《工程材料》第七章-钢铁材料

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1、第七章 钢铁材料,学习内容 1. 钢中的杂质和合金元素； 2. 钢的编号； 3. 合金结构钢 4. 工具钢； 5. 特殊性能钢；,钢铁材料:钢和铸铁的总称。 钢分为两大类： 碳钢（价格便宜，占钢量的90）; 合金钢（占钢量的10）。,第一节 钢中的杂质,碳钢的主要成分为Fe和C。 因原材料及冶炼工艺等因素，混入一些杂质元素，主要： Mn（锰）、Si（硅）、S（硫）、P（磷）、H（氢）、N（氮）、O（氧） 等，对钢的性能影响较大。,1. S（硫） S是炼钢时无法除尽的有害杂质。难固溶于Fe，形成低熔点FeS（1190），FeS又与-Fe形成低熔点共晶体（FeS+Fe）（985），分布于奥氏体晶界

2、上。 当钢加热到锻、轧温度时，（FeS+Fe）共晶体熔化，造成沿晶界碎裂，称为 “红脆”或“热脆”。, S在钢焊接时，易导致焊缝热裂，使焊缝出现氧化、气孔和疏松。 高级优质钢：S0.02%0.03%； 优质钢：S0.03%0.045%； 普通钢：S0.055%0.7%以下。, S的有利方面：切削性好。 含S非调质钢制造胀裂式连杆的锻坯：70S(0.7%C,0.2%S)，髙强度而又易切削。 锻造温度可适当降低。,S改善钢的切削加工性，钢含S达到0.18%-0.3%时成为“易削钢”。易断屑，粗糙度小。 S与Mn形成硫化物，可减少刀具与工件表面的磨损，延长刀具寿命。 “易削钢”在自动机床进行大批量、

3、低误差加工，用于载荷不大的零件。,2. Mn（锰） 有益元素，随脱氧剂进入钢中。 脱氧：把钢水中的FeO还原为Fe。 Mn对S的亲和力大于Fe，优先形成高熔点的在高温下具有一定的塑性的MnS，可避免钢发生热脆。 Mn固溶于铁素体中，起到固溶强化作用。 Mn增加珠光体量，能细化晶粒,显著提高钢的力学性能。,3. Si（硅）影响与锰相似，炼钢脱氧剂 脱氧能力比Mn强，能更好地将FeO还原。 Si溶于F中，起固溶强化作用。 冶炼后含量通常小于0.5%。,4. P（磷） 生铁中带入，不能除尽有害元素。 在F中固溶强化，钢的强度、硬度显著提高 。 使钢的塑性、韧性在室温下急剧降低，称“冷脆”。 Fe-P

4、合金偏析严重。 含P0.08%0.15%，F脆化，切削加工性提高。 高P钢抗大气、海水腐蚀，含Cu时，作用更加显著。,5. N（氮） -Fe中590溶解度最大0.1%，室温时0.001%以下，过饱和N的F，变形后析出N化物，使低C钢强度上升，塑性下降，性能不稳定。 与钒、铌、钛形成N化物，有细化晶粒和沉淀强化的效果。 研发以N代Ni，制造低铬或无铬不锈钢, 替代Cr18Ni9Ti不锈钢。,6. H（氢）含量甚微，危害很大： 微量H引起“氢脆” 产生大量微裂纹白点，使钢塑性显著下降，韧性几乎为0。 7. O（氧）以氧化物的形式存在，如FeO、Fe2O3、SiO2、MnO、Al2O3、CaO、Mg

5、O、复合氧化物等，使钢的性能下降。,第二节 钢与合金元素,合金钢：在碳钢中有意识加入一种或几种元素，形成合金钢。 常见合金元素 Ni、Si、Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Ti、Co等。 优越性 机械性能好；淬透性高； 获得特殊性能钢:不锈钢、耐热 钢、耐磨钢等。,合金元素在钢中存在形式取决于与C的亲和力,1、合金元素对钢机械性能的影响 金属的强化机制主要有固溶强化、位错强化、细晶强化、第二相(沉淀和弥散)强化四种。合金元素在这些强化机制中起到了重要作用。 1)固溶强化，晶格畸变阻碍位错运动。Mn、Si 2)形成合金碳化物弥散强化 Nb，V，Al，Ti 3)阻碍A晶粒长大细晶强化； 大多数合金

6、元素都有阻止A晶粒长大作用， 主要： Nb、V、Al、Ti、,合金元素对钢性能的影响 4)提高淬透性M强化，Si、Mn、Cr、Ni、B， 合金元素（除Co外）推迟珠光体(P)转变，使C曲线右移。 注意：合金元素 只有完全溶于奥氏 体时, 才能提高淬 透性。未溶解合金 元素形成碳化物促 进形核，会降低淬 透性。,5)合金元素改变马氏体转变温度,大多数合金元素都降低Ms和Mf点（Co、Al除外）, 作用次序：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。 Ms和Mf点的下降, 使残余A增多。采用冷处理(冷至Mf点以下)或多次回火可继续M转变。,GCr15钢块规热处理工艺曲线,合金元素对钢性能的影响 6)提高回

7、火抗力,Si、W、Mo、V、Ti 7)产生二次硬化沉淀出弥散稳定的难熔碳化物W2C、VC、Cr7C3等, 使钢的硬度升高, 称为沉淀硬化。提高钢的红硬性、硬度及耐磨性。,2、合金元素对相图的影响,1） Ni、Mn使相区扩大，使E、S点向左、下移动；A1和A3温度降低。,2） Si、Cr、Mo、W、V、Ti等使相区缩小, E、S点向左、上移动；A1 和A3温度升高。,3、合金元素对钢的工艺性能的影响,1）铸造性能 (流动性降低、成分偏析严重),2）塑性加工性能 3）焊接性能 4）切削性能 5）热处理工艺性能 合金钢的淬透性高，可慢速冷却得到M，减少工件的变形和开裂倾向。,第三节 钢的分类、牌号及

8、用途,一、碳钢的分类 1.碳含量 低碳C%0.25%、中碳0.25C%0.6%、高碳C0.6% 2质量 普碳钢S0.055,P0.045、优质碳素钢S0.04, P0.04 、高级优质碳素钢S0.03,P0.035 3按用途 碳素结构钢、碳素工具钢、铸钢,4、牌号及用途 碳素结构钢牌号Q数字字母。表示屈服强度值。字母A、B、C、D为质量等级（硫、磷含量），A级钢含硫、磷量最高，D级钢含硫、磷量最低。 如Q235B、Q275，塑性、焊接性好。为低碳钢。,二、合金钢的分类 低合金钢（合金10%） 按用途：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢,GCr15轴承,70MnSi 钢轨 W18Cr4V Cr2

9、5Ni20,20CrMnTi齿轮,二、合金钢的编号 合金结构钢40Cr，碳：0.40%，Cr：1.5%以下。 合金工具钢5CrMnMo，碳0.5%, Cr、Mn、Mo1.5%以下。 滚珠轴承钢 GCr15，碳1.0%、铬约1.5%。 易切削钢Y40Mn，碳0.4%、锰1.5%。 高级优质钢，末尾加“A”字，例如20Cr2Ni4A等。 16MnR（容器用钢）、09MnNiDR低温容器用钢,第四节 结构钢 一、普通碳素结构钢： Q195、Q215、Q235A、Q235B，塑性、焊接性较好，强度较低，轧制成钢筋、钢板、钢管等，用于桥梁、建筑物骨架等构件、普通螺钉、螺帽、铆钉等。 Q235C、Q235

10、D可用于罐体焊接件。 Q255、Q275 强度较高，可轧成型钢、钢板用于构件。,钢筋混凝土立交桥,钢制罐体污水处理设备,焊口 焊接性,二、优质碳素结构钢,钢号用平均碳质量分数的万分数表示。 例如，钢号“20”即表示碳质量分数为0.20%的优质碳素结构钢。 若钢中锰含量较高，则在这类钢号后附加符号“Mn”，如15Mn、45Mn等。,常用优质碳素结构钢： 08F 塑性好，可制造冷冲压零件； 10、20钢 冷冲压性与焊接性能良好，可用作冲压件及焊接件，经过热处理（如渗碳）也可以制造轴、销等零件；,35、40、45、50钢 经热处理后，可获得良好的综合机械性能，用来制造较小齿轮、轴类、缸套等零件。,6

11、0、65钢 主要用来制造弹簧。,三、合金结构钢 制造重要工程结构和机器零件的合金钢。 主要有低合金高强度结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚珠轴承钢。,（一）、低碳低合金高强度结构钢（简称低合金高强钢） 主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、储罐、大型钢结构等。,低合金高强钢性能要求 (1) 高强度：屈服强度300 MPa以上。 (2) 高韧性：延伸率15%20%，冲击韧性600 800 kJ/m2。 (3) 良好的焊接性能和冷 成型性能。 (4) 低的冷脆转变温度。 (5) 良好的耐蚀性。,常用低碳低合金高强度结构钢 Q345 （16Mn）用量最多、产量最大的

12、高 强度、高韧塑性钢种。使用状态组织为细 晶粒的铁素体珠光体(轧后空冷)。适用 于桥梁、钢结构建筑、高压管道 与罐体、深冲容器（16MnR）等， 具有较好的性价比。,例：用16MnR制造铁路客车侧梁深冲开裂问题,板厚10-12mm,16Mn冶炼铸轧不当，易出现严重偏析和带状组织。在钢的一些局部产生贝氏体或马氏体，降低钢的韧性。,Q420（15MnVN） 强度较高，且韧性、焊接性及低温韧性也较好，用于制造桥梁、锅炉、船舶等大型结构。,杨浦大桥,武汉长江大桥建成于1957年10月 桥的主跨度128m，采用普通碳素结构钢Q235,典型钢号比较：,江西九江长江大桥Q420（15MnVNq） 建成于19

13、92年,南京长江大桥Q345（16Mnq） 建成于1968年,强度级别超过500 MPa ，加入Cr、Mo、Mn、Si、V、B等，空冷得到贝氏体组织（如22Mn2SiVB空冷贝氏体钢），使强度，塑性、焊接性能较好，多用于高压锅炉、高压容器等。,低合金高强度结构钢的热处理特点 一般在热轧空冷状态下使用，不需要专门的热处理。显微组织一般为铁素体+珠光体或索氏体（细珠光体）。,（二）合金渗碳钢,汽车、拖拉机中的变速齿轮、凸轮轴、活塞销、万向节、拨叉等零件。 零件工作中受到强烈的摩擦磨损，又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。,拨叉,变速齿轮,对渗碳零件的性能要求 (1) 表面渗碳层高硬度， 保证耐磨

14、性和接触疲劳 抗力，适当塑性和韧性。 (2) 心部高韧性和足够强度。 (3) 切削性；高温渗碳（900950），晶粒不易长大；良好的淬透性。,汽 车 万 向 节,渗碳零件用钢及牌号 20Cr低淬透性钢。 20CrMnTi、20CrMo中淬透性钢。过热敏感性较小，渗碳过渡层均匀，有良好的机械性能和工艺性能，用于汽车齿轮。 20Cr2Ni4A高淬透性钢。具有较好的韧性。,汽车用合金渗碳钢的热处理和组织性能 热处理工艺: 锻坯等温正火渗碳淬火低温回火。 表面组织： 渗碳体+回火M+少量A， 硬度6062 HRC。 心部组织： 完全淬透：低碳回火M， 硬度4048 HRC。 未完全淬透：组织为回火MP

15、少量F， 硬度2540 HRC。,20CrMo合金渗碳钢制造汽车变速齿轮,合金渗碳钢制造变速箱齿轴,楔 横 轧,滴注式渗碳热处理自动生产线（南京东风汽车）,（三）、合金调质钢（中碳合金钢） 用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件。 轴类件、连杆、大载荷齿轮、螺栓等。,40MnVB进气阀,40Cr连杆螺栓,合金调质钢零件性能要求 调质件承受多种工作载荷，受力复杂，要求综合机械性能高，即高的强度和良好的塑性、韧性。,连 续 式 调 质 生 产线,山 东 潍 坊 柴 油 机 厂,钢种及牌号 40Cr、 35CrMo 、40CrNiMo,合金调质钢零件的热处理 最终热处理：淬火高温回火 500650。,合金调质钢零件调质后的组织： 回火索氏体 表面要求耐磨的零件，再进行感应淬火，表面组织为回火马氏体。表面硬度可达55 58 HRC。,感 应 淬 火,（四）、合金弹簧钢,1. 用途 合金弹簧钢是一种专用结构钢，用于制造各种弹簧和弹性元件。,2.合金弹簧钢性能要求 (1) 高的弹性极限e，尤其是高的屈强比s /b。 (2) 高的疲劳强度。 (3) 足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆断。,3.合金弹簧钢成分 (1) 中、高碳 0.50%0.70%。碳含量过高时，塑性、韧性降低，疲劳抗力也下降。 (2) Si、Mn为主，提高淬透性，提高屈强比。重要用途的弹簧钢加入Cr、V、W等元素,