材料家族之一工业材料的“脊梁”—钢铁.

第七章：材料家族之一：工业材料的“脊梁”——钢铁第一节：钢铁的应用特征和组成第二节：钢铁的生产——钢铁是怎样炼成的第三节：工程材料的主力——钢铁第四节：强中更有强中手——超高强度钢第五节：不锈钢及其他特殊钢第一节：钢铁的应用特征和组成一、钢铁的应用特征人们常把钢铁生产及使用的数量和质量作为一个国家经济发展水平及实力大小的评价标志。钢铁材料有塑性很好、强度较低的低碳钢;有强韧性很高的中碳钢，有硬而耐磨的高碳钢;也有塑性很差，但消震性、铸造性却很好的铸铁。从成分上看:从形状及工艺方面看:钢铁材料可轧制成很薄的板材以便制造各种产品壳体，拉成很细的钢丝作钢丝绳，轧制各种槽钢、角钢、钢管等作各种工程结构；可用铸造成形生产各种复杂机器零件，如机床及汽车箱体等；可用焊接成形方法拼焊成各种大型工程结构及零件制造，并且大多都易于切削加工。二、钢铁中的基本相及组织钢铁材料的基本组元是铁和碳，故又称为铁碳合金。其中铁是基本成分，而碳是影响铁碳合金性能的主要成分。钢铁材料中常见的相及组织如下:1.铁素体（F）:是碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体，最大溶解度为0.0218%。强度、硬度低，塑性好.2.奥氏体（A）:是碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体，最大溶解度2.11%，强度低，塑性特好.3.渗碳体（Fe3C）:渗碳体Fe3C为铁与碳形成的金属化合物，晶格复杂，硬而脆奥氏体（Austenite，符号A表示）碳溶解在-Fe中的间隙固溶体仍保持-Fe的面心立方晶格，晶界比较直，呈规则多边形727℃时溶碳为c＝0.77％，1148℃时可溶碳2.11％具有较高塑性5马氏体（Martensite，符号M表示）碳在-Fe中的过饱和固溶体马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT），中高碳钢中加速冷却通常能够获得这种组织普遍具有较高强度和硬度6高碳马氏体低碳马氏体铁素体（Ferrite，符号F表示）碳溶解于α-Fe的体心立方晶格中形成的间隙固溶体碳原子含量很少(仅0.02%)强度和硬度低，塑性和韧性好。7渗碳体（cementite，符号C表示）碳与铁形成的一种化合物Fe3C，一般含碳6.67％复杂的正交晶格熔点1227℃。极高硬度的脆性化合物，塑性、韧性几乎为零。8珠光体（pearlite，符号P表示）奥氏体冷却时，在727℃发生共析转变的产物碳质量分数平均为Wc=0.77%显微组织为由铁素体片与渗碳体片交替排列的片状组织9104.珠光体（P）:由层片状渗碳体分布在铁素体基体上组成的机械混合物.5.莱氏体（Ld）:渗碳体基体上分布一定形态、数量的奥氏体或珠光体而组成的机械混合物，其性能硬而脆.6.马氏体（M）:马氏体M为碳在α-Fe中的“超过饱和”固溶体.7.贝氏体（B）:稍过饱和的极细铁素体上分布弥散的碳化物而组成的机械混合物.第二节:钢铁的生产——钢铁是怎样炼成的钢铁生产的基本流程如右图所示:钢铁是这样炼成的！！！一、钢铁生产的历程：早在2600年前的春秋战国时代后期，我们的祖先就发明了生铁冶炼技术，成为最早使用铁器的民族之一。近代炼钢技术可追溯到1740年霍茨曼的坩埚炼钢法，即“炒钢”法13IronAgeIronAge1856年英国人贝塞曼的酸性（炉衬）转炉法及1864年法国人马丁发明的平炉炼钢法是作为有价值的工业技术20世纪初，法国冶金专家埃鲁针对平炉和转炉难以炼出高级合金钢的缺点，发明了电弧炉炼钢法，他避免了空气烧毁合金元素的缺点，被专门用来冶炼高级合金钢。二、炼铁1．炼铁的炉料和高炉：炼铁的主要炉料是铁矿石、焦炭和石灰石。炼铁所用的主要设备是高炉。Equations炼铁过程的化学9COC2Fe11CO3Fe3323CO2Fe3COFe32CO4FeFeOCFe315铸铁锻铁钢铁依含碳量和杂质多少铁和碳的合金Alloysofiron&carbon16第八世纪的Carolingian剑东方曲剑Persian土耳其的Damascus剑日本剑的锋口部份SwordsChapter1Introduction17三、炼钢：炼钢的目的：就是去除生铁中多余的碳和大量杂质，使成分达到钢的要求的过程。1．现代炼钢法的基本过程炼钢过程中首先把生铁熔化成液体。炼钢的基本过程是氧化（炼铁主要为还原）。2．高炉产品：（1）生铁高炉可冶炼出炼钢生铁和铸造生铁。（2）高炉煤气高炉排出的炉气中，含有大量的CO、CH4和H2等，是可燃性煤气（3）炉渣可以用来制造水泥和渣砖等建筑材料。2．典型的现代炼钢法（1）．氧气顶吹转炉炼钢：如图7—3（2）．电弧炉炼钢：如图7—4四、型材生产：炼出的钢水先浇铸成钢锭，再将钢锭经塑性加工成各种型材；也可由炼出的钢水立即经连铸连轧工艺设备直接轧制成各种型材，这样能耗更低。1．轧钢：轧钢是钢料在轧辊间受压变形的加工方法，能生产各种规格的型钢、钢板、钢管等钢材，如图7-5和7—6所示。2．拉拔拉拔的坯料是轧制的棒料、盘条和管子。。第三节:工程材料的主力——钢铁一、钢的分类：1：按钢的含碳量分类低碳钢、中碳钢、高碳钢2：按冶金特点分类结构钢可分为：普通钢、优质钢、高级优质钢（在钢号后加A）和特级优质钢；按钢材冶炼时的脱氧程度可分为：沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢。3：按用途和性能可分为结构钢、工具钢、轴承钢、不锈钢、耐蚀钢和耐热钢等；按成分可分为非合金钢（即碳素钢）、低合金钢及合金钢。钢类碳素钢合金钢PSPS普通质量钢≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045优质钢≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高级优质钢≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025特级优质钢≤0.025≤0.020≤0.025≤0.015•按质量分•钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。•分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢.•根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：3、按冶炼方法分转炉炼钢平炉炼钢平炉钢转炉钢电炉钢按炉别分沸腾钢：脱氧不充分，浇注时C与O反应发镇静钢：脱氧充分，组织致密，成材率低。半镇静钢：介于前两者之间。生沸腾。这种钢成材率高，但不致密。按脱氧程度分特殊镇静钢4、按金相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组织分亚共析钢共析钢过共析钢按退火组织分电弧炉炼钢5、按用途分工程用钢建筑、桥梁、船舶、车辆渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢耐磨钢机器用钢结构钢刃具钢模具钢量具钢工具钢不锈钢耐热钢特殊性能钢挤压模具齿轮刀具二、常见钢铁材料：1．碳素钢：（1）普通碳素结构钢：常用于一般工程结构及机器零件。主要钢号为：Q195、Q215、Q235A、Q235C、Q255等。（2）优质碳素结构钢：主要钢号为含碳稍多的低碳钢（如15、20号钢）；含碳量较高的中碳钢（如40、45、50号钢）；含碳量接近高碳的60、65号钢。（3）碳素工具钢：碳素工具钢的平均含碳量为0.7%～1.3%，主要牌号为T12、T10、T7、T8。丝锥工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。2．合金钢：为克服碳钢性能上的不足，人们通过在优质碳素钢基础上加入锰、镍、铬、钨、钼、铌、钒、钛、硼等合金元素来改善碳钢的性能，从而形成了合金钢。（1）低合金结构钢是在低碳的碳素结构钢基础上，加入少量合金元素（总量小于3%）而发展起来的。（2）合金工具钢是在前述碳素工具钢的基础上加入Cr、W、Mo、V、Mn、Si等合金元素而制得。铣刀按化学成分分:中碳钢0.25~0.6%C高碳钢0.6%C低碳钢0.25%C低合金钢合金元素总量5%中合金钢合金元素总量5~10%高合金钢合金元素总量10%碳素钢合金钢常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T221—2000）名称符号位置名称符号位置碳素结构钢Q头桥梁用钢q尾低合金高强度钢Q头锅炉用钢g尾易切削钢Y头焊接气瓶用钢HP尾碳素工具钢T头车辆车轴用钢LZ头(滚珠)轴承钢G头机车车轴用钢JZ头焊接用钢H头沸腾钢F尾铆螺钢ML头半镇静钢b尾船用钢国际符号镇静钢Z尾汽车大梁用钢L尾特殊镇静钢TZ尾压力容器用钢R尾质量等级A.B.C.D.E尾结构钢对结构钢的性能要求为：使用性能以强韧性为主。工艺性能以可焊性、淬透性为主。合金结构钢除少量为中高合金钢外，都是低合金钢.铜陵长江公路大桥1、成分：0.4%C,P、S量及非金属夹杂较多.2、性能：可焊性、塑性好。3、热处理：不进行专门热处理，热轧空冷态下使用。4、使用状态下组织：F+P一、碳素结构钢螺纹钢圆钢5、用途常以热轧板、带、棒及型钢使用，用量约占钢材总量的70%。用于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。热轧钢板螺纹钢黄河小浪底枢纽工程1、性能要求⑴高强度及足够韧性。⑵良好的焊接性能。⑶良好的耐蚀性及低的韧脆转变温度。2、成分特点⑴低碳：≤0.2%C.⑵合金元素：主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等。二、低合金高强度结构钢3、热处理：大多数热轧空冷后使用。少数可用正火+高温回火处理。4、使用状态下组织：F+P①Mn的作用是强化铁素体；增加珠光体的量。②V、Ti、Nb等起细化晶粒和弥散强化作用。③另外加Cu、P可提高耐蚀性；加RE可提高韧性、疲劳极限，降低冷脆转变温度。5、用途：Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的压力容器。Q460钢含Mo、B，正火组织为贝氏体，强度高,用于石化中温高压容器.南京长江大桥制造弹簧或类似性能零件的钢种。1、性能要求弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件。⑴高的σs，σs/σb；高的σ-1；足够的韧性⑵高的淬透性。五、弹簧钢2、成分特点⑴中高碳：碳素弹簧钢为0.6~0.9%C合金弹簧钢为0.45~0.7%C⑵合金元素作用：①提高淬透性、强化铁素体：Mn、Si、Cr②提高s/b：Si③细化晶粒：V汽车弹簧弹簧丝3、热处理及组织特点⑴冷成型弹簧：冷拔→冷成型→定型处理(250~300℃)。用于φ10mm弹簧。⑵热成型弹簧：热成型→淬火+中温回火使用状态下的组织：T回用于大截面弹簧(φ10mm)汽车板簧淬火线冷卷螺旋压缩弹簧5、常用钢号及用途Si、Mn弹簧钢，如65Mn、60Si2Mn，用于制造较大截面弹簧。Cr、V弹簧钢，如50CrV，用于大截面、大载荷、耐热的弹簧。大型热卷弹簧汽车板簧载荷(频率达数万次/分)和摩擦。⑴高而均匀的硬度和耐磨性。⑵高的b和接触疲劳强度。⑶足够的韧性、淬透性和耐蚀性.六、滚动轴承钢用于制造轴承套和滚动体的专用钢种。1、性能要求轴承工作时,承受接触应力(达3000~3500MPa)、周期性交变圆柱滚子轴承自动调心球轴承2、成分特点⑴高碳：0.95~1.10%C⑵合金元素：以Cr为主,加入Mn、Si。Cr、Mn、Si的主要作用是提高淬透性推力球轴承滚针轴承Cr还提高耐磨性（形成合金渗碳体）和耐蚀性。当1.65%Cr时,会因A’增加而使硬度和稳定性下降。滚针轴承滚柱轴承滚珠轴承大型轴承4、常用钢号及用途应用最广的是GCr15，大量用于大中型轴承；大型轴承用GCr15SiMn。这类钢还可用于制造模具、量具等.向心球轴承工具钢按用途分为:刃具钢模具钢量具钢模具刃具量具用来制造各种切削刀具的钢种。一、刃具钢切削加工㈠性能要求1、高硬度(≥HRC60),主要取决于含碳量。2、高耐磨性靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。3、高热硬性即高温下保持高硬度的能力。4、足够的韧性以防止脆断和崩刃。切削加工的基本形式㈡碳素工具钢共有七个牌号：T7~T131、成分特点：高碳(0.65~1.35%C)随含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韧性下降。碳素工具钢