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钢材中除主要化学成分Fe铁以外,还含有少量的碳(C)、硅(Si)、锰(Mn)、磷(P)、硫(S)、氧(0)、氮(N)、钛(Ti)、钒(V)等元素,这些元素虽含量很少,但对钢材性能的影响很大。碳是决定钢材性能的重要元素,它影响到钢材的强度、塑性、韧性等机械力学性能。当钢中含碳量在0.8%以下时,随着含碳量的增加,钢的强度和硬度提高,塑性和韧性下降;但当含碳量大于1.0%时,随含碳量增加,钢的强度反而下降。一般工程用碳素钢均为低碳钢,即含碳小于0.25%,工程用低合金钢含碳小于0.52%。钢中有益元素有锰、硅、钒、钛等,控制掺入量可冶炼成低合金钢。钢中主要的有害元素有硫、磷及氧,要特别注意控制其含量。磷是钢中很有害的元素之一,主要溶于铁素体起强化作用。磷含量增加,钢材的强度、硬度提高,塑性和韧性显著下降。特别是温度愈低,对塑性和韧性的影响愈大,从而显著加大钢材的冷脆性。磷也使钢材可焊性显著降低,但磷可提高钢的耐磨性和耐蚀性。硫也是很有害的元素,呈非金属硫化物夹杂物存在于钢中,降低钢材的各种机械性能。由于硫化物熔点低,使钢材在热加工过程中造成晶粒的分离,引起钢材断裂,形成热脆现象称为热脆性。硫使钢的可焊性、冲击韧性、耐疲劳性和抗腐蚀性等均降低。氧是钢中有害元素,主要存在于非金属夹杂物中,少量熔于铁素体内。非金属夹杂物降低钢的机械性能,特别是韧性。氧有促进时效倾向的作用。氧化物所造成的低熔点亦使钢的可焊性变差。
晶体生长方式,即凝固前沿推进的方式取决于凝固前沿组成过冷的大小。当组成过冷从无到有、由小变大时,凝固前沿将由平滑无组织状态演变为胞状直至树枝状、内生生长。对于钢锭的实际凝固条件下,在大部分凝固期间,凝固前沿是以树枝状或内生状态生长,终得到树枝状晶的晶体结构。晶体总是以原子排列紧密的面与液相接触,以使表面能小。对面心立方晶格的γ一Fe来说,密排面为{111}面,所以开始析出的晶体呈八面体外形。随着结晶的进行,由于选分结晶在凝固前沿形成溶质富集层,这时晶体便从表面溶质浓度富集较少的部位—八面体的顶端沿[111]方向凸出生长,形成树枝晶的一次轴(主干)。接着,一次轴沿八面体的棱边——溶质浓度次低处优先长粗。当一次轴表面处组成过冷进一步增加时,又会在一次轴晶体缺陷处形成与一次轴相垂直的二次枝晶——二次轴。随后还可能形成三次枝晶、四次枝晶等,每个晶干不断长粗和长出更高次枝晶,直至彼此相遇。后充满整个树枝晶各枝干间,形成一个晶粒。根据生长方式的不同,可得到3种不同形状的树枝晶:(1)柱状晶。只有一个方向上的一次轴得到突出发展的树枝状晶。该一次轴称为主轴。当组成过冷小时,枝晶状长大所得到的柱状晶,二次枝晶不发达,类似于棒状晶。随着组成过冷的增加,柱状晶的高次枝晶逐步得到发展。(2)等轴晶。各方向都得到较均匀发展的树枝状晶。只有内生生长时才形成等轴晶。(3)粒状晶。枝晶不发达的树枝状晶,也称球雏晶。只有在散热强度极小时,如钢锭和铸件的热中心处才可见到粒状品。
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