常见元素对金属材料性能的影晌

1.4

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