04钢铁材料及其用途

第四章钢铁材料及其用途4.1碳钢与合金钢按化学成分：碳素钢主要成分为Fe、C。含碳量小于2.11%的铁碳合金。合金钢除Fe、C以外，为了某种需要，特意加入一定量的合金元素(Si,Mn,Cr,Ni,Mo,W,V,B)，使其具有一定的特殊性能。4.1.1碳钢1.碳素结构钢牌号：“Q+数字+字母+字母”用途：一般在钢厂供应状态下（即热轧状态）直接使用，出厂时保证机械性能工程结构（薄钢板，钢筋，钢管，各种型材）；要求不高的机器零件（螺钉，螺栓，手柄，小轴）；特点：塑韧性优良。碳素结构钢Q215-AFQ235-B2优质碳素结构钢牌号：采用两位数字表示钢中平均碳质量分数的万倍用途：出厂时保证成分，用来制造较重要的机器零件，一般都经过热处理以提高力学性能。08～25：强度低，但塑性、韧性好，并具有良好的焊接性能。常做冲压件、焊接件、渗碳件。用来制造螺钉、螺母、垫圈等30～50：调质后有良好的综合机械性能。用作轴、连杆、丝杠、键。55～85：热处理后有良好的弹性。用作弹簧、轧辊、钢丝绳。优质碳素结构钢08,10,15……75,80,853.碳素工具钢都是高碳钢（0.7%~1.35%）。都是优质钢。牌号：“T+数字+字母”。T7，T7A用途：各种刀具、刃具、量具。T7,T8：中等硬度，高韧性工具。冲头、凿子、锻造工具、錾子、锤子。T9～T11：高硬度、中等韧性工具。钻头、车刀、丝锥、钢锯条、小冲模。T12～T13：高硬度、耐磨性而韧性要求不高的工具。精车刀、量具、锉刀、刮刀。碳素工具钢：T7，T7A……T13,T13A4.1.2合金钢碳钢的缺点：淬透性低，回火抗力差，综合性能差；不能满足一些特殊的性能要求在合金钢中，经常加入的合金元素有Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr等。1.合金元素在钢中的作用（1）可提高钢的力学性能（2）可改善钢的热处理性能（1）可提高钢的力学性能固溶强化铁素体（1）可提高钢的力学性能第二相强化－弥散强化合金钢中的碳化物有合金渗碳体：如(Fe，Mn)3C、(Fe，Cr)3C等合金碳化物：如Mn3C、Cr7C、Fe3W3C等特殊碳化物：如WC、MoC、VC、TiC等随着这些碳化物数量的增多．能显著提高钢的强度、硬度、热硬性和耐磨性。（1）可提高钢的力学性能细晶强化几乎所有的合金元素(除锰以外)都阻止奥氏体晶粒长大、细化晶粒。尤其是强碳化物形成元素Ni、Ti、V；强氮化物形成元素Al等。这些微粒在加热时很难熔解，能强烈地阻碍奥氏体晶粒的长大，所以合金钢在热处理加热时不易过热，这既有利于热处理操作，又能提高钢的强度和韧性指标。（2）可改善钢的热处理性能能提高钢的淬透性碳素钢水淬可淬透的最大直径10～15mm；大多数合金元素(除Co以外)，使C曲线位置右移，临界冷却速度减小，从而提高钢的淬透性。提高钢的回火稳定性回火过程是马氏体分解，碳化物形成、析出和聚集的过程。由于合金元素阻碍M分解和碳化物聚集长大过程，使回火的硬度降低过程变缓，从而提高钢的回火稳定性。使钢获得特殊的性能2.工程结构用合金结构钢——低合金高强度钢牌号：与普通碳素结构钢相同Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。工程用钢主要是用于各种工程结构。这类钢冶炼简便、成本低，适用于工程用钢批量大的特点，这类钢使用时一般不进行热处理。多数是在热轧、正火状态下使用。合金结构钢——工程结构用3.合金结构钢编号:两位数字+元素符号+数字+……（+A）前两位数字表示平均碳质量分数的万倍（wC×10000）元素符号后面的数字为该元素平均质量分数的百倍（wE×100）若S、P含量达到高级优质钢时，则在钢号后加“A”18Cr2Ni4W；38CrMoAlA易切削钢在钢号前加“Y”字（“易”字声母），如Y12、Y40Mn，Y40CrSCa滚动轴承钢的编号是在钢号前加“G”（“滚”字声母），其后数字为平均含Cr量，以千倍（wCr×1000）表示，平均碳的质量分数wC≥1.0%时不标出，如GCr15、GCr9等钢中含铬的质量分数wCr分别为1.5%和0.9%合金结构钢——机器零件用合金结构钢——机器零件用1）合金渗碳钢20CrMnTi指经渗碳淬火、低温回火后使用的合金钢。渗碳钢常用在受冲击和磨损条件下工作的一些机械零件，如齿轮、凸轮、活塞销等，要求表面硬、耐磨，而零件心部则要求有较高的韧性和强度以承受冲击。WC=0.15%～0.25%2）合金调质钢40Cr,35CrMo,40CrNiMn合金调质钢指调质处理后使用的合金结构钢，其具有良好的综合力学性能。合金调质钢广泛用于制造一些重要零件，如机床的主轴、汽车底盘的半轴、柴油机连杆螺栓等。WC=0.3～0.6%碳的质量分数过低不易淬硬，回火后达不到所需要的强度；如果碳的质量分数过高，则零件韧性较差。3）合金弹簧钢65Mn,60Si2Mn弹簧是各种机器和仪表中的重要零件。要求制造弹簧的材料具有高的弹性极限（即具有高的屈服点或屈服强比）、高的疲劳极限与足够的塑性和韧性。WC=0.5%～0.85%典型热处理为淬火＋中温回火，获得回火索氏体4）滚动轴承钢GCr15、GCr9滚动轴承钢是制造各种滚动轴承的滚珠、滚柱、滚针的专用钢也可做其它用途，如形状复杂的工具、冷冲模具、精密量具以及要求硬度高、耐磨性高的结构零件。滚动轴承钢具有高而均匀的硬度、高的弹性极限和接触疲劳强度、足够的韧性和淬透性、一定的耐腐蚀能力。4.合金工具钢多用于形状复杂、尺寸大、精度高的工具。按用途分为：合金刃具钢合金模具钢合金量具钢编号：与合金结构钢类似，只前一位表示含C量的千分之几。（1.0%不标，但高速钢例外，1.0％也不标）（1）合金刃具钢1）低合金刃具钢9SiCr为了克服碳素工具钢淬透性差、易变形和开裂、及热硬性差等缺点。在碳素工具钢的基础上加入少量的合金元素，一般不超过3%~5%（质量分数），就形成了低合金工具钢。9SiCr2）高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2高速钢是一种红硬性、耐磨性较高的高合金工具钢，它的红硬性高达600℃，可以进行高速切削，故称为高速钢。高速钢具有高的强度、硬度、耐磨性及淬透性。通常适于制造一般高速切削刀具，如车刀、铣刀、绞刀、丝锥、齿轮铣刀、插齿刀等。（1）合金刃具钢合金模具钢合金量具钢5特殊性能钢特殊性能钢是指具有特殊的物理、化学性能的钢。其种类较多，常用的特殊性能钢有不锈钢、耐热钢和耐磨钢。编号与合金工具钢相同。含碳0.03%标“00”，0.08%标“0”。(1)不锈钢（又称为不锈耐酸钢）是指能抵抗大气或酸等化学介质腐蚀的钢1Cr13,1Cr17,1Cr18Ni9Ti、0Cr19Ni9、00Cr17Ni14Mo2汽轮机叶片、各种阀、机泵等、医疗手术工具、量具、弹簧、轴承、用于硝酸和氮肥制造设备中(2)耐热钢钢的耐热性包括高温抗氧化性和高温强度两方面的综合性能25Cr2MoVA、4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo、15CrMo1Cr13、0Cr18Ni11Ti钢既是不锈钢又是良好的热强钢。如汽车发动机、柴油机的排气阀、高压锅炉的过热器、化工高压反应器等。(3)耐磨钢耐磨钢主要指在巨大压力和冲击载荷作用下才能发生硬化现象的高锰钢，常见的钢号是：ZGMn13。在建筑、矿山、冶金业中，长期使用高锰钢制造的挖掘机铲斗，各种碎石机颚板、衬板、磨板。高锰钢还大量用于挖掘机、拖拉机、坦克车履带板、主动轮和支承滚轮等。特殊性能钢坦克、拖拉机履带铁轨分道叉破碎机颚板挖掘机斗齿耐磨钢碳素钢与合金钢的优缺点比较及选用原则(1)碳素钢淬透性差碳素钢选用水淬后，其临界淬透直径为15—20mm，对于直径大于20一25mm的零件，即使用水淬也不可能淬透，不能保证整个截面得到一致的综合力学性能。所以，对于要求高的大型零件，碳素钢肯定是不适用的。而合金钢具有高的淬透性，可用于大截面、形状复杂的零件。(2)碳素钢的高温强度低，热硬性差碳素钢在200一250℃以上温度使用时，其强度和硬度会很快降低。而合金钢的回火稳定件好、热硬性好，可在较高的温度下工作。碳素钢与合金钢的优缺点比较及选用原则(3)碳素钢不能获得良好的综合性能。例如，采用调质处理来试图获得良好的综合性能时，若保证较高的强度，则韧度较低；告保证较好的韧度，则强度又偏低。这是因为碳素钢回火稳定性差。所以，碳素钢所得到的综合性能远较合金钢差，即合金钢具有很好的强韧度。(4)碳素钢不具有特殊的性能。如要求高温硬度或强度，抗氧化、耐腐蚀性能，特殊电、磁性能等，碳素钢就无法满足，只能选用合金钢才能满足上述要求。碳素钢与合金钢的优缺点比较及选用原则碳素钢也具有一些优点：如通过改变它的C的质量分数和进行适当的热处理，可获得许多工业生产上所要求的性能。碳素钢价格低廉、生产容易、加工性能好，至今仍然是工业上应用最广泛的钢铁材料，占钢材总用量的80％以上。合金钢也存在不少缺点：由于合金元素的加入，使钢的冶炼以及加工工艺性能比碳素钢差；价格较为昂贵。按照合理选材的原则，当碳素钢能够满足使用要求时，应尽量选用碳素钢。思考题：1.填表：2.仓库中混存了相同规格的20钢、45钢和T10钢，请提出一种最为简便的区分方法。3.现拟制造如下产品，请从碳素钢中选出适用的钢号：六角螺钉车床主轴钳工錾子液化石油气罐活搬手脸盆自行车弹簧钢锉门窗合页钢号所属类别大致含碳量%性能特征用途举例Q235-A.F45T10A16Mn4.2铸铁4.2.1铸铁的成分和性能4.2.2铸铁的石墨化4.2.3铸铁的分类及用途含碳量Wc2.11%的铁碳合金。含有较多Si、Mn、S、P。性能（与钢相比）强度低，塑性、韧性差优良的耐磨、减震性优良的铸造和切削加工性能不能锻造，难以焊接4.2.1铸铁的成分和性能4.2.2铸铁的石墨化及分类按铸铁实验断口色泽不同：白口铸铁绝大部分碳以渗碳体的形式存在。硬且脆，主要用作炼钢的原料，故通常称它为生铁。灰口铸铁碳主要以游离石墨形式存在。主要应用麻口铸铁介于二者之间灰口铸铁又分为：灰铸铁球墨铸铁可锻铸铁蠕墨铸铁1.铸铁的石墨化过程及其组织在铁碳合金中，碳可能以两种形式存在，即化合状态的渗碳体和游离状态的石墨。铸铁组织中石墨的形成过程叫做“石墨化”过程。石墨的晶格形式为简单六方。因其面间距较大，结合力弱，故其结晶形态易发展成片状，且强度、塑性和韧性极低，接近于零。铁碳合金中，渗碳体并不是一种稳定的相，而石墨是一种稳定的相。在铁碳合金结晶的过程中，因为渗碳体的含碳量较石墨的含碳量更接近合金成分的含碳量，故易形成渗碳体晶核。但在极其缓慢冷却条件下，或在合金中含有促进石墨化的元素时，在铁碳合金的结晶过程中，便会直接自液体或奥氏体中析出石墨相。因此，对铁碳合金的结晶过程来说，实际存在两种相图，即亚稳定状态的Fe-Fe3C相图和稳定的Fe-G相图铁碳合金按照Fe-G相图进行结晶，则铸铁的石墨化过程可分为如下三个阶段：第一阶段：即在1153时通过共晶反应而形成石墨；第二阶段：自奥氏体中不断析出二次石墨；第三阶段：通过共析反应而形成石墨。一般，铸铁在高温冷却过程中，由于具有较高的原子扩散能力，故其第一和第二阶段的石墨化是较容易进行的，而在较低温度下的第三阶段的石墨化，则常因铸铁的成分及冷却速度等条件的不同，石墨化被部分或全部抑制，从而得到三种不同的组织，即：F+G，F+P+G，P+G2.影响石墨化过程的因素（1）化学成分的影响铸铁中的碳、硅、锰、硫、磷等元素对石墨化有不同影响。其中碳、硅、磷是促进石墨化的元素，锰和硫是阻碍石墨化的元素较高的含碳量是石墨化的必要条件，而一定的含硅量是石墨化的充分条件，碳与硅含量越高越易石墨化；若碳、硅含量过低则易出现白口；如果碳、硅含量过高，将导致石墨数量多且粗大，基体内铁素体量多，铸铁的力学性能下降。冷却愈慢，愈有利于扩散，对石墨化便愈有利，而快冷则阻止石墨化（2）温度及冷却