钢中的元素凡是非特意加入的,无论其含量多少,均为杂质元素。如Mn作为杂质元素存在时,最高质量分数可达1.2%。钢中元素凡是人为有目的添加的,无论其含量多少,均为合金元素。如B用作合金元素使用时,其质量分数一般小于0.%。
非合金钢是指碳的质量分数为0.~2.11%的铁碳合金,俗称碳素钢,简称碳钢。非合金钢的产量约占钢总产量的80%,这种钢除了C和Fe以外,还含有少量的Mn、Si、S、P、O、N等非特意加入的杂质元素,这些杂质元素对非合金钢性能有什么影响呢?
Mn
锰在钢中作为杂质存在时,其质量分数一般都小于0.8%,有时也可能达到1.2%。锰来自自作为炼钢原料的生铁及脱氧剂(锰铁)。在炼钢过程中,锰是良好的脱氧剂和脱硫剂。猛有很好的脱氧能力,锰与硫化合成MnS,可消除硫的有害作用,这些反应产物大部分进入炉渣而被除去,。、小部分残留在钢中成为非金属夹杂物。在室温下锰大部分能溶于铁素体中,对钢有一定的固溶强化作用。所以,锰在非合金钢中是有益元素,但其作为长存元素少量存在时对钢的性能影响不明显。
Si
硅在钢中作为杂志存在时,其质量分数一般均小于0.4%,它同样来源于生铁和脱氧剂(硅铁)。在室温下,硅溶于铁素体中气固溶强化作用,从而提高了热轧钢材的强度、硬度、弹性极限,但会降低其塑性和韧性。贵的脱氧作用比锰强,可以消除FeO夹杂对钢的有害作用。所以,贵在非合金钢中也是有益元素,但其作为长存元素少量存在时对钢的性能影响不显著。
S
硫是由生铁和燃料带入钢中的杂质。在固态下,硫在铁中的溶解度很小,主要以FeS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。还有,FeS与Fe可形成低熔点(℃)的共晶体(FeS+Fe),分布在奥氏体的境界上。将钢加热到~℃进行热压力加工时,低熔点的共晶体已经溶化,晶粒间结合被破坏,导致钢材在加工过程中沿晶界开裂,这种现象就是常说的钢的热脆。
硫是有害的元素,必须增加钢中的含锰量。Mn与S优先形成高熔点的MnS(℃),并现粒状分布于晶粒内,它在高温下具有一定的塑性,避免了热脆性。硫对钢的焊接性也有不良的影响,它不但会导致寒风产生热裂纹,还会在焊接过程中容易生成SO2气体,从而使焊缝产生气孔和疏松。所以,一般情况下硫是有害元素,在钢中要严格限制其含量,通常要求硫的质量分数小于0.05%。但含硫量较多的钢可形成较多的MnS,在切削加工中,MnS能起到断屑的作用,改善了港的可加工性,这是硫有益的一面。
P
磷由生铁带入钢中,在一般情况下钢中的磷能全部溶入铁素体中。磷有强烈的固溶强化作用,可是钢的强度硬度增加,塑性韧性显著降低。这种脆化现象在低温时更为严重,故称为冷脆。冷脆对高寒地带和其他低温条件下工作的结构件具有严重的危害性,一般希望冷脆转变温度地与工件的工作温度,以免发生冷脆。而磷在结晶过程中容易产生境内偏析,使局部含磷量偏高,导致冷脆转变温度升高,从而容易发生冷脆。另外,磷的偏析还会使钢材在热轧后形成带状组织。
因此,磷是有害的杂质元素,在钢中要严格控制其含量,一般要求钢中磷的质量分数小于0.%。但含磷量较多时,由于脆性较大,在制造炮弹钢以及改善钢的可加工性方面是有利的。此外,磷还可以提高钢在大气中的耐蚀性,特别是钢中同时含有铜的情况下耐蚀性更好。
N
氮是钢在冶炼过程中与空气接触而吸收的,对钢的质量有不良的影响。氮室温下在铁素体中的溶解度很低,钢中的过饱和N杂常温放置过程中会以Fe2N、Fe4N的形式析出而是钢变脆,成为实效脆化。在钢中加入Ti、V、Al等元素可使氮被固定在氮化物中,从而消除时效倾向。
O
氧也是钢在冶炼过程中与空气接触而吸收的,对钢的质量也有不良的影响。氧在钢中主要以氧化物夹杂的形式存在,氧化物夹杂与基体的结合力弱,不易变形,易成为疲劳裂纹源。
H
氢同样是钢在冶炼过程中与空气接触而吸收的,对钢的质量影响更大,危害性也更大,主要表现为氢脆。常温下氢在钢中的溶解度很低,原子态的过饱和氢将降低港的韧性,引起氢脆。当氢在时缺陷处以分子态析出时,会产生很高的内压,形成微裂纹,这将严重影响钢的力学性能,是钢以于脆断,这是不允许的。这种裂纹在横断面宏观磨片上腐蚀后显现为毛细裂纹,故又称发裂。在纵向断面上,裂纹显现为近似圆形或椭圆形的银白色斑点,故称白点。预防氢脆是重之重。
夹杂物
非金属夹杂物是指在金属冶炼和浇注过程中产生或混入的,与金属基体成分和结构都不同的非金属化合物。钢中的非金属夹杂物是由于炉料带入,炉渣、耐火材料侵蚀驳落及冶炼中的反应物融入钢液中形成的,常见的有:氧化物、硫化物、硅酸盐等。
非金属夹杂物破坏了金属基体的连续性,加大了组织的不均匀性,严重影响了金属的各项性能。例如,钢中的非金属夹杂物导致应力集中,引起疲劳断裂;数量多且分布不均夹杂物会使材料具有各向异性,显著降低金属的塑性、韧性、焊接性、耐蚀性;钢中显网状存在的硫化物会造成热脆性。所以,夹杂物的数量和分布是评定钢材质量的一个重要指标,也是优质钢与高级优质钢出厂的常规检测项目之一,选材时必须考虑的因素之一。