第四章钢铁材料.

第4章钢铁材料不锈钢带4.1钢的分类和牌号4.2钢中杂质及合金元素4.3结构钢4.4工具钢4.5特殊性能钢4.6铸铁4.1钢的分类和牌号钢铁材料：钢+铸铁；钢：以铁为元素，含碳量一般在2%一下并含有其他元素的材料4.1.1工业用钢的分类1．化学成分：碳素钢：低碳钢：C%0.25%合金钢：锰钢中碳钢：0.25C%0.6%硼钢等高碳钢：C0.6%2．质量（S、P杂质含量）：普碳钢优质碳素钢高级优质碳素钢特级优质钢3．按冶炼方法分类：炼钢炉：平炉钢、转炉钢、电炉钢脱氧方式：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢4.按用途分类：碳素结构钢：工程用钢和机器用钢碳素工具钢：模具钢、刃具钢和量具钢特殊性能钢：不锈钢、耐热钢和耐磨钢4.1.2工业用钢的牌号钢的名称采用的汉字表示符号牌号中的位置碳素结构钢屈Q牌号头低合金高强度结构钢屈Q牌号头碳素工具钢碳T牌号头沸腾钢沸F牌号尾半镇静钢半b牌号尾镇静钢镇Z牌号尾1．碳素结构钢和低合金高强度结构钢碳素结构钢分为五类20种，其牌号主要依据钢材的厚度（或直径）不大于16mm的钢的屈服强度数值进行划分，然后以钢的质量等级和脱氧方法进行细分。其牌号中符号的意义如下：Q——代表钢的屈服点字母。A、B、C、D、E——反映碳素结构钢中有害元素(S、P)含量多少的质量等级符号，按字母顺序，等级中含S、P量下降。F、b、Z、TZ——表示脱氧方法的符号。其中：F—沸腾钢、b—半镇静钢、Z—镇静钢、TZ—特殊镇静钢。例如Q235AF表示屈服强度为235MPa的质量等级为A级的沸腾钢。碳素结构钢新旧牌号对照和用途GB700－79牌号GB700－88牌号备注应用1号钢（A1、B1）Q195Q195的化学成分与B1同，力学性能与A1同塑性好，有一定强度。用于承受载荷不大的桥梁构件，也作铆钉、冲压件、焊接件A2Q215A——C2Q215B——A3Q235A——强度较高，塑性好。用于承受载荷较大的结构，也可制作转轴、心轴、拉杆、螺栓、螺母C3Q235B————Q235C用于重要焊接结构——Q235D用于重要焊接结构A4Q255A——强度更高。可制作链、销、转轴、轧辊、主轴等中等载荷零件C4Q255B——C5Q275不分等级，化学成分和力学性能均需保证2．优质碳素结构钢钢号用平均碳含量的万分数的数字表示。如：08F（F表沸腾钢）;20A（后有“A”表示高级优质钢）;45，15Mn（表示含Mn量高）。制作各种机器零件，一般进行热处理。08F塑性好，冷冲压件10，20冷冲压件，焊接件，渗碳处理。35，45，40，50齿轮、轴类60，65弹簧3．合金结构钢和合金弹簧钢碳含量用万分数（两位）C％。如40Cr，C%=0.4%（1）、合金含量用（百分数）表示，如20Cr3MoWVA,其中C%=0.2%,（2）、Cr%=3%,Mo,W,V1.5%；（3）、合金含量小于1.5%不标；（4）、A：表示高级优质。合金钢与前面碳钢比，加入了一种或多种合金元素，目的？作用？对组织、性能的影响？4．工具钢0.65------1.35C%，用以制作刃具、量具、模具钢号用平均碳含量的千分数的数字和T一起表示。如：T10A（1.0%C，A表示高级优质碳素工具钢）；T9（0.9%C）；T12（1.2%C）；T7，T8：强度，韧性较高，可制作冲头、凿子、榔头T9、T10、T11：强度，韧性适中，可制作钻头、刨刀、丝锥、手锯及冷作模具。T12，T13：硬度很高，韧性低，可制作锉刀、刮刀、量规。4.1碳素工具钢4.1合金工具钢和高速工具钢与合金结构钢基本相同，但是一般不表示含碳的数字。5．轴承钢“ZG”加平均碳含量万分数表示。如：ZG25（0.25%C）；ZG45（0.45%C）形状复杂，需要一定强度、塑性和韧性的零件。7．铸钢以G开头，不标出含碳量，含铬量以千分之一为单位标出6．不锈钢和耐热钢由表示平均含碳量的数字（千分之一），以其后带有百分含量数字的合金元素符号组成题目4.2钢中的杂质及合金元素4.2.1、杂质元素对钢性能的影响1．锰——有益；0.25--0.80%a.脱氧剂：降低FeO→↓脆性，b.脱硫剂：Mn+S→MnS(降低S的有害作用)↑热加工性能c.固溶强化，使性能更优。2．Si——有益a.脱氧→↓脆性b.固溶强化3．磷——有害Fe3P室温下100℃，脆性大→冷脆4．硫——有害5．O、N、HO——↓机械性能，强度、塑性降低，有害元素；N——产生兰脆，有害元素；若钢中存在Al、V、Ti↑→兰脆消失→强度，硬度提高；H——氢脆、白点，有害元素；985℃时，产生的共晶体（Fe+FeS）→加入Mn→MnS（除硫）热脆（一）、合金元素在钢中的存在方式4.2.2、合金元素对钢组织的影响1.溶于基体中形成固溶体F或固溶体A。2.与碳元素作用形成碳化物K(Fe,Cr)3C。溶于渗碳体！3.单独形成特殊碳化物存在方式对相图影响对热处理影响（二）、合金元素对铁碳相图的影响1．影响A和F存在的范围B、扩大γ区并与γ-Fe无限互溶的Fe-Me相图A、扩大γ区并与γ-Fe无限互溶的Fe-Me相图（1）、扩大A的元素有可能在室温下形成单相A的元素：Mn、Ni、Co有可能在室温下形成单相A的元素：C、N、Cu（2）、缩小A相区的元素C、缩小并封闭γ区，与a-Fe无限互溶的Fe-Me相图D、缩小并封闭γ区，与a-Fe有限互溶的Fe-Me相图与a-Fe无限互溶与a-Fe有限互溶Mn元素对奥氏体区的影响Cr元素对奥氏体区的影响缩小A相区扩大A相区（2）使S、E点大大左移合金元素对S点成分的影响合金元素对S点（0.77）成分的影响合金元素对A1（727）线的影响Why:3Cr2W8V热模具钢0.3%C却属过共析钢？W18Cr4V高速钢铸态下（1.0%C）出现莱氏体组织？（三）、合金元素对热处理的影响1、对奥氏体化过程的影响（1）影响A形成速度（a）(Cr,Mo,W,V)碳化物形成元素，推迟A转变；（b）非碳化物形成元素：Co、Ni加快A形成；（c）Al、Si、Mn影响不大。（2）影响A晶粒长大（a）强烈阻碍：V、Ti、Nb、Zr(生成特殊碳化物：高熔点、颗粒、弥散间隙)（b）中等阻碍：W、Mo、Cr（c）影响不大：Si、Ni、Cu（d）促进长大：Mn（只在高温下和碳结合）、P、Ba.碳化物稳定性b.阻碍C在相中的扩散作为形核核心（1）提高淬透性：除Co以外的固溶于A中合金元素。常用：Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B（2）Ms、Mf温度下降（残余A增加）：除Co、Al以外：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si强弱（3）影响M形态：Ni、Cr、Mn、Mo、Co增大片状M形成倾向2、对过冷A转变的影响①位置：②形状③Ｍ转变临界温度非碳化合物（Al,Ni,Cu,Si）：不改变形状碳化物(Mn,Cr,Mo,W,V,Nb,Zr,Ti)：分离成上下两个C曲线：P区Ｂ区3、对回火转变的影响（1）提高耐回火性：V、Si、Mo、W、Ni、Mn、Co（2）产生二次硬化：A’M’：Mn、Mo、W、Cr、V、(Ni、Co协同）沉淀硬化：V、Mo、W、Cr、(Ni、Co协同）（3）防止第二类回火脆性（第二类回火脆性——450-600oC高温，与P有关）：（a）增大第二类回火脆性：Mn、Cr、Ni（b）消除第二类回火脆性：Mo(0.5%)、W(1%)防止第二类回火脆性产生的方法:在500～600℃快速冷却。加入合金元素W、Mo。三、合金元素对钢的性能的影响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。（一）合金元素对钢的强度的影响1．钢的强化机制a.固溶强化碳、硼等溶质原子对a－Fe强度的影响溶质原子→晶格畸度→与位错相互作用→阻碍位错运动→强化。Mn，Si是主要强化元素b.细晶强化Nb，V，Al，Ti晶界→阻碍位错运动→强化c.位错强化位错→增殖并相互作用→阻碍位错运动→强化d.第二相强化第二相粒子→阻碍位错运动→强化。2．钢的强化（1）、热处理a.淬火：A→M1、固溶强化：过饱和C和Me；2、位错强化：高密度位错；3、细晶强化：极细小、不同取向的马氏体束→细晶强化。b.回火1、第二相强化：析出细小碳化物粒子；2、基本保持了淬火态的细小晶粒；3、高密度位错仍然存在；4、一定的固溶强化作用。（2）、合金化1、固溶强化；2、提高回火稳定性；3、提高淬透性。淬火＋回火——综合利用四种强化手段（二）Me对钢韧性的影响（1）细化晶粒Ti、V、Nb、Al→TiC、VC、NbC、AlN→阻碍A长大→细化晶粒。（2）改善基体韧性Nb，Mn可以降低Tc→韧性提高（3）提高回火稳定性（4）细化碳化物Mn，Cr，V（5）控制非金属夹杂和杂质元素提高韧性的途径钢合金化主要目的及作用（一）首要目的－提高淬透性：影响Ｃ曲线右移和改变形状，保证淬火时容易获得马氏体。为进一步强韧化提供保障。（二）第二目的－提高钢的回火稳定性：使钢回火析出的碳化物更细小，均匀和稳定；并使马氏体的微细晶粒及高密度错保持较高的温度。（三）其它：有的合金能产生二次硬化、良好的高温性能、耐腐蚀性能等。（三）合金元素对钢的工艺性能的影响（1）铸造性能：Cr、Mo、V、Ti、Al使之恶化（2）塑性加工性能：热加工：Cr、Mo、W热塑性下降合金钢加热冷却需缓慢冷加工：固溶合金元素多提高冷加工硬化率，Si、Ni、Cr、Cu降低深冲性能Nb、Ti、Zr（改善硫化物形态）提高冲压性能（3）焊接性能：C%越高，合金元素多降低焊接性能少量V、Ti可提高焊接性能（4）切削性能（HB170-230）：一般合金钢比碳钢难切削易切削钢：S(0.08-0.30%)、P(0.08-0.15%)、Pb(0.10-0.30%)（5）热处理性能：淬透性（高）、变形与开裂倾向（大）、过热敏感性（P、Mn、Si大）、回火脆化倾向（P主导、Mn、Cr、Ni协同）、氧化脱碳倾向（Si大，Ni、Mo次之）4.3结构钢结构钢包括工程用钢和机器用钢。按化学成分和用途不同分类7类：碳素结构钢；优质碳素结构钢；低合金高强度结构钢；渗碳钢；调制钢；弹簧钢；滚动轴承钢1、结构钢：普通碳素结构钢，含碳量低，含硫、磷较高。性能：热轧空冷状态下使用，塑性高，可焊性好组织：F+P使用：以热轧板、带、棒及型钢使用，用量占70%，用于焊接、铆接、螺纹连接等典型材料：Q195、Q215、Q235、Q2753、低合金高强度结构钢①、低C:＜0.2%②、Me以Mn为主、Mn和Si固溶强化③、加入V,Nb,Ti等元素细化F晶粒和细化k而沉淀强化④、加入P细化珠光体⑤、加入Cu抗腐蚀①、高强度:σs＞300MPa②、高韧性③、良好焊接性能和冷成形性能成分特点与合金化原则：性能特点:2、优质碳素结构钢：含S、P含量较低，性能优于碳素结构钢性能：优于碳素结构钢组织：F+P使用：用于制造叫重要机械零件，如螺钉、螺母、齿轮、各种轴、弹簧等典型材料：45、80、08F、30Mn等P细＋F按σs分6级:①、低强度级别:16Mn一般工程结构②、中等强度级别:15MnVN大型桥梁,锅炉,船舶,焊接结构.③、高强度级别:18MnMoNb高压锅炉,高压容器一般供应状态(热轧空冷)下直接使用,不热处理焊接结构可进行一次正火,改善焊区性能使用态组织:典型钢号及其应用热处理特点碳钢和低合金钢焊条低合金高强钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢成分特点与合金化原则：性能特点4、渗碳钢①、低C:0.1%～0.25%②、加入提高淬透性元素Cr,Ni,Mn,B③、加入Mo,W,V,Nb,Ti等阻碍A晶粒长大和形成ｋ提高耐磨性④、限制Mn,Cr含量,降低渗层A‘％⑤、Ni增加渗层塑、韧性①、渗层硬度高,耐磨,抗接触疲劳,且有适当塑性,韧性②、心部高韧性和足够强度③、良好的热处理工艺性能低合金高强钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢使用态组织：典型钢号及其应用热处理特点表层：ｋ＋M’＋A’心部：①、淬透，低C的M′②、未淬透，T＋M'＋F(少量)①、低淬透性