第4章钢材材料及其用途

1、第第4 4章章 钢铁材料及其用途钢铁材料及其用途4-1 4-1 碳钢与合金钢碳钢与合金钢碳碳 钢钢冶冶炼炼方方法法碳碳的的质质量量分分数数质质量量用用 途途1 1、碳钢、碳钢1 1）碳钢分类）碳钢分类（1 1）按冶炼方法分类）按冶炼方法分类冶炼炉冶炼炉平平炉炉钢钢转转炉炉钢钢电电炉炉钢钢冶炼方法冶炼方法按脱氧方法按脱氧方法沸沸腾腾钢钢(F)镇镇静静钢钢(Z)半半镇镇静静钢钢(b)特特殊殊镇镇静静钢钢(TZ)高于高于0 06 6弹性或易磨弹性或易磨损元件损元件低于低于0250 02525-0-06 6碳的质量分数碳的质量分数高高碳碳钢钢低低碳碳钢钢中中碳碳钢钢冲压件冲压件焊接件焊接件机械零件机械

2、零件（2 2）按碳的质量分数分类按碳的质量分数分类（3 3）按质量分类按质量分类质质 量量普普通通钢钢优优质质钢钢高高级级优优质质钢钢S0.050%P0.045%S0.035%P0.035%S0.020%P0.030%特特级级优优质质钢钢S0.015%P0.025%热脆性热脆性冷脆性冷脆性（4 4）按用途分类）按用途分类结结构构钢钢工工具具钢钢特特殊殊钢钢用用 途途机机械械零零件件刀刀具、具、量量具具不不锈锈钢钢碳钢碳钢普通碳素普通碳素结构钢结构钢优质碳素优质碳素结构钢结构钢碳碳 素素工具钢工具钢Q 23535T8合金钢合金钢合合 金金结构钢结构钢合合 金金工具钢工具钢特殊性能特殊性能钢钢40

3、Cr9SiCr1Cr28 2）碳钢的牌号）碳钢的牌号（1）普通碳素结构钢）普通碳素结构钢普通碳素结构钢的牌号用字母普通碳素结构钢的牌号用字母Q+屈服强度值屈服强度值+质量等级符号质量等级符号+脱氧方法脱氧方法来表示，如来表示，如Q 235。可在牌号后加注可在牌号后加注A、B、C、D字样来控制其杂字样来控制其杂质成分。质成分。如如Q 235-A、 Q 235-B 、 Q 235-C 、 Q 235-DA等级控制最松，等级控制最松，D等级控制最严。等级控制最严。Q235-AQ235-AFF屈服极屈服极限限 , , 表表示为普示为普通碳素通碳素结构钢结构钢杂质杂质含量含量等级等级屈 服屈 服极 限极

4、 限值值脱氧脱氧方式方式（2）优质碳素结构钢）优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号和性能如表所示。优质碳素结构钢的牌号和性能如表所示。（2）优质碳素结构钢）优质碳素结构钢钢的牌号用钢的牌号用两位数字表示两位数字表示，用以表明该种钢的，用以表明该种钢的平均含碳量为万分之几，如平均含碳量为万分之几，如30钢表示其平均含钢表示其平均含碳量约为万分之三十，即含碳量约为碳量约为万分之三十，即含碳量约为0.3%。4545平均含碳平均含碳量约量约45/1000045/10000=0.45%=0.45%（3）碳素工具钢）碳素工具钢（3）碳素工具钢）碳素工具钢钢碳素工具钢的牌号由字母钢碳素工具钢的牌号由字母T+数

5、字数字组成。组成。T表表示碳素工具钢，数字表示平均碳的质量分数的示碳素工具钢，数字表示平均碳的质量分数的千分数，如千分数，如T10表示平均碳的质量分数为表示平均碳的质量分数为1的的碳素工具钢。碳素工具钢。T10AT10A平均含碳平均含碳量约量约10/1000=1%碳 素碳 素工 具工 具钢钢高级高级优质优质钢钢（4 4）铸钢）铸钢可用铸造方法来获得毛坯。适用于尺寸较大、形可用铸造方法来获得毛坯。适用于尺寸较大、形状复杂、要求较高的零件。一般工程用铸造碳钢状复杂、要求较高的零件。一般工程用铸造碳钢如表所示。铸钢的牌号由如表所示。铸钢的牌号由“铸钢铸钢”二字的汉语拼二字的汉语拼音字首音字首ZGZG

6、和材料的屈服点与抗拉强度所组成。和材料的屈服点与抗拉强度所组成。 如：如：ZG200-400ZG200-400表示该牌号的铸钢的屈服强度约表示该牌号的铸钢的屈服强度约200MPa200MPa左右；约抗拉强度左右；约抗拉强度400MPa400MPa左右。左右。2 2 合金钢合金钢 在碳素结构钢中添加合金元素后为合金结构钢。在碳素结构钢中添加合金元素后为合金结构钢。添加合金元素的目的在于改善钢的力学性能、添加合金元素的目的在于改善钢的力学性能、工艺性能及物理性能等。常用的合金元素有锰工艺性能及物理性能等。常用的合金元素有锰(Mn(Mn) )、硅、硅(Si)(Si)、铬、铬(Cr)(Cr)、镍、镍(

7、Ni)(Ni)、钼、钼(Mo)(Mo)、钨、钨(W)(W)、钒、钒(V)(V)、钛、钛(Ti)(Ti)、硼、硼(B)(B)等。等。40Cr40Cr、45Mn245Mn2等等1 1）合金元素在钢中的作用）合金元素在钢中的作用 提高钢的力学性提高钢的力学性能能固固溶溶强强化化铁铁素素体体第第二二相相强强化化细细晶晶强强化化改善钢的热处理改善钢的热处理工艺性能工艺性能提提高高钢钢的的淬淬透透性性提提高高钢钢的的回回火火稳稳定定性性获获得得特特殊殊的的性性能能作作 用用 溶解于铁素体溶解于铁素体合金渗碳体碳合金渗碳体碳化物化物不锈钢不锈钢马氏体不易分解马氏体不易分解阻碍碳化物长大阻碍碳化物长大降低临界

8、降低临界冷却速度冷却速度C曲线曲线2 2）合金结构钢）合金结构钢合金结构钢的牌号用合金结构钢的牌号用两位数字（碳含量的的万分两位数字（碳含量的的万分之几）之几）+ +合金元素符号合金元素符号+ +该元素百分含量数字表示该元素百分含量数字表示。例如例如45Mn245Mn2，其最左两位数字表示其平均含碳量约，其最左两位数字表示其平均含碳量约为万分之为万分之4545，Mn2Mn2表示平均含锰量约为表示平均含锰量约为2 2。当合。当合金元素的平均含量低于金元素的平均含量低于1.51.5时，仅用元素符号表时，仅用元素符号表示，如示，如20Cr20Cr。45Mn245Mn2平 均平 均含 碳含 碳量 约量

9、 约0.45%0.45%平 均平 均含 锰含 锰量 约量 约2%2%40Cr40Cr平 均平 均含 碳含 碳量 约量 约0.4%0.4%平 均平 均含 铬含 铬量 低量 低于于1.5%1.5%对于含硫、磷杂质较少的高级优质钢，在钢牌对于含硫、磷杂质较少的高级优质钢，在钢牌号后加注号后加注“A”A”来表示，如来表示，如50CrVA50CrVA。 （1）合金调质钢 性能要求：具有良好的综合力学性能 具有良好的淬透性成分特点：中碳（0.3-0.6） 合金元素：Mn Si Cr Ni 提高淬透性 W Mo V 细化晶粒常用钢种： 35CrMo 40CrNiMo机械制造用合金结构钢按组织与性能机械制造用

10、合金结构钢按组织与性能特点可以分为：特点可以分为：机械制造用合金结构钢按组织与性能机械制造用合金结构钢按组织与性能特点可以分为：特点可以分为：2）表面硬化钢）表面硬化钢 性能要求：表硬里韧性能要求：表硬里韧 具有良好的热处理工艺性能具有良好的热处理工艺性能成分特点：成分特点：合金渗碳钢合金渗碳钢 C含量含量0.15-0.25 20Cr合金渗氮钢合金渗氮钢 C含量含量0.3-0.5 38CrMoAl合金弹簧钢合金弹簧钢 C含量含量0.5-0.85 65Mnn3) 合金工具钢合金工具钢n含碳量含碳量+合金元素符号合金元素符号+该元素百分含量该元素百分含量+n当含碳量小于当含碳量小于1.00%时，含

11、碳量用一位数字标明，这一时，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，如位数字表示平均含碳量的千分之几，如8MnSi.n当含碳量大于当含碳量大于1.00%时，不标含碳量。时，不标含碳量。9SiCr9SiCr平 均平 均含 碳含 碳量 约量 约0.9%0.9%含含SiSi和和MnMn小 于小 于1.5%1.5%合金工具钢按合金元素的质量分数可以分为：合金工具钢按合金元素的质量分数可以分为：1）低合金工具钢）低合金工具钢 成分特点成分特点：合金元素含量低：合金元素含量低(10%）性能特点性能特点：高淬透性：高淬透性 高热硬性高热硬性高速钢：碳含量高速钢：碳含量0.7-1.5 含有较

12、高的含有较高的W Cr Mo V 经特殊热处理可以获得很高的热硬性和经特殊热处理可以获得很高的热硬性和 耐磨性能适合高速切削刀具耐磨性能适合高速切削刀具W18Cr4V 高铬模具钢：高碳高铬模具钢：高碳 高铬高铬 提高淬透性和耐蚀性提高淬透性和耐蚀性 具有耐磨性好、疲劳强度高、硬度均匀、具有耐磨性好、疲劳强度高、硬度均匀、 尺寸稳定的特点尺寸稳定的特点 主要制作各种模具主要制作各种模具 Cr12 Cr12MoV 3 3）特殊性能合金钢）特殊性能合金钢特殊钢特殊钢不不锈锈钢钢耐耐热热钢钢耐耐磨磨钢钢9Cr181Cr18Ni9Ti3Cr18Mn12Si2N1Cr5MoZGMn13ZGMn13Cr2不

13、锈钢不锈钢下列牌号的钢各属于什么类型，其牌号的含义各下列牌号的钢各属于什么类型，其牌号的含义各是什么？是什么？35CrMo T13 45 Q255-AZ35CrMo T13 45 Q255-AZ60Si2Mn 5CrMnMo CrWMn60Si2Mn 5CrMnMo CrWMn W18Cr4V W18Cr4V4-2 4-2 铸铁铸铁1 1 铸铁的成分和性能铸铁的成分和性能含碳量高于含碳量高于2.112.11的铁碳合金为铸铁的铁碳合金为铸铁, ,一般为一般为2.5%-4.0%2.5%-4.0%。其性脆，不适于锻压和焊接，但其熔点较低，其性脆，不适于锻压和焊接，但其熔点较低，流动性好，可以铸造形状

14、复杂的大小铸件。减流动性好，可以铸造形状复杂的大小铸件。减震性和耐磨性好。震性和耐磨性好。2 2 铸铁的石墨化及铸铁分类铸铁的石墨化及铸铁分类铸铸铁铁白口铸铁白口铸铁灰口铸铁灰口铸铁麻口铸铁麻口铸铁炼钢原料炼钢原料工业用铸铁工业用铸铁脆，少用脆，少用灰铸铁灰铸铁球墨铸铁球墨铸铁可锻铸铁可锻铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁1 1）灰铸铁）灰铸铁铸铁的石墨化过程铸铁的石墨化过程Fe3CFe3C 3Fe3Fe+G+G（石墨）（石墨） -片状片状灰铁组织灰铁组织灰灰铁铁组组织织珠光体灰铸铁珠光体灰铸铁珠光体珠光体- -铁素体灰铸铁铁素体灰铸铁铁素体灰铸铁铁素体灰铸铁 灰铸铁的组织：灰铸铁的组织： 基体（基体（F、

15、F+P、P）+ 片状片状G 灰灰 铸铸铁铁 的的显显 微微组组 织织 铁素体灰铸铁铁素体灰铸铁珠光体灰铸铁珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁石墨片的三维形貌石墨片的三维形貌灰铸铁的牌号和用途灰铸铁的牌号和用途灰铸铁应用最多，其牌号由灰铸铁应用最多，其牌号由“灰铁灰铁”二字汉语二字汉语拼音字首拼音字首HTHT和材料的抗拉强度。和材料的抗拉强度。如：如：HT250表示该牌号表示该牌号的铸铁的抗拉强度约的铸铁的抗拉强度约250MPa左右。左右。2）可锻铸铁）可锻铸铁碳的质量分数较低，经长时间的高温退火，使渗碳的质量分数较低，经长时间的高温退火，使渗碳体分解成团絮壮的石墨。碳体分解成

16、团絮壮的石墨。可锻铸铁仅意味着比灰铸铁具有较好的塑性、韧可锻铸铁仅意味着比灰铸铁具有较好的塑性、韧性，实际上并不能进行锻造。性，实际上并不能进行锻造。可锻铸铁用可锻铸铁用KT=“可铁可铁”表示，表示，H黑心可锻铸铁；黑心可锻铸铁；B白心可锻铸铁；白心可锻铸铁；Z珠光体可锻铸铁。珠光体可锻铸铁。 可锻铸铁的组织：可锻铸铁的组织： 基体（基体（F、F+P、P）+ 团絮状团絮状G 可锻铸铁的显微组可锻铸铁的显微组织织 黑心可锻铸铁黑心可锻铸铁 珠光体可锻铸铁珠光体可锻铸铁 可锻铸铁的石墨化退火可锻铸铁的石墨化退火3）球墨铸铁）球墨铸铁在浇注前向铁液中加入适量的球化剂和孕育剂，在浇注前向铁液中加入适量

17、的球化剂和孕育剂，使碳呈球状析出，所获得的铸铁称为球墨铸铁。使碳呈球状析出，所获得的铸铁称为球墨铸铁。球状石墨的形态比团絮状石墨更为圆整，因而对球状石墨的形态比团絮状石墨更为圆整，因而对基体金属的不利影响更小。所以，球墨铸铁的强基体金属的不利影响更小。所以，球墨铸铁的强度、塑性、韧性远远超过灰铸铁，甚至优于可锻度、塑性、韧性远远超过灰铸铁，甚至优于可锻铸铁。铸铁。球墨铸铁用球墨铸铁用QT=“球铁球铁”表示，后跟强度极限、表示，后跟强度极限、最低延伸率（伸长率）。最低延伸率（伸长率）。 球墨铸铁的组织：球墨铸铁的组织： 基体（基体（F、F+P、P）+ 球状球状G 球墨铸铁的显微组织球墨铸铁的显微

18、组织 铁素体加珠光体球墨铸铁铁素体加珠光体球墨铸铁 铁素体球墨铸铁铁素体球墨铸铁 珠光体球墨铸铁珠光体球墨铸铁 球墨铸铁中的石墨球球墨铸铁中的石墨球 n四、蠕墨铸铁四、蠕墨铸铁n蠕墨铸铁是蠕墨铸铁是20世纪世纪60年代发展年代发展起来的一种新型铸铁起来的一种新型铸铁。n蠕墨铸铁是液态铁水经蠕化处蠕墨铸铁是液态铁水经蠕化处理和孕育处理得到的。理和孕育处理得到的。 蠕墨铸铁的组织：蠕墨铸铁的组织： 基体（基体（F、F+P、P）+ 蠕虫状蠕虫状G 蠕墨铸铁中的石墨蠕墨铸铁中的石墨蠕墨铸铁的显蠕墨铸铁的显微组织微组织蠕墨铸铁中的石墨蠕墨铸铁中的石墨珠光体基体珠光体基体铁素体基体铁素体基体本章小结本章小

19、结1 1 碳钢与合金钢碳钢与合金钢碳碳 钢钢碳钢分类碳钢分类碳钢的牌号碳钢的牌号合金钢合金钢合金元素作用合金元素作用 合金结构钢合金结构钢特殊性能合金钢特殊性能合金钢本章小结本章小结2 2 铸铁铸铁铸铁的成分和性能铸铁的成分和性能铸铁的石墨化及铸铁分类铸铁的石墨化及铸铁分类铸铸铁铁白口铸铁白口铸铁灰口铸铁灰口铸铁麻口铸铁麻口铸铁灰铸铁灰铸铁球墨铸铁球墨铸铁可锻铸铁可锻铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁合金铸铁合金铸铁习习 题题P63: 1、5、9、16、17 电炉炼钢法主要利用电弧热，在电弧作用区，温度高达4000。冶炼过程一般分为熔化期、氧化期和还原期，在炉内不仅能造成氧化气氛，还能造成还原气氛，因此脱磷

20、、脱硫的效率很高。平炉炼钢法的最大缺点是冶炼时间长（一般需要68h），燃料耗损大（热能的利用只有2025），基建投资和生产费用高。 生产速度快 由于用纯氧吹炼，就会高速降碳，快速提温，大大缩短冶炼时间。一座300t转炉吹炼时间不到20min，包括辅助工作时间在内，一共不超过1h。转炉炼钢法 这种炼钢法使用的氧化剂是氧气。把空气鼓入熔融的生铁里，使杂质硅、锰等氧化。在氧化的过程中放出大量的热量 （含1%的硅可使生铁的温度升高200摄氏度），可使炉内达到足够高的温度。因此转炉炼钢不需要另外使用燃料。 沸腾钢为脱氧不完全的钢。浇注时钢液在钢锭模内产生沸腾现象（气体逸出），钢锭凝固后，蜂窝气泡分布在钢锭中，在轧制过程中这种气泡空腔会被粘合起来。这类钢的特点是钢中含硅量很低，通常注成不带保温帽的上小下大的钢锭。优点是钢的收率高，生产成本低，表面质量和深冲性能好。缺点是钢的杂质多，成分偏析较大，所以性能不均匀。 镇静钢为完全脱氧的钢。通常铸成上大下小带保温帽的锭型，浇注时钢液镇静不沸腾。由于锭模上部有保温帽（在钢液凝固时作补充钢液用），这节帽头在轧制开坯后需切除，故钢的收得率低，但组织致密，偏析小，质量均匀。优质钢和合金一般都是镇静钢。 半镇静钢为脱氧较完全的钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，浇注时有沸腾现象，但较沸腾钢弱。这类钢具有沸腾钢