合金元素的影响

合金元素的影响 金属手册  第九版 第一卷  性能与选择：铁与钢  美国金属协会主编 机械出版社1988.2北京  第127页 碳：碳是钢中最重要的单一合金元素。它是形成渗碳体（以及其它碳化物）、珠光体、球状渗碳体、贝氏体和铁碳马氏体必不可少的元素。由这些组分中的一种或多种所构成的显微结构，能够保证机械性能范围和加工特性范围。可以通过热处理来控制这些组分中的相对数量和分布状况，以便改变一个具体钢块的显微结构，并由此改变它的性能。许多黑色冶金技术都是致力于研究铁碳合金的各种组织和转变的；许多其它合金元素基本上都是根据她们对铁碳系统的影响来进行考虑的。 如果将具有类似显微结构的各种钢进行比较，那么，当碳含量增高时，珠光体的韧性和延展性都会降低。提高钢的含碳量能够提高铁－碳马氏体的硬度，当碳含量达到0.6％时，硬度达到最高值。提高碳含量也能提高淬透性。 锰：在所有的工业用钢中一般都含有锰。炼钢时，锰是很重要的，因为锰能使熔融金属脱氧，并降低对热脆的敏感性，从而减轻热加工的困难。锰还能与硫化合，形成硫化锰条带，这种硫化锰条带可以改善钢的机加工性能。锰能轻微提高铁素体的强度；锰还能大大提高钢的淬透性。以上两种影响的一种结果就是锰有助于提高正火（正火是使钢强化、并形成细小珠光体的一种热处理）的效果。锰降低淬火时形成马氏体的温度；因此，它能增加淬火钢中存在残留奥氏体的可能性。 Si：Si是炼钢时所用的主要脱氧剂之一。这个元素在钢的含量并不是总在技术规范中注明，钢中的含Si量取决于产品规定的脱氧方法。沸腾钢和加盖钢的含Si量是最低的，一般均少于0.05％。完全镇静钢为了脱氧一般都含有0.15％到0.30％Si；如果采用其他的脱氧剂，则钢中的含Si量还可以减少。 Si可以稍稍提高铁素体的强度，而且并不严重降低其延展性。含Si很高时，钢在空气中抗生成氧化皮的能力（温度大约在260℃一下，或500F以下）能够提高，并降低磁滞损失。这样高Si钢一般很难制造的。 Cr：低合金钢中加入Cr是为了提高它的：1、耐蚀能力和抗氧化能力；2、高温强度；3、淬透性；4高碳成分钢的耐磨性。为了使碳化Cr溶解，需要高的奥氏体化温度。纯粹的Cr钢很脆的；它们对回火脆性也是很敏感的。 Ni：低合金钢中采用Ni是为了改善低温韧性和提高淬透性。它看来能降低钢对热处理误差的敏感性和淬火时产生变形和开裂的可能性。Ni能强化铁素体，因此能使钢强化。在一种高强度、高韧性和高淬透性的合金钢形成过程中，如果Ni与Cr、Mo一起使用的，则Ni特别有效。Ni Mo：Mo提高钢的淬透性，如果想把淬透性维持在规定的限度内，则Mo是特别有用的。这个元素，特别是含量为0.15％到0.30％之间时，能把钢的回火脆性的敏感性降至最小。含Mo的淬硬钢必须在高温进行回火，才能达到相同的软化程度。Mo在提高钢的高温拉伸强度和高温蠕变强度的幅度方面是独一无二的。Mo推迟奥氏体变成珠光体的能力远远高于推迟奥氏体转变贝氏体的能力；因此，含Mo钢在连续冷却时就能产生贝氏体。MoMo Cu：向钢中添加铜主要是为了改善钢耐大气腐蚀的能力。为了这个目的而向钢中添加的铜含量典型范围为0.2％至0.5％。因为在热加工时铜能够转移到晶界上，所以铜对表面质量和热加工性能都是有害的。 V：向钢中加入钒一般都是为了抑制热处理时的精力长大。在控制晶粒长大的同时。钒还能改进淬火和回火钢的强度和韧性。添加钒量大约在0.05％以下时，能够提高钢的强度和韧性。添加更多的钒看来就会降低淬透性了，这大概是由于形成了难溶于奥氏体的碳化钒的缘故。 Ne（铌）；铌能降低转变温度，并能提高碳合金钢的强度。它赋予钢一种细小的晶粒度，能阻碍回火并提高钢的高温强度。因为它能形成非常稳定的碳化物，所以它能够通过降低热处理时溶解在奥氏体中的碳含量的方法使钢的淬透性降低。 Ti：可以向硼钢中添加钛，因为它很容易与钢中所有的氧和氮化合，从而使硼提高钢的淬透性的效能又有所提高。 锆和铈：在高强度低合金中，锆和铈是最经常采用的，它们能用来控制夹杂物（主要硫化物）的形状，因而提高了钢的韧性。 B：硼的添加量一般在0.0005％到0.003％之间，它能显著提高钢的淬透性。当碳含量较低时，硼是特别有效的。因为硼对铁素体的强度没有影响，所以硼可以提高钢的淬透性，而并不降低退火状态钢的延展性，可成形性，或可机加工性。 Sb：向钢中添加铅并不能溶解在钢中，但它能以微小球粒状形式保留在钢中。在接近铅熔点的温度下，它能引起液体金属脆性。 Al：在热加工和热处理时可以用铝来控制晶粒度。也可以用铝使钢脱氧；用铝镇静的钢具有优良的韧性，因为它们都具有非常细小的晶粒尺寸。铝的一种特殊用处是用于氮化钢。 Ca：钙有时用来使用钢脱氧。在高强度低合金钢中，它有助于控制非金属夹杂物的的形状，从而提高了韧性。用钙脱氧的钢机械性能一般都比Si脱氧的钢机械加工性能要好些。 残余元素的影响 磷：磷提高钢的强度和淬透性，但大大降低延展性和韧性。它能提高中碳合金钢（特别是纯粹的铬钢）对回火脆性的敏感性。可以故意地向钢中添加磷，以便改善其加工性和耐腐蚀性。 硫：硫对钢的横向强度和抗冲击性是非常有害的，但它对纵向性能却只有轻微的影响。它还会损害表面质量和可焊性。硫一般以硫化锰条带的形式出现；锰的功能之一就是与硫化合并避免形成低熔点的铁/硫化铁共晶体。这些硫化锰条带能提高机加工性能；向一些钢中故意添加硫完全为了改进可机加性能。 氮：氮能提高钢的强度、硬度和可机加工性，但它降低延展性和韧性。在用铝镇静的钢中，氮形成能控制钢的晶粒度的氧化铝颗粒，因此使钢的韧性和强度都得到提高。氮能降低硼对钢的淬透性影响。 氧：绝大多数情况下大概是在沸腾钢中可以找到氧，它能稍稍提高钢的强度，但严重降低钢的韧性。 氢：炼钢时钢中溶解的氢能使钢严重脆化。这个脆化效应与电镀或酸浸所造成的脆性并不相同。当从热轧温度进行冷却时，炼钢时由于溶解的氢所造成的脆性能引起白点。溶解的氢对完工的轧制产品的影响是很小的，热成形之前钢再加热时，几乎所有的氢气都已烘烤掉了。 锡：锡能使钢对回火脆性和热脆性变得敏感。 砷和锑：砷和锑能提高钢对回火脆性的敏感性。 碳及杂质元素对钢的性能的影响 ⑴ S i、Mn对钢的影响：Si、Mn是炼钢时自然带入钢水的元素，所以将碳钢中存在的少量Si（小于0.4％，质量分数）和Mn（小于0.8%，质量分数）当作杂质元素，当Si、Mn含量超过上述限度时即成为合金元素。 Si、Mn均能溶于α－Fe中，提高了钢的强度和硬度。Si、Mn含量不多的情况下对钢材性能的影响不显著。此外，Mn元素可减少S元素对钢的有害影响。 ⑵ P的影响 P能溶于α－αFe中，提高了钢的强度和硬度，但塑性和韧性显著降低，尤其在低温环境中更为明显，这种现象称为冷脆。因此，对于钢材中的P的含量必须加以限制。 ⑶ S的影响 S在钢中与Fe化合成FeS，FeS与Fe形成低熔点（985℃）的共晶体，并分布于晶界。当钢材的锻造温度或轧制温度（多为1000－1200℃）高于985℃时，FeS与Fe的共晶体的溶化，晶粒相互分离，导致钢材开裂，这种现象称为热脆。鉴于上述情况，一方面应限制钢材中的S含量，另一方面可在钢材中加入Mn元素，使之与S元素形成高熔点（1650℃）的且具备一定塑性的MnS，从而降低热脆的发生。 S与P并非绝对有害，在某些情况下有益。 高速钢 高速钢的优良性能是由其(化学成分)和(正确的热处理)决定的。 高速钢合金化特点 这类钢的成分特点是高碳高合金，含碳量多在0.70%-1.50%之间，合金总含量大于10%，一般包括W 、Cr、V 等能够形成碳化物的合金元素。对高速钢而言，W、 Cr、V等一方面与碳原子形成特殊碳化物，增加钢的耐磨性；另一方面，这些合金元素在淬火处理时溶入马氏体中，在受热时可阻碍马氏体发生分解，因而高速钢在600℃时仍比较稳定，此时析出的特殊碳化物十分细小，难以聚集长大，使得高速钢在600℃时仍然保持高硬度、高耐磨性。 热作模具钢：热作模具钢包括热锻模、热挤压模和压铸模三类。热作模具钢的化学成分与合金调质钢相似，一般含碳量小于0.50%，个别钢种可达0.60%-0.70%，并含有Cr、Mn、Ni、Si 等合金元素，属于亚共析钢。含碳量低可以保证钢件具备足够的韧性，合金元素可增加淬透性，强化铁素体。为防止回火脆性，可加入Mo、W等元素。与调质钢不同，热作模具钢要求具备较高的高温强度和抗热疲劳性能，为此，通常向钢中加入相当数量的Cr、Si、W，这些合金元素可以提高钢材的相变温度，使模具在交替受热和冷却的工作过程中不致发生相变，从而提高其抗热疲劳能力。 化学成分对冲击功的影响  金属手册  第九版 第一卷  性能与选择：铁与钢  美国金属协会主编 机械出版社1988.2北京  第759页 金属的缺口韧性受化学成分和许多物理因素的影响。对于钢来说，含碳量、合金元素、气体含量和夹杂物都是影响这种性能的化学因素。物理因素包括显微组织、晶粒尺寸、截面尺寸、热态或冷态加工温度、制造工艺，以及与加工方向有关的试样取向。表面条件如渗碳和脱碳也是重要的。 在严格控制试验条件下，缺口韧性试验能获得比较集中的结果。然而即使在冲击试样的准备和试验都是严格控制下，缺口试验结果仍然是十分分散的，不同炉次的钢所获得的试验结果就更明显地分散了。因此，在特定的一些条件下，以一两个试验为基础，而没有以前生产的各炉次的大量数据，就判断缺口韧性是极为轻率的。 合金元素对缺口韧性的影响如下： 碳：提高塑性－脆性断裂转变温度，降低断裂能的上平台。碳是缺口韧性影响比较强烈的元素。通常，为达到最大韧性，必须在能保持所需强度下尽可能降低碳含量。 硼：采用含硼的低碳钢是可以获得韧性而不降低强度的实用途径。硼的有益作用只能用于淬火和回火的钢，硼降低轧制的、退火的和正火后钢的韧性。 锰：充分降低低碳钢的转变温度。含碳量比较高的钢，锰的作用有所减弱。增加正火中碳钢的含锰量，降低塑性－脆性断裂转变温度，这可能是因为加入锰，减小了珠光体片的间距所致。淬火钢中，锰有相反的作用。锰使钢对回火脆性敏感，并导致在正火时形成脆性的上贝氏体组织，而不是细珠光体。 硫：对钢缺口韧性的影响直接与脱氧工艺有关。对于沸腾钢、半镇静钢和S i脱氧钢，含硫量约0.04％以下时，对缺口韧性只是微弱的影响。然而，对Al-Si脱氧钢，降低含硫量能充分提高其上平台能量。这种吸收能量的改进是由于减少了钢中硫化物偏析数量的结果。 磷：对钢缺口韧性具有极为有害的影响，含磷量每提高0.01％，可提高塑性－脆性断裂转变温度约7℃，并降低上平台能量。磷还提高一些钢对回火脆性的敏感性。