常用金属材料中各种化学成分对性能的影响

常用金属材料中各种化学成分对性能的影响1．生铁：生铁中除铁外，还含有碳、硅、锰、磷和硫等元素。这些元素对生铁的性能均有一定的影响。碳（C）：在生铁中以两种形态存在，一种是游离碳（石墨），主要存在于铸造生铁中，另一种是化合碳（碳化铁），主要存在于炼钢生铁中，碳化铁硬而脆，塑性低，含量适当可提高生铁的强度和硬度，含量过多，则使生铁难于削切加工，这就是炼钢生铁切削性能差的原因。石墨很软，强度低，它的存在能增加生铁的铸造性能。硅（Si）：能促使生铁中所含的碳分离为石墨状，能去氧，还能减少铸件的气眼，能提高熔化生铁的流动性，降低铸件的收缩量，但含硅过多，也会使生铁变硬变脆。锰（Mn）：能溶于铁素体和渗碳体。在高炉炼制生铁时，含锰量适当，可提高生铁的铸造性能和削切性能，在高炉里锰还可以和有害杂质硫形成硫化锰，进入炉渣。磷（P）：属于有害元素，但磷可使铁水的流动性增加，这是因为硫减低了生铁熔点，所以在有的制品内往往含磷量较高。然而磷的存在又使铁增加硬脆性，优良的生铁含磷量应少，有时为了要增加流动性，含磷量可达1.2%。硫（S）：在生铁中是有害元素，它促使铁与碳的结合，使铁硬脆，并与铁化合成低熔点的硫化铁，使生铁产生热脆性和减低铁液的流动性，顾含硫高的生铁不适于铸造细件。铸造生铁中硫的含量规定最多不得超过0.06%（车轮生铁除外）。2．钢：2．1元素在钢中的作用2．1．1常存杂质元素对钢材性能的影响钢除含碳以外，还含有少量锰(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)、氧（O）、氮（N）和氢（H）等元素。这些元素并非为改善钢材质量有意加入的，而是由矿石及冶炼过程中带入的，故称为杂质元素。这些杂质对钢性能是有一定影响，为了保证钢材的质量，在国家标准中对各类钢的化学成分都作了严格的规定。1）硫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”。含硫量愈高，热脆现象愈严重，故必须对钢中含硫量进行控制。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。2）磷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%。3）锰锰是炼钢时作为脱氧剂加入钢中的。由于锰可以与硫形成高熔点(1600℃)的MnS，一定程度上消除了硫的有害作用。锰具有很好的脱氧能力，能够与钢中的FeO成为MnO进入炉渣，从而改善钢的品质，特别是降低钢的脆性，提高钢的强度和硬度。因此，锰在钢中是一种有益元素。一般认为，钢中含锰量在0.5%～0.8%以下时，把锰看成是常存杂质。技术条件中规定，优质碳素结构钢中，正常含锰量是0.5%～0.8%；而较高含锰量的结构钢中，其量可达0.7%～1.2%。4）硅硅也是炼钢时作为脱氧剂而加入钢中的元素。硅与钢水中的FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去，因此硅是一种有益的元素。硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。镇静钢中的含硅量通常在0.1%～0.37%，沸腾钢中只含有0.03%～0.07%。由于钢中硅含量一般不超过0.5%，对钢性能影响不大。5）氧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。氧在钢中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂形式，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。6）氮铁素体溶解氮的能力很低。当钢中溶有过饱和的氮，在放置较长一段时间后或随后在200～300℃加热就会发生氮以氮化物形式的析出，并使钢的硬度、强度提高，塑性下降，发生时效。钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除时效倾向。7）氢钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。白点常在轧制的厚板、大锻件中发现，在纵断面中可看到圆形或椭圆形的白色斑点；在横断面上则是细长的发丝状裂纹。锻件中有了白点，使用时会发生突然断裂，造成不测事故。因此，化工容器用钢，不允许有白点存在。氢产生白点冷裂的主要原因是因为高温奥氏体冷至较低温时，氢在钢中的溶解度急剧降低。当冷却较快时，氢原子来不及扩散到钢的表面而逸出，就在钢中的一些缺陷处由原子状态的氢变成分子状态的氢。氢分子在不能扩散的条件下在局部地区产生很大压力，这压力超过了钢的强度极限而在该处形成裂纹，即白点。2．1．2为了合金化而加入的合金元素，最常用的有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒，钛，铌、硼、铝等。现分别说明它们在钢中的作用。1）硅①提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低；②硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比；③耐腐蚀性。硅的质量分数为15％一20％的高硅铸铁，是很好的耐酸材料。含有硅的钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。缺点：使钢的焊接性能恶化。2）锰①锰能提高钢的淬透性。②锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。③锰对钢的高温瞬时强度有所提高。缺点：①含锰较高时，有较明显的回火脆性现象；②锰有促进晶粒长大的作用，因此锰钢对过热较敏感t在热处理工艺上必须注意。这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服：③当锰的质量分数超过1％时，会使钢的焊接性能变坏，④锰会使钢的耐锈蚀性能降低。3）铬在钢中的作用①铬可提高钢的强度和硬度。②铬可提高钢的高温机械性能。③使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性④阻止石墨化⑤提高淬透性。缺点：①铬是显著提高钢的脆性转变温度②铬能促进钢的回火脆性。4）镍在钢中的作用①可提高钢的强度而不显著降低其韧性；②镍可降低钢的脆性转变温度，即可提高钢的低温韧性；③改善钢的加工性和可焊性；④镍可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。5）钼在钢中的作用①钼对铁素体有固溶强化作用。②提高钢热强性③抗氢侵蚀的作用。④提高钢的淬透性。缺点：钼的主要不良作用是它能使低合金钼钢发生石墨化的倾向。6）钨在钢中的作用①提高强度②提高钢的高温强度。③提高钢的抗氢性能。④是使钢具有热硬性。因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。7）钒在钢中的作用①热强性。②钒能显著地改善普通低碳低合金钢的焊接性能。8）钛在钢中的作用①钛能改善钢的热强性，提高钢的抗蠕变性能及高温持久强度；②并能提高钢在高温高压氢气中的稳定性。使钢在高压下对氢的稳定性高达600℃以上，在珠光体低合金钢中，钛可阻止钼钢在高温下的石墨化现象。因此，钛是锅炉高温元件所用的热强钢中的重要合金元素之一。9）铌在钢中的作用①铌和碳、氮、氧都有极强的结合力，并与之形成相应的极为稳定的化合物，因而能细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性。②有极好的抗氢性能。③铌能提高钢的热强性10）硼在钢中的作用；①提高钢的淬透性。②提高钢的高温强度。强化晶界的作用。11）铝在钢中的作用①用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，抑制低碳钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别是降低了钢的脆性转变温度；②提高钢的抗氧化性能。曾对铁铝合金的抗氧化性进行了较多的研究；4％AI即可改变氧化皮的结构，加入6％A1可使钢在980C以下具有抗氧化性。当铝和铬配合并用时，其抗氧化性能有更大的提高。例如，含铁50％一55％、铬30％一35％、铝10％一15％的合金，在1400C高温时，仍具有相当好的抗氧化性。由于铝的这一作用，近年来，常把铝作为合金元素加入耐热钢中。③此外，铝还能提高对硫化氢和V2O5，的抗腐蚀性。缺点：①脱氧时如用铝量过多，将促进钢的石墨化倾向。②当含铝较高时．其高温强度和韧性较低。2．2合金元素对钢的主要工艺性能的影响：钢的主要工艺性能有：冷态成型性、切削性、焊接性能、热处理工艺性、铸造性能等2．2．1合金元素对钢的冷态成型性的影响冷态成型性：冷态成型包括许多不同的冷成型工艺，如深冲、拉延成型和弯曲等。其冷态成型工艺性能优劣涉及被变形材料的成分、组织和冷变形工艺参量（模具形状、变形量、变形速度、润滑条件等）。与冷态成型性有关的材料性能参量有：①低的屈服强度②高的延伸率③高的均匀伸长率④高的加工硬化率（n值），⑤高的深冲性参量（r值）⑥适当而均匀的晶粒度；⑦控制夹杂物的形状和分布；⑧游离渗碳体的数量和分布。1）冷轧薄钢板：碳：碳含量增加会使拉延能力变坏，因此绝大部分钢板都采用低碳钢。锰：锰的影响和碳相似，但适当的含量可以减轻硫的不良作用。磷、硅：磷和硅溶于铁素体引起强化并略影响塑性，降低拉延性能。2）热轧钢板选用冲压用热轧钢板时，既要考虑强度要求，也要考虑冲压性能。碳：碳是对热轧钢板冲压性能影响最大的元素。对于冲压用的热轧钢板，一般不宜以增加碳的办法来提高强度，应采用添加合金元素来提高钢的强度。硫：硫在钢中形成硫化物夹杂，在轧制中拉长，分割金属基体降低塑性，影响冲压性能。2．2．2合金元素对钢的切削加工性的影响非金属夹杂物是决定钢的切削性的主要因素。非金属夹杂物的类型、大小、形状、分布和体积百分数不同，对切削性的影响也不同。为了达到改善钢的切削性的目的，这些非金属夹杂物必须满足下列四个条件：①在切削运动平面上，夹杂物必须作为应力集中源，从而引起裂纹和脆化切屑的作用。②夹杂物必须具有一定的塑性，而不致切断金属的塑性流变，从而损害刃具的表面。③夹杂物必须在刃具的前面与切屑之间形成热量传播的障碍。④夹杂物必须具有光滑的表面，而不能在刃具的侧面作为磨料。钢的切削性的提高主要还是通过加入易削添加剂，例如S、P、Pb、Bi、Ca、Se(硒)、Te(碲)等。●硫是了解最清楚和广泛应用的易削添加剂。当钢中含足够量的Mn时，S的加入将形成MnS夹杂物。加S的碳钢可以提高切削速度25％或更高，它取决于钢的成分和S的加入量。约1％体积份额的MnS,可以使高速钢刃具的磨损速率迅速下降。MnS夹杂物在切削剪切区作为应力集中源，可以起裂纹源的作用，并随后引起切屑断裂。因此，随着MnS体积份额的增加，切屑破断能力得到改善。MnS夹杂物还可能在切屑刃具表面沉积为MnS薄层，这种薄层可以降低刃具与切屑的摩擦，导致切削温度和切屑力的降低，并减少刃具的磨损或成为热量传播的障碍，从而延长刃具的使用寿命。●Pb是仅次于S的常用易削添加剂。Pb对切削加工性的有益效应，不取决于MnS的存在，因而可以加到低S钢和加S钢中。在不添加S的钢中，Pb以分散的质点形式分布于钢中。在加S钢中，Pb首先与MnS结合。与S相似，Pb可以作为内部润滑剂降低摩擦力，并转过来降低剪切抗力，并减小切屑与刃具的接触面积，从而降低刃具的磨损。●近年来许多注意力已经转到通过Ca脱氧生产易削结构钢上。通过用Ca-Si和Si-Fe合金控制脱氧，可以形成特定的CaO-MnO-SiO2-Al2O3四元非金属夹杂物，它在机加工时，将在刃具磨损表面沉积为一个薄层（约20μm）。这种薄层是磨损的障碍，因而可延长碳化物刃具的使用寿命。2．2．3合金元素对钢的焊接性的影响钢的焊接性是一个很复杂的工艺性能，因为它既与焊接裂纹的敏感性有关，又与服役条件和试验温度下所要求的韧性有密切联系。●一般认为，高强度低合金钢的焊接性是良好的，并且随含碳量的降低，焊接性得到改善。●为此，国际焊接协会根据统计数据，采用碳当量为比较的基础，由加入的各元素来计算和评定钢材的焊接性能。其近似公式如下：碳当量=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5式中：元素符号代表该元素重量百分比。碳当量越低，焊接性能越好。碳当量≤0.35%，焊接性能良好；碳当量≥0.4-0.5%，焊接就较困难。