碳钢及合金钢

第九章碳钢及合金钢(工业用钢)一、教学目的及其要求通过本章学习，使学生熟悉和了解我国的钢材编号规则，掌握各类钢种的牌号，熟悉钢中杂质与合金元素的分布规律及其对钢材性能的影响，熟悉常用钢材的牌号、用途、性能及热处理特点。二、主要内容1．合金元素在钢中的作用2．我国的钢材编号方法3．常用的结构钢、工具钢、特殊性能钢（不锈钢）的用途、性能及热处理特点三、学时安排4学时四、教学重点1．我国的钢材分类及牌号编制方法2．结构钢、工具钢、不锈钢的用途、性能及热处理特点五、教学难点1．钢的合金化原理。六、教学过程第一节工业用钢的分类及牌号表示方法钢是经济建设中使用最广、用量最大的金属材料，在现代工农业生产中占有重要地位。碳钢：含碳量在0.0218%～2.11%之间的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢。合金钢：在碳钢的基础上特意地加入一种或几种合金元素，使其使用性能和工艺性能得以提高的铁基的合金称为合金钢。钢中除铁、碳及合金元素外，还有炼钢时随生铁、脱氧剂和燃料带入的硅、锰、硫、磷、氮、氢、氧等元素。钢的分类方法多种多样，其主要方法有如下几种：一、钢材的品种为便于采购、订货和管理，我国目前将钢材按外形分为型材、板材、管材、金属制品四大类，共十六大品种：1．型材钢轨、型钢（圆钢、方钢、扁钢、六角钢、工字钢、槽钢、角钢及螺纹钢等）、线材（直径5-10毫米的圆钢和盘条）等。2．板材薄钢板：厚度等于和小于4毫米的钢板；厚钢板：厚度大于4毫米的钢板；又可分为中板（厚度大于4mm小于20mm）、厚板（厚度大于20mm小于60mm）、特厚板（厚度大于60mm）；钢带：也叫带钢，实际上是长而窄并成卷供应的薄钢板；电工硅钢薄板：也叫硅钢片或矽钢片。3．管材无缝钢管：用热轧、热轧—冷拔或挤压等方法生产的管壁无接缝的钢管；焊接钢管：将钢板或钢带卷曲成型，然后焊接制成的钢管。4．金属制品：包括钢丝、钢丝绳、钢绞线等。二、钢的分类钢的种类繁多，为了便于生产、使用和研究，可以按照化学成分、冶金质量和用途对钢进行分类。1．按化学成分分类。碳钢、合金钢两大类。碳钢：低碳钢（Wc＜0.25%）、中碳钢（Wc=0.25%～0.60%）和高碳钢（Wc0.6%）合金钢：按钢中含合金元素总量（Me%）分为低合金钢（Me5%）、中合金钢（Me=5～10%）和高合金钢（Me10%）。按用途分类结构钢工具钢特殊性能钢工程结构钢机器结构钢建筑工程用钢桥梁工程用钢船舶工程用钢车辆工程用钢渗碳钢属于低碳钢或低碳合金钢调质钢属于中碳钢或中碳合金钢弹簧钢属于中、高碳钢或中、高碳合金钢滚动轴承钢属高碳合金钢一般属于低碳钢或低碳低合金钢刃具钢一般属于高碳钢模具钢或高碳高合金钢量具钢不锈钢耐热钢耐磨钢按合金元素的种类可分为锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、硅锰钢等。2．按冶金质量分类。按钢中所含有害杂质硫、磷的多少，可分为：普通钢：S%≤0.055%，P%≤0.045%优质钢：S%、P%≤0.040%高级优质钢：S%≤0.030%，P%≤0.035%此外，按冶炼时脱氧程度，可将钢分为沸腾钢（脱氧不完全）、镇静钢（脱氧较完全）和半镇静钢三类。3．按金相组织分类按钢退火态的金相组织可分为亚共析钢、共析钢、过共析钢三种。按钢正火态的金相组织可分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢等四种。4．按成形方法分类。锻钢、铸钢、热轧钢、冷轧钢等。5．按用途分类。按钢的用途可分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。实际中给钢的产品命名时，常常把成分、质量和用途几种分类方法结合起来，如碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、高级优质碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢等。三、钢的牌号表示方法钢的牌号简称钢号，是对每一种具体钢产品所取的名称，是人们了解钢的一种共同语言。钢编号的原则主要有两条：一是根据编号可以大致看出该钢的成分；二是根据编号可大致看出该钢的用途。我国钢的牌号表示方法，根据国家标准《钢铁产品牌号表示方法》（GB221-79）中规定，采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。即：①钢号中化学元素采用国际化学符号表示，例如Si、Mn、Cr……等,混合稀土元素用“RE”（或“Xt”）表示。②产品名称、用途、冶炼和浇注方法等，一般采用汉语拼音缩写字母表示。③钢中主要化学元素含量（%）采用阿拉伯数字表示。（一）碳钢的牌号表示方法见第四章（碳钢的分类、用途及牌号表示方法）（二）合金钢的牌号表示方法1．合金结构钢两位数字＋合金元素符号＋数字＋质量等级符号“A”（1）当合金元素的平均含量＜1.5%时，钢号中一般只标出元素符号，而不标明含量；但在特殊情况下易致混淆者，在元素符号后亦可标以数字“1”，例如钢号“12CrMoV”和“12Cr1MoV”，前者铬含量为0.4-0.6%，后者为0.9-1.2%，其余成分全部相同。（2）当合金元素的平均含量≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%……时，则相应地在元素符号后面标以2、3、4……；如果为高级优质钢，则在其钢号后加“A”，以区别于一般优质钢。例如：18Cr2Ni4WA。（3）钢中的钒V、钛Ti、铝Al、硼B、稀土Re等合金元素，均属微合金元素，虽然含量很低，仍应在钢号中标出。例如20MnVB钢中，钒：0.07～0.12%，硼：0.001～0.005%。（4）专门用途的合金结构钢，钢号冠以（或后缀）代表该钢种用途的符号。例如，铆螺专用的30CrMnSi钢，钢号表示为ML30CrMnSi。举例：1．20CrMnTi：表示平均含碳量为0.20%，主要合金元素Cr、Mn含量均低于1.5%，并含有微量元素Ti的合金结构钢；平均含碳量的万分之几合金元素平均含量的百分之几2．60Si2Mn：表示平均含碳量为0.60%，主要合金元素Mn含量低于1.5%，Si含量为1.5～2.5%的合金结构钢。练习：40Cr、45Mn22．低合金高强度结构钢旧的编号方法，基本上和合金结构钢相同。新牌号的编制方法与碳素结构钢相同。如旧牌号的16Mn为新牌号的Q345。3．滚动轴承钢“G”＋Cr＋数字＋其它元素符号。字母“G”为“滚”字头，表示为滚动轴承钢类，高碳铬轴承钢的含碳量不标出，数字表示平均含铬量的千分之几，如GCr15，平均含铬量为1.5％。渗碳轴承钢的钢号表示方法，基本上和合金结构钢相同。4．合金工具钢和高速工具钢数字＋合金元素符号＋数字说明：①合金工具钢中，当WC≥1.0%时，含碳量不标出，如Cr12、CrWMn；当WC＜1.0%时，以千分之几表示，如9SiCr、3Cr2W8V。②对于含铬量低的钢，其含铬量以千分之几表示，并在数字前加“0”，以示区别。如平均Cr=0.6%的低铬工具钢的钢号为“Cr06”。③高速钢，一般不标出含碳量，只标出合金元素平均含量的百分之几。如“钨18铬4矾”（W18Cr4V，简称18-4-1），“钨6钼5铬4矾2”（W6Mo5Cr4V2，简称6-5-4-2）。5．不锈钢和耐热钢同合金工具钢。例如：“2Cr13”钢的平均碳含量为0.2%。说明：（1）钢中含碳量≤0.03%者，钢号前分别冠以“00”表示之，如00Cr17Ni14Mo2；WC≤0.08%者，冠以“0”表示之，、0Cr18Ni9。（2）对钢中主要合金元素以百分之几表示；对钛、铌、锆、氮……等微量元素则按合金结构钢对微合金元素的表示方法，只标出元素符号，如1Cr18Ni9Ti。平均含碳量的千分之几合金元素平均含量的百分之几第二节合金元素在钢中的作用一、碳钢的优缺点优点：冶炼工艺简单，可热处理强化，压力加工和机械加工性能好，价格低廉。不足之处：（1）加热时，晶粒易长大；（2）淬透性低。形状复杂、尺寸大的零件，在淬火时易开裂、淬不透；（3）回火稳定性差。回火温度高时，强度和硬度显著下降，不能在高温下使用。回火稳定性是指淬火钢在回火时抵抗硬度下降的能力。（4）强度不够高。碳钢的屈强比在0.6左右，合金钢为0.85～0.9。碳钢强度低，增加截面积提高构件刚度会使重量增加，构件笨重，不能满足重量轻、体积小、效率高的要求。（5）不具备特殊性能。化工、仪表等要求耐腐蚀、耐高温、无磁等性能，碳钢不能满足特殊性能的要求。二、合金元素在钢中的作用1．合金元素在钢中的分布为了使钢获得预期的性能，而有目的地加入钢中的化学元素称为合金元素。按其与碳的亲和力的大小，可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，在钢中主要以固溶体和化合物的形式存在。（1）非碳化物形成元素：包括Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等，在钢中不与碳化合，大多溶入铁素体、奥氏体或马氏体中，产生固溶强化；有的形成其它化合物如Al2O3、AlN、SiO2、Ni3Al等。（2）碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti等。这类合金元素在钢中，一是可溶入渗碳体中形成合金渗碳体，如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)3C等，是低合金钢中存在的主要碳化物，比渗碳体的硬度高，且稳定。二是强碳化物形成元素与碳形成特殊碳化物，如TiC、NbC、VC、MoC、WC、Cr3C6等，它们具有高熔点、高硬度、高耐磨性、稳定性好，主要存在于高碳高合金钢中，产生弥散强化，提高钢的强度、硬度和耐磨性。形成碳化物的倾向由弱到强（3）其它：如稀土元素，钢号中统一用Re表示。2．合金元素在钢中的作用作用机理比较复杂，可归纳以下几个方面：（1）阻碍晶粒奥氏体晶粒长大，细化晶粒；（2）提高淬透性（Co除外）；（3）提高回火稳定性，防止回火脆性；（4）提高钢的使用性能，使之具有耐热、抗腐蚀、高耐磨等特殊的性能；（5）提高钢的强韧性。金属材料的强化是通过阻碍位错的移动来实现的，主要方法有：固溶强化，提高强度和硬度。细晶强化，提高强韧性位错强化，位错密度增加，提高强度弥散强化（第二相强化），细小均匀的第二相硬质点分布在基体上，阻碍位错移动面强化。加工硬化，金属产生塑性变形后位错密度增加，晶料变得细碎，使金属的强度硬度提高。大多数的合金元素较好利用了上述前四种强化机制。如合金钢淬火时，形成马氏体，马氏体中含较高的位错密度，马氏体的形成分割了A的晶粒，使之细小，马氏体中碳的过饱和产生固溶强化，回火时析出的碳化物颗粒又产生弥散强化，等等。第三节结构钢结构钢按用途分为工程结构钢和机器结构钢两大类。一、工程结构钢用于制作各种工程构件的钢称为工程结构钢，如制作房屋、桥梁、起重机机械、锅炉、压力容器、钻井架、车辆构件等，所以又称工程构件用钢或建筑工程用钢，包括碳素结构钢和低合金高强度结构钢。1．碳素结构钢见第四章碳钢的分类、编号及用途。2．低合金高强度结构钢用途：在大气和海洋中工作的的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆、船舶、输油输气管道、压力容器等。性能特点：强度高，良好的塑性、韧性、冷冲压性能及焊接性能，可抵抗大气腐蚀。成分特点：低碳（0.2%），保证良好的塑性；合金元素Me：以Mn为主，强化铁素体基体，产生固溶强化；加入少量的Ti、V、Nb、Re等，细化晶粒，提高强韧性。牌号：Q＋数字＋（质量等级符号A、B、C、D、E）共11个牌号，6个等级，以强度等级分类，如表所示。热处理工艺特点：一般在热轧空冷状态下使用，必要时经正火处理后使用。正火处理的温度在Ac3+（30～50）℃，使用态组织为（P+F）。典型牌号及用途：（1）在Q345较低级别的钢中，16Mn最具有代表性，是目前我国用量最多、产量最大的一种低合金高强度钢。其派生钢种有16MnRe、16MnCu等，Re的主要作用是提高塑性和韧性，提高疲劳强度，降低冷脆转变温度，Cu的主要作用是通过钝化提高耐蚀性。这类钢多用于船舶、车辆、桥梁等大型钢结构。（2）对Q420级的15MnVN、14MnVTiRe等，加入了钒、氮起到细化晶粒和第二相强化作用，稀土又起净化晶界作用，提高强韧性，因此强度高于15MnTi。（3）Q460级的钢种，如14MnMoVBRe，加入钼和微量硼元素，可推迟奥氏体冷却时的铁素体析出，而对贝氏体转变则影响不大，正火后得到贝氏体组织，然后再高温回火，以稳定组织，消除内应力，提高塑性和韧性，焊接性好，适于制造