常存元素对碳素钢性能的影响

碳素钢(简称碳钢)是指w(C)小于2.11%的铁碳合金。碳钢的价格低廉,冶炼方便,加工容易,具有良好的力学性能,一般在满足使用性能要求的前提下,选用钢材时首先考虑它,因而在机械制造中应用最为广泛。

碳素钢并不是单纯的铁碳合金,还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质元素。这些元素是在冶炼过程中不可避免地由炼钢原料带入的,通常称为常存元素,它们的存在会对钢的性能带来一定的影响。

(1)锰锰在钢中是有益元素。锰主要是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的。在碳钢中锰大部分溶入铁素体,起到固溶强化的作用,提高了钢的强度和硬度;此外,锰能与硫形成MnS,从而减轻硫的有害作用。

在碳钢中w(Mn)一般小于0.8%,对碳钢性能的影响不显著,在较高含锰量的钢中,将w(Mn)适当提高到0.90%~1.20%时,可起到一定的强化作用。

(2)硅硅在钢中也是一种有益的元素,是炼钢时用硅铁脱氧而残留在钢中的。硅能溶入铁素体,提高钢的强度和硬度。但是由于它能降低钢的塑性和韧性,因此钢中的w(Si)通常小于0.40%。由于硅含量较低,故对碳钢的强化作用不大。

(3)硫硫是有害元素,主要是由生铁带入钢中的。硫以FeS形式存在,可使钢的塑性变差。硫的含量越多,钢的脆性越大。特别是FeS与Fe能形成熔点为989℃的共晶体,并分布于奥氏体的晶界上。当钢在1000~1200℃进行热压力加工时,由于共晶体熔化,会使钢沿着奥氏体晶界开裂而变脆,这种现象称为“热脆”。因此,实际生产中必须严格控制钢中的硫含量。在钢中增加锰含量,可消除硫的有害作用,因为Mn与S可以形成熔点为1620℃的MnS,MnS高温时具有一定的塑性,因此可避免热脆现象。

(4)磷磷也是一种有害元素。它能使室温下钢的塑性、韧性急剧降低,使钢变脆,特别是在低温时更为严重,这种现象称为“冷脆”。磷的存在还使钢的焊接性能变坏,因此要严格控制钢中磷含量,一般钢中w(P)应小于0.045%。

钢中的硫和磷是有害元素,应严格控制其含量。但是在易切削钢中,常适当地提高硫、磷的含量,以增加钢的脆性,有利于在切削时形成断裂切屑,从而提高切削效率和减少对刀具的磨损。这种易切削钢主要用于自动机床上生产批量大、受力不大的零件。

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