第二章 钢铁材料及应用

第二章钢铁材料及其应用铁碳合金结构及相图工程用钢及其应用铸铁及其应用钢铁材料改性处理第一节铁碳合金结构及相图Fe-C合金的基本相与性能Fe-C相图与结晶含C量与组织、性能的关系Fe-C相图的应用一、Fe-C合金的基本相与性能铁素体F——α-Fe（C）固溶体，bcc强度、硬度低，韧性、塑性好。奥氏体A——γ-Fe（C）固溶体，fcc强度、硬度低，韧性、塑性好。渗碳体Fe3C——复杂晶格硬而脆，塑性、韧性≈0。二、简化的铁碳合金相图1.相图分析符号温度℃含碳量%说明ACDEFGKPSQ1538114812271148114891272772772760004.36.692.116.6906.690.02180.770.0057纯铁的熔点共晶点渗碳体的熔点碳在γ-Fe中的最大溶解度渗碳体的成分α-Fe→γ-Fe转变温度渗碳体的成分碳在δ-Fe中的最大溶解度共析点600℃时碳在α-Fe中的溶解度特征线特征线含义ABCDAHJECFECFPSKESPQGSGP液相线固相线共晶线LC→AE＋Fe3C共析线AS→FP＋Fe3C常用A1表示碳在γ-Fe中的溶解度线，常用Acm表示碳在α-Fe中的溶解度线从奥氏体中析出铁素体的开始线，用A3表示奥氏体向铁素体转变的终了线2．典型合金的结晶过程Fe-C合金分类种类工业纯铁钢白口铸铁亚共析钢共析钢过共析钢亚共晶白口铁共晶白口铁过共晶白口铁含碳量（%）0.02180.0218~0.770.770.77~2.112.11~4.304.304.30~6.69平衡组织FF＋PPP＋Fe3CⅡP＋Fe3CⅡ＋Ld`Ld`Ld`＋Fe3CⅠ℃+++共析钢结晶过程1点以上：L1～2点：LA2～3点：A3～3'点：AP3'点以下：P室温组织:层片状P(F+Fe3C)珠光体的性能：强度较高，塑性、韧性和硬度介于Fe3C和F之间。℃+++亚共析钢结晶过程1点以上：L1～2点：LA2～3点：A3～4：AF4～4'：AP4'点以下：P+F室温组织F+P例：WC=0.4%亚共析钢各相的相对量：xFxxFe3CxPFe3C=(0.4–xF)/(6.69–xF)≈0.4/6.69=6%F≈1–6%=94%P=(0.4–xF)/(0.77–xF)≈0.4/0.77=51%F=1–51%=49%各组织组分的相对量：℃++Ⅱ+Ⅱ过共析钢结晶过程1点以上：L1～2点：LA2～3点：A3～4：AFe3CⅡ4～4'：AP4'点以下：P+Fe3CⅡ室温组织：P+Fe3CⅡ℃++Ⅱ+ⅡⅢ共晶白口铸铁结晶过程1点以上：L1～1'：LLd1'～2：Ld2～2'：LdLd’(AP)2'点以下：Ld’（P+Fe3CII+共晶Fe3C）室温组织:（低温）莱氏体Ld′性能：硬而脆℃++Ⅱ+ⅡⅡ+ⅡⅢ亚共晶白口铸铁结晶过程1点以上：L1～2：LA2～2'：LLd2'～3：AFe3CⅡ3～3'：LdLd’，AP3'点以下：P+Fe3CⅡ+Ld’室温组织:P+Fe3CⅡ+Ld’℃++Ⅱ+ⅡⅠⅡ+ⅡⅠⅠⅢ过共晶白口铸铁结晶过程1点以上：L1～2：LFe3CⅠ2～2'：LLd2'～3：AFe3CⅡ3～3'：LdLd’（AP）3'点以下：Fe3CⅠ+Ld’室温组织:Fe3CⅠ+Ld’标注组织的铁碳相图附：铁碳双重相图生产实践中：一定条件下，C2.14％的铁碳合金可结晶出石墨；白口铁在900℃以上保温，Fe3Cγ＋G；共析温度保温或缓冷，γα＋G而非γα＋Fe3C。铁碳双重相图原因热力学条件下,铁-石墨相图为稳定系,铁-渗碳体相图为介稳定系；动力学条件下,铁-渗碳体相图有实际应用的可行性；二重性三、Fe-C合金的成分-组织-性能关系1）含碳量—相的相对量C%↑→F%↓，Fe3C%↑1、含碳量对组织的影响1）硬度HB：C%↑→HB↑2、含碳量对性能的影响2）强度：C%↑→σ↑，——0.9%↑→σ↓3）塑性、韧性：C%↑→塑性、韧性↓2）含碳量——组织变化F→F+P→P→P+Fe3CII→P+Fe3CII+Ld’→Ld’→Ld’+Fe3CⅠ→Fe3C四、铁碳相图的应用2．热加工工艺制定的基础（1）在铸造工艺方面（2）可锻性（3）可焊性（4）热处理性1．选材第二节工程用钢及其应用概述工程结构用钢机械结构用钢滚动轴承钢工具钢特殊性能钢一、概述碳钢：价格低，但力学性能低，淬透性低，回火抗力差，耐热、耐低温、耐蚀等性能差。合金钢：在C钢中加入某些合金元素而成1、钢的分类按化学成分分：低CwC0.25%中CwC=0.25~0.6%高CwC0.6%低合金wMe5%中合金wMe=5~10%高合金wMe10%碳素钢合金钢按质量分：普通质量、优质、特殊质量钢。S，P含量低则质量高。按用途分：结构钢、工具钢、特殊性能钢等。汽车曲轴医疗器械2、钢的牌号（编号）2）优质碳素结构钢如,45钢，wC=0.45%1）碳素结构钢和低合金高强度钢例：Q235AF表示:σs≥235MPa（碳素钢：Q235～275）质量等级：A（分A～E，A级最差，P、S含量最高）脱氧方法：沸腾钢3）非合金易切钢如Y20，wC=0.2%，易切削结构钢。4、碳素工具钢如,T12A，wC=1.2%，A表示高级优质。5、合金钢结构钢——如60Si2Mn（wC=0.6%，wSi=2%，wMn＜1.5%）工具钢、特殊性能钢——如9SiCr（wC=0.9%，wSi、wCr均＜1.5%）；CrWMn（wC＞1.0%）专用钢——如滚动轴承钢GCr15（wC=1.0%，wCr=1.5%）。3、钢中的杂质元素及合金元素1）杂质元素对钢的性能的影响锰（0.25--0.80%）：有益●脱氧剂；降低FeO→↓脆性；●Mn+S→MnS（降低S的有害作用）↑热加工性能；●固溶强化磷：有害●Fe3P在100℃时脆性大→冷脆硫：有害●985℃时形成（Fe+FeS）→热脆硅：有益●脱氧→↓脆性；●固溶强化氧、氮、氢：有害●强度、塑性、韧性↓2）合金元素在钢中的作用①存在形式形成固溶体——在γ和α中无限固溶形成碳化物——间隙相MC与间隙MC形成非金属夹杂物——Al2O3、SiO2、AlN等形成金属间化合物——FeSi、FeCr、Fe2W以游离态形式存在——Cu、Ni②对钢中基本相的影响强化铁素体——形成合金F，产生固溶强化。形成碳化物——稳定性，熔点、硬度比Fe3C高得多。类型特征举例特点特殊碳化物rC/rM0.59VC、TiC熔点高，分解温度高，稳定性好合金渗碳体rC/rM0.59(Fe,Mn)3C熔点较低，稳定性较差，对相变影响较大③对Fe-C相图的影响——研究合金元素对奥氏体的影响二、工程结构用钢1、概述特点：低C，塑性好，热轧或正火态使用。用途：建筑、桥梁、车船等构件。建筑构件钢桥梁2、碳素结构钢碳素结构钢的牌号和化学成分(GB/T700-1988)牌号等级化学成分脱氧方法w(C)%w(Mn)%w(Si)%w(S)%w(P)%不大于Q195－0.06-0.120.25-0.500.300.0500.045F,b,ZQ215A/B0.09-0.150.25-0.550.300.050/0.0450.045F,b,ZQ235A0.14-0.220.30-0.650.300.0500.045F,b,ZB0.12-0.200.30-0.700.300.0450.045F,b,ZC0.180.35-0.800.300.0400.040ZD0.170.35-0.800.300.0350.035TZQ255A/B0.18-0.280.40-0.700.300.050/0.0450.045ZQ275－0.28-0.380.50-0.800.350.0500.045ZwC=0.06～0.38%，S、P含量较高，力学性能一般。碳素结构钢的机械性能(GB/T700-1988)牌号等级拉伸试验冲击试验屈服点s，MPa抗拉强度b/MPa伸长率s,%温度℃V型冲击功(纵向)J钢材厚度(直径)，mm钢材厚度(直径),mm1640~60100~1501501640~60100~150150不小于不小于不小于Q195－195－－－315-39033－－－－－Q215A/B215195175165335-41031292726－/20－/27Q235A/BC/D235215195185375-46026242221－/200/-20－/27Q255A/B255235215205410-51024222019－/20－/27Q275－275255235225490-61020181615－－GB/T700-1988标准GB700-79标准化学成分和力学性能均须保证A类钢——保证力学性能，B类钢——保证化学成分，C类钢——保证化学成分及力学性能。Q195A1；B1Q215A2；C2Q235A3；C3Q255A4；C4Q275C5碳素结构钢新、老标准钢号对照用途钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。角钢螺钉、铆钉钢筋、螺纹钢3、低合金高强度结构钢牌号旧钢号主要化学成分，%机械性能CMnSi，s，MPab，MPa5，%Q29509MnNb12Mn0.160.80~1.500.5529557023Q34516Mn16MnRe0.18~0.201.00~1.600.5534563021~22Q39016MnNb15MnTi0.201.00~1.600.5539065019~20Q42014MnVTiRe15MnVN0.201.00~1.700.5542068018~19Q46014MnMoV18MnMoNb0.201.00~1.700.5546072017低合金高强度结构钢的牌号、成分、性能成分——wC≤0.2%，wMe＜5%，主加元素Mn，附加V、Ti、Nb。性能——强度、韧性高，焊接、冷成形性能好。(摘自GB/T1591-1994)应用高压容器桥梁船舶车辆4、工程用铸造碳钢力学性能优于铸铁，但铸造流动性差，收缩率大。牌号主要化学成分，%机械性能CMnSis，MPab，MPa，%ZG200-4000.200.800.5020040025ZG230-4500.300.900.5023045022ZG270-5000.400.900.5027050018ZG310-5700.500.900.6031057015ZG340-6400.600.900.6034064010工程用铸造碳钢的牌号、成分、性能(摘自GB/T11352-1989)用途轧辊外壳形状复杂，需一定强度、塑韧性的零件。三、机械结构用钢1、概述特点：S、P含量较低，强韧性好，热处理后使用。用途：机械零件、构件。柴油机凸轮轴2、优质碳素结构钢成分：wC=0.05～0.90%，wMn=0.25～1.2%。优质碳素钢的化学成分和性能牌号化学成分，%s，MPa≥CMnSiSP08F10203540455060850.05-0.110.07-0.130.17-0.230.32-0.390.37-0.440.42-0.500.47-0.550.57-0.650.62-0.700.25-0.500.35-0.650.35-0.650.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.030.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.035175205245315335355375400420(摘自GB/T699-1999)用途较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。汽车曲轴热处理：渗碳、淬火、回火等。3．渗碳钢成分