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不锈钢中各元素的作用

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碳C
  钢中含碳量增加,屈服点和抗拉强度升高,但塑性和冲击性降低,当碳量0.23%超过时,钢的焊接性能变坏,因此用于焊接的低合金结构钢,含碳量一般不超过 0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力,在露天料场的高碳钢就易锈蚀;此外,碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。
 
铬Cr
  铬能增加钢的淬透性并有二次硬化的作用,可提高碳钢的硬度和耐磨性而不使钢变脆。含量超过12%时,使钢有良好的高温抗氧化性和耐氧化性腐蚀的作用,还增加钢的热强性。铬为不锈钢耐酸钢及耐热钢的主要合金元素。
 
 
 
  铬能提高碳素钢轧制状态的强度和硬度,降低伸长率和断面收缩率。当铬含量超过15%时,强度和硬度将下降,伸长率和断面收缩率则相应地有所提高。含铬钢的零件经研磨容易获得较高的表面加工质量。
 
  铬在调质结构中的主要作用是提高淬透性,使钢经淬火回火后具有较好的综合力学性能,在渗碳钢中还可以形成含铬的碳化物,从而提高材料表面的耐磨性。含铬的弹簧钢在热处理时不易脱碳。铬能提高工具钢的耐磨性、硬度和红硬性,有良好的回火稳定性。在电热合金中,铬能提高合金的抗氧化性、电阻和强度。
 
镍Ni
  镍在钢中强化铁素体并细化珠光体,总的效果是提高强度,对塑性的影响不显著。
 
  一般地讲,对不需调质处理而在轧钢、正火或退火状态使用的低碳钢,一定的含镍量能提高钢的强度而不显著降低其韧性。据统计,每增加1%的镍约可提高强度29.4Pa。
 
  随着镍含量的增加,钢的屈服程度比抗拉强度提高的快,因此含镍钢的比可较普通碳素钢高。镍在提高钢强度的同时,对钢的韧性、塑性以及其他工艺的性能的损害较其他合金元素的影响小。
 
  对于中碳钢,由于镍降低珠光体转变温度,使珠光体变细;又由于镍降低共析点的含碳量,因而和相同的碳含量的碳素钢比,其珠光体数量较多,使含镍的珠光体铁素体钢的强度较相同碳含量的碳素钢高。反之,若使钢的强度相同,含镍钢的碳含量可以适当降低,因而能使钢的韧性和塑性有所提。镍可以提高钢对疲劳的抗力和减小钢对缺口的敏感性。镍降低钢的低温脆性转变温度,这对低温用钢有极重要的意义。含镍3.5%的钢可在-100℃时使用,含镍9%的钢则可在-196℃时工作。镍不增加钢对蠕变的抗力,因此一般不作为热强钢的强化元素。
 
  镍含量高的铁镍合金,其线胀系数随镍含量增减而显著变化,利用这一特性,可以设计和生产具有极低或一定线胀系数的精密合金、双金属材料等。此外,镍加入钢中不仅能耐酸,而且也能抗碱,对大气及盐都有抗蚀能力,镍是不锈耐酸钢中的重要元素之一。
 
钼Mo
  钼在钢中能提高淬透性和热强性,防止回火脆性,增加剩磁和矫顽力以及在某些介质中的抗蚀性。在调质钢中,钼能使较大断面的零件淬深、淬透,提高钢的抗回火性或回火稳定性,使零件可以在较高温度下回火,从而更有效地消除(或降低)残余应力,提高塑性。在渗碳钢中钼除了具有上述作用外,还能在渗碳层中降低碳化物在晶界上形成连续网状的倾向,减少渗碳层中残留的奥氏体,相对地增加了表面层的耐磨性。
 
  在锻模刚中,钼还能保持钢有比较稳定的硬度,增加对变形。开裂和磨损等的抗力。在不锈耐酸钢中,钼能进一步提高对有机酸(如蚁酸、醋酸、草酸等)以及过氧化氢、硫酸、亚硫酸、硫酸盐、酸性染料、漂白粉液等的抗蚀性。特别是由于钼的加入,防止了氯离子的存在所产生的点腐蚀倾向。含1%左右钼的W12Cr4V4Mo高速钢具有耐磨性、回火硬度和红硬性等。
 
硅Si
  硅能溶于铁素体和奥氏体中提高钢的硬度和强度,其作用仅次于磷,较锰、镍、铬、钨、钼、钒等元素强。但含硅量超过3%时,将显著降低钢的塑性和韧性。硅能提高钢的弹性极限、屈服强度和屈服比(σs/σb),以及疲劳强度和疲劳比(σ-1/σb)等。这是硅或硅锰钢可作为弹簧钢种的缘故。硅能降低钢的密度、热导率和电导率。能促使铁素体晶粒粗化,降低矫顽力。有减小晶体的各向异性倾向,使磁化容易,磁阻减小,可用来生产电工用钢,所以硅钢片的磁阻滞损耗较低。硅能提高铁素体的导磁率,使钢片在较弱磁场下有较高的磁感强度。
 
  但在强磁场下硅降低钢的磁感强度。硅因有强的脱氧力,从而减少了铁的磁时效作用。含硅的钢在氧化气氛中加热时,表面将形成一层SiO2薄膜,从而提高钢在高温时的抗氧化性。硅能促使铸钢中的柱状晶成长,降低塑性。硅钢若加热时冷却较快,由于热导率低,钢的内部和外部温差较大,因而断裂。硅能降低钢的焊接性能。因为与氧的结合能力硅比铁强,在焊接时容易生成低熔点的硅酸盐,增加熔渣和融化金属的流动性,引起喷溅现象,影响焊接质量。硅是良好的脱氧剂。用铝脱氧时酌情加一定量的硅,能显著提高率的脱氧性。硅在钢中本来就有一定的残存,这是由于炼铁炼钢时作为原料带入的。在沸腾钢中,硅限制在<0.07%,有意加入时,则在炼钢时加入硅铁合金。
 
锰Mn
  锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。钢中一般都含有一定量的锰,它能消除或减弱由于硫引起的钢的热脆性,从而改善钢的热加工性能。
 
  锰和铁形成的固溶体,提高钢中铁素体和奥氏体的硬度和强度;同时又是碳化物形成的元素,进入渗碳体中取代一部分铁原子,锰在钢中由于降低临界转变温度,起到细化珠光体的作用,也间接地起到提高珠光体钢强度的作用。
 
  锰稳定奥氏体组织的能力仅次于镍,也强烈增加钢的淬透性。已用含量不超过2%的锰与其他元素配合制成多种合金钢。锰具有资源丰富、效能多样的特点,获得了广泛的应用,如含锰较高的碳素结构钢、弹簧钢。
 
  在高碳高锰耐磨钢中,锰含量可达10%~14%,经固溶处理后有良好的韧性,当收到冲击而变形时,表面层将因变形而强化,具有高的耐磨性。锰与硫形成熔点较高的MnS,可防止因FeS而导致的热脆现象。锰有增加钢晶粒粗化的倾向和回火脆性敏感性。若冶炼浇注和锻轧后冷却不当,容易使钢产生白点。
 
铝Al
  铝主要用来脱氧和细化晶粒。在渗氮钢中促使形成坚硬耐蚀的渗氮层。铝能抑制低碳钢的时效,提高钢在低温下的韧性。含量高时能提高钢的抗氧化性及在氧化性酸和H2S气体中的耐蚀性,能改善钢的电、磁性能。铝在钢中固溶强化作用大,提高渗碳钢的耐磨性、疲劳强度及芯部力学性能。在难冶合金中铝与镍形成化合物,从而提高冶强性,含铝的铁铬铝合金在高温下具有接近恒电阻的特性和优良的抗氧化性,适于做电冶合金材料与铬铝电阻丝。某些钢脱氧时,如果铝用量过多,则会使钢产生反常组织和有促进钢的石墨化倾向。在铁素体及珠光体钢中,铝含量较高时,会降低其高温强度和韧性,并给冶炼、浇注等方面带来若干困难。
 
磷P
  磷在钢中固溶强化和冷作硬化作用强。作为合金元素加入低合金结构钢中,能提高其强度和钢的耐大气腐蚀性能,但降低其冷冲压性能。磷与硫和锰联合使用,能增加钢的被切削性能,增加加工件的表面质量,用于易切削钢,所以易切削钢含磷也比较高。磷用于铁素体,虽然能提高钢的强度和硬度,最大的害处是,偏析严重,增加回火脆性,显著增加钢的塑性和韧性,致使钢在冷加工时容易脆裂也即所谓“冷脆”现象。磷对焊接性也有不利影响。磷是有害元素,应严加控制,一般含量不大于0.03%~0.04%。
 
硫S
 
 
  提高硫和锰的含量,可以改善钢的被切削性能,在易切削钢中,硫作为有益元素加入。硫在钢中偏析严重。恶化钢的质量,在高温下,降低钢的塑性,是一种有害元素,它以熔点较低的FeS形式存在。单独存在的FeS的熔点只有1190℃,而在钢中与铁形成共晶体的共晶温度更低,只有988℃,当钢凝固时,硫化铁析集在原生晶界处。钢1100~1200℃进行轧制时,晶界上的FeS就将熔化,大大的削弱了晶粒之间的结合力,导致钢的热脆现象,因此对硫应严加控制。一般控制在0.020%~0.050%。为防止因硫导致的脆性,应加足够的锰,使其形成熔点较高的MnS。若钢中含流量偏高,焊接时由于SO2的产生,将在焊接金属内形成气孔和疏松。