金屬化學(xué)成分分析與應(yīng)用

日常生活中，從事工業(yè)建筑的人員免不了要和各類金屬材料打交道。無論是黑色金屬還是有色金屬。每一個(gè)金屬元素都有其自身獨(dú)特的性質(zhì)。每當(dāng)金屬材料相互融合時(shí)，都會(huì)讓自己的化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生奇妙的變化，因此我們非常有必要對(duì)一些常見的金屬化學(xué)成分來進(jìn)行一些分析。

首先我們來看看鋼中常見的化學(xué)元素

氧

氧在鋼中是有害元素。它是在煉鋼過程中自然進(jìn)入鋼中的，盡管在煉鋼末期要加入錳、硅、鐵和鋁進(jìn)行脫氧，但不可能除盡。氧在鋼中以FeO、MnO、SiO2、Al2O3等夾雜形式，使鋼的強(qiáng)度、塑性降低。尤其是對(duì)疲勞強(qiáng)度、沖擊韌性等有嚴(yán)重影響。

氫

鋼中溶有氫會(huì)引起鋼的氫脆、白點(diǎn)等缺陷。白點(diǎn)常在軋制的厚板、大鍛件中發(fā)現(xiàn)，在縱斷面中可看到圓形或橢圓形的白色斑點(diǎn)；在橫斷面上則是細(xì)長的發(fā)絲狀裂紋。鍛件中有了白點(diǎn)，使用時(shí)會(huì)發(fā)生突然斷裂，造成不測(cè)事故。因此，化工容器用鋼，不允許有白點(diǎn)存在。氫產(chǎn)生白點(diǎn)冷裂的主要原因是因?yàn)楦邷貖W氏體冷至較低溫時(shí)，氫在鋼中的溶解度急劇降低。當(dāng)冷卻較快時(shí)，氫原子來不及擴(kuò)散到鋼的表面而逸出，就在鋼中的一些缺陷處由原子狀態(tài)的氫變成分子狀態(tài)的氫。氫分子在不能擴(kuò)散的條件下在局部地區(qū)產(chǎn)生很大壓力，這壓力超過了鋼的強(qiáng)度極限而在該處形成裂紋，即白點(diǎn)。

氮

氮鐵素體溶解氮的能力很低。當(dāng)鋼中溶有過飽和的氮，在放置較長一段時(shí)間后或隨后在200～300℃加熱就會(huì)發(fā)生氮以氮化物形式的析出，并使鋼的硬度、強(qiáng)度提高，塑性下降，發(fā)生時(shí)效。鋼液中加入Al、Ti或V進(jìn)行固氮處理，使氮固定在AlN、TiN或VN中，可消除時(shí)效傾向。

硫

硫來源于煉鋼的礦石與燃料焦炭。它是鋼中的一種有害元素。硫以硫化鐵(FeS)的形態(tài)存在于鋼中，F(xiàn)eS和Fe形成低熔點(diǎn)(985℃)化合物。而鋼材的熱加工溫度一般在1150～1200℃以上，所以當(dāng)鋼材熱加工時(shí)，由于 FeS化合物的過早熔化而導(dǎo)致工件開裂，這種現(xiàn)象稱為“熱脆”。含硫量愈高，熱脆現(xiàn)象愈嚴(yán)重，故必須對(duì)鋼中含硫量進(jìn)行控制。高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：S＜0.02%～0.03%；優(yōu)質(zhì)鋼：S＜0.03%～0.045%；普通鋼：S＜0.055%～0.7%以下。

磷

磷是由礦石帶入鋼中的，一般說磷也是有害元素。磷雖能使鋼材的強(qiáng)度、硬度增高，但引起塑性、沖擊韌性顯著降低。特別是在低溫時(shí)，它使鋼材顯著變脆，這種現(xiàn)象稱"冷脆"。冷脆使鋼材的冷加工及焊接性變壞，含磷愈高，冷脆性愈大，故鋼中對(duì)含磷量控制較嚴(yán)。高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼：P＜0.025%；優(yōu)質(zhì)鋼：P＜0.04%；普通鋼：P＜0.085%。

錳

錳是煉鋼時(shí)作為脫氧劑加入鋼中的。由于錳可以與硫形成高熔點(diǎn)(1600℃)的 MnS，一定程度上消除了硫的有害作用。錳具有很好的脫氧能力，能夠與鋼中的FeO成為MnO進(jìn)入爐渣，從而改善鋼的品質(zhì)，特別是降低鋼的脆性，提高鋼的強(qiáng)度和硬度。因此，錳在鋼中是一種有益元素。一般認(rèn)為，鋼中含錳量在0.5%～0.8%以下時(shí)，把錳看成是常存雜質(zhì)。技術(shù)條件中規(guī)定，優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中，正常含錳量是0.5%～0.8%；而較高含錳量的結(jié)構(gòu)鋼中，其量可達(dá)0.7%～1.2%。

硅

硅也是煉鋼時(shí)作為脫氧劑而加入鋼中的元素。硅與鋼水中的FeO能結(jié)成密度較小的硅酸鹽爐渣而被除去，因此硅是一種有益的元素。硅在鋼中溶于鐵素體內(nèi)使鋼的強(qiáng)度、硬度增加，塑性、韌性降低。鎮(zhèn)靜鋼中的含硅量通常在0.1%～0.37%，沸騰鋼中只含有0.03%～0.07%。由于鋼中硅含量一般不超過0.5%，對(duì)鋼性能影響不大。

生鐵：

生鐵中除鐵外，還含有碳、硅、錳、磷和硫等元素。這些元素對(duì)生鐵的性能均有一定的影響。

碳（C）：在生鐵中以兩種形態(tài)存在，一種是游離碳（石墨），主要存在于鑄造生鐵中，另一種是化合碳（碳化鐵），主要存在于煉鋼生鐵中，碳化鐵硬而脆，塑性低，含量適當(dāng)可提高生鐵的強(qiáng)度和硬度，含量過多，則使生鐵難于削切加工，這就是煉鋼生鐵切削性能差的原因。石墨很軟，強(qiáng)度低，它的存在能增加生鐵的鑄造性能。

硅（Si）：能促使生鐵中所含的碳分離為石墨狀，能去氧，還能減少鑄件的氣眼，能提高熔化生鐵的流動(dòng)性，降低鑄件的收縮量，但含硅過多，也會(huì)使生鐵變硬變脆。

錳（Mn）：能溶于鐵素體和滲碳體。在高爐煉制生鐵時(shí)，含錳量適當(dāng)，可提高生鐵的鑄造性能和切削性能，在高爐里錳還可以和有害雜質(zhì)硫形成硫化錳，進(jìn)入爐渣。

磷（P）：屬于有害元素，但磷可使鐵水的流動(dòng)性增加，這是因?yàn)榱驕p低了生鐵熔點(diǎn)，所以在有的制品內(nèi)往往含磷量較高。然而磷的存在又使鐵增加硬脆性，優(yōu)良的生鐵含磷量少，有時(shí)為了要增加流動(dòng)性，含磷量可達(dá)1.2%。

硫（S）：在生鐵中是有害元素，它促使鐵與碳的結(jié)合，使鐵硬脆，并與鐵化合成低熔點(diǎn)的硫化鐵，使生鐵產(chǎn)生熱脆性。減低鐵液的流動(dòng)性，故含硫高的生鐵不適于鑄造細(xì)件。鑄造生鐵中硫的含量規(guī)定最多不得超過0.06%（車輪生鐵除外）。

合金鋼

合金鋼中元素的作用：為了合金化而加入的合金元素，最常用的有硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩，鈦，鈮、硼、鋁等?，F(xiàn)分別說明它們?cè)阡撝械淖饔谩?/span>

1）硅

①提高鋼中固溶體的強(qiáng)度和冷加工硬化程度使鋼的韌性和塑性降低。

②硅能顯著地提高鋼的彈性極限、屈服極限和屈強(qiáng)比。

③耐腐蝕性。硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15％~20％的高硅鑄鐵，是很好的耐酸材料。含有硅的鋼在氧化氣氛中加熱時(shí)，表面也將形成一層SiO2薄膜，從而提高鋼在高溫時(shí)的抗氧化性。

缺點(diǎn)：使鋼的焊接性能惡化。

2）錳

①錳能提高鋼的淬透性。

②錳對(duì)提高低碳和中碳珠光體鋼的強(qiáng)度有顯著的作用。

③錳對(duì)鋼的高溫瞬時(shí)強(qiáng)度有所提高。

缺點(diǎn)：

①含錳較高時(shí)，有較明顯的回火脆性現(xiàn)象。

②錳有促進(jìn)晶粒長大的作用，因此錳鋼對(duì)過熱較敏感，在熱處理工藝上必須注意。這種缺點(diǎn)可用加入細(xì)化晶粒元素如鉬、釩、鈦等來克服。

③當(dāng)錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1％時(shí)，會(huì)使鋼的焊接性能變壞。

3）鉻在鋼中的作用

①鉻可提高鋼的強(qiáng)度和硬度。

②鉻可提高鋼的高溫機(jī)械性能。

③使鋼具有良好的抗腐蝕性和抗氧化性。

④阻止石墨化。

⑤提高淬透性。

缺點(diǎn)：

①是顯著提高鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度。

②鉻能促進(jìn)鋼的回火脆性。

4）鎳在鋼中的作用

①可提高鋼的強(qiáng)度而不顯著降低其韌性。

②鎳可降低鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度，即可提高鋼的低溫韌性。

③改善鋼的加工性和可焊性。

④鎳可以提高鋼的抗腐蝕能力，不僅能耐酸，而且能抗堿和大氣的腐蝕。

5）鉬在鋼中的作用

①鉬對(duì)鐵素體有固溶強(qiáng)化作用。

②提高鋼熱強(qiáng)性。

③抗氫侵蝕的作用。

④提高鋼的淬透性。

缺點(diǎn)：

鉬的主要不良作用是它能使低合金鉬鋼發(fā)生石墨化的傾向。

6）鎢在鋼中的作用

①提高強(qiáng)度。

②提高鋼的高溫強(qiáng)度。

③提高鋼的抗氫性能。

④是使鋼具有熱硬性。因此鎢是高速工具鋼中的主要合金元素。

7）釩在鋼中的作用

①熱強(qiáng)性。

②釩能顯著地改善普通低碳低合金鋼的焊接性能。

8）鈦在鋼中的作用

①鈦能改善鋼的熱強(qiáng)性，提高鋼的抗蠕變性能及高溫持久強(qiáng)度。

②并能提高鋼在高溫高壓氫氣中的穩(wěn)定性。使鋼在高壓下對(duì)氫的穩(wěn)定性高達(dá)600℃以上，在珠光體低合金鋼中，鈦可阻止鉬鋼在高溫下的石墨化現(xiàn)象。因此，鈦是鍋爐高溫元件所用的熱強(qiáng)鋼中的重要合金元素之一。

9）鈮在鋼中的作用

①鈮和碳、氮、氧都有極強(qiáng)的結(jié)合力，并與之形成相應(yīng)的極為穩(wěn)定的化合物，因而能細(xì)化晶粒，降低鋼的過熱敏感性和回火脆性。

②有極好的抗氫性能。

③鈮能提高鋼的熱強(qiáng)性。

10）硼在鋼中的作用

①提高鋼的淬透性。

②提高鋼的高溫強(qiáng)度。強(qiáng)化晶界的作用。

11）鋁在鋼中的作用

①用作煉鋼時(shí)的脫氧定氮?jiǎng)?，?xì)化晶粒，抑制低碳鋼的時(shí)效，改善鋼在低溫時(shí)的韌性，特別是降低了鋼的脆性轉(zhuǎn)變溫度。

②提高鋼的抗氧化性能。曾對(duì)鐵鋁合金的抗氧化性進(jìn)行了較多的研究；4％鋁即可改變氧化皮的結(jié)構(gòu)，加入6％鋁可使鋼在980C以下具有抗氧化性。當(dāng)鋁和鉻配合并用時(shí)，其抗氧化性能有更大的提高。例如，含鐵50％~55％、鉻30％~35％、鋁10％~15％的合金，在1 400C高溫時(shí)，仍具有相當(dāng)好的抗氧化性。由于鋁的這一作用，近年來，常把鋁作為合金元素加入耐熱鋼中。

③此外，鋁還能提高對(duì)硫化氫和V2O5的抗腐蝕性。

缺點(diǎn)：

② 氧時(shí)如用鋁量過多，將促進(jìn)鋼的石墨化傾向。

②當(dāng)含鋁較高時(shí)，其高溫強(qiáng)度和韌性較低。

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