各種化學(xué)元素對鋼材性能的影響

1、第 頁共4頁各元素對鋼材性能的影響名詞解釋：鐵素體（Ferrite ）:碳在a -Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素。常用符號F （或a）表示。鐵素體具有體心立方結(jié)構(gòu)，由于它的間隙很小，因而溶碳能力較差。在727C時最大溶碳量為0.0218%，隨著溫度下降，其溶碳量逐步減少，在室溫時僅溶碳0.0008%。鐵素體的強(qiáng)度低，其3 a b為180-280MN/m 2,HB約80,但塑性好，其3為50%。奧氏體（Austenitic ）:碳在丫 -Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體。常用符號A （或丫）表示。奧氏體具有面心立方晶格結(jié)構(gòu)，由于它的有效晶格間隙較大，因此其溶碳能力較大， 在1148C時的最大溶碳

2、量 2.11%，隨著溫度的下降，其溶碳量逐步減少，在727 C是溶碳量為0.77%。奧氏體的機(jī)械性能于其溶碳量及晶粒的大小有關(guān)。一般來說奧氏體的硬度為 170-220HBS，延伸率3為40-50%，奧氏體存在于 727C以上的固態(tài)溫度范圍內(nèi)。奧氏體易 于塑性成形。滲碳體（Cementite ）: C與Fe的化合物（FaC）稱為滲碳體，其含碳量6.69%，滲碳體的熔點(diǎn)為1227C，其硬度很高，約 800HB,塑性和沖擊韌性幾乎為零，脆性極大，因此它不能 作為碳鋼的基體相， 卻是碳鋼中的主要強(qiáng)化相。滲碳體是一種亞穩(wěn)相，在一定條件下會發(fā)生分解，形成石墨自由碳。馬氏體（Marte nsite ）:采用

3、快速冷卻的方法， 由于過冷度大，鐵和碳原子都不能進(jìn)行擴(kuò)散， 奧氏體只能由非擴(kuò)散的晶格切變，有 丫 -Fe的面心立方晶格改組為 a -Fe的體心立方晶格。 這種奧氏體直接轉(zhuǎn)變一種含碳過飽和 a固溶體，稱之為馬氏體。各元素對鋼性能的影響：錳（Mr）錳是煉鋼時用錳鐵脫氧而殘留于鋼中的，錳能清除鋼中的Fe O,改善鋼的品質(zhì)，降低鋼的脆性；錳與硫化合生成MrS,消除硫的有害作用，改善鋼的熱加工性能。在碳鋼中錳的含量一般控制在0.25-0.80%之間，錳能溶于鐵素體中， 形成含錳的鐵素體， 起著強(qiáng)化鐵素體的作 用；錳還能溶于FesC中形成合金滲碳體，從而提高碳鋼的強(qiáng)度，錳是有益的雜質(zhì)元素，少 量的錳對鋼的

4、性能影響不顯著。硅（Si）硅也是作為脫氧劑而加入鋼中的。硅在碳鋼中的含量通?？刂圃?.03-0.4%之間，大部分歸溶于鐵素體，形成含硅鐵素體，起著強(qiáng)化鐵素體的作用，是鋼的強(qiáng)度和硬度得到提高。但塑性、韌性有所下降。少來的硅對鋼的性能影響也不顯著。硫（S）硫是在煉鋼中由礦石、燃料帶進(jìn)鋼中，硫不溶于鐵，而異FeS的形式存在，F(xiàn)eS與Fe能形成熔點(diǎn)為985 C的共晶體，且分布于奧氏體的晶界上，當(dāng)鋼材在1000-1200 C進(jìn)行軋制和鍛造時，將會使晶界上的共晶體熔化，是鋼變脆，這種現(xiàn)象稱為熱脆性，硫是有害雜質(zhì)，因此,鋼中的含碳量必須嚴(yán)格控制。增加鋼中的Mr的含量，可以消除硫的有害作用。因?yàn)殄i與硫能形成熔

5、點(diǎn)為1620 C的MrS,MrS在高溫時有一定的塑性，因此可以避免鋼的熱脆現(xiàn)象。磷（P）磷是由礦石帶入鋼中的， 磷在鋼中全部溶于鐵素體中， 提高了鐵素體的強(qiáng)度和硬度。 但同時 也是鋼的室溫塑性急劇下降、變脆， 這種現(xiàn)象稱為冷脆性，磷也是一種有害雜質(zhì)，也必須嚴(yán)格控制它在鋼中的含量。奧氏體的晶粒大小及影響因素：鋼的奧氏體晶粒的大小， 對冷卻后所得到的組織和性能有著非常大的影響。奧氏體的晶粒越細(xì)，冷卻后其組織也越細(xì)，強(qiáng)度、塑性和韌性就越好。因此，通過熱處理的方法獲得細(xì)的奧氏體晶粒，對工件最后的性能和質(zhì)量具有重要意義。影響奧氏體晶粒的因素奧實(shí)體化的溫度越高，鋼的晶粒度長大越明顯。在一定溫度下，保溫時間

6、越長，越有利于奧 氏體晶粒的長大。隨著鋼中含碳量的增加，則晶粒長大傾向也增大。但當(dāng)滲碳體在奧氏體晶界時，將阻礙奧氏體晶粒長大。除Mn、P等元素增加奧氏體晶粒長大的傾向外，其他形成碳化物元素（Ti、Nb、Zb等），形成氧化物和氮化物的元素（如Al），當(dāng)他們形成化合物分布在奧氏體晶界上時，都會不同程度的阻礙奧氏體晶粒的長大。合金鋼中常加入的合金元素有Mn、Si、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Ni、Al等。其中Ni、Si、Al等元素不能與碳形成化合物。Nb、Ti、V、W、Mo、Cr、Mn等元素能與碳形成化合物。合金元素由于在鋼中的存在形式不一樣。因此在鋼中的主要作用也有所差異。主要作用有以下幾方面

7、：提高鋼的強(qiáng)度 不能形成碳化物的元素，主要是溶入鐵素體中形成合金鐵素體，起固溶 強(qiáng)化；碳化物形成元素與碳形成合金碳化物，其硬度更高，彌散強(qiáng)化作用更大。不管何 種兀素加入鋼中都使強(qiáng)度得到提高。提高淬透性除Co以外，大多數(shù)合金元素加入鋼中，都減慢了過冷奧氏體的分解，使C曲線右移，降低臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性，（Ni、Cr、Co）這是合金元素加入鋼中的主要目的之一。 但應(yīng)指出，只有當(dāng)合金元素溶入奧氏體中后， 才能起到這種作用。阻止奧氏體晶粒長大除Mn等以外，合金奧氏體晶粒張大傾向較小，特別是強(qiáng)碳化物形成元素生成的碳化物（Ti、V、Zr、Nb等的碳化物）能強(qiáng)烈阻止奧氏體晶粒的長大， 因而起細(xì)化晶粒

8、的作用。增加鋼的回火穩(wěn)定性鋼對回火時發(fā)生軟化過程的抵抗能力稱為回火穩(wěn)定性。許多合金元素都可使馬氏體中碳化物析出及殘余奧氏體分解的溫度升高、速度減慢。因此與碳鋼 相比，在同一溫度回火時，合金鋼的硬度和強(qiáng)度高。反之，當(dāng)回火至相同硬度時，合金鋼的回火溫度高，因此其內(nèi)應(yīng)力消除較徹底，塑性、韌性較高。碳化物形成元素Cr、Mo、Nb、V等對回火穩(wěn)定性有較強(qiáng)作用。產(chǎn)生二次硬化當(dāng)W、Mo、Cr、V含量較高時，在500-600 C溫度范圍回火時，其硬度并不降低，反而升高的現(xiàn)象稱為二次回火硬化。其原因有二：一是該溫度回火時，馬氏體中將析出細(xì)小、彌散的特殊碳化物，如M02C、W2C、VC等，起彌散硬化作用；二是該溫

9、度回火時，殘余奧氏體中析出部分碳化物，從而降低了含碳量，提高了Ms點(diǎn)的溫度，使殘余奧氏體的冷卻過程中可以較高的溫度轉(zhuǎn)變成馬氏體（二次淬火）以增加鋼的 硬度。產(chǎn)生回火脆性 合金鋼淬火后，在某一溫度范圍內(nèi)回火時，出現(xiàn)的脆性現(xiàn)象，稱為回火 脆性。在350-400 C出現(xiàn)的韌性下降現(xiàn)象稱為第一類回火脆性。無論碳鋼或合金鋼，都 會發(fā)生這類脆性，并且與冷卻的速度快慢無關(guān)。這種回火脆性產(chǎn)生后無法消除，又稱不 可逆回火脆性。為了避免這類回火脆性的發(fā)生，一般不在此溫度范圍內(nèi)回火。在500-600 C回火后緩慢冷卻出現(xiàn)的韌性下降稱為第二類回火脆性（高溫回火脆性）。含有Cr、Mn、Ni元素的合金鋼最容易發(fā)生這類回火

10、脆性。這類回火脆性如果回火后快冷 就不會出現(xiàn)；如果回火后慢冷，脆性已發(fā)生，只要重新加熱到回火溫度進(jìn)行回火并快冷， 貝恫火脆性可完全消除，因而又稱他為可逆回火脆性。各種合金元素在鋼中作用如下表各種合金元素在鋼中的作用概要合金 元素對淬透性影響形成碳化物傾向抵抗回火細(xì)化晶粒強(qiáng)化鐵素體其 他Mn強(qiáng)弱弱促進(jìn)晶粒長大強(qiáng)可用于造成奧氏體Si弱促進(jìn)石墨化中等，在250C以下作用較強(qiáng)弱，或無作用最強(qiáng)元素之一1可用于電工鋼2可用于抗蝕抗氧化Ni中等不形成弱弱中等提高低溫韌性可用于造成奧氏體鋼Cr強(qiáng)中強(qiáng)中等弱弱提高抗蝕性及高溫強(qiáng)度Mo很強(qiáng)比鉻強(qiáng)強(qiáng)，有二次硬化作用中等弱顯著提高鋼的高溫強(qiáng)度消除回火脆性W中等，但加熱

11、時 含W碳化物很難溶解比鉻強(qiáng)強(qiáng)，有二次硬化作用中等弱對高溫強(qiáng)度和回火脆性 的影響與鉬相似，但作用 不如鉬強(qiáng)V強(qiáng)，但如未能溶 入奧氏體則無 作用強(qiáng)有強(qiáng)烈二次硬化作用強(qiáng)弱主要細(xì)化晶粒的元素之Ti在含碳的鋼中 一般不溶入奧 氏體，故無作用比V更強(qiáng)一般不溶入奧氏 體，故無作用最強(qiáng)如溶入鐵素體 作用很強(qiáng)，但影 響韌性。主要細(xì)化晶粒的元素之 一，作用比V強(qiáng)Al很弱不形成無強(qiáng)含量不高時作用不明顯用于氮化鋼B微量時有強(qiáng)烈作用無略有促進(jìn)晶粒長大作用無耐熱鋼鋼的耐熱性包括高溫抗氧化性和高溫強(qiáng)度兩方面的性能。金屬的抗氧化性，通常是指在高溫下迅速氧化后形成一層致密的氧化膜，覆蓋在金屬表面，使鋼不再繼續(xù)氧化。 碳鋼在高

12、溫下氧化表面生成疏松多孔的FeO,容易剝落，而且氧原子不斷通過FeO擴(kuò)散，使鋼繼續(xù)氧化。在鋼中加入Cr、Si、Al等合金元素，使鋼在高溫下與氧接觸時，在表面上形成致密的高熔點(diǎn)的C2O3、Si。?、Al 2O3等氧化膜，使鋼在高溫氣體中的氧化過程難以繼續(xù)進(jìn)行。鋼的高溫強(qiáng)度（熱強(qiáng)性） 是指高溫下的抗蠕變的能力。提高鋼的熱強(qiáng)性，通常是往鋼里加入 Cr、Mo、V、Ni等合金元素，可溶入基體強(qiáng)化固溶體，提高再結(jié)晶溫度，從而增強(qiáng)鋼的高 溫強(qiáng)度。加入 Nb、V、Ti等合金元素還可以形成硬度高、熱穩(wěn)定性好的碳化物，分布在基 體上起到彌散強(qiáng)化作用。除此，奧氏體組織抗蠕變性比鐵素體好，晶粒度比細(xì)晶粒好，當(dāng)然亦不能過粗，過粗會影響強(qiáng)度。馬氏體耐熱鋼加入Cr、Si是