常用金属材料中各种化学成分对性能的影响

常用金属材料中各种化学成分对性能的影响（精选3篇）

常用金属材料中各种化学成分对性能的影响 篇1

1.生铁：

生铁中除铁外，还含有碳、硅、锰、磷和硫等元素，这些元素对生铁的性能均有一定的影响。

碳(C)：在生铁中以两种形态存在，一种是游离碳(石墨)，主要存在于铸造生铁中，另一种是化合碳(碳化铁)，主要存在于炼钢生铁中，碳化铁硬而脆，塑性低，含量适当可提高生铁的强度和硬度，含量过多，则使生铁难于削切加工，这就是炼钢生铁切削性能差的原因。石墨很软，强度低，它的存在能增加生铁的铸造性能。

硅(Si)：能促使生铁中所含的碳分离为石墨状，能去氧，还能减少铸件的气眼，能提高熔化生铁的流动性，降低铸件的收缩量，但含硅过多，也会使生铁变硬变脆。

锰(Mn)：能溶于铁素体和渗碳体。在高炉炼制生铁时，含锰量适当，可提高生铁的铸造性能和削切性能，在高炉里锰还可以和有害杂质硫形成硫化锰，进入炉渣。

磷(P)：属于有害元素，但磷可使铁水的流动性增加，这是因为硫减低了生铁熔点，所以在有的制品内往往含磷量较高。然而磷的存在又使铁增加硬脆性，优良的生铁含磷量应少，有时为了要增加流动性，含磷量可达1.2%。

硫(S)：在生铁中是有害元素，它促使铁与碳的结合，使铁硬脆，并与铁化合成低熔点的硫化铁，使生铁产生热脆性和减低铁液的流动性，顾含硫高的生铁不适于铸造细件。铸造生铁中硫的含量规定最多不得超过0.06%(车轮生铁除外)。

2.钢：

2.1元素在钢中的作用

2.1.1 常存杂质元素对钢材性能的影响

钢除含碳以外，还含有少量锰(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)、氧(O)、氮(N)和氢(H)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。这些杂质对钢性能是有一定影响，为了保证钢材的质量，在国家标准中对各类钢的化学成分都作了严格的规定。

1)硫

硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。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。而钢材的热加工温度一般在1150～1200℃以上，所以当钢材热加工时，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，故必须对钢中含硫量进行控制。高级优质钢：S<0.02%～0.03%;优质钢：S<0.03%～0.045%;普通钢：S<0.055%～0.7%以下。

2)磷

磷是由矿石带入钢中的，一般说磷也是有害元素。磷虽能使钢材的强度、硬度增高，但引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时，它使钢材显著变脆，这种现象称“冷脆”。 冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏，含磷愈高，冷脆性愈大，故钢中对含磷量控制较严。高级优质钢： P<0.025%;优质钢： P<0.04%;普通钢： P<0.085%。

3)锰

锰是炼钢时作为脱氧剂加入钢中的。由于锰可以与硫形成高熔点(1600℃)的 MnS，一定程度上消除了硫的有害作用。锰具有很好的脱氧能力，能够与钢中的FeO成为MnO进入炉渣，从而改善钢的品质，特别是降低钢的脆性，提高钢的强度和硬度。因此，锰在钢中是一种有益元素。一般认为，钢中含锰量在0.5%～0.8%以下时，把锰看成是常存杂质。技术条件中规定，优质碳素结构钢中，正常含锰量是0.5%～0.8%;而较高含锰量的结构钢中，其量可达0.7%～1.2%。

4)硅

硅也是炼钢时作为脱氧剂而加入钢中的元素。硅与钢水中的FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去，因此硅是一种有益的元素。硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。镇静钢中的含硅量通常在0.1%～0.37%，沸腾钢中只含有0.03%～0.07%。由于钢中硅含量一般不超过0.5%，对钢性能影响不大。

5)氧

氧在钢中是有害元素。它是在炼钢过程中自然进入钢中的，尽管在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。氧在钢中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂形式，使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。

6)氮

铁素体溶解氮的能力很低。当钢中溶有过饱和的氮，在放置较长一段时间后或随后在200～300℃加热就会发生氮以氮化物形式的析出，并使钢的硬度、强度提高，塑性下降，发生时效。钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除时效倾向。

7)氢

钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。白点常在轧制的厚板、大锻件中发现，在纵断面中可看到圆形或椭圆形的白色斑点;在横断面上则是细长的发丝状裂纹。锻件中有了白点，使用时会发生突然断裂，造成不测事故。因此，化工容器用钢，不允许有白点存在。 氢产生白点冷裂的主要原因是因为高温奥氏体冷至较低温时，氢在钢中的溶解度急剧降低。当冷却较快时，氢原子来不及扩散到钢的表面而逸出，就在钢中的一些缺陷处由原子状态的氢变成分子状态的氢。氢分子在不能扩散的

1.生铁：

生铁中除铁外，还含有碳、硅、锰、磷和硫等元素。这些元素对生铁的性能均有一定的影响。

碳(C)：在生铁中以两种形态存在，一种是游离碳(石墨)，主要存在于铸造生铁中，另一种是化合碳(碳化铁)，主要存在于炼钢生铁中，碳化铁硬而脆，塑性低，含量适当可提高生铁的强度和硬度，含量过多，则使生铁难于削切加工，这就是炼钢生铁切削性能差的原因。石墨很软，强度低，它的存在能增加生铁的铸造性能。

硅(Si)：能促使生铁中所含的碳分离为石墨状，能去氧，还能减少铸件的气眼，能提高熔化生铁的流动性，降低铸件的收缩量，但含硅过多，也会使生铁变硬变脆。

锰(Mn)：能溶于铁素体和渗碳体。在高炉炼制生铁时，含锰量适当，可提高生铁的铸造性能和削切性能，在高炉里锰还可以和有害杂质硫形成硫化锰，进入炉渣。

磷(P)：属于有害元素，但磷可使铁水的流动性增加，这是因为硫减低了生铁熔点，所以在有的制品内往往含磷量较高。然而磷的存在又使铁增加硬脆性，优良的生铁含磷量应少，有时为了要增加流动性，含磷量可达1.2%。

硫(S)：在生铁中是有害元素，它促使铁与碳的结合，使铁硬脆，并与铁化合成低熔点的硫化铁，使生铁产生热脆性和减低铁液的流动性，顾含硫高的生铁不适于铸造细件。铸造生铁中硫的含量规定最多不得超过0.06%(车轮生铁除外)。

2.钢：

2.1元素在钢中的作用

2.1.1 常存杂质元素对钢材性能的影响

钢除含碳以外，还含有少量锰(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)、氧(O)、氮(N)和氢(H)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。这些杂质对钢性能是有一定影响，为了保证钢材的质量，在国家标准中对各类钢的化学成分都作了严格的规定。

1)硫

硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。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。而钢材的热加工温度一般在1150～1200℃以上，所以当钢材热加工时，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，故必须对钢中含硫量进行控制。高级优质钢：S<0.02%～0.03%;优质钢：S<0.03%～0.045%;普通钢：S<0.055%～0.7%以下。

2)磷

磷是由矿石带入钢中的，一般说磷也是有害元素。磷虽能使钢材的强度、硬度增高，但引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时，它使钢材显著变脆，这种现象称“冷脆”。 冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏，含磷愈高，冷脆性愈大，故钢中对含磷量控制较严。高级优质钢： P<0.025%;优质钢： P<0.04%;普通钢： P<0.085%。

3)锰

锰是炼钢时作为脱氧剂加入钢中的。由于锰可以与硫形成高熔点(1600℃)的 MnS，一定程度上消除了硫的有害作用。锰具有很好的脱氧能力，能够与钢中的FeO成为MnO进入炉渣，从而改善钢的品质，特别是降低钢的脆性，提高钢的强度和硬度。因此，锰在钢中是一种有益元素。一般认为，钢中含锰量在0.5%～0.8%以下时，把锰看成是常存杂质。技术条件中规定，优质碳素结构钢中，正常含锰量是0.5%～0.8%;而较高含锰量的结构钢中，其量可达0.7%～1.2%。

4)硅

硅也是炼钢时作为脱氧剂而加入钢中的元素。硅与钢水中的FeO能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去，因此硅是一种有益的元素。硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度、硬度增加，塑性、韧性降低。镇静钢中的含硅量通常在0.1%～0.37%，沸腾钢中只含有0.03%～0.07%。由于钢中硅含量一般不超过0.5%，对钢性能影响不大。

5)氧

氧在钢中是有害元素。它是在炼钢过程中自然进入钢中的，尽管在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧，但不可能除尽。氧在钢中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夹杂形式，使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。

6)氮

铁素体溶解氮的能力很低。当钢中溶有过饱和的氮，在放置较长一段时间后或随后在200～300℃加热就会发生氮以氮化物形式的析出，并使钢的硬度、强度提高，塑性下降，发生时效。钢液中加入Al、Ti或V进行固氮处理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除时效倾向。

7)氢

钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。白点常在轧制的厚板、大锻件中发现，在纵断面中可看到圆形或椭圆形的白色斑点;在横断面上则是细长的发丝状裂纹。锻件中有了白点，使用时会发生突然断裂，造成不测事故。因此，化工容器用钢，不允许有白点存在。 氢产生白点冷裂的主要原因是因为高温奥氏体冷至较低温时，氢在钢中的溶解度急剧降低。当冷却较快时，氢原子来不及扩散到钢的表面而逸出，就在钢中的一些缺陷处由原子状态的氢变成分子状态的氢。氢分子在不能扩散的

条件下在局部地区产生很大压力，这压力超过了钢的强度极限而在该处形成裂纹，即白点。

2.1.2为了合金化而加入的合金元素，最常用的有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒，钛，铌、硼、铝等，

现分别说明它们在钢中的作用。

1)硅

①提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低;

②硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比;

③耐腐蚀性。硅的质量分数为15%一20%的高硅铸铁，是很好的耐酸材料。含有硅的钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。

缺点：使钢的焊接性能恶化。

2)锰

①锰能提高钢的淬透性。

②锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。

③锰对钢的高温瞬时强度有所提高。

缺点：

①含锰较高时，有较明显的回火脆性现象;

②锰有促进晶粒长大的作用，因此锰钢对过热较敏感t在热处理工艺上必须注意。这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服：

③当锰的质量分数超过1%时，会使钢的焊接性能变坏，

④锰会使钢的耐锈蚀性能降低。

3)铬在钢中的作用

①铬可提高钢的强度和硬度。

②铬可提高钢的高温机械性能。

③使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性

④阻止石墨化

⑤提高淬透性。

缺点：

①铬是显著提高钢的脆性转变温度

②铬能促进钢的回火脆性。

4)镍在钢中的作用

①可提高钢的强度而不显著降低其韧性;

②镍可降低钢的脆性转变温度，即可提高钢的低温韧性;

③改善钢的加工性和可焊性;

④镍可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。

5)钼在钢中的作用

①钼对铁素体有固溶强化作用。

②提高钢热强性

③抗氢侵蚀的作用。

④提高钢的淬透性。

缺点：

钼的主要不良作用是它能使低合金钼钢发生石墨化的倾向。

6)钨在钢中的作用

①提高强度

②提高钢的高温强度。

③提高钢的抗氢性能。

④是使钢具有热硬性。因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。

7)钒在钢中的作用

①热强性。

②钒能显著地改善普通低碳低合金钢的焊接性能。

8)钛在钢中的作用

①钛能改善钢的热强性，提高钢的抗蠕变性能及高温持久强度;

②并能提高钢在高温高压氢气中的稳定性。使钢在高压下对氢的稳定性高达600℃以上，在珠光体低合金钢中，钛可阻止钼钢在高温下的石墨化现象。因此，钛是锅炉高温元件所用的热强钢中的重要合金元素之一。

9)铌在钢中的作用

①铌和碳、氮、氧都有极强的结合力，并与之形成相应的极为稳定的化合物，因而能细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性。

②有极好的抗氢性能。

③铌能提高钢的热强性

10)硼在钢中的作用;

①提高钢的淬透性。

②提高钢的高温强度。强化晶界的作用。

11)铝在钢中的作用

①用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，抑制低碳钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别是降低了钢的脆性转变温度;

②提高钢的抗氧化性能。曾对铁铝合金的抗氧化性进行了较多的研究;4%AI即可改变氧化皮的结构，加入6%A1可使钢在980C以下具有抗氧化性。当铝和铬配合并用时，其抗氧化性能有更大的提高。例如，含铁50%一55%、铬30%一35%、铝10%一15%的合金，在1 400C高温时，仍具有相当好的抗氧化性。由于铝的这一作用，近年来，常把铝作为合金元素加入耐热钢中。

③此外，铝还能提高对硫化氢和V2O5，的抗腐蚀性。

缺点：

①脱氧时如用铝量过多，将促进钢的石墨化倾向。

②当含铝较高时.其高温强度和韧性较低。

2.2合金元素对钢的主要工艺性能的影响：

钢的主要工艺性能有：

冷态成型性、切削性、焊接性能、热处理工艺性、铸造性能等

2.2.1 合金元素对钢的冷态成型性的影响

冷态成型性：冷态成型包括许多不同的冷成型工艺，如深冲、拉延成型和弯曲等。其冷态成型工艺性能优劣涉及被变形材料的成分、组织和冷变形工艺参量(模具形状、变形量、变形速度、润滑条件等)。

与冷态成型性有关的材料性能参量有：

①低的屈服强度

②高的延伸率

③高的均匀伸长率

④高的加工硬化率(n值)，

⑤高的深冲性参量(r值)

⑥适当而均匀的晶粒度;

⑦控制夹杂物的形状和分布;

⑧游离渗碳体的数量和分布。

1)冷轧薄钢板：

碳：碳含量增加会使拉延能力变坏，因此绝大部分钢板都采用低碳钢。

锰：锰的影响和碳相似，但适当的含量可以减轻硫的不良作用。

磷、硅：磷和硅溶于铁素体引起强化并略影响塑性，降低拉延性能。

2)热轧钢板

选用冲压用热轧钢板时，既要考虑强度要求，也要考虑冲压性能。

碳：碳是对热轧钢板冲压性能影响最大的元素。对于冲压用的热轧钢板，一般不宜以增加碳的办法来提高强度，应采用添加合金元素来提高钢的强度。

硫：硫在钢中形成硫化物夹杂，在轧制中拉长，分割金属基体降低塑性，影响冲压性能。

2.2.2 合金元素对钢的切削加工性的影响

非金属夹杂物是决定钢的切削性的主要因素。非金属夹杂物的类型、大小、形状、分布和体积百分数不同，对切削性的影响也不同。 为了达到改善钢的切削性的目的，这些非金属夹杂物必须满足下列四个条件：

①在切削运动平面上，夹杂物必须作为应力集中源，从而引起裂纹和脆化切屑的作用。

②夹杂物必须具有一定的塑性，而不致切断金属的塑性流变，从而损害刃具的表面。

③夹杂物必须在刃具的前面与切屑之间形成热量传播的障碍。

④夹杂物必须具有光滑的表面，而不能在刃具的侧面作为磨料。

钢的切削性的提高主要还是通过加入易削添加剂，例如S、P、Pb、Bi、Ca、Se(硒)、Te(碲)等。

● 硫是了解最清楚和广泛应用的易削添加剂。

当钢中含足够量的Mn时，S的加入将形成MnS夹杂物。加S的碳钢可以提高切削速度25%或更高，它取决于钢的成分和S的加入量。 约1%体积份额的MnS, 可以使高速钢刃具的磨损速率迅速下降。MnS夹杂物在切削剪切区作为应力集中源，可以起裂纹源的作用，并随后引起切屑断裂。因此，随着MnS体积份额的增加，切屑破断能力得到改善。 MnS夹杂物还可能在切屑刃具表面沉积为MnS薄层，这种薄层可以降低刃具与切屑的摩擦，导致切削温度和切屑力的降低，并减少刃具的磨损或成为热量传播的障碍，从而延长刃具的使用寿命。

● Pb是仅次于S的常用易削添加剂。

Pb对切削加工性的有益效应，不取决于MnS的存在，因而可以加到低S钢和加S钢中。在不添加S的钢中，Pb以分散的质点形式分布于钢中。在加S钢中，Pb首先与MnS结合。与S相似，Pb可以作为内部润滑剂降低摩擦力，并转过来降低剪切抗力，并减小切屑与刃具的接触面积，从而降低刃具的磨损。

●近年来许多注意力已经转到通过Ca脱氧生产易削结构钢上。

通过用Ca-Si和Si-Fe合金控制脱氧，可以形成特定的CaO-MnO-SiO2-Al2O3四元非金属夹杂物，它在机加工时，将在刃具磨损表面沉积为一个薄层(约20μm)。这种薄层是磨损的障碍，因而可延长碳化物刃具的使用寿命。

2.2.3合金元素对钢的焊接性的影响

钢的焊接性是一个很复杂的工艺性能，因为它既与焊接裂纹的敏感性有关，又与服役条件和试验温度下所要求的韧性有密切联系。

● 一般认为，高强度低合金钢的焊接性是良好的，并且随含碳量的降低，焊接性得到改善。

● 为此，国际焊接协会根据统计数据，采用碳当量为比较的基础，由加入的各元素来计算和评定钢材的焊接性能。

其近似公式如下：

碳当量 = C+Mn/6+(Ni+Cu)/15+(Cr+Mo+V)/5

式中：元素符号代表该元素重量百分比。

碳当量越低，焊接性能越好。

碳当量≤0.35%，焊接性能良好;碳当量≥0.4-0.5%，焊接就较困难。

常用金属材料中各种化学成分对性能的影响 篇2

一、基本组成成份对高锰钢性能的影响

1. 碳:

是高锰钢的主要元素之一。碳能稳定合金中的奥氏体,在快速冷却时使奥氏体保留到室温,而呈单相奥氏体组织,随着碳含量的增加,碳的固溶强化作用增加,提高了高锰钢的强度,硬度和耐磨性。碳含量继续增加,高锰钢铸态组织中碳化物量增多,虽经固溶(水韧)处理,可将大多数碳化物溶入奥氏体中,但由于碳化物和奥氏体比容的差别,使得固溶后的高锰钢中存在超显微的孔洞缺陷,致使密度下降,影响了高锰钢的性能。当水韧处理后高锰钢奥氏体中残存碳化物较多,或沿晶界分布使其韧性大大下降。

对非强冲击磨损条件下工作的高锰钢(高锰钢使用后残体HBS<400时称为非强冲击磨损),少量残余碳化物对抵抗磨损有利,但对强冲击磨料磨损条件下工作的零件,则采用较低碳含量为宜。选择合适的碳量除与工况条件有关,还与工件的形状、大小及铸造工艺有关,例如大断面和尺寸不规则的零件含碳量应低些,砂型铸造的因冷速慢,容易造成铸态组织中出现大量碳化物,不利重新加热时的溶入奥氏体中,含碳量也应低些。一般,碳含量控制在0.9%~1.4%范围内,但在某些情况下,采用了含碳量较高的高锰钢,现在已被采用的含碳1.5%~1.9%的高碳高锰就是一个例子。

2. 锰:

是高锰钢中主要成份,它扩大合金的γ相区,稳定奥氏体组织,并降低Ms点,使高锰钢奥氏体组织能保持到室温,锰在钢中除固溶于奥氏体外,另一部分存于(Fe、Mn)C型碳化物中,锰含量增加,强度、冲击韧性提高,这和锰增加晶间结合力有关。锰含量高时使钢的导热性降低容易得到穿晶组织,影响高锰钢的性能,这是我们不希望的。为了获得较好的综合机械性能,一般确定当碳在0.9%~1.5%时,锰选取在11%~14%。

锰含量的多少,主要由工况条件、铸件结构等方面决定。大断面和结构复杂的铸件含锰量应高些,用于强烈冲击的铸件,含锰量也应该高些。

此外,高锰钢中主要成份的配合——锰碳比也影响到钢的性能,当Mn/C<8时,高锰钢经常规热处理后,碳化物不能全部溶入奥氏体,因此,为保证单相奥氏体存在,过去不少国家要求Mn/C>9.5~10。现在实践表明,根据不同工况可以选择不同的锰碳比,对非强烈冲击磨损则采用高碳和低锰碳比,例如高碳高锰钢。对强烈冲击磨损则采用低碳和高锰碳比的钢,如大锤头用的超高锰钢。

3. 硅:

硅主要是做为脱氧剂带入,强化固溶体的作用,使屈服强度提高,但它封闭γ相区,并促进石墨化,当硅>0.6%时,不仅易使高锰钢产生粗晶,而且降低碳在奥氏体中的溶解度,促进碳化物沿晶界析出,降低钢的韧性及耐磨性,增加钢的热裂倾向,因此硅往往控制在0.3%~0.6%,但当要求钢水有较好的流动性时,硅量可稍许增加,同时使晶界状况改善。我国标准中根据不同要求,硅被要求在0.3%~0.8%和0.3%~1.0%。

4. 硫:

高锰钢中由于锰的存在,生成了硫化锰,并进入溶渣,因此生产中硫一般能达到小于0.02%,完全可以达到标准要求。

5. 磷:

磷在奥氏体中溶解度很小,主要是与铁、锰形成共晶磷化物,并在晶界析出,它易引起铸件热裂、降低机械性能、损害耐磨性,严重时可在工作中断裂,例如含磷0.12%的高锰钢用来制造圆锥式破碎机衬板,其寿命仅为含磷0.038%高锰钢寿命的50%。

磷还能促进碳、锰元素的偏析,因而必须尽量降低磷含量,前苏联有的资料提出最好降至0.04%以下,我国标准规定磷含量≤0.07%~0.09%,对一些重要件控制P<0.06%。

实验中发现,即使P<0.06%的高锰钢在水韧后,80mm厚试件心部有磷化物存在。在水韧处理过程中,如果加热温度过高,在组织中也会新产生磷共晶。

二、合金元素在高锰钢中的作用

1. 铬:

铬是我国目前在高锰钢中应用的较多的元素,在冀东水泥厂引进日本的设备中,以及柳州水泥厂引进的丹麦设备中,都有加铬高锰钢耐磨件,是国内外广泛应用的元素。

水韧处理后高锰钢中的铬大部分都溶入奥氏体中,使其稳定性提高,同时又促使碳化物在冷却时加快析出。铬固溶在奥氏体后,可使钢的屈服强度提高,延伸率下降和冲击韧性下降。铸态时铬增加钢中碳化物量,其析出较快,并往往在晶界上形成连续的网状分布,在重新加热时溶入奥氏体较难,不易得到单相奥氏体,因此水韧加热温度需较标准高锰钢提高30℃~50℃。加铬高锰钢在强冲击磨损时耐磨性提高,因此可做轧臼壁、铲齿、锤头等。对非强冲击磨料磨损时,耐磨性提高不多,国外有的将其做磨头衬板,而国内生产的水泥磨上衬板还利用它提高屈服极限后减少使用中的变形。

2. 钼:

国外应用较多,国内也逐渐使用。钼和铁结合力较强,钼原子尺寸较大扩散速度小,因此在加钼铸态高锰钢中,碳化物析出量减少,奥氏体晶界上不再呈现网状。钼还使钢中针状碳化物析出减慢,析出温度下移,这些有利作用提高了高锰钢铸态下的强度和塑性,也恰好弥补了铬元素的不足之处,因此在加铬高锰钢中加入钼元素是有益的。钼的价格较高,加入量的多少要经试验,以取得最佳经济效益。

水韧处理后,钼固溶于奥氏体中,推迟奥氏体分解,还可用沉淀强化处理方法,奥氏体中析出弥散的碳化物,能提高高锰钢的耐磨性。

3. 钒:

钒也是广泛使用的元素之一,它是很强的碳化物形成元素,其碳化物硬度高达HV2000,熔点是2830℃,钒也可形成VN熔点达2300℃,它们在钢水结晶时能做为核心,细化铸态组织,是一种有效的变质剂。固态加热时,钒的化合物可以阻止晶界移动,抑制晶粒长大,细化高锰钢的组织,能提高钢的原始硬度和屈服强度。水韧处理后,钒可溶入奥氏体,也可用沉淀强化的方法析出弥散的碳化物。以提高钢的耐磨性。在低冲击磨料磨损条件下和高冲击磨料磨条件下,含钒高锰钢都表现出优良的性能。

4. 钛:

钛是强碳化物形成元素,碳化钛熔点高达3140℃,可做为结晶核心来细化晶粒,使晶粒度可减小1~2级,也可消除高锰钢中柱状晶,提高钢的机构性能和耐磨性。

钛的加入量与工况条件有关,在高冲击磨损时用低含量,而对低冲击磨损可适当提高,一般控制在0.1%~1.5%,和铬元素一起强化了高锰钢,使寿命提高了50%以上。钛价格较低,使用量又少,因此可以推广使用,尤其在V、Ti同时加入时效果更佳,它们能增加加工硬化层厚度和钢的加工硬化能力,例如对铲齿残体分析时发现,标准高锰钢为HV400,而含钒、钛的达到HV550。

5. 稀土元素:

它有净化钢水作用,使夹杂物数量减少,尺寸减少一半,它还减少高锰钢铸态组织中碳化物数量,使晶界碳化物成为不连续的团块状,并使针状碳化物明显减少,它的碳化物溶点高,可使铸态组织细化和减少柱状晶。

稀土元素还改善高锰钢工艺性能,提高钢水流动性,减小钢件热裂和冷裂倾向,提高钢的加工硬化能力。如果钛和稀土元素共同加入可使高锰钢板锤寿命提高30%,但稀土用量必经控制,否则会造成相反效果。

三、为了提高力学性能,高锰钢化学成份的改进及应用情况

1. 高碳高锰钢:

为了提高低冲击磨损条件下的耐磨性,合肥水泥研究院研制了GTMn-A与GTMn-B钢,制造衬板后寿命较标准高锰钢提高40℃~100℃。

2. 低碳高锰钢:

适用于厚大、结构复杂和容易产生裂纹的铸件,研制了15Mn13钢,为了减少碳化物,降低了硅含量,其在铸态下保持单相奥氏体,虽然强度较低,但加工硬化能力高,在某些条件下表现出更高的耐磨性。此外还有促进马氏体转变的亚稳奥氏体锰钢,如50Cr2Mn14、60Cr5Mn12、55Cr5Mn9等。

3. 中锰钢:

标准高锰钢塑、韧性很高,很多情况下超过了需要,可适当降低。经试验将锰降至6%~9%,在低冲击磨损情况下耐磨性可能超过高锰钢。常用有Mn6Mo、Mn Cr2。吉林工业大学研制的C1.4Mn6-7Cr2Ti0.1-0.2,经水韧、时效使打击板寿命提高60%。

4. 超高锰钢:

为了对付强冲击磨损的厚大件,唐山水泥机械厂在吸取国外经验的基础上研制了超高锰钢,使锰碳比达到17,试制的冀东水泥厂MB70/90锤式破碎机上的大锤头经试验,寿命基本接近和达到西德同类产品水平。

5. 改进型高锰钢:

国内大都为加入Mn、Ti、Cr、V等元素。

摘要：本文通过分析,论证了高锰钢基本组成成份及合金元素对其性能的影响,为高锰钢性能的改善奠定了理论基础。

常用金属材料中各种化学成分对性能的影响 篇3

关键词：高锰钢；化学成分；组织；性能；影响

中圖分类号：TQ02文献标识码：A文章编号：1007-3973(2010)010-101-01

高锰钢化学组成成分不同，其金相组织构造及其机械性能也将有很大区别，下面我们具体介绍其基本组成成分及某些合金元素对高锰钢的组织和性能的影响。

1、基本组成成份对高锰钢的组织和性能的影响

1.1碳

碳是高锰钢构成的主要元素之一。碳可以稳定合金中奥氏体，当进行快速冷却时碳可使奥氏体保持在室温呈单相的奥氏体组织。碳含量增加则碳的固溶强化作用将增强，这样便提高了高锰钢的硬度、强度及耐磨性。若碳含量继续增加，则高锰钢铸态组织中的碳化物量将增多，便可将大多数的碳化物溶入到奥氏体中，但因碳化物与奥氏体的比容有差别，致使固溶后的高锰钢存在着极小的孔洞缺陷，进而导致密度下降，对高锰钢的性能产生了一定的影响。若经水韧处理，高锰钢奥氏体中的残存碳化物将较多，这些碳化物可能会沿晶界分布而使高锰钢的韧性大为下降。

1.2锰

锰是高锰钢的主要成份，它对合金γ目区的扩大、奥氏体组织的稳定及Ms点的降低都有很大的影响，锰可使高锰钢的奥氏体组织保持到室温。在钢中锰除了固溶在奥氏体外。还有一部分会存在于(Mn、Fe)C型的碳化物中。若锰的含量增加，则高锰钢的强度及冲击韧性都将提高，这是因为锰具有增加晶间结合力的作用。锰若含量很高会使钢的导热性下降，进而很容易出现穿晶组织，严重影响了高锰钢的机械及力学性能等。为获得理想的机械性能，当碳含量在O.9％－1.5％范围内时，我们通常将锰的含量控制在11％－14％范围内。

锰的含量确定多由铸件结构及工况条件等方面来决定。大断面及结构复杂的铸件其含锰量应相对较高，另外若铸件用于强烈冲击使用，则含锰量也应高些。

1.3硅

硅通常是作为一种脱氧剂带入，它具有强化固溶体、提高屈服强度的作用。但是它封闭Y相区且会促进石墨化。当其含量大于0.6％时，一方面会导致高锰钢产生粗晶，另一方面也会使碳在奥氏体中溶解度降低，进而促使碳化物在晶界的析出，不但降低了钢的耐磨性及韧性，也增加了钢的热裂倾向。因此，通常我们将硅控制在0.3％－0.6％范围内，但在某些特殊情况下，如需钢水具有良好的流动性时，我们应增加硅量，使晶界的状况得到改善。

1.4硫

高锰钢中因硫与锰的存在，便生成了硫化锰，硫化锰可进入溶渣。在生产中若硫小于0.02％，则完全可达到标准要求。

1.5磷

磷在奥氏体中的溶解度很小，通常是和铁、锰等产生共晶磷化物，且在晶界析出。磷和容易引起铸件的热裂，降低铸件的机械性能并对耐磨性有一定的损害，严重时甚至会在工作中断裂。如0.12％磷含量的高锰钢若用来制造某些圆锥式破碎机的衬板，其寿命往往只有0.038％磷含量的高锰钢其寿命的一半。

此外，磷还具有促进锰、碳元素偏析的作用，因次应尽量降低磷含量。我们通常将磷含量控制在≤0.07％－0.09％范围内，对某些重要件将其控制在P<0.06％。

2、合金元素对高锰钢组织和性能的影响

2.1铬

铬是目前在高锰钢中运用较多的元素。经水韧处理后铬会大部分都溶入到高锰钢奥氏体中，提高了高锰钢的稳定性，同时也加快了碳化物在冷却时的析出。

铬固溶于奥氏体后，便可提高钢的屈服强度，降低钢的延伸率及冲击韧性。在铸态时若铬增加，则碳化物的析出也将加快，且通常会在晶界上进行连续网状分布。在进行重新加热时，其溶入奥氏体相对较难，因而不易得到单相的奥氏体，此时应将水韧加热的温度在标准高锰钢基础上再提高30℃－50℃。加铬的高锰钢在面临强冲击磨损时其耐磨性得到了提高，因而可用做轧臼壁、锤头、铲齿等。但对于非强冲击磨料磨损时其耐磨性提高的并不多。

2.2钼

钼在国外应用较多，在国内也逐渐被采用。铝与铁的结合力比较强，同时铝原子的尺寸较大、扩散速度较小，固在加钼的铸态高锰钢中其碳化物的析出量将减少，其奥氏体的晶界上也不再呈现网状。钼还可以减慢钢中针状碳化物的析出速度，降低其析出温度，这些对高锰钢在铸态下的塑性及强度提高都有利，也很好的弥补了因铬元素加入带来的不足。因此，在加铬的高锰钢中再加入钼元素是非常有益的。

在经水韧处理后，钼会固溶于奥氏体中，将推迟奥氏体的分解，同时也可用沉淀强化处理的方法，使弥散的碳化物在奥氏体中析出，进而提高高锰钢其耐磨性。

最后，我们介绍另外几种合金元素对高铸钢的组织和性能的影响。首先是钒，钒具有细化高锰钢组织，提高钢的屈服强度、原始硬度及耐磨性的作用。其次是钛，钛可消除高锰钢中的柱状结晶，对钢的耐磨性和机构性能的提高有很好的作用。最后是稀土元素，它具有净化钢水的作用，可使夹杂物的数量及尺寸减少，可细化铸态组织、减少柱状晶，能够提高钢水的流动性，减小钢件的冷裂及热裂倾向，提高钢的加工硬化能力，改善高锰钢的工艺性能。

参考文献：

[1]李海龙，高锰钢性能的研究和提高[D]，中国优秀硕士学位论文全文数据库，2008(02)