机械工程材料及选用 第五章钢铁材料1

1工程材料第一章金属材料力学性能第二章金属晶体结构与塑性变形第三章金属结晶及合金相图第四章钢的热处理第五章钢铁材料及其应用第六章有色金属及应用第七章非金属材料第八章材料选择基础2第五章钢铁材料及其应用第一节钢的分类与编号第二节钢的合金化第三节工程结构用钢第四节机械制造用钢第五节工具钢第六节特殊性能钢第七节铸钢第八节铸铁3第一节钢的分类与编号5.1.1钢的分类5.1.2钢的编号45.1.1钢的分类1.按冶金质量（硫、磷含量）分类按冶金质量可分为：普通钢﹑优质钢和高级优质钢。1)普通钢：S≦0.055%﹑P≦0.045%；2)优质钢：S≦0.04%﹑P≦0.04%；3)高级优质钢：S≦0.035%、P≦0.03%。2.按化学成分分类按化学成分可分为：碳素钢﹑低合金高强度钢和合金钢。55.1.1钢的分类1)碳素钢：包括低碳钢＜0.25%C、中碳钢0.25%～0.6%C、高碳钢＞0.6%C。2)低合金高强度钢：在低碳钢的基础上，加入总量不超过3%合金元素，使钢的强度明显高于碳素钢的一类工程结构用钢。3)合金钢：根据其中含合金元素总量的不同又可分为：低合金钢(合金含量＜5%)、中合金钢(5%～10%)和高合金钢(＞10%)。65.1.1钢的分类3.按冶炼方法分类按冶炼方法可分为平炉钢﹑转炉钢和电炉钢。平炉和转炉主要用于冶炼碳素钢和低合金高强度钢，而电炉主要用于冶炼合金钢。4.按脱氧方法和脱氧程度分类根据脱氧方法和脱氧程度的不同，可分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。5.按用途分类按用途可分为结构钢﹑工具钢和特殊性能钢。75.1.1钢的分类1)结构钢：根据用途的不同又可分为工程结构用钢和机械制造用钢两类。①工程结构用钢：用于桥梁、建筑、船舶、车辆、管道等，通常被加工成板材和型材，在热轧或正火状态下使用，包括碳素结构钢和低合金高强度钢。②机械制造用钢：用作各种机械零件，包括优质碳素结构钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢和滚动轴承钢等。85.1.1钢的分类2)工具钢：可分为碳素工具钢和合金工具钢。按具体用途的不同还可细分为刃具钢、模具钢和量具钢等。3)特殊性能钢：分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢和功能合金钢等。上述分类方法在实际生产中都很常见，而且经常重叠使用。9第一节钢的分类与编号5.1.1钢的分类5.1.2钢的编号105.1.2钢的编号我国钢的编号采用汉语拼音字母、阿拉伯数字和化学元素符号并用的方法表示。1.碳素结构钢碳素结构钢是工程结构中用量最大的钢种，根据国标分为5类20个品种。其牌号由强度等级、质量等级、脱氧方法三部分组成，例Q235AF。1)强度等级：以钢的屈服强度数值划分，Q235AF中，Q代表屈服强度的“屈”，235表示钢的屈服强度不低于235MPa。115.1.2钢的编号2)质量等级：根据钢中S、P杂质含量分为A、B、C、D四个质量等级，A级杂质含量最低，D级最高。Q235AF的质量等级为A，钢中S、P杂质含量低。3)脱氧方法：按脱氧方法不同分为沸腾钢﹑镇静纲﹑半镇静钢，分别以F、Z、B表示。Q235AF为沸腾钢。老国标中Q235钢称为A3钢。2.优质碳素钢优质碳素钢包括优质碳素结构钢和碳素工具钢两种。125.1.2钢的编号1)优质碳素结构钢的牌号是用两位数字表示，它代表钢平均含碳量的万分之几。例如45钢，表示平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。2)碳素工具钢的牌号是用拼音字母T代表“碳”加数字表示，数字代表钢平均含碳量的千分之几。例如T8、T10、T12分别表示平均含碳量为0.8%、1.0%和1.2%的碳素工具钢。135.1.2钢的编号3.合金钢合金钢包括合金结构钢和合金工具钢两种。1)合金结构钢的牌号：两位数字+化学元素符号+数字。例如：60Si2Mn前面的两位数字，代表钢平均含碳量的万分之几。化学元素符号，代表钢中所含的合金元素。元素符号后面的数字，表示该元素的平均百分含量。145.1.2钢的编号当合金元素含量低于1.5%时不标，1.5~2.5%标为2，2.5~3.5%标为3，以此类推；牌号最后的元素为V、Nb、Ti时，通常是细化晶粒元素，含量较少，一般不超过1%。例：60Si2Mn表示钢中含：0.6%C、2%Si和1%Mn；20CrMnTi表示该钢含：0.2%C、1%Cr、1%Mn和少量的Ti。155.1.2钢的编号2)合金工具钢的牌号：一位数字+化学元素符号+数字最前面的一位数字代表钢平均含碳量的千分之几，若平均含碳量大于1%则不标，合金元素的表示方法与合金结构钢相同。例：9SiCr表示该钢含：0.9%C、1%Si和1%Cr；CrWMn表示该钢含：大于1%C、1%Cr、1%W和1%Mn。165.1.2钢的编号碳素结构钢Q235AF优质碳素钢优质碳素结构钢45碳素工具钢T10合金钢合金结构钢60Si2Mn合金工具钢9SiCr17第五章钢铁材料及其应用第一节钢的分类与编号第二节钢的合金化第三节工程结构用钢第四节机械制造用钢第五节工具钢第六节特殊性能钢第七节铸钢第八节铸铁18第二节钢的合金化为了提高钢的性能，在碳钢的基础上，人为地加入一些其它的合金元素，称为钢的合金化，经合金化的钢称为合金钢。19第二节钢的合金化5.2.1碳钢合金化的必要性5.2.2合金元素在钢中的存在形式5.2.3钢中合金元素的作用5.2.4钢中常存杂质及其影响205.2.1碳钢合金化的必要性1.合金化的必要性：通过合金化，可提高碳钢的淬透性﹑回火抗力﹑强度、硬度及耐高温﹑耐腐蚀等特殊性能要求。2.钢合金化所加入的合金元素可分为非碳化物形成元素、碳化物形成元素和强碳化物形成元素三类：1)非碳化物形成元素：Ni﹑Si﹑Al﹑Cu﹑Co；2)碳化物形成元素：Mn﹑Cr﹑Mo﹑W；3)强碳化物形成元素：V﹑Nb﹑Zr﹑Ti。21第二节钢的合金化5.2.1碳钢合金化的必要性5.2.2合金元素在钢中的存在形式5.2.3钢中合金元素的作用5.2.4钢中常存杂质及其影响225.2.2合金元素在钢中的存在形式合金元素在钢中的存在形式：溶于铁素体；溶于渗碳体形成合金渗碳体；形成特殊碳化物。1.非碳化物形成元素：Ni﹑Si﹑Al﹑Cu﹑Co都溶于铁素体，通常合金元素都能提高铁素体的强度和硬度，但却降低其塑性和韧性，而Ni可同时提高铁素体的强度和韧性。23合金元素对铁素体性能的影响(退火状态)(a)合金元素对铁素体硬度的影响(b)合金元素对铁素体韧性的影响245.2.2合金元素在钢中的存在形式2.碳化物形成元素：Mn﹑Cr﹑Mo﹑W少量溶于铁素体，主要溶于渗碳体，形成(FeCr)3C、(FeMn)3C等稳定性更好的合金渗碳体。部分碳化物形成元素也可形成特殊碳化物，如Mn3C、Cr7C3、MoC、WC等，其稳定性更好，难于溶入奥氏体，不易聚积长大。255.2.2合金元素在钢中的存在形式3.强碳化物形成元素：V﹑Nb﹑Zr﹑Ti与碳形成VC﹑NbC﹑ZrC、TiC等间隙相碳化物，其硬度高、熔点高、结构稳定，颗粒弥散度高，不易长大，常被用来细化晶粒。26第二节钢的合金化5.2.1碳钢合金化的必要性5.2.2合金元素在钢中的存在形式5.2.3钢中合金元素的作用5.2.4钢中常存杂质及其影响275.2.3钢中合金元素的作用5.2.3.1合金元素对铁碳相图的影响5.2.3.2合金元素对钢加热转变的影响5.2.3.3合金元素对钢冷却转变的影响5.2.3.4合金元素对钢回火转变的影响285.2.3.1合金元素对铁碳相图的影响合金钢是在碳钢的基础上添加合金元素形成的，合金元素的作用首先表现在对铁碳相图的影响上。1)合金元素对奥氏体相区的影响①Ni﹑Mn、Co﹑Cu﹑C、N能扩大铁碳相图的奥氏体相区，其中Ni﹑Mn、Co和-Fe无限互溶，能使-Fe的存在温度降至室温。Cu﹑C、N扩大奥氏体相区的作用不如Ni﹑Mn、Co。295.2.3.1合金元素对铁碳相图的影响②Cr、W、Mo、V、Ti、Al、Si缩小铁碳相图的奥氏体相区。2)合金元素对铁碳相图临界点的影响①凡是扩大奥氏体相区的元素都使A1、A3线降低，E、S点移向左下方。②凡是缩小铁碳相图奥氏体相区的元素都使A1、A3线升高，E、S点移向左上方。扩大铁碳相图奥氏体相区MnCr缩小铁碳相图奥氏体相区合金元素对共析温度的影响32325.2.3钢中合金元素的作用5.2.3.1合金元素对铁碳相图的影响5.2.3.2合金元素对钢加热转变的影响5.2.3.3合金元素对钢冷却转变的影响5.2.3.4合金元素对钢回火转变的影响33合金钢加热奥氏体化过程中，合金元素影响如下：1)推迟奥氏体的转变合金元素增加碳化物的稳定性、自身扩散困难，并阻碍碳的扩散，因此合金钢比碳钢的奥氏体化温度高、时间长。2)抑制奥氏体晶粒长大强碳化物形成元素V﹑Nb﹑Zr﹑Ti生成的间隙相碳化物能强烈阻止奥氏体晶粒长大，Cr、Mo、W有中等阻止作用，都可细化奥氏体晶粒。5.2.3.2合金元素对钢加热转变的影响34345.2.3钢中合金元素的作用5.2.3.1合金元素对铁碳相图的影响5.2.3.2合金元素对钢加热转变的影响5.2.3.3合金元素对钢冷却转变的影响5.2.3.4合金元素对钢回火转变的影响35合金元素对过冷奥氏体转变的影响表现在改变“C”曲线的位置和形状两个方面。除Co以外的所有合金元素都使“C”曲线右移，提高钢的淬透性，这是钢合金化的重要目的之一。其中Mn、Cr、Mo、Ni右移作用最大，常用于提高钢的淬透性，但Mn会促进奥氏体晶粒长大，要控制使用。多元少量使用合金元素提高淬透性效果更好。5.2.3.3合金元素对钢冷却转变的影响361)非碳化物形成元素对钢冷却转变的影响非碳化物形成元素Ni﹑Si﹑Al﹑Cu只使“C”曲线右移，不改变形状。Co使“C”曲线左移。2)碳化物、强碳化物形成元素的影响碳化物和强碳化物形成元素Mn﹑Cr﹑Mo﹑W、V﹑Nb﹑Zr﹑Ti不仅使“C”曲线右移，还使其分离成上下两个“C”曲线，上面是珠光体转变区，下面是贝氏体转变区，并且它们对珠光体和贝氏体转变过程推迟程度不同。5.2.3.3合金元素对钢冷却转变的影响37非碳化物形成元素对“C”曲线位置的影响合金元素改变“C”曲线的位置和形状碳化物形成元素对“C”曲线位置与形状的影响383)合金元素对钢冷却转变临界温度的影响除Co、Al以外的所有合金元素都使Ms线下移，C的作用最为强烈，Co、Al使Ms线上移。合金钢的Ms点较低，淬火后残余奥氏体量较多。合金元素也影响珠光体和贝氏体等温转变温度范围。Si、Al使珠光体转变温度上升，C、Mn﹑Mo﹑Cr等使贝氏体转变温度下降。5.2.3.3合金元素对钢冷却转变的影响39395.2.3钢中合金元素的作用5.2.3.1合金元素对铁碳相图的影响5.2.3.2合金元素对钢加热转变的影响5.2.3.3合金元素对钢冷却转变的影响5.2.3.4合金元素对钢回火转变的影响40合金元素对钢回火转变的影响包括：提高钢的回火稳定性、产生二次硬化及促进回火脆性的发生。1)提高钢的回火稳定性回火稳定性是指钢在回火过程中抵抗强度、硬度随回火温度的升高而降低的能力，又称回火抗力。溶解在相中合金元素扩散困难，并阻碍碳的扩散，可明显推迟和减缓马氏体分解，提高回火稳定性。特殊碳化物结构稳定、硬度高，且细小弥散，也可显著提高钢的回火抗力。5.2.3.4合金元素对钢回火转变的影响412)产生二次硬化现象二次硬化：V﹑Ti、W、Mo等元素含量较高的合金钢，当回火温度升高到500C以上时，伴随着特殊碳化物的析出，冷却后会出现钢的强度、硬度上升的现象。产生二次硬化的原因：①500℃以上回火时，大量合金渗碳体和细小、弥散﹑高硬度特殊碳化物的析出，是产生二次硬化的主要原因；②残余奥氏体在回火冷却过程中转变为下贝氏体或回火马氏体，也提高了钢的硬度。5.2.3.4合金元素对钢回火转变的影响Mo含量对含0.35%C钢回火硬度的影响433)促进回火脆性的发生回火脆性