工程材料-第七章_工业用钢课件

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1、第七章工业用钢 Chapter 7 Steels Used for Industry,主要内容： 钢的分类和编号 钢中的杂质及合金元素 结构钢 工具钢 特殊性能钢,工业用钢包括碳素钢（简称碳钢）和合金钢两大类。 在工业用钢中，除Fe和C元素外，还含有其他元素，包括杂质元素（常存元素、隐存元素）和合金元素。 杂质元素(Impurity)：泛指钢冶炼后残留在钢中的元素。 合金元素(Alloying Element) ：为提高钢的性能特意添加到钢中的元素。 碳钢（Carbon Steel）：含碳量为0.0218%2.11%的铁碳合金，具有较好的性能，产量大、价格低，应用广泛，但淬透性、回火抗力差、屈

2、强比低。 合金钢（Alloy Steel）：在碳钢的基础上添加合金元素的铁基合金，总体性能优于碳钢，但加工困难、价格昂贵。 选材时，如果碳钢能够满足要求，一般不使用合金钢。,第七章 工业用钢,第一节钢的分类和编号 一、钢的分类 1.按化学成分分类,碳素钢,低碳钢（wC0.25%）,高碳钢（wC0.60%）,工业用钢,合金钢,低合金钢（wMe5%）,中合金钢（wMe510%）,高合金钢（wMe10%）,中碳钢（wC0.250.60%）,第七章 工业用钢7.1 钢的分类和编号,2.按用途分类,结构钢,工程构件用钢,建筑用钢,工业用钢,特殊性能钢,不锈钢,耐热钢,机器零件用钢,工具钢,桥梁用钢,船舶

3、用钢,车辆用钢,渗碳钢,调质钢,弹簧钢,轴承钢,刃具钢,模具钢,量具钢,第七章 工业用钢7.1 钢的分类和编号,3.按金相组织分类,（退火状态）,亚共析钢,过共析钢,工业用钢,（正火状态）,珠光体钢,贝氏体钢,马氏体钢,共析钢,莱氏体钢,奥氏体钢,复相钢,第七章 工业用钢7.1 钢的分类和编号,4.按质量分类,普通钢,（wS0.055%，wP0.045%）,工业用钢,高级优质钢,优质钢,（wS0.040%，wP0.040%）,（wS0.030%，wP 0.035%）,注：高级优质钢在其编号后加注“A” 特级优质钢在其编号后加注“E”,第七章 工业用钢7.1 钢的分类和编号,特级优质钢,（wS0

4、.015%，wP 0.025%）,二、钢的编号 普通碳素结构钢（Plain Constructional Carbon Steel） 用“符号数字”表示 举例： Q 2 3 5,屈服点的汉语拼音字头,屈服强度值不小于235MPa,第七章 工业用钢7.1 钢的分类和编号,平均含碳量的万分之几 08钢的平均wC=0.08%,第七章 工业用钢7.1 钢的分类和编号,优质碳素结构钢（Quality Constructional Carbon Steel） 用两位数字表示 举例： 4 5 0 8,平均含碳量的万分之几 45钢的平均wC=0.45%,第七章 工业用钢7.1 钢的分类和编号,合金结构钢（Co

5、nstructional Alloy Steel） 用“数字元素符号数字”表示 举例： 3 6 Mn 2 Si,平均含碳量的万分之几 平均wC=0.36%,含有锰元素，平均wMn=2%,含有硅元素，平均wSi 1.5%,第七章 工业用钢7.1 钢的分类和编号,碳素工具钢（Carbon Tool Steel） 用“T数字”表示 举例： T 12 A,“碳素工具钢”之汉语拼音字头,平均含碳量的千分之几 平均wC=1.2%,高级优质钢,第七章 工业用钢7.1 钢的分类和编号,合金工具钢（Alloy Tool Steel） 用“数字元素符号数字”表示 举例： 9 Mn 2 V,平均含碳量的千分之几 平

6、均wC=0.9%,含有锰元素，平均wMn=2%,含有钒元素，平均wV 1.5%,第七章 工业用钢7.1 钢的分类和编号,滚动轴承钢（Rolling Bearing Steel） 用“G数字”表示，不标出含碳量 举例： G Cr 15,“滚动轴承钢”之汉语拼音字头,含有铬元素，平均wCr=1.5%,第七章 工业用钢7.1 钢的分类和编号,高速工具钢（High Speed Tool Steel） 用“元素符号数字”表示，不标出含碳量 举例： W 18 Cr 4 V,含有钨元素，平均wW=18%,含有铬元素，平均wCr=4%,含有钒元素，平均wV 1.5%,第七章 工业用钢7.1 钢的分类和编号,不

7、锈钢（Stainless Steel） 用“数字元素符号数字”表示 举例： 1 Cr 18 Ni 9 Ti,平均含碳量的千分之几 平均wC=0.1%,含有铬元素，平均wCr=18%,含有镍元素，平均wNi=9%,含有钛元素，平均wTi1.5%,第七章 工业用钢7.2 钢中的杂质及合金元素,第二节钢中的杂质及合金元素 一、杂质元素对钢性能的影响 1.有益元素 锰（Mn） Mn能脱氧、消除硫的有害作用。 Mn能溶入铁素体中产生固溶强化，提高钢的硬度和强度。 硅（Si） Si有脱氧作用。 Si能溶入铁素体中起固溶强化作用，提高钢的硬度和强度。,第七章 工业用钢7.2 钢中的杂质及合金元素,2.有害元

8、素 硫（S） S易与Fe在晶界上形成低熔点(985C)共晶体，在1150C1200C的热加工时，由于其熔化而导致开裂，从而导致钢的“热脆”。,磷（P） P能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，从而引起钢的“冷脆”。,晶界上的低熔点硫化物共晶,第七章 工业用钢7.2 钢中的杂质及合金元素,3.气体元素 氮（N） 过量N会使钢的塑性、韧性显著降低，产生“时效脆化”。 氧（O） O是有害元素，易成为非金属夹杂物而降低钢的性能。 氢（H） H是有害元素，引起钢的“氢脆”和形成“白点”（微裂纹）。,钢中的氧化物夹杂,钢中的白点,第七章 工业用钢7.2 钢中的杂质及合金元素,二、合

9、金元素在钢中的作用 合金元素在钢中的存在形式： 溶解于碳钢原有的相中 举例：溶入F中、溶入A中、溶入Fe3C中（形成合金渗碳体）。 形成某些碳钢中没有的新相 举例：Cr23C6、W2C、VC等。 合金元素的种类： 非碳化物形成元素（Non-carbide Former） 举例：Ni、Si、Al、Co、Cu、N、B等。 碳化物形成元素（Carbide Former） 举例：Ti、Zr、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn等。,第七章 工业用钢7.2 钢中的杂质及合金元素,1.合金元素对钢中基本相的影响 溶入铁素体，起固溶强化作用 非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元素都溶于铁素体，形成合金铁素体，起固

10、溶强化作用，提高钢的硬度和强度。 Cr、Ni在适当范围内还能提高钢的韧性。,Me对F硬度的影响,Me对F冲击韧性的影响,第七章 工业用钢7.2 钢中的杂质及合金元素,形成碳化物，起强化相作用 碳化物形成元素在钢中与C作用形成碳化物，作为强化相，可显著提高钢的强度、硬度和耐磨性。 碳化物形成元素与碳的亲和力的大小： TiZrVNbWMoCrMnFe （1）强碳化物形成元素 Ti、V、Nb等与碳亲合力很强，几乎总是与碳形成特殊碳化物。 特殊碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性高。 （2）中强碳化物形成元素 W、Mo、Cr等，当其含量较少时，多溶于渗碳体中而形成合金 渗碳体(Fe，Me)3C；当含量较

11、高时，则可能形成特殊碳化物。 （3）弱碳化物形成元素 Mn等与碳的亲合力较弱，除少量可溶于渗碳体中形成合金渗碳 体外，大部分溶于铁素体或奥氏体中。,第七章 工业用钢7.2 钢中的杂质及合金元素,2.合金元素对Fe-Fe3C相图的影响 钢中加入合金元素后，Fe-Fe3C相图将发生变化，这些元素或者扩大奥氏体区域，或者缩小奥氏体区域。,扩大 区的元素 Ni、Mn、C、N等。 使奥氏体区域扩大。 使A1和A3温度降低。 使S点和E点向左下方移动。 特例： 当Mn13%或Ni24%时，S点降到室温以下，即在室温下可获得奥氏体组织。,Mn对 区的影响,第七章 工业用钢7.2 钢中的杂质及合金元素,缩小

12、区的元素 Cr、Mo、Si、W等。 使奥氏体区域缩小。 使A1和A3温度升高。 使S点和E点向左上方移动。 特例： 当Cr13%时，在室温下奥氏体相区消失，即可获得单相铁素体组织。,Cr对 区的影响,第七章 工业用钢7.2 钢中的杂质及合金元素,3.合金元素对钢的热处理的影响 对奥氏体化的影响 大多数合金元素延缓钢的奥氏体化过程。 它们阻碍C和Me的扩散，因此合金钢的A化温度较高、时间较长。 Ni、Co等部分非碳化物形成元素使奥氏体的形成速度加快。 Al、Si、Mn等对奥氏体形成速度影响不大。 对奥氏体晶粒度的影响 几乎所有合金元素都细化奥氏体晶粒。 碳化物形成元素的细化晶粒效果尤其显著，它们

13、形成的碳化物分布在A中时，能够阻碍晶界的迁移，从而阻止晶粒长大。 Mn、P具有促进奥氏体晶粒长大的倾向。,第七章 工业用钢7.2 钢中的杂质及合金元素,对钢的淬透性的影响 除Co外，几乎所有合金元素只要溶入奥氏体中，均使C曲线向右移，即提高钢的淬透性。 常用提高淬透性的元素： Mn、Cr、Ni、Si、B。,第七章 工业用钢7.2 钢中的杂质及合金元素,对钢的回火转变的影响 提高钢的回火稳定性。 回火稳定性（Tempered Stability） ： 淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力。又称回火抗力。 大多数合金元素能够阻碍M的分解和碳化物的析出与聚集长大。 产生二次硬化 二次硬化（Secon

14、dary Hardening） ： 钢在回火时硬度不仅不下降，反而升高的现象。 W、 Mo、V含量较高的高合金钢回火时, 硬度不是随回火温度升高而单调降低, 而是到某一温度（约400）后反而开始增大, 并在另一更高温度（一般为550左右）达到峰值，即产生二次硬化。 防止第二类回火脆性 W、Mo等元素有防止第二类回火脆性产生的作用。,第七章 工业用钢7.3 结构钢,第三节结构钢 结构钢是制造各种工程结构和机器零件的钢。 结构钢的性能要求： 使用性能以强韧性为主。 工艺性能以焊接性、淬透性为主。 良好的耐大气、水腐蚀性。 结构钢的成分特点： 大多数结构钢含合金元素在5%以内，属于低合金钢。,第七章

15、 工业用钢7.3 结构钢,一、工程构件用钢（Engineering Constructional Steel） 工程构件用钢是桥梁、建筑、船舶、化工、石油、车辆、电站、国防等国民经济部门制造各种重要构件的金属材料。 工程构件用钢的性能要求： 高的弹性极限和高的刚度，低的屈强比。 良好的焊接性和冷变形性。 良好的耐大气、水腐蚀性。 工程构件用钢的成分特点： 低含碳量：wC0.25%。 含微量合金元素：V、Ti、Nb、Zr、Ca、RE（稀土元素）等。,第七章 工业用钢7.3 结构钢,普通碳素结构钢 （1）化学成分特点 低碳：0.100.20% （2）典型钢号 Q235 （3）热处理特点 一般不进行

16、专门的热处理，只保证力学性能和工艺性能。 （4）使用状态及组织 使用状态：热轧态，组织：FP（少量）。 （5）应用 建筑钢筋。,建筑钢筋,第七章 工业用钢7.3 结构钢,第七章 工业用钢7.3 结构钢,建筑钢筋,第七章 工业用钢7.3 结构钢,低合金高强度钢（High-strength Low-alloy Steel） 过去称为普通低合金结构钢、普低钢。 （1）化学成分特点 低碳：0.100.20%，锰含量：1.21.6%。 （2）典型钢号 Q345（16Mn） 相当于是在Q235的基础上多添加了0.60.8%的Mn。 （3）热处理特点 一般不进行专门的热处理，只保证力学性能和工艺性能。 （4）使用状态及组织 使用状态：热轧态或正火态，组织：FP（少量）。 （5）应用 桥梁钢构、船用钢板等。,南京长江大桥,第七章 工业用钢7.3 结构钢,南京长江大桥中的钢结构,第七章 工业用钢