简述碳、硅、锰、磷、硫五元素对钢材的性能的影响

  简述碳、硅、锰、磷、硫五元素对钢材的性能的影响  摘要：钢材在现代生产建设中应用较为广泛，是建筑业、制造业和人们日常生活中不可或缺的成分，而化学元素对钢材的组织和性能有重要的影响，下面以碳、硅、锰、磷、硫这五大元素为例简述化学元素对钢材的性能的影响，进而改善钢材的性能使之适用于更广泛的场所。关键词：韧性；强度；塑性；焊接性能1.定义1.1碳（C）：是一种主要呈四价的非金属元素，无臭无味的固体。化学符号为C，在常温下具有稳定性，不易反应、极低的对人体的毒性，甚至可以以石墨或活性炭的形式安全地摄取，化学符号为C，位于元素周期的第二周期IVA族。1.2硅（Si）：是一种四价的非金属元素，硅也是极为常见的一种元素，然而它极少以单质的形式在自然界出现，而是以复杂的硅酸盐或二氧化硅的形式，广泛存在于岩石、砂砾、尘土之中。主要以合金的形式使用，也与陶瓷材料一起用于金属陶瓷中，或用作半导体材料和光生电池的元件。化学符号是Si，旧称矽。原子序数14，相对原子质量28.0855，有无定形硅和晶体硅两种同素异形体，属于元素周期表上第三周期，IVA族的类金属元素。1.3锰（Mn）：是一种多价金属元素，质硬而脆，单质是一种灰白色、硬脆、有光泽的过渡金属。纯净的金属锰是比铁稍软的金属，含少量杂质的锰坚而脆，潮湿处会氧化。元素符号Mn，原子序数25。1.4磷（P）：是一种氮族多价非金属元素，广泛存在于它的各种化合物中，元素符号P，是第15号化学元素，处于元素周期表的第三周期、第ⅤA族。。1.5硫（S）：是一种多价的非金属元素，无味无嗅不溶于水，通常单质硫是黄色的晶体，又称作硫磺。硫元素在自然界中通常以硫化物、硫酸盐或单质的形式存在。对人体而言，单质硫通常是无毒无害的，而其他含硫化合物可能有一定毒性，如硫化物毒性一般比较大。化学符号S，原子序数16，硫是氧族元素（ⅥA族）之一，在元素周期表中位于第三周期。2.对钢材的性能的影响2.1碳（C）：碳含量对钢材的强度、塑性、韧性和焊接性能等存在不⼩的影响。⼤家都知道含碳量的多少是决定⽣铁和钢的主要判定标准，⼀般认为含碳量在2%～4.3%之间的属于⽣铁，含碳量在0.03%～2%之间的属于钢。2.1.1材料中根据含碳量⼀般我们把含碳量为0.06％～0.25％的称为低碳钢；含碳量为0.25％～0.55％的称为中碳钢；含碳量0.60％～1.03％的称为⾼碳钢。当钢中碳量超过0.23%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%。2.1.2当钢中含碳量在0.8%以下时，随着含碳量的增加，钢材的强度和硬度提⾼，⽽塑性和韧性降低。2.1.3当含碳量在1.0%以上时，随着含碳量的增加，钢材的强度反⽽下降。随着含碳量的增加，钢材的焊接性能变差（含碳量⼤于0.3%的钢材，可专焊性显著下降），冷脆性和时效敏感性增⼤，耐⼤⽓锈蚀性下降，在露天料场的⾼碳钢就易锈蚀。碳是决定钢的力学性能的最主要因素，随含碳量的增加，硬度增大，塑性、韧性下降。当含碳量<0.77%时，随含碳量的增加，强度增加，而当含碳量>1.0%以后，强度反而下降。总而言之，碳是决定钢材力学性能的最主要的因素，它直接影响钢材的强度、塑性、韧性和焊接性能。2.2硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，其脱氧作用比锰强，是钢中的有益元素。2.2.1硅含量较低时。能提高钢材的强度，如果钢中含硅量超过0.50-0.60%，硅就算合⾦元素。硅能显著提⾼钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故⼴泛⽤于作弹簧钢。2.2.2在调质结构钢中加⼊1.0－1.2%的硅，强度可提⾼15－20%。硅和钼、钨、铬等结合，有提⾼抗腐蚀性和抗氧化的作⽤，可制造耐热钢。2.2.3含硅1－4%的低碳钢，具有极⾼的导磁率，⽤于电器⼯业做矽钢⽚。但随着硅含量的增加，会降低钢的焊接性能。2.3锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是作为脱氧除硫的元素加入钢中，是钢中的有益元素，锰具有很强的脱氧除硫的能力，它可以和硫结合形成MnS，从而在相当大的程度上消除硫的有害影响，显著改善钢材的热加工性能。2.3.1在碳素钢中加入锰可以细化珠光体，显著提⾼低碳和中碳珠光体钢的强度，使延展性有所降低。还可以通过提⾼淬透性提⾼调质处理索⽒体钢的⼒学性能。在对热处理⼯艺有严格控制时，适量加入锰，在避免过热时晶粒长⼤以及回⽕脆性的前提下，适量加入锰，不会降低钢的韧性。并锰含量小于0.8%，能在保持或只略降原有的塑性及冲击韧性的条件下，大幅度提高碳素钢的屈服极限及强度极限，例在碳素钢中加⼊0.70%以上时就算“锰钢”，较⼀般钢量的钢不但有⾜够的韧性，且有较⾼的强度和硬度，提⾼钢的淬性，改善钢的热加⼯性能。2.3.2在易切削钢中常会加入适量的锰和磷，起到脱氧除硫的作用，它可以和硫结合形成MnS，从而消除硫的有害影响，MnS夹杂使切屑易于碎断。在普通低合⾦钢中可以利⽤锰来提⾼钢的强度。在弹簧钢、轴承钢和⼯具钢等产品中也可以适量加入锰，可以提⾼产品的淬透性2.3.3锰对钢的焊接性能有很大的影响，在锰含量很低时，锰主要起消除热催下的作用，此时锰对焊接性能的影响，特别是在硫含量略高时，是有益的，但在锰含量远远超过消除热脆性所必要的含量时，多余的锰会显著增加奥氏体的过冷能力，这时锰主要起增加冷裂纹形成的作用，会使钢的焊接性能变差。总之，锰含量增⾼，会减弱钢的抗腐蚀能⼒，降低焊接性能。能提高钢的强度，能消弱和消除硫的不良影响，并能提高钢的淬透性，含锰量很高的高合金钢（高锰钢）具有良好的耐磨性和其它的物理性能。2.4磷（P）：磷是钢中难去除的有害元素，磷虽能使钢材的强度、硬度增高，提高切削性能和抗腐蚀性能，但引起塑性、冲击韧性显著降低，并损坏钢的焊接性能，降低塑性，使冷弯性能变坏。2.4.1冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏，含磷愈高，冷脆性愈大，故钢中对含磷量控制较严。造成冷脆的原因是磷会形成硬脆化合物Fe2P.因此通常钢中含磷量⼩于0.045%，在优质钢中，硫和磷更会严格控制含量．高级钢：P＜0.025%；钢：P＜0.04%；普通钢：P＜0.085%。2.4.2另一方面，磷能提高切削性能和抗腐蚀性能。故在易切削或耐候钢中会适当增加磷含量，例在低碳钢中含有较高的硫和磷，能使其切削易断，对改善钢的可切削性是有利的．磷元素（P元素）的固溶强化及冷作硬化作用很好，与铜联合使用，提高低合金高强度钢的耐大气腐蚀性能，但降低其冷冲压性能，与硫、锰联合使用，改善切削性，增加回火脆性及冷脆敏感性。2.4.3磷元素（P元素）可提高比电阻，且由于容易粗晶而可使矫顽力和涡流损失降低，于磁感而言，则在弱中磁场下磷含量高的钢磁感会提高，含P硅钢的热加工也并不困难，但由于它会使硅钢具冷脆性，含量≯0.15%（如冷轧电机用硅钢含P=0.07～0.10%）。2.5硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。在钢中以硫化物夹杂形式存在，对钢的塑性、韧性、焊接性能、厚度方向性能、疲劳性能和耐腐蚀性能都有不利影响。2.5.1在固态下，硫在铁中的溶解度极小，而是以FeS的形态存在于钢中。由于FeS的塑性差，使含硫较多的钢脆性较大，其中危害最大的是与铁生成FeS,并形成Fe-FeS二元低熔点共晶体，造成钢在800~1200℃时变脆而易开裂，即产生热脆性。所以通常要求硫含量⼩于0.055%，优质钢要求⼩于0.040%。在钢中加⼊0.08-0.20%的硫，可以改善切削加⼯性，通常称易切削钢。2.5.2为了消除硫的有害作用，必须增加钢中含锰量。锰与硫优先形成高熔点的硫化锰，并呈粒状分布在晶粒内，他在高温下具有一定塑性，从而避免了热脆性。硫化物是非金属夹杂物，会降低钢的机械性能，并在轧制过程中形成热加工纤维组织。3.综述随着工业生产和科学技术的发展，对钢的性能提出越来越高的要求，钢在强度、塑性、韧性和焊接性能等方面不能满足使用要求。为了满足使用上的要求，需要在生产过程中特意在加入一定量的某一种或几中元素，用来提高钢的某些性能，他们的加入，对钢的组织和性能都会产生一定的影响，在以上已做了详细的论证。 -全文完-