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金属材料各种化学成分剖析

嘉峪检测网        2019-09-18 22:03

  1.  生铁

  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?#27426;?#30340;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?#34892;?#33021;,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。?#27426;?#30967;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最多不得超过0.06%(车轮生铁除外)。

 

  2.钢:

  元素在?#31181;?#30340;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。这些元素并非为改善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?#20013;?#33021;是有?#27426;?#24433;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?#25628;细?#30340;规定。

 

  1)硫

  硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。它是?#31181;?#30340;一种有害元素。硫以硫化铁(FeS)的形态存在于?#31181;校現eS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,?#26102;?#39035;对?#31181;?#21547;硫量进行控制。高级优质钢:S<0.02%~0.03%;优质钢:S<0.03%~0.045%;普通钢:S<0.055%~0.7%以下。

 

  2)磷

  ?#36164;?#30001;矿石带入?#31181;?#30340;,一般说磷也是有害元素。磷虽能使钢材的强度、硬度增高,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?#26377;?#21464;坏,含?#23376;?#39640;,冷脆性愈大,故?#31181;?#23545;含磷量控制较严。高级优质钢: P<0.025%;优质钢: P<0.04%;普通钢: P<0.085%。

 

  3)锰

  锰是炼钢时作为脱氧剂加入?#31181;?#30340;。由于锰可以与硫形成高熔点(1600℃)的 MnS,?#27426;?#31243;度上消除了硫的有害作用。锰具有很好的脱氧能力,能够与?#31181;?#30340;FeO成为MnO进入炉渣,从而改善钢的?#20998;剩?#29305;别是降低钢的脆性,提高钢的强度和硬度。因此,锰在?#31181;?#26159;一种有益元素。一般认为,?#31181;?#21547;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,优质碳素结构?#31181;校?#27491;常含锰量是0.5%~0.8%?#27426;?#36739;高含锰量的结构?#31181;校?#20854;量可达0.7%~1.2%。

 

  4)硅

  硅也是炼钢时作为脱氧?#28860;?#21152;入?#31181;?#30340;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?#31181;?#28342;于铁素体内使钢的强度、硬度增加,塑性、韧性降低。镇静?#31181;?#30340;含硅量通常在0.1%~0.37%,沸腾?#31181;?#21482;含有0.03%~0.07%。由于?#31181;?#30789;含量一般不超过0.5%,对?#20013;?#33021;影响不大。

 

  5)氧

  氧在?#31181;?#26159;有害元素。它是在炼钢过程中自然进入?#31181;?#30340;,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?#31181;?#20197;FeO、MnO、SiO2、Al2O3等?#24615;有?#24335;,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。

 

  6)氮铁素体溶解氮的能力很低。当?#31181;?#28342;有过饱和的氮,在放置较长?#27426;?#26102;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,可消除时效倾向。

 

  7)氢

  ?#31181;?#28342;有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。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?#27426;?#35010;,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?#20004;系?#28201;时,氢在?#31181;?#30340;溶解度?#26412;?#38477;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?#31181;?#30340;一些缺陷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极限而在该处形成裂?#30130;?#21363;白点。

 

  3. 合金钢

  合金?#31181;?#20803;素的作用

  为了合金化而加入的合金元素,最常用的有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒,钛,铌、硼、铝等。现分别?#24471;?#23427;们在?#31181;?#30340;作用。

 

  1)硅

  ①提高?#31181;?#22266;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极限、屈服极限和屈强比;

  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,从而提高钢在高温时的抗氧化性。

  缺点:使钢的焊?#26377;?#33021;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锰有促进晶粒长大的作用,因此锰钢对过热较敏感t在热处理工艺上必须注意。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,会使钢的焊?#26377;?#33021;变坏

 

  3)铬在?#31181;?#30340;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和抗氧化性

  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铬能促进钢的回火脆性。

 

  4)镍在?#31181;?#30340;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改善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?#31181;?#30340;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?#36136;?#30340;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?#31181;?#30340;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?#31181;?#30340;主要合金元素。

 

  7)钒在?#31181;?#30340;作用

  ①热强性。

  ②钒能显著地改善普通低碳低合金钢的焊?#26377;?#33021;。

 

  8)钛在?#31181;?#30340;作用

  ①钛能改善钢的热强性,提高钢的抗蠕变性能及高温持?#20204;?#24230;;

  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?#31181;校?#38043;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?#31181;?#30340;重要合金元素之一。

 

  9)铌在?#31181;?#30340;作用

  ①铌和碳、氮、氧?#21152;?#26497;强的结合力,并与之形成相应的极为稳定的化合物,因而能细化晶粒,降低钢的过热敏?#34892;?#21644;回火脆性。

  ②有极好的抗氢性能。

  ③铌能提高钢的热强性

 

  10)硼在?#31181;?#30340;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?#31181;?#30340;作用

  ①用作炼钢时的脱氧定氮剂,细化晶粒,?#31181;?#20302;碳钢的时效,改善钢在低温时的韧性,特别是降低了钢的脆性转变温度;

  ②提高钢的抗氧化性能。曾对铁铝合金的抗氧化性进行了较多的研究;4%AI即可改变氧化皮的结构,加入6%A1可使钢在980C以下具有抗氧化性。当铝和铬配合并用时,其抗氧化性能有更大的提高。例如,含铁50%一55%、铬30%一35%、铝10%一15%的合金,在1 400C高温时,仍具有相当好的抗氧化性。由于铝的这一作用,近年来,常把?#30967;?#20026;合金元素加入耐热?#31181;小?/span>

  ③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,将促进钢的石墨化倾向。

  ②当含?#20004;?#39640;时,其高温强度和韧性?#31995;汀?/span>

 

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来源:材料基

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