化学元素对钢性能的影响(碳硅锰磷硫氮)
柴哥  2017-01-11

钢中元素含量的控制,视钢的性能要求而定,不能简单定义为“有害”或是“无害”,而看是否根据需要控制在规定的范围内。

钢其实就是铁和其他元素的合金,我们参考了一些权威资料,尽量简单阐述一下钢中主要元素碳、硅、锰、磷、硫的影响。


钢中元素含量的控制,视钢的性能要求而定,不能简单定义为“有害”或是“无害”,而看是否根据需要控制在规定的范围内。


尽管现代炼钢技术发展至今已经达到很高水平,但在炼制过程中仍会残余一些固态和气态元素(如硫、磷、氧、氮和氢等),它们会对钢的质量和性能产生明显影响。


除了一些特殊牌号的钢(如含磷高强钢),炼制过程中的残余元素含量总是希望越低越好。


另外有些元素(如碳、硅和锰)是常用合金元素,炼钢过程中可调整控制在需要的范围内,以得到所需的性能。


还有一些合金元素(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。


碳是最为经济的强化元素(间隙式溶解或碳化物析出等),它能够提高硬度却不会因此增加多少脆性。


但碳含量过高会使钢的耐冲击性下降,也会在焊接(如电弧焊)热影响区产生脆性。


硅有助于提高钢在大气中的耐腐蚀性,尤其是酸性腐蚀环境。


一般来说,随着硅含量的增加,会降低塑性,而硬度、屈服点和抗拉强度得到提高。


此外,硅能阻止炼钢过程中气泡和气孔的形成,故能提高钢锭和其他一些铸件的致密性。高含硅量可提高钢的磁导率和增加其电阻(硅钢的由来)。


钢的重要强化元素之一,常代替碳用于提高钢的焊接性。同时锰对硫有制约能力,因此它不但能提高钢的强度,还能改善缺口韧性和热加工中的热脆性。


较高的含锰量可能会增加出现淬火裂纹的几率。


与铜配合使用,磷可改善钢在空气中的耐腐蚀性,也有助于提高钢的易切削性。


高含磷量通常易引发“冷脆性”或冷态条件下的脆性断裂,在高碳钢铸造时易增加初始偏析的概率。


因此,虽然磷在一定程度上能够提高钢的强度,但鉴于其他方面的负面影响通常不这么应用。


硫和磷一样,对钢的切削性是有益的。


但硫有“热脆性”,还会降低焊接性能。(这种影响会随着含锰量的增加而减小。)

硫在钢中大多作为长条形硫化物的夹杂物而存在,因此也会降低钢的各向同性。


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,氮气还是一种晶粒细化剂。


氮会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。


注:

其他一些元素,诸如镍、铜、钼、铬和锡等可能会随废料加入,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。