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金属材料中的合金元素都起什么作用?

生铁中除铁外,还含有碳、硅、锰、磷和硫等元素。这些元素对生铁的性能均有一定的影响。

  碳(C):在生铁中以两种形态存在,一种是游离碳(石墨),主要存在于铸造生铁中,另一种是化合碳(碳化铁),主要存在于炼钢生铁中,碳化铁硬而脆,塑性低,含量适当可提高生铁的强度和硬度,含量过多,则使生铁难于削切加工,这就是炼钢生铁切削性能差的原因。石墨很软,强度低,它的存在能增加生铁的铸造性能。

  硅(SI):能促使生铁中所含的碳分离为石墨状,能去氧,还能减少铸件的气眼,能提高熔化生铁的流动性,降低铸件的收缩量,但含硅过多,也会使生铁变硬变脆。

  锰(MN):能溶于铁素体和渗碳体。在高炉炼制生铁时,含锰量适当,可提高生铁的铸造性能和削切性能,在高炉里锰还可以和有害杂质硫形成硫化锰,进入炉渣。

  磷(P):属于有害元素,但磷可使铁水的流动性增加,这是因为硫减低了生铁熔点,所以在有的制品内往往含磷量较高。然而磷的存在又使铁增加硬脆性,优良的生铁含磷量应少,有时为了要增加流动性,含磷量可达1.2%。

  硫(S):在生铁中是有害元素,它促使铁与碳的结合,使铁硬脆,并与铁化合成低熔点的硫化铁,使生铁产生热脆性.减低铁液的流动性,顾含硫高的生铁不适于铸造细件。铸造生铁中硫的含量规定较多不得超过0.06%(车轮生铁除外)。

  元素在钢中的作用

  常存杂质元素对钢材性能的影响

  钢除含碳以外,还含有少量锰(MN)、硅(SI)、硫(S)、磷(P)、氧(O)、氮(N)和氢(H)等元素。这些元素并非为改变钢材质量有意加入的,而是由矿石及冶炼过程中带入的,故称为杂质元素。这些杂质对钢性能是有一定影响,为了保证钢材的质量,在国家标准中对各类钢的化学成分都作了严格的规定。

  1)硫

  硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。它是钢中的一种有害元素。硫以硫化铁(FES)的形态存在于钢中,FES和FE形成低熔点(985℃)化合物。而钢材的热加工温度一般在1150~1200℃以上,所以当钢材热加工时,由于 FES化合物的过早熔化而导致工件开裂,这种现象称为“热脆”。含硫量愈高,热脆现象愈严重,故需对钢中含硫量进行控制。优良钢:S<0.02%~0.03%;优良钢:S<0.03%~0.045%;普通钢:S<0.055%~0.7%以下。

  2)磷

  磷是由矿石带入钢中的,一般说磷也是有害元素。磷虽能使钢材的强度、硬度变高,但引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时,它使钢材显著变脆,这种现象称"冷脆"。冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏,含磷愈高,冷脆性愈大,故钢中对含磷量控制较严。优良钢: P<0.025%;优良钢: P<0.04%;普通钢: P<0.085%。

  3)锰

  锰是炼钢时作为脱氧剂加入钢中的。由于锰可以与硫形成高熔点(1600℃)的 MNS,一定程度上去除了硫的有害作用。锰具有很好的脱氧能力,能够与钢中的FEO成为MNO进入炉渣,从而改变钢的品质,特别是降低钢的脆性,提高钢的强度和硬度。因此,锰在钢中是一种有益元素。一般认为,钢中含锰量在0.5%~0.8%以下时,把锰看成是常存杂质。技术条件中规定,优良碳素结构钢中,正常含锰量是0.5%~0.8%;而较高含锰量的结构钢中,其量可达0.7%~1.2%。

  4)硅

  硅也是炼钢时作为脱氧剂而加入钢中的元素。硅与钢水中的FEO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去,因此硅是一种有益的元素。硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度、硬度增加,塑性、韧性降低。钢中的含硅量通常在0.1%~0.37%,沸腾钢中只含有0.03%~0.07%。由于钢中硅含量一般不超过0.5%,对钢性能影响不大。

  5)氧

  氧在钢中是有害元素。它是在炼钢过程中自然进入钢中的,尽管在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧,但不可能除尽。氧在钢中以FEO、MNO、SIO2、AL2O3等夹杂形式,使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。

  第4章:常用金属材料中各种化学成分对性能的影响2


  6)氮铁素体溶解氮的能力很低。当钢中溶有过饱和的氮,在放置较长一段时间后或随后在200~300℃加热就会发生氮以氮化物形式的析出,并使钢的硬度、强度提高,塑性下降,发生时效。钢液中加入AL、TI或V进行固氮处理,使氮固定在ALN、TIN或VN中,可去除时效倾向。


  7)氢


  钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺点。白点常在轧制的厚板、大锻件中发现,在纵断面中可看到圆形或椭圆形的白色斑点;在横断面上则是细长的发丝状裂纹。锻件中有了白点,使用时会发生突然断裂,造成不测事故。因此,化工容器用钢,不允许有白点存在。氢产生白点冷裂的主要原因是因为高温奥氏体冷至较低温时,氢在钢中的溶解度急剧降低。当冷却较快时,氢原子来不及扩散到钢的表面而逸出,就在钢中的一些缺点处由原子状态的氢变成分子状态的氢。氢分子在不能扩散的条件下在局部地区产生很大压力,这压力超过了钢的强度限制而在该处形成裂纹,即白点。


  合


  金


  合金钢中元素的作用


  为了合金化而加入的合金元素,较常用的有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒,钛,铌、硼、铝等。现分别说明它们在钢中的作用。


  1)硅


  ①提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低;


  ②硅能显著地提高钢的弹性级限、屈服级限和屈强比;


  ③耐腐蚀性。硅的质量分数为15%一20%的高硅铸铁,是很好的耐酸材料。含有硅的钢在氧化气氛中加热时,表面也将形成一层SIO2薄膜。


  缺点:使钢的连接性能恶化。


  2)锰


  ①锰能提高钢的淬透性。


  ②锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。


  ③锰对钢的高温瞬时强度有所提高。


  缺点:


  ①含锰较高时,有较明显的回火脆性现象;


  ②锰有促使晶粒长大的作用,因此锰钢对过热较敏感T在热处理工艺上需注意。这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服:


  ③当锰的质量分数超过1%时,会使钢的连接性能变坏


  3)铬在钢中的作用


  ①铬可提高钢的强度和硬度。


  ②铬可提高钢的高温机械性能。


  ③使钢具有良好的抗腐蚀性


  ④阻止石墨化


  ⑤提高淬透性。


  缺点:


  ①是显著提高钢的脆性转变温度


  ②铬能促钢的回火脆性。


  4)镍在钢中的作用


  ①可提高钢的强度而不显著降低其韧性;


  ②镍可降低钢的脆性转变温度,即可提高钢的低温韧性;


  ③改变钢的加工性和可焊性;


  ④镍可以提高钢的抗腐蚀能力,不仅能耐酸,而且能抗碱和大气的腐蚀。


  5)钼在钢中的作用


  ①钼对铁素体有固溶强化作用。


  ②提高钢热强性


  ③抗氢侵蚀的作用。


  ④提高钢的淬透性。


  缺点:


  钼的主要不良作用是它能使低合金钼钢发生石墨化的倾向。


  6)钨在钢中的作用


  ①提高强度


  ②提高钢的高温强度。


  ③提高钢的抗氢性能。


  ④是使钢具有热硬性。因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。


  7)钒在钢中的作用


  ①热强性。


  ②钒能显著地改变普通低碳低合金钢的连接性能。


  8)钛在钢中的作用


  ①钛能改变钢的热强性,提高钢的抗蠕变性能及高温长久强度;


  ②并能提高钢在高温高压氢气中的稳定性。使钢在高压下对氢的稳定性高达600℃以上,在珠光体低合金钢中,钛可阻止钼钢在高温下的石墨化现象。因此,钛是锅炉高温元件所用的热强钢中的重要合金元素之一。


  9)铌在钢中的作用


  ①铌和碳、氮、氧都有很强的结合力,并与之形成相应的很为稳定的化合物,因而能细化晶粒,降低钢的过热敏感性和回火脆性。


  ②有很好的抗氢性能。


  ③铌能提高钢的热强性


  10)硼在钢中的作用 ;


  ①提高钢的淬透性。


  ②提高钢的高温强度。强化晶界的作用。


  11)铝在钢中的作用


  ①用作炼钢时的脱氧定氮剂,细化晶粒,控制低碳钢的时效,改变钢在低温时的韧性,特别是降低了钢的脆性转变温度;


  ②此外,铝还能提高对硫化氢和V2O5,的抗腐蚀性。


  缺点:


  ①脱氧时如用铝量过多,将促使钢的石墨化倾向。


  ②当含铝较高时,其高温强度和韧性较低。


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