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钢中杂质元素对材料性能的影响
2019-12-17
来源：安维士作者：吴佳 高级工程师
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我们常把WC＜2.11%的铁碳合金称为钢，在讨论钢的组织和性能时也只考虑了碳的影响，但在炼钢过程中，不可能除尽所有杂质，所以实
我们常把WC＜2.11%的铁碳合金称为钢，在讨论钢的组织和性能时也只考虑了碳的影响，但在炼钢过程中，不可能除尽所有杂质，所以实际使用的碳钢中，除碳以外，还有少量的硅（Si）、锰（Mn）、硫（S）、磷（P）、氢（H）、氮（N）、氧（O）等元素，它们的存在也会对钢的性能产生影响。
Si、Mn的影响
Si和Mn是炼钢过程中随脱氧剂进入钢中的元素，少量Si和Mn可以固溶于铁素体中，产生固溶强化，使铁素体强度和硬度增加，对钢的性能有利。但Si与O的亲和力很强，可形成SiO2，Mn与钢中杂质S形成MnS，两者都是钢中的夹杂物，对钢的性能不利。一般规定，WSi＜0.5%，WMn＜0.8%，使大部分Si、Mn溶于铁素体中，起有利作用。
S、P的影响
S、P是生铁中带来而在炼钢时未能除尽的有害元素。S不溶于Fe，而与Fe形成熔点为1190℃的FeS，FeS与γ-Fe形成低熔点（980℃）的共晶体，分布在奥氏体晶界上，当钢材在1000~1200℃锻造或轧制时，共晶体会熔化，使钢材变脆，沿奥氏体晶界开裂，这种现象也叫热脆。适当增加Mn的含量，可与S优先形成高熔点的MnS（1620℃），避免热脆。但MnS是钢中的夹杂物，在锻造或轧制时变形成条状，沿受力方向分布形成流线，使钢材横向塑性、韧性显著低于纵向。P在钢中全部溶于铁素体中，虽然有较强的固溶强化作用，但它会剧烈降低钢的塑性和韧性，特别是低温韧性，使钢在低温下变脆，这种现象称为冷脆。P还使钢产生偏析，此外，S、P均降低钢的焊接性能。因S、P为有害元素，通常会严格控制其含量，普通钢要求WS≤0.035%~0.050%、WP≤0.030%~0.035%，优质钢要求WS≤0.020%、WP≤0.030%。风电零件原材料要求更高，一般要求WS≤0.015%、WP≤0.020%，此外，P还增强钢在大气中的抗腐蚀性，若在炼钢时加入少量稀土、钛等元素，可以抑制P的冷脆作用。
气体的影响
钢中气体对钢材性能的影响往往被忽略，随着质量事故的发生，人们也越来越重视钢材中H、N、O等气体元素的影响，某些行业在采购原材料时也对气体元素含量做了限定。H在钢中含量甚微，但对钢的危害极大，钢中微量的H（0.5~3mL/100g）可以引起“氢脆”，甚至在钢材中产生大量裂纹，使钢的塑性、韧性显著下降，导致零件在使用中突然断裂，国内外均发生过因“氢脆”导致的极其严重的质量事故。此外，H对钢材的焊接性能不利，在焊缝处易产生裂纹。N固溶于铁素体中产生“应变时效”。所谓应变时效是指冷变形低碳钢在室温放置或加热一定时间后强度增加，塑性、韧性降低的现象。“应变时效”对锅炉、化工容器等不利，会增加零件脆性，影响安全可靠性。因此从应变时效考虑，N是有害元素。但是N可与钢中的Al、V、Ti、Nb等元素形成细小弥散的氮化物，细化晶粒，提高钢的强度并降低N的应变时效作用，此时，N是有益元素。O是钢中的有害元素，尽管炼钢过程中会加入脱氧剂进行脱氧，但无法除尽。钢水凝固时，O与C反应生成CO，造成气泡。此外，O在钢中主要以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等杂质形式存在，使钢的强度、塑性降低，尤其对钢的疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。为了提高钢的性能，在炼钢时，除了保证钢中C及合金元素在规定范围内，还必须控制杂质元素的含量。但是炼出了一炉合格的钢液并不等于得到合格的钢锭和钢材，钢材中大部分冶金缺陷都是在浇注成钢锭的过程中形成的。因此，钢锭的组织和质量是影响钢材质量的重要环节。
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