钢铁材料基础知识课件

上海瑞尔实业有限公司钢铁材料基础知识

质保部SQE培训教材编制：赵振东主讲：吕豪杰1

钢铁材料基础知识(讲座）第一节钢铁生产的意义及其广泛应用第二节金属学热处理及机械性能基本概念

第三节钢的分类及生产

第四节钢材产品的分类及生产第五节钢中的元素及其作用

第六节武钢热轧专用钢牌号性能及用途

第七节产品技术标准及主要内容

2第一节钢铁生产的意义及其广泛应用一、钢铁生产的重要意义二、钢铁材料广泛使用的原因1、钢材组织、结构和性能的多样性2、具有深入的理论研究和丰富的实践经验3、容易生产加工4、可循环使用，使资源得到充分保证4二、钢铁材料广泛使用的原因1、钢材组织、结构和性能的多样性

对于钢铁材料，人们可以用铁这一元素为基体，得到从低强度到高强度，从低塑性到高塑性，从韧性到脆性的各种钢铁材料，以及具有优良的耐磨性能、耐热性能和耐腐蚀性能和磁性等各种优良性能的合金。其原因是在钢材生产中,可以通过控制温度和各种合金的配比组合形成不同的组织结构，以得到需要的性能。2、具有深入的理论研究和丰富的实践经验

除了要有多样的性能外，还需要人们去认识它。经过长期的理论研究和实践，人们对钢铁材料已具有了比较深入的理论研究和丰富的实践经验。如金属学、热处理、冶金学、轧制原理和材料力学等。5二、钢铁材料广泛使用的原因3、容易生产加工

钢材容易生产加工，可以轧制、锻造、挤压和冲压成型，还可以车削、焊接和铸造，加工成各种需要的形状。钢铁材料制品的生产方式，最主要的是轧制，占生产量的90%以上。因为轧制法生产效率高，产品种类多,生产成本低，适合于大规模生产。这些优点使钢铁产品具有难以被其他材料代替的重要位置。4、可循环使用，使资源得到充分保证

钢铁材料可以回收利用，循环使用。由矿石（氧化铁）经冶炼（还原）成钢铁，使用过程中又氧化成氧化铁，回到大自然，遵守物质不灭定律。从理论上讲可以用之不尽，使资源得到充分保证。6第二节金属学热处理及机械性能基本概念一、金属学基本概念

1、同素异晶转变；2、固溶体；3、奥氏体；4、铁素体；5、渗碳体；6、珠光体;7、马氏体；8、铁碳相图二、热处理基本概念

1、退火；2、正火；3、淬火；4、回火5、调质处理6、时效三、主要机械性能

1、屈服强度；2、抗拉强度；3、伸长率；4、冷弯；

5、冲击韧性；6、硬度7一、金属学基本概念

一切物质都既可以非晶状态存在，又可以结晶状态存在。在非晶状态下，物质的原子是杂乱无章排列的，它们的相互位置不是固定的。在结晶状态下，物质是由那些按照某种严格的几何模型排列的原子，更严格地说是离子组成的。物质不同，这种模型就会变化。

自然界中所有的金属都是结晶体。金属的结晶发生在凝固过程中。金属凝固时其原子本身能够排列出几种形式，其中最有共性的3种形式表示在图中。

9一、金属学基本概念2、固溶体

是一个（或几个）组元的原子（化合物）溶入另一个组元的晶格中，而仍保持另一组元的晶格类型的固态金属晶体，固溶体分间隙固溶体和置换固溶体两种。

当金属A与另一种具有不同晶格的金属B形成固溶体时，该固溶体的晶格可能与两种金属中的某一金属晶格相同，也可能与它们的晶格都不相同。在固溶体的晶格与某一金属相同的情况下，金属A就被认为是溶剂，而金属B则被认为是溶质。如果固溶体的晶格与两种金属的晶格都不相同，那么可以认为比例大的金属是溶剂。11一、金属学基本概念3、奥氏体

奥氏体是碳在γ-Fe（面心立方）中的间隙固溶体，碳的最大固溶量为2.1%,在合金钢中则是碳和合金元素溶于γ-Fe

中所形成的固溶体。

奥氏体具有面心立方晶格塑性很高。4、铁素体

铁素体是碳在α-Fe（体心立方）中的间隙固溶体，常温下碳的固溶量为0.008%，具有体心立方晶格。

铁素体性能接近纯铁，有很高的塑性，很软强度很低。13一、金属学基本概念

7、马氏体

马氏体是碳在α-Fe中的过饱和固溶体，是钢在奥氏体化后快速冷却时于马氏体点以下发生无扩散性相变的产物。

马氏体处于亚稳状态，具有体心立方晶格。淬火钢的马氏体很脆，冲击韧性很低，延伸率和断面收缩率几乎为零。

148、铁碳二重相图

15铁碳合金冷却时组织变化的分析

16铁碳合金冷却时组织变化的分析

Ⅱ合金（共析钢）的成分位于共析点，冷却过程中的组织变化如图1-19所示。冷至1点开始从液相中析出γ相，冷至2点结晶完了变成均一的γ固溶体。冷至3点（727℃）发生共析反应全部分解成共析体。γ0.77→α0.0218+Fe3C

钢铁中的共析体，根据其形貌特征，定名为珠光体，常用P来表示。珠光体是片层状的两组机械混合物，如图1-20所示。利用杠杆定理可以计算出珠光体中α铁素体和渗碳体的相对量：

α%=(6.69-0.77)/(6.69-0.0218)×100%=88%Fe3C%=（100-88）%=12%17

碳钢临界点在铁碳平衡图上的相对位置

19二、热处理基本概念

退火和正火两者的主要区别在于冷却速度的不同，得到的组织虽然都是珠光体型转变产物，但其分散度不同。退火和正火既可作为预备热处理，也可作为最终热处理，视性能的要求和加工过程的需要而定。

3、淬火

淬火就是把钢加热到临界温度（Ac3或Ac1）以上，保温一定时间使之奥氏体化后，再以大于临界冷却速度的冷速急剧冷却，从而获得马氏体组织的热处理方法。

4、回火

把已淬火钢加热到Ac1点以下的温度，保持一段时间，然后冷却的一种操作叫做回火。20二、热处理基本概念5、调质处理

利用淬火和高温（或中温）回火这样双重热处理以得到所需要的强度和韧性的工艺叫做调质处理。适于进行调质处理的钢叫调质钢。一般指中碳钢和中碳合金结构钢。

6、时效

在日常生产中常发现，如低碳钢板等材料经加工（热加工或冷变形等）后，在室温放置一定时间，它的机械性能发生了变化。一般讲，硬度和强度有所增加，塑性、韧性和内应力则有所降低，而其组织则由亚稳定状态逐渐过渡到较稳定状态。这种金属材料的性能随时间的延长而发生变化的现象称为时效。22液压式万能电子材料试验机23标点

l0标距d0三、试样1．材料类型

低碳钢：

灰铸铁：2．标准试样：塑性材料的典型代表脆性材料的典型代表标距：等截面测试部分长度尺寸符合国标的试样试验机读数表盘主动指针：反映载荷瞬时大小；被动指针：反映最大载荷；拉伸试验25测定低碳钢拉伸机械性能(Rel

ss、Rm

sb、A

d、y)O

FDlFeFpFsFb线弹性阶段屈服阶段强化阶段颈缩阶段屈服点：抗拉强度：冷作硬化伸长率：断面收缩率：拉伸试验26

屈服强度(yieldstrength)

条件屈服强度:规定残余伸长应力：

0.2=F0.2/S0slF0.20.2%l0o

Fs

0.2(Mpa)=

S0试样屈服时的载荷(N)试样原始横截面积(mm2)27三、主要机械性能

4、冷弯

金属的冷弯曲试验是检查金属材料，在冷状态下，承受不同程度的弯曲变形性能，以显示其缺陷。

根据钢种及技术条件的要求，弯曲角度分为90度、120度和180度;弯心直径分为0和试样厚度a的n倍;试样宽度分为窄试样和宽试样。

29冲击试验机冲击试样和冲击试验示意图30试样冲断时所消耗的冲击功Ak为:

Ak=mgH–mgh(J)

冲击韧性值ak

就是试样缺口处位截面积上所消耗的冲击功。

AK

ak

=(J/cm²)S031三、主要机械性能

6、硬度

金属材料抵抗硬的物体压陷表面的能力，称为硬度。根据试验方法和适用范围的不同，硬度可分为：布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度以及显微硬度、高温硬度等几种。⑴布氏硬度（HB）

用一定直径D的淬硬的钢球，以规定负荷P压入试验金属的表面并保持一定时间，而后去掉负荷，测量试样表面所压出的园形凹陷压痕直径d，据以算出压痕球面积F，以负荷P除以压痕球面积F所得之商，即为试样的布氏硬度值。布氏硬度以HB表示，单位为牛顿/m㎡。32布氏硬度（HB）

33布氏硬度原理

34第三节钢的分类及生产一、金属及合金二、钢与生铁及其特点三、钢的分类四、钢铁生产（一）钢铁生产钢铁生产工艺流程（二）采矿烧结（三）炼铁（四）炼钢（五）炉外精炼35钢的分类及生产一、金属及合金

钢是含碳量在0.04%-2.3%之间的铁碳合金。为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过2.0%。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。二、钢与生铁及其特点

一般而言，钢与生铁都是以铁为主的铁碳合金。它们的主要区别是：

钢的含碳量≤2.0%，生铁含碳量>2.0～6.69%钢具有良好的塑性和韧性，生铁则脆而硬钢具有加工性、可焊性、可锻性，生铁则无此特性，但具有可铸造性钢中的P、S含量比生铁低36三、钢的分类

钢的分类方法多种多样，其主要方法有如下几种：

1、按品质分类

(1)普通钢（P、S含量一般）(2)优质钢（P、S含量较低）

(3)高级优质钢（P、S及杂质含量更低且性能优良）

2.、按化学成份分类

(1)碳素钢

低碳钢（C＜

0.25%）

中碳钢（C0.25～0.60%）

高碳钢（C＞

0.60%）37三、钢的分类

(2)合金钢

低合金钢（合金元素总含量≤5%）

中合金钢（合金元素总含量＞5～10%）

高合金钢（合金元素总含量＞10%）3、按用途分类(1)建筑及工程用钢

(2)结构钢(3)工具钢(4)特殊性能钢(5)专业用钢——如桥梁用钢、船舶用钢、锅炉用钢、压力容器用钢、农机用钢等。38三、钢铁生产(工艺流程）39三、钢铁生产（二）选矿和烧结

铁矿石主要由氧化铁、脉石及其他杂质组成。含铁量大于70%的矿石称为富矿，低于70%的为贫矿。贫矿要进行选矿、烧结和球团后才能入炉，以提高高炉的技术经济指标。

因为矿石品位高，则脉石数量少，冶炼用的溶剂数量少，渣量少，焦炭消耗也少。40三、钢铁生产

（三）炼铁

炼铁是在高炉中加入矿石、球团、溶剂和焦炭等，通过焦炭燃烧以及焦炭产生的一氧化碳（CO），将铁在高温下从矿石的氧化铁中还原并去除杂质和有害元素。故炼铁过程是一个还原反应的过程。发生如下还原反应：

3Fe2O3+CO=2Fe3O4+CO2Fe3O4+CO=3FeO+CO2FeO+CO=Fe+CO241三、钢铁生产

（四）、炼钢

转炉炼钢是将铁水、少量废钢和造渣剂等加入转炉并向转炉吹入工业纯氧，使铁水中的多余碳燃烧，降低到成品钢规定的值，同时产生热量维持热平衡。铁水中的一些元素氧化后，有的在高温下与石灰石、石灰等熔剂起反应，形成炉渣，有的变成气体逸出。炼钢的后期还要用锰铁、硅铁和铝进行脱氧，去除多余的氧气。并加入需要的合金达到钢种要求的成分。因此，氧化反应是炼钢过程中的主要反应。炼钢的主要生产工序和工艺包括：铁水预处理、炼钢、二次冶金（炉外精炼）、浇铸（连铸、模铸）四大工序和工艺。42三、钢铁生产

（五）、炉外精炼

1、目的

炉外精炼的目的是在真空、惰性气氛或可控气氛的条件下，进行脱碳、脱硫、脱氧、去气，调整成分、微合金化和调整温度并使其均匀化，去除夹杂物、改变夹杂物形态和组成等。

2、方法

1）钢包吹氩

从钢包底部或顶部吹入氩气。均匀钢水温度，均匀钢水成份，使夹杂物上浮。

2）钢包加热

电弧加热和化学加热。化学加热是吹氧并加入发热剂（Al,Si等）发生氧化反应，以保持钢水需要的温度。

3）喷粉

将氩气和固态粉末如硅钙粉喷入钢中。钙脱氧脱硫能力强，通过喷硅钙粉，含硫量可降低到0.005%，最低达0.002%。还可喷合金粉，提高合金收得率。43三、钢铁生产

3、设备

1）真空处理（RH、DH）

RH是真空循环脱气法，应用比较广泛。目的是去除氢（50-80%）和氧（15-25%），将氮气含量降至较低范围,并去除非金属夹杂物。

RH-KTB真空加氧枪，在真空下吹氧脱碳生产超低碳钢。

RH-KTB/PB真空加氧枪再配备喷粉系统。

2）LF炉

LF炉称为钢包炉，目前应用广泛。LF炉通过电弧加热、炉内还原气氛、造渣和气体搅拌等手段实现脱氧、脱硫、合金化和升温等精炼效果。44三、钢铁生产

3）CAS-OBCAS法是成分微调密封吹氩法。氩气搅拌合金成分微调，使合金吸收率高而且稳定。

在CAS法的基础上增设顶吹氧和加铝粒设备，实现钢水升温称CAS-OB法。4）VD炉

VD精炼法是将转炉、电炉的初炼钢水放于真空室中，同时钢包底部吹氩搅拌真空处理法。可进行脱碳、脱气、脱硫、去除杂质、合金化和均匀钢水温度、成分等处理。适于生产各种合金结构钢、优质碳钢和低合金高强度钢。

在VD炉上增加顶吹氧系统，构成VOD炉，此法可以完成真空吹氧脱碳的功能，适宜冶炼低碳钢和低碳不锈钢。45第四节钢材产品的分类及生产一、钢材产品的分类（一）、型材（二）、板材（三）、管材（四）、金属制品二、钢材的塑性变形及强化途径（一）钢材的塑性变形（二）钢材的强化途径三、热轧生产四、冷连轧生产五、硅钢生产46一、钢材产品的分类

按GB/T15574-1995《钢产品分类》规定，钢产品可按生产工序、外形、尺寸和表面状况进行分类。

钢材按外形可分为型材、板材、管材、金属制品四大类。我国目前将钢材分为十六大品种

（一）、型材1、重轨2、轻轨3、大型型钢4、中型型钢5、小型型钢6、线材7、冷弯型钢8、优质型材9、其它钢材

（二）、板材1、薄钢板2、厚钢板3、钢带4、电工硅钢薄板

（三）、管材1、无缝钢管2、焊接钢管

（四）、金属制品（包括钢丝、钢丝绳、钢绞线等）47一、钢材产品的分类

（一）型材

型钢在钢材中品种最多。每种形状的断面又有很多不同尺寸规格。按其断面形状又可分为简单断面和复杂断面两大类。1、简单断面型材：常见的有：如图（a）所示。2、复杂断面型材：常见为：如图（ｂ）所示

（a）简单断面（b）复杂断面48（一）型材

1、简单断面型材：

方钢：其规格以其边长尺寸表示。一般方钢边长5~250mm。

圆钢：其规格以其直径尺寸表示。一般圆钢直径为5~200mm。其中直径为5~22mm的圆钢，成盘交货，故称盘条。由于断面小长度大，也称线材。

扁钢：其规格以其断面宽度与厚度之乘积表示，宽度为12~200mm，厚度为4~60mm。

角钢：有等边与不等边角钢之分，等边角钢每侧腿长20~250mm，相应称为NO.2~NO.25角钢。不等边角钢的两侧边长为25/16~250/160mm，相应称为NO.2.5/1.6~NO.25/16不等边角钢。

此外，简单断面型钢中还有三角钢、六角钢及弓型钢等多种49（一）型材2、复杂断面型材：

工字钢：有标准工字钢、轻型工字钢及宽腿工字钢之分。标准工字钢腰的高度为100~600mm，相应称为NO.10~NO.60工字钢。标准工字钢边缘内侧有14%的斜度。轻型工字钢腰的高度为100—320mm，相应称NO.10~NO.32轻型工字钢。宽腿工字钢腰的高度为80~1200mm，相应称NO.8~NO.12宽腿工字钢。由于宽腿工字钢的边缘内外两侧互相平行，也称H型钢。

槽钢：标准槽钢的腰高为50~450mm，相应称NO.5~NO.45槽钢。标准槽钢的边缘内侧斜度为9%。

钢轨：各类钢轨均以每米长度的重量表示其规格的大小。7~24kg/m为矿山用轻轨，38~75kg/m为铁路用重轨，80~120kg/m为吊车用起重机轨。

此外，复杂断面型材常见的还有Z字钢、T字钢、钢板桩、重轨接板、窗框钢等。尤其是小异型钢材，各式各样断面形状的型材就更多了，在此就不一一列举了。50一、钢材产品的分类

（二）板材

钢板按厚度可分为厚板、薄板和箔材三大类。

厚板：厚度为4~160mm以上，宽度为600~3500mm以上（最宽可达5000mm的钢板）。

薄板：厚度为0.2~＜4.0mm的钢板，迭轧薄板宽度为600~1000mm，长度为宽度的2倍，连轧机轧制的宽带钢宽度为600~2200mm，长度可达几百米至数千米。

箔材：厚度小于0.2mm以下的钢板。最薄可达0.02mm。

（三）钢管

空心封闭断面的钢材称为钢管。最常见的钢管断面形状一般为圆形。但是也有很多断面形状很复杂的异型钢管。按生产方法可分为无缝钢管与有缝钢管（又称焊接钢管）两大类。焊接钢卷又分为直缝焊和螺旋焊管等。51二、钢材的塑性变形及强化途径

金属压力加工是变形金属在外力的作用下产生塑性变形的过程，它不仅可使金属获得所必需的尺寸和形状，而且也使之获得所必需的组织和性能。

（一）钢材的塑性变形

金属是晶体物质，理想金属体的原子是有规则地排列的。在外力作用下，原子将沿着力的梯度方向运动，原子大量地由一个平衡位置移向另一个平衡位置，则使金属产生塑性变形。所谓塑性，是指金属受外力作用能稳定地发生永久变形而不破坏其整体的能力。

塑性与金属的柔软性是两个不同的概念。柔软性是物体抵抗变形的能力，表示物体的强度指标，柔软的金属不一定具有好的塑性，如低碳钢在高温下，变形抗力很小，但过烧后其塑性也很小，反之柔软性差的奥氏体不锈钢却具有较高的塑性。而铝则既柔软又具有高的塑性。52二、钢材的塑性变形及强化途径（二）钢材的强化途径

使金属强度增大的过程称为强化，既然塑性变形是由于位错的滑移运动造成的，那么强化的途径就在于设法增大位错运动的阻力，从组织上造成位错运动的障碍。在钢铁材料中，能有效阻止位错运动、提高材料强度的途径主要有以下几个方面。1、固溶强化

2、晶界强化（细化晶粒）

3、第二相强化（沉淀强化）53（二）钢材的强化途径1、固溶强化

固溶强化可分为二类：即间隙式固溶强化和置换式固溶强化。间隙原子固溶强化对提高强度十分有效，但对塑性和韧性的削弱作用却很大。而置换式固溶强化对铁素体的强化作用虽然比较小，却基本不削弱基体的塑性、韧性。

根据固溶强化的规律，间隙原子的强化作用比置换原子大10—100倍，因此间隙原子碳是提高钢材强度最重要的元素，然而在室温下她在铁素体中的溶解度十分有限，因此其固溶强化作用受到限制。在置换原子中，Si和Mn是强化作用较大的元素，在合金钢中得到广泛应用。固溶强化的一个显著特点是随着溶质原子的增多，强度、硬度上升，而塑性、韧性下降，应此为了使钢既具有较高的强度，又有适当的塑性，对溶质浓度应当加以控制。54（二）钢材的强化途径

2、晶界强化（细化晶粒）

细化晶粒不但可以提高钢的强度，而且可以不降低钢的塑性和韧性，这一点是其他强化方式所不具备的。根据霍尔-佩奇关系式，钢的强度与晶粒直径的平方根成反比，为此，可以向钢中加入Al（铝）、Ti（钛）、V（钒）、Zr（锆）、Nb（铌）等元素，形成难溶的第二相粒子，这些粒子越弥散细小、数量越多，则对奥氏体化时晶界迁移的阻力越大，从而细化奥氏体晶粒，使冷却转变后得到的铁素体、马氏体等的尺寸越小。

对珠光体来说，它的强度也适用于霍尔-佩奇关系式，珠光体的片间距越细小，则其强度越高。55（二）钢材的强化途径3、第二相强化（沉淀强化）

第二相粒子可以有效的阻碍位错运动。但是第二相粒子必须十分细小，粒子越弥散，其间距越小，则强化效果越大。合金元素的作用主要是为造成均匀弥散分布的第二相粒子提供必要的成分条件。主要碳化物形成元素有Ti（钛）、V（钒）、Zr（锆）、Nb（铌）、Mo（钼）、W（钨）等。

第二相的种类对塑性也有影响，当第二相为硫化物或氧化物时，在塑性变形时易于沿其界面开裂。当第二相为碳化物时，一方面它本身的强度高，另一方面与基体结合得比较好，在变形时不易开裂，也不易沿界面分离，因此使钢在形成孔坑之前可以经受相当大的塑性变形，所以碳化物对塑性的危害较小。

56三、热轧生产

热轧产品主要有中厚板、热连轧板带、型材、线材和管材等。

热轧过程是加工硬化和再结晶两个相互进行的过程。热轧过程由于再结晶充分且是在三向压应力状态下变形，使铸态金属组织中的缩孔、疏松、空隙等缺陷得到压合，同时由于再结晶作用的结果，使产品组织均匀致密。

但热连轧会出现热轧纤维组织。使钢材沿纵向（纤维方向）的塑性指标和强度指标高于横向（垂直纤维方向）的同类指标。钢材在热变形过程中产生带状组织，这种带状组织可表现为晶粒带状和夹杂物带状两种。

热轧产品在不同的冷却条件下，会得到不同的组织结构和性能。因为轧后冷却实际上是利用轧后余热的热处理过程。生产中常用轧后冷却手段来控制钢材所需的组织性能。

对于某些塑性和导热性较差的钢种，应注意防止轧后过快冷却，以免产生裂纹和白点。如对重轨，轧后采用缓冷。

根据产品技术要求和钢种特性，在热轧后采用不同的冷却方式。一般的冷却方式有：空冷、水冷、堆冷及缓冷等。57四、冷连轧生产

冷轧工艺包括原料准备（酸洗）、轧制和精整。轧机的主要型式有二辊式、三辊式、四辊式及多辊式。板带钢冷轧，当前多用四辊式连轧或多辊式轧制、轧制过程都带有前后张力，连轧前几道主要是考虑变形，末架主要是控制板型。

退火是冷轧板带钢生产中最主要的热处理工序。其退火方式有中间退火和成品退火两种。冷轧中间退火的目的主要是使受到冷加工硬化的金属重新软化。冷轧带钢的成品退火主要根据对产品性能的不同要求进行。在热处理中应用最广的是罩式退火和连续退火。罩式退火属于慢速加热退火。连续退火是一种快速加热退火。一般带钢经连续退火后，硬度与强度比罩较式退火高，而塑性及冲击性能则有所降低。

在轧制生产过程中，为了降低摩擦系数，减少变形抗力，提高表面质量，减少轧辊消耗并有效地控制变形热引起辊型的变化及防止金属粘辊现象，轧出更薄的产品，而广泛采用工艺润滑又称工艺冷润。

常用润滑剂的主要种类有：水、矿物油、棕榈油（植物油经过聚合制成的组合冷轧润滑剂）及油剂与大量水混合成的乳状冷润液。

冷轧板带及其涂镀层产品广泛用于建筑、汽车、家电、交通等行业，特别是涂镀层板仍保持很旺的增长势头。58五、硅钢生产

硅钢片作为制造各种电机和变压器等各种电器的铁芯材料，是电力、电子、和军事工业中不可缺少的重要软磁合金。纯铁、硅钢用量最大，因此，习惯地把纯铁、硅钢总称为电工钢。硅钢又称矽钢片，它是在铁中加硅而得名的。

冷轧硅钢片，尤其是冷轧取向硅钢片的制造工艺复杂、设备成本昂贵、成分控制严格、制造工序较长，而且影响性能的因素众多，因此常把取向钢的生产技术看成是衡量一个国家特殊钢制造技术的重要标志。武钢冷轧硅钢片厂从1974年开始建设到1978年投入生产至今已积累了三十多年的生产经验，这些都标志着我国的冷轧硅钢片的制造技术已接近和达到世界先进水平。59第五节钢中的元素及其作用一、有害元素1、硫（S）；2、磷（P）；3、氧（O）；

4、氮（N）；5、氢（H）二、合金元素1、碳（C）；2、锰（Mn）；3、硅（Si）；

4、铬（Cr）；5、镍（Ni）；6、钛（Ti）；

7、铜（Cu）；8、钨（W）；9、钼（Mo）；

10、铌（Nb）；11、钒（V）；12、硼（B）；

13、铝（Al）；14、稀土元素60

钢中的元素及其作用

含碳量低于0.2%的铁合金称为钢。但工业用碳钢除碳外还含有其他元素，如硅、锰、硫、磷、氧、氮、氢等。其中硅、锰是在钢冶炼时作为脱氧元素而加人的，硫和磷是冶炼时未能除尽的杂质元素。在碳钢中它们的含量范围大致如下:锰≤0.7%、硅≤0.5%、磷≤0.05%、硫≤0.04%。氧、氢、氮等的含量是非常少的，它是和冶炼方法有关，一般只有十万分之几到万分之几。有时为了改善钢的组织性能，还人为地向钢中加人某些元素，如硅、锰、铬、镍、铝、铌、钒、钛、稀土等元素，下面具体介绍钢中各化学元素的作用。61一、有害元素

1、硫（S）

硫是有害元素，硫的最大危害是引起钢在热加工时开裂，即产生所谓“热脆”。焊接时，硫能引起高温龟裂，并使金属焊缝中产生很多的气孔和疏松，从而影响了金属焊接部位的机械强度。硫降低耐腐蚀性能，并增大纯铁和硅钢中的磁滞损失。它主要来自生铁原料、炼钢时加入的矿石和燃料燃烧产物中的二氧化硫。在室温时，硫以硫化物夹杂的形式存在于固态钢中。硫通过形成硫化物夹杂而破坏钢的连续性，对钢的力学性能发生影响。在热加工时硫化物夹杂将随钢材的延伸而伸长，从而降低了钢材的横向(与加工方向垂直的方向)机械性能。

由于硫是钢中偏析最大的元素，在规定范围内随着硫含量的增高使钢的耐磨性能下降、腐蚀倾向增加。62一、有害元素

2、磷（P）

一般来说，磷是有害杂质元素。钢中含磷高时，会引起钢的“冷脆”（即在常温或低温条件下出现钢的脆裂或断裂现象），降低钢的塑性和冲击韧性，并使焊接性能变坏、冷弯性能变差。由于磷的有害影响，同时考虑到磷有比较大的偏析，因而对其含量要严格加以限制。磷来源于矿石和生铁等炼钢原料。

在含碳量比较低的钢中，磷的冷脆危害较小。在这种情况下可以利用磷来提高钢的强度，如含磷汽车板。此外，在适当情况下，还利用磷的其它一些有益作用，如增加钢的抗大气腐蚀能力(常加入0.07～0.12%的磷)，提高磁性，改善钢材的切削加工性(在易削钢中常加入0.08～0.15%的磷)，减少热轧薄板的粘结等。63一、有害元素

3、氧(O)

氧是炼钢中不可缺少的元素，但是氧与其他许多元素亲和力强，易在钢中形成各种夹杂物，这对于钢的性能不利。另外，如果氧含量过高也会影响其他元素的效果。因此需要用Al和Si脱氧。

4、氮（N）

氮主要使钢产生时效或“老化”。对钢的影响与磷相似，它能引起钢的冷脆。在1600℃时，溶解度达0.04%，而在室温时为0.001%，因此，氮在室温下要从钢中析出，由于氮在低温时很稳定，钢中氮不是以气态逸出，而是呈固态氮化物析出，从而，引起金属晶格扭曲和巨大内应力，恶化了钢的塑性、韧性。由于氮析出很缓慢，故对性能的影响也是逐渐的，这就是我们平时所说的时效或“老化”。氮含量越高，“老化”或时效越历害，它使钢的硬度增加，脆性增加。利用这种特性，也可以生产时效硬化钢。64一、有害元素

5、氢（H）

氢与其他元素相比，虽然在钢中含量较低，但对钢的危害很大。使钢产生裂缝、发纹、白点、层片状断口等缺陷。氢在液态钢中比在固态钢中的溶解度大得多，在凝固过程中会析出。在固态钢的冷却过程中，还会继续扩散析出。在显微孔隙，在夹杂物附近或晶界小孔中聚集，形成分子，因H2分子较大，不具备穿过晶格继续扩散的能力，因而在氢分子聚集的地方引起内应力。当内应力与组织应力、热应力、变形应力共同作用超过抗张强度，就会产生裂缝。同时还会使钢产生发纹、白点、层片状断口等缺陷，还会增加钢的脆性，重轨要在缓冷坑缓冷，就是为了让钢中的氢在一定温度下析出，从而提高重轨的质量。如果进行真空处理，则此工序可不进行。65二、合金元素

1、碳（C）

碳是决定碳钢性能的主要元素。随着钢中碳含量增加，钢的强度和硬度增加塑性降低，使钢的冷脆倾向和时效倾向提高，当碳含量超过0.23%时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接结构的钢，含碳量一般不宜超过0.20%。提高碳含量还会降低钢的耐大气腐蚀性能。因此，碳在钢中的主要作用是提高强度，对其它性能都是不利的，所以在低合金高强度钢中，在保证一定强度的条件下，降低碳含量是有利的。

在过共析范围内，抗拉强度的变化是因为先共析渗碳体量增多，并沿原奥氏体晶界析出，形成网状，使钢的脆性增大，容易发生早期断裂，从而降低抗拉强度。66二、合金元素

2、锰（Mn）

在碳钢中锰属于有益元素，锰对碳钢的力学性能有良好影响。锰是良好的脱氧剂，锰与硫结合能消除钢的热脆，改善结构钢的热加工性能，同时还可降低冷脆。当钢中Mn/S>6时，便可抵消硫的有害影响。增加锰含量，能显著提高的强度极限、屈服极限和硬度，使钢的延伸率略为降低，但并不降低断面收缩率和冲击值。然而，过高的增加含锰量，虽能提高钢的耐磨性，却使钢的焊接性能恶化，减弱钢的抗腐蚀能力。

锰提高热轧碳钢强度和硬度的原因是它溶入铁素体引起固溶强化，并使钢材在轧后冷却时得到比较细的而且强度较高的珠光体，在同样含碳量和同样冷却条件下珠光体的相对量增加。67二、合金元素

3、硅（Si）

硅作为脱氧剂，所以硅脱氧镇静钢含有0.15-0.30%的硅。硅在钢中大部分溶于铁素体，使其强化。少量的硅对钢的性能影响较小，一般认为随着含硅量的增加，可以提高钢的强度极限、屈服点和硬度，而弹性极限提高的更多。钢的延伸率，收缩率和冲击韧性有所降低。广泛用于作弹簧钢。含硅高时能增加钢液的流动性，提高钢的磁导率和电阻，降低磁滞损失，减少涡流电能损失。含硅量达1.0～4.0％的硅钢可用作电机硅钢片；含硅量达3.8～4.2%的硅钢则用来制作变压器铁蕊，但含硅量≥5％时，将使钢变得硬脆而不能锻轧。在含碳高的钢中硅能增加钢的脆性。68二、合金元素

4、铬（Cr）

铬具有显著改变钢的抗腐蚀和抗氧化能力，它可以在酸类作用下或在大气中不生锈，并有助于提高耐磨性和保持高温强度，因而是不锈钢和耐热钢的重要合金元素。在结构钢和工具钢中，铬能提高钢的强度极限，屈服极限和硬度，但同时降低塑性和韧性。在热处理时，能在不降低塑性条件下提高淬透性。

5、镍（Ni）

镍能有效地改善钢的低温性能，特别是低温韧性。能提高钢的强度，而又保持良好的塑性和韧性。与铬配制成的镍铬钢，在常温下能抵抗化学腐蚀和在高温下有耐腐蚀及耐热能力，而强度和冲击韧性依然很大。69二、合金元素

6、钛（Ti）

钛与钢中的硫结合，可减小钢的热脆性和硫的危害。钛还能与钢中氮、氢、氧结合成稳定的固体化合物，降低钢中有害气体的有害作用。钛不仅能细化晶粒、提高钢的强度、降低时效敏感性和冷脆性，而且少量的钛还能改善焊接性能和耐海水腐蚀性能。

7、铜（Cu）

铜能显著提高钢的耐腐蚀性能，特别是耐大气腐蚀性能，低碳钢含铜0.15-0.25%,其腐蚀速度比普通碳钢低2-4倍。铜能提高钢的强度极限和屈服极限，还能提高低碳钢的冲击韧性。但其缺点是在加热和热加工时容易产生纹裂，不过通过采取恰当的加热制度和加入适当的镍是可以减弱这种不良影响的。70二、合金元素

8、钨（W）

钨钢能用于高温和高冲击负载操作。在高速切削工具钢中含有8.5～18%的钨，而在模具和一般工具钢中其含量多为1～8％，热强钢中则为2～3％，在400～500℃条件下有良好的抗蠕变抗破断和抗氧化性能。钨还能显著提高钢的强度和硬度。由于钨很贵，其使用仅限于若干钢种。

9、钼（Mo）

钼在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力（长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变），因而广泛地应用于锅炉钢、压力容器钢。钼能增加不锈钢抵抗酸和碱的能力。在低合金高强度钢中，促进针状铁素体的形成。钼的加入能够使钢形成强塑性匹配良好的铁素体+马氏体双向组织。钼常常可以与铬、钒互换使用。71二、合金元素

10、铌（Nb）

钢中加入铌能提高奥氏体再结晶温度，阻止奥氏体再结晶，细化晶粒，提高钢的强度，同时，减少塑性和韧性的降低。微量Nb、Cu、B等元素的互相作用，大大降低了相变温度，使贝氏体相变能够在较低的温度下进行，相变后的贝氏体板条细小，从而促进超细组织的形成。铌可以改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加入铌，可以防止晶间腐蚀现象。

11、钒（V）

钒的作用是通过形成V(C,N)影响钢的组织和性能，在奥氏体和铁素体中沉淀析出，充分发挥了晶粒细化强化和沉淀强化的作用，提高了钢的强度和冲击韧性，而延伸率的减少不大。钒与氮结合，避免了钢的应变时效性。72二、合金元素

12、硼（B）

向低碳钢中或中碳钢中加人0.0005～0.005％的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，在不改变塑性和冲击韧性的前提下增加钢的强度。尤其重要的是微量的硼(每吨钢仅加人几十克)可提高钢的淬透性。在热处理中，硼可以作为镍、铬、钼等合金元素的代用元素。硼是极活泼的元素一，可充分脱氧去氮。

13、铝（Al）

铝一般作为脱氧剂加人钢中。加入少量的Al能细化钢的晶粒，并能固定钢中的氮，能显著提高钢常温时的冲击韧性，降低冷脆倾向性和时效倾向性。73二、合金元素

14、稀土元素

稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属，但他们的氧化物很象“土”，所以习惯上称稀土。钢中加入稀土，与氦、氢、氧等气体和某些低熔点杂质硫等有很强的亲和力，从而降低了钢中气体和硫的危害。可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质。能提高钢的冲击韧性、焊接性能和冷加工性能。为此，稀土元素正在被广泛利用，作为新的合金元素具有广阔的发展前途。它们能以不大的含量大幅度地改善钢的性能。对于大多数钢种，其加人量为0.1～0.2%。74第六节武钢热轧专用钢牌号性能及用途

一、汽车用热轧钢板带1、热轧双向钢板带;2、汽车大梁用钢板带;3、汽车车轮用钢板带;4、汽车桥壳用钢板带;5、冷成型用热轧高屈服强度钢板带;

二、工程机械用热轧钢板带1、低碳贝氏体高强度热轧钢板带;2、高强度焊接结构钢板带;

3、冷成型高强度焊接结构钢板带

;4、低合金焊接结构钢板带

三、焊接钢管用钢带1、石油套管用钢带;2、石油天然气输送管线用钢带;3、普通焊管用钢带

四、热轧磁轭钢板带;五、热轧耐大气腐蚀钢板带

;六、热轧集装箱用钢板带;七、焊接气瓶用钢板带;八、桥梁用热轧钢板带钢;九、热轧建筑用钢板带;十、高强镀锌用钢板带

;十一、造船用钢板

;十二、锅炉容器用钢板

75一、汽车用热轧钢板带

目前，汽车已成为人们生产生活中不可缺少的交通工具。为了满足汽车节能和提高冲击安全性，各汽车厂大量使用以高强度钢板为主的各种钢材以减轻车重。另外，其外形趋于流线型、艺术化，从而导致汽车车身零件的合并，使汽车零件形状进一步复杂化，对汽车用薄板的性能要求也越来越高。

构成汽车车身的部件大致分为面板部件、结构件、行走部件及增强部件。面板部件要求具有成型性、张紧刚性、延伸性、抗凹陷性、耐腐蚀性等；结构部件要求成形性、刚性、碰撞能量吸收能力、疲劳耐久性、耐腐蚀性、焊接性；行走部件要求成形性、刚性、疲劳耐久性、耐腐蚀性、焊接性；而碰撞能量吸收能力、焊接性能对增强部件特别重要。76一、汽车用热轧钢板带

1、热轧双向钢板带

双相钢是低合金钢领域中近十几年来的重大发展之一，双相钢通常是指由细小的铁素体和少量马氏体（或贝氏体）组成的新型钢种。与一般低合金钢比较，它具有抗拉强度高、屈服强度低、无屈服平台、加工硬化率高、均匀延伸大、加工成型性能优良等特点。使钢材成型容易，成型后提高了材料的屈服强度，从而提高了零件的刚性。因而，它具有优良的成型性能和较高的强度。双相钢的发展动力最初主要来自汽车工业。汽车要降低油耗、提高运行速度，则需要减轻自重。但是，汽车的许多零件是复杂的冲压件，一般的低合金高强度钢冲压成型性能常常达不到规定要求。

热轧双相钢用于制作轿车滚型车轮轮辐、保险杠、车厢横梁、侧面板及驾驶室中的受力部件等冲压结构件。还可以用于作压力容器及输油输气管线。

771、热轧双向钢板带牌号厚度（mm）ReL（N/m㎡

）Rm（N/m㎡

）伸长率A(％）180°冷弯(a＝板厚)RS502.7～4.5≥410490～650≥23d=0.5aRS552.7～4.5≥345540～680≥25d=0.5aRS6002.5～4.5330～470580～700≥22L0＝50mm

d=0.5a78一、汽车用热轧钢板带

2、汽车大梁用钢板带

武钢生产的汽车大梁系列产品采用了先进的冶炼、轧钢设备和工艺条件，确保钢质纯净，并辅以微合金化技术，产品具有优良的冷冲压成型性、低温韧性和疲劳性能，满足了多种载重车和轻型车车型高质量汽车零部件的生产和使用要求，年产量已突破20万吨。

汽车大梁用钢主要应用于汽车制造业，冲压载重汽车和轻型汽车的车架纵梁、横梁等结构件，并可推广应用于工程机械冲压结构件的制造。792、汽车大梁用钢板带

牌号厚度（mm）ReLN/m㎡

RmN/m㎡

伸长率A(％）180°冷弯(a＝板厚)WL440

2.5～6.0≥6.0～8.0≥320

440~540

≥28≥26d=0.5a

WL510

3.0～6.5＞6.5～8.0≥355

510-610510-630≥24≥24d=0.5ad=aWL510H

＞8.0～16.0

≥355

510~630

≥22

d=a

T52L

3.0～8.0

≥355

490-630

≥21

d=0

WL540

2.0～8.0≥400

540~650

≥23

d=a

WL590

2.5～8.0

≥420

≥590

≥20

d=1.5a

80一、汽车用热轧钢板带

3、汽车车轮用钢板带

武钢研制的车轮钢产品强度级别多，性能优良，尺寸精度高，适用于不同车型轮辋、轮辐的制作。武钢汽车车轮钢产品细分为两大系列，RCL系列（滚型车轮用钢）具有良好的闪光焊接性能、冷成型性能、延伸凸缘性能、疲劳性能和涂漆性能，可应用于各相应级别的汽车滚型车轮轮辋、轮辐的制造。W235CL、W345CL（旋压车轮用钢）具有良好的冷成型性能、延伸凸缘性能、疲劳性能和涂漆性能，适用于各相应级别的旋压轮辐制造。

武钢汽车车轮钢经一汽四环车轮公司、东风汽车车轮公司、江铃汽车、福建正兴车轮厂等单位应用，用户反映良好，目前，武钢汽车车轮钢年产量已达到5万吨。81汽车车轮

823、汽车车轮用钢板带牌号厚度（mm）ReLN/m㎡

RmN/m㎡

伸长率A(％）180°冷弯(a＝板厚)W330CL

2.0～4.0≥225

330～430

≥32

d=0.5a

W380CL

2.0～7.0

≥275

370～470

≥30

d=0.5a

W490CL

2.0～7.0

≥410

≥490

≥23d=0.5a

RCL550

2.0～10.0

≥450

550～650

≥23

d=a

RCL590

2.0～4.0

≥450

≥590

≥21

d=a

W235CL

10.0～16.0

≥235

375～500

≥26

d=1.5a

W345CL

10.0～16.0

≥345

470～630

≥22

d=2a

83一、汽车用热轧钢板带

4、汽车桥壳用钢板带

武钢开发的汽车桥壳用钢采用了先进的冶炼、轧钢设备和工艺，确保钢质纯净，并辅以微合金化技术，产品性能均匀稳定，具有优良的冷冲压成型性、低温韧性和焊接性能，适用于制作汽车的冲焊桥壳和车轴等冲压结构件。5、冷成型用热轧高屈服强度钢板带

QstE系列是从德国引进的汽车结构钢，具有良好的成型性并且有较高的强度，可广泛应用在各种车型的纵梁、横梁以及角撑等结构件的制造。844、汽车桥壳用钢板带牌号厚度（mm）ReLN/m㎡

RmN/m㎡

伸长率A(％）180°冷弯(a＝板厚)WQK440

≤6.0＞6.0≥295

≥440≥28≥25d=0.5a

WQK510

5.0～＜8.08.0～16.0≥355

≥345510-610≥24d=a(≤12mm）d=1.5a(＞mm）WQK5904.0～16.0

≥460

≥590≥20L0＝50mm

d=2a855、冷成型用热轧高屈服强度钢板带牌号厚度（mm）ReLN/m㎡

RmN/m㎡

伸长率A(％）180°冷弯(a＝板厚)QStE340TM

3.0～10.0

≥340

420～540

≥25

d=0.5a

QStE380TM

3.0～10.0

≥380

450～590

≥23

d=0.5a

QStE420TM

3.0～10.0

≥420

480～620

≥21

d=0.5a

QStE460TM

3.0～10.0

≥460

520～670

≥19

d=a

QStE500TM

3.0～10.0

≥500

550～700

≥17

d=a

86二、工程机械用热轧钢板带

工程机械用钢板主要供给机械、煤炭、运输和矿山及各类工程施工等部门所需设备中，如：钻机、电铲、电炉、电动轮翻斗车、挖掘机、装载机、推土机、各类起重设备及煤矿液压支架等机械设备。钢板厚度在4-45mm的占85%，50-127mm的厚板占15%。一般要求钢板有耐磨性、强韧性和可焊性。

武钢工程机械用钢，既有较高的强韧性，又有优良的焊接性能，已被湖南浦沅工程机械有限公司、长江起重机械有限公司、郑州煤矿机械有限公司、北京煤矿机械厂、山推工程机械股份公司、徐州工程机械制造有限公司等众多厂家使用，广泛运用于制造各类工程机械和工程结构，如电铲、鼓风机、电动轮翻斗车、挖掘机、推土机、载重汽车、各类起重机及煤矿液压支架、刮板运输机及海洋石油钻井平台等。到目前为止，已为用户提供了高质量的工程结构用钢70余万吨，其实物性能水平在国内外处于领先水平，已被用户用于取代进口产品。

随着工程机械向大型化和轻型化方向发展、要求节省能源和延长寿命，同时要求钢材要有更高的强度级别，板厚由6mm至50mm，甚至达200mm，强度由400Mpa至1200Mpa。要求钢材具有高的屈服强度和疲劳极限、良好冲击韧性、冷成形性和优良的焊接性能。87二、工程机械用热轧钢板带（工程机械）88二、工程机械用热轧钢板带（钢结构）89二、工程机械用热轧钢板带（液压支架）90二、工程机械用热轧钢板带（装载车）911、低碳贝氏体高强度热轧钢板带

低碳贝氏体钢是以钼钢或钼硼钢为基础，同时加入锰、铬、镍以及其它微合金元素（铌、钛、钒），从而开发出一系列低碳贝氏体钢种。低碳贝氏体钢种的研发将成为发展屈服强度为450—800MPa级别钢种的主要途经。

近年来，为适应综合机械化采煤的需要，我国液压支架产量呈现爆发性的上升态势，同时液压支架所承受的压力增大，大量使用抗拉强度在70Kg和80Kg级别的钢板；2000年，煤机厂还大量使用Q345中板，2005年Q345板的使用量仅占10%左右，而超低碳贝氏体高强度中板占50%以上。鞍钢在2003年、2004年分别为郑州煤机厂试制成功了低碳贝氏体钢HQ685DB和HQ785DB厚板，分别应用于生产淮南煤矿液压支架的关键部位和山西晋城ZY8640大采高支架的掩护梁。武钢已生产了DB590R、DB685R、DB785。目前国内钢铁企业生产的高强度钢板供应在煤碳行业的数量为4万-5万吨，而液压支架行业年需求达9万吨左右，预计2010年需20万吨。921、低碳贝氏体高强度热轧钢板带牌号ReLN/m㎡

RmN/m㎡

伸长率A(％）L0=50180°冷弯

(a＝板厚)-40℃冲击（J)纵向DB590R(标准）≥450

570-720

≥20

d=2a

≥47

DB685R(标准）≥570

670-830≥15d=2a

≥47DB590R

(实物）470-635

590-710

24-30

d=0

131-220

DB685R

(实物）590-690

685-770

23-27

d=0

117-242

932、高强度焊接结构钢板带

牌号ReLN/m㎡

RmN/m㎡

伸长率A(％）L0=50180°冷弯

(a＝板厚)-20℃冲击（J)纵向HG60

（标准）≥450

≥570≥20(A)d=2a

HG70（标准）≥590

≥685≥17

d=2a≥40HG785E（标准）

≥685

≥785

≥15

d=3a≥27

（-40℃

）HG70（实物）590-460

715-785

21-24

d=3a

50-200

HG785E（实物）685-780

785-930

17-21

d=3a

45-150

（-40℃

）943、冷成型高强度焊接结构钢板带

牌号ReLN/m㎡

RmN/m㎡

伸长率A(％)L0=50180°冷弯

(a＝板厚)-40℃冲击（J)纵向CHJ345C

（标准）≥345

≥450

≥21

d=2a

≥34

（-0℃

）CHJ345E

（标准）≥345

≥450

≥21

d=2a

≥34CHJ450C

（标准）≥450

≥550

≥17

d=2a

≥47

（-0℃

）CHJ450E

（标准）≥450

≥550

≥17

d=2a

≥47

CHJ345E

（实物）385-480

470-590

25-45

d=2a

80-150

CHJ450E

（实物）470-580

590-620

19-30

d=2a

70-160

954、低合金焊接结构钢板带

牌号ReLN/m㎡

RmN/m㎡

伸长率A(％）L0=50180°冷弯

(a＝板厚)0℃冲击（J)纵向HJ41

（标准）≥245

400-