常见元素对钢铁性能的影响，一看便知
2022-09-21
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。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。1)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%。◆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。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。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、Al1) 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（这就是含Mn的Q345R(16Mn)屈服点大于20号钢的原因）。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（这就是Q345D/E可用于较低温度的原因）；铬在α-Fe中无限固溶，在γ-Fe中的最大溶解度为12.5％。1）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。2）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。3）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。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。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。
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。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。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。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。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。◆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。这就是低温钢基本都含Mn或Ni的原因。 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。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（这就是321无法制作成铸件的原因）。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。
