第六章-钢铁材料1(概述-普通结构用钢)

第六章钢铁材料《金属材料及热处理》哈尔滨工业大学空间材料与环境工程实验室6.1概述有色金属轻有色金属密度在4.5kg/cm3以下的有色金属：铝(Al)、镁(Mg)、钠(Na)、钾(K)、钙(Ca)锶(Sr)、钡(Ba)；特点：比重小，化学活性大，与氧、硫、碳和卤素的化合物都相当稳定重有色金属密度4.5kg/cm3以上的有色金属：铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)、锌(Zn)、锡(Sn)等；每种重有色金属根据其特性都有特殊的应用范围和用途；贵有色金属包括金(Au)、银(Ag)、铂(Pt)等，在地壳中含量少，开采和提取比较困难；共同特点：比重大、熔点高、化学性质稳定、能抵抗酸碱腐蚀(银和钯除外)，价格都很昂贵。半金属一般指硅(Si)、硒(Se)、碲(Te)、砷(As)、硼(B)等，此类金属的物理性能介于金属与非金属之间，如砷是非金属，但能传热导电。稀有金属通常是指那些在自然界中含量少，分布稀散或难从原料中提取的金属。如钨钛等黑色金属铁(Fe)------钢铁材料铁元素大约占地壳之元素总量的5.5%，全世界金属总产量中钢铁占99.5%；锰(Mn)铬(Cr)6.1概述定义：钢铁材料通常包括钢和铸铁，包含所有实用的Fe-C基合金。实用：成分可调，易于冶炼（可制造性）综合性能（可使用性）好，机械性能尤为突出资源丰富（存在性）钢：含碳量小于2.11%；铸铁：含碳量大于2.11%学习目的：通过对钢铁材料的学习，举一反三，为在工程中正确选择和使用材料打下理论基础。Fe-C基合金：以Fe-C主要元素，可加入其他合金元素改性。6.1.1钢的分类中碳钢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1、按化学成分分钢类碳素钢合金钢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。按脱氧程度分特殊镇静钢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6.1.2钢的编号•钢铁产品牌号是一种标记符号，一个牌号代表具有相同特征的一类产品，牌号加上品种（型材、板材、带材、管材、线材等）、规格（长、宽、厚、直径等）、状态（软态、硬态等）和执行标准号等就能准确地为某一个产品定位。钢铁产品牌号表示方法实际上是沟通生产者、经销者和使用者的一种共同语言。•我国现行有两种钢铁产品牌号表示方法，即“钢铁产品牌号表示法（GB/T221-2000）”和“钢铁及合金牌号统一数字代号体系（GB/T17616-1998）”，这两种表示方法在现行国家标准和行业标准中并列使用，两者均有效。6.1.2钢的编号标准规定凡列入国家标准和行业标准的钢铁产品，均应按标准规定的牌号表示方法编写牌号。产品牌号的表示一般采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的形式表示。数字：一般表示某组成元素的含量（用整数），表示方法根据材料不同；国际化学符号：材料组成（一般指除基本元素以外的合金元素），如Ni，Co，Cr，W，Mn，Si等；汉语拼音：用于说明材料产品名称、用途、冶炼和浇铸方法等。GB/T221-2000标准中钢铁产品牌号表示方法中国钢号所采用的缩写字母及其涵义采用的缩写字母在钢号中位置涵义缩写字母来源汉字拼音A尾质量等级符号——B尾质量等级符号——b尾半镇静钢半BanC尾尾1)船用钢(旧钢号)2)质量等级符号船ChuanD尾质量等级符号d尾低淬透性钢低DiDG头电讯用取向高磁感应硅钢电高DianGaoDZ头地质钻探管用钢地质DiZhiE尾质量等级符号------G头滚动轴承钢滚GunGH头高温变形合金高合GaoHeg尾锅炉用钢锅GuoHT头灰铸铁灰铁HuiTie中国钢号所采用的缩写字母及其涵义（续表）采用的缩写字母在钢号中位置涵义缩写字母来源汉字拼音Q头中头1)屈服点(碳素结构钢、低合金钢）2）电工用冷扎取向硅钢3）球墨铸铁用生铁屈取球QuQuQiuq尾桥梁用钢桥QiaoQT头球墨铸铁球铁QiuTieR尾压力容器用钢容RongR头耐热铸铁热铁ReTieT头碳素工具钢碳TanTZ尾特殊镇静钢特镇TeZhenU头钢轨钢轨GuiY头易切削钢易YiYF头易切削非调质钢易非YiFeiZ尾头1）镇静钢2）铸造用生铁镇铸ZhenZhu6.1.2钢的编号1.碳素结构钢：原称普通碳素结构钢（普碳钢），过去钢号按照GB221-1979标准分为甲、乙、特三类钢，现在改为以钢材屈服点命名。在GB/T700-1988标准中碳素结构钢的钢号由代表屈服点的拼音字母Q、屈服强度数值（单位为MPa）、钢材的质量等级符号（A、B、C、D）以及钢的冶炼脱氧方法（F、b、Z、TZ）等四部分按顺序组成。Q×××O质量等级和脱氧方法以钢材屈服点命名屈服点值/MPa例：Q235-A.F表示该材料的屈服强度为235MPa，质量等级A，为沸腾钢6.1.2钢的编号在1994年标准（GB/T1591-1994）中，这类钢称为低合金高强度结构钢，其钢号按照国际标准采用以屈服点命名。1）钢号冠以Q和碳素结构钢统一，后面的数字表示σs值，分为5个强度等级；2）在强度等级系列中又有A、B、C、D、E五个质量等级。3）在低合金高强度结构钢的钢号中没有表示脱氧方法的符号；2.低合金高度结构钢（普通低合金结构钢）：这类钢在1998年标准GB1591-1988中称为普通低合金结构钢（普低钢），其钢号表示方法与合金钢基本相同，由“数字a+（元素符号+数字b）+（元素符号+数字c）+…”组成。1）数字a：为两位整数，表示钢材含炭量的万分数2）数字b，c…：为一位或两位整数，表示钢材含有合金元素的百分数。6.1.2钢的编号2.低合金高度结构钢（普通低合金结构钢）：新旧钢号比较旧钢号新钢号16MnQ345-D15MnTiQ39016MnqQ345q3.优质碳素结构钢：6.1.2钢的编号1）钢号开头两位数字表示钢的碳含量（质量分数），以平均碳含量×100%表示。例：“45”钢中碳含量为0.45%。2）锰含量较高（WMn=(0.7~1)%）的优质碳素结构钢，应标出“Mn”，例如，50Mn；用铝脱氧的镇静钢应标出“Al”，例如08Al。3）镇静钢不加“Z”，沸腾钢、半镇静钢及专门用途的优质碳素结构钢应在钢号最后特别标出。例如10b表示碳含量为0.10%的半镇静钢。4）高级优质碳素结构钢在钢号后加“A”，特级优质碳素结构钢在钢号后加“E”，例如45E。5）特殊用途的优质碳素结构钢应在钢号后附加表示用途的字母，例如20g表示碳含量为0.2%的锅炉用钢。4.碳素工具钢1）钢号冠以“T”，后面的数字为平均碳含量×10（千分数）例如T8;T10;2）锰含量较高（WMn=(0.4~0.6)%）的碳素工具钢，应在钢号的数字后标出“Mn”，例如，T8Mn；3）高级优质碳素工具钢的磷、硫含量，比一般优质碳素工具钢低，在钢号最后加注字母“A”，以示区别，例如“T8MnA”。6.1.2钢的编号T8MnA质量等级A平均碳含量（千分之八）含锰量较高碳素工具钢5.合金工具钢与高速工具钢6.1.2钢的编号1）合金工具钢钢号的平均碳含量≥1.0%时，不标出碳含量；当平均碳含量＜1.0%时，以千分之几表示。例如Cr12、CrWMn、9SiCr、3Cr2W8V。2）钢中合金元素含量的表示方法，基本上与合金结构钢相同。但对铬含量较低的合金工具钢钢号，其铬含量以千分之几表示，并在表示含量的数字前加“0”，以便把它和一般元素含量按百分之几表示的方法区别开来。例如Cr06。3）高速工具钢的钢号一般不标出碳含量，只标出各种合金元素平均含量的百分之几。例如钨系高速钢的钢号表示为“W18Cr4V”。钢号冠以字母“C”者，表示其碳含量高于未冠“C”的通用钢号，例如CW6Mo5Cr4V2和W6Mo5Cr4V2。6.轴承钢6.1.2钢的编号轴承钢现行标准分为四类：1）高碳铬轴承钢，钢号冠以“G”，碳含量不标出，铬含量以千分数表示，例如GCr15表示表示平均铬含量为1.5%的轴承钢。2）渗碳轴承钢，钢号与合金结构钢基本相同，但钢号冠以“G”，例如G20CrNiMoA为渗碳轴承钢，其成分：0.2%C,0.35~0.65%Cr,0.4~0.7%Ni,0.10~0.35%Mo。A表示高级优质。3）碳含铬不锈轴承钢，钢号与不锈钢相同，例如9Cr18Mo。4）高温轴承钢，钢号与耐热钢相同，例如10Cr14Mo4。7.不锈钢和耐热钢6.1.2钢的编号1）不锈钢和耐热钢钢号由合金元素符号和数字组成，2）钢号中碳含量一般用平均碳含量的千分之几表示，当碳含量上限小于0.1%时，则以“0”表示。钢中主要合金元素的含量以百分之几表示。例如2Cr13为碳含量0.2%、Cr含量为13%的不锈钢；0Cr18Ni9Ti。3）当钢中平均碳含量≥1%时,采用两位数字表示；当碳含量0.03%≥WC%＞0.01%时,以“03”表示(超低碳)；当碳含量0.01%≥WC%时,以“01”表示（极低碳）。例如03Cr19Ni10表示平均碳含量为0.03%、平均铬含量为19%、镍含量为10%的超低碳不锈钢。6.2普通结构钢•构件钢损伤破坏例:Tatinic号沉船与构件（船用）钢TheTatinicSinkingofTheTatinicMetallurgicalanalysisofsteeltakenfromthehulloftheTitanic'swreckagerevealsthatithadahighductile-brittletransitiontemperature,makingitunsuitableforserviceatlowtemperatures;atthetimeofthecollision,thetemperatureoftheseawaterwas-2°C.Theanalysisalsoshows,however,thatthesteelusedwasprobablythebestplaincarbonshipplateavailableatthetimeoftheship'sconstruction.CharpyimpactenergyversustemperatureforlongitudinalandtransverseTitanicspecimensandASTMA36steel•桥梁与构件钢GOLDENGATEBRIDGE,SANFRANCISCO,CALIFORNIA,USA九江长江大桥（15MnVNq）全部钢梁为栓焊结构，并首次采用高强度15MnVNq钢材（屈服强度420MPa）与56mm厚板。武汉长江大桥（Q235q）。南京长江大桥（16Mnq）,屈服强度350MPa。一种特殊钢材Q460-Z35，厚度达到110毫米，国内在民用钢结构建筑上还是第一次应用，为特殊研制。河南舞阳钢铁厂的科研人员经过2个月的攻关就拿出了样品，经北京市科委组织的专家鉴定，可以应用于鸟巢钢结构建筑上。这一技术填补了国内建筑钢结构设计规范的空白6.2.1构件用钢的性能要求和选材（1）1.使用性能：保证钢材安全可靠服役的性能要求构件用钢使用特点：4.在一定温度与环境条件下1.用于制作工程结构，冶炼简