碳钢的性能主要取决于钢的含碳量和显微组织。在退火或热轧状态下﹐随含碳量的增加﹐钢的强度和硬度升高﹐而塑性和冲击韧性下降。焊接性和冷弯性变差。所以工程结构用钢﹐常限制含碳量。
碳钢中的残余元素和杂质元素如锰﹑硅﹑镍﹑磷﹑硫﹑氧﹑氮等﹐对碳素钢的性能也有影响。这和影响有时互相加强﹐有时互相抵销。例如﹕硫﹑氧﹑氮都能增加钢的热脆性﹐而适量的锰可减少或部分抵销其热脆性。残余元素除锰﹑镍外都降低钢的冲击韧性﹐增加冷脆性。除硫和氧降低强度外﹐其它杂质元素均在不同程度上提高钢的强度。几乎所有的杂质元素都能降低钢的塑性和焊接性。
氢在钢中能造成很多严重缺陷﹐如产生白点﹑点状偏析﹑氢脆﹑表面鼓泡和焊缝热影响区内的裂缝等。为保证钢的质量﹐必须尽可能降低钢中氢的含量。脱氧带入的残余元素如铝﹐可减小低碳钢的时效倾向﹐还可以细化晶粒﹐提高钢在低温下的韧性﹐但余量不宜过多。由炉料中带入的残余元素如镍﹑铬﹑钼﹑铜等﹐含量高时可提高钢的淬透性﹐但对要求具有高塑性的专用钢﹐如深冲用钢板﹐则是不利的。
冶炼﹑加工对碳钢性能的影响 碳钢目前大都采用氧气转炉和平炉冶炼﹐优质碳钢也采用电弧炉生产。根据炼钢过程脱氧程度的不同﹐碳钢可分为镇静钢﹑沸腾钢和介于两者之间的半镇静钢。冶炼方法对钢的性能影响﹐主要是通过钢的纯净度而起作用的。近年来人们通过真空处理﹑炉外精炼和喷吹技术等﹐都可获得更高纯净度的钢﹐从而显著改善了碳素钢的品质。
碳钢的塑性加工工艺通常分热加工和冷加工。经过热加工﹐钢锭中的小气泡﹑疏松等缺陷被焊合起来﹐使钢的组织致密。同时﹐热加工可破坏铸态组织﹑细化晶粒。使锻轧的钢材比铸态具有更好的力学性能。经冷加工的钢﹐随着冷塑性变形程度增大﹐强度和硬度增加﹐塑性和韧性降低。为提高成材率﹐广泛应用连续铸钢工艺。
碳钢的时效
低碳钢的时效通常有淬火时效和应变时效两种﹐都是由间隙元素作用引起的﹐主要是由于碳﹑氮﹑氧的重新分布所造成。
淬火时效 即钢由高温快速冷却后性能随时间而变化的现象。钢中含碳量﹑脱氧程度和含氮量对淬火时效都有很大影响﹐低碳钢﹑脱氧不充分的沸腾钢和含氮量较高的钢发生淬火时效最显著﹐含碳约0.3％的中碳钢﹐由淬火时效所引起的性能变化已大为减弱﹐含碳约0.6％的高碳钢﹐实际上不起时效硬化作用。
应变时效 经冷加工变形后的性能随时间而变化的现象。碳和氮对应变时效的影响﹐与对淬火时效的影响相似﹐磷也促进应变时效。低碳钢因冷变形而消失的屈服点﹐随时间的延长而逐渐恢复。应变时效比淬火时效更为复杂。如钢材经淬火后再进行冷加工﹐无论在室温或稍高温度下﹐均将加速其应变时效。
碳钢的时效常给工业生产带来很大危害﹐例如沸腾钢焊接后﹐由于时效使焊接接头热影响区出现细小裂纹﹐严重影响焊接结构的安全性。但由于近代冶金技术的发展﹐和在工业生产中的应用﹐尤其是氧气转炉炼钢能获得更低的氮﹑氧含量﹐因此时效问题有所减轻。 |
