金属工艺学第6章 工业用钢

1、第六章工业用钢以铁为主要元素,碳的质量分数一般在2%以下,并含有其他元素的材料称为钢.按照化学成分分为:碳钢和合金钢两大类。碳钢:指碳含量wc<2.11%的铁碳合金。合金钢:指为改善钢的组织、性能,在冶炼时特意加入合金元素的钢。 钢材及其生产过程一、钢铁材料的生产过程铁矿石生铁钢锭型材铸铁轧制、挤压、拉拔、锻造等压力加工方法1、生铁的冶炼原料:铁矿石燃料:焦炭熔剂:石灰石设备:高炉2、钢的冶炼原料:生铁、废钢燃料:焦炭熔剂:石灰石;氧化剂,脱氧剂设备:电弧炉(钢板、型钢、钢管高炉 电弧炉 第一节碳钢一、碳钢中的长存杂质元素及其作用碳钢中除铁以外的主要元素是碳,其它长存的杂质元素有硅、锰、

2、硫、磷等,还有熔炼中夹杂进入的氧、氢、氮等气体元素。1、有益元素锰 能溶于 F ,使 F 强化,也能溶于渗碳体,提高其 硬度;能增加并细化 P ,从而提高钢的强度和硬度; 可与 S 形成 MnS ,以消除硫的有害作用。 硅 能溶于 F 使之强化,从而使钢的强度、硬度、 弹性都得到提高。2. 有害元素:硫 形成低熔点的 FeS ,使钢产生热脆。热脆:FeS 与 Fe 形成的熔点(985 共晶体分布在 晶界上当钢加热到 1000-1200进行锻压或轧制时, 由于晶界上的共晶体已经熔化,使钢在晶界开裂。 这种现象称 。磷 部分溶于 F 形成固溶体,部分在结晶时形成脆性 很大的 Fe3P ,使钢在室温

3、下的塑、韧性急剧下降。 冷脆:低温时由磷导致钢严重变形的现象称钢的 通常钢材的质量等级以硫磷含量的控制来划分3. 气体元素(钢中有害元素 :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。 钢中白点 O 、 H 、 N 三种气体元素在高温时融入钢液,而在固态钢中 溶解度极小,冷却时来不及溢出而积聚在组织中形成高压 细微气孔,使钢的塑性、韧性和疲劳强度急剧降低,严重 时

4、会造成裂纹、脆断,是必须严格控制的有害元素。二、碳钢的分类、牌号和用途(一碳钢的分类1、按碳的含量分类:(1低碳钢 wc=0.08%0.25%,塑性好,多用作冲压、焊接和渗碳工件。 (2中碳钢 wc=0.25%0.6%,强渡和韧度均较高,热处理后有良好的综合力 学性能,多用作要求良好强韧度的各种重要结 构零件。(3高碳钢 wc=0.60%1.4%,硬度较高,多用作工具、模具和量具等工件。2、按质量分类:(1普通钢 钢中 S 0.050%, P 0.045%(2优质钢 钢中 S 0.035%, P 0.035%(3高级优质钢 S 0.030%, P 0.030% 3、按用途分类(1碳素结构钢 主

5、要用于建筑、桥梁等工程结 构和各种机械零件(如齿轮、轴、螺柱、弹簧等 (2碳素工具钢 主要用于锅各类刀具、量具和 模具,如丝锥、扳牙、刮刀、锯条、冲模等。 (3专用钢 包括锅炉钢、船用钢、易切钢等。4、按钢液脱氧程度分类(1沸腾钢(F沸腾钢脱氧不完全,组织不致密,成分不均匀,性能较差。(2镇静钢(Z镇静钢脱氧完全,组织致密,成分较均匀,性能较好。优质钢和高级优质钢多为镇静钢,通常不再标注镇静钢代号。(3半镇静钢(b半镇静钢脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间。二、碳钢的牌号性能及主要用途1、碳素结构钢: 用途:薄板,铁丝,钉,小轴,螺栓等。化学成分:c =0.09%-0.33% Mn =0.37%-

6、0.65% si =0.30%s 0.035-0.05% p 0.035%-0.045%牌号:Q+屈服点数值+质量等级符号+脱氧方法符号质量等级:用A 、B 、C 、D 、E 表示硫磷含量不同例:Q235AF 代表屈服点S =235MPa ,质量为A 级的沸腾碳素结构钢组织:较多的F+较少的P性能:因为碳低,焊接性能好2、优质碳素结构钢:化学成分:Wc=0.08%-0.85% Wsi=0.17%-0.37% Wsp0.035%牌号:两位数字+符号表示数字表示含碳量万分之几, 40表示钢中平均含碳量为0.40%。若钢中锰的含量较高时,在数字后面附化学元素符号Mn60Mn表示钢中平均含碳量为0.6

7、0%,Mn的含量为0.70%1.00%的优质碳素结构钢。符号如果是F则表示是沸腾钢。例:08F 15F1 低碳钢化学成分:WC0.15%组织:退火状态下,组织为较多的F和较少P性能:和HBS低,而.ak好,焊接性好。用途:08F、10F、15F 冷变形加工成型件机壳、容器。1025钢各种标准件、轴套、容器等。2 中碳钢化学成分:WC=0.30%0.6%组织:F+P,略低。具有良好的性能:、HBS比低碳钢略高,而、ak综合力学性能,切削加工性好,但焊接性一般。用途:用于制作齿数、主轴及连杆等重要的机械零件。3 高碳钢化学成分:WC>0.60%组织:T回(淬火+中温回火性能:在淬火+中温回火

8、后,具有较高的和良好弹性也叫弹簧钢。具有较好的耐磨性和中等硬度。用途:主要用于制作弹簧和易磨损的零件。3、碳素工具钢化学成分:Wc=0.65%-1.35%牌号:用“T”加数字表示,该数字表示钢中平均含碳量的千倍。T8:表示碳的平均含碳量为0.8%的碳素工具钢。组织:M回(淬火+低温回火处理性能:具有很高的硬度和耐磨性,但淬透性差,热硬性差。用途:用于制作手动和低速切削的工具和要求不高的量具和模具等 4、易切削用钢:Y20:表示易切削结构钢,其平均含碳量为0.2%。牌号:在同类结构钢牌号前冠以“Y”,以区别其他结构用钢用途:主要用在自动机床上加工大批量的零件,如螺钉,螺母等5、铸钢ZG23045

9、0牌号:ZG 屈服强度抗拉强度HH (焊:该钢是焊接结构用碳素铸钢用途:用于浇注成铸件的钢。其强度高于各类铸铁,同时具有良好的塑性和韧性,适于制造形状复杂、强度和韧性要求高的零件,如火车轮、大齿轮等第二节合金元素在钢中的作用¾合金元素与铁和碳的作用¾合金元素对Fe-Fe3C相图的影响¾合金元素对钢的热处理的影响1、强化铁素体一、合金元素对钢基本相的影响合金元素溶于FF晶格畸变固溶强化2、形成碳化物Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱强碳化物形成元素(在钢中能形成碳化物的元素在周期表中都是位于铁元素的左边的过渡族金属元素周期表中,在铁左边离铁愈远,则其

10、与碳的亲和力愈强,形成碳化物的能力愈大,愈稳定,而且不易分解。碳化物越稳定越难溶于A越不易于聚集长大随着碳化物数量的增加,钢的硬度强度提高,塑韧性下降。合金渗碳体如(Fe,Mn3C、(Fe,Cr3C等。合金碳化物如Cr7C3、Fe3 W3C等。3、单独形成特殊碳化物熔点、硬度、耐磨性最高。稳定性最好。WC 、M O C 、TiC 、VC二、合金元素对FeFe3C 相图的影响1、扩大奥氏体区:(Mn 、C 0、Ni使A 1线A 3线下降,若含量足够高,可使单相A 扩大到常温,即常温下保持稳定的A 组织。可获得A 钢。2、缩小奥氏体区:(Cr 、Mo 、Ti 、Si 、Al 使A 1线A 3线上升

11、,若含量足够高时,可使钢在高温与常温保持F 组织。可获得F 钢。3、改变共晶点和共析点的参数:合金元素都使Fe-Fe 3C 相图的S 点、E 点左移,即使钢的共析含碳量和A 对C 的最大固溶度降低。若含量足够高时,可以在W C =0.4%的钢中产生共析组织,在WC =1.0%的钢中产生Ld 组织。1、扩大奥氏体区的合金元素Mn、Ni、Co等元素。作用: 使A1线温度下降, A3线温度下降,可得到奥氏体钢。 Mn元素对奥氏体区的 影响2、缩小奥氏体区的合金元素Cr、Mo、W、V、Ti、Si等元素。作用: 使A1线温度上升, A3线温度上升,可得到铁素体钢。 Cr元素对奥氏体区的影响 几乎所有的合

12、金元素。作用: 使S点和E点的成分向左移,可得到莱氏体钢。 合金元素对S点成分的影响 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1、合金元素对加热时奥氏体形成的影响¾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。¾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。¾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。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

13、:Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。3.合金元素对回火转变的影响¾回火抗力的增加¾二次硬化的产生¾产生回火脆性W、Mo、V 等碳化物在550时,使钢达到最高硬度, 产生二次硬化。 Cr-Ni 钢的回火脆性示意图 防止第二类回火脆性的产生的方法: 在500600 快速冷却。加入合金元素W、Mo。四、合金元素在钢中的作用1、主加元素: 对提高钢的性能起主要作用。Si、Mn、Cr、Ni、B。2、辅加元素: 配合主加元素进一步提高钢的性能,弥补主加元素的不足与缺陷。W、Mo、V、Ti、Nb。第三节 合金钢 合金元素对钢性能的影响引言¾强化铁素体¾形成

14、合金碳化物¾细化晶粒¾提高钢的淬透性¾提高钢的回火稳定性1、低合金钢的分类及牌号1低合金钢的分类(1按主要质量等级分类 普通质量低合金钢 优质低合金钢 特殊质量低合金钢(2按主要性能和使用特性分类分为可焊接的低合金高强度结构钢、低合金 耐候钢、低合金钢筋钢、铁道用低合金钢、矿用 低合金钢、其他低合金钢等。一、低合金钢和合金钢的分类及牌号2低合金钢的牌号(1低合金高强度结构钢表示方法与碳素结构钢相同。 例:Q345。2、合金钢的分类及牌号1合金钢的分类(1按主要质量等级分类优质合金钢特殊质量合金钢 (2按主要性能和使用特性分类分为工程结构用合金钢、机械结构用合金钢

15、、轴承钢、工具钢、不锈、耐蚀和耐热钢、特殊 物理性能钢等。我国 合金钢 的编号是按照合金钢中的含碳量+所含合金元素的种类(元素符号+含量一般牌号的首部是表示碳的平均质量分数的数字, 对于结构钢,以万分数计;对于工具钢以千分数计。1、合金结构钢 60Si2Mn 09Mn22、合金工具钢9Mn2V 平均含碳量<1.0%时,牌号前以千分之几表示CrWMn 平均含碳量1.0%时,牌号前不标数字高速工具钢牌号中不标出含碳量 W18Cr4V 2合金钢的牌号当钢中某合金元素的平均质量分数<1.5时,牌号中只标出元素符号不标明含量, 当>1.5时,在该元素后面相应的用整数住处其近似含量。3、

16、滚动轴承钢牌号:G+Cr+含碳量(千分之几表示GCr15SiMn4、特殊性能钢牌号:与合金工具钢基本相同当含碳量0.08%时,牌号前加“0”0Cr19Ni9当含碳量0.03%时,牌号前加“00”00Cr30Mo2三、合金结构钢的应用低合金结构钢根据用途不同,合金结构钢分为机械制造用钢低合金钢主要用于各种工程结构,如房屋、桥梁、船舶等;机械制造用钢主要用于制造各种机械零件,通常是优质或高级优质合金结构钢。(一低合金结构钢成分:低合金钢是在碳素结构钢的基础上,加入少量的合金元素(一般合金元素总量小于3%的工程用钢。分类:按主要性能及使用特性,低合金结构钢低合金高强度结构钢低合金耐候钢低合金专业用钢

17、等1、低合金高强度结构钢低碳(0.10%0.25%,w Me <3%。主加元素为Mn和硅其强化了铁素体,提高了强度;V、Ti和Ni等元素使晶粒细化,使韧性提高。低合金高强度结构钢大多数是在热轧退火或正火状态下使用,一般不再进行热处理。在桥梁、船舶、车辆、锅炉、压力容器、起重机械等钢结构件中应用广泛。例如Q345。船舶桥梁 2、低合金耐候钢耐候钢即大气腐蚀钢,实在低碳钢的基础上加入少量的合金元素,如Cu、P、Gr、Ni、Mo、Ti、V等,使其在金属表面形成保护层,以提高钢材的耐腐蚀性。耐候钢又分为焊接结构用耐候钢和高耐候性结构钢焊接结构用耐候钢(12MnCuCr具有良好的焊接性能,适用于桥

18、梁建筑及其他要求耐候性的结构件;高耐候性结构钢(09CuPCrNi-A的耐候性比较好,适用于车辆、建筑、塔架和其他要求高耐候性的钢结构。3、低合金专业用钢在低合金高强度结构钢的基础上发展了一些专门用途的低合金专业用钢,如低合金钢筋钢、铁道用低合金钢、矿用低合金钢、汽车用低合金钢等,根据使用性能的要求可对各类钢的化学成分作相应的调整。(二机械结构用合金钢机械结构用合金钢主要用于制造各种机械零件,其质量等级都属于特殊质量等级,大多经热处理后才能使用。分类:按用途和热处理特点,低合金结构钢合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢合金滚动轴承刚等1、合金渗碳钢含碳量为0.1%-0.2%,以保障心部具有足够的韧性

19、,合金含量小于3%。主加元素为Cr、Mn、钛、钒,提高了淬透性,使晶粒细化,耐磨性提高。热处理:一般是渗碳后淬火、低温回火主要用于表面要求硬而耐磨,心部具有足够强度和韧性的零件,如:汽车变速箱的齿轮等。 以20Cr、20CrTiMn为最广。变速齿轮拨叉2、合金调质钢含碳量为0.25%-0.5%,主加元素为Cr、Mn、Si、Ni等以提高淬透性和强化铁素体.调质钢具有良好的综合力学性能。如30CrMo热处理:调质(淬火后高温回火,处理后得到S 回若要求零件表面有很高的耐磨性,可在调质后在进行表面淬火或化学热处理 合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件,如齿轮、轴类件、连杆等。曲轴连杆3、合金弹簧钢它具有高的弹性、疲劳强度及冲动韧度。含碳量为0.45%0.7%,主加元素为Cr、Mn、Si等以提高淬透性和弹性极限。如55Si2Mn合金弹簧钢是一 种专用结构钢,主要用于制造各种弹簧和弹性元件。