搜索
第八章碳钢含碳量低于2.11%的铁碳合金称为钢。但工业用碳钢除碳外还含有其他元素，如硅、锰、硫、磷、氧、氮、氢等。其中硅、锰是在钢冶炼时作为脱氧元素而加入的，硫和磷是冶炼时未能除尽的杂质元素。在碳钢中它们的含量范围大致如下：锰≤0.7%；硅≤0.5%；磷≤0.05%；硫≤0.04%。氧、氢、氮等的含量与冶炼方法有关，一般只有十万分之几到万分之几，非常少。有时为了改善钢的组织和性能，还人为地向钢中加入某些元素，如硅、锰、铬、钼、钨、钒、镍、硼、稀土元素等，这种有意加入钢中的元素称为合金元素。含有合金元素的钢称为合金钢。第一节钢的宏观组织一、三种不同形式的钢锭根据钢液的最终脱氧程度和钢锭宏观组织的特征，可把钢分为三类：沸腾钢、半镇静钢和镇静钢。三种钢中，沸腾钢的脱氧程度最轻，镇静钢脱氧最彻底，而半镇静钢的脱氧程度介于二者之间。对沸腾钢来说，只用一定量的弱脱氧剂锰铁对钢液脱氧(有时为了调节钢液的氧化性，也临时加入少量的铝，但这只是辅助性的)，因此，钢液的含氧量较高。在沸腾钢的凝固过程中，钢液中碳和氧发生反应而产生大量气体(主要是一氧化碳气)，造成钢液沸腾，沸腾钢由此而得名。所形成的气体，大部分逸入大气中，一小部分留在钢锭内形成气泡。沸腾钢的外层是在沸腾所造成的钢液剧烈搅动的条件下凝固的。由于搅动，结晶出的钢锭有比较纯净的外层，而心部是在沸腾停止后凝固的，因此沸腾钢钢锭宏观组织的特点是，钢锭内部有大量气泡，但是没有或者很少有缩孔。钢锭的外层比较纯净，这纯净的外层包住了一个富集着杂质的锭心。沸腾钢只限于生产普通低碳钢，钢的品种受到限制。镇静钢在浇注之前不仅用弱脱氧剂锰铁而且还使用强脱氧剂硅铁和铝对钢液进行脱氧，因而钢液的含氧量很低。强脱氧元素硅和铝的加人，使得在凝固过程中，钢液中的氧优先与强脱氧元素铝和硅结合，从而抑止了碳氧之间的反应，所以镇静钢结晶时没有沸腾现象，镇静钢由此而得名。在正常操作情况下，镇静钢中没有气泡，但有缩孔和疏松。高级优质碳钢或优质碳钢以及全部合金钢均按镇静钢生产。半镇静钢的最终脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，即除了用锰铁脱氧之外，也加入硅铁和少量的铝。钢液的含硅量通常在0.06~0.15%范围内，铝的用量比镇静钢的少得多。在钢液结晶过程中没有沸腾现象，但仍然有一氧化碳气体放出并在钢锭中形成分散气泡。半镇静钢没有镇静钢钢锭头部的集中缩孔。半镇静钢可用于生产低合金钢。二、镇静钢的宏观组织1.物理的不均匀性(1)缩孔缩孔是由凝固收缩引起的，当结晶前沿各处由于液固相变所引起的收缩能够源源不断地得到钢液补充时，便在钢锭最后凝固部分造成集中收缩，即形成缩孔。(2)疏松由于凝固收缩，除形成缩孔外，还在锭身各处形成许多细小、分散的孔隙，引起钢的致密程度降低。钢的这种不致密现象称为疏松。当结晶前沿各处由于液固相变所引起的收缩不能得到有效的补充时，在补缩供应线被切断的地方，凝固后就会留下小孔隙，得到分散的收缩，即疏松。(3)气泡严格来讲，气泡已经不只是物理的不均匀性，但是从其对力学性能的影响来看，气泡与空洞相当。在正常操作条件下，镇静钢中不应有气泡；在某些不正常的情况下，镇静钢中会形成皮下气泡和内部气泡。皮下气泡多产生于钢锭尾部，时常成群出现。皮下气泡的产生主要是由于浇注条件不好；此外，钢液含气体太多和脱氧不良也能助长皮下气泡的形成。内部气泡在钢坯横向试片酸浸蚀面上表现为未焊合的细小裂纹。内部气泡的产生主要是由于钢液含气体是太高。(4)裂纹钢在铸造凝固后降温时将发生固态收缩。在某种外部条件下，当固态收缩受阻时，或者由于凝固层厚度不均匀或凝固层各部分收缩量不一致时，或者当凝固壳层受到内部钢液的静压力作用时，凡此种种使固态钢中产生内应力，当此内应力超过钢本身强度时，就发生破裂，导致产生裂纹。裂纹可以在钢锭凝固期间或者在凝固之后出现。2.初生晶粒的不均匀性(结晶的不均匀性)——结晶带镇静钢钢锭有三个结晶带：从钢淀表面向内几个毫米为外壳层，由细小的等轴初生晶粒组成；然后为柱晶带，由柱状的初生晶粒组成，此带的厚度可以达到几十或者上百毫米；最后为钢锭轴心部位的粗大等轴晶带。3.化学的不均匀性——偏析在钢锭或钢材中，各部分的化学成分远不是均匀一致的，这种化学成分不均匀的现象称为偏析。偏析可以在初生晶粒的范围内发生，叫枝晶偏析或晶内偏析；也可以在整个钢锭(或铸件)范围内发生，称为区域偏析。在钢锭中，有时在某些局部地区，化学成分与其周围有差异，形成所谓带状偏析，它叠加在缓慢变化的一般区域偏析的背景上。带状偏析是区域偏析的一种特殊形式。宏观组织分析(即低倍检验)包括的内容：低倍酸浸试验、断口分析和各种无损探伤(磁力探伤、超声波探伤、X线探伤及其它)。第二节碳和杂质元素对碳钢显微组织和性能的影响一、碳对缓冷钢显微组织和性能的影响碳是决定碳钢在缓冷后的组织和性能的主要元素。碳对缓冷后碳钢显微组织的影响是：在亚共析钢范围内，随含碳量增加，铁素体相对量减少，珠光体相对量增加；达到共析成分时，全部为珠光体；在过共析钢范围内，随含碳量增加，先共析渗碳体相对量增多，珠光体相对量减少。含碳量增加时碳钢的耐腐蚀性降低，同时碳也使碳钢的焊接性能和冷加工(冲压、拉拔)性能变坏。图8-1含碳量对碳钢热轧后力学性能的影响二、常存元素和其它元素对碳钢显微组织和性能的影响1.锰的影响锰在碳钢中的含量一般为0.25~0.80%，在具有较高含锰量的碳钢中，锰含量可以达到1.2%。在碳钢中，锰属于有益元素。锰是作为脱氧除硫的元素而加人钢中的。对于镇静钢来说，锰可以提高硅和铝的脱氧效果，也可以同硫结合形成硫化锰，从而在相当大程度上消除硫在钢中的有害影响。钢中的锰，除一部分形成夹杂物(硫化锰以及锰的氧化物)外，其余部分溶于铁素体和渗碳体中。锰对碳钢的力学性能有良好影响。它能提高钢经热轧后的硬度和强度。在锰含量不高时(＜0.80%)，锰可以稍微提高或者不降低碳钢的面缩率和冲击韧性。在碳钢的锰含量范围内，每增加0.1%Mn，大约使热轧钢的抗拉强度增加7.8~12.7MN/m2，屈服点提高约7.8~9.8MN/m2，而伸长率约减小0.4%。由于锰的有益作用，因此，在冶炼时应把含锰量控制在钢号成分规格的上限。2.硅的影响硅在碳钢中的含量≤0.50%。在沸腾钢中，含硅量很低(＜0.05%)，硅是作为脱氧元素加入镇静钢中。在镇静钢中硅的含量一般为0.12~0.37%。硅也是钢中有益元素。硅增大钢液的流动性。除形成非金属夹杂物外，硅溶于铁素体中。在碳钢中每增加0.1%硅，可使热轧钢的抗拉强度提高约7.8~8.8MN/m2，屈服点提高约3.9~4.9MN/m2，伸长率下降约0.5%。钢的面缩率和冲击韧性下降不明显。但是，当硅含量超过0.8~1.0%时，则引起面缩率下降，特别是冲击韧性显著降低。3.硫的影响一般来说，硫是有害元素，它主要来自生铁原料、炼钢时加入的矿石和燃料燃烧产物中的二氧化硫。硫在铁中的溶解度很小。室温时，硫以硫化物夹杂的形式存在于固态钢中。硫的最大危害是引起钢在热加工时开裂，即产生所谓热脆。硫通过形成硫化物夹杂而对钢的力学性能发生影响。增加钢中的含硫量，使硫化物夹杂的含量增高，钢的范性和韧性将降低，同时，钢材力学性能的方向性增大，钢的热加工性能也变坏。硫对钢力学性能的影响，不仅和钢的含硫量有关，而且还和所形成的硫化物夹杂的大小、形状和分布，并与基体的组织有关。硫能提高钢材的切削加工性，这是硫的有益作用。在易削钢中，含硫0.08~0.2%，同时含0.50~1.20%Mn。在大多数情况下，由于硫的有害影响，同时也考虑到硫的偏析倾向很大，所以，一般对钢的含硫量限制甚严。在普通质量碳钢中，硫含量不大于0.055%，在优质钢中不大于0.045%，在高级优质钢中不大于0.02%。4.磷的影响一般来说，磷是有害杂质元素。它来源于矿石和生铁等炼钢原料。钢中残余含磷量与冶炼方法有很大关系。侧吹转炉钢的含磷量较高，达0.07~0.12%，氧气顶吹转炉钢和碱性平炉钢可以降至0.02~0.04%，电炉钢含磷量＜0.02%。磷在纯铁中有相当大的溶解度。磷能提高钢的强度，但使范性、韧性降低，特别是使钢的脆性转折温度急剧升高，即提高钢的冷脆性。在含碳量比较低的钢中，磷的冷脆危害较小。在这种情况下可以利用磷来提高钢的强度。此外，在适当情况下，还利用磷的其它一些有益作用，如增加钢的抗大气腐蚀能力，提高磁性，改善钢材的切削加工性(在易削钢中常加入0.08~0.15%的磷)，减少热轧薄板的粘结等。在大多数情况下，由于磷的有害影响，同时考虑到磷有比较大的偏析，因而对其含量要严格加以限制。在普通质量的碱性平炉钢中，含磷量一般≤0.045%，优质钢中≤0.04%，高级优质钢中≤0.02%。5.氧的影响氧在钢中的溶解度很小。在钢中，氧几乎全部以氧化物的形式存在。钢中各种氧化物夹杂的总量随钢中含氧量增加而增加。含氧量对钢力学性能的影响实质上也就是氧化物夹杂对力学性能的影响。这种影响随氧化物系夹杂的大小、形状、分布而异，同时也与基体组织有关，并不单纯取决于含氧量。总的来说，随钢中含氧量增加，钢的范性、韧性降低；在钢的抗拉强度较高的场合下，也使钢的疲劳强度降低。此外，氧化物夹杂使钢的耐腐蚀性、耐磨性降低，使冷冲压性、锻造加工性以及切削加工性变坏。氧在钢中还会因形成Fe+FeS+FeO共晶而引起热脆。在炼钢时是借氧化把钢液中的杂质元素去掉，因此氧曾起了积极作用，但它对固态钢是有害的。含氧量高低代表了钢在氧化物系夹杂方面的纯净程度。钢液的含氧量与钢的成分和脱氧操作以及冶炼方法等都有关系。对于低碳钢来说，碱性侧吹转炉钢的含氧量约为0.04~0.07%，平炉钢约为0.02~0.03%，电炉钢约为0.01~0.02%。6.氮的影响钢中的氮来自炉料，同时，在冶炼时钢液也从炉气中吸收氮。一般平炉钢中含氮量为0.001~0.008%，纯氧顶吹转炉钢为0.002~0.004%，碱性侧吹转炉钢为0.006~0.008%，电炉钢为0.005~0.016%。氮引起碳钢的淬火时效和形变时效，从而对碳钢的性能发生显著的影响。从热力学平衡的角度来看，时效——过饱和固溶体的脱溶分解——是一种趋向更稳定状态的自发过程。不稳定状态的形成，可以通过淬火，也可以通过形变。如果时效前的最后操作是淬火，这就是淬火时效；如果最后操作是冷变形，那么，在这种情况下所发生的时效称为形变时效。由于氮的时效作用，钢的硬度、强度固然升高，但是范性和韧性要降低，特别是在形变时效情况下，范性和韧性的降低比较显著。因此，对于普通低合金钢来说，时效现象是有害的，因而氮是有害元素。氮作为合金元素在不锈耐酸钢中得到应用。在一些含有铝、钒、铌并同时含有氮的普通低合金钢中，利用形成特殊的氮化物(AIN、VN、NbN)使铁素体基体强化并细化晶粒，钢的强度和韧性可以显著提高。此外，氮化热处理能使机器零件获得极好的综合力学性能，从而使零件的使用寿命延长。7.氢的影响在冶炼过程中，钢液既可由锈蚀含水的炉料带入氢，也可从炉气中直接吸收氢。这些氢的一部分将残留在钢中。此外，钢材在含氢的还原性保护气氛中加热时、为去除钢材表面氧化铁皮而进行酸洗时以及在酸性溶液中电镀钢件时，固态钢也吸收氢，所吸收的氢不断从钢的表面向内部扩散。氢以离子或原子形式溶入液态或固态钢中。溶入固态钢中时，形成间隙固溶体。氢在钢中是有害元素，表现在两个方面：一是溶入钢中使钢的范性和韧性降低，引起所谓氢脆。氢脆只在-100℃~100℃之间产生，并且随形变速度增加而减小。钢的强度愈高，它对氢脆的敏感性就愈大。二是当氢从钢中析出(变成分子态的氢)时造成内部裂纹，白点就是这类缺陷中最突出的一种。8.铝的影响铝作为脱氧元素加入钢中。碳钢中铝的含量一般小于0.10%。加入钢液中的铝部分与氧结合形成Al2O3或含有Al2O3的各种夹杂物。其余部分溶入固态铁中，以后，随加热和冷却条件的不同，或者在固态下形成弥散的AlN，或者继续保留在固溶体(奥氏体、铁素体)中。铝除起到脱氧作用外，铝和氮结合所形成的弥散的AlN粒子能起阻止奥氏体晶粒长大作用。为获得奥氏体晶粒长