常用金属材料中各种化学成分对性能的影响

1．生铁：
   生铁中除铁外，还含有碳、硅、锰、磷和硫等元素。这些元素对生铁的性能均有一定的影响。
   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（碳化铁），主要存在于炼钢生铁中，碳化铁硬而脆，塑性低，含量适当可提高生铁的强度和硬度，含量过多，则使生铁难于削切加工，这就是炼钢生铁切削性能差的原因。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离为石墨状，能去氧，还能减少铸件的气眼，能提高熔化生铁的流动性，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，含锰量适当，可提高生铁的铸造性能和削切性能，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，但磷可使铁水的流动性增加，这是因为硫减低了生铁熔点，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，有时为了要增加流动性，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，使铁硬脆，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动性，顾含硫高的生铁不适于铸造细件。铸造生铁中硫的含量规定*多不得超过0.06%（车轮生铁除外）。
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，还含有少量锰(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)、氧（O）、氮（N）和氢（H）等元素。这些元素并非为改善钢材质量有意加入的，而是由矿石及冶炼过程中带入的，故称为杂质元素。这些杂质对钢性能是有一定影响，为了保证钢材的质量，在国家标准中对各类钢的化学成分都作了严格的规定。
1）硫
   硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。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。而钢材的热加工温度一般在1150～1200℃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，热脆现象愈严重，故必须对钢中含硫量进行控制。**上等钢：S＜0.02%～0.03%；上等钢：S＜0.03%～0.045%；普通钢：S＜0.055%～0.7%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，故钢中对含磷量控制较严。**上等钢：  P ＜0.025%；上等钢：  P ＜0.04%；普通钢：  P ＜0.085%。
3）锰
　   锰是炼钢时作为脱氧剂加入钢中的。由于锰可以与硫形成高熔点(1600℃)的  MnS ，一定程度上消除了硫的有害作用。锰具有很好的脱氧能力，能够与钢中的FeO成为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，把锰看成是常存杂质。技术条件中规定，上等碳素结构钢中，正常含锰量是0.5%～0.8%；而较高含锰量的结构钢中，其量可达0.7%～1.2%。
4）硅
　   硅也是炼钢时作为脱氧剂而加入钢中的元素。硅与钢水中的FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去，因此硅是一种有益的元素。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。**钢中的含硅量通常在0.1%～0.37%，沸腾钢中只含有0.03%～0.07%。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，尽管在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。氧在钢中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂形式，使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。
6）氮
　   铁素体溶解氮的能力很低。当钢中溶有过饱和的氮，在放置较长一段时间后或随后在200～300℃加热就会发生氮以氮化物形式的析出，并使钢的硬度、强度提高，塑性下降，发生时效。钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除时效倾向。
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、大锻件中发现，在纵断面中可看到圆形或椭圆形的白色斑点；在横断面上则是细长的发丝状裂纹。锻件中有了白点，使用时会发生突然断裂，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原因是因为高温奥氏体冷至较低温时，氢在钢中的溶解度急剧降低。当冷却较快时，氢原子来不及扩散到钢的表面而逸出，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。氢分子在不能扩散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为了合金化而加入的合金元素，*常用的有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒，钛，铌、硼、铝等。现分别说明它们在钢中的作用。
1）硅
   ①提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低；
   ②硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比；
   ③耐腐蚀性。硅的质量分数为15％一20％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，表面也将形成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。
缺点：使钢的焊接性能恶化。
2）锰
   ①锰能提高钢的淬透性。
   ②锰对提高低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t在热处理工艺上必须注意。这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服：
   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阻止石墨化
   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能力，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**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提高钢的抗氢性能。
   ④是使钢具有热硬性。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钒能显著地改善普通低碳低合金钢的焊接性能。
8）钛在钢中的作用
   ①钛能改善钢的热强性，提高钢的抗蠕变性能及高温持久强度；
   ②并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，钛可阻止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行了较多的研究；4％AI即可改变氧化皮的结构，加入6％A1可使钢在980C以下具有抗氧化性。当铝和铬配合并用时，其抗氧化性能有更大的提高。例如，含铁50％一55％、铬30％一35％、铝10％一15％的合金，在1  400C 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，常把铝作为合金元素加入耐热钢中。
   ③此外，铝还能提高对硫化氢和V2O5，的抗腐蚀性。
缺点：
   ①脱氧时如用铝量过多，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、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：冷态成型包括许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量（模具形状、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高的延伸率
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控制夹杂物的形状和分布；
⑧游离渗碳体的数量和分布。
1）冷轧薄钢板：
   碳：碳含量增加会使拉延能力变坏，因此绝大部分钢板都采用低碳钢。
   锰：锰的影响和碳相似，但适当的含量可以减轻硫的**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*大的元素。对于冲压用的热轧钢板，一般不宜以增加碳的办法来提高强度，应采用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
     非金属夹杂物是决定钢的切削性的主要因素。非金属夹杂物的类型、大小、形状、分布和体积百分数不同，对切削性的影响也不同。   为了达到改善钢的切削性的目的，这些非金属夹杂物必须满足下列四个条件：
①在切削运动平面上，夹杂物必须作为应力集中源，从而引起裂纹和脆化切屑的作用。
②夹杂物必须具有一定的塑性，而不致切断金属的塑性流变，从而损害刃具的表面。
③夹杂物必须在刃具的前面与切屑之间形成热量传播的障碍。
④夹杂物必须具有光滑的表面，而不能在刃具的侧面作为磨料。
钢的切削性的提高主要还是通过加入易削添加剂，例如S、P、Pb、Bi、Ca、Se(硒)、Te(碲)等。
●   硫是了解*清楚和广泛应用的易削添加剂。
   当钢中含足够量的Mn时，S的加入将形成MnS夹杂物。加S的碳钢可以提高切削速度25％或更高，它取决于钢的成分和S的加入量。   约1％体积份额的MnS,   可以使高速钢刃具的磨损速率迅速下降。MnS夹杂物在切削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，切屑破断能力得到改善。  MnS 夹杂物还可能在切屑刃具表面沉积为MnS薄层，这种薄层可以降低刃具与切屑的摩擦，导致切削温度和切屑力的降低，并减少刃具的磨损或成为热量传播的障碍，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钢和加S钢中。在不添加S的钢中，Pb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相似，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。
●   近年来许多注意力已经转到通过Ca脱氧生产易削结构钢上。
   通过用Ca-Si和Si-Fe合金控制脱氧，可以形成特定的CaO-MnO-SiO2-Al2O3四元非金属夹杂物，它在机加工时，将在刃具磨损表面沉积为一个薄层（约20μm）。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复杂的工艺性能，因为它既与焊接裂纹的敏感性有关，又与服役条件和试验温度下所要求的韧性有密切联系。
●   一般认为，高强度低合金钢的焊接性是良好的，并且随含碳量的降低，焊接性得到改善。
●   为此，国际焊接协会根据统计数据，采用碳当量为比较的基础，由加入的各元素来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：元素符号代表该元素重量百分比。
   碳当量越低，焊接性能越好。
   碳当量≤0.35%，焊接性能良好；碳当量≥0.4-0.5%，焊接就较困难。