元素在金属中的作用

元素在金属中的作用2009-05-2115:26:16|分类：大学自习室|字号订阅招聘(广告)化学成分对钢性能的影响.2.2．耐腐蚀性能(化学性能)金属材料在特定的介质环境中，会遭受腐蚀。腐蚀不仅会造成金属的损失，更重要的是会导致金属的破坏，从而威胁到压力管道的安全。事实已证明，许多压力管道的破坏都与材料的腐蚀有关。石油化工生产过程中所处理的物料大多数是对金属材料有腐蚀的物质，因此材料对介质的抗腐蚀性就成了选择材料的重要依据。◆材料的选择应避免应力腐蚀的发生，因为它会带来压力管道在不可预知的情况下突然断裂，从而导致重大事故的发生;◆选用的材料应有足够的抗介质均匀腐蚀的能力，以便材料不致于在短时间内因腐蚀造成的管道壁厚急剧减薄而失效等等。应力腐蚀：材料在腐蚀与应力的同时作用下产生的腐蚀。它只发生于一些特定的“材料－环境”体系，如“奥氏体不锈钢－Cl－”，“碳钢－NO3－”，当然还必须存在应力（外力、或焊接、冷加工等产生的残余应力）均匀腐蚀：是由于空气中的氧或其它条件在金属表面进行全面腐蚀而产生可溶性盐，随着时间的延长，壁厚则减少。1.2.3物理性能材料的物理性能主要是指：密度ρ(kg/m3)、导热系数、比热、熔点Tm(℃)、线膨胀系数、弹性模量E、比重1.2.4.制造工艺性能材料的制造工艺性能也是影响材料选择的一个重要因素，主要有：1)切削加工性能：它是反映金属及合金进行冷机械切削加工难易程度的一个指标。常用金属材料的切削加工性能：铝合金及镁合金铜合金一般铸铁碳素钢合金钢奥氏体不锈钢。2)可铸性：它是指液体金属在铸造过程中的流动性和凝固时的收缩性以及产生铸造缺陷的倾向性。常用的金属材料中铸铁的铸造性较好，而铸钢的铸造性则较差，合金钢的铸造性更差。3)可锻性：它是指金属材料通过锻造等压力加工方式而成形的能力。一般情况下，金属材料的可锻性包括其塑性变形抗力、金属固态流动性、对模具的摩擦力、对氧化起皮的抗力、热裂倾向等性能。脆性材料无可锻性。4)可焊性：它是指金属材料通过常规的焊接方法和焊接工艺而获得良好焊接接头的性能。良好的焊接接头是指不易产生焊接缺陷如裂纹、气孔、夹杂等，且焊接接头的机械性能接近母材的焊接接头。焊接是压力管道中最常用的连接方式之一，因此可焊性也是影响材料选用的一个重要因素。5)热处理性能：金属的热处理性能是指材料在热处理过程中表现出的淬硬性、淬透性、变形、开裂、氧化、脱碳的倾向及晶粒长大的倾向等。1.2.5材料的经济性材料的选择不能脱离经济性这个杠杆作用，这就是工程材料研究与一般材料研究区别的显著标志。选材的原则：设计选材既要可靠，又要经济，能用低等级材料时就不要选用高等级材料。对材料的制造要求也应适当，要结合使用条件来规定各项检查试验要求。对于加工性能良好的材料，或者制造商制造水平较高时，或者应用条件比较缓和时，就不必再提出许多超出制造标准要求的附加检验项目，较多的附加检查试验要求是不经济的。对于每一种金属材料来说，以上各类性能不可能都是优秀的，选用材料时，只能扬长避短，物尽其用。温度对金属材料性能的影晌金属材料处于不同的温度环境时，其性能将发生一系列的变化。了解这些变化，对于确定材料应用条件和正确选用材料是必须的。实际的工程实践也证明，温度条件是影响设计选材的一个重要条件，甚至在许多情况下，温度条件是确定选材的决定条件。1.3.1金属材料在高温下的性能变化1）材料的蠕变及应力松弛材料的蠕变：当材料的使用温度超过其熔点的(0.25～0.35)倍时，金属性能已处于不稳定状态，此时若在外力的作用下，会出现这样一种现象:虽然材料的应力不再增加，但其变形却随着时间的增加而继续增大，而且出现了不可恢复的塑性变形。通常把这种变形称做材料的蠕变。◆一般情况下，对碳钢，考虑蠕变发生的起始温度为300～350℃，对铬钼合金钢则为400～450℃。应力松弛：与蠕变现象相反，当材料受高温和外力的持续作用时可能会出现：材料的总应变量不变，使其中部分弹性变形转化成了塑性变形，从而导致弹性应力降低，即意味着金属材料被放松了。材料的这种现象称做应力松弛。应力松弛实际上是蠕变发生的另一种表现形式。高温下工作的螺栓常因应力松弛而导致法兰泄漏，所以此时应选用抗蠕变能力高的铬钼钢材料作为高温螺栓材料。对于加工残余应力和焊接残余应力，由于应力松弛而使其减弱或释放，从而可减缓或消除它们带来的不利影响。2）材料的球化和石墨化a.材料的球化：在高温作用下，碳钢中的渗碳体由于获得能量而将发生迁移和聚集，形成晶粒粗大的渗碳体并夹在铁素体内，尤其是对于珠光体碳钢，其渗碳体会由片状逐渐转变成球状。这种现象称为材料的球化。球化的结果：使得材料的抗蠕变能力和持久强度下降，而塑性增加。◆一般情况下，碳钢长期处于450℃以上温度环境时，就有明显的球化现象。b.材料的石墨化：对于碳钢和一些低合金钢，在高温作用下，其组织中会出现这样一种现象:其过饱和的碳原子发生迁移和聚集，并转化为石墨(石墨为游离的碳原子)。由于石墨强度极低，并以片状存在于珠光体内，将使材料的强度大大降低，而脆性增加。这种现象称为材料的石墨化。◆一般情况下，碳钢长期处于425℃以上温度环境时，就有石墨化发生，而在475℃以上时则明显出现。为安全起见，SH3059标准规定，碳钢的最高使用温度为425℃，而GB150规范则规定其最高使用温度为450℃。3）材料的高温氧化金属的氧化金属材料处于高温和氧化性介质(如空气)的环境中时，将会被氧化。氧化产物为疏松的非金属物质，容易脱落，故有时也称其金属的氧化为脱皮。◆以碳钢为例，当它处于570℃的空气中时，会产生FeO+Fe304+Fe203氧化皮，该氧化皮很容易脱落而使金属减薄，故不受力的碳钢一般也应限制在560℃以下工作。※一般情况下，压力管道都不会以材料的抗氧化极限温度作为使用限制，只有在很特殊的情况下(如烧焦时)才可能这样做。常用材料的抗氧化极限温度列于表1-2。常用金属材料的抗氧化极限温度钢材牌号抗氧化极限温度℃碳素钢≤56012CrMo≤59015CrMo≤5901Cr5Mo≤6500Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti≤8500Cr17Ni12Mo2、0Cr25Ni20≤11001.3.2金属材料在低温下的性能变化在低温情况下，材料因其原子周围的自由电子活动能力和“粘结力”减弱而使金属呈现脆性。一般情况下，对于每种材料，都有这样一个临界温度，当环境温度低于该临界温度时，材料的冲击韧性会急剧降低。通常将这一临界温度称为材料的脆性转变温度。为了衡量材料在低温下的韧性，常用低温冲击韧性〈冲击功〉来衡量，许多工程设计标准上都给出了材料低温冲击韧性(冲击功)的限制。1.4常见元素对金属材料性能的影晌应该说，在影响材料性能的诸多因素中，化学成分是起主要作用的。不同的元素以及它在材料中的含量、和哪些元素配合等都决定了材料的最基本性能。因此，了解元素在钢中起的作用，可以帮助材料工程师了解材料的性质。工程上黑色金属材料应用的最多，故在此仅介绍黑色金属材料。由于黑色金属材料的基本元素是铁(Fe)，所以对材料性能的影响主要是指铁以外的其它元素。1.4.1常用碳素钢中各元素对其性能的影响压力管道中除螺栓材料外，常用的碳素钢为含碳量小于0.25%的亚共析钢，而螺栓材料则常用含碳量为0.25～0.45%的亚共析钢。碳素钢中，其主要影响元素是碳(C)。除此之外，尚有硅(Si)、硫(S)、氧(0)、磷(P)、砷(b)、锑(Sb)等杂质元素a.碳(C)在碳素钢中的作用1)碳素钢随含碳量的增加，其强度和硬度增加，而塑性、韧性和焊接性能下降。2)当含碳量大于0.25%时，碳钢的可焊性开始变差，故压力管道中一般采用含碳量小于0.25%的碳钢。3)含碳量的增加，其球化和石墨化的倾向增加。b.硅(S)在碳素钢中的作用判断其脱氧程度。为了保正碳素钢的质量，除沸腾钢和半镇静钢外，硅在钢中的含量应≮0.1%。1)硅是碳素钢中的常见元素之一，但它一般不是主加元素，而是用于炼钢时的脱氧。硅和氧的亲合力仅次于铝和钒，而强于Mn、Cr、V，所以在炼钢过程为常用的还原剂和脱氧剂。2)起到提高硬度和强度的作用。硅含量超过3％时，将显著地降低钢塑性、韧性和可焊性。c.硫（S）、氧(0)在碳素钢中的作用：硫和氧作为杂质元素常以非金属化合物(如FeS、FeO)型式存在于碳素钢中，形成非金属夹杂，从而导致材料性能的劣化，尤其是S的存在常引起材料的热脆。硫和磷常是钢中要控制的元素，并以其含量的多少来评定碳素钢的优劣。d.磷(P)、砷(As)、锑(Sb)在碳素钢中的作用：磷、砷、锑在钢中有一些类似的作用。作为杂质元素，它们对提高碳素钢的抗拉强度有一定的作用，但同时又都增加钢的脆性。1.4.2．常用低合金钢中各元素对其性能的影响管道中除螺栓材料外，常用的低合金钢为含碳量小于0.20％的碳锰钢、硅钢、铬钼钢、铬钼钒钢和铬钼钒铝钢，而螺栓材料则常用含碳量为0.25％～0.45％的铬钢和铬钼钢。主要影响元素：碳(C)、锰(Mn)、铬(Cr)、Mo、V、Si、Al杂质元素：S、O、P、As、Sb、a.碳(C)在低合金钢中的作用同碳素钢部分。b.锰(Mn)在低合金钢中的作用:1)锰与铁形成固溶体，可提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度。它使材料的延展性有所降低;2)增加了应力腐蚀开裂的敏感性。在一般碳锰钢和低合金钢中，其含量应在1％～2%；3）锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。锰与硫形成MnS，可防止因硫导致的热脆现象，从而改善钢的热加工性能。因此，在工业用钢中一般都含有一定数量的锰；4）锰在钢中由于能降低临界转变温度，故碳锰钢的低温冲击韧性比碳素钢好；5）锰对钢的焊接性有不利的影响；c.铬(Cr)在低合金钢中的作用铬在α-Fe中无限固溶，在γ-Fe中的最大溶解度为12.5％。铬钼钢和铬钼钒钢有良好的抗高温氧化性和耐氧化介质腐蚀作用，并增加钢的热强性。1)显著提高钢的脆性转变温度，随着铬含量的增加，钢的脆性转变温度也逐步提高，冲击值随铬含量增加下降。2)在含铬的锅炉钢中，加入少量的铬，能防止钢在长期使用过程中的石墨化。d.钼(Mo)在低合金钢中的作用钼属于强碳化物形成元素，当其含量较低时，与铁及碳形成复杂的渗碳体;当含量较高时，则形成特殊碳化物。1)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。2)钼是提高钢热强性最有效的合金元素，主要在于它能强烈提高钢中铁素体对蠕变的抗力。3)钼还可有效地抑制渗碳体在450℃~650℃工作温度下的聚集，促进弥散的特殊碳化物的析出，从而进一步起到了强化作用。4)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。5)钼同样也能提高马氏体钢和奥氏体钢的热强性。◆一系列二元和多元的含钼珠光体钢被广泛地用于动力、石油和化学工业中，如15CrMo、12Cr1MoV、1Cr5Mo等。e.钒(V)在低合金钢中的作用钒在α-Fe中无限固溶，在γ-Fe中的最大溶解度约1.35%。钒与碳、氧、氮都有较强的亲合力，为强碳化物及氮化物形成元素。1)钒增加钢的热强性和对蠕变的抗力。钒能有效地固定钢中的碳和氮，并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。◆一系列的铬钼钒钢已成为制造锅炉、汽轮机的主要钢种，如12CrMoV及12CrlMoV常用于过热器钢管、导管及相应的锻件等。2)含钒钢在热处理中，能提高晶粒粗化的温度，从而降低钢的过热敏感性，并提高钢的强度和韧性等，尤其是它能提高钢正火后的强度和屈服比及低温韧性，因此它已成为普通低合金钢的一种比较理想的合金元素。3)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，过低时不足以有效地起抗氢腐蚀作用，过高时，将有部分的钒溶入铁素体中降低其塑性和焊接性能。f.硅(Si)在低合金钢中的作用硅作为杂质元素时，它在低合金钢中的作用与在碳素钢中的作用相同。作为合金元素时一般应不低于0.4%，硅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