含量超过15%时,强度和硬度将下降,伸长率和断面收缩率则相应地有所提高。含铬钢的零件经研磨容易获得较高的表面加工质量。

铬在调质结构中的主要作用是提高淬透性,使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能,在渗碳钢中还可以形成含铬的碳化物,从而提高材料表面的耐磨性。

含铬的弹簧钢在热处理时不易脱碳。铬能提高工具钢的耐磨性、硬度和红硬性,有良好的回火稳定性。在电热合金中,铬能提高合金的抗氧化性、电阻和强度。

元素5Mo(钼)对钢铁性能的影响:

钼在钢中能提高淬透性和热强性,防止回火脆性,增加剩磁和矫顽力以及在某些介质中的抗蚀性。在调质钢中,钼能使较大断面的零件淬深、淬透,提高钢的抗回火性或回火稳定性,使零件可以在较高温度下回火,从而更有效地消除(或降低)残余应力,提高塑性。

在渗碳钢中钼除了具有上述作用外,还能在渗碳层中降低碳化物在晶界上形成连续网状的倾向,减少渗碳层中残留的奥氏体,相对地增加了表面层的耐磨性。

在锻模钢中,钼还能保持钢有比较稳定的硬度,增加对变形。开裂和磨损等的抗力。

在不锈耐酸钢中,钼能进一步提高对有机酸(如蚁酸、醋酸、草酸等)以及过氧化氢、硫酸、亚硫酸、硫酸盐、酸性染料、漂白粉液等的抗蚀性。特别是由于钼的加入,防止了氯离子的存在所产生的点腐蚀倾向。含1%左右钼的W12Cr4V4Mo高速钢具有耐磨性、回火硬度和红硬性等。

元素6Ti(钛)对钢铁性能的影响:

钛和氮、氧、碳都有极强的亲和力,与硫的亲和力比铁强,是一种良好的脱氧去气剂和固定氮和碳的有效元素。钛虽然是强碳化物形成元素,但不和其他元素联合形成复合化合物。碳化钛结合力强,稳定,不易分解,在钢中只有加热到1000℃以上才能缓慢地溶入固溶体中。

在未溶入之前,碳化钛微粒有阻止晶粒长大的作用。由于钛和碳之间的亲和力远大于铬和碳之间的亲和力,在不锈钢中常用钛来固定其中的碳以消除铬在晶界处的贫化,从而消除或减轻钢的晶间腐蚀。钛也是强铁氧体形成元素之一,强烈的提高了钢的A1和A3温度。钛在普通低合金钢中能提高塑性和韧性。由于钛固定了氮和硫并形成碳化钛,提高了钢的强度。经正火使晶粒细化,析出形成碳化物可使钢的塑性和冲击韧性得到显著改善,含钛的合金结构钢,有良好的力学性能和工艺性能,主要缺点是淬透性稍差。在高铬不锈钢中通常需加入约5倍碳含量的钛,不但能提高钢的抗蚀性(主要是抗晶间腐蚀)和韧性;还能组织钢在高温时的晶粒长大倾向和改善钢的焊接性能。

元素7Mn(锰)对钢铁性能的影响:

Mn能提高钢材强度:由于Mn价格相对便宜,且能与Fe无限固溶,在提高钢材强度的同时,对塑性的影响相对较小。因此,锰被广泛用于钢中的强化元素。可以说,基本上所有碳钢中,都含有Mn。我们常见的冲压软钢,双相钢(DP钢),相变诱导塑性钢(TR钢),马氏体钢(MS钢),都含有锰元素。一般,软钢中的Mn含量不会超过0.5%;高强钢中的Mn含量会随着强度级别的升高而升高,例如马氏体钢,锰含量可高达3%。

Mn提高钢的淬透性,改善钢的热加工性能:比较典型的例子是40Mn和40号钢。

Mn能消除S(硫)的影响:Mn在钢铁冶炼中可与S形成高熔点的MnS,进而消弱和消除S的不良影响。但是,Mn的含量也是一把双刃剑。Mn含量并不是越高越好。锰含量的增高,会降低钢的塑性以及焊接性能。

元素8V(钒)对钢铁性能的影响:

钒和碳、氨、氧有极强的亲和力,与之形成相应的稳定化合物。钒在钢中主要以碳化物的形式存在。其主要作用是细化钢的组织和晶粒,降低钢的强度和韧性。当在高温溶入固溶体时,增加淬透性;反之,如以碳化物形式存在时,降低淬透性。钒增加淬火钢的回火稳定性,并产生二次硬化效应。钢中的含钒量,除高速工具钢外,一般均不大于0.5%。

钒在普通低碳合金钢中能细化晶粒,提高正火后的强度和屈服比及低温特性,改善钢的焊接性能。钒在合金结构钢中由于在一般热处理条件下会降低淬透性,故在结构钢中常和锰、铬、钼以及钨等元素联合使用。钒在调质钢中主要是提高钢的强度和屈服比,细化晶粒,捡的过热敏感性。在渗碳钢中因能细化晶粒,可使钢在渗碳后直接淬火,不需二次淬火。

钒在弹簧钢和轴承钢中能提高强度和屈服比,特别是提高比例极限和弹性极限,降低热处理时脱碳敏感性,从而提高了表面质量。五铬含钒的轴承钢,碳化弥散度高,使用性能良好。

钒在工具钢中细化晶粒,降低过热敏感性,增加回火稳定性和耐磨性,从而延长了工具的使用寿命。

元素9Ni(镍)对钢铁性能的影响:

镍的有益作用是:高的强度、高的韧性和良好的淬透性、高电阻、高的耐腐蚀性。

 

一方面既强烈提高钢的强度,另方面又始终使铁的韧性保持极高的水平。其变脆温度则极低。(当镍<0.3%时,其变脆温度即达‐100℃以下,当Ni量增高时,约4~5%,其变脆温度竞可降至‐180℃。所以能同时提高淬火结构钢的强度和塑性。含Ni=3.5%,无Cr钢可空淬,含Ni=8%的Cr钢在很小冷速下也可转变为M体。

Ni的晶格常数与γ‐铁相近,所以可成连续固溶体。这就有利于提高钢的淬硬性,Ni可降低临界点并增加奥氏体的稳定性,所以其淬火温度可降低,淬透性好。一般大断面的厚重件都用加Ni钢。当它同Cr、W或Cr、Mo结合的时候,淬透性尤可增高。镍钼钢还具有很高的疲劳极限。(Ni钢有良好的耐热疲劳性,工作在冷热反复。σ、αk高)在不锈钢中用Ni,是为了使钢具有均匀的A体组织,以改善耐蚀性。有Ni钢一般不易过热,所以它可阻止高温时晶粒的增长,仍可保持细晶粒组织。

元素10W(钨)对钢铁性能的影响:

钨在钢中除形成碳化物外,部分地溶入铁中形成固溶体。其作用与钼相似,按质量分数计算,一般效果不如钼显著。钨在钢中主要样图是增加回火稳定性、红硬性、热强性以及由于形成碳化物而增加的耐磨性。因此它的主要用于工具钢,如高速钢、热锻模具用钢等。

钨在优质弹簧钢中形成难熔碳化物,在较高温度回火时,能缓解碳化物的聚集过程,保持较高的高温强度。钨还可以降低钢的过热敏感性、增加淬透性和提高硬度。65SiMnWA弹簧钢热轧后空冷就具有很高的硬度,50mm2截面的弹簧钢在油中即能淬透,可作承受大负荷、耐热(不大于350℃)、受冲击的重要弹簧。30W4Cr2VA高强度耐热优质弹簧钢,具有大的淬透性,1050~1100℃淬火,550~650℃回火后抗拉强度达1470~1666Pa。它主要用于制造在高温(不大于500℃)条件下使用的弹簧。由于钨的加入,能显著提高钢的耐磨性和切削性,所以,钨是合金工具钢的主要元素。

元素11O(氧)对钢铁性能的影响:

氧在钢中是有害元素。它是在炼钢过程中自然进入钢中的,尽管在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧,但不可能除尽。钢水凝固期间,溶液中氧和碳反应会生成一氧化碳,可以造成气泡。氧在钢中主要以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂形式存在,使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。

氧会使硅钢中铁损增大,磁导率及磁感强度减弱,磁时效作用加剧。