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常用金属材料中各种化学成分对性能的影响
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一定的影响。
  
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切性能,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。然而磷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,使生铁产生热脆性和减低铁液的流动性,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:
2.1元素在钢中的作用
2.1.1
  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。这些杂质对钢性能是有一定影响,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了严格的规定。
1)硫
   硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。它是钢中的一种有害元素。硫以硫化铁(FeS)的形态存在于钢中,FeS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,故必须对钢中含硫量进行控制。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
 
  磷是由矿石带入钢中的,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接性变坏,含磷愈高,冷脆性愈大,故钢中对含磷量控制较严。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钢中的。由于锰可以与硫形成高熔点(1600℃)的  MnS
,一定程度上消除了硫的有害作用。锰具有很好的脱氧能力,能够与钢中的FeO成为MnO进入炉渣,从而改善钢的品质,特别是降低钢的脆性,提高钢的强度和硬度。因此,锰在钢中是一种有益元素。一般认为,钢中含锰量在0.5%~0.8%以下时,把锰看成是常存杂质。技术条件中规定,优质碳素结构钢中,正常含锰量是0.5%~0.8%;而较高含锰量的结构钢中,其量可达0.7%~1.2%。
4)硅
 
 
硅也是炼钢时作为脱氧剂而加入钢中的元素。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。硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度、硬度增加,塑性、韧性降低。镇静钢中的含硅量通常在0.1%~0.37%,沸腾钢中只含有0.03%~0.07%。由于钢中硅含量一般不超过0.5%,对钢性能影响不大。
5)氧
 
 
氧在钢中是有害元素。它是在炼钢过程中自然进入钢中的,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。氧在钢中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂形式,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。当钢中溶有过饱和的氮,在放置较长一段时间后或随后在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
 
  钢中溶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,使用时会发生突然断裂,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至较低温时,氢在钢中的溶解度急剧降低。当冷却较快时,氢原子来不及扩散到钢的表面而逸出,就在钢中的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纹,即白点。
2.1.2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。现分别说明它们在钢中的作用。
1)硅
  
①提高钢中固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:使钢的焊接性能恶化。
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,会使钢的焊接性能变坏,
  
④锰会使钢的耐锈蚀性能降低。
3)铬在钢中的作用
  
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铬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)镍在钢中的作用
  
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)钼在钢中的作用
  
①钼对铁素体有固溶强化作用。
  
②提高钢热强性
  
③抗氢侵蚀的作用。
  
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)钨在钢中的作用
  
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。因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。
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。
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;
  
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
  
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。
  
③铌能提高钢的热强性
10)硼在钢中的作用
   

  
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)铝在钢中的作用
  
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;
   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:
  
①脱氧时如用铝量过多,将促进钢的石墨化倾向。
  
②当含铝较高时.其高温强度和韧性较低。
2.2合金元素对钢的主要工艺性能的影响:
  
钢的主要工艺性能有:冷态成型性、切削性、焊接性能、热处理工艺性、铸造性能等
2.2.1
 
合金元素对钢的冷态成型性的影响
    
冷态成型性:冷态成型包括许多不同的冷成型工艺,如深冲、拉延成型和弯曲等。其冷态成型工艺性能优劣涉及被变形材料的成分、组织和冷变形工艺参量(模具形状、变形量、变形速度、润滑条件等)。
  
与冷态成型性有关的材料性能参量有:
①低的屈服强度
②高的延伸率
③高的均匀伸长率
④高的加工硬化率(n值),
⑤高的深冲性参量(r值)
⑥适当而均匀的晶粒度;
⑦控制夹杂物的形状和分布;
⑧游离渗碳体的数量和分布。
1)冷轧薄钢板:
  
碳:碳含量增加会使拉延能力变坏,因此绝大部分钢板都采用低碳钢。
  
锰:锰的影响和碳相似,但适当的含量可以减轻硫的不良作用。
  
磷、硅:磷和硅溶于铁素体引起强化并略影响塑性,降低拉延性能。
2)热轧钢板
  
选用冲压用热轧钢板时,既要考虑强度要求,也要考虑冲压性能。
  
碳:碳是对热轧钢板冲压性能影响最大的元素。对于冲压用的热轧钢板,一般不宜以增加碳的办法来提高强度,应采用添加合金元素来提高钢的强度。
  
硫:硫在钢中形成硫化物夹杂,在轧制中拉长,分割金属基体降低塑性,影响冲压性能。
2.2.2
 
合金元素对钢的切削加工性的影响
     非金属夹杂物是决定钢的切削性的主要因素。非金属夹杂物的类型、大小、形状、分布和体积百分数不同,对切削性的影响也不同。  
为了达到改善钢的切削性的目的,这些非金属夹杂物必须满足下列四个条件:
①在切削运动平面上,夹杂物必须作为应力集中源,从而引起裂纹和脆化切屑的作用。
②夹杂物必须具有一定的塑性,而不致切断金属的塑性流变,从而损害刃具的表面。
③夹杂物必须在刃具的前面与切屑之间形成热量传播的障碍。
④夹杂物必须具有光滑的表面,而不能在刃具的侧面作为磨料。
钢的切削性的提高主要还是通过加入易削添加剂,例如S、P、Pb、Bi、Ca、Se(硒)、Te(碲)等。
 
硫是了解最清楚和广泛应用的易削添加剂。
   当钢中含足够量的Mn时,S的加入将形成MnS夹杂物。加S的碳钢可以提高切削速度25%或更高,它取决于钢的成分和S的加入量。   约1%体积份额的MnS,   可以使高速钢刃具的磨损速率迅速下降。MnS夹杂物在切削剪切区作为应力集中源,可以起裂纹源的作用,并随后引起切屑断裂。因此,随着MnS体积份额的增加,切屑破断能力得到改善。  MnS
夹杂物还可能在切屑刃具表面沉积为MnS薄层,这种薄层可以降低刃具与切屑的摩擦,导致切削温度和切屑力的降低,并减少刃具的磨损或成为热量传播的障碍,从而延长刃具的使用寿命。
 Pb
是仅次于S的常用易削添加剂。
  Pb
对切削加工性的有益效应,不取决于MnS的存在,因而可以加到低S钢和加S钢中。在不添加S的钢中,Pb以分散的质点形式分布于钢中。在加S钢中,Pb首先与MnS结合。与S相似,Pb可以作为内部润滑剂降低摩擦力,并转过来降低剪切抗力,并减小切屑与刃具的接触面积,从而降低刃具的磨损。
 
近年来许多注意力已经转到通过Ca脱氧生产易削结构钢上。
  
通过用Ca-Si和Si-Fe合金控制脱氧,可以形成特定的CaO-MnO-SiO2-Al2O3四元非金属夹杂物,它在机加工时,将在刃具磨损表面沉积为一个薄层(约20μm)。这种薄层是磨损的障碍,因而可延长碳化物刃具的使用寿命。
2.2.3合金元素对钢的焊接性的影响
    
钢的焊接性是一个很复杂的工艺性能,因为它既与焊接裂纹的敏感性有关,又与服役条件和试验温度下所要求的韧性有密切联系。
 
一般认为,高强度低合金钢的焊接性是良好的,并且随含碳量的降低,焊接性得到改善。
 
为此,国际焊接协会根据统计数据,采用碳当量为比较的基础,由加入的各元素来计算和评定钢材的焊接性能。
  
其近似公式如下:
   碳当量  = C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5

  
式中:元素符号代表该元素重量百分比。
  
碳当量越低,焊接性能越好。
   碳当量≤0.35%,焊接性能良好;碳当量≥0.4-0.5%,焊接就较困难。