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常见元素对金属材料性能的影晌
1.4
应该说,在影响材料性能的诸多因素中,化学成分是起主要作用的。
不同的元素以及它在材料中的含量、和哪些元素配合等都决定了材料的最基本性能。
因此,了解元素在钢中起的作用,可以帮助材料工程师了解材料的性质。
工程上黑色金属材料应用的最多,故在此仅介绍黑色金属材料。
由于黑色金属材料的基本元素是铁(Fe),所以对材料性能的影响主要是指铁以外的其它元素。
1.4.1常用碳素钢中各元素对其性能的影响
压力管道中除螺栓材料外,常用的碳素钢为含碳量小于0.25%的亚共析钢,而螺栓材料则常用含碳量为0.25~0.45%的亚共析钢。
碳素钢中,其主要影响元素是碳(C)。
除此之外,尚有硅(Si)、硫(S)、氧
(0)、磷(P)、砷(b)、锑(Sb)等杂质元素
a.碳(C)在碳素钢中的作用
1)碳素钢随含碳量的增加,其强度和硬度增加,而塑性、韧性和焊接性能下降。
2)当含碳量大于0.25%时,碳钢的可焊性开始变差,故压力管道中一般采用含碳量小于
0.25%的碳钢。
3)含碳量的增加,其球化和石墨化的倾向增加。
b.硅(S)在碳素钢中的作用
判断其脱氧程度。
为了保正碳素钢的质量,除沸腾钢和半镇静钢外,硅在钢中的含量应≮
0.1%。
1)
硅是碳素钢中的常见元素之一,但它一般不是主加元素,而是用于炼钢时的脱氧。
硅和氧的亲合力仅次于铝和钒,而强于Mn、Cr、V,所以在炼钢过程为常用的还原剂和脱氧剂。
2)起到提高硬度和强度的作用。
硅含量超过3%时,将显著地降低钢塑性、韧性和可焊性。
c.硫(S)、氧
(0)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)型式存在于碳素钢中,形成非金属夹杂,从而导致材料性能的劣化,尤其是S的存在常引起材料的热脆。
硫和磷常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。
d.磷(P)、砷(As)、锑(Sb)在碳素钢中的作用:
磷、砷、锑在钢中有一些类似的作用。
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。
1.4.
2.常用低合金钢中各元素对其性能的影响
管道中除螺栓材料外,常用的低合金钢为含碳量小于0.20%的碳锰钢、硅钢、铬钼钢、铬钼钒钢和铬钼钒铝钢,而螺栓材料则常用含碳量为0.25%~0.45%的铬钢和铬钼钢。
主要影响元素:
碳(C)、锰(Mn)、铬(Cr)、Mo、V、Si、Al
杂质元素:
S、O、P、As、Sb、
a.碳(C)在低合金钢中的作用同碳素钢部分。
b.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。
它使材料的延展性有所降低;
2)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,其含量应在1%~2%;3)锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。
锰与硫形成MnS,可防止因硫导致的热脆现象,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量的锰;
4)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;5)锰对钢的焊接性有不利的影响;
c.铬(Cr)在低合金钢中的作用
铬在α-Fe中无限固溶,在γ-Fe中的最大溶解度为12.5%。
铬钼钢和铬钼钒钢有良好的抗高温氧化性和耐氧化介质腐蚀作用,并增加钢的热强性。
1)显著提高钢的脆性转变温度,随着铬含量的增加,钢的脆性转变温度也逐步提高,冲击值随铬含量增加下降。
2)在含铬的锅炉钢中,加入少量的铬,能防止钢在长期使用过程中的石墨化。
d.钼(Mo)在低合金钢中的作用
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;当含量较高时,则形成特殊碳化物。
1)钼对铁素体有固溶强化作用,同时也提高碳化物的稳定性,因此对钢的强度产生有利作用。
2)钼是提高钢热强性最有效的合金元素,主要在于它能强烈提高钢中铁素体对蠕变的抗力。
3)钼还可有效地抑制渗碳体在450℃~650℃工作温度下的聚集,促进弥散的特殊碳化物的析出,从而进一步起到了强化作用。
4)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。
5)钼同样也能提高马氏体钢和奥氏体钢的热强性。
◆一系列二元和多元的含钼珠光体钢被广泛地用于动力、石油和化学工业中,如15CrMo、12Cr1MoV、1Cr5Mo等。
e.钒(V)在低合金钢中的作用
钒在α-Fe中无限固溶,在γ-Fe中的最大溶解度约1.35%。
钒与碳、氧、氮都有较强的亲合力,为强碳化物及氮化物形成元素。
1)钒增加钢的热强性和对蠕变的抗力。
钒能有效地固定钢中的碳和氮,并形成高度弥散分布的碳化物和氮化物微粒,即使在高温下,聚合长大也极缓慢。
◆一系列的铬钼钒钢已成为制造锅炉、汽轮机的主要钢种,如12CrMoV及12CrlMoV常用于过热器钢管、导管及相应的锻件等。
2)
含钒钢在热处理中,能提高晶粒粗化的温度,从而降低钢的过热敏感性,并提高钢的强度和韧性等,尤其是它能提高钢正火后的强度和屈服比及低温韧性,因此它已成为普通低合金钢的一种比较理想的合金元素。
3)由于钒对碳的固定作用,在高温下,对抗氢腐蚀(脱碳和脆化)是有益的。
◆在抗氢钢中钒和碳含量之比应在5.7左右,过低时不足以有效地起抗氢腐蚀作用,过高时,将有部分的钒溶入铁素体中降低其塑性和焊接性能。
f.硅(Si)在低合金钢中的作用
硅作为杂质元素时,它在低合金钢中的作用与在碳素钢中的作用相同。
作为合金元素时一般应不低于0.4%,硅在钢中不形成碳化物,而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。
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
◆在常见元素中仅次于磷,而较锰、镍、铬、钨、钼、钒等为强。
但硅含量若超过3%时,将显著地降低钢的塑性、韧性和延展性。
2)当硅含量达到一定值时,它对钢的抗腐蚀性能有显著的增强作用。
硅含量为15%~20%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。
3)提高钢在高温时的抗氧化性。
含硅的钢在氧化气氛中加热时,表面也将形成SiO2薄层。
g.铝(AL)在低合金钢中的作用
1)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度等。
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。
2)铝在铁素体及珠光体钢中,当它的含量较高时,材料的高温强度和韧性较低。
3)当铝含量达到一定量时,可使钢产生钝化现象,使钢在氧化性酸中具有抗蚀性,但使钢的焊接性变坏。
4)铝还能提高钢对硫化氢的抗蚀作用。
铝含量在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。
5)铝对钢在水蒸汽、氯气、特别是在氯气及其化合物气氛中的抗蚀作用是不利的。
h.硫(S)、氧
(0)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等杂质元素在低合金钢中的作用
同在碳素钢中的作用。
1.4.3常用高合金钢中各元素对其性能的影响
压力管道中常用的高合金钢为含碳量小于0.10%的铬钼、铬镍、铬镍钼耐热钢和不锈钢。
高合金钢中,主要影响元素:
碳(C)、铬(Cr)、钼(Mo)、镍(Ni)、钛(TI)、硅(Si)等杂质元素:
硫(S)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)等。
a.碳(C)在高合金钢中的作用
碳也是高合金钢中的强化元素,但不是主要强化元素,此时的强化元素主要是合金元素。
为了满足高合金钢的塑性、韧性、耐蚀性和焊接性能的要求,它的含碳量一般不大于0.1%。
对于铬镍或铬镍钼奥氏体不锈钢,它的含碳量一般不大于0.08%。
当其含碳量小于等于
0.03%时,由于含碳量较低,高温强度也较低,故不宜用于525℃及以上的温度环境中。
作为高温下耐热用的高合金钢,其含碳量应大于等于0.04%,但此时奥氏体不锈钢的抗晶间腐蚀性能下降。
b.钼Mo在高合金钢中的作用
与在低合金钢中的作用相似。
c.镍(Ni)在高合金钢中的作用
它是xx不锈钢中的主加元素。
镍和碳不形成碳化物,它是形成和稳定奥氏体的主要合金元素。
镍与铁以互溶的形式存在于钢中的α相和γ相中,使之强化。
1)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,因此镍钢常用作低温材料。
一般情况下,含镍达到3.5%的镍钢可以在-100℃低温下使用;含镍达到9%的镍钢可在-196℃超低温下使用。
含镍的低合金钢还有较高的抗腐蚀疲劳性能。
2)镍是有一定抗腐蚀能力的元素,对酸、碱、盐以及大气均具抗蚀能力◆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网状组织而产生热脆。
在高温时镍将与一氧化碳化合形成Ni(CO)4气体而由合金中逸出,从而在材料中留下孔洞。
3)在奥氏体热强钢中,镍的作用只是使钢奥氏体化。
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素。
钢的强度必须靠其它元素如钼、钨、钒、铁、铝来提高。
d.钛(Ti)在高合金钢中的作用
钛是最强的碳化物形成元素,与氮、氧的亲合力也极强,是良好的脱气剂和固定氮、碳的有效元素,正因为这样,含钛的高合金钢不宜用作铸件。
1)由于钛能固定碳,有防止和减轻材料晶间腐蚀和应力腐蚀的作用。
2)钛能提高耐热钢的抗氧化性和热强性。
e.硅(Si)在高合金钢中的作用
1)各种奥氏体不锈钢中加入约2%的硅,可增强它们的高温不起皮性。
2)在铬、铬铝、铬镍、等钢中加入硅,都将提高它们的高温抗氧化性
化学元素对钢性能的影响
1、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,当碳量0.23%超过时,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。
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2、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。
3、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。
4、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。
5、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。
6、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。
7、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。
8、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。
9、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。
10、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。
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11、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。
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12、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。
13、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。
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14、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。
15、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。
16、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。
17、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。
18、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
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