第五章工业用钢及铸铁

工程材料及成形工艺基础河南工业大学第五章工业用钢及铸铁工程材料及成形工艺基础河南工业大学第五章工业用钢及铸铁第一节钢中常存元素与合金元素第二节钢的分类与编号第三节结构钢第四节工具钢第五节不锈钢、耐热钢及耐磨钢第六节铸铁工程材料及成形工艺基础河南工业大学第一节钢中常存元素与合金元素一、钢中常存元素对钢性能的影响二、钢中合金元素的作用工程材料及成形工艺基础河南工业大学一、钢中常存元素对钢性能的影响：1.有益元素：Si—有很强的固溶强化作用,能脱氧。Mn—脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。2.有害元素:P—有很强的固溶强化作用,低温韧性差(冷脆)。S—能引起钢在热加工时或高温工作下开裂(热裂)。3.气体元素:工程材料及成形工艺基础河南工业大学气体元素：N：钢中过饱和N在常温放置过程中会发生时效脆化。加Ti、V、Al等元素可消除时效倾向。O：钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源。H：原子态的过饱和氢时将降低韧性,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。工程材料及成形工艺基础河南工业大学二、钢中合金元素的作用一）合金元素与铁和碳的作用二）合金元素对Fe-Fe3C相图的影响三）合金元素对钢的热处理的影响工程材料及成形工艺基础河南工业大学一)合金元素与铁和碳的作用1.溶于基体中形成合金:F或合金A2.与碳作用形成合金碳化物(Fe,Cr)3C3.单独形成特殊碳化物:TiC、VC等工程材料及成形工艺基础河南工业大学与碳作用形成合金碳化物Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱强弱碳化物元素:Fe、Mn。中强碳化物元素:Cr、Mo、W。强碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。工程材料及成形工艺基础河南工业大学单独形成特殊碳化物熔点、硬度、耐磨性最高。稳定性最高。TiC、NbC、VC。工程材料及成形工艺基础河南工业大学二)合金元素对Fe-Fe3C相图的影响1.扩大奥氏体区:Mn、Ni、Co、Cu、Zn、N等元素，扩大奥氏体区。2.缩小奥氏体区：Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al、B等元素，缩小奥氏体区。3.改变共晶点和共析点的参数：几乎所有的合金元素。使S点和E点的成分向左移，使A1线的温度变化。工程材料及成形工艺基础河南工业大学三)合金元素对钢的热处理的影响•加热时对奥氏体形成的影响•对过冷奥氏体转变的影响•对回火转变的影响工程材料及成形工艺基础河南工业大学1.合金元素对加热时奥氏体形成的影响除Mn元素外,所有合金元素的加入,均使奥氏体的形成速度减慢。强碳化物形成元素能强烈的阻止奥氏体晶粒长大(Ti、V、Zr、Nb等)。非碳化物形成元素能轻微的阻止奥氏体晶粒长大(Si、Ni、Cu、Co等)。工程材料及成形工艺基础河南工业大学2.合金元素对过冷奥氏体转变的影响除Co元素外,所有的合金元素均使钢的TTT曲线向右移。除Co、Al元素外,所有的合金元素都使马氏体转变温度下降。提高钢的淬透性,常用的元素有:Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。工程材料及成形工艺基础河南工业大学3.合金元素对回火转变的影响回火抗力的增加二次硬化的产生产生回火脆性进入第二节工程材料及成形工艺基础河南工业大学第二节钢的分类与编号•一、钢的分类•二、钢的编号方法一）国标（GB）钢产品牌号表示方法二）钢铁及合金牌号统一数字代号体系工程材料及成形工艺基础河南工业大学一、钢的分类1.按用途分类；2.按化学成分分类；3.按质量等级分类；4.按冶炼方法分类；5.按金相组织分类；6.按工艺方法（脱氧程度）分类；工程材料及成形工艺基础河南工业大学1.按用途分类（1）结构钢可分为工程构件用钢（如建筑工程用钢、桥梁工程用钢、船舶工程用钢、车辆工程用钢）和机器零件用钢（如调质钢、渗碳钢、弹簧钢、轴承钢等）。（2）工具钢根据用途不同可分为刃具钢、模具钢、量具钢等。（3）特殊性能钢可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。工程材料及成形工艺基础河南工业大学2.按化学成分分类按化学成分分为非合金钢、低合金钢和合金钢。非合金钢是指WC＜2.11%，并含有少量Si、Mn、S、P等杂质元素的铁碳合金，在施行新的钢分类标准以前称为碳素钢(简称碳钢)。按其含碳量又分为低碳钢(0.0218%＜WC＜0.25%)、中碳钢(0.25%≤WC≤0.60%)和高碳钢(WC＞0.60%)。低合金钢与合金钢是指在非合金钢基础上有目的的加入了某些元素所形成的钢种,加入钢中的元素称为合金元素。工程材料及成形工艺基础河南工业大学3.按质量分类主要按钢中的有害杂质磷、硫含量来分类。可分为普通钢(WS、WP≥0.045%)；优质钢(WS、WP≤0.035%)；高级优质钢(WS≤0.020%、WP≤0.030%)；特级优质钢(WS≤0.015%、WP≤0.025%)等。工程材料及成形工艺基础河南工业大学4.按冶炼方法分类可按炉别分为平炉钢、转炉钢、电炉钢。平炉钢是靠燃料（煤气或重油）的燃烧来熔化炉料和提高钢水温度，靠炉气中的氧气和加入铁矿石进行氧化反应，由于平炉钢消耗大量燃料在我国已被淘汰。转炉钢是把空气或氧气吹入铁水中，使铁水中的C、Mn、Si、P、S等迅速氧化、靠氧化时放出的热量来升温，而不靠燃料供热的炼钢方法。转炉钢由于节省燃料是目前主要炼钢设备。电炉钢是利用电能作为热源的炼钢方法。电炉钢主要生产高质量和高合金钢。工程材料及成形工艺基础河南工业大学5.按金相组织分类钢的金相组织随处理方法不同而已。按退火组织分：亚共析钢、共析钢、过共析钢。按正火组织分：珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢及奥氏体钢等。工程材料及成形工艺基础河南工业大学6.按工艺方法（脱氧程度）分类按脱氧程度不同分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。沸腾钢是指只用Mn铁（价格低、脱氧效果差）脱氧，所以钢中含氧较多，浇注时，钢中氧与碳发生作用析出大量CO，因此钢水在钢模内呈沸腾现象，称沸腾钢。沸腾钢成材率高，成本低，但化学成份不均匀、偏析、杂质多。沸腾钢钢号最后用“F”表示。镇静钢是指除用Mn铁，还用Si铁（有时用Al）脱氧，钢中氧已很少，浇注时没有沸腾现象。镇静钢化学成分均匀，机械性能较好，但有缩孔，成本高。镇静钢钢号后加“Z”。半镇静钢的脱氧程度在镇静钢与沸腾之间，性能也介于之间，钢号后加“b”。半镇静钢应用较少。工程材料及成形工艺基础河南工业大学一）国标钢产品牌号表示方法1.非合金钢的编号方法2.合金钢的编号方法工程材料及成形工艺基础河南工业大学1.非合金钢的编号方法（1）普通碳素结构钢（2）优质碳素结构钢（3）碳素工具钢（4）铸造碳钢工程材料及成形工艺基础河南工业大学（1）普通碳素结构钢该类钢牌号表示方法由代表屈服点“屈”字的汉语拼音字首（Q）、屈服点数值、质量等级符号(A、B、C、D、E)及脱氧方法符号(F、b、Z、TZ)等四个部分按顺序组成。例如Q235-AF，即表示屈服点为бS≥235MPa、A等级质量的沸腾钢。F、b、Z、TZ依次表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢，一般情况下符号Z与TZ在牌号表示中可省略。质量等级符号反映碳素结构钢中磷、硫含量的多少，A、B、C、D质量等级依次增加。工程材料及成形工艺基础河南工业大学（2）优质碳素结构钢其牌号用两位数字表示，两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万倍。例如45钢,表示平均WC＝0.45%；08钢表示平均WC＝0.08%。优质碳素结构钢按锰的质量分数不同,分为普通锰(WMn＝0.25%～0.80%)与较高锰(WMn＝0.70%～1.2%)两组。较高锰的优质碳素结构钢牌号数字后加“Mn”,如65Mn。沸腾钢、半镇静钢以及专门用途的优质碳素结构钢，应在牌号后特别标出，如08F即指平均含碳量为0.08%的沸腾钢；15g即指平均碳质量分数为0.15%的锅炉钢。工程材料及成形工艺基础河南工业大学（3）碳素工具钢其牌号冠以“T”(“T”为“碳”字的汉语拼音字首)，后面的数字表示平均碳的质量分数的千倍。碳素工具钢分优质和高级优质两类。若为高级优质钢，则在数字后面加“Ａ”字。例如T8A钢，表示平均WＣ＝0.8%高级优质碳素工具钢。对含较高锰(WMn＝0.40%～0.60%)的碳素工具钢，则在数字后加“Mn”。如T8Mn、T8MnA等。工程材料及成形工艺基础河南工业大学（4）铸造碳钢其牌号用“ZG”代表铸钢二字汉语拼音字首，后面第一组数字为屈服点数值(单位MPa)，第二组数字为抗拉强度(单位MPa)。例如ZG200～400，表示屈服点бＳ(或б0.2)≥200MPa，抗拉强度бb≥400MPa的铸造碳钢件。工程材料及成形工艺基础河南工业大学2.合金钢的编号方法（1）低合金高强度结构钢（2）合金结构钢（3）滚动轴承钢（4）易切削钢（5）合金工具钢（6）不锈钢与耐热钢（7）铸造合金钢（8）塑料模具钢工程材料及成形工艺基础河南工业大学（1）低合金高强度结构钢通用结构钢采用代表屈服点的拼音字母“Q”。屈服点数值(单位为MPa)和表5.2中规定的质量等级、脱氧方法等符号，按顺序组成牌号。例如：Q345C，Q345D。低合金高强度结构钢有镇静钢和特殊镇静钢，但牌号尾部不加写表示脱氧方法的符号。专用结构钢一般采用代表钢屈服点的符号“Q”、屈服点数值和教材中表5.2规定的代表产品用途的符号等表示，例如：压力容器用钢牌号表示为“Q345R”；耐候钢其牌号表示为：Q340NH。根据需要，通用低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字(以万分之几计平均含碳量)和标准的元素符号组成，如16Mn。专用低合金高强度结构钢的牌号，除一般组成外，尚应加写表5.2中规定代表产品用途的符号，如16MnL。工程材料及成形工艺基础河南工业大学（2）合金结构钢牌号为“两位数字十元素符号十数字”，前面两位数字代表钢中平均碳的质量分数的万倍，元素符号表示钢中所含的合金元素，元素符号后面数字表示该元素的平均质量分数的百倍。合金元素的平均质量分数WMe＜1.5%时，一般只标明元素而不标明数值；平均质量分数≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%,┈┈时，则在合金元素后面相应地标出2、3、4……。例如40Cr，其平均碳的质量分数WC＝0.40%，平均铬的质量分数WCr＜1.5%。如果是高级优质钢，则在牌号的末尾加“A”，例如38CrMoAIA钢。如果是特级优质钢(S≤0.015%、P≤0.025%)，在牌号尾部加符号“E”，例如：“30CrMnSiE”。专用合金结构钢牌号尚应在牌号头部(或尾部)加教材中表5.2规定代表产品用途的符号。工程材料及成形工艺基础河南工业大学（3）滚动轴承钢①高碳铬轴承钢，在牌号头部加符号“G”，但不标明含碳量。铬含量以千分之几计，其他合金元素按合金结构钢的合金含量表示。例如：平均含铬量为1.5%的轴承钢，其牌号表示为“GCr15”。②渗碳轴承钢，采用合金结构钢的牌号表示方法，另在牌号头部加符号“G”。例如：“G20CrNiMo”。高级优质渗碳轴承钢，在牌号尾部加“A”。例如：“G20CrNiMoA”。③高碳铬不锈轴承钢和高温轴承钢，采用不锈钢和耐热钢的牌号表示方法，牌号头部不加符号“G”。例如：高碳铬不锈轴承钢“9Cr18”和高温轴承钢“10Cr14Mo”。工程材料及成形工艺基础河南工业大学（4）易切削钢①加硫易切削钢和加硫、磷易切削钢，在符号“Y”和阿拉伯数字后不加易切削元素符号。例如：平均含碳量为0.15%的易切削钢，其牌号表示为“Y15”。②较高含锰量的加硫或加硫、磷易切削钢，在符号“Y”和阿拉伯数字后加锰元素符号。例如：平均含碳量为0.40%，含锰量为1.20%～1.55%的易切削钢，其牌号表示为“Y40Mn”。③含钙、铅等易切削元素的易切削钢，在符号“Y”和阿拉伯数字后加易切削元素符号。例如：“Y15Pb”、“Y45Ca”。工程材料及成形工艺基础河南工业大学（5）合金工具钢牌号为“数字十元素符号十数字”，当WC＜1%时，用一位数字表示碳的质量分数的千倍；当碳的质量分数≥l%时，则不予标出。合金元素含量表示方法同合金结构钢，例如Crl2MoV钢，、9SiCr钢,在含铬量(