1、化學(xué)元素對鋼鐵性能的影響,肖茂祥,鋼和鐵的區(qū)別（含碳量）,合金種類的劃分,鋼以碳含量劃分,在生鐵中以兩種形態(tài)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(dāng)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。,C碳,一，生鐵中化學(xué)元素的影響,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。,一，生鐵中化學(xué)元素的影響,能溶于鐵素體和滲碳體。在高爐煉

2、制生鐵時，含錳量適當(dāng)，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(zhì)硫形成硫化錳，進(jìn)入爐渣。,Mn錳,一，生鐵中化學(xué)元素的影響,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(nèi)往往含磷量較高。然而磷的存在又使鐵增加硬脆性，優(yōu)良的生鐵含磷量應(yīng)少，有時為了要增加流動性，含磷量可達(dá)1.2%。,P磷,一，生鐵中化學(xué)元素的影響,在生鐵中是有害元素，它促使鐵與碳的結(jié)合，使鐵硬脆，并與鐵化合成低熔點的硫化鐵，使生鐵產(chǎn)生熱脆性和減低鐵液的流動性，故含硫高的生鐵不適于鑄造細(xì)件。鑄造生鐵中硫的含量規(guī)定最多不得超過0.06%（車輪生鐵除外）。,S硫,一，生鐵中化學(xué)元素的

3、影響,常存雜質(zhì)元素對鋼材性能的影響 鋼除含碳以外，還含有錳(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(zhì)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(zhì)元素。這些雜質(zhì)對鋼性能是有一定影響，為了保證鋼材的質(zhì)量，在國家標(biāo)準(zhǔn)中對各類鋼的化學(xué)成分都作了嚴(yán)格的規(guī)定。,二，非人為添加化學(xué)元素對鋼性能的影響:,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(tài)存在于鋼中，F(xiàn)eS和 Fe形成低熔點(985)化合物。而鋼材的熱加工溫度一般在11501200以上，所以當(dāng)鋼材熱加工時，由于 FeS化合物的過早熔化而導(dǎo)致工件開

4、裂，這種現(xiàn)象稱為“熱脆”。含硫量愈高，熱脆現(xiàn)象愈嚴(yán)重，故必須對鋼中含硫量進(jìn)行控制。高級優(yōu)質(zhì)鋼：S0.02%0.03%；優(yōu)質(zhì)鋼：S0.03%0.045%；普通鋼：S0.055%0.7%以下。,二，非人為添加化學(xué)元素對鋼性能的影響:,S硫,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(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，故鋼中對含磷量控制較嚴(yán)。高級優(yōu)質(zhì)鋼： P0.025%；優(yōu)質(zhì)鋼： P0.04%；普通鋼： P0.085%。,二，非人為添加化學(xué)元素對鋼性能的影響:,P磷,錳

5、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(jìn)入爐渣，從而改善鋼的品質(zhì)，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(rèn)為，鋼中含錳量在0.5%0.8%以下時，把錳看成是常存雜質(zhì)。技術(shù)條件中規(guī)定，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中，正常含錳量是0.5%0.8%；而較高含錳量的結(jié)構(gòu)鋼中，其量可達(dá)0.7%1.2%。,二，非人為添加化學(xué)元素對鋼性能的影響:,Mn錳,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(jié)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

6、素。硅在鋼中溶于鐵素體內(nèi)使鋼的強度、硬度增加，塑性、韌性降低。,二，非人為添加化學(xué)元素對鋼性能的影響:,氧在鋼中是有害元素。它是在煉鋼過程中自然進(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。氧在鋼中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夾雜形式存在，使鋼的強度、塑性降低。尤其是對疲勞強度、沖擊韌性等有嚴(yán)重影響。,O氧,二，非人為添加化學(xué)元素對鋼性能的影響:,鐵素體溶解氮的能力很低。當(dāng)鋼中溶有過飽和的氮，在放置較長一段時間后或隨后在200300加熱就會發(fā)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。鋼液中加入Al、Ti或V進(jìn)行固氮處理，使氮固定在AlN、Ti

7、N或VN中，可消除時效傾向。,N氮,二，非人為添加化學(xué)元素對鋼性能的影響:,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(fā)現(xiàn)，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(xì)長的發(fā)絲狀裂紋。鍛件中有了白點，使用時會發(fā)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(chǎn)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(dāng)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(tài)的氫變成分子狀態(tài)的氫。氫分子在不能擴散的條件下在局部地區(qū)產(chǎn)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。,H氫,二

8、，為添加化學(xué)元素對鋼性能的影響:,為了合金化而人為加入的合金元素，最常用的有硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩，鈦，鈮、硼、鋁等。現(xiàn)分別說明它們在鋼中的作用。,鋼的合金化,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； 硅能顯著地提高鋼的彈性極限、屈服極限和屈強比； 耐腐蝕性。硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)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。,三，合金元素對鋼性能的影響,SI硅,錳能提高鋼的淬透性。 錳對提高低碳和中碳珠光體鋼的強度有顯著的作用。 錳對鋼的高溫瞬時強度有所提高。 缺點：

9、 含錳較高時，有較明顯的回火脆性現(xiàn)象； 錳有促進(jìn)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(xì)化晶粒元素如鉬、釩、鈦等來克服： 當(dāng)錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1時，會使鋼的焊接性能變壞，,三，合金元素對鋼性能的影響,Mn錳,鉻可提高鋼的強度和硬度。 鉻可提高鋼的高溫機械性能。 使鋼具有良好的抗腐蝕性和抗氧化性 阻止石墨化 提高淬透性。 缺點： 鉻是顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度 鉻能促進(jìn)鋼的回火脆性。,三，合金元素對鋼性能的影響,Cr鉻,三，合金元素對鋼性能的影響,可提高鋼的強度而不顯著降低其韌性； 鎳可降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，即可提高鋼的低溫韌性； 改善鋼的加工性和可焊性； 鎳

10、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。,Ni鎳,鉬對鐵素體有固溶強化作用。 提高鋼熱強性 抗氫侵蝕的作用。 提高鋼的淬透性。 缺點： 鉬的主要不良作用是它能使低合金鉬鋼發(fā)生石墨化的傾向。,Mo鉬,三，合金元素對鋼性能的影響,鎢在鋼中的作用 提高強度 提高鋼的高溫強度。 提高鋼的抗氫性能。 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。 釩在鋼中的作用 熱強性。 釩能顯著地改善普通低碳低合金鋼的焊接性能。 鈦在鋼中的作用 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； 并能提高鋼在高溫高壓氫氣中的穩(wěn)定性。使鋼在高壓下對氫的穩(wěn)定性高達(dá)600以上，在珠光體低合金

11、鋼中，鈦可阻止鉬鋼在高溫下的石墨化現(xiàn)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。,三，合金元素對鋼性能的影響,鈮在鋼中的作用 鈮和碳、氮、氧都有極強的結(jié)合力，并與之形成相應(yīng)的極為穩(wěn)定的化合物，因而能細(xì)化晶粒，降低鋼的過熱敏感性和回火脆性。 有極好的抗氫性能。 鈮能提高鋼的熱強性 硼在鋼中的作用 ； 提高鋼的淬透性。 提高鋼的高溫強度。強化晶界的作用。 鋁在鋼中的作用 用作煉鋼時的脫氧定氮劑，細(xì)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(zhuǎn)變溫度； 提高鋼的抗氧化性能。經(jīng)過對鐵鋁合金的抗氧化性的研究；4AI即可改變氧化皮的結(jié)構(gòu)，加入6A1可使鋼在980C以下具有抗氧化性。當(dāng)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(dāng)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。 此外，鋁還能提高對硫化氫和V2O5，的抗腐蝕性。 缺點： 脫氧時如用鋁量過多，將促進(jìn)鋼的石墨化傾向。 當(dāng)含鋁較高時其高溫強度和韌性較低。,三，合金元素