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第五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wc2.11%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、硫、磷等，还有熔炼中夹杂进入的氧、氢、氮等气体元素。第一节概述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。一般钢中WMn0.8%,对钢的性能影响不显著。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。一般钢中Wsi0.4%,对钢的性能影响不显著。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（989℃）共晶体分布在奥氏体晶界上；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。这种现象称热脆。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冷脆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）: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，严重时会造成裂纹、脆断，是必须严格控制的有害元素。常用合金元素：非碳化物形成元素——CoNiCuSiAl碳化物形成元素——ZrNbVTiWMoCrMnFe强中强弱二、合金元素在钢中的作用分析:•合金元素对钢中基本相的影响;•合金元素对Fe—Fe3C相图的影响;•合金元素对相变过程的影响。(1)、强化铁素体1、合金元素对钢基本相的影响合金元素溶于F→形成合金铁素体→固溶强化（Ni强韧化效果最好）(2)、形成碳化物（Fe）Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱强弱碳化物形成元素形成合金渗碳体(FeMn)3C中强碳化物形成元素形成合金碳化物(Cr7C3)强碳化物形成元素形成特殊碳化物（VC，TiC）熔点、硬度和稳定性：特殊碳化物合金碳化物合金渗碳体Fe3C当合金元素溶入γ-Fe之后，γ相（合金元素溶于γ-Fe中形成的固溶体）所在的温度范围会改变。在纯铁中，γ-Fe的存在温度范围是1394～9120C之间。而溶入合金元素以后，γ相区的温度范围就会扩大(A3下降，A4上升）或缩小(A3上升，A4下降）,故相应地使Fe—Fe3C相图中的γ相区也就扩大或缩小。2、合金元素对Fe—Fe3C相图的影响(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——E、S点左下移。Mn元素对奥氏体区的影响若含量足够高，可使单相A扩大到常温，即常温下保持稳定的A组织—可获得奥氏体钢:1Cr18Ni9(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——E、S点左上移若含量足够高时，可使钢在高温与常温保持F组织。—可获得铁素体钢1Cr17Cr元素对奥氏体区的影响(3)改变共晶点和共析点参数的元素几乎所有的合金元素。作用:使S点和E点的成分向左移,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WC＝0.4％的钢中产生共析组织，在WC＝1.0％的钢中产生Ld组织。由于S点左移，在退火状态合金钢中珠光体的相对量较相同含碳量的碳钢为多，因此钢的强度也较高。因此，对于含有强碳化物形成元素的合金钢，即使采用较高淬火温度和较长的保温时间，钢的晶粒也不会粗大。但对于锰钢来说，由于其奥氏体晶粒易于长大在淬火时应严格控制加热规范。3、合金元素对钢相变过程的影响除Mn、Ｐ元素外,所有合金元素的加入,均使奥氏体的形成速度减慢。(1)、合金元素对加热时奥氏体形成的影响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)。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)。(2)合金元素对过冷奥氏体转变的影响除Co元素外,所有的合金元素均使钢的C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。由于合金钢具有较高的淬透性，所以合金钢淬火通常是油淬。提高钢的淬透性,常用的元素有:Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。(3)合金元素对回火转变的影响1)提高回火稳定性有V、Si、Mo、W、Ni、Mn、Co等合金元素•回火稳定性是指淬火钢在回火时抵抗软化的能力。•合金元素可使回火各阶段的转变速度大大减慢，转变温度明显提高，从而提高了钢的回火稳定性。•因此，在含碳量相同的条件下，要得到同一硬度和强度时，则合金钢的回火温度要高，保温时间要长，这对消除残余应力、提高韧性、稳定组织都是非常有利的。W、Mo、V等碳化物在550℃～600℃时,使钢达到最高硬度,产生二次硬化。2)产生二次硬化二次硬化是指钢在二次或多次回火后硬度提高的现象这种二次硬化现象在工具钢中是很有意义的。3)引起回火脆性第二类回火脆性是指含有Cr、Mn、Cr-Ni等元素的合金钢淬火后，在脆化温度区（400～5000C）回火，或经更高温度回火后缓慢冷却，通过脆化温度区所产生的脆性。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500～600℃快速冷却加入合金元素W、Mo三、钢的分类和编号原则（一）钢的分类1、按化学成分分类:有碳素钢与合金钢两大类；按合金元素总含量分：（1）低合金钢(含量≤5％)（2）中合金钢（含量5～10％）；（3）高合金钢（含量≥10％）。按碳的含量分类：（1）低碳钢wc≤0.25%（2）中碳钢wc=0.25%～0.6%（3）高碳钢wc≥0.60%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%（4）特级优质钢S≤0.015%，P≤0.025%3、按用途分类（1）结构钢主要用于建筑、桥梁等工程结构和各种机械零件（如齿轮、轴、螺柱、弹簧等）（2）工具钢主要用于各类刀具、量具和模具，如丝锥、扳牙、刮刀、锯条、冲模等。（3）特殊性能钢具有特殊的物理或化学性能，包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。如锅炉钢、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）、钢的编号原则1、碳素钢的编号原则：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。脱氧方法：F、b、Z、TZ依次表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢（Z、TZ可省略）。例：Q235AF代表屈服点σS=235MPa，质量为A级的沸腾碳素结构钢（1）碳素结构钢：（2）优质碳素结构钢：牌号：两位数字表示（数字表示含碳量万倍）如40表示钢中平均含碳量为0.40%。*若钢中锰的含量较高（WMn的含量为0.70%～1.20%）时，在数字后面附化学元素符号Mn如65Mn表示钢中平均含碳量为0.65%，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：08F15F牌号：用T+两位数字表示（数字表示钢中平均含碳量的千倍）如T8：表示碳的平均含碳量为0.8%的碳素工具钢。（3）碳素工具钢*若钢中锰的含量较高（WMn的含量为0.40%～0.60%）时，在数字后面附化学元素符号Mn*若为高级优质钢时，在数字后面加A如T8MnA：表示碳的平均含碳量为0.8%,Mn的含量为0.40%～0.6%的高级优质碳素工具钢。（4）铸造碳钢（铸钢）如ZG230—450牌号：ZG屈服强度—抗拉强度H（单位MPa)*加H（焊）：该钢是焊接结构用碳素铸钢表示屈服强度σS≥230MPa，抗拉强度σb≥400MPa的铸钢。2、合金钢的编号方法（1）低合金高强度钢表示方法与碳素结构钢相同。例：Q345Ａ表示屈服点σS＝345Mpa、质量等级A的低合金高强度结构钢。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60Si2Mn09Mn22)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1.5,2.5……时，在该元素后面相应的用整数2,3……表示近似含量。(3)滚动轴承钢GCr15SiMn(4)特殊性能钢牌号：G+Cr+含量（千分之几表示）牌号：与合金工具钢基本相同如3Cr13•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第二节结构钢•用于制造各种机器零件和工程结构的,称结构钢.•结构钢在机械制造中应用最广,用量最大一、碳素结构钢：用途：是工业中使用最大的一种结构钢。可用于制造不重要的机械零件。如薄板，铁丝，钉，小轴，螺栓，机座等。化学成分：ωc=0.09%--0.33%ωMn=0.37%--0.65%ωsi=0.30%ωs≤0.035--0.05%ωp≤0.035%--0.045%牌号：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五个级别质量等级：A、B、C、D四级,依次变优.组织：较多的F+较少的P性能：因为碳低，焊接性能好一般在热扎状态使用二、优质碳素结构钢：化学成分：Wc=0.08%--0.85%Wsi=0.17%--0.37%Ws、p≤0.035%一般在热处理后使用牌号：08F、10F、15F；08、10、15……80、85；15Mn、20Mn、……65Mn、70Mn1)低碳钢化学成分：WC≤0.15%组织：退火状态下，组织为较多的F和较少P性能：σ和HBS低，而δ.ak好，锻压、焊接性好。用途：08F、10F、15F冷变形加工成型件如：机壳、容器。10~25钢（渗碳钢）各种标准件、轴套等2)中碳钢化学成分：WC=0.30%～0.6%组织：F+P（调质后S回）性能：σ、HBS比低碳钢略高，而δ、ak略低。具有良好的综合力学性能，切削加工性好，但焊接性一般。用途：35、40、45（调质钢）用于制作齿数、主轴及连杆等重要的机械零件。其中45钢常用。3)高碳钢化学成分：WC0.60%组织：T回（淬火+中温回火）性能：在淬火+中温回火后，具有较高的σ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。三、低合金高强度结构钢1、成分：0.1~0.2%C，合金元素2~3%主加元素：Mn——固溶强化辅加元素：Ti,Cr,Nb——弥散强化2、性能：较高的σs，良好的塑性韧性,焊接性，抗蚀性，冷弯性能。3、牌号：Q295，Q345，Q390，Q420，Q4604、使用状态：热轧或正火（F+P少量）5、用途：工程结构——桥梁，船舶，车辆外壳、支架、压力容器•2008年北京奥运会主体育馆——“鸟巢”钢结构采用Q460.•Q460独到之处：Q460是一种低合金高强度钢，它在受力强度达到460兆帕时才会发生塑性变形（这意味着如果北京遭遇19