各種元素對(duì)鋼鐵性能的影響(上)

1.元素:氫(H)

對(duì)鋼鐵性能的影響:
H是一般鋼中最有害的元素,鋼中溶有氫會(huì)引起鋼的氫脆、白點(diǎn)等缺陷。氫與氧、氮一樣,在固態(tài)鋼中溶解度極小,在高溫時(shí)溶入鋼液,冷卻時(shí)來(lái)不及逸出而積聚在組織中形成高壓細(xì)微氣孔,使鋼的塑性、韌度和疲勞強(qiáng)度急劇降低,嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成裂紋、脆斷。“氫脆”主要出現(xiàn)在馬氏體鋼中,在鐵氧體鋼中不十分突出,一般與硬度和含碳量一起增加。

另一方面,H能提高鋼的磁導(dǎo)率,但也會(huì)使矯頑力和鐵損增加(加H后矯頑力可增大0.5~2倍)。

2.元素:硼(B)

對(duì)鋼鐵性能的影響:
B在鋼中的主要作用是增加鋼的淬透性,從而節(jié)約其他較稀貴的金屬,與鎳、鉻、鉬等。為了這一目的,其含量一般規(guī)定在0.001%~0.005%范圍內(nèi)。它可以代替1.6%的鎳、0.3%的鉻或0.2%的鉬,以硼代鉬應(yīng)注意,因鉬能防止或降低回火脆性,而硼卻略有促進(jìn)回火脆性的傾向,所以不能用硼將鉬完全代替。

中碳碳素鋼中加硼,由于提高了淬透性,可使厚20mm以上的鋼材調(diào)質(zhì)后性能大為改善,因此,可用40B和40MnB鋼代替40Cr,可用20Mn2TiB鋼代替20CrMnTi滲碳鋼。但由于硼的作用隨鋼中碳的含量的增加而減弱,甚至消失,在選用含硼滲碳鋼時(shí),必須考慮到零件滲碳后,滲碳層的淬透性將低于芯部的淬透性的這一特點(diǎn)。

彈簧鋼一般要求完全淬透,通常彈簧面積不大,采用含硼鋼有利。對(duì)高硅彈簧鋼硼的作用波動(dòng)較大,不便采用。

硼和氮及氧有強(qiáng)的親和力,沸騰鋼中加入0.007%的硼,可以消除鋼的時(shí)效現(xiàn)象。

3.元素:碳(C)

對(duì)鋼鐵性能的影響:
C是僅次于鐵的主要元素,它直接影響鋼材的強(qiáng)度、塑性、韌性和焊接性能等。

當(dāng)鋼中含碳量在0.8%以下時(shí),隨著含碳量的增加,鋼材的強(qiáng)度和硬度提高,而塑性和韌性降低;但當(dāng)含碳量在1.0%以上時(shí),隨著含碳量的增加,鋼材的強(qiáng)度反而下降。

隨著含碳量的增加,鋼材的焊接性能變差(含碳量大于0.3%的鋼材,可焊性顯著下降),冷脆性和時(shí)效敏感性增大,耐大氣銹蝕性下降。

4.元素:氮(N)

對(duì)鋼鐵性能的影響:
N對(duì)鋼材性能的影響與碳、磷相似,隨著氮含量的增加,可使鋼材的強(qiáng)度顯著提高,塑性特別是韌性也顯著降低,可焊性變差,冷脆性加?。煌瑫r(shí)增加時(shí)效傾向及冷脆性和熱脆性,損壞鋼的焊接性能及冷彎性能。因此,應(yīng)該盡量減小和限制鋼中的含氮量。一般規(guī)定氮含量應(yīng)不高于0.018%。

氮在鋁、鈮、釩等元素的配合下可以減少其不利影響,改善鋼材性能,可作為低合金鋼的合金元素使用。有些牌號(hào)的不銹鋼,適當(dāng)增加N的含量,可以減少Cr的使用量,可以有效降低成本。

5.元素:氧(O)

對(duì)鋼鐵性能的影響:
O在鋼中是有害元素。它是在煉鋼過(guò)程中自然進(jìn)入鋼中的,盡管在煉鋼末期要加入錳、硅、鐵和鋁進(jìn)行脫氧,但不可能除盡。鋼水凝固期間,溶液中氧和碳反應(yīng)會(huì)生成一氧化碳,可以造成氣泡。氧在鋼中主要以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夾雜形式存在,使鋼的強(qiáng)度、塑性降低。尤其是對(duì)疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性等有嚴(yán)重影響。

氧會(huì)使硅鋼中鐵損增大,磁導(dǎo)率及磁感強(qiáng)度減弱,磁時(shí)效作用加劇。

6.元素:鎂(Mg)

對(duì)鋼鐵性能的影響:
能使鋼中夾雜物數(shù)量減少、尺寸減小、分布均勻、形態(tài)改善等。微量鎂能改善軸承鋼的碳化物尺寸及分布,含鎂軸承鋼的碳化物顆粒細(xì)小均勻。當(dāng)鎂含量為0.002%~0.003% ,其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度增加5%以上,塑性基本保持不變。

7.元素:鋁(Al)

對(duì)鋼鐵性能的影響:
鋁作為脫氧劑或合金化元素加入鋼中,鋁脫氧能力比硅、錳強(qiáng)得多。鋁在鋼中的主要作用是細(xì)化晶粒、固定鋼中的氮,從而顯著提高鋼的沖擊韌性,降低冷脆傾向和時(shí)效傾向性。如D級(jí)碳素結(jié)構(gòu)鋼要求鋼中酸溶鋁含量不小于0.015%,深沖壓用冷軋薄鋼板08AL要求鋼中酸溶鋁含量為0.015%-0.065%。

鋁還可提高鋼的抗腐蝕性能,特別是與鉬、銅、硅、鉻等元素配合使用時(shí),效果更好。

鉻鉬鋼和鉻鋼中含Al可增加其耐磨性。高碳工具鋼中Al的存在可使產(chǎn)生淬火脆性。鋁的缺點(diǎn)是影響鋼的熱加工性能、焊接性能和切削加工性能。

8.元素:硅(Si)

對(duì)鋼鐵性能的影響:
Si是煉鋼過(guò)程中重要的還原劑和脫氧劑:對(duì)于碳鋼中的很多材質(zhì)來(lái)說(shuō),都含有0.5%以下的Si,這些Si一般是由于煉鋼過(guò)程中作為還原劑和脫氧劑而帶入的。

硅能溶于鐵素體和奧氏體中提高鋼的硬度和強(qiáng)度,其作用僅次于磷,較錳、鎳、鉻、鎢、鉬、釩等元素強(qiáng)。但含硅量超過(guò)3%時(shí),將顯著降低鋼的塑性和韌性。硅能提高鋼的彈性極限、屈服強(qiáng)度和屈服比(σs/σb),以及疲勞強(qiáng)度和疲勞比(σ-1/σb)等。這是硅或硅錳鋼可作為彈簧鋼種的緣故。

硅能降低鋼的密度、熱導(dǎo)率和電導(dǎo)率。能促使鐵素體晶粒粗化,降低矯頑力。有減小晶體的各向異性傾向,使磁化容易,磁阻減小,可用來(lái)生產(chǎn)電工用鋼,所以硅鋼片的磁阻滯損耗較低。硅能提高鐵素體的導(dǎo)磁率,使鋼片在較弱磁場(chǎng)下有較高的磁感強(qiáng)度。但在強(qiáng)磁場(chǎng)下硅降低鋼的磁感強(qiáng)度。硅因有強(qiáng)的脫氧力,從而減少了鐵的磁時(shí)效作用。

含硅的鋼在氧化氣氛中加熱時(shí),表面將形成一層SiO2薄膜,從而提高鋼在高溫時(shí)的抗氧化性。

硅能促使鑄鋼中的柱狀晶成長(zhǎng),降低塑性。硅鋼若加熱時(shí)冷卻較快,由于熱導(dǎo)率低,鋼的內(nèi)部和外部溫差較大,因而斷裂。

硅能降低鋼的焊接性能。因?yàn)榕c氧的結(jié)合能力硅比鐵強(qiáng),在焊接時(shí)容易生成低熔點(diǎn)的硅酸鹽,增加熔渣和融化金屬的流動(dòng)性,引起噴濺現(xiàn)象,影響焊接質(zhì)量。硅是良好的脫氧劑。用鋁脫氧時(shí)酌情加一定量的硅,能顯著提高率的脫氧性。硅在鋼中本來(lái)就有一定的殘存,這是由于煉鐵煉鋼時(shí)作為原料帶入的。在沸騰鋼中,硅限制在

9.元素:磷(P)

對(duì)鋼鐵性能的影響:
P是由礦石帶入鋼中的,一般說(shuō)磷也是有害元素。磷雖能使鋼材的強(qiáng)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(shí),它使鋼材顯著變脆,這種現(xiàn)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(duì)含磷量控制較嚴(yán)。高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼:P<0.025%;優(yōu)質(zhì)鋼:P<0.04%;普通鋼:P<0.085%。

P的固溶強(qiáng)化及冷作硬化作用很好,與銅聯(lián)合使用,提高低合金高強(qiáng)度鋼的耐大氣腐蝕性能,但降低其冷沖壓性能,與硫、錳聯(lián)合使用,改善切削性,增加回火脆性及冷脆敏感性。

磷可提高比電阻,且由于容易粗晶而可使矯頑力和渦流損失降低,于磁感而言,則在弱中磁場(chǎng)下磷含量高的鋼磁感會(huì)提高,含P硅鋼的熱加工也并不困難,但由于它會(huì)使硅鋼具冷脆性,含量≯0.15%(如冷軋電機(jī)用硅鋼含P=0.07~0.10%)。

磷是強(qiáng)化鐵素體作用最強(qiáng)的元素。(P對(duì)硅鋼再結(jié)晶溫度和晶粒長(zhǎng)大的影響將超過(guò)同等硅含量作用的4~5倍。)

10.元素:硫(S)

對(duì)鋼鐵性能的影響:
硫來(lái)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(tài)存在于鋼中,F(xiàn)eS和Fe形成低熔點(diǎn)(985℃)化合物。而鋼材的熱加工溫度一般在1150~1200℃以上,所以當(dāng)鋼材熱加工時(shí),由于FeS化合物的過(guò)早熔化而導(dǎo)致工件開(kāi)裂,這種現(xiàn)象稱為“熱脆”。降低鋼的延展性和韌性,在鍛造和軋制時(shí)造成裂紋。硫?qū)附有阅芤膊焕档湍透g性。高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼:S<0.02%~0.03%;優(yōu)質(zhì)鋼:S<0.03%~0.045%;普通鋼:S<0.055%~0.7%以下。

由于其切屑發(fā)脆而可得到非常光澤的表面,所以可用于制要求負(fù)荷不大而具高表面光潔度的鋼制件(名為快削鋼),(如Cr14)有意加進(jìn)少量的硫(=0.2~0.4%)。某些高速鋼工具鋼進(jìn)行硫化表面。

各種元素對(duì)鋼鐵性能的影響(中)
各種元素對(duì)鋼鐵性能的影響(下)

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