第七章钢.

第七章钢钢的定义•钢steel–以铁为主要元素，含碳量一般在2%以下，并含有其他元素的材料。•在铬钢中含碳量可能大于2%，但2%通常是钢和铸铁的分界线。钢的分类按冶炼方法•平炉钢•转炉钢•电炉钢电弧炉炼钢按金相组织亚共析钢共析钢过共析钢按退火后的组织分珠光体钢贝氏体钢马氏体钢铁素体钢奥氏体钢莱氏体钢按正火后的组织分第一节常存元素和杂质对钢性能的影响钢中的常存元素和杂质•钢中的常存元素包括：–锰（Mn）、硅（Si）、硫（S）、磷（P）、氮（N）、氧（O）、氢（H）•钢中的杂质包括：–非金属杂质–金属氮化物–金属氧化物锰对钢的影响•锰是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的常存元素。•是一种有益元素–锰溶于铁素体中，形成置换固溶体，对钢有一定的强化作用。•可减少硫对钢的影响，改善钢的热加工性能。•作为常存元素少量存在对钢的性能影响不显著（含量小于1%）。硅对钢的影响•硅是炼钢时用硅铁脱氧而残留在钢中的常存元素。•也是一种有益元素–硅能溶于铁素体，使铁素体强化，提高钢的强度和硬度。•作为常存元素对钢的性能影响也不显著（含量小于0.5%）。硫对钢的影响•硫是炼钢时由矿石和燃料带进钢中的元素。•是一种有害元素–硫在钢中通常以FeS的形式存在，易于与Fe在晶界上形成低熔点共晶体（985℃），使钢产生热脆性，在热加工时（1150～1200℃）因共晶体熔化发生开裂。•在钢中要严格控制其含量。硫对钢的影响•增加钢中的锰含量，使锰与硫先形成高熔点的MnS，并使其呈粒状分布，可避免热脆性。–Mn+FeS→MnS+Fe–MnS熔点为1620℃•钢中含硫量较多时还可形成较多的MnS，有利于机加时断屑，改善钢的机加工艺性。磷对钢的影响•磷也是一种有害元素–磷溶于钢中，使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性显著下降，尤其是使钢在低温时韧性下降明显脆性大增——产生冷脆性，使钢的冷加工性能和焊接性变差。–磷的偏析还会使钢材在热轧后形成带状组织。•在钢中也要严格控制其含量。•钢中加入P可提高钢的切削性能。如：易切削钢Y12、Y15。氮对钢的影响•氮在钢中属于有害元素–室温下N在铁素体中的溶解度很低，钢中过饱和N在常温放置过程中以FeN、Fe4N的形式析出而使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称为时效脆化。因其在200~250℃加热时颜色为蓝色，又称为“蓝脆”。•加入Ti、V、Al等元素可使N固定，消除时效脆化。氧对钢的影响•氧在钢中也属于有害元素–氧在钢中以氧化物形式存在，其与基体结合力弱，不易变形，易成为疲劳裂纹源。•氧是在炼钢过程中自然进入钢中的。•采用真空冶炼或惰性气体保护冶炼可避免冶炼中生成氧化物。氢对钢的影响•来源于湿空气或水分。•在钢中溶有氢是非常不利的，会导致氢脆、白点等缺陷–当氢在钢中以原子态溶解时，会降低韧性，引起“氢脆”。–当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高的内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称为白点或发裂。非金属夹杂物的影响•炼钢过程中，少量的炉渣、耐火材料及冶炼反应物可能会进入钢液，形成非金属夹杂物。•非金属夹杂物一般都会降低钢的力学性能，特别是降低塑性、韧性和疲劳强度。严重时还会使钢在热加工和热处理时产生裂纹，或在使用中引起突然断裂。第二节合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的存在形式•合金元素按其与钢中碳的结合能力分为：–非碳化物形成元素–弱碳化物形成元素–中碳化物形成元素–强碳化物形成元素•合金元素在钢中的存在形式：–合金铁素体–合金碳化物•合金渗碳体•特殊碳化物–非金属夹杂物•合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为：碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性提高Ti、Nb、VW、Mo、CrMn、Fe强碳化物形成元素中碳化物形成元素弱碳化物形成元素•非碳化物形成元素Ni、Si、Al、Co、Cu等：–不与碳化合，而是溶入铁素体中，形成合金铁素体。–由于固溶强化作用，合金铁素体比铁素体的强度和硬度高。•弱碳化物形成元素Mn：–形成合金铁素体或合金渗碳体。•中碳化物形成元素Cr、W、Mo等：–形成合金渗碳体。–含量较多时形成特殊碳化物。–合金渗碳体呈弥散分布时，起强化相作用，比Fe3C的稳定性好，强度和韧性更高。•强碳化物形成元素V、Nb、Ti等：–形成特殊碳化物。–其稳定性、强度和硬度进一步提高。•合金渗碳体和合金碳化物主要以第二相强化的方式来提高材料的力学性能。•由于碳化物的类型、大小、数量及分布等对钢的力学性能影响很大，故合金钢一般都需要进行热处理。•合金元素的加入，一般会使钢的强度、硬度提高。•合金元素加入较多时，钢的塑性和韧性则会下降。合金元素对铁素体冲击韧性影响合金元素对铁素体硬度影响合金元素对钢的性能的影响合金元素对Fe-Fe3C相图的影响•对奥氏体区的影响–对奥氏体和铁素体相区的影响–对Fe-Fe3C相图两个临界点（S点和E点）的影响•对钢加热转变的影响–对奥氏体形成速度的影响–对奥氏体晶粒长大倾向的影响•Ni、Mn、Co等元素扩大奥氏体相区。•若含量较高，可将奥氏体区扩大到室温以下——室温下得到单相奥氏体组织——奥氏体钢，如：–06Cr19Ni10锰对奥氏体相区的影响对奥氏体相区的影响对奥氏体相区的影响•Cr、W、Mo、Si、V、Ti、Al等元素缩小奥氏体相区。•若含量较高，可使奥氏体区缩小至消失——室温下得到单相铁素体组织——铁素体钢。如：–06Cr13铬对奥氏体相区的影响对E点和S点位置的影响•加入合金元素，一般会使E点和S点左移，使亚共析钢/共析钢出现过共析组织（如：4Cr13）；过共析钢出现共晶组织——莱氏体钢（如：W18Cr4V）。合金元素对钢加热转变的影响•对奥氏体形成速度的影响：–除Ni、Co外，都减缓奥氏体化过程——合金钢的热处理需要更高的温度和更长的保温时间。•对奥氏体晶粒长大倾向的影响：–除Mn外，加入合金元素均阻碍奥氏体晶粒长大——淬火后易得到细小的组织。合金元素对钢的冷却转变的影响•合金元素对钢的冷却转变的影响包括：–对C曲线的影响–对Ms、Mf点的影响–对淬火钢回火转变的影响对C曲线的影响•除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素均使C曲线右移，淬透性提高。•常用提高淬透性的元素为：–Mn、Si、Cr、Ni、B对C曲线的影响•形成强碳化物元素Ti、V、W、Mo等，不仅使C曲线右移，而且使曲线形状发生变化——出现“两个鼻尖”–曲线分为珠光体转变区和贝氏体转变区；–两区之间过冷奥氏体有很大的稳定性。对Ms、Mf点的影响•除Co、Al外，其余合金元素都使Ms、Mf点下降——残余奥氏体量增加。对淬火钢回火转变的影响•提高回火稳定性（耐回火性）：–合金元素的加入，一般会延缓M组织的分解转变，使合金钢在相同温度回火后，强度、硬度下降较少，淬火内应力消除更充分。淬火钢在回火过程中抵抗强度硬度下降的能力称为回火稳定性（耐回火性）。对淬火钢回火转变的影响•产生二次硬化：–含高W、Mo、Cr、V等强碳化物形成元素钢淬火后在500—600℃回火时,由于析出的碳化物分布在M基体上阻碍位错运动，使钢的硬度不仅不下降,反而升高的现象称为二次硬化。•二次硬化现象对需要红硬性的工具钢具有重要意义。碳钢对淬火钢回火转变的影响•产生第二类回火脆性：–合金钢在500—600℃回火后缓冷，会出现第二类回火脆性。•回火后快冷或在钢中加入W（1%）或Mo（0.5%）可消除第二类回火脆性。第三节结构钢•结构钢：–用于各种工程结构或制造各种机器零件的钢的统称。•按用途分类：–工程结构用钢–机械结构用钢：渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢•按成分分类：–普通碳素结构钢–低合金高强度结构钢–优质碳素结构钢–优质合金结构钢普通碳素结构钢与低合金高强度结构钢•Q最低屈服强度值-质量等级符号·脱氧方法符号–Q——汉语拼音“屈”–质量等级符号——按钢中S、P含量从高到低分为A、B、C、D、E，质量由低到高–脱氧方法符号：•沸腾钢——F•镇静钢——Z•半镇静钢——b•特殊镇静钢——TZ普通碳素结构钢和低合金高强度结构钢的命名及编号普通碳素结构钢•主要为工程结构用钢。•常以热轧型材使用。•适合焊接、铆接、栓接等。•约占钢材总量的70%。•成分：–wC0.4%–P、S量较多。•性能：可焊性、塑性好。•热处理：热轧空冷•使用状态下组织：F+P低合金高强度结构钢•成分：–含碳量较低wC≤0.2%–加入少量Mn、Si等元素•热处理及供货状态：–热轧正火状态，用户一般不再进行热处理•组织：–F+P•性能特点：–较高的强度，良好的塑性、韧性；–良好的焊接性能；–较好的耐腐蚀性能。低合金高强度结构钢•应用：–广泛应用于桥梁、船舶、压力容器、农业机械、工程机械、大型钢结构优质碳素结构钢与优质合金结构钢优质碳素结构钢的命名及编号•两位数字+脱氧方法–两位数字——钢中含碳量的万分数。–例：45、08F合金结构钢的命名及编号•两位数字+合金元素+数字+质量等级符号–两位数字——碳含量的万分数–合金元素+数字——钢中所含的合金元素及其百分数含量；合金含量小于1.50%时只标合金元素符号不标含量。–质量等级符号——特殊质量合金钢分别以A、E表示，E优于A。–例：60Si2MnA、40Cr、12Cr2Ni4渗碳钢•一般用于制造承受强烈摩擦、较大冲击载荷及交变应力的零件，如：航空/汽车齿轮、凸轮轴等。•要求材料具有内韧外硬特性。活塞销(20Cr)柴油机曲轴柴油机凸轮轴渗碳钢•成分：–wC=0.1%~0.25%–提高淬透性元素：Cr、Ni、Mn、B–阻碍A长大元素：W、Mo、V、Ti•热处理：–下料—锻—正火—机械粗加工—（调质）—机械精加工—渗碳淬火（渗碳+淬火+低温回火）—精磨•组织和性能：–表层：高碳回火M+颗粒状碳化物，硬度高，耐磨性好。–心部：低碳回火M（淬透）/低碳回火M+S+F（未淬透，正火）/低碳回火M+回火S（未淬透，调质），强韧性较好。渗碳钢•分类（P154~155表7-6）：–碳素渗碳钢：15、20–合金渗碳钢：•低淬透性渗碳钢：20Cr•中淬透性渗碳钢：20CrMnTi•高渗透性淬碳钢：12Cr2Ni4调质钢•一般用于制作承受复杂载荷作用，要求具有较好综合力学性能的零件。如：–传动轴、连杆、齿轮、高强度螺栓等。•调质后可进行表面淬火或渗氮。圆锥齿轮柴油机凸轮轴调质钢•成分–wC=0.3%~0.5%–加入提高淬透性元素：Mn、Cr、Ni、B–加入阻碍A长大元素：W、Mo、V、Ti•热处理：–下料—锻—正火/退火—机械粗加工—调质（淬火+高温回火）—机械精加工—表面淬火（表面淬火+低温回火）/（表面渗氮）—精磨调质钢•组织和性能：–心部组织：S回，具有良好的综合力学性能。–表面淬火后的表层组织：为隐针状回火马氏体，具有高硬度和高耐磨性，并可提高零件的疲劳极限。–表面渗氮后的表层组织：金属氮化物。具有高硬度、高耐磨性和耐腐蚀性。调质钢•分类（P156~157表7-7）：–碳素调质钢：45–合金调质钢•低淬透性调质钢：40Cr•中淬透性调质钢：35CrMo、38CrMoAlA•高淬透性调质钢：37CrNi3弹簧钢•一般用于制作各种弹性元件，要求具有较高的弹性极限和疲劳强度。如：–螺旋弹簧、汽车钢板弹簧、钟表发条等。弹簧钢•成分：–wC=0.6%~0.9%–加入Mn、Si、Cr等元素，提高淬透性和回火稳定性•热处理：淬火+中温回火•组织和性能：–T回–具有较高的弹性极限和疲劳极限•分类（P160表7-8）：–碳素弹簧钢：65Mn–合金弹簧钢：60Si2Mn弹簧钢•制造工艺：–冷成型弹簧：–冷拔→冷成型→定型处理（250-300℃低温退火）。–用于φ10mm弹簧。–热成型弹簧：–热成型→淬火+中温回火–使用状态下的组织：T回。–用于大截面弹（φ10mm）热卷大弹簧弹簧丝滚动轴承钢•用于制造各类滚动轴承内、外圈及滚动体（滚针、滚珠、滚柱）的专用钢。滚动轴承钢•成分：–wC=0.9%~1.15%–主要加入Cr，以提高淬透性和耐磨性以及接触疲劳强度•热处理：–下料—锻—退火/正火—球化退火—机械加工—淬火（+冷处理）+低温回火—精磨–淬火后进行冷处理(-60至-80℃)，可减少A’，稳定尺寸。