钢铁材料简介解析

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1、第3章 金属材料,金属材料是最重要的工程材料，工业上将金属及其合金分为两类： 黑色金属铁和铁为基的合金，包括钢、铸铁和铁合金； 有色合金包括黑色金属以外的 所有金属及其合金。 金属材料中95%为钢铁，钢铁的工 程性能比较优越，价格便宜，是应用最 多的工程金属材料。 钢材一般是按化学成分、质量等 级、冶炼方法和用途进行分类。如图示。 各国钢材的编号方法大致分为两种： 一种是采用数字和字母并列的系统，如 中、德、苏、日等国家；一种是采用数 字系统，如美国等。,第一节、碳钢的牌号及用途 一、碳素结构钢 根据国标GB700-88，碳素结构钢的牌号和化学成分如书中表3-1所示。 这类钢主要保证机械性能，

2、所以其牌号体现其机械性能。表示方法：钢的牌号 用Q加上数字来表示，如Q275，其中Q是钢屈服强度的汉语拼音字母，其后的数字 则表示屈服强度的数值。 若牌号后标注字母A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同，即硫、磷质量分 数不同。其中，A级钢材硫、磷质量分数最高，而D级钢材硫磷质量分数最低。也 就是说，A、B、C、D表示钢材质量依次提高。 若在牌号后标注字母F，则表示钢材为沸腾钢。标注b为半镇静钢，不标注F或 者b则为镇静钢。 如Q235AF钢表示该钢种是最低屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。 Q235C则表示该钢种是最低屈服强度为235MPa的C级镇静钢。,书中表3-2、表3-3分别列出碳素

3、结构钢的力学性能以及新、旧国标的钢的牌号 的对比。 碳素结构钢主要保证机械性能。在一般情况下，在热轧状态使用，不再进行热 处理。但对某些零件，也可进行正火、调制、渗碳等处理，以提高其使用性能。 碳素结构钢的用途： Q195、Q215、Q235A、Q235B等钢塑形较好，有一定的强度。通常轧制 成钢筋、钢板、钢管等，也可用于桥梁、建筑物等构件。 Q255、Q235D钢可用于重要的焊接件。 Q255、Q275钢强度较高，可轧制成型钢、钢板用作构件。,二、优质碳素结构钢 优质碳素结构钢的钢号用平均碳纸量分数的万分数的数字来表示。例如20钢就 表示该钢为优质碳素结构钢，碳质量分数为0.20%（万分之2

4、0）。 若钢中锰质量分数较高，则在该类钢后附加符号“Mn”，如15Mn、45Mn等。 优质碳素结构钢主要用于制造各类机器零件： 08F钢塑性好，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、销类零件。 35、40、45、50钢经热处理后，可获得良好的综合机械性能，用来制造齿轮、轴类、套筒等零件。 60、65钢主要用来制造弹簧。 优质碳素结构钢使用前一般都要经过热处理。,三、碳素工具钢 碳素工具钢的碳质量分数在0.65%1.35%之间，钢号用平均碳质量分数的千分 数的数字来表示，数字之前冠以T（碳的汉语拼音字头）。 如，T9表示碳质量

5、分数为0.9%（千分之9）的碳素工具钢。 碳素工具钢均为优质钢。若硫磷含量更低，则为高级优质碳素工具钢，则在钢 号后面标注A。 如T12A表示该钢是碳质量分数为1.2%的高级优质碳素工具钢。 碳素工具钢的成分见书中表3-5。 碳素工具钢主要用来制造各种刃具、量具、模具等： T7、T8钢硬度高、韧性较高，可制造冲头、凿子、锤子等工具。 T9、T10、T11钢硬度高，韧性适中，可制作钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具 及量规、样套等量具。 碳素工具钢使用前都要进行热处理。,第二节、合金钢 随着科学技术和工业的发展，对材料提出了更高的要求，如更高的强度，抗高 温、高压、低温、耐腐蚀、耐磨损以及其它特殊物

6、理、化学性能的要求，此时碳钢 就不能完全满足这种要求。 碳钢的性能主要有以下几方面的不足： 淬透性低：一般情况下，碳钢水淬的最大淬透直径只有1520mm。因此，在制造大尺寸和形状复杂的零件时，不能保证性能的均匀性和几何形状不变。 强度和屈强比低：强度低会使工程结构和设备笨重。如Q235钢的屈服强度仅为235MPa，而低合金结构钢16Mn的屈服强度则为360MPa以上。屈强比低，说明强度的有效利用率低。如40钢的屈强比（s/0.2） 为0.43，而合金钢35CrNi3 Mo的屈强比可达0.74。 回火稳定性差：由于回火稳定性差，碳钢在进行调质处理时，为了保证较高的强度需采用较低的回火温度，这样钢

7、的韧性就差。为了保证钢有良好的韧性，当采用较高回火温度时，碳钢强度又偏低，所以碳钢的综合机械性能水平不高。 不能满足特殊性能的要求：碳钢在抗氧化、耐蚀、耐低温、耐磨损以及特殊电磁性等方面往往较差，不能满足特殊使用性能的要求。,合金钢：为了提高钢的性能，在碳素钢的基础上加入一种或者几种合金元素， 以改善钢的组织和性能，这种钢叫做合金钢。 合金钢的分类： 合金钢的分类方法很多，主要有以下几种： 按合金元素的质量分数多少，可分为低合金钢（合金元素总量一般不超过4%）、中合金钢（合金元素总量在5%10%）、以及高合金钢（合金元素总量高于10%）。 按所含的主要合金元素，可分为铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢

8、等。 按小试样正火或铸造状态的显微组织，可分为珠光体钢、马氏体钢、奥氏体钢和莱氏体钢等。 我国采用最简便的方法，按用途来分类，可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。,合金钢的编号：钢的牌号应反映其主要成分和用途。世界各国合金钢的编号方 法不同。我国合金钢按照碳质量分数、合金元素的种类和数量及质量级别来编号。 在钢的牌号首部用数字表明碳质量分数。为了表明用途，规定结构钢以万分之 一为单位的两位数字，工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的一位数字来表示碳 质量分数，对于工具钢，碳质量分数超过1%时，碳质量分数不标出。 在表明碳质量分数数字之后，用元素的化学符号表明钢中主要合金元素。合金 元素的质量分数由

9、其后面的数字表明，平均质量分数少于1.5%时，不标数。平均质 量分数为1.52.49%、2.53.49%时，相应标以2、3。 如40Cr为结构钢，平均碳质量分数0.4%，主要合金元素Cr质量分数1.5%以下。 5CrMnMo为工具钢，平均碳质量分数为0.5%，主要合金元素Cr、Mn、Mo的质量分数均在1.5%以下。 CrWMn钢是工具钢，碳质量分数大于1%，含有Cr、Mn、V，质量分数均低于1.5%。 对于高级优质钢，则在钢的末尾加A表明。例如，20Cr2Ni4A。,一、调质钢 应用最广泛的结构钢，在机械结构钢中约占70%。为了获得良好综合机械性能，调质钢通 常进行调质处理（淬火+高温回火）。

10、近年来，有许多合金调质钢采用等温淬火处理，能获得 优良的机械性能。此外，根据不同技术要求，还可以施以正火、淬火+低温回火等处理工艺。 1、调质钢的性能要求 调质钢制造的机械零件，如航空发动机的涡轮轴，飞机起落架的承力零件等，由于它们工 作时承受着拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、冲击、震动、摩擦等力 的作用，或者几种力同 时作用，在机械零件截面上产生张、压、切等应力。这些应力的值可能是恒定的，也可能是 交变的；在加载方式上可以是逐渐的或者是骤然的。总之，受力情况极为复杂。因此，调质 钢的机械性能和工艺性能应具备以下基本要求： 高的综合机械性能：一般是指强度、硬度和塑性的良好配合。如航空发动机的涡轮

11、轴在工作时要承受交变的弯矩、扭矩、轴向力和震动等载荷，因此，要求材料具有高的强度和足够的塑性，韧性以及疲劳强度。 良好的工艺性：是指合金的铸造性、压力加工性、切削加工性、焊接性以及淬透性等，以便于零件加工成形。 价廉、原材料资源丰富，且能够立足国内。,2、调质钢的合金化特点 调质钢合金化的主要目的是提高钢的淬透性和综合机械性能。 调质钢的化学成分特点：碳量在0.250.5%间，以获得良好的综合机械性能。 如零件要求以强度和硬度为主，则含碳量应采用上限，如受力大的轴类零件，含碳 量大于0.4%。相反，要求具有较高韧性和塑性的零件，则含碳量偏下限。 合金元素：根据合金元素在调质钢中的作用可分为两类

12、： 主加元素：Si、Mn、Cr、Ni、B，可以单独或者复合地加入钢中，对提高钢的 综合机械性能起到主导作用。主加元素Mn、Cr及微量B是提高钢淬透性的有效元 素，而Si、Ni作用稍弱，但Ni与Cr配合使用，能显著提高钢的淬透性。 辅加元素：W、Mo、V。通常不单独加入，与主加元素相配合，能使主加元素 作用得到进一步发挥。在钢中含量通常百分之一乃至千分之几，但所起作用很大。 辅加元素Mo、W一般含量小于1%。其主要作用是减轻第二类回火脆性。V一般 含量小于0.3%，因为大部分V能形成熔点较高的碳化物、氧化物等，并分布于奥氏 体晶界上机械地阻碍奥氏体晶粒长大。,3、调质钢及其热处理 根据淬透性（以

13、油淬临界直径DC/oil）可将调质钢分为三类： 时，为低淬透性调质钢； 时，为中淬透性调质钢； 时，为高淬透性调质钢。 中、高淬透性的调质钢在航空工业中应用最多。其中，30CrMnSiA钢是典型代 表。由于其具有良好的综合机械性能和工艺性能，且不含稀贵元素，故在航空工业 中广泛用于机身大架、机翼接头、起落架装置、重要的螺栓等。 合金调质钢需经淬火加高温回火热处理，其淬透性一般较高，大多采用油淬。 合金调质钢常规热处理后的组织一般是回火索氏体。,二、渗碳钢 在飞机制造业中，渗碳钢是仅次于调质钢的一种结构钢。 1、渗碳钢的性能要求 飞机或者发动机中某些零件如齿轮、活塞销及凸轮等，在工作过程中，除承

14、受 较大交变载荷、弯曲及扭转等疲劳载荷外，表面还受到相对摩擦产生的接触应力作 用，故要求材料表面具有高的硬度和耐磨性，而心部具有足够的强度和韧性。 为了满足上述要求，采用渗碳钢经渗碳（参书中p133渗碳处理）并淬火后使零 件从表面到中心形成高碳马氏体到低碳马氏体，再经低温回火，使得零件表面具有 高的硬度和耐磨性，以保证零件不致过早的磨损或者接触疲劳而破坏。同时，零件 心部则具有足够高的屈服强度和冲击韧性。 渗碳钢的工艺性能，主要要求钢的渗碳效果好，也就是渗碳速度大，渗碳的碳 浓度能够平缓地变化，性能均匀稳定。,2、渗碳钢的合金化特点 碳量： 一般为0.120.25%。随着含碳量的增加，材料的塑

15、性、冲击韧性 随之下降。对要求强度高的零件可选用下限。 合金元素： 渗碳钢中常用的合金元素有Cr、Ni、Mn及微量的B为主加元素，其主 要作用是提高钢的淬透性，同时保证零件心部具有高的强度和冲击韧性。 此外，渗碳钢中还含有少量的W、Mo、Ti等强碳化物形成元素，其主 要作用是防止高温（900以上）渗碳时奥氏体晶粒长大，同时能提高渗碳 层的耐磨性。,3、渗碳钢及其热处理 渗碳钢按其淬透性或者强度大小可分为三种： 低淬透性渗碳钢 中淬透性渗碳钢 高淬透性渗碳钢 航空工业中，多使用中、高淬透性渗碳钢，如12CrNi3A、12Cr2Ni4A、以及 18Cr2Ni4WA钢。 18Cr2Ni4WA钢是航空

16、发动机中应用较多的渗碳钢。该钢中含有主加元素Cr、 Ni，两者比例13，能有效提高钢的淬透性。同时，含有辅加元素W，一方面可细 化晶粒，也能提高钢的淬透性。该钢的淬透性非常好，属于高淬透性渗碳钢。 合金渗碳钢的热处理工艺一般都是渗碳后直接淬火，再低温回火。 热处理后，表面渗碳层的组织由合金渗碳体及回火马氏体及少量残余奥氏体组 成。而心部组织则和钢的淬透性和零件截面尺寸相关，完全淬透时为低碳回火马氏 体，多数情况下则是屈氏体、回火马氏体和少量铁素体。,三、超高强度钢 超高强度钢是为适应航空航天技术的需要而发展起来的一种新型钢种。就飞机 而言，为了提高飞行速度，要求尽可能减轻构件自身的重量，使材料具有高的屈强 比。超高强度钢和普通结构钢的区分界线，一般认为b15010E7N/mmE2, s 14010E7N/mmE2的钢，叫做超高强度钢。 由于强度的提高，塑性和韧性往往下降，因此超高强度钢面临以下问题： 缺口敏感性大，疲劳强度低。所谓缺口敏感性是指光滑试样和带缺口试样的抗拉强度比值，即缺口敏感系数来衡量，该系数大，缺口敏感性大。对于一般钢材