常用金屬材料中各種化學(xué)成分對(duì)性能的影響

1、常用金屬材料中各種化學(xué)成分對(duì)性能的影響1 .生鐵：生鐵中除鐵外，還含有碳、硅、鈕、磷和硫等元素。這些元素對(duì)生鐵的性能均有一定的影響。碳（C）:在生鐵中以?xún)煞N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(qiáng)度和硬度，含量過(guò)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(qiáng)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(dòng)性，降低鑄件的收縮量，但含硅過(guò)多，也會(huì)使生鐵變硬變脆。鈕（Mn）:能溶于鐵素體和滲

2、碳體。在高爐煉制生鐵時(shí)，含鈕量適當(dāng)，可提高生鐵的鑄造性能和削切性能，在高爐里鉆還可以和有害雜質(zhì)硫形成硫化鈕，進(jìn)入爐渣。磷（P）：屬于有害元素，但磷可使鐵水的流動(dòng)性增加，這是因?yàn)榱驕p低了生鐵熔點(diǎn)，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(shí)為了要增加流動(dòng)性，含磷量可達(dá)1.2%。硫（S）: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(diǎn)的硫化鐵，使生鐵產(chǎn)生熱脆性和減低鐵液的流動(dòng)性，顧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(guò)0.06%（車(chē)輪生鐵除外）。2 .鋼：2. 1元素在鋼中的作用1 .1.1常存雜質(zhì)元素對(duì)鋼材

3、性能的影響鋼除含碳以外，還含有少量鈕（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(guò)程中帶入的，故稱(chēng)為雜質(zhì)元素。這些雜質(zhì)對(duì)鋼性能是有一定影響，為了保證鋼材的質(zhì)量，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)各類(lèi)鋼的化學(xué)成分都作了嚴(yán)格的規(guī)定。1）硫硫來(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)（985C）化合物。而鋼材的熱加工溫度一般在11501200c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(chēng)為熱脆含硫量愈高，熱脆現(xiàn)象愈嚴(yán)重，故必須對(duì)鋼

4、中含硫量進(jìn)行控制。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。2）磷磷是由礦石帶入鋼中的，一股說(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(chēng)"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%。3）鈕鈕是煉鋼時(shí)作為脫氧劑加入鋼中的。由于鉆可以與硫形成高熔點(diǎn)（1600C）的MnS,一定程

5、度上消除了硫的有害作用。鈕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(qiáng)度和硬度。因此，鈕在鋼中是一種有益元素。一般認(rèn)為，鋼中含鈕量在0.5%0.8%以下時(shí)，把鈕看成是常存雜質(zhì)。技術(shù)條件中規(guī)定，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中，正常含鈕量是0.5%0.8%;而較高含鈕量的結(jié)構(gòu)鋼中，其量可達(dá)0.7%1.2%04）硅硅也是煉鋼時(shí)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素。硅在鋼中溶于鐵素體內(nèi)使鋼的強(qiáng)度、硬度增加，塑性、韌性降低。鎮(zhèn)靜鋼中的含硅量通常在0.1%0.37%,沸騰鋼中只含有0.03%

6、0.07%。由于鋼中硅含量一般不超過(guò)0.5%,對(duì)鋼性能影響不大。5）氧氧在鋼中是有害元素。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鉆、硅、鐵和鋁進(jìn)行脫氧，但不可能除盡。氧在鋼中以FeO、MnO、SiO2、A12O3等夾雜形式，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。6）氮鐵素體溶解氮的能力很低。當(dāng)鋼中溶有過(guò)飽和的氮，在放置較長(zhǎng)一段時(shí)間后或隨后在200300c加熱就會(huì)發(fā)生氮以氮化物形式的析出，并使鋼的硬度、強(qiáng)度提高，塑性下降，發(fā)生時(shí)效。鋼液中加入Al、Ti或V進(jìn)行固氮處理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除時(shí)效傾向。7）氫鋼中溶有氫會(huì)引起鋼的氫脆、白點(diǎn)等缺

7、陷。白點(diǎn)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(diǎn)；在橫斷面上則是細(xì)長(zhǎng)的發(fā)絲狀裂紋。鍛件中有了白點(diǎn)，使用時(shí)會(huì)發(fā)生突然斷裂，造成不測(cè)事故。因此，化工容器用鋼，不允許有白點(diǎn)存在。氫產(chǎn)生白點(diǎn)冷裂的主要原因是因?yàn)楦邷貖W氏體冷至較低溫時(shí)，氫在鋼中的溶解度急劇降低。當(dāng)冷卻較快時(shí)，氫原子來(lái)不及擴(kuò)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(kuò)散的條件下在局部地區(qū)產(chǎn)生很大壓力，這壓力超過(guò)了鋼的強(qiáng)度極限而在該處形成裂紋，即白點(diǎn)。2 .1.2為了合金化而加入的合金元素，最常用的有硅、鈕、銘、鍥、鑰、鴇、鈿，鈦，鍥、硼、鋁等。現(xiàn)分別說(shuō)明它們?cè)阡撝械淖饔?/p>

8、。1）硅提高鋼中固溶體的強(qiáng)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(qiáng)比；耐腐蝕性。硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%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(shí)，表面也將形成一層SiO2薄膜，從而提高鋼在高溫時(shí)的抗氧化性。缺點(diǎn)：使鋼的焊接性能惡化。2）鈕鈕能提高鋼的淬透性。鈕對(duì)提高低碳和中碳珠光體鋼的強(qiáng)度有顯著的作用。鈕對(duì)鋼的高溫瞬時(shí)強(qiáng)度有所提高。缺點(diǎn)：含鈕較高時(shí)，有較明顯的回火脆性現(xiàn)象；鈕有促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大的作用,因此鈕鋼對(duì)過(guò)熱較敏感t在熱處理工藝上必須注意。這種缺點(diǎn)可用加入細(xì)化晶粒元素如鋁、鈾、鈦等來(lái)克服：當(dāng)鉆的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)1%時(shí)，會(huì)使鋼的焊接性能

9、變壞，鈕會(huì)使鋼的耐銹蝕性能降低。3）銘在鋼中的作用銘可提高鋼的強(qiáng)度和硬度。銘可提高鋼的高溫機(jī)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(diǎn)：銘是顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度銘能促進(jìn)鋼的回火脆性。4）鍥在鋼中的作用可提高鋼的強(qiáng)度而不顯著降低其韌性；鍥可降低鋼的脆性轉(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；鍥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）鋁在鋼中的作用鑰對(duì)鐵素體有固溶強(qiáng)化作用。提高鋼熱強(qiáng)性抗氫侵蝕的作用。提高鋼的淬透性。缺點(diǎn)：旬的主要不良作用是它能使低合金鋁鋼發(fā)生石墨化的傾向。6）鴇在鋼中的作用提高強(qiáng)度提高鋼的高溫強(qiáng)度。提高鋼的抗氫性

10、能。是使鋼具有熱硬性。因此鴇是高速工具鋼中的主要合金元素。7）鈾在鋼中的作用熱強(qiáng)性。銳能顯著地改善普通低碳低合金鋼的焊接性能。8）鈦在鋼中的作用鈦能改善鋼的熱強(qiáng)性，提高鋼的抗蠕變性能及高溫持久強(qiáng)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(duì)氫的穩(wěn)定性高達(dá)600c以上，在珠光體低合金鋼中，鈦可阻止鋁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(qiáng)鋼中的重要合金元素之一。9）花在鋼中的作用鑰和碳、氮、氧都有極強(qiáng)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(guò)熱敏感性和回火脆性。有極好的抗氫性能。鋰能提高鋼的熱強(qiáng)性10）硼在鋼中的作用；提高鋼的淬透性。提高鋼的高

11、溫強(qiáng)度。強(qiáng)化品界的作用。11）鋁在鋼中的作用用作煉鋼時(shí)的脫氧定氮?jiǎng)?，?xì)化晶粒，抑制低碳鋼的時(shí)效，改善鋼在低溫時(shí)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。曾對(duì)鐵鋁合金的抗氧化性進(jìn)行了較多的研究；4%AI即可改變氧化皮的結(jié)構(gòu)，加入6%A1可使鋼在980C以下具有抗氧化性。當(dāng)鋁和銘配合并用時(shí)，其抗氧化性能有更大的提高。例如，含鐵50%55%、銘30%一35%、鋁10%15%的合金，在1400C高溫時(shí)，仍具有相當(dāng)好的抗氧化性。由于鋁的這一作用，近年來(lái)，常把鋁作為合金元素加入耐熱鋼中。此外，鋁還能提高對(duì)硫化氫和V2O5,的抗腐蝕性。缺點(diǎn)：脫氧時(shí)如用鋁量過(guò)多，將促進(jìn)鋼的石墨化傾向。當(dāng)含鋁較

12、高時(shí).其高溫強(qiáng)度和韌性較低。3 .2合金元素對(duì)鋼的主要工藝性能的影響：鋼的主要工藝性能有：冷態(tài)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(duì)鋼的冷態(tài)成型性的影響冷態(tài)成型性：冷態(tài)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(tài)成型工藝性能優(yōu)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(rùn)滑條件等）。與冷態(tài)成型性有關(guān)的材料性能參量有：低的屈服強(qiáng)度高的延伸率高的均勻伸長(zhǎng)率高的加工硬化率（n值），高的深沖性參量（r值）適當(dāng)而均勻的晶粒度；控制夾雜物的形狀和分布；游離滲碳體的數(shù)量和分布。1）冷軋薄鋼板：碳：碳含量增加會(huì)使拉延能力變壞，因此

13、絕大部分鋼板都采用低碳鋼。鈕：鈕的影響和碳相似，但適當(dāng)?shù)暮靠梢詼p輕硫的不良作用。磷、硅：磷和硅溶于鐵素體引起強(qiáng)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(shí)，既要考慮強(qiáng)度要求，也要考慮沖壓性能。碳：碳是對(duì)熱軋鋼板沖壓性能影響最大的元素。對(duì)于沖壓用的熱軋鋼板，一般不宜以增加碳的辦法來(lái)提高強(qiáng)度，應(yīng)采用添加合金元素來(lái)提高鋼的強(qiáng)度。硫：硫在鋼中形成硫化物夾雜，在軋制中拉長(zhǎng)，分割金屬基體降低塑性，影響沖壓性能。2. 2.2合金元素對(duì)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(lèi)型、大小、形狀、分布和體積百分?jǐn)?shù)不同，對(duì)切削性的影響也不同。為了達(dá)到改善鋼的切削

14、性的目的，這些非金屬夾雜物必須滿(mǎn)足下列四個(gè)條件：在切削運(yùn)動(dòng)平面上，夾雜物必須作為應(yīng)力集中源，從而引起裂紋和脆化切屑的作用。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。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。夾雜物必須具有光滑的表面，而不能在刃具的側(cè)面作為磨料。鋼的切削性的提高主要還是通過(guò)加入易削添加劑，例如S、P、Pb、Bi、Ca、Se（硒卜Te（確）等。硫是了解最清楚和廣泛應(yīng)用的易削添加劑。當(dāng)鋼中含足夠量的Mn時(shí)，S的加入將形成MnS夾雜物。力口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

15、的磨損速率迅速下降。MnS夾雜物在切削剪切區(qū)作為應(yīng)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(dǎo)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(zhǎng)刃具的使用壽命。Pb是僅次于S的常用易削添加劑。Pb對(duì)切削加工性的有益效應(yīng)，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(zhì)點(diǎn)形式分布于鋼中。在加S鋼中,Pb首先與MnS結(jié)合。與S相似，Pb可以作為內(nèi)部潤(rùn)滑劑降低摩擦力，并轉(zhuǎn)過(guò)來(lái)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(lái)許多注意力已經(jīng)轉(zhuǎn)到通過(guò)Ca脫氧生產(chǎn)易削結(jié)構(gòu)鋼上。通過(guò)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(jī)加工時(shí)，將在刃具磨損表面沉積為一個(gè)薄層（約20pm）。這種薄層是磨損的障礙，因而可延長(zhǎng)碳化物刃具的使用壽命。2. 2.3合金元素對(duì)鋼的焊接性的影響鋼的焊接性