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。