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第5章工业用钢第5章工业用钢5.1杂质元素与合金元素在钢中的作用5.2钢的分类与牌号5.3结构钢——工程结构用钢5.4结构钢——机械结构用钢5.5工具钢5.6特殊性能钢知识窗——功能材料自测习题第5章工业用钢5.1杂质元素与合金元素在钢中的作用由于冶炼工艺的原因，钢中会残留一定量的硅、锰、硫、磷、非金属夹杂物及气体元素等，这些元素不是有意加入的，一般称作杂质元素。为使金属具有某些性能，特意要加入合金元素(包括超过规定含量的杂质元素)，钢中常用的合金元素有：锰(Mn)、硅(Si)、铜(Cu)、铬(Cr)、镍(Ni)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、锆(Zr)、钴(Co)、铝(Al)、硼(B)、稀土元素(Re)等，有时硫、磷、氮等也称为合金元素。合金元素的含量根据性能要求而定，铬、镍、锰等有时可以超过10%，而硼的含量一般为0.0005%～0.0035%；实践中，常加入我国资源丰富的元素，如硅、锰、钼、钨、钒、硼及稀土元素等。第5章工业用钢5.1.1常存杂质元素对钢性能的影响1．锰的影响锰是炼钢过程中作为脱氧剂带入的，在碳素钢中锰的含量通常为0.25%～0.8%。锰在钢中大部分溶于铁素体，使铁素体固溶强化；小部分溶于渗碳体，形成合金渗碳体，提高其硬度；锰还能改变相图位置，增加并细化珠光体，从而提高钢的强度和硬度。锰可与硫化合形成MnS，降低硫的有害作用。因此，一般认为，锰是钢中的有益元素。但Mn含量高时，可增加钢的过热倾向。第5章工业用钢2．硅的影响硅也是由炼钢过程带入的，在镇静钢(用铝、硅铁和锰铁脱氧的钢)中，硅含量为0.10%～0.40%；在沸腾钢(只用锰铁脱氧的钢)中，硅含量为0.03%～0.07%。硅能溶于铁素体，产生固溶强化，从而使钢的强度、硬度及弹性提高。硅是钢中的有益元素。第5章工业用钢3．硫的影响在钢中，硫很难溶于铁素体，主要以FeS(1190℃)的形态存在。FeS塑性差，使钢的脆性增大；FeS与Fe可形成低熔点(985℃)的共晶体分布在奥氏体晶界上。钢加热到1000～1200℃进行压力加工时，晶界共晶体已经熔化，加工过程中就会沿晶界开裂，这种现象称为热脆性。因此，硫是钢中的有害元素，钢中的含硫量不超过0.05%。为了消除硫的有害作用，钢中必须加入一定量的锰。硫和锰的亲和力较强，易形成熔点高的MnS(1620℃)，呈粒状分布在晶粒内，避免形成FeS而产生热脆。第5章工业用钢4．磷的影响钢中的磷能全部溶于铁素体中，产生强烈的固溶强化，使钢的强度、硬度提高，但使钢在室温下的塑性、韧性急剧下降，使钢变脆，这种现象称为冷脆性，在低温时冷脆更为严重。因此，磷是钢中的有害元素。硫和磷是钢中的有害元素，在钢中应严加控制。但事物不是绝对的，在易切削钢中，适当增加硫、磷的含量可以改善钢的切削加工性能，延长刀具的使用寿命。第5章工业用钢5.1.2合金元素在钢中的作用1．合金元素在钢中的存在形式1)固溶体合金元素在钢中能够溶于铁素体、奥氏体或马氏体中形成固溶体，产生固溶强化。合金元素溶于铁素体称为合金铁素体，合金铁素体产生固溶强化，P、Si、Mn的固溶强化效果最明显，能显著提高铁素体的强度和硬度；但当含量超过一定值后，铁素体的塑性急剧下降，因此，钢中这些元素应加以限制。铬和镍在一定范围内(wCr≤2%，wNi≤5%)时，不仅能够强化铁素体，而且钢的韧性也得到提高。第5章工业用钢2)金属化合物合金元素在钢中可以形成各种金属化合物，其中和碳相互作用形成合金碳化物是最重要的。根据合金元素是否形成碳化物，将合金元素分为非碳化物形成元素和碳化物形成元素两大类。非碳化物形成元素主要包括Ni、Si、Cu、Al、Co等，一般形成固溶体。第5章工业用钢碳化物形成元素根据和碳亲合力的强弱分为弱碳化物形成元素、中强碳化物形成元素和强碳化物形成元素。Mn为弱碳化物形成元素，一般溶入渗碳体，形成合金渗碳体(Fe,Mn)3C；Cr、Mo、W等是中强碳化物形成元素，含量较少时倾向形成合金渗碳体，如(Fe,Cr)3C等，含量多时形成特殊碳化物，如Cr23C6、Cr7C3等；V、Nb、Zr、Ti是强碳化物形成元素，只要钢中有碳存在，就会形成特殊碳化物，如VC、TiC等。第5章工业用钢碳化物一般具有硬而脆的特点，尤其是特殊碳化物具有高熔点、高硬度和高耐磨性。碳化物的种类、数量、形态、大小和分布直接影响钢的性能及热处理特点，属于钢中的主要强化相。例如，钢中弥散分布的特殊碳化物将显著增加钢的强度、硬度与耐磨性。某些钢中还形成非金属夹杂物，例如Al2O3、SiO2等；此外，钢中有些元素既难溶于铁，也不易形成化合物，以游离态存在，如Pb、Cu等。第5章工业用钢2．合金元素对Fe-Fe3C相图的影响1)合金元素对奥氏体相区的影响镍、钴、锰等合金元素的加入使奥氏体相区扩大，如图5-1(a)所示；铬、钨、钼、钒、钛、硅等等合金元素的加入使奥氏体相区缩小，如图5-1(b)所示。第5章工业用钢图5-1合金元素对奥氏体相区的影响第5章工业用钢2)合金元素对相图中S点和E点位置的影响大多数合金元素含量的增加都使Fe-Fe3C相图的S点和E点位置向左移动。扩大奥氏体相区的元素使相图的S、E点向左下方移动，而缩小奥氏体相区的元素使相图的S、E点向左上方移动。如图5-2所示，Mn使S、E点向左下方移动，Cr使S、E点向左上方移动。第5章工业用钢图5-2Mn、Cr对奥氏体相区的影响第5章工业用钢S点左移降低了共析钢的含碳量，使亚共析钢获得共析钢组织，例如在含碳量为0.4%的钢中加入一定量的合金元素后可以成为共析钢，从而提高钢的强度，改善力学性能；E点左移降低了奥氏体的最大溶碳量，使含碳量小于2.11%的铁碳合金组织中出现莱氏体，例如，高速钢(W18Cr4V)含碳量为0.7%～0.8%，由于大量合金元素的存在，其铸态中出现莱氏体，这种钢称为莱氏体钢。第5章工业用钢3．合金元素对钢热处理的影响1)对钢加热转变的影响大多数合金元素减缓了奥氏体化的过程。合金元素的原子在钢中扩散困难，同时它还降低了碳在钢中的扩散速度，使钢的奥氏体化不易进行。要发挥合金元素的作用，使合金元素溶入奥氏体，加热时，合金钢往往需要更高的加热温度和较长的保温时间。另外，一些合金元素还阻碍奥氏体晶粒的长大，在加热时不易过热，对钢以后的热处理有利。例如，合金渗碳钢在渗碳以后，就可直接淬火，降低了成本，提高了生产效率。第5章工业用钢2)合金元素对过冷奥氏体转变的影响除钴以外，大多数合金元素溶入奥氏体中，提高了奥氏体的稳定性，使钢的C曲线右移。如图5-3所示，非碳化物形成元素只使C曲线右移；大多数碳化物形成元素不仅使C曲线右移，还使C曲线形状发生变化，出现两个鼻尖。第5章工业用钢图5-3合金元素对C曲线的影响第5章工业用钢合金元素提高了钢的淬透性。由于合金元素使钢的C曲线右移，马氏体临界冷却速度降低，从而提高了钢的淬透性。目前，淬透性好的钢，大多采用“多元少量”的合金化原则。钢淬透性高时的应用有：①对于尺寸较大的零件，可增加脆硬深度，满足性能要求；②淬火时，可用冷却能力较缓的介质，降低淬火应力，减少工件变形与开裂；③某些合金钢过冷奥氏体非常稳定，C曲线右移较多，即使空冷也能形成马氏体组织，这类钢称作马氏体钢或空淬钢。第5章工业用钢3)合金元素对回火转变的影响(1)提高了钢的回火稳定性。淬火钢在回火时抵抗强度、硬度下降的能力称为回火稳定性，也叫耐回火性。这是由于溶入马氏体的合金元素的原子扩散速度很慢，使马氏体分解困难，碳化物不易析出，析出后也难聚集长大。这样，相同条件回火后，合金钢的强度、硬度往往高于相同含碳量的非合金钢。合金钢在回火时，如果要得到和非合金钢相同的硬度，就需要加热到更高的温度，保温更长的时间。第5章工业用钢(2)产生二次硬化。淬火钢在回火的某个阶段，硬度不下降，反而升高的现象称为二次硬化。二次硬化现象通常发生在高合金钢中，回火温度达到500～600℃，溶入马氏体中的强碳化物形成元素从马氏体中析出，形成弥散分布的特殊碳化物(Mo2C、W2C、VC等)，这些碳化物数量大、弥散度高，并和马氏体保持共格关系，使钢的硬度不但不下将反而升高。如图5-4所示为Mo产生的二次硬化现象。第5章工业用钢图5-4合金元素对回火硬度的影响第5章工业用钢(3)产生第二类回火脆性。某些合金钢在450～650℃回火时出现韧性下降的现象，称为第二类回火脆性(高温回火脆性)，如图5-5所示。第一类回火脆性，无论非合金钢还是合金钢都会出现，而第二类回火脆性主要在含铬、镍、锰、硅的调质钢中出现。第5章工业用钢图5-5回火温度对钢冲击韧性的影响第5章工业用钢第二类回火脆性产生的原因一般认为与杂质或某些合金元素向晶界偏聚有关。实践证明，各类合金结构钢都有产生第二类回火脆性的倾向，只是程度有所不同。目前，防止第二类回火脆性的方法有：提高钢的纯度；小截面工件回火后采用快冷(油冷或水冷)；大截面工件加入一定量的钨或钼。第5章工业用钢5.2钢的分类与牌号5.2.1钢的分类钢的品种很多，其分类方法也很多，常用的有：按化学成分分为：非合金钢(过去称碳素钢)、低合金钢、合金钢三大类。按用途分为：结构钢(工程结构用钢和机械结构用钢)、工具钢和特殊性能钢等。按质量(硫、磷的含量)分为：普通质量钢、优质质量钢、高级优质钢和特级质量钢等。按钢中碳的含量分为：低碳钢(wC≤0.25%)、中碳钢(wC=0.25%～0.60%)、高碳钢(wC＞0.60%)。第5章工业用钢按钢中合金元素的总含量分为：低合金钢(wMe≤5%)、中合金钢(wMe=5%～10%)、高合金钢(wMe＞10%)。按合金元素的种类分为：锰钢、铬钢、硅锰钢、硼钢、铬镍钢等。我国关于钢分类的国家标准GB/T13304—1991《钢分类》是参照ISO4948/1、ISO4948/2制定的。钢的分类分为“按化学成分分类”和“按主要质量等级和主要性能及使用性能分类”两部分。第5章工业用钢1．按化学成分分类根据表5-1的分类，用“非合金钢”代替了传统的“碳素钢”。在新分类以前所制定的有关技术标准中均采用“碳素钢”，有的仍属现行标准，“碳素钢”仍然在用。第5章工业用钢表5-1合金元素规定的质量分数界限(摘自GB/T13304—1991)合金元素规定质量分数界限值/%合金元素规定质量分数界限值/%合金元素非合金钢低合金钢合金钢合金元素非合金钢低合金钢合金钢Al＜0.10—≥0.10Se＜0.10—≥0.10B＜0.0005—≥0.0005Si＜0.500.50～0.90≥0.90Bi＜0.10—≥0.01Te＜0.10—≥0.10Cr＜0.300.30～0.50≥0.50Ti＜0.050.05～0.13≥0.13Co＜0.10—≥0.10W＜0.10—≥0.10Cu＜0.100.10～0.50≥0.50V＜0.040.04～0.12≥0.12Mn＜1.001.00～1.40≥1.40Zr＜0.050.05～0.12≥0.12Mo＜0.050.05～0.10≥0.10混合稀土＜0.020.02～0.05≥0.05Ni＜0.300.30～0.50≥0.50Nb＜0.020.02～0.06≥0.06Pb＜0.40—≥0.40其它元素(S、P、C、N除外)0.05—≥0.05第5章工业用钢2．按主要质量等级、主要性能及使用性能分类1)非合金钢按主要质量等级分为：普通质量非合金钢、优质质量非合金钢、特殊质量非合金钢。普通质量非合金钢中S、P含量较高(wS≤0.045%，wP≤0.045%)；优质质量非合金钢生产过程中按规定控制质量，但不需要严格控制；特殊质量非合金钢需要严格控制质量与性能，钢中S、P含量低(wS≤0.025%，wP≤0.025%)，还有一些特殊要求。按主要性能及使用性能分为：以规定最高强度(或硬度)为主要特性的非合金钢、以规定最低强度为主要特性的非合金钢、以限制碳含量为主要特性的非合金钢、其他非合金钢等。第5章工业用钢2)低合金钢按主要质量等级分为：普通质量低合金钢、优质质量低合金钢、特殊质量低合