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常见元素对金属材料性能的影响
时间:2019-09-24  点击:71次   来源:

 1. 碳 C

 
(1)含碳量的增加,使得碳素钢的强度和硬度增加,而塑性、韧性和焊接性能下降。
 
(2)一般情况下,当含碳量大于0.25%时,碳钢可焊性开始变差,故压力管道中一般采用含碳量小于0.25%的碳钢。含碳量的增加,其球化和石墨化的倾向增加。
 
(3)作为高温下耐热用的高合金钢,含碳量应大于或等于0.04%,但此时奥氏体不锈钢的抗晶间腐蚀性能下降。
 
2.硅 Si
(1)硅固溶于铁素体和奥氏体中可起到提高它们的硬度和强度的作用。
 
(2)含硅量若超过3%时,将显著地降低钢的塑性、韧性、延展性和可焊性,并易导致冷脆,中、高碳钢回火时易产生石墨化。
 
(3)各种奥氏体不锈钢中加入约2%的硅,可以增强它们的高温不起皮性。在铬、铬铝、铬镍、铬钨等钢中加入硅,都将提高它们的高温杭氧化性能。但含硅量太高时,材料的表面脱碳倾向增加。
 
(4)低含硅量对钢的耐腐蚀性能影响小大,只有当含硅量达到一定值时,它对钢的耐腐性能才有显著的增强作用。含硅量为l5%~20%的的硅铸铁是很好的耐酸材料,对不同温度和浓度的硫酸、硝酸都很稳定,但在盐酸和王水的作用下稳定性很小,在氢氟酸中则不稳定。高硅铸铁之所以耐腐蚀,是由于当开始腐蚀时,在其表面形成致密的SiO2薄层,阻碍了酸的进一步向内侵蚀。
 
3.硫S、氧O在碳素钢中的作用
 
硫和氧作为杂质元素常以非金属化合物(如FeS、FeO)形式存在于碳素钢中,形成非金属杂质,从而导致材料性能劣化,尤其是硫的存在引起材料的热脆。六和磷是钢中要控制的元素,并以其含量的多少来评定碳素钢的优劣。
 
(由于FeS可与铁形成共晶,并沿晶界分布),Fe-FeS共晶物的熔点为985℃,当在1000~1200℃温度下,对材料进行压力加工时,由于它已经熔化而导致晶粒开裂,使材料呈现脆性。这种现象称为热脆。)
 
4.磷P、砷As、锑Sb在碳素钢中的作用
 
(1)磷、砷、锑作为杂质元素,它们对提高碳素钢的抗拉强度有一定的作用,但同时又都增加钢的脆性,尤其是低温脆性。(由于磷以固溶形式存在于铁素体中,影响铁素体的晶格变形,使碳素钢在常温下呈现脆性。
 
这种现象称为冷脆)。磷和砷有都是造成碳素钢严重偏析的有害元素。磷对钢的焊接性不利,它能增加焊裂的敏感性。
 
(2)由于低合金钢熔点较高,磷、砷、锑等杂质元素容易在高温下迁移聚集,从而导致低合金钢的高温回火脆性。(合金钢在进行高温回火热处理或长期在高温下工作时,其中的杂质元素磷、砷、锑等容易在高温下迁移聚集。
 
由于这些元素的熔点一般比合金元素低,它将“割裂”材料基体而导致合金钢在高温下呈现脆性。因为合金钢的这种脆性发生在红热的温度下,故称为红脆。)一般情况下,低合金钢均采用较高级的冶炼方法(如电炉冶炼),故其硫、磷元素含量较低。
 
5.钨W在碳素钢中的作用
(1)钢中含钨量高时有二次硬化作用,有红硬性,以及增加耐磨性。钨对钢的淬透性、回火稳定性、力学性能的影响均与钼相似,但以质量计,其作用效果不如钼显著。钨提高钢在高温下的蠕变抗力与热强性,当与钼复合使用时.效果更佳。
 
(2)钨能提高钢的抗氢作用的稳定性。钨通常加入低碳和中碳高级优质合金结构钢中,钨能阻止热处理时晶粒的长大和粗化,降低具回火脆化倾向,并显著提高钢的强度和韧性。
 
6. 锰Mn在低合金钢中的作用
(1)锰与铁形成固溶体.可提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度。在碳锰钢中常利用锰来提高钢的强度,但它是材料的延展性有所降低,而且增加了应力腐蚀开裂的敏感性。在一般碳锰钢和低合金钢中,其含量在1%~2%。
 
(2)锰是良好的脱敏剂和脱硫剂。锰与硫形成MnS,可防止因硫而导致的热脆现象,从而改善钢的热加工性能。因此,在工业用钢中一般都含有一定数最的锰。
 
(3)锰在钢中由于能降低临界转变温度.故碳锰钢的低温冲击韧性比碳素钢好。
 
(4)锰能强烈增加碳锰钢的淬透性。含锰量较高时,有使钢晶粒粗化并增加钢的回火脆性的不利倾向。
 
(5)锰对钢的焊接性有着不利的影响响。为改善钢的焊接性,应在许可的范围内,适当降低钢的含碳量。焊接时也需采用优质低氢焊条和相应的焊接工艺。
 
7.铬Cr在低合金钢中的作用
(1)随含铬量的增加.使铬钼钢和铬钼钒钢有良好的的抗高温性和耐氧化介质腐蚀作用,并增加钢的热强性。但含铬量太高时或者处理不当.易发生δ相和475℃回火脆化。
 
(2)铬增加钢的淬透性并有二次硬化作用。
 
(3)铬是显著提高钢的脆性转变温度的元素,随着含铬量的增加,钢的脆性转变温度也逐步提高,冲击值随含铬量增加而下降。
 
(4)在含钼的锅炉钢中,加入少量的铬,能肪止钢在长期使用过程中的石墨化。
 
(5)在单一的铬钢中,材料的焊接性能随含铬量的增加而恶化。
 
8.铝Al在低合金钢中的作用
(1)铝与氮及氧的亲和力很强,因此它也作为炼钢时的脱氧定氮剂,井起到细化晶粒、阻抑碳钢的时效、提高钢在低温下韧性的作用。
 
(2)铝作为合金元素加入钢中时能提高钢的抗氧化性,改善钢的电磁性能.提高渗氮钢的耐磨性和疲劳强废等。因此,铝在不起皮钢、电热合金、磁钢和渗氮钢中,得到了广泛的应用。
 
(3)铝在铁索体及珠光体钢中,当其含量较高时,材料的高温强度和韧性较低。
 
(4)当含铝量达到一定量时,可使钢产生钝化现象,使钢在氧化性酸中具有耐蚀性,但使钢的焊接性变坏。
 
(5)铝还能提高钢对硫化氢的耐蚀作用。含铝量在4%左右的钢,在温度不超过600℃时有较好的抗硫化氢腐蚀作用。
 
(6)在钢铁材料表面镀铝和渗铝,可以提高其抗氧化性和在工业和海洋性气氛中的耐蚀性。
 
(7)含铝的钢渗氮后,在钢的表面形成一层牢固的薄而硬的弥散分布的氮化铝层,从而提高其硬度和疲劳强度,并改善其耐磨性。
 
(8)铝是高锰低温钢的主要合金元素。一定量的铝,有提高铁锰奥氏体的稳定度、抑制β—Mn相变的作用,从而使铝在低愠钢中得到了应用。
 
9.钼Mo在低合金钢的作用
 
(1)钼属于强碳化物形成元素,当其含量较低时,与铁及碳形成复杂的渗碳体;当其含量较高时.则形成特殊碳化物。在较高回火温度下,山于钼的弥散分布,可使材料出现二次硬化。
 
(2)钼对铁紊体有固溶强化作用,同时也提高碳化物的稳定性,因此对钢的强度产生有利用。钼是提高钢热强性最有效的合金元紊。钼同样也能提高马氏体钢和奥氏体钢的热强性。
 
(3)钼在钢中,由于形成特殊碳化物,可以改善在高温高压下抗氢侵蚀的作用。
 
(4)钼常与其它元素如锰、铬配合使用,可显著提高钢的淬透性;含钼量约0.5%时,能抑制或降低其他合金元紊导致的回火脆性。
 
(5)钼在不锈耐热钢中,也能使钢表面钝化,但作用不如铬显著。钼与铬相反,它既能在还原性酸(HCl、H2SO4、H2SO3)中又能在强氧化性盐溶液(特别是含有氯离子时)中使钢材表面钝化。因此,钼可以普遍提高钢的耐蚀性能.
 
(6)钼加入奥氏体耐酸钢中,能显著地提高材料对醋酸、环烷酸的耐蚀性,在含有氯化物的溶液中,常会引起奥氏体耐酸钢的点腐蚀和晶间间腐蚀。材料中加入钼后,这种倾向在很大程度上会被减缓或抑制。
 
10.镍Ni在高合金钢中的作用
(1)镍是扩大γ相区,形成无限固溶体的元素,它是奥氏体不锈钢中的主要元素。
 
(2)镍能细化铁素体晶粒,改善钢的低温性能。含镍量超过一定值的碳钢,其低温脆化转变温度显著降低,而低温冲击韧性显著提高,因此镍钢常用于低温材料。一般情况下,含镍量达到3.5%的镍钢可以在-100℃低温下使用,含镍量达到9%的镍钢可在-196℃超低温下使用。
 
(3)含镍的低合金钢还有较高的抗腐蚀疲劳的性能。镍钢不宜在含硫或一氧化碳的气氛中加热,因为镍易与硫化合,在晶界上形成低熔点的NiS网状组织而产牛热脆。在高温时镍将与—氧化碳化合形成Ni(CO)4气体而由合金中逸出,从而在材料中留下孔洞。
 
(4)在不锈耐热钢中,镍与铬、钼等元紊适当配合使材料在常温下为奥氏体组织,即得到奥氏体不锈钢或耐热钢。然而,目前镍在全世界范围内都是一种比较稀缺的元素,故作为一种合金元素,应该只有在用其他素不能状得所需要的性能时,才考虑使用它。
 
(5)由于镍可降低临界转变湿度和降低钢中各元素的扩散速度,因而它可以提高钢的淬透性。
 
(6)镍不增加钢对蠕变的抗力,因此一般不作为热强钢中的强化元紊。在奥氏体热强钢中,镍的作用只是使钢奥氏体化,钢的强度必须靠其他元素如钼、钨、钒、钛、铝来提高。
 
(7)镍是有一定耐腐蚀能力的元素,对酸、碱、盐以及大气均具有一定的耐腐蚀能力。
 
11.钛Ti在高合金钢中的作用
(1)钛是最强的碳化物形成元素,与氮、氧的亲和力也极强,是良好的脱气剂和固定氮、碳的有效元素.正因为这样.含钛的高台金钢不宜用于铸件。
 
(2)在奥氏体不锈钢中,由于钛能固定碳,有防止和减轻材料晶司腐蚀和应力腐蚀的作用。如果奥氏体不锈钢中的钛、碳含量之比超过4.5时,由于此时材料中的氧、氮和碳可以全部被固定住,故使得材料对晶间腐蚀、应力腐蚀和碱脆有很好的抗力。
 
(3)当钛以碳化钛微粒存在时,由于它能细化钢的晶粒并成为奥氏体分解时的有效晶核,可使钢的淬透性降低,但也使材料的高温固溶强化效果降低。
 
(4)钛能提高耐热钢的抗氧化性和热强性。
 
(5)钛作为强碳化物形成元素,可以提高钢在高温、高压、氢气中的稳定性。当钢中的含钛量达到含碳量的4倍时,可使钢在高压下对氢的稳定性几乎高达600℃以上。
 
 
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