钢中常存杂质对钢性能影响

钢内部组织及对钢性能的影响钢是由铁和一定比例的碳组成的合金材料。

它的内部组织对钢的性能产生了重要影响。

钢的内部组织主要包括晶粒、杂质、孪晶和相结构等。

首先，晶粒是钢材内部组织的基本单位。

晶粒是由原子构成的，其大小和形状对钢的性能有重要影响。

晶粒越细小，钢材的强度和韧性通常越高。

这是因为细小的晶粒使得晶界面积增加，晶界是材料中的弱点，对晶体的外部应力起强化作用，从而提高了钢材的强度。

此外，小晶粒也能阻碍晶体的滑移和移位，增加了材料的韧性。

其次，杂质是影响钢性能的重要因素。

杂质包括各种非金属元素和气体，例如硫、磷、氧等。

这些杂质会导致钢材的焊接性、韧性和脆性发生变化。

例如，过多的硫和磷会造成热脆性，降低钢的韧性。

氧化物杂质会导致钢材的剥离、气泡等缺陷，降低钢的强度和韧性。

孪晶是一种特殊的晶界结构，在钢材中具有重要影响。

孪晶是指在塑性变形过程中，晶体沿着特定的输运方向发生薄穗形变而形成的细小晶粒。

钢中的孪晶具有高应力集中和位错富集的特点，使得材料的塑性发生显著变化。

一般情况下，孪晶会降低钢的韧性和抗疲劳性能。

最后，相结构是钢材内部组织的另一个重要特征。

相是指钢材中存在的各种化学成分在固态下形成的组织。

钢中常见的相有铁素体、贝氏体、马氏体等。

不同的相结构会导致钢的力学性能、耐磨性、耐蚀性等发生变化。

例如，贝氏体具有高硬度和强度，常用于制造刀具等需要高耐磨性能的工具钢。

马氏体则具有较高的强度和耐磨性，常用于制造高强度的汽车零件等。

综上所述，钢的内部组织对其性能具有重要影响。

晶粒的大小和形状、杂质的含量、孪晶的形成和相结构的类型等因素都会对钢的强度、韧性、焊接性、脆性、耐磨性以及耐蚀性等产生重要影响。

因此，在钢材的制备和应用中，需要对钢的内部组织进行合理控制，以获得理想的性能和使用效果。

2.5 各种因素对钢材性能的影响一．化学成分普通碳素钢中Fe占99%，其他杂质元素占1%；普通低合金钢中有＜5%的合金元素。

碳（C）：钢材强度的主要来源，但是随其含量增加，强度增加，塑性、冷弯性能、冲击性能、疲劳强度降低，可焊性降低，抗腐蚀性降低。

一般控制在0.22%以下，在0.2以下时，可焊性良好。

硫（S）：热脆性。

有害元素，引起热脆和分层。

不得超过0.05%。

磷（P）：冷脆性。

抗腐蚀能力略有提高，可焊性降低。

不得超过0.045%。

锰（Mn）：合金元素。

弱脱氧剂。

与S形成MnS，（熔点为1600℃），可以消除一部分S的有害作用。

硅（Si）：合金元素。

强脱氧剂。

，可细化精粒，提高强度，且不影响其它性能，但过量会恶化焊接性和抗锈性。

钒（V）：合金元素。

细化晶粒，提高强度，其碳化物具有高温稳定性，适用于受荷较大的焊接结构。

氧（O）：有害杂质。

氮（N）：有害杂质。

碳当量(carbon equivalent )把钢中合金元素的含量按其对某种性能(如焊接性、铸造工艺性等)的作用换算成碳的相当含量。

C eq=C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15二．冶金缺陷常见的冶金缺陷有偏析、非金属夹杂、气孔、裂纹等。

1.偏析：金属结晶后化学成分分布不均匀的现象。

主要是硫、磷偏析，其后果是偏析区钢材的塑性、韧性、可焊性变坏。

2.非金属夹杂：指钢材中的非金属化合物，如硫化物、氧化物，他们使钢材性能变脆。

3. 裂纹：钢材中存在的微观裂纹。

4. 气泡：浇铸时由FeO 和C 作用所生成的CO 气体不能充分逸出而滞留在钢锭那形成的微小空洞。

5. 分层：浇铸时的非金属夹杂在轧制后可能造成钢材的分层。

三．构造缺陷a)Nσ应力集中现象xyb)(σ )σx maxc)N试件表面不平整，有刻槽、缺口，厚度突变时，应力不均匀，力线变曲折，缺陷处有高峰应力——应力集中。

结果：塑性降低，脆性增加。

应力集中对σ－ε关系的影响σ3000200100600500400700原因：不正确的设计（构造不合理）、制造（不光滑）及使用（在构件上乱打火等）。

第三节非合金钢（碳钢）[钢]：是指以铁为主要元素，碳的质量分数Wc<2.11%并含有少量硅、锰、磷、硫等杂质元素的铁碳合金。

根据国家标准GB/T13304-1991规定，钢按化学成分分为非合金钢、低合金钢、合金钢三类。

[非合金钢]：是指钢中各元素含量低于规定值的铁碳合金。

（碳钢）不仅价格低廉，容易加工，而且能满足一般工程结构和机械零件的使用性能要求，是最广泛应用的材料。

一、杂质元素对钢性能的影响钢中常存杂质元素是钢冶炼时进入的，它们对钢的性能有一定的影响。

1、锰的影响锰是由炼铁原料铁矿石及炼钢时加脱氧剂（锰铁）中带入的，非合金钢中锰的质量分数一般约为0.25%~0.80%。

锰的脱氧能力较好，能清除钢中的FeO，降低钢的脆性，与硫化合成MnS，可以减轻硫的有害作用。

锰还能溶于铁素体形成置换固溶体，产生固溶强化,提高钢的强度和硬度。

锰在钢中是一种有益元素。

2、硅的影响硅是由炼铁原料铁矿石及炼钢时加脱氧剂（硅铁）中带入的，非合金钢中锰的质量分数一般约为0.10%~0.40%，硅的脱氧能力比锰强，与钢液中的FeO生成炉渣，清除FeO对钢质量的不良影响，也能溶于铁素体中产生固溶强化，提高钢的强度和硬度，硅在钢中也是一种有益元素。

3、硫的影响硫是在炼铁时由矿石和燃料带进的，它不溶于铁，而是以化合物FeS的形式存在。

FeS与Fe形成低熔点共晶体（熔点为985℃），分布在奥氏体的晶界上。

当钢在1000~1250℃进行热加工时，由于晶界处共晶体熔化，将导致钢变脆而开裂，这种现象称为热脆。

因此，硫在钢中是一种有害元素，必须严格控制。

4、磷的影响磷是炼铁时由矿石带进的，在常温下能溶入铁素体，使钢的强度、硬度提高，但使塑性和韧性降低。

尤其在低温下会使钢的塑性、韧性急剧下降，脆性转化温度升高。

这种现象称为冷脆。

在一般钢中，磷是有害元素，应严格控制。

硫和磷虽是钢中的有害元素，但适当提高它在钢中的含量（一般Ws=0.08％~0.35%、Wp=0.05%~0.15%），可以改善钢的切削加工性能，降价低工件表面粗糙度。

钢材中的合金与杂质含量对其性能的影响工业纯铁的塑性很好，但强度很低，一般不能满足实际需要。

通常加入Si、Mn等合金钢元素改善钢材性能，以满足实际要求。

另外，钢材在冶炼的过程中不可避免的含有C，S，P等杂质元素。

它们的存在，对钢材的性能也有很大影响。

1 对钢材力学性能的影响1.1 杂质的影响1.1.1 碳的影响碳与铁可以形成一系列化合物：Fe3C，Fe2C，FeC等。

碳能提高钢材的强度和硬度，但会降低钢材的塑性。

碳含量增加0.1%，钢材的抗拉强度可提高70MPa，屈服点提高28 MPa。

含碳量大于6.67%的合金脆性大，不具有实际使用价值。

海洋工程用钢根据碳的含量一般可分为三类（Section 8, API RP-2A-WSD, 1994）：①普通钢。

含碳量小于或等于0.4%。

最小屈服应力为280MPA。

②高强度钢。

碳含量为0.45%或更高。

屈服应力在280MPA和360MPA之间。

③对于屈服应力大于360MPA的超高强度钢要限制使用。

1.1.2 硫的影响硫通常以FeS的形式存在于钢材中。

FeS塑性差，熔点低。

钢水结晶时FeS 分布于晶界周围。

在800 0C~1200 0C时，轧制或铸造会导致晶界开裂，此现象即通常所说的钢的热脆现象。

若钢材中有Mn，则可形成高熔点的MnS（1600 0C）。

钢水在结晶时，MnS 呈颗粒分布于晶内，这样就可以大大降低硫的危害。

作为有害杂质，钢材中的硫含量通常限制在≤0.04%。

1.1.3 磷的影响钢材中的磷能全部溶于中，使其在室温下的强度升高，塑性降低，产生冷脆现象。

除上述有害方面外，磷对钢材有很高的强化作用。

磷提高钢材的屈服强度比镍高10倍，比锰高5倍，比铬高5倍，比铜高2.5倍，比硅高2倍，比钛高1.7倍。

磷提高钢材的极限强度比镍高6倍，比锰高5倍，比铬高3倍，比铜高1.1倍，比硅高1.3倍，比钛稍低。

此外，磷、铜共存可大大提高抗腐蚀性。

针对磷使钢脆化，冲击韧性降低，生产中一般把磷控制在0.12%以下。

常存杂质元素对碳钢钢材性能的影响首先是碳元素。

碳是碳钢的主要合金元素，其含量直接影响碳钢的硬度和强度。

普通碳钢的含碳量一般较低，约在0.08%到0.25%之间，其硬度和强度相对较低；而高碳钢的含碳量可以达到0.6%以上，硬度和强度也相对较高。

但是，过高的碳含量容易导致碳钢脆性增大，影响钢材的延展性和韧性，因此需要进行适当调节。

除了碳元素外，还有一些常存的合金元素对碳钢的性能也有重要影响。

其中最重要的是锰元素。

锰作为一种淬硬元素，可以显著提高碳钢的硬度和强度。

此外，锰还可以提高碳钢的冷变形抗力和弯曲性能，改善钢材的加工性能。

一般来说，锰含量在0.3%到1.5%范围内时，锰对碳钢的强化效果比较明显。

除了锰元素，硅、钼、钒、镍等合金元素也常被添加到碳钢中，以改善其性能。

硅可以提高碳钢的强度和硬度，并有利于加工性能的改善。

钼可以增加碳钢的热强度和耐磨性，提高其抗腐蚀性能。

钒的添加可以提高碳钢的强度和耐磨性。

镍可以提高碳钢的韧性和抗腐蚀性能。

此外，氧、氮等非金属元素在碳钢中也被视为常存杂质元素。

氧元素的存在会导致钢材的气孔、夹杂物等缺陷增多，降低钢材的机械性能。

因此，在生产碳钢时需要控制氧元素的含量。

氮元素虽然一般被视为杂质元素，但少量的氮能够提高钢材的强度和硬度，并提高其耐磨性和耐热性能。

综上所述，常存的杂质元素对碳钢的性能有着重要的影响。

合理控制这些杂质元素的含量，可以使碳钢具备适合的硬度、强度、韧性和耐蚀性能。

通过对不同元素的调整和控制，可以生产出适用于不同用途的碳钢材料。

作业11、钢中常存的杂质有哪些？硫、磷对钢的性能有哪些影响？钢中常存的杂质有:Mn、Si、S、P、N、H、O等。

S能形成FeS，其熔点为989℃，钢件在大于1000℃的热加工温度时FeS会熔化，所以易产生热脆；P能形成Fe3P，性质硬而脆，在冷加工时产生应力集中，易产生裂纹而形成冷脆。

P还具有严重的偏析倾向；但P可提高钢在大气中的抗腐蚀性能。

易削钢中S和P可改善钢的切削加工性能。

2、合金元素V、Cr、W、Mo、Mn、Co、Ni、Cu、Ti、Al中哪些是铁素体形成元素？哪些是奥氏体形成元素？哪些能在α-Fe中形成无限固溶体？哪些能在γ-Fe 中形成无限固溶体？铁素体形成元素： V、Cr、W、Mo、Ti；奥氏体形成元素：Mn、Co、Ni、Cu；能在α-Fe中形成无限固溶体的元素：Cr、V；能在γ-Fe中形成无限固溶体的元素：Mn、Co、Ni。

3、碳钢的分类及牌号表示方法。

碳钢的分类：（1）按钢中碳含量可分为低碳钢（wC ≤0.25%）；中碳钢（0.25%＜wC≤0.6%；高碳钢（wC＞0.6%）。

（2）按钢的质量（品质）分为普通碳素钢，优质碳素钢，高级优质碳素钢，特级优质碳素钢。

（3）按钢的用途分为碳素结构钢，优质碳素结构钢，碳素工具钢，一般工程用铸造碳素钢。

（4）按钢冶炼时的脱氧程度分为沸腾钢，镇静钢，半镇静钢，特殊镇静钢。

碳钢的牌号表示方法：（1）普通碳素结构钢由代表屈服点的字母（Q）、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）等四个部分按顺序组成。

Q195、Q275不分质量等级，脱氧方法符号在镇静钢和特殊镇静钢的牌号中可省略。

（2）优质碳素结构钢一般用两位数字表示。

表示钢中平均碳的质量分数的万倍。

若钢中含锰量较高，须将锰元素标出。

沸腾钢在数字后面标“F”（08F、10F、15F），半镇静钢标“b”，镇静钢一般不标符号。

高级优质碳素结构钢在牌号后加符号“A”，特级碳素结构钢加符号“E”。

钢中常存杂质元素中的有害元素及影响一、硅：在钢中是有益元素硅是由炼钢时加入的脱氧剂带入钢中的。

由于硅的脱氧能力较强，硅与钢液中的 FeO 能结成密度较小的硅酸盐以炉渣的形式被除去。

脱氧后钢不可避免地残留着少量硅，这些残留下来的硅能溶于铁素体，使得铁素体强化，从而提高钢的强度、硬度和弹性。

因此，硅在钢中是有益元素，但作为杂质元素存在时其质量分数应不超过0.4％。

二、锰：在钢中是有益元素锰是由炼钢时加入的脱氧剂带入钢中的。

锰从 FeO中夺取氧形成MnO进入炉渣。

锰不能与硫化合成MnS，以减少硫对钢的有害影响，改善钢的热加工性能。

在室温下，锰大部分溶于铁素体，对钢有一定的强化作用。

因此，锰在钢中是有益元素，但作为杂质元素存在时其质量分数应不超过0.8％。

三、硫：在钢中是有害元素硫是由生铁和燃料带入的杂质，炼钢时难以除尽。

在固态下硫不深于铁，而以 FeS的形式存在，FeS与Fe能形成低熔点的共晶体（Fe+FeS），熔点仅为985℃，且分布在奥氏体晶界上。

当钢在1000~1200℃压力加工时，由于低熔点共晶体熔化，显著减弱晶粒之间的联系，使钢材在压力加工时沿晶界开裂，这种现象为热脆。

因此，钢中硫的质量分数必须严格控制。

为了消除硫所形成的热脆，在炼钢时必须增加锰。

由于 Mn与S能形成高熔点（1620℃）的MnS，并呈粒状分布在晶粒内，MnS在高温时有一定的塑性，从而避免了钢的热脆。

硫虽然产生热脆，但对改善钢材的切削加工性能却有利。

如在硫的质量分数较高的钢（ Ws＝0.08％~0.45％）中适当提高锰的质量分数（WMn＝0.70～1.55％），可形成较多的Mns，在切削加工中MnS能起断屑作用，可改善钢的切削加工性，这种钢称为易切削钢，广泛应用于标准件等的生产。

四、磷：在钢中是有害元素磷是由生铁和燃料带入的杂质，炼钢时难以除尽。

磷能全部熔于铁素体，提高了铁素体的强度、硬度；但在室温下钢的塑性、韧性急剧下降，变脆，这种现象称为冷脆。