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鋼中雜質(zhì)元素對(duì)材料性能的影響
2019-12-17
來源：安維士作者：吳佳 高級(jí)工程師
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我們常把WC＜2.11%的鐵碳合金稱為鋼，在討論鋼的組織和性能時(shí)也只考慮了碳的影響，但在煉鋼過程中，不可能除盡所有雜質(zhì)，所以實(shí)
我們常把WC＜2.11%的鐵碳合金稱為鋼，在討論鋼的組織和性能時(shí)也只考慮了碳的影響，但在煉鋼過程中，不可能除盡所有雜質(zhì)，所以實(shí)際使用的碳鋼中，除碳以外，還有少量的硅（Si）、錳（Mn）、硫（S）、磷（P）、氫（H）、氮（N）、氧（O）等元素，它們的存在也會(huì)對(duì)鋼的性能產(chǎn)生影響。
Si、Mn的影響
Si和Mn是煉鋼過程中隨脫氧劑進(jìn)入鋼中的元素，少量Si和Mn可以固溶于鐵素體中，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，使鐵素體強(qiáng)度和硬度增加，對(duì)鋼的性能有利。但Si與O的親和力很強(qiáng)，可形成SiO2，Mn與鋼中雜質(zhì)S形成MnS，兩者都是鋼中的夾雜物，對(duì)鋼的性能不利。一般規(guī)定，WSi＜0.5%，WMn＜0.8%，使大部分Si、Mn溶于鐵素體中，起有利作用。
S、P的影響
S、P是生鐵中帶來而在煉鋼時(shí)未能除盡的有害元素。S不溶于Fe，而與Fe形成熔點(diǎn)為1190℃的FeS，F(xiàn)eS與γ-Fe形成低熔點(diǎn)（980℃）的共晶體，分布在奧氏體晶界上，當(dāng)鋼材在1000~1200℃鍛造或軋制時(shí)，共晶體會(huì)熔化，使鋼材變脆，沿奧氏體晶界開裂，這種現(xiàn)象也叫熱脆。適當(dāng)增加Mn的含量，可與S優(yōu)先形成高熔點(diǎn)的MnS（1620℃），避免熱脆。但MnS是鋼中的夾雜物，在鍛造或軋制時(shí)變形成條狀，沿受力方向分布形成流線，使鋼材橫向塑性、韌性顯著低于縱向。P在鋼中全部溶于鐵素體中，雖然有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，但它會(huì)劇烈降低鋼的塑性和韌性，特別是低溫韌性，使鋼在低溫下變脆，這種現(xiàn)象稱為冷脆。P還使鋼產(chǎn)生偏析，此外，S、P均降低鋼的焊接性能。因S、P為有害元素，通常會(huì)嚴(yán)格控制其含量，普通鋼要求WS≤0.035%~0.050%、WP≤0.030%~0.035%，優(yōu)質(zhì)鋼要求WS≤0.020%、WP≤0.030%。風(fēng)電零件原材料要求更高，一般要求WS≤0.015%、WP≤0.020%，此外，P還增強(qiáng)鋼在大氣中的抗腐蝕性，若在煉鋼時(shí)加入少量稀土、鈦等元素，可以抑制P的冷脆作用。
氣體的影響
鋼中氣體對(duì)鋼材性能的影響往往被忽略，隨著質(zhì)量事故的發(fā)生，人們也越來越重視鋼材中H、N、O等氣體元素的影響，某些行業(yè)在采購(gòu)原材料時(shí)也對(duì)氣體元素含量做了限定。H在鋼中含量甚微，但對(duì)鋼的危害極大，鋼中微量的H（0.5~3mL/100g）可以引起“氫脆”，甚至在鋼材中產(chǎn)生大量裂紋，使鋼的塑性、韌性顯著下降，導(dǎo)致零件在使用中突然斷裂，國(guó)內(nèi)外均發(fā)生過因“氫脆”導(dǎo)致的極其嚴(yán)重的質(zhì)量事故。此外，H對(duì)鋼材的焊接性能不利，在焊縫處易產(chǎn)生裂紋。N固溶于鐵素體中產(chǎn)生“應(yīng)變時(shí)效”。所謂應(yīng)變時(shí)效是指冷變形低碳鋼在室溫放置或加熱一定時(shí)間后強(qiáng)度增加，塑性、韌性降低的現(xiàn)象。“應(yīng)變時(shí)效”對(duì)鍋爐、化工容器等不利，會(huì)增加零件脆性，影響安全可靠性。因此從應(yīng)變時(shí)效考慮，N是有害元素。但是N可與鋼中的Al、V、Ti、Nb等元素形成細(xì)小彌散的氮化物，細(xì)化晶粒，提高鋼的強(qiáng)度并降低N的應(yīng)變時(shí)效作用，此時(shí)，N是有益元素。O是鋼中的有害元素，盡管煉鋼過程中會(huì)加入脫氧劑進(jìn)行脫氧，但無法除盡。鋼水凝固時(shí)，O與C反應(yīng)生成CO，造成氣泡。此外，O在鋼中主要以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等雜質(zhì)形式存在，使鋼的強(qiáng)度、塑性降低，尤其對(duì)鋼的疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性等有嚴(yán)重影響。為了提高鋼的性能，在煉鋼時(shí)，除了保證鋼中C及合金元素在規(guī)定范圍內(nèi)，還必須控制雜質(zhì)元素的含量。但是煉出了一爐合格的鋼液并不等于得到合格的鋼錠和鋼材，鋼材中大部分冶金缺陷都是在澆注成鋼錠的過程中形成的。因此，鋼錠的組織和質(zhì)量是影響鋼材質(zhì)量的重要環(huán)節(jié)。
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