材料科学与工程基础教案 第八章 工业用钢.ppt

第八章 工业用钢 Industry Steels w在工业用钢中除铁、碳之外，还含有其它元素分常 存元素；偶存元素；隐存元素和合金元素常存元素有 锰、硅、硫、磷偶存元素是由于矿石产地不同（有与 铁共存的共生矿混入）及以废钢为原料，在冶炼及工艺 操作时带入钢中，如铜、钛、钒、稀土元素等隐存元 素是指原子半径较小的非金属元素，如氧、氢等合金 元素是指为改变成分特别添加的元素，如铬、镍、钨、 钼、钒等 第一节 钢的分类 Classify of Steelsw钢的种类繁多，为了便于生产、使 用和研究，可以按照化学成分、冶 金质量和用途对钢进行分类第二节 钢中的杂质及合金元素Impurity & Alloying Element in Steel一、钢中的杂质元素钢在冶炼的时候，除了必须的合金元素外，不可避免的会从原料中 带入一些杂质元素杂质元素主要有硫、磷、氮、氢、砷、锡、秘、锑 等这些杂质元素对钢组织和性能产生不利的影响硫易在钢中形成FeS共晶体，熔点很低，造成“热脆”磷使钢脆化，降低钢的塑性和韧性，产生“冷脆性”，使钢的冷加工 性能和焊接性能变坏氧容易在钢中形成氧化物，使性能下降李熏首先发现，氢在钢中形成所谓“氢脆”现象，严重影响钢的塑性 。

钢的强度越高，脆性越大，造成的危害也越严重二、合金元素在钢中的作用合金元素在钢中可以两种形式存在：一是溶解于碳钢原有的 相中，另一种是形成某些碳钢中所没有的新相 w合金元素对钢中基本相的影响碳钢中有三个基本相，即铁素体、奥氏体和渗碳体合金元 素加入钢中时，可以溶于此三相中形成合金铁素体、合金奥氏体 及合金渗碳体合金元素溶于铁素体中，对位错线的移动起牵制作用，降低 位错的易动性，从而提高塑变抗力，产生固溶强化效果合金渗碳体的晶体结构与渗碳体相同，可表达为(Fe，Me)3C （Me代表合金元素）渗碳体中溶入碳化物形成元素后，硬度有 明显增加，因而可提高钢的耐磨性当钢中合金元素含量超过一定限度时，可以生成一些碳钢中 没有的新相其中最重要的是由强碳化物形成元素生成的各种合 金碳化物（如W2C、VC、TiC等）它们熔点高、硬度高，加热时 很难溶于奥氏体中，因此对钢的机械性能及工艺性能有很大影响 w合金元素对铁碳相图的影响合金元素对碳钢中的相平衡关系有很大影响，加入合金元素 后Fe-Fe3C相图要发生变化加入合金元素，可使α－Fe与γ－Fe存 在范围发生变化按照对α－Fe或γ－Fe的作用，可将合金元素分 为两大类。

1）扩大奥氏体区的元素扩大奥氏体区域的元素有镍、锰、碳、氮等，这些元素使A1 和A3温度降低，使S点、E点向左下方移动，从而使奥氏体区域扩 大其中与γ－Fe无限互溶的元素镍或锰的含量较多时，可使钢在 室温下以奥氏体单相存在而成为一种奥氏体钢如Ni%>9%的不 锈钢和Mn%>13%的ZGMn13耐磨钢均属奥氏体钢2）缩小奥氏体区的元素缩小奥氏体区的元素有铬、钼、硅、钨等，使A1和A3温度升 高，使S点、E点向左上方移动，从而使奥氏体区域缩小由于A1 和A3温度升高了，这类钢的淬火温度也相应地提高了图7-2表示 铬对奥氏体区域位置的影响当加入的元素超过一定含量后，则 奥氏体可能完全消失，此时，钢在包括室温在内的广大温度范围 内获得单相铁素体，通常称之为铁素体钢如含17%～28%Cr的 Cr17、Cr25、Cr28不锈钢就是铁素体不锈钢 w合金元素对钢的热处理的影响合金元素主要是通过改变钢在热处理过程中的组织转变来显 示其作用的合金元素对钢的热处理的影响主要表现在对加热、 冷却和回火过程中的相变等方面1）对加热的影响增加奥氏体化的时间，阻止奥氏体晶粒长大2）对冷却转变的影响提高过冷奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性。

3）对淬火钢回火转变的影响提高回火稳定性，形成特殊碳化物w合金元素对钢的机械和工艺性能的影响 （1）对强度的影响固溶强化、细晶强化、弥散强化（2）对塑性和韧性的影响一般降低钢的塑性和韧性3）对工艺性能的影响对铸造、锻造、焊接、切削性能的影响根据钢中合金元素与碳的亲合力的大小，合金元素可分为碳化物 形成元素和非碳化物形成元素非碳化物形成元素主要有：Ni、Si、Co、Cu、Al、N、B等，它们 几乎都固溶于铁素体和奥氏体中碳化物形成元素与钢中的碳原子相互作用可形成各种碳化物，碳 化物的种类、数量、尺寸大小以及分布等对钢的性能均起到重要的影 响碳化物形成元素均是过渡族金属，它们与碳原子间的结合力大小 ，将影响到形成碳化物的难易程度以及碳化物的稳定性结合力的大 小主要取决于原子d层的电子数d层的电子数越少，它与碳的亲合力 就越大，形成的碳化物在钢中也越稳定按照原子间结合力的大小可将合金元素分为：强碳化物形成元素 ，如Ti、Zr、Nb、V；中等强碳化物形成元素，如W、Mo、Cr和弱碳 化物形成元素，如Mn如果是多种碳化物形成元素共存在于钢中，一 般情况是强碳化物形成元素优先与碳结合形成碳化物为了管理和使用的方便，每一种合金钢都应该有一个简明的 编号。

世界各国钢的编号方法不一样钢编号的原则主要有两条 ：（1）根据编号可以大致看出该钢的成分2）根据编号可大致看出该钢的用途我国的钢材编号是采用国际化学元素符号和汉语拼音字母并 用的原则即钢号中的化学元素采用国际化学元素符号表示 第三节 我国的钢材编号Steel Grade 一、普通碳素结构钢 普通碳素结构钢的牌号以“Q＋数字＋字母＋字母”表示其 中，“Q”字是钢材的屈服强度“屈”字的汉语拼音字首，紧跟后面的 是屈服强度值，再其后分别是质量等级符号和脱氧方法例如： Q235AF即表示屈服强度值为235MPa的A级沸腾钢牌号中规定了A、B、C、D四种质量等级，A级质量最差，D级 质量最好按脱氧制度，沸腾钢在钢号后加“F”，半镇静钢在钢号后加 “b”， 镇静钢则不加任何字母 二、优质碳素结构钢与合金结构钢 优质碳素结构钢与合金结构钢编号的方法是相同的，都是以“ 两位数字＋元素＋数字＋…”的方法表示钢号的前两位数字表示 平均含碳量的万分之几，沸腾钢、半镇静钢以及专门用途的优质 碳素结构钢，应在钢号后特别标出合金元素以化学元素符号表 示，合金元素后面的数字则表示该元素的含量，一般以百分之几 表示。

三、碳素工具钢 碳素工具钢的牌号以“T＋数字＋字母”表示钢号前面的“碳” 或“T”表示碳素工具钢，其后的数字表示含碳量的千分之几如平 均含碳量为0.8%的碳素工具钢，其钢号为“碳8”或“T8”含锰量较高者，在钢号后标以“锰”或“Mn”,如“碳8锰”或“T8Mn” 如为高级优质碳素工具钢，则在其钢号后加“高”或“A”，如“碳10 高”或“T10A” 四、合金工具钢与特殊性能钢合金工具钢的牌号以“一位数字（或没有数字）＋元素＋数字 ＋…”表示其编号方法与合金结构钢大体相同，区别在于含碳量 的表示方法，当碳含量≥1.0%时，则不予标出而对于含铬量低 的钢，其含铬量以千分之几表示，并在数字前加“0”，以示区别 如平均Cr =0.6%的低铬工具钢的钢号为 “Cr06”在高速钢的钢号中，一般不标出含碳量，只标出合金元素含 量平均值的百分之几特殊性能钢的牌号和合金工具钢的表示相同，但也有少数例 外，例如耐热钢20Cr3W3NbN其编号方法和结构钢相同，但这种 情况极少 五、专用钢这类钢是指某些用于专门用途的钢种它是以其用途名称的 汉语拼音第一个字母表明该钢的类型，以数字表明其含碳量；化 学元素符号表明钢中含有的合金元素，其后的数字标明合金元素 的大致含量。

例如滚珠轴承钢在编号前标以“G”字，其后为铬（Cr）+数字 ，数字表示铬含量平均值的千分之几，如“滚铬15”（GCr15）这 里应注意牌号中铬元素后面的数字是表示含铬量为1.5%,其他元素 仍按百分之几表示，如GCr15SiMn表示含铬为1.5%，Si、Mn均小 于1.5% 的滚动轴承钢又如易切钢前标以“Y”字，Y40Mn表示含碳量约0.4%，含锰量 小于1.5的易切钢还有如20g表示含碳量为0.20%的锅炉用钢； 16MnR表示含碳量为1.6%，含锰量小于1.5%的容器用钢 第四节 常见工业用钢的性能及用途 Speciality & Usefulness of Steel一、结构钢 结构钢按用途分为工程构件用钢和机器零件用钢两大类 w工程构件用钢工程构件用钢是应用较广泛的钢种之一，用于国防、化工、 石油、电站、车辆、造船、桥梁、建筑等国民经济部门，制造各 种重要构件1）普通碳素工程构件用钢普通碳素工程构件用钢简称普碳钢，产量约占钢总产量的 70%，其中大部分用作机器零件由于普碳钢易于冶炼、价格低 廉，性能也基本满足了一般工程构件的要求，所以在工程上用量 很大 （2）低合金高强度钢低合金高强度钢是一种含有少量合金元素，具有较高强度的 构件用钢，由于强度高，所以1吨低合金高强度钢可顶1.2~2.0吨 普碳钢使用，从而可减轻构件重量，提高使用的可靠性并节约钢 材。

这类钢主要用来制造各种要求强度较高的工程结构，例如船 舶、车辆、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等它在建筑 、石油、化工、铁道、造船、机车车辆、锅炉容器、农机农具等 许多部门得到广泛的应用常用低合金高强度钢按其屈服强度的高低分为6个级别： 300MPa、350 MPa、400 MPa、450 MPa、500 MPa、550~650 MPa （3）工程结构用钢的发展趋势低合金高强度钢由于其强度高，韧性和加工性能优异，合金 元素耗量少，并且不需进行复杂的热处理，已越来越受到重视 目前，这类钢发展趋势是：a）通过微合金化与合理的轧制工艺结合起来，实行控制轧制，以达 到更高的强度在钢中加入少量的微合金化元素，如V、Ti、Nb等 ，通过控制轧制时的再结晶过程，使钢的晶粒细化，达到既提高 强度又改善塑韧性的最佳效果b）通过合金化改变基体组织，提高强度在钢中加入较多的其它元 素，如Cr、Mn、Mo、Si、B等，使钢在热轧空冷的条件下即可得 到贝氏体组织，甚至马氏体组织这种马氏体在冷却过程中可发 生自回火过程，甚至不需要专门进行回火c）超低碳化为了保证韧性和焊接性能，含碳量进一步降低，甚至 降到PPM级，此时必须采用真空冶炼，或真空去气的先进冶炼工 艺。

w机器零件用钢 指用于制造各种机器零件、如轴类零件、齿轮、弹簧和轴承 等所用的钢种，也称为机器制造用钢 （1）渗碳钢 a）渗碳钢的工作条件及对性能的要求渗碳钢常用在受冲击和磨损条件下工作的一些机械零件，如 汽车、拖拉机上的变速齿轮、内燃机上的凸轮、活塞销等，要求 表面硬、耐磨，而零件心部则要求有较高的韧性和强度以承受冲 击通常尺寸小的、受力小的，采用低碳钢，而尺寸大的、受力 大的则采用低碳合金钢b）渗碳钢的成分和钢种按照渗碳钢的淬透性大小，可分为三类：①．低淬透性渗碳钢典型钢种为20Cr，这类钢水淬临界 直径100mm，主要用于制造大截面、高载荷的重 要耐磨件，如飞机、坦克中的曲轴、大模数齿轮等c）渗碳钢的热处理渗碳钢的热处理规范一般是渗碳后进行直 接淬火（一次淬火或二次淬火），而后低温回 火碳素渗碳钢和低合金渗碳钢，经常采用直 接淬火或一次淬火，而后低温回火；高合金滲 碳钢则采用二次淬火和低温回火处理 （2）调质钢 a）调质钢的工作条件及对性能的要求采用调质处理，即淬火+高温回火后使用的优质碳素钢和合金 结构钢，统称为调质钢淬火后得到位错与孪晶马氏体的混合组 织，以及残余奥氏体和碳化物。

用于受力较复杂的重要结构零件 如汽车后桥半轴、连杆、螺栓以及各种轴类零件对于截面尺 寸大的零件，为保证有足够的淬透性，就要采用合金调质钢b）调质钢的成分特点和钢种调质钢的含碳量在0.30~0.50%之间，属中碳钢，含碳量在这 一范围内可保证钢的综合性能，含碳量过低，。