杂质元素对钢材性能的影响课件

第二章碳钢第4节杂质元素对钢的性能影响，钢锭的组织和缺陷，碳钢的分类和牌号常存杂质元素对钢性能的影响硅锰氢氮硫磷一、硅和锰的影响有利少量溶入铁素体中，产生固溶强化有害形成SiO2及MnS，形成夹杂物较多二、硫和磷的影响硫热脆磷冷脆普通钢优质钢高级优质钢w S≤0.035~0.050% w P≤0.035~0.045%w S≤0.030~0.035% w P≤0.030~0.035%w S≤0.020%w P≤0.030%三、钢中气体对钢的作用(H、N)氢➢“氢脆”氮➢“应变时效”，增加钢的脆性➢钢中含有Al、V、Ti、Nb时，与N形成细小弥散氮化物，细化晶粒钢锭的组织和缺陷1. 镇静钢锭的组织镇静钢锭宏观组织示意图1—表层细晶区2—柱状晶区3—中心等轴晶区2. 镇静钢锭的缺陷缩孔和疏松区域偏析气泡≤ 0.25%C w C w =0.25%～0.60%按碳含量中碳钢高碳钢低碳钢按用途碳素结构钢碳素工具钢碳钢的分类＞0.60%C w1. 普通碳素结构钢特点：保证力学性能，在牌号上直接体现，不保证成分Q ＋数字（-字母·字母）“屈”的汉语拼音第一个字母屈服强度MPa 质量等级冶炼方式牌号2. 优质碳素结构钢特点：保证化学成分和力学性能，可热处理获得需要的性能常用牌号3. 工具钢特点：保证化学成分和力学性能，需要热处理获得需要的性能牌号T7 T8 T9 T10 T11 T12 T13T10A T12A (高级优质钢）。

常存杂质元素对钢材性能的影响普通碳素钢除含碳以外，还含少量锰(Mn)、硅(si)、硫(5)、确(P)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。

现讨论这些杂质对钢性能的影响。

硫的影响硫是炼钢时由矿石与燃料焦炭带到钢中来的杂质。

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。

钢材的热加工温度-般在1150-1200℃以亡，故当钢材热加工时．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，故必须对钢中含硫虽进行控制。

高级优质钢；S≤0.02~0.03%，优质钢：s≤0.003%~0.045%；普通钢：S≤0.055%~0.7%以下。

压力容器专用钢材的磷含量(熔炼分析，下同)不应大于0.030％，硫含量不应大于0.020％。

铬不锈钢在铬不锈钢中．起耐腐蚀作用的主要元素是铬。

铬能在氧化性介质中生成一层稳定而致密的氧化膜，对钢材起保护作用、因而具耐蚀件。

然而其耐蚀性的强弱取决于钢中的含碳量和含铬量。

理论与实践研究证明，当含铬量大于11.7％时，钢的耐蚀性会有显著提高，而且含铬量愈多，耐蚀性愈好。

由于钢中存在碳元素．碳能与铬形成铬的碳化物(如Cr23C6等)，因而消耗了铬，致使钢中的有效铬含量减少．使钢的耐蚀性降低．故不锈纳中的含碳量都是较低的。

为了确保不锈钢具有耐腐蚀性能，实际应用的不锈钢，其平均含铬量都在13％以上。

常用的铬不锈钢有Icrl3、2crl3、0Cr13、ocrl7Ti等。

Ti: 加入Ti能提高抗高温高压H2-N2-NH3腐蚀的能力，与其它元素配合使用能提高钢抗大气、海水及H2S 腐蚀能力。

Nb：一般与其它元素配合使用，籍以提高钢抗大气、海水、H2S及高温高压H2-N2-NH3腐蚀能力。

Mo：能提高钢的强度和高温强度（热强性和蠕变强度），防止钢的回火脆性，能提高钢抗H2S，NH3,CO,H2 O,高温高压H2和弱还原酸腐蚀的能力。

1：Mn：钢中的锰来自炼钢生铁及脱氧剂锰铁，一般认为Mn在钢中是一种有益的元素。

在碳钢中含锰量通常小于0.8%；在含锰合金钢中，含锰量一般控制在1.0%--1.2%范围内。

Mn大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，并使铁素体强化；另一部分Mn溶于Fe3C中，形成合金渗碳体，这都使钢的强度提高，Mn与S化合成MnS，能减轻S的有害作用。

当Mn含量不多，在碳钢中仅作为少量杂志存在时，它对钢的性能影响并不明显。

2：Si：硅也是来自炼钢生铁和脱氧剂硅铁，在碳钢中含硅量通常小于0。

35，Si与Mn一样能溶于铁素体中，使铁素体强化，从而使钢的强度、硬度、弹性提高，而塑性、韧性降低。

有一部分Si则存在于硅酸盐杂质中。

当Si含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时，它对钢的性能影响并不显著。

3：S：硫是生铁中带来的而在炼钢时又未能除尽的有害元素。

硫不溶于铁，而以FeS形式存在，FeS会与Fe形成共晶，并分布于奥氏体的晶界上，当钢材在1000~1200摄氏度压力加工时，由于FeS-Fe共晶（熔点只有989摄氏度）已经融化，并使晶粒脱开，钢材将变得极脆，这种脆性现象称为热脆。

为了避免热脆，钢中含硫量必须控制，普通钢含硫量应小于或等于0.055%，优质钢含硫量小于或者等于0.040%，高级优质钢含硫量应小于或等于0.030%。

在钢中增加含锰量，可消除S的有害作用，Mn能与S形成熔点为1620摄氏度的MnS，而且MnS在高温时具有塑性，这样能避免热脆现象。

4：P：磷也是生铁中带来的而在炼钢时又未能除尽的有害元素。

磷在钢中全部溶于铁素体中，虽然可以使铁素体的强度、硬度有所提高，但却使室温下的钢的塑性、韧性急剧降低，并使钢的脆性转化温度有所升高，使钢变脆，这种现象称为“冷脆”。

磷的存在还会使钢的焊接性能变坏，因此钢中的含磷量应该严格控制，普通钢含磷量应该小于或等于0.045%，优质钢含磷量应该小于等于0.040%，高级优质钢含硫量应小于或等于0.035%。

常存杂质元素对碳钢性能的影响常存杂质元素对碳钢性能的影响碳钢中，碳是决定钢性能的主要元素。

但是钢中还含有少量的锰、硅、硫、磷等常见杂质元素，它们对钢的性能也有一定的影响。

㈠锰的影响锰是炼钢时加入锰铁脱氧而残留在钢中的。

锰的脱氧能力较好，能清除钢中的FeO，降低钢的脆性；锰还能与硫形成MnS,以减轻硫的有害作用。

所以锰是一种有益元素。

但是，作为杂质存在时，其含量（Wmn）一般不小于0.8%，对钢的性能影响不大。

㈡硅的影响硅是炼钢时加入硅铁脱氧而残留在钢中的。

硅的脱氧能力比锰强，在室温下硅能溶入铁素体，提高钢的强度和硬度。

因此，硅也是有益元素。

但作为杂质存在时，其含量（Wsi）一般小于0.4%，对钢的性能影响不大。

㈢硫的影响硫是炼钢时由矿石和燃料带入钢中的。

硫在钢中与铁形成化合物FeS，FeS与铁则形成低熔点（985°C）的共晶体分布在奥氏体晶界上。

当钢材加热到1100-1200°C进行锻压加工时，晶界上的共晶体已熔化，造成钢在锻压过程中开裂，这种现象称为“热脆”。

钢中加入锰，可以形成高熔点（1620°C）的MnS，MnS呈晶粒状分布在晶粒内，且在高温下有一定的塑性，从而避免热脆。

因此，硫是有害元素，其含量（Ws）一般应严格控制在0.03%-0.05%以下。

㈣磷的影响磷是炼钢时由矿石带入钢中的。

磷可全部溶于铁素体，产生强烈的固溶强化，，使钢的强度和硬度增加，但塑性韧性显著下降。

这种脆化现象在低温时更为严重，故称为“冷脆”。

磷在结晶时还容易偏析。

从而在局部发生冷脆。

因此，磷也是有害元素，其含量必须严格控制在0.035%-0.045%以下。

但是，在硫磷含量较多时，由于脆性较大，切削容易脆断而形成断裂切屑，改善钢的切削加工性。

这是硫、磷有利的一面。

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。