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常見元素對金屬材料性能影響的匯總

2017-02-13 18:39:52 深圳市奧美特納米科技有限公司 閱讀

1. 碳

(1)含碳量的增加,使得碳素鋼的強度和硬度增加,而塑性、韌性和焊接性能下降。

 

(2)一般情況下,當含碳量大于0.25%時,碳鋼可焊性開始變差,故壓力管道中一般采用含碳量小于0.25%的碳鋼。含碳量的增加,其球化和石墨化的傾向增加。

 

(3)作為高溫下耐熱用的高合金鋼,含碳量應大于或等于0.04%,但此時奧氏體不銹鋼的抗晶間腐蝕性能下降。

 

2.硅

(1)硅固溶于鐵素體和奧氏體中可起到提高它們的硬度和強度的作用。

 

(2)含硅量若超過3%時,將顯著地降低鋼的塑性、韌性、延展性和可焊性,并易導致冷脆,中、高碳鋼回火時易產生石墨化。

 

(3)各種奧氏體不銹鋼中加入約2%的硅,可以增強它們的高溫不起皮性。在鉻、鉻鋁、鉻鎳、鉻鎢等鋼中加入硅,都將提高它們的高溫杭氧化性能。但含硅量太高時,材料的表面脫碳傾向增加。

 

(4)低含硅量對鋼的耐腐蝕性能影響小大,只有當含硅量達到一定值時,它對鋼的耐腐性能才有顯著的增強作用。含硅量為l5%~20%的的硅鑄鐵是很好的耐酸材料,對不同溫度和濃度的硫酸、硝酸都很穩定,但在鹽酸和王水的作用下穩定性很小,在氫氟酸中則不穩定。高硅鑄鐵之所以耐腐蝕,是由于當開始腐蝕時,在其表面形成致密的SiO2薄層,阻礙了酸的進一步向內侵蝕。

 

3.硫、氧在碳素鋼中的作用

硫和氧作為雜質元素常以非金屬化合物(如FeS、FeO)形式存在于碳素鋼中,形成非金屬雜質,從而導致材料性能劣化,尤其是硫的存在引起材料的熱脆。六和磷是鋼中要控制的元素,并以其含量的多少來評定碳素鋼的優劣。

 

(由于FeS可與鐵形成共晶,并沿晶界分布),Fe-FeS共晶物的熔點為985℃,當在1000~1200℃溫度下,對材料進行壓力加工時,由于它已經熔化而導致晶粒開裂,使材料呈現脆性。這種現象稱為熱脆。)

 

4.磷、砷、銻在碳素鋼中的作用

(1)磷、砷、銻作為雜質元素,它們對提高碳素鋼的抗拉強度有一定的作用,但同時又都增加鋼的脆性,尤其是低溫脆性。(由于磷以固溶形式存在于鐵素體中,影響鐵素體的晶格變形,使碳素鋼在常溫下呈現脆性。這種現象稱為冷脆)。磷和砷有都是造成碳素鋼嚴重偏析的有害元素。磷對鋼的焊接性不利,它能增加焊裂的敏感性。

 

(2)由于低合金鋼熔點較高,磷、砷、銻等雜質元素容易在高溫下遷移聚集,從而導致低合金鋼的高溫回火脆性。(合金鋼在進行高溫回火熱處理或長期在高溫下工作時,其中的雜質元素磷、砷、銻等容易在高溫下遷移聚集。

 

由于這些元素的熔點一般比合金元素低,它將“割裂”材料基體而導致合金鋼在高溫下呈現脆性。因為合金鋼的這種脆性發生在紅熱的溫度下,故稱為紅脆。)一般情況下,低合金鋼均采用較高級的冶煉方法(如電爐冶煉),故其硫、磷元素含量較低。

 

5.鎢在碳素鋼中的作用

(1)鋼中含鎢量高時有二次硬化作用,有紅硬性,以及增加耐磨性。鎢對鋼的淬透性、回火穩定性、力學性能的影響均與鉬相似,但以質量計,其作用效果不如鉬顯著。鎢提高鋼在高溫下的蠕變抗力與熱強性,當與鉬復合使用時。效果更佳。

 

(2)鎢能提高鋼的抗氫作用的穩定性。鎢通常加入低碳和中碳高級優質合金結構鋼中,鎢能阻止熱處理時晶粒的長大和粗化,降低具回火脆化傾向,并顯著提高鋼的強度和韌性。

 

6. 錳在低合金鋼中的作用

(1)錳與鐵形成固溶體。可提高鋼中鐵素體和奧氏體的硬度和強度。在碳錳鋼中常利用錳來提高鋼的強度,但它是材料的延展性有所降低,而且增加了應力腐蝕開裂的敏感性。在一般碳錳鋼和低合金鋼中,其含量在1%~2%。

 

(2)錳是良好的脫敏劑和脫硫劑。錳與硫形成MnS,可防止因硫而導致的熱脆現象,從而改善鋼的熱加工性能。因此,在工業用鋼中一般都含有一定數最的錳。

 

(3)錳在鋼中由于能降低臨界轉變溫度。故碳錳鋼的低溫沖擊韌性比碳素鋼好。

 

(4)錳能強烈增加碳錳鋼的淬透性。含錳量較高時,有使鋼晶粒粗化并增加鋼的回火脆性的不利傾向。

 

(5)錳對鋼的焊接性有著不利的影響響。為改善鋼的焊接性,應在許可的范圍內,適當降低鋼的含碳量。焊接時也需采用優質低氫焊條和相應的焊接工藝。

 

7.鉻在低合金鋼中的作用

(1)隨含鉻量的增加。使鉻鉬鋼和鉻鉬釩鋼有良好的的抗高溫性和耐氧化介質腐蝕作用,并增加鋼的熱強性。但含鉻量太高時或者處理不當。易發生δ相和475℃回火脆化。

 

(2)鉻增加鋼的淬透性并有二次硬化作用。

 

(3)鉻是顯著提高鋼的脆性轉變溫度的元素,隨著含鉻量的增加,鋼的脆性轉變溫度也逐步提高,沖擊值隨含鉻量增加而下降。

 

(4)在含鉬的鍋爐鋼中,加入少量的鉻,能肪止鋼在長期使用過程中的石墨化。

 

(5)在單一的鉻鋼中,材料的焊接性能隨含鉻量的增加而惡化。

 

8.鋁在低合金鋼中的作用

(1)鋁與氮及氧的親和力很強,因此它也作為煉鋼時的脫氧定氮劑,井起到細化晶粒、阻抑碳鋼的時效、提高鋼在低溫下韌性的作用。

 

(2)鋁作為合金元素加入鋼中時能提高鋼的抗氧化性,改善鋼的電磁性能。提高滲氮鋼的耐磨性和疲勞強廢等。因此,鋁在不起皮鋼、電熱合金、磁鋼和滲氮鋼中,得到了廣泛的應用。

 

(3)鋁在鐵索體及珠光體鋼中,當其含量較高時,材料的高溫強度和韌性較低。

 

(4)當含鋁量達到一定量時,可使鋼產生鈍化現象,使鋼在氧化性酸中具有耐蝕性,但使鋼的焊接性變壞。

 

(5)鋁還能提高鋼對硫化氫的耐蝕作用。含鋁量在4%左右的鋼,在溫度不超過600℃時有較好的抗硫化氫腐蝕作用。

 

(6)在鋼鐵材料表面鍍鋁和滲鋁,可以提高其抗氧化性和在工業和海洋性氣氛中的耐蝕性。

 

(7)含鋁的鋼滲氮后,在鋼的表面形成一層牢固的薄而硬的彌散分布的氮化鋁層,從而提高其硬度和疲勞強度,并改善其耐磨性。

 

(8)鋁是高錳低溫鋼的主要合金元素。一定量的鋁,有提高鐵錳奧氏體的穩定度、抑制β-Mn相變的作用,從而使鋁在低慍鋼中得到了應用。

 

9.鉬在低合金鋼的作用

(1)鉬屬于強碳化物形成元素,當其含量較低時,與鐵及碳形成復雜的滲碳體;當其含量較高時。則形成特殊碳化物。在較高回火溫度下,山于鉬的彌散分布,可使材料出現二次硬化。

 

(2)鉬對鐵紊體有固溶強化作用,同時也提高碳化物的穩定性,因此對鋼的強度產生有利用。鉬是提高鋼熱強性最有效的合金元紊。鉬同樣也能提高馬氏體鋼和奧氏體鋼的熱強性。

 

(3)鉬在鋼中,由于形成特殊碳化物,可以改善在高溫高壓下抗氫侵蝕的作用。

 

(4)鉬常與其它元素如錳、鉻配合使用,可顯著提高鋼的淬透性;含鉬量約0.5%時,能抑制或降低其他合金元紊導致的回火脆性。

 

(5)鉬在不銹耐熱鋼中,也能使鋼表面鈍化,但作用不如鉻顯著。鉬與鉻相反,它既能在還原性酸(HCl、H2SO4、H2SO3)中又能在強氧化性鹽溶液(特別是含有氯離子時)中使鋼材表面鈍化。因此,鉬可以普遍提高鋼的耐蝕性能。

 

(6)鉬加入奧氏體耐酸鋼中,能顯著地提高材料對醋酸、環烷酸的耐蝕性,在含有氯化物的溶液中,常會引起奧氏體耐酸鋼的點腐蝕和晶間間腐蝕。材料中加入鉬后,這種傾向在很大程度上會被減緩或抑制。

 

10.鎳在高合金鋼中的作用

(1)鎳是擴大γ相區,形成無限固溶體的元素,它是奧氏體不銹鋼中的主要元素。

 

(2)鎳能細化鐵素體晶粒,改善鋼的低溫性能。含鎳量超過一定值的碳鋼,其低溫脆化轉變溫度顯著降低,而低溫沖擊韌性顯著提高,因此鎳鋼常用于低溫材料。一般情況下,含鎳量達到3.5%的鎳鋼可以在-100℃低溫下使用,含鎳量達到9%的鎳鋼可在-196℃超低溫下使用。

 

(3)含鎳的低合金鋼還有較高的抗腐蝕疲勞的性能。鎳鋼不宜在含硫或一氧化碳的氣氛中加熱,因為鎳易與硫化合,在晶界上形成低熔點的NiS網狀組織而產牛熱脆。在高溫時鎳將與-氧化碳化合形成Ni(CO)4氣體而由合金中逸出,從而在材料中留下孔洞。

 

(4)在不銹耐熱鋼中,鎳與鉻、鉬等元紊適當配合使材料在常溫下為奧氏體組織,即得到奧氏體不銹鋼或耐熱鋼。然而,目前鎳在全世界范圍內都是一種比較稀缺的元素,故作為一種合金元素,應該只有在用其他素不能狀得所需要的性能時,才考慮使用它。

 

(5)由于鎳可降低臨界轉變濕度和降低鋼中各元素的擴散速度,因而它可以提高鋼的淬透性。

 

(6)鎳不增加鋼對蠕變的抗力,因此一般不作為熱強鋼中的強化元紊。在奧氏體熱強鋼中,鎳的作用只是使鋼奧氏體化,鋼的強度必須靠其他元素如鉬、鎢、釩、鈦、鋁來提高。

 

(7)鎳是有一定耐腐蝕能力的元素,對酸、堿、鹽以及大氣均具有一定的耐腐蝕能力。

 

11.鈦在高合金鋼中的作用

(1)鈦是最強的碳化物形成元素,與氮、氧的親和力也極強,是良好的脫氣劑和固定氮、碳的有效元素。正因為這樣。含鈦的高臺金鋼不宜用于鑄件。

 

(2)在奧氏體不銹鋼中,由于鈦能固定碳,有防止和減輕材料晶司腐蝕和應力腐蝕的作用。如果奧氏體不銹鋼中的鈦、碳含量之比超過4.5時,由于此時材料中的氧、氮和碳可以全部被固定住,故使得材料對晶間腐蝕、應力腐蝕和堿脆有很好的抗力。

 

(3)當鈦以碳化鈦微粒存在時,由于它能細化鋼的晶粒并成為奧氏體分解時的有效晶核,可使鋼的淬透性降低,但也使材料的高溫固溶強化效果降低。

 

(4)鈦能提高耐熱鋼的抗氧化性和熱強性。

 

(5)鈦作為強碳化物形成元素,可以提高鋼在高溫、高壓、氫氣中的穩定性。當鋼中的含鈦量達到含碳量的4倍時,可使鋼在高壓下對氫的穩定性幾乎高達600℃以上。

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