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钢材材质化学成份作用全面解答

来源:本站 编辑:管理员 更新时间:2020-08-24 点击:356次
  一、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,当碳含量超过0.23%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能力,在露天料场的高碳钢就易锈蚀;此外,碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。
 
  二、硅(Si):在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂,所以镇静钢含有0.15-0.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限,屈服点和抗拉强度,故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0-1.2%的硅,强度可提高15-20%。硅和钼、钨、铬等结合,有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用,可制造耐热钢。含硅1-4%的低碳钢,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。
 
  三、锰(Mn):在炼钢过程中,锰是良好的脱氧剂和脱硫剂,一般钢中含锰0.30-0.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”,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,提高钢的淬性,改善钢的热加工性能,如16Mn钢比A3屈服点高40%。含锰11-14%的钢有极高的耐磨性,用于挖土机铲斗,球磨机衬板等。锰量增高,减弱钢的抗腐蚀能力,降低焊接性能。
 
  四、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。
 
  五、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%。在钢中加入0.08-0.20%的硫,可以改善切削加工性,通常称易切削钢。
 
  六、铬(Cr):在结构钢和工具钢中,铬能显著提高强度、硬度和耐磨性,但同时降低塑性和韧性。铬又能提高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。
 
  七、镍(Ni):镍能提高钢的强度,而又保持良好的塑性和韧性。镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力,在高温下有防锈和耐热能力。但由于镍是较稀缺的资源,故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。
 
  八、钼(Mo):钼能使钢的晶粒细化,提高淬透性和热强性能,在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力,发生变形,称蠕变)。结构钢中加入钼,能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。
 
  九、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。在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛,可避免晶间腐蚀。
 
  十、钒(V):钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒,提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物,在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。
 
  十一、钨(W):钨熔点高,比重大,是贵生的合金元素。钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。在工具钢加钨,可显著提高红硬性和热强性,作切削工具及锻模具用。
 
  十二、铌(Nb):铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性,提高强度,但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌,可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌,可防止晶间腐蚀现象。
 
  十三、钴(Co):钴是稀有的贵重金属,多用于特殊钢和合金中,如热强钢和磁性材料。
 
  十四、铜(Cu):武钢用大冶矿石所炼的钢,往往含有铜。铜能提高强度和韧性,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。
 
  十五、铝(Al):铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝,可细化晶粒,提高冲击韧性,如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能,铝与铬、硅合用,可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。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。
 
  十六、硼(B):钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能,提高强度。十七、氮(N):氮能提高钢的强度,低温韧性和焊接性,增加时效敏感性。
 
  十八、稀土(Xt):稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属,但他们的氧化物很象“土”,所以习惯上称稀土。钢中加入稀土,可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质,从而改善了钢的各种性能,如韧性、焊接性,冷加工性能。在犁铧钢中加入稀土,可提高耐磨性。
 
  碳(C)在不锈钢中的作用
 
  碳在奥氏体和铁素体不锈钢中以间隙元素存在于固溶体中,是奥氏体不锈钢中最有效地固溶强化元素;在高碳马氏体不锈钢中,会有共晶碳化物和其他碳化物生成,对硬度及耐磨性非常有利,适合于生产各类刀具。
 
  经固溶处理的奥氏体不锈钢中,碳以固溶体存在,当C>0.03%时,若将钢置于538~815℃的温度范围内,碳可能以碳化物形式在晶界析出,同时形成贫铬(Cr)区(焊接时最易产生的现象),这种现象成为敏化析出(Susceptibility),使不锈钢增加了晶界腐蚀的敏感性;铁素体不锈钢亦会产生铬的碳化物而引起晶界腐蚀现象。
 
  目前的技术手段,只有在奥氏体不锈钢中把碳元素含量将至0.03%以下,或通过加入钛(Ti)或Nb(铌)元素以形成稳定的碳化物,来避免敏化及防止出现贫铬(Cr)区(Poor - Cr Zone)及避免焊接时产生的刀状腐蚀。
 
  名词解释(Terms’Definition)
 
  ?间隙元素(interstitial element):是指在金属中熔质原子(碳,氧,氮等原子)填入溶剂金属点阵中的间隙位置,所形成的一种固溶体的一种补充元素,起到稳定其金属原子晶格形式的作用。
 
  ?固溶体(solid solution):是金属物在一定结晶构造位置上离子的互相置换,而不改变整个晶体的结构及对称性;固溶体分为三种:替代式固溶体、填隙式固溶体和缺位式固溶。
 
  ?敏化析出(sensitization):不锈钢钢中的碳(通常含0.03%)与铬结合,在热处理过程中或在焊接过程中在晶界析出;形成的碳化物使晶界出现贫铬,发生局部的晶界腐蚀,降低了材料的耐应力腐蚀性。
 
  ?贫铬区(Poor - Cr Zone):是指不锈钢中的碳元素与晶界处的铬结合,使晶界处的铬含量降低并析出; .造成不锈钢表面或内部局部铬含量低于平均含量的区域。贫铬区的出现,通常是碳化铬析出的结果。
 
  ?刀状腐蚀(Knife Line Attack):简称刀蚀。在含有稳定元素的奥氏体不锈钢中(如1Cr18Ni9Ti,Cr18Ni12Mo3Ti等),焊接热影响区的过热区在腐蚀介质作用下,发生沿熔合线走向的深沟状似刀痕的腐蚀,称为刀状腐蚀。
 
  铬(Cr)在不锈钢中的作用
 
  铬是不锈钢中不可缺少的元素,不锈钢的耐蚀性和抗氧化性都由随着的Cr含量的增加而增加;因为Cr在不锈钢表面形成一层薄的氧化膜,阻碍或防止不锈钢的进一步氧化和腐蚀,在氧化环境中这层膜得到了强化。
 
  在Fe-Cr系中,在所有温度下当Cr含量超过12%,均体现为铁素体;但高温情况下可能产生一下奥氏体组织,其原因是因为含有一定量的C和N元素的缘故。
 
  名词解释-------------
 
  间隙相:当非金属原子半径与金属原子半径比值小于0.59时,形成具有简单晶格的间隙化合物,称为间隙相;当比值大于0.59时,形成具有复杂结构的间隙化合物。
 
  中间相:两组元A和B组成合金时,除了可形成以A为基体或以B为基体的固溶体外(端际固溶体)外,还可能形成晶体结构与A,B两组元均不相同的新相。
 
  空淬效应:钢在一定条件下淬火时获得淬硬层(马氏体层)深度。它是衡量各个不同钢种接受淬火能力的重要指标之一;淬透性主要取决于其临界冷却速度的大小,而临界冷却速度则主要取决于过冷奥氏体的稳定性。
 
  镍(Ni)在不锈钢中的作用
 
  最近镍价一直上涨,影响了不锈钢价格的波动。但镍对于不锈钢有什么影响?
 
  镍是不锈钢中仅次于铬的重要合金元素。为了耐还原性酸和碱介质的腐蚀,钢中仅含铬是不够的,铬必须加入镍。镍促进不锈钢钝化膜的稳定性,提高不锈钢的热力学稳定性。因此,不锈钢中铬和镍共存,可显著强化不锈钢的不锈性和耐蚀性。镍对不锈钢的高温抗氧性有益,但对高温抗硫化性有害。因为镍与硫作用易形成低熔点硫化物。而低熔点硫化物的形成会显著降低钢的热加工性。
 
  镍与铬组合能显著提高奥氏体不锈钢在苛性介质(例如NaOH)中的耐蚀性,镍还提高18-8不锈钢耐氯化物应力腐蚀的性能。虽然在耐点蚀、耐缝隙腐蚀的PRE值(Cr+3.3Mo+16N,此值越大,耐点蚀、耐缝隙腐蚀性能越强)中并没有镍的作用在内,但在低铬、钼的通用铬镍奥氏体不锈钢中,镍的作用还是有益的。
 
  镍是奥氏体形成的稳定元素,若含Ni量约为8%时,Fe-Ni系中在室温下为奥氏体组织,具有很好的可成型性,更好地焊接性,优异的韧性。Ni对高温性能,特别是强度,冶金稳定性和保护性氧化膜的稳定性都有明显地提高。
 
  在铁素体不锈钢中,加入Ni可提高韧性及弯曲性能,焊接性能及耐蚀性。在沉淀硬化不锈钢中,Ni是重要元素。在双相钢中,通过调整Cr和Ni的含量的变化,可改变铁素体的百分比,Ni还可以改善双相钢抗全面腐蚀和抗应力腐蚀性能。
 
  Ni在奥氏体不锈钢中会降低其熔点,平均增加1%的镍含量,就可降低其4.4℃。随着Ni的增加而是δ相减少;但是热加工性,低温塑性和韧性可得到改善,其成型性能(深冲性能增加,加工硬化性能降低,还可增加在硫酸中的钝化(passivation)作用。
 
  镍能显著改善不锈钢的塑、韧性,可使具有脆性转变温度的一些不锈钢的脆性温度下移。镍可提高一些不锈钢的冷成型性和焊接性,降低奥氏体不锈钢的冷加工硬化倾向。镍可提高一些不锈钢的冷成型性和焊接性,降低奥氏体不锈钢的冷加工硬化倾向。此外,Ni的另一方面的作用是表现了在其不锈钢及镍合金指数上不可替代的“王道”;一种足以让不锈钢和镍金属从业者们“HIGH”到极致的“摇头丸”;一种其金融属性已经远远超出其实际价值的“产业利益链”。
 
  锰(Mn)在不锈钢中的作用
 
  锰元素可形成无限固溶体,有着强烈稳定奥氏体不锈钢结构的作用;并且对于铁素体和奥氏体不锈钢均有较强的固溶强化作用,提高了不锈钢的硬度和强度。
 
  Mn是不锈钢生产的重要合金元素,在CrNi系不锈钢生产中作为脱氧元素,一般加入1.5%Mn,在Cr-Mn-Ni-N ,Cr-Mn-N系不锈钢中作为重要的合金化元素,一般加入6—20%。和Cr-Ni奥氏体不锈钢相比,Cr-Mn-Ni-N奥氏体不锈钢最大的区别是大量地加入了合金元素Mn、N,从而带来了一系列的性能变化。
 
  在奥氏体中,锰一般以合金形式存在,且含量小于2%;此含量对于不锈钢组织不会造成明显的影响。但是锰元素,在不锈钢生产过程中被视为脱氧作用的残留元素看待。锰元素在120℃以上温度,会随着温度的升高而产生一定的挥发现象。
 
  1、Mn在不锈钢中的有益作用
 
  (1)N在不锈钢中的溶解度公式:N=0.021(Cr+0.9Mn)-0.204wt%。因此,为了提高N的溶解度,Mn元素被大量加入。在节镍奥氏体不锈钢中,Mn是非常重要的合金元素,其主要作用是使氨在钢中的溶解度提高且提高钢的强韧性,是节镍奥氏体必不可少的元素。
 
  (2)Mn是比较弱的奥氏体形成元素,但具有强烈稳定奥氏体的作用。Cr-Ni奥氏体不锈钢中,随着Mn含量增加强度提高。在无Ni的Cr-Mn-N奥氏体不锈钢中低温下会出现韧脆转变现象。
 
  (3)Mn在不锈钢中的另一有益作用是形成MnS抑制钢中硫的有害作用,提高了钢的热敏性,在焊接材料中加入2%以上的锰,可提高奥氏体不锈钢焊缝的抗热裂纹敏感性。
 
  2、Mn的不利影响
 
  (1)Mn对不锈钢的不锈钢耐蚀性的影响,基本上都是负面的。随着锰量的增加,钢的耐点蚀性、耐缝隙腐蚀性能下降。这与锰和硫形成MnS,或随钢中锰量增加,MnS中的铬量降低所引起的MnS夹杂在腐蚀介质中的溶解,常常成为点蚀、缝隙腐蚀源。实验证明,当将18-8不锈钢中的锰量降到约0.1%,此钢的耐点蚀能力将达到含2%Mo的316的水平。
 
  (2) Mn在不锈钢中还促进σ相等脆性相的析出,降低钢的塑、韧性,为锰的高铬、钼不锈钢中的应用带来不利影响。
 
  以Mn, N代Ni的节镍和无镍奥氏体不锈钢,其耐蚀性主要取决于钢的Cr、Ni、Mo、N等元素的含量,而Mn的作用甚微。目前研制成熟的钢种主要有200系列以及Arlnco公司的Nitronic系列。还有一些钢种也在广泛研究中。
 
  磷(P)在不锈钢中的作用
 
  磷(P)在不锈钢中的存在不与碳元素形成碳化物,但是易造成不锈钢中的严重偏析现象,一般来说,磷在不锈钢冶炼和后续加工过程中都被认为有害元素,尤其在焊接时,会产生热裂焊缝现象
 
  在奥氏体不锈钢中,磷被允许存在的含量约为0.03%~0.035%;此外,若不锈钢中因焊接而在焊缝处所产生的铁素体中,其磷元素被允许的最大含量约为0.03%。
 
  磷元素对提高不锈钢的强度及冷作硬化作用强,但却会增加不锈钢的脆性(尤其是低温脆性)。
 
  若磷与铜元素配合,可大大提高低合金钢的耐大气腐蚀的能力。
 
  名词解释:
 
  ? 偏析现象:合金中各组成元素在结晶时分布不均匀的现象称为偏析。
 
  ? 低温脆性:材料的冲击吸收功随温度降低而降低,当试验温度低于Tk(韧脆临界转变温度)时,冲击吸收功明显下降,材料由韧性状态变为脆性状态,这种现象称为低温脆性。金属的低温脆性是由于金属的屈服强度随温度降低而升高造成的。