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残余元素对钢性能的影响

钢里面特定元素的去除或增加都要受到钢所要求性能的制约。因初次和二次炼钢过程中发生的热力学和动力学的副作用而在钢中存在的大部分残余固态和气态元素,如硫、磷、氧、氮和氢,都是不希望含有的,而且会对钢的质量和性能产生明显影响。除了特别牌号的钢, 都希望降低这些元素的含量。其他元素(如碳、硅和锰)可以控制(即降低或提高)到所要求的水平上。还有一些合金添加,如铬、镍、钛、铜等是由炼钢时用的废料带进来的残留物,或者是为炼制特种合金钢特意加入的。下面将简单阐述这些元素的功效。

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碳 

      它在钢中无论是作为间隙式溶解于铁里,还是碳化物析出,都是为了在一定的热处理条件下控制其显微组织的主要元素。对于钢来说,碳是最为经济的强化元素,并且也是一直这么应用的。不像软钢里的任何其他元素,它能够提高硬度却不会因此增加多少脆性,碳会使钢的耐冲击性下降。然而在进行电弧焊时,为了避免在其热影响区产生脆性,有必要将含碳量保持在某最大值之下。为了在所要求的淬硬性和焊接性之间进行决定性的折中,常需要对钢的含碳量做出抉择,除了含碳量以外,还有其他途径可以控制这两种性能参数。


2

硫 

    它会通过“热脆性”影响钢的轧制质量,即在轧制的过程中产生裂纹并撕裂,会降低其焊接性。硫的这种负面影响会随着含铜量的增加和浇铸温度的提高而增大,也会随着含锰量的增加而减小。由于能断屑且不使切屑卷曲,故硫对钢的切削性是有益的。硫在钢中大多作为长条形硫化物的夹杂物而存在,因此将降低其各向同性。


3

磷  

      “冷脆性” 或冷态条件下的脆性是由高含磷量所引起的,这还会在铸造时增加初始偏析的可能性,对于高含碳量这种效应还会更强。磷在一定程度上能够提高钢的强度,尽管由于其他方面的负面影响而不这么利用。与硫一样磷也有助于提高钢的易切削性。为人熟知,磷在薄钢板轧制中能防止发生粘结。如与铜配合使用,磷可改善钢在空气中的耐腐蚀性。


4

      高含硅量可提高钢的磁导率和增加其电阻。它还能提高钢锭和其他一些铸件的致密性,因为它能阻止气泡和气孔的形成。硅被发现能减缓铁素体的侵蚀速度。硅有助于提高钢在大气中的耐腐蚀性,尤其是在酸性的环境里。已经知道,硅会影响一些临界热点(相变温度),如Ac1 、Ac2 、Ar1 、Ar2 等(其定义可参见铁碳相图)。一般来说,随着硅含量的增加,其塑性降低,而硬度、屈服点和抗拉强度得到提高。硅还可显著降低石墨在铁中的溶解度。


5

     氮具有相当大的强化作用,并使钢变脆。适量用于薄钢板可增加强度并保持较好的成形性。氮能促使钢的淬火时效和应变时效,从而提高其硬度、屈服强度和抗拉强度,降低塑性,并提高其缺口冲击的转变温度。高含氮量会导致动态应变时效或“蓝脆”的发生。强氮化物形成元素,如铝常用于防止应变时效。在高速钢里,氮化碳催生剂可用于提高其耐磨粒磨损性。氮气还是一种晶粒细化剂。304L 不锈钢的真空冶炼会造成氮的去除,从而使晶粒增大。这种大晶粒的粒度大小常会与薄壁管的厚度相当。


6

      氧的大量存在会使钢在锻造或轧制时发生撕裂,并使钢在骤冷时变脆。氧还生成铁、锰氧化物,硅酸盐和铝硅酸盐一类的夹杂物,这些夹杂物若未经形状控制就会降低钢的缺口韧性。长条形的氧化铝对于轴承钢的抗接触疲劳性是非常有害的。这些长条物很有可能是在连续铸造的材料中产生的,这时铝丝是在最后脱氧阶段从铸模的上面注入材料的。如果铸模里夹杂物未经很好的去除,就会在金属内形成氧化铝的长条物。


7

氢 

     氢是作为气体溶解,或有时作为甲烷或沼气溶解而存在于钢内的。如果没有进行很好的脱氢,氢一定会产生脆化的效应,使钢丧失其塑性。通过在适中的温度里焙烧可以将氢除出,从而使其塑性得以恢复。ω(H)超过0. 005%会造成剥落,成为内裂纹或绽裂,通常都是在锻造或轧制后的冷却过程中发生的。在高碳、大截面钢件的焊接过程中,如何去除氢仍是一个问题。在残余拉应力的作用下,氢常与钢的延迟性脆性开裂有关。


8

      锰能够提高钢的强度,并改善其缺口韧性。锰的含量中超过硫化锰所需要的部分均以碳化锰或硅化锰的形式而存在。因轧制而形成的硫化锰夹杂物会引起“带状”组织。借助其能制约硫的能力,锰可提高钢的锻造性或被轧制的能力。而且由于低熔点硫化铁的存在,锰是一种能将铁转变为钢,或在热变形加工和焊接中能防止产生撕裂或热脆性的元素。锰还能提高钢的冲击强度,能在高温轧制过程中延迟晶粒的粗化。还有报道称,较高的含锰量可以提高钢的塑性,但是因此也会增大产生淬火裂纹的可能性。锰能影响钢的临界温度,还常代替碳用于提高钢的焊接性,因此锰在钢中的存在是不可或缺的。


9

其它元素 

     某些其他残余元素,诸如镍、铜、钼、铬和锡也会通过废料加进去。而在脱氧的过程中,也会造成铝、钒、钛、锆等元素的存在。有时为了得到特殊的物理化学性质,如沉淀强化、固溶强化、提高可焊接性、耐腐蚀性、切削性等,还要特意以不同的量加入这些元素。例如加入12% (质量分数)Cr 可使其成为不锈钢(耐腐蚀性),而镍可用于稳定室温下的奥氏体组织并提高300系列不锈钢的冷加工性。


      简而言之,镍、铬、钼、铜能提高钢的淬硬性,但也会给要求高塑性的钢, 如用于深冲压用途的钢,造成一些问题。这些元素还会改变热处理的特征。镍能在很大程度上作为晶粒的细化剂和铁素体的强化剂使用,另外还能起到稳定奥氏体的作用。在低温下,镍提高钢的韧性, 也就是降低从塑性到脆性的转变温度。铬一般在钢内形成碳化物,并可提高钢的弹性极限、抗拉强度和硬度,而塑性则有所降低。铬还能稳定马氏体组织,对钢的耐腐蚀性产生很强的有利影响,尽管其w(Cr)要求超过12%。钼可使钢锻造时,能在一个较大的温度范围里加热而不至于烧伤。钢中含有钼,还有助于提高耐冲击性和耐磨性,以及增加其韧性。   


     钒可增加抗冲击性、疲劳强度和耐磨粒磨损性。即使含有很少量的钒也能提高钢的抗拉强度和弹性比,而不会明显降低其塑性。通过稳定碳化物的析出, 钒可防止晶粒的粗化。很少量的锡对深冲压钢也是有害的。一般来说铝是有益的,因为它能起到细化晶粒并降低对应变时效的敏感性。然而,它会促使石墨化,对于高温用途是不利的。其他脱氧剂,如微量的钛或锆一般对于钢的性能都没有什么影响。但是这些元素的某些有利的效能则要求其超过微量,因此要在二次冶炼中通过合金化来达到。例如钛、铌、锆和钒都可作为微量合金元素使用,通过形成碳化物起到析出硬化剂的作用。


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