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最全的金属材料知识,做切磨削再不用找百度,再转疯

2016-08-20 00:00:00 作者:

 【1】概述 金属材料是指金属元素或以金属元素为主构成的具有金属特性的材料的统称。包括纯金属、合金、金属材料金属间化合物和特种金属材料等。(注:金属氧化物(如氧化铝)不属于金属材料) 1.1意义: 人类文明的发展和社会的进步同金属材料关系十分密切。继石器时代之后出现的铜器时代、铁器时代,均以金属材料的应用为其时代的显著标志。现代,种类繁多的金属材料已成为人类社会发展的重要物质基础。 1.2种类: 金属材料通常分为黑色金属、有色金属和特种金属材料。 (1)黑色金属又称钢铁材料,包括含铁90%以上的工业纯铁,含碳2%~4%的铸铁,含碳小于 2%的碳钢,以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、不锈钢、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。 (2)有色金属是指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金,通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。有色合金的强度和硬度一般比纯金属高,并且电阻大、电阻温度系数小。 (3)特种金属材料包括不同用途的结构金属材料和功能金属材料。其中有通过快速冷凝工艺获得的非晶态金属材料,以及准晶、微晶、纳米晶金属材料等;还有隐身、抗氢、超导、形状记忆、耐磨、减振阻尼等特殊功能合金以及金属基复合材料等。 1.3性能: 一般分为工艺性能和使用性能两类。所谓工艺性能是指机械零件在加工制造过程中,金属材料在所定的冷、热加工条件下表现出来的性能。金属材料工艺性能的好坏,决定了它在制造过程中加工成形的适应能力。由于加工条件不同,要求的工艺性能也就不同,如铸造性能、可焊性、可锻性、热处理性能、切削加工性等。 所谓使用性能是指机械零件在使用条件下,金属材料表现出来的性能,它包括力学性能、物理性能、化学性能等。金属材料使用性能的好坏,决定了它的使用范围与使用寿命。在机械制造业中,一般机械零件都是在常温、常压和非常强烈腐蚀性介质中使用的,且在使用过程中各机械零件都将承受不同载荷的作用。金属材料在载荷作用下抵抗破坏的性能,称为力学性能(过去也称为机械性能)。金属材料的力学性能是零件的设计和选材时的主要依据。外加载荷性质不同(例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等),对金属材料要求的力学性能也将不同。常用的力学性能包括:强度、塑性、硬度、冲击韧性、多次冲击抗力和疲劳极限等。   【2】金属材料特质 2.1疲劳 许多机械零件和工程构件,是承受交变载荷工作的。在交变载荷的作用下,虽然应力水平低于材料的屈服极限,但经过长时间的应力反复循环作用以后,也会发生突然脆性断裂,这种现象叫做金属材料的疲劳。金属材料疲劳断裂的特点是:(1)载荷应力是交变的;(2)载荷的作用时间较长;(3)断裂是瞬时发生的;(4)无论是塑性材料还是脆性材料,在疲劳断裂区都是脆性的。所以,疲劳断裂是工程上最常见、最危险的断裂形式。 金属材料的疲劳现象,按条件不同可分为下列几种: (1)高周疲劳:指在低应力(工作应力低于材料的屈服极限,甚至低于弹性极限)条件下,应力循环周数在100000以上的疲劳。它是最常见的一种疲劳破坏。高周疲劳一般简称为疲劳。 (2)低周疲劳:指在高应力(工作应力接近材料的屈服极限)或高应变条件下,应力循环周数在10000~100000以下的疲劳。由于交变的塑性应变在这种疲劳破坏中起主要作用,因而,也称为塑性疲劳或应变疲劳。 (3)热疲劳:指由于温度变化所产生的热应力的反复作用,所造成的疲劳破坏。 (4)腐蚀疲劳:指机器部件在交变载荷和腐蚀介质(如酸、碱、海水、活性气体等)的共同作用下,所产生的疲劳破坏。 (5)接触疲劳:这是指机器零件的接触表面,在接触应力的反复作用下,出现麻点剥落或表面压碎剥落,从而造成机件失效破坏。   2.2塑性 塑性是指金属材料在载荷外力的作用下,产生永久变形(塑性变形)而不被破坏的能力。金属材料在受到拉伸时,长度和横截面积都要发生变化,因此,金属的塑性可以用长度的伸长(延伸率)和断面的收缩(断面收缩率)两个指标来衡量。 金属材料的延伸率和断面收缩率愈大,表示该材料的塑性愈好,即材料能承受较大的塑性变形而不破坏。一般把延伸率大于百分之五的金属材料称为塑性材料(如低碳钢等),而把延伸率小于百分之五的金属材料称为脆性材料(如灰口铸铁等)。塑性好的材料,它能在较大的宏观范围内产生塑性变形,并在塑性变形的同时使金属材料因塑性变形而强化,从而提高材料的强度,保证了零件的安全使用。此外,塑性好的材料可以顺利地进行某些成型工艺加工,如冲压、冷弯、冷拔、校直等。因此,选择金属材料作机械零件时,必须满足一定的塑性指标。   2.3耐久性 建筑金属腐蚀的主要形态: (1)均匀腐蚀。金属表面的腐蚀使断面均匀变薄。因此,常用年平均的厚度减损值作为腐蚀性能的指标(腐蚀率)。钢材在大气中一般呈均匀腐蚀。 (2)孔蚀。金属腐蚀呈点状并形成深坑。孔蚀的产生与金属的本性及其所处介质有关。在含有氯盐的介质中易发生孔蚀。孔蚀常用最大孔深作为评定指标。管道的腐蚀多考虑孔蚀问题。 (3)电偶腐蚀。不同金属的接触处,因所具不同电位而产生的腐蚀。 (4)缝隙腐蚀。金属表面在缝隙或其他隐蔽区域部常发生由于不同部位间介质的组分和浓度的差异所引起的局部腐蚀。 (5)应力腐蚀。在腐蚀介质和较高拉应力共同作用下,金属表面产生腐蚀并向内扩展成微裂纹,常导致突然破断。混凝土中的高强度钢筋(钢丝)可能发生这种破坏。   2.4硬度 硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。它是金属材料的重要性能指标之一。一般硬度越高,耐磨性越好。常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。 1.布氏硬度(HB):以一定的载荷(一般3000kg)把一定大小(直径一般为10mm)的淬硬钢球压入材料表面,保持一段时间,去载后,负荷与其压痕面积之比值,即为布氏硬度值(HB),单位为公斤力/mm2 (N/mm2)。 2.洛氏硬度(HR):当HB>450或者试样过小时,不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120°的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球,在一定载荷下压入被测材料表面,由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同,可采用不同的压头和总试验压力组成几种不同的洛氏硬度标尺,每一种标尺用一个字母在洛氏硬度符号HR后面加以注明。常用的洛氏硬度标尺是A,B,C三种(HRA,HRB,HRC)。其中C标尺应用最为广泛。 HRA:是采用60kg载荷钻石锥压入器求得的硬度,用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。 HRB:是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球,求得的硬度,用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。 HRC:是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度,用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。 3维氏硬度(HV):以120kg以内的载荷和顶角为136°的金刚石方形锥压入器压入材料表面,用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值,即为维氏硬度值(HV)。硬度试验是机械性能试验中最简单易行的一种试验方法。为了能用硬度试验代替某些机械性能试验,生产上需要一个比较准确的硬度和强度的换算关系。实践证明,金属材料的各种硬度值之间,硬度值与强度值之间具有近似的相应关系。因为硬度值是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的,材料的强度越高,塑性变形抗力越高,硬度值也就越高。   【3】金属材料的性能 金属材料的性能决定着材料的适用范围及应用的合理性。金属材料的性能主要分为四个方面,即:机械性能、化学性能、物理性能、工艺性能。 3.1机械性能 (一)应力的概念,物体内部单位截面积上承受的力称为应力。由外力作用引起的应力称为工作应力,在无外力作用条件下平衡于物体内部的应力称为内应力(例如组织应力、热应力、加工过程结束后留存下来的残余应力…等等)。 (二)机械性能,金属在一定温度条件下承受外力(载荷)作用时,抵抗变形和断裂的能力称为金属材料的机械性能(也称为力学性能)。金属材料承受的载荷有多种形式,它可以是静态载荷,也可以是动态载荷,包括单独或同时承受的拉伸应力、压应力、弯曲应力、剪切应力、扭转应力,以及摩擦、振动、冲击等等,因此衡量金属材料机械性能的指标主要有以下几项: 3.1.1.强度 这是表征材料在外力作用下抵抗变形和破坏的最大能力,可分为抗拉强度极限(σb)、抗弯强度极限(σbb)、抗压强度极限(σbc)等。由于金属材料在外力作用下从变形到破坏有一定的规律可循,因而通常采用拉伸试验进行测定,即把金属材料制成一定规格的试样,在拉伸试验机上进行拉伸,直至试样断裂,测定的强度指标主要有: (1)强度极限:材料在外力作用下能抵抗断裂的最大应力,一般指拉力作用下的抗拉强度极限,以σb表示,如拉伸试验曲线图中最高点b对应的强度极限,常用单位为兆帕(MPa),换算关系有:1MPa=1N/m2=(9.8)-1Kgf/mm2或1Kgf/mm2=9.8MPa。 (2)屈服强度极限:金属材料试样承受的外力超过材料的弹性极限时,虽然应力不再增加,但是试样仍发生明显的塑性变形,这种现象称为屈服,即材料承受外力到一定程度时,其变形不再与外力成正比而产生明显的塑性变形。产生屈服时的应力称为屈服强度极限,用σs表示,相应于拉伸试验曲线图中的S点称为屈服点。对于塑性高的材料,在拉伸曲线上会出现明显的屈服点,而对于低塑性材料则没有明显的屈服点,从而难以根据屈服点的外力求出屈服极限。因此,在拉伸试验方法中,通常规定试样上的标距长度产生0.2%塑性变形时的应力作为条件屈服极限,用σ0.2表示。屈服极限指标可用于要求零件在工作中不产生明显塑性变形的设计依据。但是对于一些重要零件还考虑要求屈强比(即σs/σb)要小,以提高其安全可靠性,不过此时材料的利用率也较低了。 (3)弹性极限:材料在外力作用下将产生变形,但是去除外力后仍能恢复原状的能力称为弹性。金属材料能保持弹性变形的最大应力即为弹性极限,相应于拉伸试验曲线图中的e点,以σe表示,单位为兆帕(MPa):σe=Pe/Fo式中Pe为保持弹性时的最大外力(或者说材料最大弹性变形时的载荷)。 (4)弹性模数:这是材料在弹性极限范围内的应力σ与应变δ(与应力相对应的单位变形量)之比,用E表示,单位兆帕(MPa):E=σ/δ=tgα式中α为拉伸试验曲线上o-e线与水平轴o-x的夹角。弹性模数是反映金属材料刚性的指标(金属材料受力时抵抗弹性变形的能力称为刚性)。   3.1.2.塑性, 金属材料在外力作用下产生永久变形而不破坏的最大能力称为塑性,通常以拉伸试验时的试样标距长度延伸率δ(%)和试样断面收缩率ψ(%)延伸率δ=[(L1-L0)/L0]x100%,这是拉伸试验时试样拉断后将试样断口对合起来后的标距长度L1与试样原始标距长度L0之差(增长量)与L0之比。在实际试验时,同一材料但是不同规格(直径、截面形状-例如方形、圆形、矩形以及标距长度)的拉伸试样测得的延伸率会有不同,因此一般需要特别加注,例如最常用的圆截面试样,其初始标距长度为试样直径5倍时测得的延伸率表示为δ5,而初始标距长度为试样直径10倍时测得的延伸率则表示为δ10。断面收缩率ψ=[(F0-F1)/F0]x100%,这是拉伸试验时试样拉断后原横截面积F0与断口细颈处最小截面积F1之差(断面缩减量)与F0之比。实用中对于最常用的圆截面试样通常可通过直径测量进行计算:ψ=[1-(D1/D0)2]x100%,式中:D0-试样原直径;D1-试样拉断后断口细颈处最小直径。δ与ψ值越大,表明材料的塑性越好。   3.1.3.韧性 金属材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力称为韧性。通常采用冲击试验,即用一定尺寸和形状的金属试样在规定类型的冲击试验机上承受冲击载荷而折断时,断口上单位横截面积上所消耗的冲击功表征材料的韧性:αk=Ak/F单位J/cm2或Kg·m/cm2,1Kg·m/cm2=9.8J/cm2αk称作金属材料的冲击韧性,Ak为冲击功,F为断口的原始截面积。5.疲劳强度极限金属材料在长期的反复应力作用或交变应力作用下(应力一般均小于屈服极限强度σs),未经显著变形就发生断裂的现象称为疲劳破坏或疲劳断裂,这是由于多种原因使得零件表面的局部造成大于σs甚至大于σb的应力(应力集中),使该局部发生塑性变形或微裂纹,随着反复交变应力作用次数的增加,使裂纹逐渐扩展加深(裂纹尖端处应力集中)导致该局部处承受应力的实际截面积减小,直至局部应力大于σb而产生断裂。在实际应用中,一般把试样在重复或交变应力(拉应力、压应力、弯曲或扭转应力等)作用下,在规定的周期数内(一般对钢取106~107次,对有色金属取108次)不发生断裂所能承受的最大应力作为疲劳强度极限,用σ-1表示,单位MPa。除了上述五种最常用的力学性能指标外,对一些要求特别严格的材料,例如航空航天以及核工业、电厂等使用的金属材料,还会要求下述一些力学性能指标:蠕变极限:在一定温度和恒定拉伸载荷下,材料随时间缓慢产生塑性变形的现象称为蠕变。通常采用高温拉伸蠕变试验,即在恒定温度和恒定拉伸载荷下,试样在规定时间内的蠕变伸长率(总伸长或残余伸长)或者在蠕变伸长速度相对恒定的阶段,蠕变速度不超过某规定值时的最大应力,作为蠕变极限,以表示,单位MPa,式中τ为试验持续时间,t为温度,δ为伸长率,σ为应力;或者以表示,V为蠕变速度。高温拉伸持久强度极限:试样在恒定温度和恒定拉伸载荷作用下,达到规定的持续时间而不断裂的最大应力,以表示,单位MPa,式中τ为持续时间,t为温度,σ为应力。金属缺口敏感性系数:以Kτ表示在持续时间相同(高温拉伸持久试验)时,有缺口的试样与无缺口的光滑试样的应力之比:式中τ为试验持续时间,为缺口试样的应力,为光滑试样的应力。或者用:表示,即在相同的应力σ作用下,缺口试样持续时间与光滑试样持续时间之比。抗热性:在高温下材料对机械载荷的抗力。   3.2化学性能 金属与其他物质引起化学反应的特性称为金属的化学性能。在实际应用中主要考虑金属的抗蚀性、抗氧化性(又称作氧化抗力,这是特别指金属在高温时对氧化作用的抵抗能力或者说稳定性),以及不同金属之间、金属与非金属之间形成的化合物对机械性能的影响等等。在金属的化学性能中,特别是抗蚀性对金属的腐蚀疲劳损伤有着重大的意义。   3.3物理性能 金属的物理性能主要考虑: (1)密度(比重):ρ=P/V单位克/立方厘米或吨/立方米,式中P为重量,V为体积。在实际应用中,除了根据密度计算金属零件的重量外,很重要的一点是考虑金属的比强度(强度σb与密度ρ之比)来帮助选材,以及与无损检测相关的声学检测中的声阻抗(密度ρ与声速C的乘积)和射线检测中密度不同的物质对射线能量有不同的吸收能力等等。 (2)熔点:金属由固态转变成液态时的温度,对金属材料的熔炼、热加工有直接影响,并与材料的高温性能有很大关系。 (3)热膨胀性。随着温度变化,材料的体积也发生变化(膨胀或收缩)的现象称为热膨胀,多用线膨胀系数衡量,亦即温度变化1℃时,材料长度的增减量与其0℃时的长度之比。热膨胀性与材料的比热有关。在实际应用中还要考虑比容(材料受温度等外界影响时,单位重量的材料其容积的增减,即容积与质量之比),特别是对于在高温环境下工作,或者在冷、热交替环境中工作的金属零件,必须考虑其膨胀性能的影响。 (4)磁性。能吸引铁磁性物体的性质即为磁性,它反映在导磁率、磁滞损耗、剩余磁感应强度、矫顽磁力等参数上,从而可以把金属材料分成顺磁与逆磁、软磁与硬磁材料。 (5)电学性能。主要考虑其电导率,在电磁无损检测中对其电阻率和涡流损耗等都有影响。   3.4工艺性能 金属对各种加工工艺方法所表现出来的适应性称为工艺性能,主要有以下四个方面: (1)切削加工性能:反映用切削工具(例如车削、铣削、刨削、磨削等)对金属材料进行切削加工的难易程度。 (2)可锻性:反映金属材料在压力加工过程中成型的难易程度,例如将材料加热到一定温度时其塑性的高低(表现为塑性变形抗力的大小),允许热压力加工的温度范围大小,热胀冷缩特性以及与显微组织、机械性能有关的临界变形的界限、热变形时金属的流动性、导热性能等。 (3)可铸性:反映金属材料熔化浇铸成为铸件的难易程度,表现为熔化状态时的流动性、吸气性、氧化性、熔点,铸件显微组织的均匀性、致密性,以及冷缩率等。 (4)可焊性:反映金属材料在局部快速加热,使结合部位迅速熔化或半熔化(需加压),从而使结合部位牢固地结合在一起而成为整体的难易程度,表现为熔点、熔化时的吸气性、氧化性、导热性、热胀冷缩特性、塑性以及与接缝部位和附近用材显微组织的相关性、对机械性能的影响等。   【4】金属材料、金属制品行业发展前景 金属制品行业包括结构性金属制品制造、金属工具制造、集装箱及金属包装容器制造、集装箱、不锈钢及类似日用金属制品制造,船舶及海洋工程制造等。随着社会的进步和科技的发展,金属制品在工业、农业以及人们的生活各个领域的运用越来越广泛,也给社会创造越来越大的价值。 金属制品行业在发展过程中也遇到一些困难,例如技术单一,技术水平偏低,缺乏先进的设备,人才短缺等,制约了金属制品行业的发展。为此,可以采取提高企业技术水平,引进先进技术设备,培养适用人才等提高中国金属制品业的发展。 2009年金属制品行业的产品将越来越趋向于多元化,业界的技术水平越来越高,产品质量会稳步提高,竞争与市场将进一步合理化。加上国家对行业的进一步规范,以及相关行业优惠政策的实施,2009-2012年,金属制品行业将有巨大的发展空间。 附: 材料知识:合金元素在钢中的不同作用---网上最全   为了改善和提高钢的某些性能和使之获得某些特殊性能而有意在冶炼过程中加入的元素称为合金元素。常用的合金元素有铬,镍,钼,钨,钒,钛,铌,锆,钴,硅,锰,铝,铜,硼,稀土等。磷,硫,氮等在某些情况下也起到合金的作用。 (1) 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。 (2)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。 (3)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。 (4)钨(W) 钨在钢中除形成碳化物外,部分地溶入铁中形成固溶体。其作用与钼相似,按质量分数计算,一般效果不如钼显著。钨在钢中主要样图是增加回火稳定性、红硬性、热强性以及由于形成碳化物而增加的耐磨性。因此它的主要用于工具钢,如高速钢、热锻模具用钢等。 钨在优质弹簧钢中形成难熔碳化物,在较高温度回火时,能缓解碳化物的聚集过程,保持较高的高温强度。钨还可以降低钢的过热敏感性、增加淬透性和提高硬度。65SiMnWA弹簧钢热轧后空冷就具有很高的硬度,50mm2截面的弹簧钢在油中即能淬透,可作承受大负荷、耐热(不大于350℃)、受冲击的重要弹簧。30W4Cr2VA高强度耐热优质弹簧钢,具有大的淬透性,1050~1100℃淬火,550~650℃回火后抗拉强度达1470~1666Pa。它主要用于制造在高温(不大于500℃)条件下使用的弹簧。 由于钨的加入,能显著提高钢的耐磨性和切削性,所以,钨是合金工具钢的主要元素。 (5)钒(V) 钒和碳、氨、氧有极强的亲和力,与之形成相应的稳定化合物。钒在钢中主要以碳化物的形式存在。其主要作用是细化钢的组织和晶粒,降低钢的强度和韧性。当在高温溶入固溶体时,增加淬透性;反之,如以碳化物形式存在时,降低淬透性。钒增加淬火钢的回火稳定性,并产生二次硬化效应。钢中的含钒量,除高速工具钢外,一般均不大于0.5%。 钒在普通低碳合金钢中能细化晶粒,提高正火后的强度和屈服比及低温特性,改善钢的焊接性能。 钒在合金结构钢中由于在一般热处理条件下会降低淬透性,故在结构钢中常和锰、铬、钼以及钨等元素联合使用。钒在调质钢中主要是提高钢的强度和屈服比,细化晶粒,捡的过热敏感性。在渗碳钢中因能细化晶粒,可使钢在渗碳后直接淬火,不需二次淬火。 钒在弹簧钢和轴承钢中能提高强度和屈服比,特别是提高比例极限和弹性极限,降低热处理时脱碳敏感性,从而提高了表面质量。五铬含钒的轴承钢,碳化弥散度高,使用性能良好。 钒在工具钢中细化晶粒,降低过热敏感性,增加回火稳定性和耐磨性,从而延长了工具的使用寿命。 (6)钛(Ti) 钛和氮、氧、碳都有极强的亲和力,与硫的亲和力比铁强。因此,它是一种良好的脱氧去气剂和固定氮和碳的有效元素。钛虽然是强碳化物形成元素,但不和其他元素联合形成复合化合物。碳化钛结合力强,稳定,不易分解,在钢中只有加热到1000℃以上才能缓慢地溶入固溶体中。在未溶入之前,碳化钛微粒有阻止晶粒长大的作用。由于钛和碳之间的亲和力远大于铬和碳之间的亲和力,在不锈钢中常用钛来固定其中的碳以消除铬在晶界处的贫化,从而消除或减轻钢的晶间腐蚀。 钛也是强铁氧体形成元素之一,强烈的提高了钢的A1和A3温度。钛在普通低合金钢中能提高塑性和韧性。由于钛固定了氮和硫并形成碳化钛,提高了钢的强度。经正火使晶粒细化,析出形成碳化物可使钢的塑性和冲击韧性得到显著改善,含钛的合金结构钢,有良好的力学性能和工艺性能,主要缺点是淬透性稍差。 在高铬不锈钢中通常需加入约5倍碳含量的钛,不但能提高钢的抗蚀性(主要是抗晶间腐蚀)和韧性;还能组织钢在高温时的晶粒长大倾向和改善钢的焊接性能。 (7)铌/钶(Nb/Cb) 铌与钶常和钽共生,它们在钢中的作用相近。铌和钽部分溶入固溶体,起固溶强化作用。溶入奥氏体时显著提高钢的淬透性。但以碳化物和氧化物微粒形式存在时,细化晶粒并降低钢的淬透性。它能增加钢的回火稳定性,有二次硬化作用。微量铌可以在不影响钢的塑性或韧性的情况下提高钢的强度。由于有细化晶粒的作用,能提高钢的冲击韧性并降低其脆性转变温度。当含量大于碳的8倍时,几乎可以固定钢中所有的碳,使钢具有良好的抗氢性能。在奥氏体钢中可以防止氧化介质对钢的晶间腐蚀。由于固定碳和沉淀硬化作用,能提高热强钢的高温性能,如蠕变强度等。 铌在建筑用普通低合金钢中能提高屈服强度和冲击韧性,降低脆性转变温度有益焊接性能。在渗碳及调质合金结构钢中在增加淬透性的同时。提高钢的韧性和低温性能。能降低低碳马氏体耐热不锈钢的空气硬化性,避免硬化回火脆性,提高蠕变强度。 (8)锆(Zr) 锆是强碳化物形成元素,它在钢中的作用与铌、钽、钒相似。加入少量锆有脱气、净化和细化晶粒作用,有利于钢的低温性能,改善冲压性能,它常用于制造燃气发动机和弹道导弹结构使用的超高强度钢和镍基高温合金中。 (9)钴(Co) 钴多用于特殊的钢和合金中,含钴的高速钢有高的高温硬度,与钼同时加入马氏体时效钢中可以获得超高硬度和良好综合力学性能。此外,钴在热强钢和磁性材料中也是重要的合金元素。 钴降低钢的淬透性,因此,单独加入碳素钢中会降低调质后的综合力学性能。钴能强化铁素体,加入碳素钢中,在退火或正火状态下能提高钢的硬度、屈服点和抗拉强度,对伸长率和断面收缩率有不利的影响,冲击韧性也随着钴含量的增加而降低。由于钴具有抗氧化性能,在耐热钢和耐热合金中得到应用。钴基合金燃气涡轮中更显示了它特有的作用。 (10)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。 (11)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。 (12)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。 (13)铜(Cu) 铜在钢中的突出作用是改善普通低合金钢的抗大气腐蚀性能,特别是和磷配合使用时,加入铜还能提高钢的强度和屈服比,而对焊接性能没有不利的影响。含铜0.20%~0.50%的钢轨钢(U-Cu),除耐磨外其耐腐蚀寿命为一般碳素钢轨的2-5倍。 铜含量超过0.75%时,经固溶处理和时效后,可产生时效强化作用。含量低时,其作用与镍相似,但较弱。含量较高时,对热变形加工不利,在热变形加工时导致铜脆现象。2%~3%铜在奥氏体不锈钢中可以对硫酸、磷酸及盐酸等抗腐蚀性能及对应力腐蚀的稳定性。 (14)硼(B) 硼在钢中的主要作用是增加钢的淬透性,从而节约其他较稀贵的金属,与镍、铬、钼等。为了这一目的,其含量一般规定在0.001%~0.005%范围内。它可以代替1.6%的镍、0.3%的铬或0.2%的钼,以硼代钼应注意,因钼能防止或降低回火脆性,而硼却略有促进回火脆性的倾向,所以不能用硼将钼完全代替。 中碳碳素钢中加硼,由于提高了淬透性,可使厚20mm以上的钢材调质后性能大为改善,因此,可用40B和40MnB钢代替40Cr,可用20Mn2TiB钢代替20CrMnTi渗碳钢。但由于硼的作用随钢中碳的含量的增加而减弱,甚至消失,在选用含硼渗碳钢时,必须考虑到零件渗碳后,渗碳层的淬透性将低于芯部的淬透性的这一特点。 弹簧钢一般要求完全淬透,通常弹簧面积不大,采用含硼钢有利。对高硅弹簧钢硼的作用波动较大,不便采用。 硼和氮及氧有强的亲和力,沸腾钢中加入0.007%的硼,可以消除钢的时效现象。 (15)稀土(Re) 一般所说的稀土元素,是指元素周期表中原子序数从57号至71号的镧系元素(15个)加上21号钪和39号钇,共17个元素。他们的性质接近,不易分离。未分离的叫混合稀土,比较便宜,稀土元素能提高锻轧钢材的塑性和冲击韧性,特别是在铸钢中尤为显著。它能提高耐热钢电热合金和高温合金的抗蠕变性能。 稀土元素也可以提高钢的抗氧化性和抗腐蚀性。抗氧化性的效果超过硅、铝、钛等元素。它能改善钢的流动性,减少非金属夹杂,使钢组织致密、纯净。 普通低合金钢中加入适当的稀土元素,有良好的脱氧去硫作用,提高冲击韧性(特别是低温韧性),改善各向异性性能。 稀土元素在铁铬铝合金中增加合金的抗氧能力,在高温下保持钢的细晶粒,提高高温强度,因而使电热合金的寿命得到显著提高。 (16)氮(N) 氮能部分用于铁中,有固溶强化和提高淬透性的作用,但不显著。由于氮化物在晶界上析出,能提高晶界高温强度,增加钢的蠕变强度。与钢中其他元素化合,有沉淀硬化作用。对钢抗腐蚀性能不显著,但钢的表面渗氮后,不仅增加其硬度和耐磨性,也显著改善抗腐蚀性。在低碳钢中残留氮会导致时效脆性。 (17)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。 (18)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%。
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