金属材料中SiCMnS等元素的作用及影响

1、金属材料中Si、C、Mn、S、P等元素的作用及影响1、硅Si:在炼钢过程中加硅作为复原剂和脱氧剂,所以镇静钢含有0.150.30%的硅.如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素.硅能显着提升钢的弹性极限,屈服点和抗拉强钥、鸨、铭等结合,有提升抗腐蚀性和抗氧化的作用,可制造而热钢.含硅1-4%勺度,故广泛用于作弹簧钢.在调质结构钢中加入1.01.2%的硅,强度可提升1520%硅和低碳钢,具有极高的导磁率,用于电器工业做矽钢片.硅量增加,会降低钢的焊接性能.硅能溶于铁素体和奥氏体中提升钢的硬度和强度,其作用仅次于磷,较镒、银、铭、鸨、铝和钮等元素强.但含硅超过3%外,将显著降低钢的塑

2、性和韧性.硅能提升钢的弹性极限、屈服强度和屈服比as/ab,以及疲劳强度和疲劳比b-1/bb等,这是硅或硅镒钢可作为弹簧钢种的缘故.硅能降低钢的密度、热导率和电导率.能促使铁素体晶粒粗化.降低矫顽力.有减小晶体的各向异性倾向,使磁化容易,磁阻减小,可用来生产电工用钢,所以硅钢片的磁滞损耗较低,硅能提升铁素体的磁导率,使硅钢片在较弱磁场下有较高的磁感强度.但在强磁场下,硅降低钢的磁感强度.硅因有强的脱氧力,从而减小了铁的磁时效作用.含硅的钢在氧化气氛中加热时,外表将形成一层SiO2薄膜,从而提升钢在高温时的抗氧化性.硅能促使铸钢中的柱状晶成长,降低塑性.硅钢假设加热或冷却较快,由于热导率低,钢的

3、内部和外部温差较大,因而易裂.硅能降低钢的焊接性能.由于与氧的亲合力硅比铁强,在焊接时容易生成低熔点的硅酸盐,增加熔渣和熔化金属的流动性,引起喷溅现象,影响焊缝质量.硅是良好的脱氧剂.用铝脱氧时酌加一定量的硅,能显著提升铝的脱氧水平.硅在钢中本来就有一定的残存,这是由于炼铁炼钢作为原料带入的.在沸腾钢中,硅限制在v0.07%,有意参加时,那么在炼钢时参加硅铁合金.(1)对钢的显做组织及热处理的作用A、作为钢中的合金元素,其含量一般不低于0.4%.以固溶体形态存在于铁素体或奥氏体中,缩小奥氏体相区B、提升退火、正火和淬火温度,在亚共析钢中提升淬透性C、硅不形成碳化物,有强烈的促进碳的石墨化的作用

4、,在硅含量较高的中碳和高碳钢中,如不含有强碳化物形成元素,易在一定温度条件下发生石墨化D、在渗碳钢中,硅减小渗碳层厚度和碳的浓度E、硅对钢水有良好脱氧作用(2)对钢的力学性能的作用A提升铁素体和奥氏体的硬度和强度,其作用较Mn、Ni、Cr.W、MoV等更强；显著提升钢的弹性极限、屈服强度和屈强比(os/ob).并提升应劳强度和疲劳比(cr-1/ab)B、硅含量超过3%时显著降低钢的塑性和韧性；硅提升塑/脆转变温度C、硅易使钢中形成带状组织,使横向性能低于纵向性能D、改善钢的耐磨性能(3)对钢的物理、化学及工艺性能的作用A、降低钢的密度、热导率、电导率和电阻温度系数B、硅钢片的涡流损耗量显著低于

5、纯铁,矫顽力、磁阻和磁滞损耗较低.磁导率和磁感强度较高.但在强磁场中,硅降低磁感强度C、提升高温时钢的抗氧化性能,但硅含量高时,外表脱碳加剧D、硅含量超过2.5%的钢,其变形加工较为困难E、硅降低钢的可焊性4在钢中的应用A、在普通低合金钢中提升强度,改善局部腐蚀抗力,在调质钢中提升淬透性和抗回火性,是多元合金结构钢中的主要合金组元之一B、硅含量为0.5%-2.8%的SiMn或SiMnB钢碳含量0.5%-0.7%广泛用于高载荷弹黄材料,同时加人W、V、MoNb、Cr等强碳化物形成元素C、硅钢片为含硅1.O%-4.5%的低碳和超低碳钢,用于电机和变压器D、在不锈钢和而虫钢中,与Mo、W、Cr、Al

6、、Ti、N等配合,提升抗蚀和抗高温氧化水平E、硅含量较高的石墨钢用于冷作模具材料2、碳C:钢中含碳量增加,屈服点和抗拉强度升高,但塑性和冲击性降低,当碳量0.23%超过时,钢的焊接性能变坏,因此用于焊接的低合金结构钢,含碳量一般不超过0.20%.碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀水平,在露天料场的高碳钢就易锈蚀；止匕外,碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性.典型的例子是低碳钢、高碳钢、高碳钢力学性能变化.3、镒M®:在炼钢过程中,镒是良好的脱氧剂和脱硫剂,一般钢中含镒0.300.50%.在碳素钢中参加0.70%以上时就算“镒钢,较一般钢量的钢不但有足够的韧性,且有较高的强度和硬度,提升钢的淬性,

7、改善钢的热加工性能,如16Mn钢比A3屈服点高40%含镒1114%勺钢有极高的耐磨性,用于挖土机铲斗,球磨机衬板等.镒量增高,减弱钢的抗腐蚀水平,降低焊接性能.形成奥低体组织,降低碳的危害在低含量范围内,对钢有很大的强化作用,提升强度、硬度和耐磨性降低钢的临界冷却速度,提升钢的淬透性高含量范围内为主要奥氏体化元素镒是良好的脱氧剂和脱硫剂.钢中一般都含有一定量的镒,它能消除或减弱由于硫所引起的钢的热脆性,从而改善钢的热加工性能.镒和铁形成固溶体,提升钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度；同时又是碳化物形成元素,进入渗碳体中取代一局部铁原子.镒在钢中由于降低临界转变温度.起到细化珠光体的作用.也间接地起

8、到提升珠光体钢强度的作用；镒稳定奥氏体组织的水平仅次于银,也强烈增加钢的淬透性.已用含量不超过2%勺镒与其他元素配合制成多种合金钢.镒具有资源丰富、效能多样的特点,获得了广泛的应用,如含镒较高的碳素结构钢、弹簧钢.在高碳高镒耐磨钢中.镒含量可达10%-14%,经固溶处理后有良好的韧性,当受到冲击而变形时,外表层将因变形而强化,具有高的耐磨性.镒与硫形成熔点较高的MnSo可预防因FeS而导致的热脆现象.镒有增加钢晶粒粗化的倾向和回火脆性敏感性.假设冶炼浇铸和锻轧后冷却不当,容易使钢产生白点.(1)对钢的显做组织及热处理的作用A、镒是良好的脱氧剂和脱硫剂,工业用钢中一般均含有一定量的镒B、镒固溶于

9、铁素体和奥氏体中.扩大奥氏体区,使临界温度A4点升高,A3点降低,(a+丫)区下移.当镒含量超过12%时,上临界点降至室温以下,使钢在室温时形成单一奥氏体组织.在降低共析温度同时,使共析体中的碳含量减少C、镒强烈降低钢的Ar1和马氏体转变温度(其作用仅次于碳)和钢中相变的速度,提升钢的淬透性,增加剩余奥氏体含量D、使钢的调质组织均匀、细化,预防了渗碳层中碳化物的聚集成块,但增大了钢的过热敏感性和回火脆性倾向E、镒是弱碳化物形成元素(2)对钢的力学性能的作用A、镒强化铁素体或奥氏体的作用不及碳,磷、硅,在增增强度的同时,对延展性无影响B、由于细化了珠光体,显著提上下碳和中碳珠光体钢的强度,使延展

10、性有所降低C、通过提升淬透性而提升了调质处理索氏体钢的力学性能D、在严格限制热处理工艺、预防过热时的晶粒长大以及回火脆性的前提下,镒不会降低钢的韧性(3)对钢的物理、化学及工艺性能的作用A、随镒含量的增加,钢的热导率急剧下降,线胀系数上升,使快速加热或冷却时形成较大内应力,工件开裂倾向增大B、使钢的电导率急剧降低,电阻率相应增大,电阻温度系数下降C、使矫顽力增大,饱和磁感、剩余磁感和磁导率均下降,因而镒对永磁合金有利,对软磁合金有害D、镒含量很高时,钢的抗氧化性能下降E、使钢中的硫形成较高熔点的MnS,预防了晶界上的FeS薄膜,消除钢的热脆性,改善热加工性能F、高镒奥氏体钢的变形阻力较大,且钢

11、锭中柱状结晶明显,锻轧时较易开裂G、由于提升了淬透性和降低了马氏体转变温度,对焊接性能有不利影响.在适当范围内应降低碳含量(4)在钢中的应用A、易切削钢中常有适量的镒和磷,Mn软杂使切屑易于碎断B、普通低合金钢中利用镒来强化铁素体和珠光体,提升钢的强度,镒含量一般为1%-2%C、渗碳和调质合金结构钢的许多系列中含有不超过2%的镒D、弹簧钢、轴承钢和工具钢中利用镒强烈提升淬透性的作用,可采用油淬和空冷的淬火工艺,减少开裂、扭曲和变形E、耐磨钢、无磁钢、不锈钢、耐热钢,包括高碳高镒耐磨铸钢(C:1.0%-1.4%,Mn:10%-14%),中碳高镒无磁钢(C:0.3%-0.6%,Mn:18%-19%

12、),低碳高镒不锈钢(有Cr,无Ni或少Ni),高镒耐热钢(以Mn代Ni的耐热不起皮钢,或含有Al、MoV等)4、硫(S):硫在通常情况下也是有害元素.使钢产生热脆性,降低钢的延展性和韧性,在锻造和轧制时造成裂纹.硫对焊接性能也不利,降低耐腐蚀性.所以通常要求硫含量小于0.055%,优质钢要求小于0.040%.在钢中参加0.08-0.20%的硫,可以改善切削加工性,通常称易切削钢.提升硫和镒的含量,可改善钢的被切削性能,在易切削钢中硫作为有益元素参加.硫在钢中偏析严重,恶化钢的质量.在高温下,降低钢的塑性,是一种有害元素,它以熔点较低的FeS的形式存在；单独存在的FeS的熔点只有1190c,而在

13、钢中与铁形成共晶体的共晶温度更低,只有988c,当钢凝固时,硫化铁析集在原生晶界处.钢在1100-1200C进行轧制时,晶界上的FeS就将熔化,大大地削弱了晶粒之间的结合力,导致钢的热脆现象.因此对硫应严加限制,一般限制在0.020%-0.050%.为了预防因硫导致的脆性,应参加足够的镒,使其形成熔点较高的MnS假设钢中含硫量偏高,焊接时由于SO2的产生,将在焊接金属内形成气孔和疏松,5、磷P:在一般情况下,磷是钢中有害元素,增加钢的冷脆性,使焊接性能变坏,降低塑性,使冷弯性能变坏.因此通常要求钢中含磷量小于0.045%,优质钢要求更低些.磷在钢中固溶强化和冷作硬化作用强,作为合金元素参加低合

14、金结构钢中,能提升其强度和钢的耐大气腐蚀性能,但降低其冷冲压性能.磷与硫和镒联合使用,能增加钢的被切削性能,增加加工件的外表质量,用于易切钢,所以易切钢含磷也较高.磷溶于铁素体,虽然能提升钢的强度和硬度,最大的害处是偏析严重,增加回火脆性,显著降低钢的塑性和韧性,致使钢在冷加工时容易脆裂,也即所谓“冷脆现象.磷对焊接性也有不良影响.磷是有害元素,应严加限制,一般含量不大于0.030%-0.040%06、铭Cr:在结构钢和工具钢中,铭能显著提升强度、硬度和耐磨性,但同时降低塑性和韧性.铭又能提升钢的抗氧化性和耐腐蚀性,因而是不锈钢,耐热钢的重要合金元素.铭能增加钢的淬透性并有二次硬化作用.可提升

15、高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆；含量超过12%to使钢有良好的高温抗氧化性和耐氧化性介质腐蚀的作用.还增加钢的热强性,铭为不锈耐酸钢及耐热钢的主要合金元素.铭能提升碳素钢轧制状态的强度和硬度.降低伸长率和断面收缩率.当铭含量超过15%外,强度和硬度将下降,伸长率和断面收缩率那么相应地有所提升.含铭钢的零件经研磨容易获得较高的外表加工质量.铭在调质结构钢中的主要作用是提升淬透性.使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能,在渗碳钢中还可以形成含铭的碳化物,从而提升材料外表的耐磨性.含铭的弹簧钢在热处理时不易脱碳.铭能提升工具钢的耐磨性、硬度和红硬性.有良好的回火稳定性.在电热合金中,铭能提升合金的

16、抗氧化性、电阻和强度.(1)对钢的显做组织及热处理的作用A、铭与铁形成连续固溶体,缩小奥氏体相区城.铭与碳形成多种碳化物,与碳的亲和力大于铁和镒而低于鸨、铝等.铭与铁可形成金属间化合物a相(FeCr)B、铭使珠光体中碳的浓度及奥氏体中碳的极限溶解度减少C、减缓奥氏体的分解速度,显著提升钢的淬透性.但亦增加钢的回火脆性倾向(2)对钢的力学性能的作用A、提升钢的强度和硬度.时参加其他合金元素时,效果较显著B、显著提升钢的脆性转变温度C、在含铭量高的Fe-Cr合金中,假设有a相析出,冲击韧性急剧下降(3)对钢的物理、化学及工艺性能的作用A、提升钢的耐磨性,经研磨,易获得较高的外表光洁度B、降低钢的电

17、导率,降低电阻温度系数C、提升钢的矫顽力和剩余磁感.广泛用于制造永磁钢D、铭促使钢的外表形成钝化膜,当有一定含量的铭时,显著提升钢的耐腐蚀性能(特别是硝酸).假设有铭的碳化物析出时,使钢的耐腐蚀性能下降E、提升钢的抗氧化性能F、铭钢中易形成树枝状偏析,降低钢的塑性G、由于铭使钢的热导率下降,热加工时要缓慢升温,锻、轧后要缓冷(4)在钢中的应用A、合金结构钢中主要利用铭提升淬透性,并可在渗碳外表形成含铭碳化物以提升耐磨性B、弹簧钢中利用铭和共他合金元素一起提供的综合性能C、轴承钢中主要利用铭的特殊碳化物对耐磨性的奉献及研磨后外表光沽度高的优点D、工具钢和高速钢中主要利用铭提升耐磨性的作用,并具有

18、一定的回火稳定性和韧性E、不锈钢、耐热钢中铭常与镒、氮、银等联合便用,当需形成奥氏体钢时,稳定铁素体的铭与稳定奥氏体的镒、镇之间须有一定比例,如Cr18Ni9等F、我国铭资源较少.应尽量节省铭的使用7、镇(Ni):模能提升钢的强度,而又保持良好的塑性和韧性.镣对酸碱有较高的耐腐蚀水平,在高温下有防锈和耐热水平.但由于银是较稀缺的资源,故应尽量采用其他合金元素代用银铭钢.8、车目(Mo):铝能使钢的晶粒细化,提升淬透性和热强性能,在高温时保持足够的强度和抗蠕变水平(长期在高温下受到应力,发生变形,称蠕变).结构钢中加入铝,能提升机械性能.还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性.在工具钢中可提升红性.

19、铝在钢中能提升淬透性和热强性.预防回火脆性,增加剩磁和矫顽力以及在某些介质中的抗蚀性.在调质钢中,铝能使较大断面的零件淬深、淬透,提升钢的抗回火性或回火稳定性,使零件可以在较高温度下回火,从而更有效地消除或降低剩余应力,提升塑性.在渗碳钢中铝除具有上述作用外,还能在渗碳层中降低碳化物在晶界上形成连续网状的倾向,减少渗碳层中残留奥氏体,相对地增加了外表层的耐磨性.在锻模钢中,铝还能保持钢有比拟稳定的硬度,增加对变形、开裂和磨损等的抗力.在不锈耐酸钢中,铝能进一步提升对有抗酸如蚁酸、醋酸、草酸等以及过氧化氢、硫酸,亚硫酸、硫酸盐、酸性染料、漂白粉液等的抗蚀性.特别是由于铝的参加,预防了氯离子存在所

20、产生的点腐蚀倾向.含1溢右铝的W12Cr4V4M高速钢具有高的耐磨性、回火硬度和红硬性等.1对钢的显做组织及热处理的作用A、铝在钢中可固溶于铁素体、奥氏体和碳化物中,它是缩小奥氏体相区的元素B、当钢含量较低时,与铁、碳形成复合的渗碳体；含量较高时可形成钢的特殊碳化物C、铝提升钢的淬透性,其作用较铭强.而稍逊于镒D、铝提升钢的回火稳定性,作为单一合金元素存在时,增加钢的回火脆性；与铭、镒等并存时,铝又降低或抑止因其他元素所导致的回火脆性(2)对钢的力学性能的作用A、铝对铁素体有固溶强化作用.同时也提升碳化物的稳定性.从而提升钢的强度B、铝对改善钢的延展性和韧性以及耐磨性起到有利作用C、由于铝使形

21、变强化后的软化和恢复温度以及再结晶温度提升,并强烈提升铁素体的蠕变抗力,有效抑制渗碳体在450-600C下的聚集.促进特殊碳化物的析出,因而成为提升钢的热强性的最有效的合金元素(3)对钢的物理、化学及工艺性能的作用A、在含碳1.5%的磁钢中,2%-3%的钢提升剩余磁感和矫顽力B、在复原性酸及强氧化性盐溶液中都能使钢外表钝化.因此铝可以普遍提升钢的抗蚀性能,预防钢在氯化物溶液中的点蚀C、铝含量较高(>3%)时使钢的抗氧化性恶化D、含铝不超过8%的钢仍可以锻、轧,但含量较高时,钢对热加工的变形抗力增高(4)在钢中的应用A、在调质和渗碳结构钢、弹簧钢、轴承钢、工具钢、不锈耐酸钢、耐热钢、磁钢中

22、都得到了广泛应用B、铭铝钢在许多情况下可代替铭银钢来制造重要的部件C、我国富产铝,但在世界范围内的储量并不丰富.含铝钢在我国应适当开展,但铝是重要战略物资,应注意合理和节约使用9、钛(Ti):钛是钢中强脱氧剂.它能使钢的内部组织致密,细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性.改善焊接性能.在铭18银9奥氏体不锈钢中参加适当的钛,可预防晶间腐蚀.10、MV:钗是钢的优良脱氧剂.钢中加0.5%的轨可细化组织晶粒,提升强度和韧性.钮与碳形成的碳化物,在高温高压下可提升抗氢腐蚀水平.11、鸨W:鸨熔点高,比重大,是贵生的合金元素.鸨与碳形成碳化鸨有很高的硬度和耐磨性.在工具钢加鸨,可显著提升红硬性和热强性,

23、作切削工具及锻模具用.12、铜Nb:锂能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性,提升强度,但塑性和韧性有所下降.在普通低合金钢中加银,可提升抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀水平.锂可改善焊接性能.在奥氏体不锈钢中加银,可预防晶间腐蚀现象.13、钻Co:钻是稀有的贵重金属,多用于特殊钢和合金中,如热强钢和磁性材料.14、专同Cu:武钢用大冶矿石所炼的钢,往往含有铜.铜能提升强度和韧性,特别是大气腐蚀性能.缺点是在热加工时容易产生热脆,铜含量超过0.5%塑性显著降低.当铜含量小于0.50%对焊接性无影响.15、专吕Al:铝是钢中常用的脱氧剂.钢中参加少量的铝,可细化晶粒,提升冲击韧性,如作深冲薄板的08A1钢.铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能,铝与铭、硅合用,可显著提升钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的水平.铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能.16、硼B:钢中参加微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能,提升强度.17、氮N:氮能提升钢的强度,低温韧性和焊接性,增加