第五章常用工程材料

第六章常用工程材料工业中应用最广泛的金属材料是钢铁。本章主要介绍常用金属材料的分类、牌号、化学成分、力学性能和应用范围。第一节非合金钢新的钢分类中已经用“非合金钢”一词取代“碳素钢”，但由于许多技术标准是在新的《钢分类》标准实施之前制订的，所以，为便于衔接和过渡，非合金钢的介绍仍按原常规分类进行。非合金钢价格低廉、工艺性能好、力学性能能满足一般工程和机械制造的使用要求，是工业生产中用量最大的工程材料。一、非合金钢中的常存杂质元素及其影响实际使用的非合金钢并不是单纯的铁碳合金，由于冶炼时所用原料以及冶炼工艺方法等影响，钢中总不免有少量其他元素存在，如硅、锰、硫、磷、铜、铬、镍等，这些并非有意加入或保留的元素一般作为杂质看待。它们的存在对钢的性能有较大的影响。1、锰（Mn）钢中的锰来自炼钢生铁及脱氧剂锰铁。一般认为锰在钢中是一种有益的元素。在碳钢中含锰量通常＜0.80%；在含锰合金钢中，含锰量一般控制在1.0～1.2%范围内。锰大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，并使铁素体强化；另一部分锰溶于渗碳体中，形成合金渗碳体，提高钢的硬度；锰与硫化合成MnS，能减轻硫的有害作用。当锰含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时，它对钢的性能影响并不明显。2、硅（Si）也是来自炼钢生铁和脱氧剂硅铁，在碳钢中含硅量通常＜0.35%，硅和锰一样能溶于铁素体中，使铁素体强化，从而使钢的强度、硬度、弹性提高，而塑性、韧性降低。因此，硅也是碳钢中的有益元素。3、硫（S）硫是生铁中带来的而在炼钢时又未能除尽的有害元素。硫不溶于铁，而以FeS形成存在，FeS会与Fe形成低熔点（985℃）的共晶体（FeS-Fe），并分布于奥氏体的晶界上，当钢材在1000℃～1200℃压力加工时，晶界处的FeS-Fe共晶体已经熔化，并使晶粒脱开，钢材将沿晶界处开裂，这种现象称为“热脆”。为了避免热脆，钢中含硫量必须严格控制，普通钢含硫量应≤0.055%，优质钢含硫量应≤0.040%，高级优质钢含硫量应≤0.030%。在钢中增加含锰量，可消除硫的有害作用，锰能与硫形成熔点为1620℃的MnS，而且MnS在高温时具有塑性，这样避免了热脆现象。4、磷（P）也是生铁中带来的而在炼钢时又未能除尽的有害元素。磷在钢中全部溶于铁素体中，虽可使铁素体的强度、硬度有所提高，但却使室温下的钢的塑性、韧性急剧降低，在低温时表现尤其突出。这种在低温时由磷导致钢严重变脆的现象称为“冷脆”。磷的存在还会使钢的焊接性能变坏，因此钢中含磷量应严格控制，普通钢含磷量应≤0.045%，优质钢含磷量应≤0.040%，高级优质钢含磷量应≤0.035%。但是，在适当的情况下，硫、磷也有一些有益的作用。对于硫，当钢中含硫较高（0.08～0.3%）时，适当提高钢中含锰量（0.6～1.55%），使硫与锰结合成MnS，切削时易于断屑，能改善钢的切削性能，故易切钢中含有较多的硫。对于磷，如与铜配合能增加钢的抗大气腐蚀能力，改善钢材的切削加工性能。另外，钢在冶炼时还会吸收和溶解一部分气体，如氮、氢、氧等，给钢的性能带来有害影响。尤其是氢，它可使钢产生氢脆，也可使钢中产生微裂纹，即白点。二、非合金钢的分类、编号和用途1、非合金钢的分类非合金钢分类方法很多，比较常用的有三种，即按钢的含碳量、质量和用途分类。(0.25%);(1)(0.25%0.60%);(0.60%).CCC低碳钢按含碳量分中碳钢高碳钢SPSPSP(W0.050%;W0.045%);(2)(W0.035%;W0.035%);(W0.030%;W0.030%)普通碳素钢按质量分优质碳素钢高级优质碳素钢:(3)碳素结构钢主要用于建筑桥梁等工程和各种机械零件;按用途分碳素工具钢:主要用于各类刀具量具和模具等;2、碳钢的牌号和用途（1）碳素结构钢用Q+数字表示，“Q”为屈服点，“屈”汉语拼音，数字表示屈服点数值。如：Q275，表示屈服点为275MPa，若牌号后面标注字母A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同，即S、P含量不同。A、B、C、D质量依次提高，“F”表示沸腾钢，“b”为半镇静钢，不标“F”和“b”的为镇静钢。如：Q235-A·F表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢，Q235-C表示屈服点为235MPa的C级镇静钢。碳素结构钢一般情况下都不经热处理，而是在供应状态下直接使用。通常Q195、Q215、Q235含碳量低，有一定强度，常扎制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等钢结构，也可制造普通的铆钉、螺钉、螺母、垫圈、地脚螺栓、轴套、销轴等等，Q255和Q275钢强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接。通常扎制成型钢、条钢和钢板作结构件以及制造连杆、键、销、简单机械上的齿轮、轴节等。（2）优质碳素结构钢优质碳素结构钢牌号由二位数字，或数字与特征符号组成。以二位数字表示平均碳的质量分数（以万分之几计）。沸腾钢和半镇静钢在牌号尾部分别加符号“F”和“b”，镇静钢一般不标符号。较高含锰量的优质碳素结构钢，在表示平均碳的质量分数的数字后面加锰元素符号。例如：WC=0.50%，WMn=0.70～1.00%的钢，其牌号表示为“50Mn”。高级优质碳素结构钢，在牌号后加符号“A”，特级优质碳素结构钢在牌号后加符号“E”。优质碳素结构钢主要用于制造机械零件。一般都要经过热处理以提高机械性能，根据碳的质量分数不同，有不同的用途，08、08F、10、10F钢，塑性、韧性好，具有优良的冷成型性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身，拖拉机驾驶室等；15、20、25钢用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞钢、样板等；30、35、40、45、50钢经热处理（淬火+高温回火）后具有良好的综合机械性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，用于制作轴类零件；55、60、65钢热处理（淬火+高温回火）后具有高的弹性极限，常用作弹簧。（3）碳素工具钢这类钢的牌号是由代表碳的符号“T”与数字组成，其中数字表示钢中平均碳的质量分数（以千分之几计）。对于较高含锰或高级优质碳素工具钢，牌号尾部表示同优质碳素结构钢。例如T12钢，表示WC=1.2%的碳素工具钢。碳素工具钢生产成本较低，加工性能良好，可用于制造低速、手动刀具及常温下使用的工具、模具、量具等。在使用前要进行热处理（淬火+低温回火）。常用牌号有T7、T8，用于制造要求较高韧性、承受冲击负荷的工具，如小型冲头、凿子、锤子等；T9、T10、T11用于制造要求中韧性的工具，如钻头、丝锥、车刀、冲模、拉丝模、锯条等；T12、T13钢具有高硬度、高耐磨性，但韧性低，用于制造不受冲击的工具如量规、塞规、样板、锉刀、刮刀、精车刀等。（4）铸造碳钢许多形状复杂的零件，很难通过锻压等方法加工成形，用铸铁时性能双难以满足需要，此时常用铸钢铸造获取铸钢件，所以，铸造碳钢在机械制造尤其是重型机械制造业中应用非常广泛。铸钢的牌号有两种表示方法：以强度表示的铸钢牌号，是由铸钢代号“ZG”与表示力学性能的两组数字组成，第一组数字代表最低屈服点，第二组数字代表最低抗拉强度值。例如ZG200-400，表示0.2()Sr不小于200MPa，b不小于400MPa；另一种用化学成分表示的牌号在此不作介绍。铸造碳铸钢碳的质量分数，一般WC=0.15～0.60%范围内，过高则塑性差，易产生裂纹。铸钢的铸造性能比铸铁差，主要表现在铸钢流动性差，凝固时收缩比大且易产生偏析等方面。第二节合金钢一、合金元素在钢中的作用（一）为使金属具有某些特性，在基体金属中有意加入或保留的金属或非金属元素称为合金元素，钢中常用的有铬、锰、硅、镍、钼、钨、钒、钴、铝、铜等。硫、磷在特定条件下也可以认为是合金元素，如易切削钢中的硫。合金元素在钢中的作用，主要表现为合金元素与铁、碳之间的相互作用以及对铁碳相图和热处理相变过程的影响。1、合金元素对钢基本相的影响（1）强化铁素体大多数合金元素都能溶于铁素体，引起铁素体的晶格畸变，产生固溶强化，使铁素体的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。（2）形成碳化物在钢中能形成碳化物的元素称为碳化物形成元素，有铁、锰、铬、钼、钨、钒等。这些元素与碳结合力较强，生成碳化物（包括合金碳化物、合金渗碳体和特殊碳化物）。合金元素与碳的结合力越强，形成的碳化物越稳定，硬度就越高。碳化物的稳定性越高，就越难溶于奥氏体，也越不易聚集长大。随着碳化物数量的增加，钢的硬度、强度提高，塑性、韧性下降。2、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响（1）合金元素对奥氏体相区的影响①镍、锰等合金元素使单相奥氏体区扩大该元素使A1线、A3线下降。若其量足够高，可使单相奥氏体扩大至常温，即可在常温下保持稳定的单相奥氏体组织（这种钢称为奥氏体钢）。②铬、钼、钛、硅、铝等合金元素使单相奥氏体区缩小该元素使A1线、A3线升高。当其含量足够高时，可使钢在高温与常温均保持铁素体组织，这类钢称为铁素体钢。（2）合金元素对S、E点的影响合金元素都使Fe-Fe3C相图的S点和E点向左移，即使钢的共析含碳量和碳在奥氏体中的最大溶解度降低。若合金元素含量足够高，可以在含碳量为0.4%的钢中产生过共析组织，在含碳量为1.0%的钢中产生莱氏体。3、合金元素对钢的热处理的影响（1）对钢加热时奥氏体形成的影响①奥氏体形成速度的影响合金钢的奥氏体形成过程基本上与碳钢相同，但由于碳化物形成元素都阻碍碳原子的扩散，因而都减缓奥氏体的形成；同时合金元素形成的碳化物比渗碳体难溶于奥氏体，溶解后也不易扩散均匀。因此要获得均匀的奥氏体，合金钢的加热温度应比碳钢高，保温时间应比碳钢长。②对奥氏体晶粒大小的影响由于高熔点的碳化物的细小颗粒分散在奥氏体组织中，能机械地阻碍奥氏体晶粒的长大，因此热处理时合金钢（锰钢除外）不易产生过热组织。（2）对过冷奥氏体的转变的影响除钴以外，大多数合金元素都增加奥氏体的稳定性，使C曲线右移。且碳化物形成元素使珠光体和贝氏体的转变曲线分离为两个C形。如图6-2所示。图6-2合金元素对过冷A等温转变和Ms点的影响示意图b)含较多碳化物形成元素的钢a)含非碳化物形成元素(或少量)的钢时间温度Si,W,Mo,Cu,NiCr,V,Mn,CAl,CoA1A1Co,AlMo,W,Cr,VNi,Cr,W,V,MnCrSi,Ni,Cr,MnCr,Mo,W时间温度MsSi,W,Mo,Cu,NiCr,V,Mn,CAl,CoNi,Cu,SiNi,Mn,CuSi,Ti,VCo由于合金元素使C曲线右移，因而使淬火的临界冷却速度降低，提高了钢的淬透性，这样就可采用较小的冷却速度，甚至在空气中冷却就能得到马氏体，从而避免了由于冷却速度过大而引起的变形和开裂。C曲线向右移会使钢的退火变的困难，因此合金钢往往采用等温退火使之软化。此外，除钴、铝外，其他合金元素均使Ms点降低，残余奥氏体量增多。（3）对淬火钢回火的影响合金元素固溶于马氏体中，减慢了碳的扩散，从而减慢了马氏体及残余奥氏体的分解过程，阻碍碳化物析出和聚集长大，因而在回火过程中合金钢的软化速度比碳钢慢，即合金钢具有较高的回火抗力，在较高的回火温度下仍保持较高的硬度，这一特性称为耐回火性（或回火稳定性）。也就是说，在回火温度相同时，合金钢的硬度及强度比相同含碳量的碳钢要高，或者说两种钢淬火后回火至相同硬度时，合金钢的回火温度高（内应力的消除比较彻底，因此，其塑性和韧性比碳钢亦好）。此外，若钢中铬、钨、钼、钒等元素超过一定量时，除了提高耐回火性外，在400℃以上还会形成弥散分布的特殊碳化物，使硬度重新升高，直到500～600℃硬度达最高值，出现所谓的二次硬化现象。600℃以后硬度下降是由于这些弥散分布的碳化物聚集长大的结果。高的耐回火性和二次硬化使合金钢在较高温度（500～600℃）仍保持高硬度，这种性能称为热硬性（或红硬性）。热硬性对高速切削刀具及热变形模具等非常重要。合金元素对淬火钢回火后的机械性能的不利方面主要是第二类回火脆性。这种脆性主要在含铬、镍、锰、硅的调质