材料—常見元素對金屬材料性能的影響

1、常見元素對金屬材料性能的影響1.碳（1）含碳量的增加，使得碳素鋼的強(qiáng)度和硬度增加，而塑性、韌性和焊接性能下降。（2）一般情況下，當(dāng)含碳量大于0.25%時(shí)，碳鋼可焊性開始變差，故壓力管道中一般采用含碳量小于0.25%的碳鋼。含碳量的增加，其球化和石墨化的傾向增加。（3）作為高溫下耐熱用的高合金鋼，含碳量應(yīng)大于或等于0.04%，但此時(shí)奧氏體不銹鋼的抗晶間腐蝕性能下降。2硅（1）硅固溶于鐵素體和奧氏體中可起到提高它們的硬度和強(qiáng)度的作用。（2）含硅量若超過3%時(shí)，將顯著地降低鋼的塑性、韌性、延展性和可焊性，并易導(dǎo)致冷脆，中、高碳鋼回火時(shí)易產(chǎn)生石墨化。（3）各種奧氏體不銹鋼中加入約2%的硅，可以增強(qiáng)它們

2、的高溫不起皮性。在鉻、鉻鋁、鉻鎳、鉻鎢等鋼中加入硅，都將提咼它們的咼溫杭氧化性能。但含硅量太高時(shí)，材料的表面脫碳傾向增加。（4）低含硅量對鋼的耐腐蝕性能影響小大，只有當(dāng)含硅量達(dá)到一定值時(shí)，它對鋼的耐腐性能才有顯著的增強(qiáng)作用。含硅量為15%20%的的硅鑄鐵是很好的耐酸材料，對不同溫度和濃度的硫酸、硝酸都很穩(wěn)定，但在鹽酸和王水的作用下穩(wěn)定性很小,在氫氟酸中則不穩(wěn)定。高硅鑄鐵之所以耐腐蝕，是由于當(dāng)開始腐蝕時(shí)，在其表面形成致密的SiO2薄層，阻礙了酸的進(jìn)一步向內(nèi)侵蝕。3硫、氧在碳素鋼中的作用硫和氧作為雜質(zhì)元素常以非金屬化合物（如FeS、FeO）形式存在于碳素鋼中，形成非金屬雜質(zhì)，從而導(dǎo)致材料性能劣化，

3、尤其是硫的存在引起材料的熱脆。六和磷是鋼中要控制的元素，并以其含量的多少來評定碳素鋼的優(yōu)劣。（由于FeS可與鐵形成共晶，并沿晶界分布），F(xiàn)e-FeS共晶物的熔點(diǎn)為985°C,當(dāng)在10001200C溫度下，對材料進(jìn)行壓力加工時(shí)，由于它已經(jīng)熔化而導(dǎo)致晶粒開裂，使材料呈現(xiàn)脆性。這種現(xiàn)象稱為熱脆。）4磷、砷、銻在碳素鋼中的作用（1）磷、砷、銻作為雜質(zhì)元素，它們對提高碳素鋼的抗拉強(qiáng)度有一定的作用，但同時(shí)又都增加鋼的脆性，尤其是低溫脆性。（由于磷以固溶形式存在于鐵素體中，影響鐵素體的晶格變形，使碳素鋼在常溫下呈現(xiàn)脆性。這種現(xiàn)象稱為冷脆）。磷和砷有都是造成碳素鋼嚴(yán)重偏析的有害元素。磷對鋼的焊接性不

4、利，它能增加焊裂的敏感性。（2）由于低合金鋼熔點(diǎn)較高，磷、砷、銻等雜質(zhì)元素容易在高溫下遷移聚集，從而導(dǎo)致低合金鋼的高溫回火脆性。（合金鋼在進(jìn)行高溫回火熱處理或長期在高溫下工作時(shí)，其中的雜質(zhì)元素磷、砷、銻等容易在高溫下遷移聚集。由于這些元素的熔點(diǎn)一般比合金元素低，它將“割裂”材料基體而導(dǎo)致合金鋼在高溫下呈現(xiàn)脆性。因?yàn)楹辖痄摰倪@種脆性發(fā)生在紅熱的溫度下，故稱為紅脆。）一般情況下，低合金鋼均采用較高級的冶煉方法（如電爐冶煉），故其硫、磷元素含量較低。5鎢在碳素鋼中的作用(1) 鋼中含鎢量高時(shí)有二次硬化作用，有紅硬性，以及增加耐磨性。鎢對鋼的淬透性、回火穩(wěn)定性、力學(xué)性能的影響均與鉬相似，但以質(zhì)量計(jì)，其

5、作用效果不如鉬顯著。鎢提高鋼在高溫下的蠕變抗力與熱強(qiáng)性，當(dāng)與鉬復(fù)合使用時(shí).效果更佳。(2) 鎢能提高鋼的抗氫作用的穩(wěn)定性。鎢通常加入低碳和中碳高級優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼中，鎢能阻止熱處理時(shí)晶粒的長大和粗化，降低具回火脆化傾向，并顯著提高鋼的強(qiáng)度和韌性。6.錳在低合金鋼中的作用(1) 錳與鐵形成固溶體可提高鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強(qiáng)度。在碳錳鋼中常利用錳來提高鋼的強(qiáng)度，但它是材料的延展性有所降低，而且增加了應(yīng)力腐蝕開裂的敏感性。在一般碳錳鋼和低合金鋼中，其含量在1%2%。(2) 錳是良好的脫敏劑和脫硫劑。錳與硫形成MnS,可防止因硫而導(dǎo)致的熱脆現(xiàn)象，從而改善鋼的熱加工性能。因此，在工業(yè)用鋼中一般都含有

6、一定數(shù)最的錳。(3) 錳在鋼中由于能降低臨界轉(zhuǎn)變溫度.故碳錳鋼的低溫沖擊韌性比碳素鋼好。(4) 錳能強(qiáng)烈增加碳錳鋼的淬透性。含錳量較高時(shí)，有使鋼晶粒粗化并增加鋼的回火脆性的不利傾向。(5) 錳對鋼的焊接性有著不利的影響響。為改善鋼的焊接性，應(yīng)在許可的范圍內(nèi)，適當(dāng)降低鋼的含碳量。焊接時(shí)也需采用優(yōu)質(zhì)低氫焊條和相應(yīng)的焊接工藝。7鉻在低合金鋼中的作用(1) 隨含鉻量的增加.使鉻鉬鋼和鉻鉬釩鋼有良好的的抗高溫性和耐氧化介質(zhì)腐蝕作用，并增加鋼的熱強(qiáng)性。但含鉻量太高時(shí)或者處理不當(dāng).易發(fā)生6相和475°C回火脆化。(2) 鉻增加鋼的淬透性并有二次硬化作用。(3) 鉻是顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度的元素，

7、隨著含鉻量的增加，鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度也逐步提高，沖擊值隨含鉻量增加而下降。(4) 在含鉬的鍋爐鋼中，加入少量的鉻，能肪止鋼在長期使用過程中的石墨化。(5) 在單一的鉻鋼中，材料的焊接性能隨含鉻量的增加而惡化。&鋁在低合金鋼中的作用(1) 鋁與氮及氧的親和力很強(qiáng)，因此它也作為煉鋼時(shí)的脫氧定氮?jiǎng)鸬郊?xì)化晶粒、阻抑碳鋼的時(shí)效、提高鋼在低溫下韌性的作用。(2) 鋁作為合金元素加入鋼中時(shí)能提高鋼的抗氧化性，改善鋼的電磁性能.提高滲氮鋼的耐磨性和疲勞強(qiáng)廢等。因此，鋁在不起皮鋼、電熱合金、磁鋼和滲氮鋼中，得到了廣泛的應(yīng)用。(3) 鋁在鐵索體及珠光體鋼中，當(dāng)其含量較高時(shí)，材料的高溫強(qiáng)度和韌性較低。(

8、4) 當(dāng)含鋁量達(dá)到一定量時(shí)，可使鋼產(chǎn)生鈍化現(xiàn)象，使鋼在氧化性酸中具有耐蝕性，但使鋼的焊接性變壞。(5) 鋁還能提咼鋼對硫化氫的耐蝕作用。含鋁量在4%左右的鋼，在溫度不超過600C時(shí)有較好的抗硫化氫腐蝕作用。(6) 在鋼鐵材料表面鍍鋁和滲鋁，可以提高其抗氧化性和在工業(yè)和海洋性氣氛中的耐蝕性。(7) 含鋁的鋼滲氮后，在鋼的表面形成一層牢固的薄而硬的彌散分布的氮化鋁層，從而提高其硬度和疲勞強(qiáng)度，并改善其耐磨性。(8) 鋁是咼錳低溫鋼的主要合金兀素。一定量的鋁，有提咼鐵錳奧氏體的穩(wěn)定度、抑制0_Mn相變的作用，從而使鋁在低慍鋼中得到了應(yīng)用。9鉬在低合金鋼的作用(1) 鉬屬于強(qiáng)碳化物形成元素，當(dāng)其含量較

9、低時(shí)，與鐵及碳形成復(fù)雜的滲碳體；當(dāng)其含量較高時(shí).則形成特殊碳化物。在較高回火溫度下，山于鉬的彌散分布，可使材料出現(xiàn)二次硬化。(2) 鉬對鐵紊體有固溶強(qiáng)化作用，同時(shí)也提高碳化物的穩(wěn)定性，因此對鋼的強(qiáng)度產(chǎn)生有利用。鉬是提高鋼熱強(qiáng)性最有效的合金元紊。鉬同樣也能提高馬氏體鋼和奧氏體鋼的熱強(qiáng)性。(3) 鉬在鋼中，由于形成特殊碳化物，可以改善在高溫高壓下抗氫侵蝕的作用。(4) 鉬常與其它元素如錳、鉻配合使用，可顯著提高鋼的淬透性；含鉬量約0.5%時(shí)，能抑制或降低其他合金元紊導(dǎo)致的回火脆性。(5) 鉬在不銹耐熱鋼中，也能使鋼表面鈍化，但作用不如鉻顯著。鉬與鉻相反，它既能在還原性酸(HCI、H2SO4、H2S

10、O3)中又能在強(qiáng)氧化性鹽溶液(特別是含有氯離子時(shí))中使鋼材表面鈍化。因此，鉬可以普遍提高鋼的耐蝕性能.(6) 鉬加入奧氏體耐酸鋼中，能顯著地提高材料對醋酸、環(huán)烷酸的耐蝕性，在含有氯化物的溶液中，常會引起奧氏體耐酸鋼的點(diǎn)腐蝕和晶間間腐蝕。材料中加入鉬后，這種傾向在很大程度上會被減緩或抑制。10鎳在高合金鋼中的作用(1) 鎳是擴(kuò)大Y相區(qū)，形成無限固溶體的元素，它是奧氏體不銹鋼中的主要元素。(2) 鎳能細(xì)化鐵素體晶粒，改善鋼的低溫性能。含鎳量超過一定值的碳鋼，其低溫脆化轉(zhuǎn)變溫度顯著降低，而低溫沖擊韌性顯著提高，因此鎳鋼常用于低溫材料。一般情況下，含鎳量達(dá)到3.5%的鎳鋼可以在-100°C低

11、溫下使用，含鎳量達(dá)到9%的鎳鋼可在-196C超低溫下使用。(3) 含鎳的低合金鋼還有較高的抗腐蝕疲勞的性能。鎳鋼不宜在含硫或一氧化碳的氣氛中加熱，因?yàn)殒囈着c硫化合，在晶界上形成低熔點(diǎn)的NiS網(wǎng)狀組織而產(chǎn)牛熱脆。在高溫時(shí)鎳將與一氧化碳化合形成Ni(CO)4氣體而由合金中逸出，從而在材料中留下孔洞。(4) 在不銹耐熱鋼中，鎳與鉻、鉬等元紊適當(dāng)配合使材料在常溫下為奧氏體組織，即得到奧氏體不銹鋼或耐熱鋼。然而，目前鎳在全世界范圍內(nèi)都是一種比較稀缺的元素，故作為一種合金元素，應(yīng)該只有在用其他素不能狀得所需要的性能時(shí)，才考慮使用它。(5) 由于鎳可降低臨界轉(zhuǎn)變濕度和降低鋼中各元素的擴(kuò)散速度，因而它可以提高

12、鋼的淬透性。(6) 鎳不增加鋼對蠕變的抗力，因此一般不作為熱強(qiáng)鋼中的強(qiáng)化元紊。在奧氏體熱強(qiáng)鋼中，鎳的作用只是使鋼奧氏體化，鋼的強(qiáng)度必須靠其他元素如鉬、鎢、釩、鈦、鋁來提咼。(7) 鎳是有一定耐腐蝕能力的元素，對酸、堿、鹽以及大氣均具有一定的耐腐蝕能力。11鈦在高合金鋼中的作用(1)鈦是最強(qiáng)的碳化物形成元素，與氮、氧的親和力也極強(qiáng)，是良好的脫氣劑和固定氮、碳的有效元素.正因?yàn)檫@樣.含鈦的高臺金鋼不宜用于鑄件。(2) 在奧氏體不銹鋼中，由于鈦能固定碳，有防止和減輕材料晶司腐蝕和應(yīng)力腐蝕的作用。如果奧氏體不銹鋼中的鈦、碳含量之比超過4.5時(shí)，由于此時(shí)材料中的氧、氮和碳可以全部被固定住，故使得材料對晶間