合金元素对钢性能的影响

合金元素对钢板性能的影响华北理工大学崔岩1.钢中五种有害的元素是指：Pb-铅，Sn-锡，As-砷，Sb-锑，Bi-铋，1.1.Pb-铅周期系第ⅣA族元素，原子序数82，原子量207.2，熔点327.5℃，沸点1740℃，密度11.34g/cm³，银灰色重金属，质柔软。钢中残余铅极微，因绝大部分铅在冶炼过程中以蒸汽逸出钢液。由于铅和铁不生成固熔体，一般它是以微小的球状形态而存在于钢中，易发生偏析，对钢的性质有一定不良影响，铅能使钢的塑性略有降低，使钢的冲击值有较大降低。如因特殊用途则是在浇注过程中加入，钢中含少量铅可改善钢的切削加工性能。1.2.Sn-锡周期系第ⅣA族元素，原子序数50，原子量118.69，有白锡，灰锡，脆锡三种同素异构体，密度：白锡7.28g/cm³，灰锡5.75g/cm³，，脆锡6.32-6.56g/cm³，熔点：白锡231.88℃，灰锡231.99℃，脆锡231.99℃。沸点：白锡2260℃，灰锡2270℃，脆锡2260℃。锡可大大降低钢及合金的高温机械性能，对钢的加工性能也十分有害。在钢中加入少量锡时能提高钢的耐腐蚀性，其强度也有一定提高，而对塑性却影响不大。1.3.As-砷周期系ⅤA族元素，原子序数33，原子量74.92，俗名砒，有灰，黄，黑三种同素异构体，密度5.727g/cm³熔点717℃，613℃升华。砷在钢中常以Fe2As，Fe3As2，FeAs及固溶体形式存在，易发生偏析现象，砷与磷，锑同族，对钢性能影响有类似之处，砷能提高钢的抗拉强度和屈服点，增强抗腐蚀和抗氧化性能，但砷含量较高时(如大于0.2%)，则使钢的脆性增加，延伸率，断面收缩率及冲击韧性降低，并影响焊接。1.4.Sb-锑周期系ⅤA族元素，原子序数51，原子量121.8，密度6.684g/cm³，熔点630.74℃，沸点1750℃，锑对钢的性质有恶劣影响，一般使钢的强度降低，脆性增加，但如在钢中加入一定量的锑，会不同程度的提高钢的抗腐蚀能力及耐磨性。1.5.Bi-铋周期系ⅤA族元素，原子序数83，原子量208.98，密度9.8g/cm³，熔点271.4℃，沸点1560±5℃，由于铋在钢中含量几乎不熔，在冶炼过程中，绝大部分以蒸汽逸出，故铋在钢中含量极微。它易偏析于晶间，相间，它在晶间浓度甚至可为在合金整体浓度的8100倍，它的存在因而引起钢的脆性，它能使不锈钢热态韧性降低，如含铋量较多，还会降低钢的塑性，影响钢的高温强度，致使不锈钢挤压材产生裂纹。如作特殊用途加入少量铋入钢中，则可显著改善钢的切削加工性能。科技的迅速发展，对钢铁材料提出了更高的要求。石油钻采行业在特殊条件下，例如含有腐蚀介质(如H2S、CO2、Cl−等)的环境，对石油管材的质量提出了严格要求。因此，必须用高洁净的、有害元素少的钢材来生产石油管材。抗硫化氢(H2S)的石油套管(钢级：T95、TP8OSS等)。直读光谱仪作为钢材检测的重要手段，在检测C、S、Si、Mn、P、Ni等元素的同时可对五害元素进行分析，将其控制于合理的含量范围。2.31种元素对钢的性能的影响2.1.C元素含碳量越高，刚的硬度就越高，但是它的可塑性和韧性就越差．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。2.2.Si元素1.它可以提高钢的硬度，但是可塑性和韧性下降，电工用的钢中含有一定量的硅，能改善软磁性能．2.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。3.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。4.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。5.硅量增加，会降低钢的焊接性能。6.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。7.硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比，这是一般弹簧钢。8.耐腐蚀性。硅的质量分数为15％~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。2.3.Mn元素1.能提高钢的强度，能消弱和消除硫的不良影响，并能提高钢的淬透性，含锰量很高的高合金钢(高锰钢)具有良好的耐磨性能和其它的物理性能．2.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%。3.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.锰亦为钢中重要元素，其作用及影响如下:a．在适量下，锰量增加可增加钢之最大强度及硬度。b．锰有脱氧及脱疏功效，故锰能发掸钢之锻造性与可塑性。c．锰在钢中含量多，可降低钢之淬火温度。d．可增进钢之硬化深度，尤其在含碳量高之油硬性锰钢为最显著。5.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。(1)锰提高钢的淬透性。(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。锰钢的主要缺点是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。6.降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善其力学性能，为低合金钢的重要合金元素，能明显提高钢的淬透性，但有增加晶粒粗化和回火脆性的不利倾向。7.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。2.4.Cr元素1.能提高钢的淬透性和耐磨性，能改善钢的抗腐蚀能力和抗氧化作用．2.铬在钢中的角色多元且重要，它会形成安定而硬的碳化物，而且具抗蚀性，其主要作用有：a．增进钢的硬化能和渗碳作用。b．使钢在高温畤仍具高强度。c．能增加耐磨耗性。d．增高钢之淬火温度。f．能增进钢的抗腐蚀性。3.铬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。(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.铬的有益作用：具有许多有价值的性能：高硬度、高强度、屈服点、高的耐磨性而对塑性、韧性影响又不大，高的抗氧化性，耐蚀性，还能提高电阻和导磁率等等。1)Cr是中等碳化物形成元素，在所有各种碳化物中，铬碳化物是最细小的一种，它可均匀地分布在钢体积中，所以具有高的强度、硬度、屈服点和高的耐磨性。由于它能使组织细化而又均分布，所以塑性、韧性也好，这对工具钢尤有价值。2)Cr的碳化物也较难溶解，在短时间加热下有阻碍晶粒长大作用，长时间渗碳还会粗晶。所以可减小过热敏感效应。3)Cr可使奥氏体分解速度减缓，降低淬火时的临界冷却速度，因而有助于M体形成和提高M体的稳定性，所以Cr钢均有优良的淬透性，且淬火变形较小。注意：Cr是铁素体形成元素，缩小𝛾区，所以在没奥氏体化元素存在时，高Cr钢将呈铁素体组织。4)Cr与W或Mo结合，能使淬火钢中残余奥氏体增加，而有助于获得需要粉碎程度的碳化物相。5)Cr能大大提高结构钢的强度和塑性，这种影响在Cr与Ni结合的钢中尤其显著。如12CrNi3N等。6)Cr≥12%时，有好的耐蚀性，再加8~9%的Ni，耐蚀性更会大大提高。Cr提高耐蚀能力的作用随含碳量增加而会有所降低，因为Cr与C结合后不起作用。7)Cr≥25~30%时，有好抗氧化性。如Cr=27~28%即可作1300℃的热电偶温度计的防护罩，当Cr与Si、Al结合时，甚至Cr相当少而抗氧化性也很高。如Cr=6~10%+Si=2~3%就有高的耐热性和抗氧性。8)Cr、Al结合(1Cr17AL5、Cr13AL4等)及Cr、Ni结合(如Cr15Ni60、Cr20Ni80等)均有很高的电阻。9)Cr能提高钢的矫顽力和阻止钢的组织时效，所以Cr钢用于制造永久磁铁。10)Cr价较低。11)因为Cr可形成稳定的碳化物，减缓碳的扩散和生成紧固的氧化皮膜，所以可降低脱碳作用。12)含Cr＞2.5%的多元素合金钢。(18Cr3MoWVA、20C