金屬中氣體元素原定義為氧、氮、氫三種填隙式相元素，我國自1953年開展金屬中氣體分析工作以來，已有46年歷史。它們以溶液和剩余相夾雜物的形式處于固體的和熔融的金屬系統(tǒng)中，在一定條件下，這些元素在金屬中形成真正的氣體雜質(zhì)，由于這種原因，氫、氧、氮稱為“金屬中氣體生成元素”即這些元素可以在由凝聚相轉(zhuǎn)變成氣相后用氣體分析器來測定。在實驗過程中，由于氣態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物的排出而使平衡移動時，氫、氧、氮和碳在高溫和試劑的作用下可以從金屬中定量在析出到氣相中。這些化合物－H2O2、N2、CO、CO2、CH4、NH3、H2O等可以用氣體分析方法來測定。因此象形成SO2、H2S、SO3等類化合物的硫也屬于氣體生成元素。這樣金屬中氣體元素分析廣義上指－將在分析過程中能形成氣體狀態(tài)而分析的碳、硫、氧、氮、氫五元素。

    在與金屬接觸的氣體中，無論是地球的大氣，真空系統(tǒng)的殘留氣體，或惰性氣體中，總是有氫、氧、氮、碳、硫。因此在地球上不可能得到完全不含“氣體”元素的金屬。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，我們可以通過廣泛的科學(xué)研究進一步探討和認識氣體元素在金屬中的行為，已弄清了過去所不知道的固體中氣體雜質(zhì)形成的來源。作為理想的金屬晶格而言，氫、氧、氮、碳(硫除外，它不屬于間隙相元素)，在達到一定濃度值以前，將僅以間隙溶液形式存在。半徑分別接近于0.46、0.7、0.71、0.77(A°)的氫、氧、氮、碳的原子填充到金屬晶格的結(jié)點中間并不置換金屬原子，使晶格對稱性稍有扭曲。除間隙固溶體外，氣體在金屬中還能以剩余相(凝聚相和氣態(tài)相)形式，圍繞位錯堆聚的形式以及在內(nèi)表面上的吸著形式存在。

    在相同的晶體結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)氫、氧、氮、碳在金屬中的最大溶解度隨著原子序數(shù)的增加，按鈦－鋅，鋯－鎘，鉿－汞的方向，從百分之幾十降到千分之幾(原子百分數(shù)單位)，在某些情況下，已達到用目前可行的方法所能檢測的范圍以外。在超過氣體元素溶解度極限的情況下(在一定的溫度和分壓下)，剩余相的形式的析出過程就開始了。

    在實際金屬中，雜質(zhì)氣體元素由氣相經(jīng)表面層轉(zhuǎn)入凝聚相可以分為吸附、分解、表面溶液的形成、擴散、溶解雜質(zhì)氣體元素在固溶體和結(jié)構(gòu)缺陷間的分配，剩余相的成核和析出幾個階段。氣體雜質(zhì)元素的原子在間隙固溶體和位錯附近的堆聚區(qū)之間可以達到平衡分配，在溫度急劇改變的情況下，原先接近平衡的氣體－金屬系統(tǒng)變成不平衡，為吸著和解吸過程的發(fā)展提供條件。

    在金屬原子的密堆積點陣中，存在兩種填隙位置，即坐標數(shù)為6的“八面體的”位置和坐標數(shù)為4的“四面體的”位置，氣體元素占據(jù)哪種位置取決于與其體積相適應(yīng)的最高坐標數(shù)。較大的原子往往會占有八面體位置，而較注的則占有四面體的點陣位置，即氫傾向于占據(jù)填隙式四面體位置，而較大的氧和氮原子傾向于占據(jù)密堆積金屬晶格中八面體的位置。

    氣體在金屬中的溶解度在相應(yīng)溫度和溶化溫度下都出現(xiàn)突變。鐵的a和d相是體心立方結(jié)構(gòu)，而g相鐵是面心立方結(jié)構(gòu)，填隙元素在面心立方晶格中的溶解度較大。

    氣體元素能使鋼材產(chǎn)生縮孔、氣泡、疏松、點狀偏析、裂紋等缺陷。縮孔是鋼錠冷卻收縮時，因無液體補充而在鋼錠內(nèi)部形成的孔洞。鋼中氣泡是由于鋼錠凝固時，碳－氧反應(yīng)生成的氣泡來不及排除就被圍在鋼錠內(nèi)部產(chǎn)生的。疏松是一種微小孔洞分布在鋼材內(nèi)部。點狀偏析形成的原因是鋼件中已凝固或已呈糊狀的金屬部份，存在氣泡或收縮孔隙，這些位置隨后為富含低熔點組元和雜質(zhì)的溶液所填充，就造成了點狀偏析，點狀偏析嚴重的鋼中氣體元素含量往往較高。而裂紋的產(chǎn)生通常是由于鋼液凝固過程中發(fā)生了夾雜質(zhì)物的集聚和氣體溶解度的降低，并且一般集中在晶粒邊界，形成了薄弱環(huán)節(jié)，以后當(dāng)熱處理或壓力加工時產(chǎn)生的應(yīng)力超過強度時，這種地方容易開裂產(chǎn)生裂紋。鋼中氣體元素除了與其它各種因素綜合作用產(chǎn)生許多缺陷外，其本身還會對鋼材性能產(chǎn)生各自獨有的影響。

    鋼中氧對鋼材性能的影響

    氧對于把鐵冶煉成鋼是不可缺少的。鐵中的雜質(zhì)元素碳、硅、錳、磷、硫等就是通過氧化來去除或使之降低到需要的程度。但是在冶煉結(jié)束時，鋼液中如殘留過多的氧，鋼液凝固后會在鋼錠內(nèi)部產(chǎn)生大量的氣泡和非金屬夾雜物，影響鋼材質(zhì)量，因此鋼液成份達到所煉鋼種的要求后，又必須采取加入脫氧劑的方式來降低鋼液中的氧含量，但最終總會有少量氧主要以氧化物夾雜的形態(tài)存在于鋼中。

    鋼中氮及其對鋼材性能的影響

    鋼中氮主要來源于爐料和大氣，它對鋼性能的影響與氫和氧有些不同，氫、氧尤其是氫對鋼材產(chǎn)生非常有害的影響。因此在冶煉過程中盡量設(shè)法去除。而氮作為雜質(zhì)元素雖在一定條件下導(dǎo)致鋼材的藍脆、時效等現(xiàn)象，并且超過某一限度時易在鋼中形成氣泡、疏松等缺陷。但它對鋼材性能還有有利的作用，已被認為是一種重要的合金元素，并用中間合金和滲氮的方法加入鋼中，以獲得所需的鋼材性質(zhì)。

    鋼中氫及其對鋼材性能的影響

    氫對鋼造成很多嚴重缺陷，危害性極大。白點是氫造成的嚴重缺陷之一。五十年代美國曾發(fā)生幾起發(fā)電機轉(zhuǎn)子，汽輪機轉(zhuǎn)子和葉輪脆性斷裂的嚴重事故，據(jù)斷口分析其原因之一就是存在白點。

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