化學(xué)
符號
化學(xué)
元素
基本性質(zhì)
對熔點的影響℃
對密度的影響/g·cm3
相對原
子質(zhì)量
密度
/g·cm-3
熔點
/℃
適用元素含量范圍（質(zhì)量分數(shù)，%）
鋼中某元素質(zhì)量分數(shù)增加1%時,溫度降低值Δt
適用元素含量范圍(質(zhì)量分數(shù),%)
鋼中某元素質(zhì)量分數(shù)增加1%時,密度變化量Δρ
C
碳
12.0
<1.0
1.0
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
65
70
75
80
85
91
100
<1.55
-0.040
Si
硅
28.086
2.4
1414
0～3.0
8
<4.0
-0.073
Mn
錳
54.93
7.3
1244
0～1.5
5
<1.5
-0.016
P
磷
30.97
2.2
44
0～0.7
30
<1.1
-0.117
S
硫
32.064
2.046
119
0～0.08
25
<0.2
-0.164
Al
鋁
26.98
2.68
659
0～1.0
3.0
<2.0
-0.120
V
釩
50.942
6.0
1720
0～1.0
2.0
Nb
鈮
92.91
8.57
2000
Ti
鈦
47.9
4.5
1800
18
Sn
錫
118.69
7.28
232
0～0.03
10
Co
鈷
58.93
8.5
1490
1.5
Mo
鉬
96.94
10.2
2622
0～0.03
2
B
硼
10.81
2.3
2800
90
Ni
鎳
58.71
8.85
1455
0～9.0
4
<5.0
+0.004
Cr
鉻
51.996
7.14
1820
0～18
1.5
<1.2
+0.001
Cu
銅
63.546
8.7
1080
0～0.3
5
<1.0
+0.022
W
鎢
183.85
19.32
3370
18W及0.66%C
2.0
<1.5
+0.095
Pb
鉛
207.20
11.35
327
Te
碲
127.60
6.25
453
Bi
鉍
208.98
9.74
271
As
砷
74.92
0.0709
-259.1
0～0.5
14
<0.15
+0.100
H2
氫
2.016(液)
1.461
-218.4
0～0.3
1300
O2
氧
32.0
1.026
-209.86
0～0.3
80
N2
氮
28.016
0～0.3
90
鋼中常見雜質(zhì)元素及其作用
元素
中文
來??? 源
作??? 用
P
磷
煉鋼過程中從爐料引入
磷微溶于鋼中，當鋼中含磷量較高（P＞0.1%)時,形成Fe2P在晶粒周界析出,降低鋼的塑性和韌性.
S
硫
煉鋼過程中從爐料引入
1、硫在鋼中以FeS或FeS-Fe共晶體存在于鋼的晶粒周界,降低鋼的力學(xué)性能,一般限制含硫量在0.04%～0.06%(依鋼種而定)
2、機械制造中,有時需要改善某些鋼的切削加工性能(易切鋼),為此往鋼中加入適量的硫(S=0.1%～0.4%-根據(jù)鋼種而定),以形成硫化物(Mn,Fe)S,起中斷基體連續(xù)性(斷屑)的作用
H
氫
煉鋼過程中鋼液從爐氣中吸收氫
鋼液中溶解的氫在凝固過程中因溶解降低而析出.緩慢凝固條件下,氫以針孔形態(tài)析出.快速凝固時,析出的氫在鐵的晶格內(nèi)造成高應(yīng)力狀態(tài),導(dǎo)致脆性
N
氮
煉鋼過程中鋼液從爐氣中吸收氮
1、鋼液中溶解的氮在凝固過程中因溶解度降低而析出,并與鋼中的Si,Al,Zr等元素化合,生成SiN,AlN,ZrN等氮化物.少量的氮化物能細化鋼的晶粒.氮化物多時,會使鋼的塑性和韌性降低.
2、氮屬于擴大奧氏體區(qū)元素,在鋼中可部分代替鎳的作用,是鉻錳氮不銹鋼中的合金元素
3、氮固溶于奧氏體,起固溶強化作用,在超低碳不銹鋼中,可代替碳的作用,提高鋼的強度
O
氧
煉鋼過程中鋼液被氧化生成FeO
1、鋼液中溶解的FeO在凝固前溫度降低過程中與鋼液中的碳起反應(yīng),生成一氧化碳氣泡,在鑄件中造成氣孔
2、鋼液凝固過程中,FeO因溶解度下降而析出在鋼的晶粒周界處,降低鋼的性能.
影響鑄鋼性能的一些因素
元素
中文
作?????????????? 用
Al
鋁
1、煉鋼中起良好的脫氧作用.
2、細化鋼的晶粒,提高鋼的強度.
3、提高鋼的抗氧化性能,提高不銹鋼對強氧化性酸類的耐蝕能力.
Ti、Nb
鈦、鈮
1、細化鋼的晶粒.
2、在不銹鋼中改善抗晶間腐蝕性能.
B
硼
強烈提高過冷奧氏體穩(wěn)定性,在提高鋼的淬透性方面所起的作用比Cr,Mo,Ni等合金元素強得多(每0.001%的B相當于Mn0.85%,或Ni2.4%,或Cr0.45%,或Mo0.35%)
Cu
銅
1、強化鐵素體(Cu<1.5%)
2、產(chǎn)生析出強化作用(Cu>3.0%)
3、提高鋼的耐腐蝕(特別對硫酸)性能
W
鎢
1、細化鋼的晶粒.
2、提高鋼的淬透性
3、生成高熱穩(wěn)定碳化物和氮化物(W2C,W2N),提高鋼的熱強性
Re(Ce,La)
錸（鈰、鑭）
1、煉鋼中起脫硫,去氣,凈化鋼液作用.
2、細化鋼的晶粒,改善鑄態(tài)組織(縮小柱狀晶區(qū)).
合金元素在鋼中的作用
元素
中文
作????????????? 用
Mn
錳
1、在低含量范圍內(nèi),對鋼具有很大的強化作用,提高強度,硬度和耐磨性.
2、降低鋼的臨界冷卻速度,提高鋼的淬透性.
3、稍稍改善鋼的低溫韌性.
4、在高含量范圍內(nèi),作為主要的奧氏體化元素.
Si
硅
1、強化鐵素體,提高鋼的強度的硬度.
2、降低鋼的臨界冷卻速度,提高鋼的淬透性.
3、提高鋼在氧化性腐蝕介質(zhì)中的耐蝕性,提高鋼的耐熱性.
4、磁鋼中的主要合金元素.
Cr
鉻
1、在低含量范圍內(nèi),對鋼具有很大的強化作用,提高強度,硬度和耐磨性.
2、降低鋼的臨界冷卻速度,提高鋼的淬透性.
3、提高鋼的耐熱性,是耐熱鋼的主要合金元素.
4、在高合金范圍內(nèi),使鋼具有對強氧化性酸類等腐蝕介質(zhì)的耐腐蝕能力.
Mo
鉬
1、強化鐵素體,提高鋼的強度和硬度.
2、降低鋼的臨界冷卻速度,提高鋼的淬透性.
3、提高鋼的耐熱性和高溫強度,是熱強鋼中的重要合金元素.
V
釩
1、在低含量(0.05%～0.10%)時,細化晶粒,提高韌性.
2、在較高含量(＞0.20%)時,形成V4C3碳化物,提高鋼的熱強性.
Ni
鎳
1、提高的強度,而不降低其塑性.
2、降低鋼的臨界冷卻速度,提高鋼的淬透性.
3、改善鋼的低溫韌性.
4、擴大奧氏體區(qū),是奧氏體化的有效元素.
5、本身具有一定耐蝕性,對一些還原性酸類(硫酸、鹽酸)具有良好的耐蝕能力.
序號
缺陷名稱
特征
產(chǎn)生原因
1
夾雜物
2
氣? 孔
3
粘? 砂
4
夾? 砂
5
冷? 裂
6
熱? 裂
7
縮? 孔
8
縮? 松
氣體
在液態(tài)金屬中存在的形態(tài)
對鑄件質(zhì)量的影響
O2
合金
生成氧化物
N2
H2
水蒸氣
二氧化碳
一氧化碳
二氧化硫
氧
化
物
夾
雜
夾
雜
物
夾
雜
夾
雜
夾
雜
(1)鑄造產(chǎn)品存在的各種質(zhì)量問題，諸如擁孔、琉松、夾渣．氣孔、裂紋等，絕大多數(shù)是在液態(tài)
金肩向固態(tài)轉(zhuǎn)變過程中產(chǎn)生的．因而進行凝固過程的數(shù)值模擬，分析其產(chǎn)生的內(nèi)在原因，對提高產(chǎn)
品質(zhì)旦消除上述缺陷起到前所未有的作用。
(2)采用數(shù)值模擬技術(shù)可U在生產(chǎn)之前對其過程質(zhì)量預(yù)測，利用各種計算數(shù)據(jù)判定鑄造缺陷
是否發(fā)生*并可U針對不同的工藝方案進行質(zhì)量對比慶現(xiàn)計算機質(zhì)置預(yù)測和工藝優(yōu)化。
(3)用計算機進行鑄造產(chǎn)品質(zhì)量項測時，月是在計算機上進行，這種計算機模擬試生產(chǎn)并沒
有真正的生產(chǎn)試驗，因而可以節(jié)省大量的人力、物力、財力。尤其在新產(chǎn)品試制時．對大型件，要求生
產(chǎn)工藝一次可篇性確保100％，而對大批量機械造型線生產(chǎn)鑄件要求燒冒口尺寸精確而X熊節(jié)
省》應(yīng)用計算機數(shù)值模擬方法可比常規(guī)經(jīng)驗法既方便快速x能取得顯著的經(jīng)濟效益。
(4)在悠久的歷史發(fā)展長河中，鑄造工藝設(shè)計一直建立在生產(chǎn)經(jīng)驗基礎(chǔ)上，通過試驗、比較的
方法尋求較佳的生產(chǎn)工藝。到了20世紀上半葉，也產(chǎn)生了一些通用簡明的計算方法進行撓冒口設(shè)
計．如內(nèi)節(jié)團法．Chvonnov的平方根定理，wlo?4awar的模數(shù)法。雖然這些方法至今在鑄造生產(chǎn)
中仍起著重要的作用，但由于不能對每一個具體的工況進行復(fù)雜的、帶有大量熱交換的傳熱計算．
而這種計算必須涉及傳熱學(xué)、流體力學(xué)、靛目力學(xué)、凝固理論、計算數(shù)學(xué)、計算機語言等知識，因而
不能進行更科學(xué)的工藝設(shè)計。采用計算機數(shù)值模擬可U使鑄造工藝設(shè)計從經(jīng)驗走向科學(xué)預(yù)測。
正是出于計算機應(yīng)用荷很多優(yōu)點，從20世紀60年代到目前，工業(yè)發(fā)達國家美國、英國、德國、
日本、法國等的優(yōu)秀冶金鑄造研究人員都開展了計算機在鑄造方而的研究工作，撤起了一次次高
潮。我國從20世紀70年代未開始開展計算機數(shù)值模擬研究，二十多年的研究一直與鑄造生產(chǎn)實
際密切結(jié)合，形成了我國研究的特色。
u 78年沈陽鑄造研究所結(jié)合葛州鋇電站所得的I 2．5萬kw鈾流式水輪發(fā)電機關(guān)鍵鑄件卡
普蘭式不銹鋼葉片的生產(chǎn)，開展了”鑄件凝固過程熱場電子計算機模擬研究”，大連理工大學(xué)結(jié)合大
型船用銅螺旋槳開展了：“凝固過程數(shù)值模擬研究”，此后，西北工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安
交通大學(xué)、沈陽工業(yè)大學(xué)、哈爾濱科技大學(xué)、清華大學(xué)、內(nèi)蒙古工學(xué)院、合肥工業(yè)大學(xué)、北京科技大
學(xué)、鄭州機械研究所、二重集團公司大型鑄鍛件研究所、鞍鋼鋼鐵研究所等，也進行了一系列數(shù)值模
擬技術(shù)的基礎(chǔ)性研究。
(1)鎊件凝固過程溫度場數(shù)值模擬及其基本人法的研究，包括應(yīng)用有限差法，有限元法，邊界
元法。有限差法中還包括顯式法、隱式法、交替隱式法．D F．F格式和s。1yd格式進行溫度值計
算*以及各種不同的邊界條件處理和潛熱處理。
(2)镕鋼件凝固過程縮孔、疏松計算判據(jù)的研究。包括溫度梯廢場、固相率場、凝固時間場的
計算等，4根據(jù)這些計算提出一系列判據(jù)，判定凝固終了時，鑄件是否出瑰縮孔、疏松缺陷．在什么
部位、什么時間出現(xiàn)縮孔、硫松缺餡。
(3)大型鑄鋼件熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力場數(shù)值模擬研究。包括鑄件疑團過程中熱應(yīng)力場的計算和
冷卻過程中殘余應(yīng)力場的計算，熱裂紋敏感區(qū)和熱裂紋的預(yù)測等。
(4)大型鑄鋼件熱縮變場數(shù)值模擬研究。主要包括溫度探度、準固相區(qū)停留時間、收縮變形梯
度等項計算來預(yù)測熱裂紋敏感區(qū)，進而采取工藝措施來消除熱裂紋。
(5)沈陽鑄造研究所、清華大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、西安交通大學(xué)對帶有自由表面的充型過程
流速場、溫度場數(shù)值模擬進行了研究．運用質(zhì)量方程、動置方程和能量方程確定充型過程守各個微
元體的流速、溫度，金屬液體流動、自由表面位置，進而確定最終充滿位置，這些模擬結(jié)果對砂型鑄
造、特別是對壓力鑄造減少或杜絕冷隔、澆不到、巷氣、夾渣有指導(dǎo)意義，對壓镕型設(shè)計、提高棋具
壽命．2現(xiàn)均勻升溫和降溫有決定性意義。
(6)在較多單位參與上述研究并進行到一定的深度U后質(zhì)華大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)還分別
針對大型鍛件用的大鋼錠的逆偏析和ANiu臺金的成分不均進行了化學(xué)成分偏析場的數(shù)值模擬
研究。