常存杂质对钢性能的影响

实际使用的钢中，除了含有铁、碳与合金元素外，在冶炼过程中，不可避免地要带入一些杂质（如锰、硅、硫、磷、非金属类杂质以及某些气体，如氮、氢、氧等）。这些杂质对钢的质量有很大的影响。 1．锰锰在钢中作为杂质存在时，一般均小于0.8％。它来自作为炼钢原料的生铁及脱氧剂锰铁。锰有很好的脱氧能力，还能与硫形成MnS,以消除硫的有害作用。这些反应产物大部分进入炉渣而被除去，小部分残留于钢中成为非金属夹杂物。此外，在室温下锰能溶于铁素体，对钢有一定强化作用。锰也能溶于渗碳体中，形成合金渗碳体。但锰作为少量杂质存在时，它对钢的性能影响不显著。 2．硅硅在钢中作为杂质存在时，一般均小于0.4％,它也来自生铁与脱氧剂。在室温下硅能溶于铁素体，对钢有一定的强化作用。但硅作为少量杂质存在时，它对钢的性能影响也不显著。 3．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。 4．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。 5．非金属夹杂物在炼钢过程中，少量炉渣、耐火材料及冶炼中反应产物可能进入钢液，形成非金属夹杂物。例如氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物等。它们都会降低钢的机械性能，特别是降低塑性、韧性及疲劳极限。严重时，还会使钢在热加工与热处理时产生裂纹或使用时突然脆断。非金属夹杂物也促使钢形成热加工纤维组织与带状组织，使材料具有各向异性。严重时，横向塑性仅为纵向的一半，并使冲击韧性大为降低。因此，对重要用途的钢（如滚动轴承钢、弹簧钢等）要检查非金属夹杂物的数量、形状、大小与分布情况。此外，钢在整个冶炼过程中，都与空气接触，因而钢液中总会吸收一些气体，如氮、氧、氢等。它们对钢的质量也会产生不良影响。