常用金屬材料中各種化學成分對性能的影響

1、常用金屬材料中各種化學成分對性能的影響1.生鐵:生鐵中除鐵外,還含有碳、硅、錳、磷和硫等元素。這些元素對生鐵的性能均有一定的影響。碳(C:在生鐵中以兩種形態(tài)存在,一種是游離碳(石墨,主要存在于鑄造生鐵中,另一種是化合碳(碳化鐵,主要存在于煉鋼生鐵中,碳化鐵硬而脆,塑性低,含量適當可提高生鐵的強度和硬度,含量過多,則使生鐵難于削切加工,這就是煉鋼生鐵切削性能差的原因。石墨很軟,強度低,它的存在能增加生鐵的鑄造性能。硅(Si:能促使生鐵中所含的碳分離為石墨狀,能去氧,還能減少鑄件的氣眼,能提高熔化生鐵的流動性,降低鑄件的收縮量,但含硅過多,也會使生鐵變硬變脆。錳(Mn:能溶于鐵素體和滲碳體。在高爐

2、煉制生鐵時,含錳量適當,可提高生鐵的鑄造性能和削切性能,在高爐里錳還可以和有害雜質(zhì)硫形成硫化錳,進入爐渣。磷(P:屬于有害元素,但磷可使鐵水的流動性增加,這是因為硫減低了生鐵熔點,所以在有的制品內(nèi)往往含磷量較高。然而磷的存在又使鐵增加硬脆性,優(yōu)良的生鐵含磷量應少,有時為了要增加流動性,含磷量可達1.2%。硫(S:在生鐵中是有害元素,它促使鐵與碳的結(jié)合,使鐵硬脆,并與鐵化合成低熔點的硫化鐵,使生鐵產(chǎn)生熱脆性和減低鐵液的流動性,顧含硫高的生鐵不適于鑄造細件。鑄造生鐵中硫的含量規(guī)定最多不得超過0.06%(車輪生鐵除外。2.鋼:2.1.1 常存雜質(zhì)元素對鋼材性能的影響鋼除含碳以外,還含有少量錳(Mn、

3、硅(Si、硫(S、磷(P、氧(O、氮(N和氫(H等元素。這些元素并非為改善鋼材質(zhì)量有意加入的,而是由礦石及冶煉過程中帶入的,故稱為雜質(zhì)元素。這些雜質(zhì)對鋼性能是有一定影響,為了保證鋼材的質(zhì)量,在國家標準中對各類鋼的化學成分都作了嚴格的規(guī)定。1硫硫來源于煉鋼的礦石與燃料焦炭。它是鋼中的一種有害元素。硫以硫化鐵(FeS的形態(tài)存在于鋼中,FeS和 Fe 形成低熔點(985化合物。而鋼材的熱加工溫度一般在11501200以上,所以當鋼材熱加工時,由于 FeS 化合物的過早熔化而導致工件開裂,這種現(xiàn)象稱為“熱脆”。含硫量愈高,熱脆現(xiàn)象愈嚴重,故必須對鋼中含硫量進行控制。高級優(yōu)質(zhì)鋼:S0.02%0.03%;

4、優(yōu)質(zhì)鋼:S 0.03%0.045%;普通鋼:S0.055%0.7%以下。2磷磷是由礦石帶入鋼中的,一般說磷也是有害元素。磷雖能使鋼材的強度、硬度增高,但引起塑性、沖擊韌性顯著降低。特別是在低溫時,它使鋼材顯著變脆,這種現(xiàn)象稱冷脆。冷脆使鋼材的冷加工及焊接性變壞,含磷愈高,冷脆性愈大,故鋼中對含磷量控制較嚴。高級優(yōu)質(zhì)鋼: P 0.025%;優(yōu)質(zhì)鋼: P0.04%;普通鋼: P 0.085%。3錳錳是煉鋼時作為脫氧劑加入鋼中的。由于錳可以與硫形成高熔點(1600的 MnS ,一定程度上消除了硫的有害作用。錳具有很好的脫氧能力,能夠與鋼中的FeO成為MnO進入爐渣,從而改善鋼的品質(zhì),特別是降低鋼的脆

5、性,提高鋼的強度和硬度。因此,錳在鋼中是一種有益元素。一般認為,鋼中含錳量在0.5%0.8%以下時,把錳看成是常存雜質(zhì)。技術(shù)條件中規(guī)定,優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中,正常含錳量是0.5%0.8%;而較高含錳量的結(jié)構(gòu)鋼中,其量可達0.7% 1.2%。4硅硅也是煉鋼時作為脫氧劑而加入鋼中的元素。硅與鋼水中的FeO能結(jié)成密度較小的硅酸鹽爐渣而被除去,因此硅是一種有益的元素。硅在鋼中溶于鐵素體內(nèi)使鋼的強度、硬度增加,塑性、韌性降低。鎮(zhèn)靜鋼中的含硅量通常在0.1% 0.37%,沸騰鋼中只含有0.03%0.07%。由于鋼中硅含量一般不超過0.5%,對鋼性能影響不大。5氧氧在鋼中是有害元素。它是在煉鋼過程中自然進入鋼中

6、的,盡管在煉鋼末期要加入錳、硅、鐵和鋁進行脫氧,但不可能除盡。氧在鋼中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夾雜形式,使鋼的強度、塑性降低。尤其是對疲勞強度、沖擊韌性等有嚴重影響。6氮鐵素體溶解氮的能力很低。當鋼中溶有過飽和的氮,在放置較長一段時間后或隨后在200300加熱就會發(fā)生氮以氮化物形式的析出,并使鋼的硬度、強度提高,塑性下降,發(fā)生時效。鋼液中加入Al、Ti或V進行固氮處理,使氮固定在AlN、TiN或VN中,可消除時效傾向。7氫鋼中溶有氫會引起鋼的氫脆、白點等缺陷。白點常在軋制的厚板、大鍛件中發(fā)現(xiàn),在縱斷面中可看到圓形或橢圓形的白色斑點;在橫斷面上則是細長的發(fā)絲狀裂紋。鍛件中有了白點

7、,使用時會發(fā)生突然斷裂,造成不測事故。因此,化工容器用鋼,不允許有白點存在。氫產(chǎn)生白點冷裂的主要原因是因為高溫奧氏體冷至較低溫時,氫在鋼中的溶解度急劇降低。當冷卻較快時,氫原子來不及擴散到鋼的表面而逸出,就在鋼中的一些缺陷處由原子狀態(tài)的氫變成分子狀態(tài)的氫。氫分子在不能擴散的條件下在局部地區(qū)產(chǎn)生很大壓力,這壓力超過了鋼的強度極限而在該處形成裂紋,即白點。2.1.2為了合金化而加入的合金元素,最常用的有硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩,鈦,鈮、硼、鋁等?，F(xiàn)分別說明它們在鋼中的作用。1硅提高鋼中固溶體的強度和冷加工硬化程度使鋼的韌性和塑性降低;硅能顯著地提高鋼的彈性極限、屈服極限和屈強比;耐腐蝕性。硅的質(zhì)

8、量分數(shù)為15%一20%的高硅鑄鐵,是很好的耐酸材料。含有硅的鋼在氧化氣氛中加熱時,表面也將形成一層SiO2薄膜,從而提高鋼在高溫時的抗氧化性。缺點:使鋼的焊接性能惡化。2錳錳能提高鋼的淬透性。錳對提高低碳和中碳珠光體鋼的強度有顯著的作用。錳對鋼的高溫瞬時強度有所提高。缺點:含錳較高時,有較明顯的回火脆性現(xiàn)象;錳有促進晶粒長大的作用,因此錳鋼對過熱較敏感t在熱處理工藝上必須注意。這種缺點可用加入細化晶粒元素如鉬、釩、鈦等來克服:當錳的質(zhì)量分數(shù)超過1%時,會使鋼的焊接性能變壞,錳會使鋼的耐銹蝕性能降低。3鉻在鋼中的作用鉻可提高鋼的強度和硬度。鉻可提高鋼的高溫機械性能。使鋼具有良好的抗腐蝕性和抗氧化

9、性阻止石墨化提高淬透性。缺點:鉻是顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度鉻能促進鋼的回火脆性。4鎳在鋼中的作用可提高鋼的強度而不顯著降低其韌性;鎳可降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度,即可提高鋼的低溫韌性;改善鋼的加工性和可焊性;鎳可以提高鋼的抗腐蝕能力,不僅能耐酸,而且能抗堿和大氣的腐蝕。5鉬在鋼中的作用鉬對鐵素體有固溶強化作用。提高鋼熱強性抗氫侵蝕的作用。提高鋼的淬透性。缺點:鉬的主要不良作用是它能使低合金鉬鋼發(fā)生石墨化的傾向。6鎢在鋼中的作用提高強度提高鋼的高溫強度。提高鋼的抗氫性能。是使鋼具有熱硬性。因此鎢是高速工具鋼中的主要合金元素。7釩在鋼中的作用熱強性。釩能顯著地改善普通低碳低合金鋼的焊接性能。8鈦在鋼中的

10、作用鈦能改善鋼的熱強性,提高鋼的抗蠕變性能及高溫持久強度;并能提高鋼在高溫高壓氫氣中的穩(wěn)定性。使鋼在高壓下對氫的穩(wěn)定性高達600以上,在珠光體低合金鋼中,鈦可阻止鉬鋼在高溫下的石墨化現(xiàn)象。因此,鈦是鍋爐高溫元件所用的熱強鋼中的重要合金元素之一。9鈮在鋼中的作用鈮和碳、氮、氧都有極強的結(jié)合力,并與之形成相應的極為穩(wěn)定的化合物,因而能細化晶粒,降低鋼的過熱敏感性和回火脆性。有極好的抗氫性能。鈮能提高鋼的熱強性10硼在鋼中的作用;提高鋼的淬透性。提高鋼的高溫強度。強化晶界的作用。11鋁在鋼中的作用用作煉鋼時的脫氧定氮劑,細化晶粒,抑制低碳鋼的時效,改善鋼在低溫時的韌性,特別是降低了鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度;

11、提高鋼的抗氧化性能。曾對鐵鋁合金的抗氧化性進行了較多的研究;4%AI 即可改變氧化皮的結(jié)構(gòu),加入6%A1可使鋼在980C以下具有抗氧化性。當鋁和鉻配合并用時,其抗氧化性能有更大的提高。例如,含鐵50%一55%、鉻30%一35%、鋁10%一15%的合金,在1 400C 高溫時,仍具有相當好的抗氧化性。由于鋁的這一作用,近年來,常把鋁作為合金元素加入耐熱鋼中。此外,鋁還能提高對硫化氫和V2O5,的抗腐蝕性。缺點:脫氧時如用鋁量過多,將促進鋼的石墨化傾向。當含鋁較高時.其高溫強度和韌性較低。2.2合金元素對鋼的主要工藝性能的影響:鋼的主要工藝性能有:冷態(tài)成型性、切削性、焊接性能、熱處理工藝性、鑄造性

12、能等2.2.1 合金元素對鋼的冷態(tài)成型性的影響冷態(tài)成型性:冷態(tài)成型包括許多不同的冷成型工藝,如深沖、拉延成型和彎曲等。其冷態(tài)成型工藝性能優(yōu)劣涉及被變形材料的成分、組織和冷變形工藝參量(模具形狀、變形量、變形速度、潤滑條件等。與冷態(tài)成型性有關(guān)的材料性能參量有:低的屈服強度高的延伸率高的均勻伸長率高的加工硬化率(n值,高的深沖性參量(r值適當而均勻的晶粒度;控制夾雜物的形狀和分布;游離滲碳體的數(shù)量和分布。1冷軋薄鋼板:碳:碳含量增加會使拉延能力變壞,因此絕大部分鋼板都采用低碳鋼。錳:錳的影響和碳相似,但適當?shù)暮靠梢詼p輕硫的不良作用。磷、硅:磷和硅溶于鐵素體引起強化并略影響塑性,降低拉延性能。2熱

13、軋鋼板選用沖壓用熱軋鋼板時,既要考慮強度要求,也要考慮沖壓性能。碳:碳是對熱軋鋼板沖壓性能影響最大的元素。對于沖壓用的熱軋鋼板,一般不宜以增加碳的辦法來提高強度,應采用添加合金元素來提高鋼的強度。硫:硫在鋼中形成硫化物夾雜,在軋制中拉長,分割金屬基體降低塑性,影響沖壓性能。2.2.2 合金元素對鋼的切削加工性的影響非金屬夾雜物是決定鋼的切削性的主要因素。非金屬夾雜物的類型、大小、形狀、分布和體積百分數(shù)不同,對切削性的影響也不同。為了達到改善鋼的切削性的目的,這些非金屬夾雜物必須滿足下列四個條件:在切削運動平面上,夾雜物必須作為應力集中源,從而引起裂紋和脆化切屑的作用。夾雜物必須具有一定的塑性,

14、而不致切斷金屬的塑性流變,從而損害刃具的表面。夾雜物必須在刃具的前面與切屑之間形成熱量傳播的障礙。夾雜物必須具有光滑的表面,而不能在刃具的側(cè)面作為磨料。鋼的切削性的提高主要還是通過加入易削添加劑,例如S、P、Pb、Bi、Ca、Se(硒、Te(碲等。硫是了解最清楚和廣泛應用的易削添加劑。當鋼中含足夠量的Mn時,S的加入將形成MnS夾雜物。加S的碳鋼可以提高切削速度25%或更高,它取決于鋼的成分和S的加入量。約1%體積份額的MnS, 可以使高速鋼刃具的磨損速率迅速下降。MnS夾雜物在切削剪切區(qū)作為應力集中源,可以起裂紋源的作用,并隨后引起切屑斷裂。因此,隨著MnS 體積份額的增加,切屑破斷能力得到

15、改善。 MnS 夾雜物還可能在切屑刃具表面沉積為MnS薄層,這種薄層可以降低刃具與切屑的摩擦,導致切削溫度和切屑力的降低,并減少刃具的磨損或成為熱量傳播的障礙,從而延長刃具的使用壽命。 Pb 是僅次于S的常用易削添加劑。Pb 對切削加工性的有益效應,不取決于MnS的存在,因而可以加到低S鋼和加S鋼中。在不添加S的鋼中,Pb以分散的質(zhì)點形式分布于鋼中。在加S鋼中, Pb首先與MnS結(jié)合。與S相似,Pb可以作為內(nèi)部潤滑劑降低摩擦力,并轉(zhuǎn)過來降低剪切抗力,并減小切屑與刃具的接觸面積,從而降低刃具的磨損。近年來許多注意力已經(jīng)轉(zhuǎn)到通過Ca脫氧生產(chǎn)易削結(jié)構(gòu)鋼上。通過用Ca-Si和Si-Fe合金控制脫氧,可以形成特定的CaO-MnO-SiO2-Al2O3四元非金屬夾雜物,它在機加工時,將在刃具磨損表面沉積為一個薄層(約20m。這種薄層是磨損的障礙,因而可延長碳化物刃具的使用壽命。鋼的焊接性是一個很復