化学成分与材料性能之间的关系.docx

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1、化学成分与材料性能之间的关系1、生铁生铁中除铁外，还含有碳、硅、锰、磷、硫等元素。这些元素对生铁的性能均有肯定的影响。碳C：在生铁中以两种形态存在，一种是游离碳石墨，主要存在于铸造生铁中，另一种是化合碳碳化物，主要存在于炼钢生铁中，碳化物硬而脆， 塑性低，含量适当可提高生铁的强度和硬度，含量过多，则使生铁难于切削加工， 这就是炼钢生铁切削性能差的缘由。石墨很软，强度低，它的存在能增加生铁的铸造性能。硅Si：能促使生铁中所含的碳分别为石墨状，能去氧，汉能削减铸造的气眼， 能提高熔化生铁的流淌性，降低铸件的收缩量，但含硅过多，也会使生铁变硬变脆。锰Mn：能溶于铁素体和渗碳体。在高炉炼制生铁时，含锰

2、量适当，可提高生铁的铸造性能和切削性能，在高炉里锰还可以和有害杂质硫形成硫化锰，进入炉渣。磷P：属于有害元素，但磷可使铁水的流淌性增加，这是由于硫减低了生铁熔点，所以在有的制品内往往含磷量较高。然而磷的存在又使铁增加硬脆性，优良的生铁含磷量应少，有时为了要增加流淌性，含磷量可达 1.2%.硫S：在生铁中是有害元素，它促使铁与碳的结合，是铁硬脆，并与铁化合成低熔点的硫化铁，使生铁产生热脆性和减低铁液的流淌性，故含硫高的生铁不适于铸造细件。铸造生铁中硫的含量规定最多不超过 0.06%。2 钢2.1 元素在钢中的作用2.1.1 常存杂质元素对钢材性能的影响钢除含碳以外，还含有少量Mn、Si、S、P、

3、O、N、H 等元素。这些元素并非为改善钢材质量有意参加的，而是由矿石及冶炼过程中带入的，故称为杂质元素。这些杂质对钢材性能有肯定影响，为保证钢材质量，在国家标准中对各类钢的化学成分都做了严格的规定。1） 硫硫来源于炼钢的矿石与燃烧焦炭。它是钢中的一种有害元素。硫以硫化铁(FeS) 的形态存在于钢中，FeS 和 Fe 形成低熔点(985)化合物。而钢材料的热加工温度一般在 11501200以上，所以当钢材热加工时，由于 FeS 化合物的过早熔化而导致工件开裂，这种现象称为“热脆”。含硫量愈高，热脆现象愈严峻，故必需对钢中含硫量进展掌握。高级优质钢：S0.02%0.03；优质钢：S0.03% 0.

4、045；一般钢：S0.055%0.07以下。2） 磷磷是由矿石带入钢中的，一般说磷也是有害元素。磷虽能使钢材的强度、硬度增高，但引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时，它使钢材显著变脆，这种现象称“冷脆”。冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏，含磷愈高，冷脆性愈大， 故钢中对含磷量掌握较严。高级优质钢：P0.025%;优质钢：P0.04%;一般钢： P0.085。3） 锰锰是炼钢时做为脱氧剂参加钢中的。由于锰可以与硫形成高熔点(1600)的MnS，肯定程度上消退了硫的有害作用。锰具有很好的脱氧力量，能够与钢中的FeO 称为 MnO 进入炉渣，从而改善钢的品质，特别是降低钢的脆性，提高钢的强度和硬

5、度。因此，锰在钢中是一种有益元素。一般认为，钢中含锰量在0.5 0.8以下时，把锰看成是常存杂志。技术条件中规定，优质碳素构造钢中，正常含锰量是 0.50.8；而较高含锰量的构造钢中，其量可达 0.71.2。4硅硅也是炼钢时作为脱氧剂而参加钢中的元素。硅与钢水中的 FeO 能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去，因此硅是一种有益元素。硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。冷静钢中的含硅量通常在 0.10.37， 沸腾钢中含有 0.030.07。由于钢中硅含量一般不超过 0.5，对钢性能影响不大。5） 氧氧在钢中是有害元素。它是在炼钢过程中自然进入钢中的，尽管在炼钢末期要参加锰、

6、硅、铁和铝进展脱氧，但不行能除尽。氧在钢中以 FeO、MnO、SiO2、Al2O3 等杂质形式，使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲乏强度、冲击韧性等有严峻影响。6） 氮铁素体溶解氮的力量很低。当钢中溶有过饱和的氮，在放置较长一段时间后或随后在 200300加热就会发生氮以氮化物形式的析出，并使钢的强度、硬度提高，塑性下降，发生时效。钢液中参加 Al、Ti 或 V 进展固氮处理，使氮固定在AlN、TiN 或 VN 中，可消退时效倾向。7） 氢钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。白点常在轧制的厚板、大锻件中觉察， 在纵断面中可看到圆形或椭圆形的白色斑点；在横断面上则是瘦长的发丝状裂 纹。锻件中有了

7、白点，使用时发生突然断裂，造成不测事故。因此，化工容器用钢，不允许有白点存在。氢产生白点冷裂的主要缘由是由于高温奥氏体冷至较低温度时，氢在钢中的溶解度急剧降低。当冷却较快时，氢原子来不及集中到钢的外表而逸出，就在钢中的一些缺陷处由原子状态的氢变成分子状态的氢。氢分子在不能集中的条件下在局部地区产生很大压力，这压力超过了钢的强度极限而在该处形成裂纹，即白点。2.1.2 为了合金化而参加的合金元素，最常用的有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、硼、铝等，先分别说明他们在钢中的作用。1） 硅（1） 提高钢中固溶体的强度和冷加工硬度程度使钢的韧性和塑性降低；（2） 硅能显著提高钢的弹性极限、屈服极限和

8、屈强比；（3） 耐腐蚀性。硅的质量分数为 15-20的高硅铸铁，是很好的耐酸材料， 含有硅的钢在氧化气氛中加热时，外表也将形成一层 SiO2 薄膜，从而提高钢的高温时的抗氧化性。缺点：使钢的焊接性能恶化。2） 锰（1） 锰能提高钢的淬透性。（2） 锰对提凹凸碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。（3） 锰对钢的高温瞬时强度有所提高。缺点：1含锰较高时，有较明显的回火脆性现象；2锰有促进晶粒长大的作用， 因此锰钢对过热较敏感，在热处理工艺上必需留意。这种缺点可用参加细化晶粒元素如钼、钒、钛等来抑制；3当锰的质量分数超过 1时，会使钢的焊接性能变坏；4锰会使钢的耐锈蚀性能降低。3） 铬在钢中的作用1

9、铬可提高钢的强度和硬度；2铬可提高钢的高温机械性能；3使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性；4阻挡石墨化；5提高淬透性。缺点：1铬是显著提高钢的脆性转变温度；2铬能促进钢的回火脆性。4） 镍在钢中的作用1可提高钢的强度而不显著降低其韧性；2镍可降低钢的脆性转变温度， 即可提高钢的低温韧性；3改善钢的加工性和可焊性；4镍可以提高钢的抗腐蚀力量，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。5） 钼在钢中的作用1钼对铁素体有固溶强化作用；2提高钢的热强性；3抗氢侵蚀的作用；4提高钢的淬透性。缺点：钼的主要不良作用是它能使低合金钼钢发生石墨化的倾向。6） 钨在钢中的作用1提高强度；2提高钢的高温强度；3提高钢的抗

10、氢性能；4能使钢具有热硬性，因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。7） 钒在钢中的作用1热强性；2钒能显著地改善一般低合金钢的焊接性能。8） 钛在钢中的作用1能改善钢的热强性，提高钢的抗蠕变性能及高温长久强度；2能提高钢在高温高压氢气中的稳定性，使钢在高压下对氢的稳定性高达 600以上，在珠光体低合金钢中，钛可阻挡钼钢在高温下的石墨化现象。因此，钛是锅炉高温元件所用的热强钢中的重要合金元素之一。9） 铌在钢中的作用1铌和碳、氮、氧都有极强的结合力，并与之形成相应的极为稳定的化合物， 因而能细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性;(2)有极好的抗氢性能；3 铌能提高钢的热强性。10） 硼在钢中的作

11、用1提高钢的淬透性；2提高钢的高温强度，强化晶界的作用。11） 铝在钢中的作用1用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，抑制低碳钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别是降低了钢的脆性转变温度；2提高钢的抗氧化性能。曾对铁铝合金的抗氧化性进展了较多的争论：4Al 即可转变氧化皮的构造，参加 6 Al 可使钢在 980以下具有抗氧化性。当铝和铬协作并用时，其抗氧化性能有更大的提高，如含铁 50-55、铬 30-35、铝 10-15的合金，在 1400 高温时，仍具有相当好的抗氧化性。由于铝的这一作用，近年来常作为合金元素参加到耐热钢中；3此外，铝还能提高硫化氢和 V2O5 的抗腐蚀性。缺点：1脱氧时如用铝

12、量过多，将促进钢的石墨化倾向；2当含铝较高时， 其高温强度和韧性较低。2.2 合金元素对钢的主要工艺性能的影响钢的主要工艺性能有：冷态成型性、切削性、焊接性能、热处理工艺性能、铸造性能等。2.2.1 合金元素对钢的冷态成型性的影响冷态成型性：冷态成型包括很多不同的冷成型工艺，如深冲、拉延成型和弯曲等， 其冷态成型工艺性能优劣涉及被变形材料的成分、组织和冷变形工艺参数模具外形、变形量、变形速度、润滑条件等。与冷态成型性有关的材料性能参量有：(1)低的屈服强度；2高的延长率；3高的均匀伸长率；4高的加工硬化率n 值；5高的深冲性参量r 值；6适当而均匀的晶粒度；7 掌握夹杂物的形态和分布；8游离渗

13、碳体的数量和分布。1冷轧薄钢板碳：碳含量增加会使拉延力量变坏，因此绝大局部钢板都承受低碳钢。锰：锰的影响与碳相像，但适当的含量可以减轻硫的不良作用；磷、硅：磷和硅溶于铁素体引起强化并略影响塑性，降低拉延性能。2热轧钢板选用冲压用热轧钢板时，既要考虑强度要求，也要考虑冲压性能。碳：碳是对热轧钢板冲压性能影响最大的元素。对于冲压用的热轧钢板，一般不宜以增加碳的方法来提高强度，应承受添加合金元素来提高钢的强度；硫：硫在钢中形成硫化物夹杂，在轧制中拉长，分割金属基体降低塑性，影响冲压性能。2.2.2 合金元素对钢的切削加工性的影响非金属夹杂物是打算钢的切削性的主要因素。非金属夹杂物的类型、大小、外形、

14、分布和体积百分数不同，对切削性的影响也不同。为了到达改善钢的切削性的目的，这些非金属夹杂物必需满足以下四个条件：（1） 在切削运动平面上，夹杂物必需作为应力集中源，从而引起裂纹和脆化切屑的作用；（2） 夹杂物必需具有肯定的塑性，而不致切断金属的塑性流变，从而损害刃具的外表；（3） 夹杂物必需在刃具的前面与切屑之间形成热量传播的障碍；（4） 夹杂物必需具有光滑的外表，而不能在刃具的侧面作为磨料。钢的切屑性的提高主要还是通过参加易削添加剂，例如 S、P、Bi、Ca、Se、Te 等。硫是了解最清楚和广泛应用的易削添加剂：当钢中含足够量的 Mn 时，S 的参加将形成 MnS 夹杂物。加S 的碳钢可以提

15、高切屑速度 25或更高，它取决于钢的成分和 S 的参加量。约 1体积份额的 MnS， 可以使高速钢刃具的磨损速率快速下降。MnS 夹杂物在切屑剪切区作为应力集中源，可以起裂纹源的作用，并随后引起切屑断裂。因此，随着MnS 体积份额的增加，切屑破断力量得到改善。MnS 夹杂物还可能在切削刃具外表沉积为 MnS 薄层， 这种薄层可以激扬地刃具与切屑的摩擦，导致切削温度和切屑力的降低，并削减刃具的磨损或称为热量传播的障碍，从而延长刃具的使用寿命。Pb 是仅次于 S 的常用易削添加剂Pb 对切削加工性的有益效应，不取决于 MnS 的存在，因而可以加到低 S 钢好加 S 钢中。在不添加 S 的钢中，Pb

16、 以分散的质点形式分布于钢中。在加 S 钢中，Pb 首先与 MnS 结合，与 S 相像，Pb 可以作为内部润滑剂降低摩擦力，并转过来降低剪切抗力，并减小切屑与刃具的接触面积，从而降低刃具的磨损。近年来很多留意力已经转到通过 Ca 脱氧生产易削构造钢上。通过用 Ca-Si 和 Si-Fe 合金掌握脱氧，可以形成特定的 CaO-MnO-SiO2-Al3O4 四元非金属夹杂物，它在机加工时，将在刃具磨损外表沉积为一个薄层约 20um。这种薄层是磨损的障碍，因而可延长碳化物刃具的使用寿命。2.2.3 合金元素对钢的焊接性的影响钢的焊接性是一个很简单的工艺性能，因我它既与焊接裂纹的敏感性有关，又与服役条

17、件和试验温度下所要求的韧性有亲热联系。一般认为，高强度低合金的焊接性是良好的，并且随含碳量的降低，焊接性得到改善。为此，国际焊接协会依据统计数据，承受碳当量为比较的根底，由参加的各元素计算和评定钢材的焊接性能。其近似公式如下:碳当量=C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)5式中，元素符号代表该素重量百分比。碳当量越低，焊接性能越好，碳当量0.35% 时，焊接性能良好，碳当量0.4-0.5%时，焊接性能较差。Q345、Q390 综合力学性能好，焊接性能、冷热加工性能好耐蚀性能均好，C、D、E 级钢具有良好的低温韧性。主要用于船舶，锅炉，压力容器，石油储罐，桥梁， 电站设备，起重运

18、输机械及其他较高载荷的焊接构件。Q420 强度高，特别是在正火或正火加回火状态有较高的综合力学性能。主要用于大型船舶，桥梁，电站设备，中、高压锅炉，高压容器，机车车辆，起重机械， 矿山机械及其他大型焊接构造件。Q460 强度高，在正火，正火加回火或淬火加回火状态有很高的综合力学性能， 全部用铝补充脱氧，质量等级为 C、D、E 级，可保证钢的良好韧性的备用钢种。用于各种大型工程机械及要求强度高，载荷大的轻型构造。 孤风2.3 优质碳素构造钢一般含锰钢 08 钢用于轧制薄板，深冲制品、油桶、高级搪瓷制品，也可用于制作管子，垫片及心部强度要求不高的渗碳和氰化零件，电焊条等。08F 冷塑性好，易成形，

19、焊接性能优良，时效敏感，切削性良好，冷拉正火较退火态良好。主要用于轧制薄板，深冲制品、油桶、高级搪瓷制品，也可用于制作管子，垫片及心部要求不高的渗碳和氰化零件，电焊条等。10#钢 用于拉杆、夹头、钢管、垫片、垫圈、机床上的外表硬化零件、焊接零件等。10F 具有冷塑性好，板材正火或高温回火后性能极佳，切削性好，冷拉正火较退货态好，易焊接。 用于 4mm 以下冷压深冲制品，如深冲器皿、炮弹弹体，也可制造锅炉管、油桶顶盖及钢带、钢丝、焊接件、机械零件。1515F 用于紧固件、冲模锻件、冷拉制品以及螺钉、螺栓、法兰盘等低负荷零件。20# 用于不常常受很大应力而要求很大韧性的各种零件，如杠杆、轴套、螺钉

20、、拉杆、起重钩等。25#用于热锻和热冲压的连续零件，金属切削机床上氰化零件，以及重型和中型机械制造中负荷不大的轴、辊子、螺栓、螺帽等，还可用作铸钢件。30# 用于重型和一般机械中的轴、拉杆、套环、套筒轴、丝杆、螺钉以及汽缸、机架等。35# 冷塑性较好，各种焊接性能良好，切削性好，用于制作受力不大的机械零件及中小尺寸锻件。主要用于转轴、曲轴、轴销、连杆、横梁、汽缸、套筒、螺母、垫圈等。40# 用于金属切削机床的零件，重型和中型机械中的曲轴、齿轮、轴、连接杆等。45# 中碳优质高强度钢，淬透性低，一般正火态使用；只有要求高的零件才进展调质处理，冷塑性一般；退火，正火的比调质的切削性好，适于氢焊和氩

21、弧焊， 不适于气焊。 该材料主要用于制造蒸汽透平机、压缩机、泵的运动零件；还可代替渗碳钢制齿轮、轴、活塞销等零件；并可用作铸件。50# 用于制作耐磨性要求高、动载荷及冲击作用不大的零件，如铸造齿轮、拉杆、轧辊等；制造比较次要的弹簧、农机上的掘土犁铧、重负荷的心轴与轴等，并可制造铸件。60-65# 用于制造弹簧、弹簧圈、各种垫片、离合器以及制造一般机械中的轴、轧辊、偏心轴等。70-85# 用于制造弹簧盒发条、制造钢丝绳用的钢丝及高硬度的机件，如犁、铧、电车车轮等。较高含锰量：15Mn 用于中心局部机械性能要求较高的渗碳零件和焊接零件，如齿轮、凸轮轴、活塞销、联轴器、托杆等，不渗碳则用于受力不大而

22、要求韧性较好的零件，如支架、铰链、螺钉、螺母和铆焊构造件等。20Mn、25Mn、30Mn 主要用来制造螺栓、螺帽、螺钉杠杆、制动踏板等，并可用冷拉制造在高应力下工作的细小零件，如农机上的钩、环、链等。35Mn、40Mn 用于制造承受疲乏负荷下的零件，如曲轴、连杆等，也可用作高应力下工作的螺钉、螺帽等。45Mn、50Mn 用于制造耐磨性要求高、在高负荷下热处理的零件，如齿轮、齿轮轴、摩擦盘、滚子及弹簧。4、合金构造钢是在优质碳素构造钢的根底上，适当参加一种或数种合金元素5%而制成的钢种。5、易切削构造钢用途易切削构造钢是含有少量易削元素，具有良好的被切削加工性能的钢种。Y12 硫磷复合低碳易切削

23、钢 是目前已切削钢中磷含量最多的一个钢种。常用于制造对力学性能要求不高的各种机器和仪器仪表零件，如螺栓、螺母、销钉、轴、管接头等。Y12Pb 含铅已切削钢 被切削加工性好，不存在性能上的方向性，并有较高的力学性能，常用于制造较重要的机械零件，周密仪表零件等。Y15 复合高硫低硅易切削钢 是我国自行研制成功的钢种，被切削性高于 Y12，常用于制造不重要的标准件，如螺栓、螺母、管接头、弹簧座等。Y15Pb 同 Y12Pb 一样，被切削加工性好。Y20 低硫磷复合易切削钢 被切削加工性优于 20 钢而低于 12 钢，可进展渗碳处理，常用于制造要求外表硬度、心部韧性高的仪器、仪表、轴类耐磨零件。 Y3

24、0 低硫磷复合易切削钢 力学性能较高，被切削加工性也有适当改善，可制造强度要求较高的标准件。Y35 用 Y30 一样，可进展调质处理。Y40Mn 高硫中碳易切削钢 有较高的强度、硬度和良好的被切削加工性，适于加工要求刚性高的机床零部件，如机床丝杆、光杠、花键轴、齿条等。Y45Ca 钙硫复合易切削钢 不仅被切削性好，而且热处理后具有良好的力学性能， 适于制造较重要的机器构造件，如机床齿轮轴、花键轴、拖拉机传动轴等。6、常用弹簧钢特性及用途弹簧钢是用于制造弹簧或其他弹性元件的钢种，按成分分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢。65Mn 碳素构造钢，最终热处理为淬火+回火，其强度较高，淬透性较大，脱碳倾向小，但

25、有过热敏感性，易消灭淬火裂纹，并有回火脆性。在退火状态下切削加工性尚好，焊接性好，冷变形塑性地，带材可供一般弯曲。主要用于制造弹簧机犁铧等。50CrVA 合金弹簧钢，钢的最炽热处理为淬火+回火，热河粗粒后具有较好的任性，高的比例极限和强度极限，具有高的疲乏强度，并有高的淬透性与较低的过热敏感性，零件使用温度达 300时，其弹性仍可保持。钢的切削加工尚好，冷变形时塑性低，焊机性差。主要用于制造弹簧。7、滚动轴承钢特性和用途主要是用于制造各种滚动轴承的套圈和滚动体的钢种。8、碳素工具钢特性和用途其冷、热加工性能，耐磨性能好，价格低廉，在工具钢中是被广泛承受的钢种。T7 亚共析钢，淬火回火后具有较高

26、的强度和韧性，具有肯定的硬度，但热硬性低，淬透性差，淬火变形达。常用于制造能承受振动和撞击，要求较高韧性，但切削性能要求不太高的工具，如凿子，冲头等小尺寸风开工具，木工用锯和凿， 简洁胶水模、锻模、剪刀、手锤、镰刀等。T8 共析钢，淬火回火后具有较高的硬度和耐磨性，但热硬性低，淬透性差，加热时简洁过热，变形也大，塑性强度也较低。常用于不受大冲击，需要较高硬度和耐磨性的工具，如简洁的模子和冲头，切削软金属的刀具，木工用的铣刀和斧、凿、圆锯片以及钳工装配工具、虎口钳等。T8Mn 性能同 T8，但因参加锰，淬透性较好，淬硬性较深，可制造断面较大的工具。T9 性能同 T8，但因碳含量较高一些，故硬度和

27、耐磨性较高，韧性较差一些。常用作硬度较高，有肯定韧性，但不受猛烈振动冲击的工具，如中心铣、冲模、冲头、木工切削工具及凿岩石的凿子等。T10 过共析钢，在淬火加热时不易过热，仍保持细晶粒。韧性尚可，强度计耐磨性均较 T7-T9 高些，但热硬性低，淬透性仍旧不高，淬火变形大，该钢适于制造切削条件较差、耐磨性要求较高且不受突然和猛烈冲击振动而需要肯定的韧性及具有锐利刃口的各种工具，如车刀，刨刀，钻头，丝锥，扩孔刀具，螺丝板牙， 铣刀手锯锯条，小尺寸冷切边模及冲孔模，低精度而外形简洁的量具，也可用作不受较大冲击的耐磨零件。T11 过共析钢，具有较好的综合力学性能。T12 含碳高，耐磨性好，但脆性较大，用作不受冲击的各种工具盒耐磨零件， 如车刀、铣刀、丝锥、板牙、锉刀、刮刀、以及小的冷切边模、冲孔模等。 T13 是碳工具中含量最高的钢种，耐磨性最高，也最脆。9、合金工具钢用途是在碳工具的根底上参加合金元素而形成的钢种。10、高速工具钢主要用途俗称“锋钢”，是一种适用于高速切削的高碳高合金工具钢，其突出特点是具有很高的热脆性。