各种元素对钢铁性能的影响(中)

11/12.元素:钾/钠(K/Na)
对钢铁性能的影响:
钾/钠可作为变质剂使白口铁中碳化物团球化,使白口铁(以及莱氏体钢))在保持原有硬度的条件下, 韧性提高二倍以上;使球墨铸铁的组织细化、蠕铁的处理过程稳定化;是强烈的促进奥氏体化的元素,例如,它可使奥氏体锰钢的锰/碳比从10:1~13:1降至4:1~5:1。

13.元素:钙(Ca)

对钢铁性能的影响:
钢中加钙能细化晶粒,部分脱硫,并改变非金属夹杂物的成分、数量和形态。与钢中加稀土的作用基本相似。

改善钢的耐蚀性、耐磨性、耐高温和低温性能;提高了钢的冲击韧性、疲劳强度、塑性和焊接性能;增加了钢的冷镦性、防震性、硬度和接触持久强度。

铸钢中加钙使钢水流动性大为提高;铸件表面光洁度得到改善, 铸件中组织的各向异性得以消除;其铸造性能、抗热裂性能、机械性能和切削加工性能均有不同程度的增加。

钢中加钙能改善抗氢致裂纹性能和抗层状撕裂性能,可延长设备、工具的使用
寿命。钙加入母合金中可用作脱氧剂和孕育剂,并起微合金化作用。

14.元素:钛(Ti)

对钢铁性能的影响:
钛和氮、氧、碳都有极强的亲和力,与硫的亲和力比铁强,是一种良好的脱氧去气剂和固定氮和碳的有效元素。钛虽然是强碳化物形成元素,但不和其他元素联合形成复合化合物。碳化钛结合力强,稳定,不易分解,在钢中只有加热到1000℃以上才能缓慢地溶入固溶体中。

在未溶入之前,碳化钛微粒有阻止晶粒长大的作用。由于钛和碳之间的亲和力远大于铬和碳之间的亲和力,在不锈钢中常用钛来固定其中的碳以消除铬在晶界处的贫化,从而消除或减轻钢的晶间腐蚀。

钛也是强铁氧体形成元素之一,强烈的提高了钢的A1和A3温度。钛在普通低合金钢中能提高塑性和韧性。由于钛固定了氮和硫并形成碳化钛,提高了钢的强度。经正火使晶粒细化,析出形成碳化物可使钢的塑性和冲击韧性得到显著改善,含钛的合金结构钢,有良好的力学性能和工艺性能,主要缺点是淬透性稍差。

在高铬不锈钢中通常需加入约5倍碳含量的钛,不但能提高钢的抗蚀性(主要是抗晶间腐蚀)和韧性;还能组织钢在高温时的晶粒长大倾向和改善钢的焊接性能。

15.元素:钒(V)

对钢铁性能的影响:
钒和碳、氨、氧有极强的亲和力,与之形成相应的稳定化合物。钒在钢中主要以碳化物的形式存在。其主要作用是细化钢的组织和晶粒,降低钢的强度和韧性。当在高温溶入固溶体时,增加淬透性;反之,如以碳化物形式存在时,降低淬透性。钒增加淬火钢的回火稳定性,并产生二次硬化效应。钢中的含钒量,除高速工具钢外,一般均不大于0.5%。

钒在普通低碳合金钢中能细化晶粒,提高正火后的强度和屈服比及低温特性,改善钢的焊接性能。

钒在合金结构钢中由于在一般热处理条件下会降低淬透性,故在结构钢中常和锰、铬、钼以及钨等元素联合使用。钒在调质钢中主要是提高钢的强度和屈服比,细化晶粒,捡的过热敏感性。在渗碳钢中因能细化晶粒,可使钢在渗碳后直接淬火,不需二次淬火。

钒在弹簧钢和轴承钢中能提高强度和屈服比,特别是提高比例极限和弹性极限,降低热处理时脱碳敏感性,从而提高了表面质量。五铬含钒的轴承钢,碳化弥散度高,使用性能良好。

钒在工具钢中细化晶粒,降低过热敏感性,增加回火稳定性和耐磨性,从而延长了工具的使用寿命。

16.元素:铬(Cr)

对钢铁性能的影响:
铬能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用,可提高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆。含量超过12%时,使钢有良好的高温抗氧化性和耐氧化性腐蚀的作用,还增加钢的热强性。铬为不锈钢耐酸钢及耐热钢的主要合金元素。

铬能提高碳素钢轧制状态的强度和硬度,降低伸长率和断面收缩率。当铬含量超过15%时,强度和硬度将下降,伸长率和断面收缩率则相应地有所提高。含铬钢的零件经研磨容易获得较高的表面加工质量。

铬在调质结构中的主要作用是提高淬透性,使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能,在渗碳钢中还可以形成含铬的碳化物,从而提高材料表面的耐磨性。

含铬的弹簧钢在热处理时不易脱碳。铬能提高工具钢的耐磨性、硬度和红硬性,有良好的回火稳定性。在电热合金中,铬能提高合金的抗氧化性、电阻和强度。

17.元素:锰(Mn)

对钢铁性能的影响:
Mn能提高钢材强度:由于Mn价格相对便宜,且能与Fe无限固溶,在提高钢材强度的同时,对塑性的影响相对较小。因此,锰被广泛用于钢中的强化元素??梢运?,基本上所有碳钢中,都含有Mn。我们常见的冲压软钢,双相钢(DP钢),相变诱导塑性钢(TR钢),马氏体钢(MS钢),都含有锰元素。一般,软钢中的Mn含量不会超过0.5%;高强钢中的Mn含量会随着强度级别的升高而升高,例如马氏体钢,锰含量可高达3%。

Mn提高钢的淬透性,改善钢的热加工性能:比较典型的例子是40Mn和40号钢。
Mn能消除S(硫)的影响:Mn在钢铁冶炼中可与S形成高熔点的MnS,进而消弱和消除S的不良影响。

但是,Mn的含量也是一把双刃剑。Mn含量并不是越高越好。锰含量的增高,会降低钢的塑性以及焊接性能。

18.元素:钴(Co)

对钢铁性能的影响:
钴多用于特殊的钢和合金中,含钴的高速钢有高的高温硬度,与钼同时加入马氏体时效钢中可以获得超高硬度和良好综合力学性能。此外,钴在热强钢和磁性材料中也是重要的合金元素。

钴降低钢的淬透性,因此,单独加入碳素钢中会降低调质后的综合力学性能。钴能强化铁素体,加入碳素钢中,在退火或正火状态下能提高钢的硬度、屈服点和抗拉强度,对伸长率和断面收缩率有不利的影响,冲击韧性也随着钴含量的增加而降低。由于钴具有抗氧化性能,在耐热钢和耐热合金中得到应用。钴基合金燃气涡轮中更显示了它特有的作用。

19.元素:镍(Ni)

对钢铁性能的影响:
镍的有益作用是:高的强度、高的韧性和良好的淬透性、高电阻、高的耐腐蚀性。

一方面既强烈提高钢的强度,另方面又始终使铁的韧性保持极高的水平。其变脆温度则极低。(当镍<0.3%时,其变脆温度即达‐100℃以下,当Ni量增高时,约4~5%,其变脆温度竞可降至‐180℃。所以能同时提高淬火结构钢的强度和塑性。含Ni=3.5%,无Cr钢可空淬,含Ni=8%的Cr钢在很小冷速下也可转变为M体。

Ni的晶格常数与γ‐铁相近,所以可成连续固溶体。这就有利于提高钢的淬硬性,Ni可降低临界点并增加奥氏体的稳定性,所以其淬火温度可降低,淬透性好。一般大断面的厚重件都用加Ni钢。当它同Cr、W或Cr、Mo结合的时候,淬透性尤可增高。镍钼钢还具有很高的疲劳极限。(Ni钢有良好的耐热疲劳性,工作在冷热反复。σ、αk高)

在不锈钢中用Ni,是为了使钢具有均匀的A体组织,以改善耐蚀性。有Ni钢一般不易过热,所以它可阻止高温时晶粒的增长,仍可保持细晶粒组织。

20.元素:铜(Cu)

对钢铁性能的影响:
铜在钢中的突出作用是改善普通低合金钢的抗大气腐蚀性能,特别是和磷配合使用时,加入铜还能提高钢的强度和屈服比,而对焊接性能没有不利的影响。含铜0.20%~0.50%的钢轨钢(U-Cu),除耐磨外其耐腐蚀寿命为一般碳素钢轨的2-5倍。

铜含量超过0.75%时,经固溶处理和时效后,可产生时效强化作用。含量低时,其作用与镍相似,但较弱。含量较高时,对热变形加工不利,在热变形加工时导致铜脆现象。2%~3%铜在奥氏体不锈钢中可以对硫酸、磷酸及盐酸等抗腐蚀性能及对应力腐蚀的稳定性。

各种元素对钢铁性能的影响(上)
各种元素对钢铁性能的影响(下)