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常用幾種元素對金屬性能的影響

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人氣:-發表時間:2022-04-20 09:48【

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元素1:H(氫)

對鋼鐵性能的影響:

H是一般鋼中最有害的元素,鋼中溶有氫會引起鋼的氫脆、白點等缺陷。氫與氧、氮一樣,在固態鋼中溶解度極小,在高溫時溶入鋼液,冷卻時來不及逸出而積聚在組織中形成高壓細微氣孔,使鋼的塑性、韌度和疲勞強度急劇降低,嚴重時會造成裂紋、脆斷。“氫脆”主要出現在馬氏體鋼中,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能提高鋼的磁導率,但也會使矯頑力和鐵損增加(加H后矯頑力可增大0.5~2倍)。


元素2:B(硼)

對鋼鐵性能的影響:

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,其含量一般規定在0.001%~0.005%范圍內。它可以代替1.6%的鎳、0.3%的鉻或0.2%的鉬,以硼代鉬應注意,因鉬能防止或降低回火脆性,而硼卻略有促進回火脆性的傾向,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以上的鋼材調質后性能大為改善,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,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。

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。對高硅彈簧鋼硼的作用波動較大,不便采用。


硼和氮及氧有強的親和力,沸騰鋼中加入0.007%的硼,可以消除鋼的時效現象。


元素3:C(碳)

對鋼鐵性能的影響:

C是僅次于鐵的主要元素,它直接影響鋼材的強度、塑性、韌性和焊接性能等。 

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

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),冷脆性和時效敏感性增大,耐大氣銹蝕性下降。


元素4:N(氮)

對鋼鐵性能的影響:

N對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??;同時增加時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,應該盡量減小和限制鋼中的含氮量。一般規定氮含量應不高于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。有些牌號的不銹鋼,適當增加N的含量,可以減少Cr的使用量,可以有效降低成本。


元素5:O(氧)

對鋼鐵性能的影響:

O在鋼中是有害元素。它是在煉鋼過程中自然進入鋼中的,盡管在煉鋼末期要加入錳、硅、鐵和鋁進行脫氧,但不可能除盡。鋼水凝固期間,溶液中氧和碳反應會生成一氧化碳,可以造成氣泡。氧在鋼中主要以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夾雜形式存在,使鋼的強度、塑性降低。尤其是對疲勞強度、沖擊韌性等有嚴重影響。

氧會使硅鋼中鐵損增大,磁導率及磁感強度減弱,磁時效作用加劇。


元素6:Mg(鎂)

對鋼鐵性能的影響:

能使鋼中夾雜物數量減少、尺寸減小、分布均勻、形態改善等。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小均勻。當鎂含量為0.002%~0.003% ,其抗拉強度和屈服強度增加5%以上,塑性基本保持不變。


元素7:Al(鋁)

對鋼鐵性能的影響:

鋁作為脫氧劑或合金化元素加入鋼中,鋁脫氧能力比硅、錳強得多。鋁在鋼中的主要作用是細化晶粒、固定鋼中的氮,從而顯著提高鋼的沖擊韌性,降低冷脆傾向和時效傾向性。如D級碳素結構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,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的存在可使產生淬火脆性。鋁的缺點是影響鋼的熱加工性能、焊接性能和切削加工性能。


元素8:Si(硅)

對鋼鐵性能的影響:

Si是煉鋼過程中重要的還原劑和脫氧劑:對于碳鋼中的很多材質來說,都含有0.5%以下的Si,這些Si一般是由于煉鋼過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度,其作用僅次于磷,較錳、鎳、鉻、鎢、鉬、釩等元素強。但含硅量超過3%時,將顯著降低鋼的塑性和韌性。硅能提高鋼的彈性極限、屈服強度和屈服比(σs/σb),以及疲勞強度和疲勞比(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、熱導率和電導率。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,可用來生產電工用鋼,所以硅鋼片的磁阻滯損耗較低。硅能提高鐵素體的導磁率,使鋼片在較弱磁場下有較高的磁感強度。但在強磁場下硅降低鋼的磁感強度。硅因有強的脫氧力,從而減少了鐵的磁時效作用。

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

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

硅能降低鋼的焊接性能。因為與氧的結合能力硅比鐵強,在焊接時容易生成低熔點的硅酸鹽,增加熔渣和融化金屬的流動性,引起噴濺現象,影響焊接質量。硅是良好的脫氧劑。用鋁脫氧時酌情加一定量的硅,能顯著提高率的脫氧性。硅在鋼中本來就有一定的殘存,這是由于煉鐵煉鋼時作為原料帶入的。在沸騰鋼中,硅限制在<0.07%,有意加入時,則在煉鋼時加入硅鐵合金。


元素9:P(磷)

對鋼鐵性能的影響:

P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。高級優質鋼:P<0.025%;優質鋼:P<0.04%;普通鋼:P<0.085%。

P的固溶強化及冷作硬化作用很好,與銅聯合使用,提高低合金高強度鋼的耐大氣腐蝕性能,但降低其冷沖壓性能,與硫、錳聯合使用,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,則在弱中磁場下磷含量高的鋼磁感會提高,含P硅鋼的熱加工也并不困難,但由于它會使硅鋼具冷脆性,含量>0.15%(如冷軋電機用硅鋼含P=0.07~0.10%)。

磷是強化鐵素體作用最強的元素。(P對硅鋼再結晶溫度和晶粒長大的影響將超過同等硅含量作用的4~5倍。)


元素10:S(硫)

對鋼鐵性能的影響:

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)的形態存在于鋼中,FeS和Fe形成低熔點(985℃)化合物。而鋼材的熱加工溫度一般在1150~1200℃以上,所以當鋼材熱加工時,由于FeS化合物的過早熔化而導致工件開裂,這種現象稱為“熱脆”。降低鋼的延展性和韌性,在鍛造和軋制時造成裂紋。硫對焊接性能也不利,降低耐腐蝕性。高級優質鋼:S<0.02%~0.03%;優質鋼:S<0.03%~0.045%;普通鋼:S<0.055%~0.7%以下。

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


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