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常用金屬材料中各種化學成分對性能的影響

日期:2022-08-08 05:28
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摘要:

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,所以在有的制品內往往含磷量較高。然而磷的存在又使鐵增加硬脆性,優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,它促使鐵與碳的結合,使鐵硬脆,并與鐵化合成低熔點的硫化鐵,使生鐵產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定*多不得超過0.06%(車輪生鐵除外)。
2.鋼:
2.1元素在鋼中的作用
2.1.1
  常存雜質元素對鋼材性能的影響
     鋼除含碳以外,還含有少量錳(Mn)、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,故稱為雜質元素。這些雜質對鋼性能是有一定影響,為了保證鋼材的質量,在國家標準中對各類鋼的化學成分都作了嚴格的規定。
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1150~1200℃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,這種現象稱為 熱脆 。含硫量愈高,熱脆現象愈嚴重,故必須對鋼中含硫量進行控制。上等上等鋼:S<0.02%~0.03%;上等鋼:S<0.03%~0.045%;普通鋼:S<0.055%~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。上等上等鋼:  P <0.025%;上等鋼:  P <0.04%;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,特別是降低鋼的脆性,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。技術條件中規定,上等碳素結構鋼中,正常含錳量是0.5%~0.8%;而較高含錳量的結構鋼中,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使鋼的強度、硬度增加,塑性、韌性降低。**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200~300℃加熱就會發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、大鍛件中發現,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絲狀裂紋。鍛件中有了白點,使用時會發生突然斷裂,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的氫變成分子狀態的氫。氫分子在不能擴散的條件下在局部地區產生很大壓力,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,*常用的有硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩,鈦,鈮、硼、鋁等。現分別說明它們在鋼中的作用。
1)硅
   ①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;
   ②硅能顯著地提高鋼的彈性極限、屈服極限和屈強比;
   ③耐腐蝕性。硅的質量分數為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
   ①錳能提高鋼的淬透性。
   ②錳對提高低碳和中碳珠光體鋼的強度有顯著的作用。
   ③錳對鋼的高溫瞬時強度有所提高。
缺點:
   ①含錳較高時,有較明顯的回火脆性現象;
   ②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:
   ③當錳的質量分數超過1%時,會使鋼的焊接性能變壞,
   ④錳會使鋼的耐銹蝕性能降低。
3)鉻在鋼中的作用
   ①鉻可提高鋼的強度和硬度。
   ②鉻可提高鋼的高溫機械性能。
   ③使鋼具有良好的抗腐蝕性和抗氧化性
   ④阻止石墨化
   ⑤提高淬透性。
缺點:
   ①鉻是顯著提高鋼的脆性轉變溫度
   ②鉻能促進鋼的回火脆性。
4)鎳在鋼中的作用
   ①可提高鋼的強度而不顯著降低其韌性;
   ②鎳可降低鋼的脆性轉變溫度,即可提高鋼的低溫韌性;
   ③改善鋼的加工性和可焊性;
   ④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
   ①鉬對鐵素體有固溶強化作用。
   ②提高鋼熱強性
   ③抗氫侵蝕的作用。
   ④提高鋼的淬透性。
缺點:
   鉬的主要不佳作用是它能使低合金鉬鋼發生石墨化的傾向。
6)鎢在鋼中的作用
   ①提高強度
   ②提高鋼的高溫強度。
   ③提高鋼的抗氫性能。
   ④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
   ①熱強性。
   ②釩能顯著地改善普通低碳低合金鋼的焊接性能。
8)鈦在鋼中的作用
   ①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;
   ②并能提高鋼在高溫高壓氫氣中的穩定性。使鋼在高壓下對氫的穩定性高達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
   ①鈮和碳、氮、氧都有極強的結合力,并與之形成相應的極為穩定的化合物,因而能細化晶粒,降低鋼的過熱敏感性和回火脆性。
   ②有極好的抗氫性能。
   ③鈮能提高鋼的熱強性
10)硼在鋼中的作用
   
   ①提高鋼的淬透性。
   ②提高鋼的高溫強度。強化晶界的作用。
11)鋁在鋼中的作用
   ①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變溫度;
   ②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構,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。
   ③此外,鋁還能提高對硫化氫和V2O5,的抗腐蝕性。
缺點:
   ①脫氧時如用鋁量過多,將促進鋼的石墨化傾向。
   ②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:冷態成型性、切削性、焊接性能、熱處理工藝性、鑄造性能等
2.2.1
  合金元素對鋼的冷態成型性的影響
     冷態成型性:冷態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。其冷態成型工藝性能優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)。
   與冷態成型性有關的材料性能參量有:
①低的屈服強度
②高的延伸率
③高的均勻伸長率
④高的加工硬化率(n值),
⑤高的深沖性參量(r值)
⑥適當而均勻的晶粒度;
⑦控制夾雜物的形狀和分布;
⑧游離滲碳體的數量和分布。
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,但適當的含量可以減輕硫的不佳作用。
   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*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:
①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。
②夾雜物必須具有一定的塑性,而不致切斷金屬的塑性流變,從而損害刃具的表面。
③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。
④夾雜物必須具有光滑的表面,而不能在刃具的側面作為磨料。
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*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以分散的質點形式分布于鋼中。在加S鋼中,Pb首先與MnS結合。與S相似,Pb可以作為內部潤滑劑降低摩擦力,并轉過來降低剪切抗力,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轉到通過Ca脫氧生產易削結構鋼上。
   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20μm)。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。
2.2.3合金元素對鋼的焊接性的影響
     鋼的焊接性是一個很復雜的工藝性能,因為它既與焊接裂紋的敏感性有關,又與服役條件和試驗溫度下所要求的韌性有密切聯系。
  一般認為,高強度低合金鋼的焊接性是良好的,并且隨含碳量的降低,焊接性得到改善。
  為此,國際焊接協會根據統計數據,采用碳當量為比較的基礎,由加入的各元素來計算和評定鋼材的焊接性能。
   其近似公式如下:
   碳當量  = C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5
   式中:元素符號代表該元素重量百分比。
   碳當量越低,焊接性能越好。
   碳當量≤0.35%,焊接性能良好;碳當量≥0.4-0.5%,焊接就較困難。

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