合金元素在钢中的作用(完整版)

精品文档 1欢迎下载 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 现分别说明它们在钢中的作用 5 O8 W2 D 5 d 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 A t v 7 钒在钢中的作用 1 热强性 2 钒能显著地改善普通低碳低合金钢的焊接性能 H n f A E0 m 8 钛在钢中的作用 1 钛能改善钢的热强性 提高钢的抗蠕变性能及高温持久强度 金属 材料长期在高温条件下受热应力的作用而产生缓慢 连续的塑性变形的现象 叫金属的蠕变 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 h5 k C8 C4 O0 G7 o 1 铌和碳 氮 氧都有极强的结合力 并与之形成相应的极为稳定的化 合物 因而能细化晶粒 降低钢的过热敏感性和回火脆性 2 有极好的抗氢性能 9 8 a7 r B9 g n 3 铌能提高钢的热强性 10 硼在钢中的作用 7 i6 U P9 r Y8 T 精品文档 3欢迎下载 1 提高钢的淬透性 2 提高钢的高温强度 强化晶界的作用 k G u7 g D r A 11 铝在钢中的作用 m8 9 O4 I p7 o s6 V 1 用作炼钢时的脱氧定氮剂 细化晶粒 抑制低碳钢的时效 改善钢在低 温时的韧性 特别是降低了钢的脆性转变温度 K q D B2 f 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 常把铝作为合金元素加入耐热钢中 3 此外 铝还能提高对硫化氢和 V2O5 的抗腐蚀性 缺点 脱氧时如用铝量过多 将促进钢的石墨化倾向 当含铝较高 时 其高温强度和韧性较低 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 时效硬化就是钢材在热处理后的放置过程中内部组织发生变化 通常是第 二相的析出导致的钢材在放置后比放置前变硬的现象 通常有室温时效和人工 时效两种 两者的区别是时效温度的不同 钢的应变时效定义为塑性变形时或变形后 固溶状态的间隙溶质 C N 与位错交互作用 钉扎 位错阻止变形的物理本质 从而导致强度提高 韧性 下降的力学冶金现象 如果钢中的自由碳 氮浓度足够大 就会在变形过程中 强度迅速提高 延性急剧下降 以致脆化 这一过程决定于碳 氮 主要是氮的浓度 温度和 变形速率 溶质原子与各种位错均能发生反应 断裂是快速传递的 应变时效 脆化事故 往往是灾难性的 顷刻间发生 防不胜防 为确保建筑的安全 建筑用钢 如螺纹钢筋在实际使用中 都要求抗应变 时效性 采用模拟应变时效状态 一般是施以 10 的塑性变形 然后在 100 加 热不大于 12h 时效 空冷至室温继续变形至断裂 检测应变时效性能 螺纹钢 精品文档 4欢迎下载 筋的标准方法是反弯试验 试验方法在国际标准和发达国家的标准中都有规定 方法是正弯 按规定弯曲半径 90 后 100 加热不大于 2h 空冷至室 温后 反向弯曲 20 观察弯曲面 如果断或裂 均为应变时效脆化的反应 应变时效性是由钢中间隙溶质碳 氮原子引起 主要是氮 碳在 100 以下 的作用是微弱的 成分设计的中心内容是降低游离氮含量 达到无时效的水平 铁中有 0 0001 1ppm 的氮即出现时效现象 而 0 002 应变时效就达到最大 值 以当前炼钢技术 达到这个水平 在经济上不现实 普遍的是 0 005 0 006 冶金学家的方法是加入固定氮元素 使钢中的起时效作用的 游离氮浓度接近于 0 目的 1 改善热轧过程中产生的内应力和偏析 使珠光体均匀化 2 可以提高钢材的强度 硬度 3 消除内应力保证钢材的公差尺寸 铜是奥氏体形成元素 由于铜有石墨化作用 所以其加入低碳钢中 并且 数量不大于 1 5 铜的主要作用是 1 改善耐蚀能力 低碳钢含铜 1 抵抗大气腐蚀较不含铜 的高出 4 倍 不锈钢中加铜 3 4 也有帮助不锈钢防蚀作用 可以增加钢的强度 不宜超过 0 2 2 借助沉淀硬化来提高合金的抗拉强度 3 铜在那些不发生沉淀硬化的钢中能够轻微的提高屈服强度 4 在碳钢中它 提高淬透性并降低延展性 钢中加入 Cu 的作用 1 耐候钢使用 提高耐大气 腐蚀能力 我个人认为作用有限 就是省钱 2 提高钢的深冲性能 如 0Cr18Ni9Cu3 可以做成各种耐蚀的铆钉 3 作为强化元素加入 如 0Cr17Ni4Cu4Nb 17 4PH 15 5PH 起到沉淀硬化的作用 3 在抗菌不锈 钢中加入 特殊处理后 析出相有较好的杀菌作用 碳 C 是对钢的性能影响最大的基本元素 不同的碳含量依据钢中杂质元素含量和轧 后冷却条件的不同对于钢的性能影响是不同的 随着钢中碳含量的增加 碳钢 精品文档 5欢迎下载 在热轧状态下的硬度直线上升 塑性和韧性降低 在亚共析范围内 碳对抗拉 强度的影响是 随着碳含量增加 抗拉强度不断提高 超过共析范围后 抗拉 强度随碳含量的增加减缓 最后发展到随碳含量的增加抗拉强度降低 另外 含碳量增加时碳钢的耐蚀性降低 同时碳也使碳钢的焊接性能和冷加工 冲压 垃拔 性能变坏 硅 Si 硅在碳钢的含量 0 50 硅也是钢中的有益元素 在沸腾钢中 含硅量 很低 硅是作为脱氧元素加入到钢中 在镇静钢中硅的含量一般为 0 12 0 37 硅增大了钢液的流动性 除了形成非金属夹杂外 硅溶于铁素 体中 随着硅含量的提高 钢的抗拉强度提高 屈服点提高 伸长率下降 钢 的面缩率和冲击韧性显著降低 锰 Mn 在碳钢中 锰是有益元素 锰是作为脱氧除硫的元素加入到钢中的 对于 镇静钢来说 锰可以提高硅和铝的脱氧效果 可以同硫形成硫化锰 相当程度 上降低硫在钢中的危害 锰对碳钢的力学性能有良好的影响 它能提高钢热轧 后的硬度和强度 原因是锰溶入铁素体中引起固溶强化 因此 精炼过程中要 按照技术要求严格稳定控制各炉次的锰含量 磷 P 一般来说 磷是钢中的有害元素 它来源于矿石和生铁等炼钢原料 磷能 提高钢的强度 但使塑性和韧性降低 特别是使钢的脆性转折温度急剧上升 即提高钢的冷脆性 低温变脆 由于磷的有害影响 同时考虑到磷有较大的 偏析 因而对其含量要严格的控制 但是在含碳量比较低的钢种中 磷的冷脆 危害比较小 在这种情况下 可以用磷来提高钢的强度 如鞍钢生产的高强度 IF 钢就需要加入磷 另外 在适当的情况下 还利用磷的其他一些有益作用 如增加钢的抗大气腐蚀能力 如集装箱用钢 提高磁性 如电工硅钢 改善钢 材的易切削加工性 减少热轧薄板的粘结等 硫 S 精品文档 6欢迎下载 一般来说 硫是有害元素 他主要来自于炼铁 炼钢时加入的原材料和燃 烧产物 二氧化硫 硫最大的为危害是引起钢在热加工时开裂 即产生所谓的 热脆 硫能提高钢材的切削加工性 这是硫的有益作用 氮 N 钢中的氮来自炉料 同时 在冶炼 浇铸时钢液也会从炉气和大气中吸收 氮 氮引起碳钢的淬火时效和形变时效 从而对碳钢的性能发生显著的影响 由于氮的时效作用 钢的硬度 强度固然提高 但是塑性和韧性降低 特别是 在形变时效的情况下 塑性和韧性的降低比较显著 因此 对于普通低合金钢 来说 时效现象是有害的 因而氮是有害元素 但对于一些细晶粒钢以及含钒 铌钢 由于氮化物的强化细化晶粒作用 氮成为有益元素 另外 作为合金元 素 氮在不锈耐酸钢中得到应用 此外 氮化处理方法能使机器零件获得极好 的综合力学性能 从而使零件的使用寿命延长 氢 H 钢中的氢是由锈蚀含水的炉料或从含有水蒸气的炉气中吸收的 氢对钢的 危害是很大的 一是引起氢脆 即在低于钢材极限应力的作用下 经一定的时 间后 在无任何预兆的情况下突然断裂 往往造成灾难性的后果 二是导致钢 材内部产生大量细微裂纹缺陷 白点 在钢材纵端面上呈光滑的银白的斑点 在酸洗后的端面上呈较多的发丝状裂纹 白点使钢材的延伸率显著下降 尤其 是端面收缩率和冲击韧性降低得更多 有时可能接近于零值 因此具有白点的 钢是不能用的 这类缺陷主要发生在合金钢中 氧 O 及其他非金属夹杂物 氧在钢中的溶解度很低 几乎全部以氧化物夹杂形式存在于钢中 如 FeO AL2O3 MnO CaO MgO 等 除此之外 钢中还存在 FeS MnS 硅酸盐 氮化物及磷化物等 这些夹杂物破坏了钢的基体的连续性 在静载荷和动载荷 的情况下往往成为裂纹的起点 这些非金属夹杂物的各种状态不同程度的影响 到钢的各种性能 尤其是对于钢的塑性 韧性 疲劳强度和抗腐蚀性等危害很 大 因此 对于非金属夹杂物应严格控制 精品文档 7欢迎下载 求主要取决于它的组织结构 大量的生产实践表明 钢的组织对钢性能的 影响起着决定性的作用 而钢的组织又主要取决于它的化学成分和加工的生产 工艺过程以及相应的热处理状态 此外 还与钢中气体和非金属夹杂物的含量 及其他的冶金缺陷有关 一 合金元素对钢力学性能的影响 由于合金钢的种类很多 且不同钢种的化学成分具有不同的规格范围 而 某一元素与其他元素共同配合又组成一定的相 才使钢具有一定的力学性能 因此 孤立地分析某一元素对钢力学性能有多大影响不仅是困难的 而且也是 片面的 更何况 同一钢种因成分有微小的变化 性能也表现出较大的差异 化学成分的力学性能的影响如下 1 碳 碳是决定钢力学性能的主要因素 一般说来 随着碳含量的增加 钢的硬度升高 塑性及韧性降低 当碳含量小于 0 80 时 钢的强度随碳含量 的增加而增加 当碳含量大于 0 80 时 随着钢中碳含量的增加强度反而降低 2 硅 硅能固溶于铁素体和奥氏体中 能提高钢的硬度和强度 在普通 碳钢中硅含量不超过 0 40 这时对力学性能影响不大 当硅含量继续增加时 钢的强度指标 特别是屈服点有明显提高 但塑性及韧性降低 硅能显著提高 钢的弹性极限 屈服强度和屈服比 以及疲劳强度和疲劳比 等 此外 硅还能提高钢的脆性转变温度 因而在低温用钢中应控制它的含量 3 锰 在一般碳钢中 锰含量在 0 70 以下 对钢的性能影响不大 锰含量增加到 1 2 时 可使强度提高 塑性降低 锰钢加热时易使晶粒粗 化 ZGMn13 钢经水韧处理后可得到单一的奥氏体组织 具有高韧性及耐磨性 在耐热钢中锰还可提高钢的高温强度 作用与镍相似 锰对钢的高温瞬时强度 虽有所提高 但对持久强度和蠕变强度没有什么显著的作用 4 钨 单一含钨的结构钢的性能与碳钢相比无多大改善 当钨与其他元 素合用时 可细化晶粒 降低回火脆性 从而提高钢的强度 铝能提高钢的红 硬性及热强性 能形成特殊碳化物 提高钢的耐磨性 高合金钨钢 如高速钢 由于含有大量共晶碳化物 塑性低 钨能增大铁的自扩散活化能 显著提高钢 精品文档 8欢迎下载 的再结晶温度 因此也能提高钢在高温时对蠕变的抗力 5 钼 钼对铁素体有固溶强化的作用 同时也提高碳化物的稳定性 因 此对钢的强度产生有利的影响 在冷冲模具钢中加入铝能改善韧性 在热锻模 具钢中加入钢能使锻模保持比较稳定的硬度 在调质钢中加入 0 2O O 30 的钼 不仅可以提高钢的淬透性 从而提高钢的强度和延展性 而且可以减轻 或消除因其他合金元素导致的回火脆性而大大有利于提高钢的冲击韧性 铝是 提高钢热强性最有效的合金元素之一 还能强烈地提高钢中铁素体对蠕变的抗 力 6 钒 钒对钢力学性能的影响主要取决于它在钢中存在的形态 对于退 火的低碳钢 如含量低固溶于铁素体时 将略增加钢的强度 并稍降低塑性和 韧性 如以聚集的碳化物存在时 因固定了一部分碳 反而降低钢的强度 对 于中碳钢 无论在退火 正火或调质状态 钒除提高钢的强度外 还改善钢的 塑性和韧性 在弹簧钢中 与铬或锰配合使用 增加钢的弹性极限 并改善冶 金质量 少量的钒使钢晶粒细化