元素在金属中的作用.docx
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元素在金属中的作用
元素在金属中的作用
2009-05-2115:
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化学成分对钢性能的影响
.2.2．耐腐蚀性能（化学性能）
金属材料在特定的介质环境中，会遭受腐蚀。
腐蚀不仅会造成金属的损失，更重要的是会导致金属的破坏，从而威胁到压力管道的安全。
事实已证明，许多压力管道的破坏都与材料的腐蚀有关。
石油化工生产过程中所处理的物料大多数是对金属材料有腐蚀的物质，因此材料对介质的抗腐蚀性就成了选择材料的重要依据。
◆材料的选择应避免应力腐蚀的发生，因为它会带来压力管道在不可预知的情况下突然断裂，从而导致重大事故的发生;
◆选用的材料应有足够的抗介质均匀腐蚀的能力，以便材料不致于在短时间内因腐蚀造成的管道壁厚急剧减薄而失效等等。
应力腐蚀：
材料在腐蚀与应力的同时作用下产生的腐蚀。
它只发生于一些特定的“材料－环境”体系，如“奥氏体不锈钢－Cl－”，“碳钢－NO3－”，当然还必须存在应力（外力、或焊接、冷加工等产生的残余应力）
均匀腐蚀：
是由于空气中的氧或其它条件在金属表面进行全面腐蚀而产生可溶性盐，随着时间的延长，壁厚则减少。
1.2.3物理性能
材料的物理性能主要是指：
密度ρ（kg/m3）、导热系数、比热、熔点Tm（℃）、线膨胀系数、弹性模量E、比重
1.2.4.制造工艺性能
材料的制造工艺性能也是影响材料选择的一个重要因素，主要有：
1）切削加工性能：
它是反映金属及合金进行冷机械切削加工难易程度的一个指标。
常用金属材料的切削加工性能：
铝合金及镁合金>铜合金>一般铸铁>碳素钢>合金钢>奥氏体不锈钢。
2）可铸性：
它是指液体金属在铸造过程中的流动性和凝固时的收缩性以及产生铸造缺陷的倾向性。
常用的金属材料中铸铁的铸造性较好，而铸钢的铸造性则较差，合金钢的铸造性更差。
3）可锻性：
它是指金属材料通过锻造等压力加工方式而成形的能力。
一般情况下，金属材料的可锻性包括其塑性变形抗力、金属固态流动性、对模具的摩擦力、对氧化起皮的抗力、热裂倾向等性能。
脆性材料无可锻性。
4）可焊性：
它是指金属材料通过常规的焊接方法和焊接工艺而获得良好焊接接头的性能。
良好的焊接接头是指不易产生焊接缺陷如裂纹、气孔、夹杂等，且焊接接头的机械性能接近母材的焊接接头。
焊接是压力管道中最常用的连接方式之一，因此可焊性也是影响材料选用的一个重要因素。
5）热处理性能：
金属的热处理性能是指材料在热处理过程中表现出的淬硬性、淬透性、变形、开裂、氧化、脱碳的倾向及晶粒长大的倾向等。
1.2.5材料的经济性
材料的选择不能脱离经济性这个杠杆作用，这就是工程材料研究与一般材料研究区别的显著标志。
选材的原则：
设计选材既要可靠，又要经济，能用低等级材料时就不要选用高等级材料。
对材料的制造要求也应适当，要结合使用条件来规定各项检查试验要求。
对于加工性能良好的材料，或者制造商制造水平较高时，或者应用条件比较缓和时，就不必再提出许多超出制造标准要求的附加检验项目，较多的附加检查试验要求是不经济的。
对于每一种金属材料来说，以上各类性能不可能都是优秀的，选用材料时，只能扬长避短，物尽其用。
温度对金属材料性能的影晌
金属材料处于不同的温度环境时，其性能将发生一系列的变化。
了解这些变化，对于确定材料应用条件和正确选用材料是必须的。
实际的工程实践也证明，温度条件是影响设计选材的一个重要条件，甚至在许多情况下，温度条件是确定选材的决定条件。
1.3.1金属材料在高温下的性能变化
1）材料的蠕变及应力松弛
材料的蠕变：
Fe203氧化皮，该氧化皮很容易脱落而使金属减薄，故不受力的碳钢一般也应限制在560℃以下工作。
※一般情况下，压力管道都不会以材料的抗氧化极限温度作为使用限制，只有在很特殊的情况下（如烧焦时）才可能这样做。
常用材料的抗氧化极限温度列于表1-2。
常用金属材料的抗氧化极限温度
钢材牌号抗氧化极限温度℃
碳素钢≤560
12CrMo≤590
15CrMo≤590
1Cr5Mo≤650
0Cr18Ni9、0Cr18Ni10Ti≤850
0Cr17Ni12Mo2、0Cr25Ni20≤1100
1.3.2金属材料在低温下的性能变化
在低温情况下，材料因其原子周围的自由电子活动能力和“粘结力”减弱而使金属呈现脆性。
一般情况下，对于每种材料，都有这样一个临界温度，当环境温度低于该临界温度时，材料的冲击韧性会急剧降低。
通常将这一临界温度称为材料的脆性转变温度。
为了衡量材料在低温下的韧性，常用低温冲击韧性〈冲击功〉来衡量，许多工程设计标准上都给出了材料低温冲击韧性（冲击功）的限制。
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0.25～0.45%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、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℃~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强度和屈服比及低温韧性，因此它已成为普通低合金钢的一种比较理想的合金元素。
3）由于钒对碳的固定作用，在高温下，对抗氢腐蚀（脱碳和脆化）是有益的。
◆在抗氢钢中钒和碳含量之比应在5.7左右，过低时不足以有效地起抗氢腐蚀作用，过高时，将有部分的钒溶入铁素体中降低其塑性和焊接性能。
f.硅（Si）在低合金钢中的作用
硅作为杂质元素时，它在低合金钢中的作用与在碳素钢中的作用相同。
作为合金元素时一般应不低于0.4%，硅在钢中不形成碳化物，而是以固溶体的形态存在于铁素体或奥氏体中。
1）硅固溶于铁素体和奥氏体中可起到提高它们的硬度和强度的作用
◆在常见元素中仅次于磷，而较锰、镍、铬、钨、钼、钒等为强。
但硅含量若超过3%时，将显著地降低钢的塑性、韧性和延展性。
2）当硅含量达到一定值时，它对钢的抗腐蚀性能有显著的增强作用。
硅含量为15%～20%的硅铸铁是很好的耐酸材料，对不同温度和浓度的硫酸、硝酸都很稳定，但在盐酸和王水的作用下稳定性很小，在氢氟酸中则不稳定。
3）提高钢在高温时的抗氧化性。
含硅的钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成SiO2薄层。
g.铝（AL）在低合金钢中的作用
1）时能提高钢的抗氧化性，改善钢的电磁性能，提高渗氮钢的耐磨性和疲劳强度等。
因此，铝在不起皮钢、电热合金、磁钢和渗氮钢中，得到了广泛的应用。
2）铝在铁素体及珠光体钢中，当它的含量较高时，材料的高温强度和韧性较低。
3）当铝含量达到一定量时，可使钢产生钝化现象，使钢在氧化性酸中具有抗蚀性，但使钢的焊接性变坏。
4）铝还能提高钢对硫化氢的抗蚀作用。
铝含量在4%左右的钢，在温度不超过600℃时有较好的抗硫化氢腐蚀作用。
5）铝对钢在水蒸汽、氯气、特别是在氯气及其化合物气氛中的抗蚀作用是不利的。
h.硫（S）、氧（0）、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）等杂质元素在低合金钢中的作用
同在碳素钢中的作用。
1.4.3常用高合金钢中各元素对其性能的影响
压力管道中常用的高合金钢为含碳量小于0.10％的铬钼、铬镍、铬镍钼耐热钢和不锈钢。
高合金钢中，主要影响元素：
碳（C）、铬（Cr）、钼（Mo）、镍（Ni）、钛（TI）、硅（Si）等
杂质元素：
硫（S）、磷（P）、砷（As）、锑（Sb）等。
a.碳（C）在高合金钢中的作用
碳也是高合金钢中的强化元素，但不是主要强化元素，此时的强化元素主要是合金元素。
为了满足高合金钢的塑性、韧性、耐蚀性和焊接性能的要求，它的含碳量一般不大于0.1%。
对于铬镍或铬镍钼奥氏体不锈钢，它的含碳量一般不大于0.08%。
当其含碳量小于等于0.03%时，由于含碳量较低，高温强度也较低，故不宜用于525℃及以上的温度环境中。
作为高温下耐热用的高合金钢，其含碳量应大于等于0.04％，但此时奥氏体不锈钢的抗晶间腐蚀性能下降。
b.钼Mo在高合金钢中的作用
与在低合金钢中的作用相似。
c.镍（Ni）在高合金钢中的作用
它是奥氏体不锈钢中的主加元素。
镍和碳不形成碳化物，它是形成和稳定奥氏体的主要合金元素。
镍与铁以互溶的形式存在于钢中的α相和γ相中，使之强化。
1）镍能细化铁素体晶粒，改善钢的低温性能。
◆
含镍量超过一定值的碳钢，其低温脆化转变温度显著降低，而低温冲击韧性显著提高，因此镍钢常用作低温材料。
一般情况下，含镍达到3.5%的镍钢可以在-100℃低温下使用；含镍达到9%的镍钢可在－196℃超低温下使用。
含镍的低合金钢还有较高的抗腐蚀疲劳性能。
2）镍是有一定抗腐蚀能力的元素，对酸、碱、盐以及大气均具抗蚀能力
◆
镍钢不宜在含硫或一氧化碳的气氛中加热，因为镍易与硫化合，在晶界上形成低熔点的NiS网状组织而产生热脆。
在高温时镍将与一氧化碳化合形成Ni（CO）4气体而由合金中逸出，从而在材料中留下孔洞。
3）在奥氏体热强钢中，镍的作用只是使钢奥氏体化。
镍不增加钢对蠕变的抗力，因此一般不作为热强钢中的强化元素。
钢的强度必须靠其它元素如钼、钨、钒、铁、铝来提高。
d.钛（Ti）在高合金钢中的作用
钛是最强的碳化物形成元素，与氮、氧的亲合力也极强，是良好的脱气剂和固定氮、碳的有效元素，正因为这样，含钛的高合金钢不宜用作铸件。
1）由于钛能固定碳，有防止和减轻材料晶间腐蚀和应力腐蚀的作用。
2）钛能提高耐热钢的抗氧化性和热强性。
e.硅（Si）在高合金钢中的作用
1）各种奥氏体不锈钢中加入约2%的硅，可增强它们的高温不起皮性。
2）在铬、铬铝、铬镍、等钢中加入硅，都将提高它们的高温抗氧化性
化学元素对钢性能的影响
1、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。
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2、硅（Si）：
在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30%的硅。
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。
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。
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。
硅量增加，会降低钢的焊接性能。
3、锰（Mn）：
在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.50%。
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，如16Mn钢比A3屈服点高40%。
含锰11－14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。
锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能，大断面的高锰钢加热过快，可能出现内裂。
4、磷（P）：
在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。
因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些。
5、硫（S）：
硫在通常情况下也是有害元素。
使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。
硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。
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。
6、铬（Cr）：
在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。
铬又能提高钢的抗氧化性和耐腐蚀性，因而是不锈钢，耐热钢的重要合金元素。
7、镍（Ni）：
镍能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。
镍对酸碱有较高的耐腐蚀能力，在高温下有防锈和耐热能力。
但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用镍铬钢。
8、钼（Mo）：
钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力（长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变）。
结构钢中加入钼，能提高机械性能。
还可以抑制合金钢由于火而引起的脆性。
在工具钢中可提高红性。
9、钛（Ti）：
钛是钢中强脱氧剂。
它能使钢的内部组织致密，细化晶粒力；降低时效敏感性和冷脆性。
改善焊接性能。
在铬18镍9奥氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀。
10、钒（V）：
钒是钢的优良脱氧剂。
钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。
钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。
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11、钨（W）：
钨熔点高，比重大，是贵生的合金元素。
钨与碳形成碳化钨有很高的硬度和耐磨性。
在工具钢加钨，可显著提高红硬性和热强性，作切削工具及锻模具用。
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12、铌（Nb）：
铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。
在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。
铌可改善焊接性能。
在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。
13、钴（Co）：
钴是稀有的贵重金属，多用于特殊钢和合金中，如热强钢和磁性材料。
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14、铜（Cu）：
武钢用大冶矿石所炼的钢，往往含有铜。
铜能提高强度和韧性，特别是大气腐蚀性能。
缺点是在热加工时容易产生热脆，铜含量超过0.5%塑性显著降低。
当铜含量小于0.50%对焊接性无影响。
15、铝（Al）：
铝是钢中常用的脱氧剂。
钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。
铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。
铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。
16、硼（B）：
钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。
17、氮（N）:
氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。
18、稀土（Xt）：
稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。
这些元素都是金属，但他们的氧化物很象“土”，所以习惯上称稀土。
钢中加入稀土，可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善了钢的各种性能，如韧性、焊接性，冷加工性能。
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