第七章 钢铁材料

第七章钢铁材料工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。第一节钢中的杂质及合金元素1、Mn:0.8%时为杂质,是有益元素。作用为：①强化铁素体；②消除硫的有害作用。一、杂质元素对性能的影响钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S。是由原料带入或脱氧残留的元素。①强化铁素体；②增加钢液流动性。3、S：是有害元素。常以FeS形式存在。易与Fe在晶界上形成低熔点共晶(985℃)，热加工时(1150~1200℃)，由于其熔化而导致开裂，称热脆性.钢中的硫应控制在0.045%以下.2、Si：0.5%时为杂质，是有益元素。作用为：合金晶界的低熔点硫化物共晶Mn可消除硫的有害作用,FeS+Mn→Fe+MnS，MnS熔点高(1600℃)。4、P：也是有害元素。能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆性。P一般控制在0.045%以下.钢中的MnS夹杂比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆性于1938年冬发生断裂坠入河中5、气体元素①N：室温下N在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和N在常温放置过程中以FeN、Fe4N形式析出使钢变脆,称时效脆化.加Ti、V、Al等元素可使N固定，消除时效倾向。②O：氧在钢中以氧化物的形式存在，其与基体结合力弱，不易变形，易成为疲劳裂纹源.钢中TiN夹杂钢中氧化物夹杂③H：常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢中以原子态溶解时，降低韧性，引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。钢中白点钢的氢脆断口㈠对钢中基本相的影响1、溶于铁素体,起固溶强化作用非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元素都溶于铁素体，形成合金铁素体.Si、Mn对强度、硬度提高显著。Cr、Ni在适当范围内提高韧性。二、合金元素在钢中的作用对铁素体冲击韧性影响2、形成碳化物，起强化相作用合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为：Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。⑴Ti、Nb、V为强碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性高，如TiC、VC等。钢中碳化物⑵W、Mo、Cr为中碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较高，如W2C等。⑶Mn、Fe为弱碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较低，如Fe3C等。㈡对Fe-Fe3C相图的影响1、对奥氏体相区的影响⑴Ni、Mn、Co、C、N等是扩大奥氏体相区的元素，使A1、A3点下降，A4点上升。当Mn13%或Ni9%时，S点降到0℃以下，室温下为单相奥氏体组织，称奥氏体钢。锰对奥氏体相区的影响⑵Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等是缩小奥氏体相区的元素，使A1、A3点上升，A4点下降。当Cr13%时，奥氏体相区消失，室温下为单相铁素体组织，称铁素体钢.铬对奥氏体相区的影响2、对E点和S点位置的影响所有合金元素均使E点和S点左移，即这两点的含碳量下降，使碳含量比较低的钢出现过共析组织（如4Cr13）或共晶组织（如W18Cr4V）。㈢对钢中相变过程的影响1、对奥氏体化的影响⑴对奥氏体形成速度的影响：除Ni、Co外，都减缓奥氏体化过程。⑵对奥氏体晶粒长大倾向的影响：碳、氮化物形成元素阻碍奥氏体晶粒长大。Mn、P促进长大。2、对过冷奥氏体转变的影响⑴对C曲线和淬透性的影响：除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素均使C曲线右移，淬透性提高。常用提高淬透性的元素为Mn、Si、Cr、Ni、B。⑵对Ms、Mf点的影响：除Co、Al外,所有元素都使Ms、Mf点下降。合金元素对钢淬透性的影响淬火碳钢回火时的硬度变化3、对回火转变的影响⑴提高耐回火性：淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称耐回火性。合金元素能阻碍马氏体分解及碳化物的析出与聚集。当回火硬度相同时，合金钢比同含碳量碳钢回火温度高。如果同温度回火，合金钢硬度比碳钢高。⑵产生二次硬化含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A’转变为M回,使硬度不仅不下降，反而升高的现象称二次硬化。⑶防止第二类回火脆性加W、Mo可防止第二类回火脆性。高速钢第二节钢的分类及编号一、钢的分类1、按化学成分分中碳钢0.25~0.6%C高碳钢0.6%C低碳钢0.25%C低合金钢合金元素总量5%中合金钢合金元素总量5~10%高合金钢合金元素总量10%碳素钢合金钢钢类碳素钢合金钢PSPS普通质量钢≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045优质钢≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高级优质钢≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025特级优质钢≤0.025≤0.020≤0.025≤0.0152、按质量分钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢.根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：3、按冶炼方法分转炉炼钢平炉炼钢平炉钢转炉钢电炉钢按炉别分沸腾钢：脱氧不充分，浇注时C与O反应发镇静钢：脱氧充分，组织致密，成材率低。半镇静钢：介于前两者之间。生沸腾。这种钢成材率高，但不致密。按脱氧程度分4、按金相组织分珠光体钢贝氏体钢马氏体钢铁素体钢奥氏体钢莱氏体钢按正火组织分亚共析钢共析钢过共析钢按退火组织分电弧炉炼钢5、按用途分工程用钢建筑、桥梁、船舶、车辆渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢耐磨钢机器用钢结构钢刃具钢模具钢量具钢工具钢不锈钢耐热钢特殊性能钢挤压模具齿轮刀具二、钢的编号我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母.常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T221—2000）名称符号位置名称符号位置碳素结构钢Q头桥梁用钢q尾低合金高强度钢Q头锅炉用钢g尾易切削钢Y头焊接气瓶用钢HP尾碳素工具钢T头车辆车轴用钢LZ头(滚珠)轴承钢G头机车车轴用钢JZ头焊接用钢H头沸腾钢F尾铆螺钢ML头半镇静钢b尾船用钢国际符号镇静钢Z尾汽车大梁用钢L尾特殊镇静钢TZ尾压力容器用钢R尾质量等级A.B.C.D.E尾1、碳素结构钢和低合金高强度钢Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa；质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。脱氧方法符号:沸腾钢—F；镇静钢—Z；半镇静钢—b；特殊镇静钢—TZ。如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。钢板低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱氧方法的符号。如Q345C。根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字（表示平均含碳量的万分之几）和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。*说明：通常情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。热连轧钢板齿轮加工方钢2、优质碳素结构钢牌号用两位数字表示。这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。如45钢—平均含碳量为万分之四十五（即0.45%）的优质碳素结构钢。钢带*说明：①含Mn量为0.7~1.0%时，在两位数字后加元素符号“Mn”，如40Mn。②对于沸腾钢和半镇静钢,在钢号后分别加字母F和b，如08F、10b。③高级优质钢在钢号后加字母A，如20A。钢管3、合金结构钢和合金弹簧钢两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素符号+该元素百分含量数字+……当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量；当合金元素的平均含量为1.50~2.49%、2.50~3.49%、3.50~4.49%、4.50~5.49%、……时，在相应的合金元素符号后标2、3、4、5……等数字。如20CrNi3。高级优质钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。特级优质钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。不锈钢制管板式换热器所有合金钢的合金元素量标法相同4、工具钢⑴碳素工具钢T+数字T表示“碳素工具钢”；数字表示平均含碳量的千分之几.如T8—其平均含碳量为千分之八(0.8%C)。*说明：碳素工具钢都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后加“A”，如T8A。丝锥锉刀⑵合金工具钢含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+……当含碳量小于1.00%时，含碳量用一位数字标明，这一位数字表示平均含碳量的千分之几，如8MnSi.当含碳量大于1.00%时，不标含碳量。*高速钢不标含碳量，如W6Mo5Cr4V2(含0.85%C).**含铬量小于1%时，在含铬量(以千分之一为单位)前加数字“0”，如Cr06。铣刀5、轴承钢G+Cr+铬含量(不标含碳量)“G”表示“滚动轴承钢”。*铬含量以千分之一为单位.如“GCr15”的平均含铬量为1.5%。渗碳轴承钢牌号的表示方法与合金结构钢相同，仅在牌号头部加字母“G”，如“G20CrNiMo”。6、不锈钢和耐热钢含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+……含碳量以千分之一为单位。含碳量的表示方法为：①当平均含碳量≥1.00%时，用两位数字表示，如11Cr17(平均含碳量为1.10%)；涡轮叶片②当1.0%平均含碳量≥0.1%时，用一位数字表示,如2Cr13（平均含碳量为0.20%）③当0.1%含碳量上限0.03%时，以“0”表示，如0Cr18Ni9（含碳量上限为0.08%）④当0.03%≥含碳量上限0.01%时（超低碳），以“03”表示，如03Cr19Ni10(含碳量上限为0.03%）⑤当含碳量上限≤0.01%时(极低碳)，以“01”表示，如01Cr19Ni11（含碳量上限为0.01%）。汽轮机叶片*珠光体耐热钢含碳量的标注同结构钢。如15CrMo注：旧标准含碳量表示方法为：当含碳量≤0.08%时，以“0”表示，如0Cr18.当含碳量≤0.03%时，以“00”表示，如00Cr18Ni10.不锈钢法兰不锈钢型材7、铸钢ZG+两位数字ZG表示“铸钢”；两位数字表示平均含碳量的万分之几,如ZG25.铸钢件2.5吨大齿轮铸件第三节结构钢对结构钢的性能要求为：使用性能以强韧性为主。工艺性能以可焊性、淬透性为主。合金结构钢除少量为中高合金钢外，都是低合金钢.铜陵长江公路大桥1、成分：0.4%C,P、S量及非金属夹杂较多.2、性能：可焊性、塑性好。3、热处理：不进行专门热处理，热轧空冷态下使用。4、使用状态下组织：F+P一、碳素结构钢螺纹钢圆钢5、用途常以热轧板、带、棒及型钢使用，用量约占钢材总量的70%。用于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。热轧钢板螺纹钢黄河小浪底枢纽工程1、性能要求⑴高强度及足够韧性。⑵良好的焊接性能。⑶良好的耐蚀性及低的韧脆转变温度。2、成分特点⑴低碳：≤0.2%C.⑵合金元素：主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等。二、低合金高强度结构钢3、热处理：大多数热轧空冷后使用。少数可用正火+高温回火处理。4、使用状态下组织：F+P低合金高强钢合金元素细化晶粒作用①Mn的作用是强化铁素体；增加珠光体的量。②V、Ti、Nb等起细化晶粒和弥散强化作用。③另外加Cu、P可提高耐蚀性；加RE可提高韧性、疲劳极限，降低冷脆转变温度。5、用途：Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的压力容器。Q460钢含Mo、B，正火组织为贝氏体，强度高,用于石化中温高压容器.南京长江大桥制造渗碳零件的钢种。1、性能要求⑴表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧。⑵良好的热处理性能,如淬透性和渗碳能力。三、