硫磷元素对钢材焊接性能的影响及碳当量概念

硫磷对钢材焊接的影响

1．硫

硫是由生铁及燃料带入钢中的杂质。在固态下，硫在铁中的溶解度极小，而是以FeS的形态存在于钢中。由于FeS的塑性差，使含硫较多的钢脆性较大。更严重的是，FeS与Fe可形成低熔点（985℃）的共晶体，分布在奥氏体的晶界上。当钢加热到约1200℃进行热压力加工时，晶界上的共晶体已溶化，晶粒间结合被破坏，使钢材在加工过程中沿晶界开裂，这种现象称为热脆性。为了消除硫的有害作用，必须增加钢中含锰量。锰与硫优先形成高熔点（1620℃）的硫化锰，并呈粒状分布在晶粒内，它在高温下具有一定塑造性，从而避免了热脆性。硫化物是非金属夹杂物，会降低钢的机械性能，并在轧制过程中形成热加工纤维组织。因此，通常情况下，硫是有害的杂质。在钢中要严格限制硫的含量。但含硫量较多的钢，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，这是硫有利的一面。

2．磷

磷由生铁带入钢中，在一般情况下，钢中的磷能全部溶于铁素体中。磷有强烈的固溶强化作用，使钢的强度、硬度增加，但塑性、韧性则显著降低。这种脆化现象在低温时更为严重，故称为冷脆。一般希望冷脆转变温度低于工件的工作温度，以免发生冷脆。而磷在结晶过程中，由于容易产生晶内偏析，使局部地区含磷量偏高，导致冷脆转变温度升高，从而发生冷脆。冷脆对在高寒地带和其它低温条件下工作的结构件具有严重的危害性，此外，磷的偏析还使钢材在热轧后形成带状组织。因此，通常情况下，磷也是有害的杂质。在钢中也要严格控制磷的含量。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切削加工性方面则是有利的。

硫磷氮氧对钢材性能有何影响

非金属夹杂物对钢的强度、塑性、断裂韧性、切削、疲劳、热脆以及耐蚀等性能有很大影响。一般认为，夹杂物的成分、数量、形状、分布以及在基体中的空间分布等影响钢的性能。S.Ruddnik[26]指出，只有当非金属夹杂物的尺寸小于1μm，且其数量少、夹杂物彼此之间的距离大于10μm时，才不会对材料的宏观性能造成影响。当然，不同钢种用途不同，对夹杂物的要求也不一样，例如，不同钢种和不同受力状态时，夹杂物对性能无害的临界尺寸是不同的。

（1）非金属夹杂物对钢的强度影响

夹杂物对钢的强度的影响与颗粒尺寸密切相关。通过在烧结铁中加入不同尺寸（0.01－35μm）、形状（球形和棱角的）、比例（0－8%）的氧化铝颗粒进行试验

得出[26]：室温下，氧化铝颗粒超过1μm时，使屈服强度和抗张强度降低；当夹

杂物的含量很低时，对屈服强度的降低特别敏感。长谷川正义[27]向浇注的钢流中喷射高熔点氧化物，研究了不同的氧化物颗粒直径，体积比对常温抗张强度的影响，结果表明：无论喷射氧化铝或氧化锆试样，屈服和抗张强度都随粒子体积比的增大而升高。另外，金属断裂时，裂纹不仅在基体中形成，而且也经常在夹杂物中形成，造成钢的断裂，Smith提出边界夹杂物开裂的强度断裂理论[28]。

（2）非金属夹杂物对钢的塑性影响

通常夹杂物对钢材的纵向延性影响不大，而对横向延性的影响却很显著。研究表明，高强度钢的横向断面收缩率随夹杂物总量的增加而降低。夹杂形状对对横向延性的影响更为显著，随着带状夹杂物的增加，横向断面收缩率明显降低，这种带状夹杂物主要是硫化物。Funnell等[29]研究指出，夹杂物对钢的高温延性有很大影响，

低碳钢在奥氏体区延性大大降低，其原因是细小的第二相析出物（如AlN、TiN、

Nb(C,N)等）能有效钉扎奥氏体晶界，从而降低延性。

（3）非金属夹杂物对钢的断裂韧性影响

文献[30,31]中指出，S及硫化物的含量增加降低钢的各种韧性指标，钢的断裂韧

性随着夹杂物数量或长度的增加而下降。曾光廷等[31]研究了硫化物和氮化物夹杂对钢的断裂韧性的影响，并与Krafft模型计算值进行了比较，结果得出：对断裂

韧性的危害由小到大依次为VN→TiS→AlN→NbN→ZrN→Al2S3→CeS→MnS ；夹杂

物含量与断裂韧性大小呈线性反比关系，TiS对断裂韧性没有影响。一些研究工作

讨论了夹杂物作为裂纹根源的作用问题[29]，研究证明，钢中的脆性夹杂物由于与钢基体的热膨胀系数不同，在夹杂物周围容易产生内应力。

李代锺[30]认为，为使钢材具有良好的韧性和使韧性各向异性尽可能降低，对夹杂物的要求是：①夹杂物的体积分数尽可能低；②夹杂物分布均匀；③夹杂物要有紧凑的外形；④夹杂物的硬度最好为钢基体的两倍，以使夹杂物在热加工时变形最小。

碳当量的概念

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。

碳钢及合金结构钢的碳当量经验公式

C当量=[C+Mn/6+(Cr+Mo+V)/5+(Ni+Cu)/15]*100%

式中：C、Mn、Cr、Mo、V、Ni、Cu为钢中该元素含量

碳当量Ceq（百分比）值可按以下公式计算：

Ceq=C+Mn/6+(Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15

(碳当量Ceq的允许偏差为+0.03%）国际焊接学会(IIW)的碳当量CE公式

CE= [W(c) +W(Mn)/6+[W(Cr)+W(Mo)+W(V) ]/5

+[W(Ni)+W(Cu)]/15

焊接性的Ce(碳当量)评估

CE≤0.4%焊接性好；

当CE=0.4~0.6%焊接性稍差，焊前需适当预热；

当CE≥0.6%焊接性较差，属难焊材料，需采用较高的预热温度和严格的工艺方法；钢材中氧、氢、氮、硫、磷属有害元素，同样影响焊接性能；