常见元素对金属材料性能的影晌.doc

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1、1.4常见元素对金属材料性能的影晌应该说，在影响材料性能的诸多因素中，化学成分是起主要作用的。不同的元素以及它在材料中的含量、和哪些元素配合等都决定了材料的最基本性能。因此，了解元素在钢中起的作用，可以帮助材料工程师了解材料的性质。工程上黑色金属材料应用的最多，故在此仅介绍黑色金属材料。由于黑色金属材料的基本元素是铁(Fe)，所以对材料性能的影响主要是指铁以外的其它元素。1.4.1常用碳素钢中各元素对其性能的影响压力管道中除螺栓材料外，常用的碳素钢为含碳量小于0.25%的亚共析钢，而螺栓材料则常用含碳量为0.25～0.4

2、5%的亚共析钢。碳素钢中，其主要影响元素是碳(C)。除此之外，尚有硅(Si)、硫(S)、氧(0)、磷(P)、砷(b)、锑(Sb)等杂质元素a.碳(C)在碳素钢中的作用1)碳素钢随含碳量的增加，其强度和硬度增加，而塑性、韧性和焊接性能下降。2)当含碳量大于0.25%时，碳钢的可焊性开始变差，故压力管道中一般采用含碳量小于0.25%的碳钢。3)含碳量的增加，其球化和石墨化的倾向增加。b.硅(S)在碳素钢中的作用判断其脱氧程度。为了保正碳素钢的质量，除沸腾钢和半镇静钢外，硅在钢中的含量应≮0.1%。1)硅是碳素钢中的常见元素之

3、一，但它一般不是主加元素，而是用于炼钢时的脱氧。硅和氧的亲合力仅次于铝和钒，而强于Mn、Cr、V，所以在炼钢过程为常用的还原剂和脱氧剂。2)起到提高硬度和强度的作用。硅含量超过3％时，将显著地降低钢塑性、韧性和可焊性。c.硫（S）、氧(0)在碳素钢中的作用：硫和氧作为杂质元素常以非金属化合物(如FeS、FeO)型式存在于碳素钢中，形成非金属夹杂，从而导致材料性能的劣化，尤其是S的存在常引起材料的热脆。硫和磷常是钢中要控制的元素，并以其含量的多少来评定碳素钢的优劣。d.磷(P)、砷(As)、锑(Sb)在碳素钢中的作用：磷、

4、砷、锑在钢中有一些类似的作用。作为杂质元素，它们对提高碳素钢的抗拉强度有一定的作用，但同时又都增加钢的脆性。1.4.2．常用低合金钢中各元素对其性能的影响管道中除螺栓材料外，常用的低合金钢为含碳量小于0.20％的碳锰钢、硅钢、铬钼钢、铬钼钒钢和铬钼钒铝钢，而螺栓材料则常用含碳量为0.25％～0.45％的铬钢和铬钼钢。主要影响元素：碳(C)、锰(Mn)、铬(Cr)、Mo、V、Si、Al杂质元素：S、O、P、As、Sb、a.碳(C)在低合金钢中的作用同碳素钢部分。b.锰(Mn)在低合金钢中的作用:1)锰与铁形成固溶体，可提高

5、钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度。它使材料的延展性有所降低;2)增加了应力腐蚀开裂的敏感性。在一般碳锰钢和低合金钢中，其含量应在1％～2%；3）锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。锰与硫形成MnS，可防止因硫导致的热脆现象，从而改善钢的热加工性能。因此，在工业用钢中一般都含有一定数量的锰；4）锰在钢中由于能降低临界转变温度，故碳锰钢的低温冲击韧性比碳素钢好；5）锰对钢的焊接性有不利的影响；c.铬(Cr)在低合金钢中的作用铬在α-Fe中无限固溶，在γ-Fe中的最大溶解度为12.5％。铬钼钢和铬钼钒钢有良好的抗高温氧化性和耐氧化介质腐蚀

6、作用，并增加钢的热强性。1)显著提高钢的脆性转变温度，随着铬含量的增加，钢的脆性转变温度也逐步提高，冲击值随铬含量增加下降。2)在含铬的锅炉钢中，加入少量的铬，能防止钢在长期使用过程中的石墨化。d.钼(Mo)在低合金钢中的作用钼属于强碳化物形成元素，当其含量较低时，与铁及碳形成复杂的渗碳体;当含量较高时，则形成特殊碳化物。1)钼对铁素体有固溶强化作用，同时也提高碳化物的稳定性，因此对钢的强度产生有利作用。2)钼是提高钢热强性最有效的合金元素，主要在于它能强烈提高钢中铁素体对蠕变的抗力。3)钼还可有效地抑制渗碳体在450℃

7、~650℃工作温度下的聚集，促进弥散的特殊碳化物的析出，从而进一步起到了强化作用。4)钼在钢中，由于形成特殊碳化物，可以改善在高温高压下抗氢侵蚀的作用。5)钼同样也能提高马氏体钢和奥氏体钢的热强性。◆一系列二元和多元的含钼珠光体钢被广泛地用于动力、石油和化学工业中，如15CrMo、12Cr1MoV、1Cr5Mo等。e.钒(V)在低合金钢中的作用钒在α-Fe中无限固溶，在γ-Fe中的最大溶解度约1.35%。钒与碳、氧、氮都有较强的亲合力，为强碳化物及氮化物形成元素。1)钒增加钢的热强性和对蠕变的抗力。钒能有效地固定钢中的碳

8、和氮，并形成高度弥散分布的碳化物和氮化物微粒，即使在高温下，聚合长大也极缓慢。◆一系列的铬钼钒钢已成为制造锅炉、汽轮机的主要钢种，如12CrMoV及12CrlMoV常用于过热器钢管、导管及相应的锻件等。2)含钒钢在热处理中，能提高晶粒粗化的温度，从而降低钢的过热敏感性，并提高钢的强度和韧性等，尤其是它能提高钢正火后的