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1、第三章碳钢,第一节 碳钢的化学成分对钢性能的影响,一、碳钢的概念：碳钢是含碳量小于2.11%的铁碳合金，并含有少量的硅、锰、硫、磷等元素。 二、钢和铁的区别：主要以含碳量来区分。含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铁，小于2.11%的铁碳合金称为钢。成分的不同，决定了结构不同，性能的不同。 日常生活中所说的生铁就是课本上所说的铁，日常生活中所说的熟铁就是课本中所说的钢。（性能不同）,三、钢中常存元素对钢性能的影响：1.有益元素： Si 有很强的固溶强化作用,能脱氧。 Mn 固溶强化，提高钢的强度和硬度、脱氧、去硫。2.有害元素: P有很强的固溶强化作用,低温韧性差 ( 冷脆 )。 S 能引起钢在
2、热加工时或高温工作下开裂 ( 热裂或热脆 )。（S和Fe生成低熔点的共晶体）,（二）硅的影响 脱氧剂，硅增大钢液的流动性。可使热轧钢的抗拉强度提高，屈服点提高，伸长率下降。钢的面缩率和冲击韧性下降不明显。但是，当硅含量超过0.81.0%时，则引起断面缩率下降，特别是冲击韧性显著降低。,（一）锰的影响 脱氧剂。 有益元素，碳钢中不超过0.8%， （1）固溶强化； （2）形成MnS，消除硫的有害影响。,（三）硫的影响 一般来说，硫是有害元素，它主要来自生铁原料、炼钢时加入的矿石和燃料燃烧产物中的二氧化硫。 硫在铁中的溶解度很小。室温时，硫以硫化物夹杂的形式存在于固态钢中。 硫的最大危害是引起钢在热
3、加工时开裂，即产生所谓热脆。 硫通过形成硫化物夹杂而对钢的力学性能发生影响。增加钢中的含硫量，使硫化物夹杂的含量增高，钢的范性和韧性将降低，同时，钢材力学性能的方向性增大，钢的热加工性能也变坏。硫对钢力学性能的影响，不仅和钢的含硫量有关，而且还和所形成的硫化物夹杂的大小、形状和分布，并与基体的组织有关。,改变硫的存在方式：加入适当的Mn，Mn与S的化学亲和力大于Fe，优先形成MnS，MnS的熔点1600，高于热加工温度，可避免热脆的发生。,硫能提高钢材的切削加工性，这是硫的有益作用。在易削钢中，含硫0.080.2%，同时含0.501.20%Mn。,在大多数情况下，由于硫的有害影响，同时也考虑到
4、硫的偏析倾向很大，所以，一般对钢的含硫量限制甚严。在普通质量碳钢中，硫含量不大于0.055%，在优质钢中不大于0.045%，在高级优质钢中不大于0.02%。,（四）磷的影响一般来说，磷是有害杂质元素。它来源于矿石和生铁等炼钢原料。钢中残余含磷量与冶炼方法有很大关系。,磷在纯铁中有相当大的溶解度。磷能提高钢的强度，但使范性、韧性降低，特别是使钢的脆性转折温度急剧升高，即提高钢的冷脆性。,1、氮：炼钢时氮通过炉气进入钢中。钢件快速冷却时氮因来不及析出而过饱和固溶在铁素体中。在随后放置中逐渐以Fe4N形式析出，降低钢的韧性。 称为蓝脆(因300上下应变时最易产生) 蓝脆是造成船舶、桥梁灾难性事故的原
5、因之一。,2、氢：高温下氢大量溶于钢中。随温度下降，氢在钢中的溶解度急剧降低，但氢来不及逸出表面，过饱和氢逐渐在晶界等缺陷处偏聚，并逐渐形成氢气，体积膨胀引起大的内应力，导致微裂纹，这种氢使钢变脆的现象称为氢脆严重的缺陷。消除方法：锻后缓冷。尤大型锻件。,（五）氮、氢、氧等微量气体的影响,白点,发裂,3、氧： 氧化物夹杂物，如FeO、A12O3、SiO2、MnO、CaO、MgO等，对钢的塑性、韧性、疲劳强度等影响很大。有害元素的利用： S、P在易切钢中的应用 P在炮弹钢中的应用。,进入第二节,第二节 碳钢的分类、编号及用途,一、碳钢的分类,1.按用途分类；2.按化学成分分类；3.按质量等级分类
6、；4.按冶炼方法分类；5.按工艺方法（脱氧程度）分类 ；,1.按用途分类（1）结构钢 可分为工程构件用钢（如建筑工程用钢、桥梁工程用钢、船舶工程用钢、车辆工程用钢）和机器零件用钢（如调质钢、渗碳钢、弹簧钢、轴承钢等）。（2）工具钢 根据用途不同可分为刃具钢、模具钢、量具钢等。（3）特殊性能钢 可分为不锈钢、 耐热钢、耐磨钢等。,模 具,量 具,刃 具,2.按化学成分分类 按化学成分分为非合金钢、低合金钢和合金钢。 非合金钢是指WC2.11% ，并含有少量Si 、Mn 、S 、P等杂质元素的铁碳合金，在施行新的钢分类标准以前称为碳素钢(简称碳钢)。按其含碳量又分为低碳钢(0.0218%WC0.2
7、5%)、中碳钢(0.25%WC0.60%)和高碳钢(WC 0.60%)。 低合金钢与合金钢是指在非合金钢基础上有目的的加入了某些元素所形成的钢种,加入钢中的元素称为合金元素。,3.按质量分类 主要按钢中的有害杂质磷、硫含量来分类。可分为 普通钢(WS、 WP0.045%)； 优质钢(WS、 WP0.035%)； 高级优质钢(WS0.020%、 WP0.030%)； 特级优质钢(WS0.015% 、 WP0.025%)等。,4.按冶炼方法分类 可按炉别分为平炉钢、转炉钢、电炉钢。 平炉钢是靠燃料（煤气或重油）的燃烧来熔化炉料和提高钢水温度，靠炉气中的氧气和加入铁矿石进行氧化反应，由于平炉钢消耗大
8、量燃料在我国已被淘汰。 转炉钢是把空气或氧气吹入铁水中，使铁水中的C、Mn、Si、 P、S等迅速氧化、靠氧化时放出的热量来升温，而不靠燃料供热的炼钢方法。转炉钢由于节省燃料是目前主要炼钢设备。 电炉钢是利用电能作为热源的炼钢方法。电炉钢主要生产高质量和高合金钢。,5.按工艺方法（脱氧程度）分类 按脱氧程度不同分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。 沸腾钢是指只用Mn铁（价格低、脱氧效果差）脱氧，所以钢中含氧较多，浇注时，钢中氧与碳发生作用析出大量CO，因此钢水在钢模内呈沸腾现象，称沸腾钢。沸腾钢成材率高，成本低，但化学成份不均匀、偏析、杂质多。沸腾钢钢号最后用“F”表示。 镇静钢是指除用Mn铁，还用S
9、i铁（有时用Al）脱氧，钢中氧已很少，浇注时没有沸腾现象。镇静钢化学成分均匀，机械性能较好，但有缩孔，成本高。镇静钢钢号后加“Z”。 半镇静钢的脱氧程度在镇静钢与沸腾之间，性能也介于之间，钢号后加“b”。半镇静钢应用较少。,6、按含碳量分类 按钢的含碳质量分数分类低碳钢 含碳质量分数 c0.25%中碳钢 含碳质量分数 c=0.25-0.60%高碳钢 含碳质量分数 c0.6%含碳量越高，其强硬度越高，塑韧性越低。,二、碳钢的编号方法,（1）普通碳素结构钢 （2）优质碳素结构钢 （3）碳素工具钢,（1）普通碳素结构钢 该类钢牌号表示方法由代表屈服点“屈”字的汉语拼音字首（Q）、屈服点数值、质量等级
10、符号(A 、B 、C 、D 、E)及脱氧方法符号(F、b、Z 、TZ)等四个部分按顺序组成。例如Q235-AF，即表示屈服点为S235MPa 、A等级质量的沸腾钢。 F 、b、Z 、TZ 依次表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢，一般情况下符号Z与TZ在牌号表示中可省略。 质量等级符号反映碳素结构钢中磷、硫含量的多少，A、B、C、D质量等级依次增加。,约占钢总产量的 7080，大部分作工程结构件。牌号：Q+S （一组数字） +质量等级+脱氧方法“Q”-表示屈服点的汉语拼音字首S-表示屈服 强度，单位MPa质量等级为 A、B、C、D四个等级，从A到D依次升高。 脱氧方法： F（沸腾钢）、b（
11、半镇静钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）；Z、TZ在牌号中不标出。例如 Q215-AF表示S215MPa，质量为A级的沸腾钢；Q235-Bb表示S235MPa，质量为B级的半镇静钢。,Q195、Q215、Q235A、Q235B 塑性较好，有一定的强度，通常轧制成钢筋、钢板、钢管等，可用于做桥梁、建筑物等构件，也可用做普通螺钉、螺帽、铆钉等。 Q235C、Q235D可用于重要的焊接件。 Q255、Q275 强度较高，可轧制成型钢、钢板作构件用。 这类钢常在热轧状态下使用，不再进行热处理。但对某些零件，也可以进行正火、调质、渗碳等处理，以提高其使用性能。 详见表3-2,常用碳素结构钢钢板钢筋建
12、筑构件螺钉铆钉钢桥梁,（2）优质碳素结构钢 其牌号用两位数字表示，两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万倍。例如 45钢,表示平均WC0.45%；08钢表示平均WC0.08%。 优质碳素结构钢按锰的质量分数不同,分为普通锰(WMn0.25%0.80%)与较高锰(WMn0.70%1.2%)两组。较高锰的优质碳素结构钢牌号数字后加“Mn”,如 65Mn。 沸腾钢、半镇静钢以及专门用途的优质碳素结构钢，应在牌号后特别标出，如08F即指平均含碳量为0.08%的沸腾钢；15g即指平均碳质量分数为0.15%的锅炉钢。,用平炉或电炉冶炼。其中 S0.035、P0.035，化学成分加以严格控制，塑性、韧性较高，
13、多用于制造重要的零件。这类钢 HBS、S、b高，经热处理后力学性能较好。钢的牌号用 2位数字表示数字表示钢的平均含碳量的万分数。45钢表示平均含碳量为0.45的优质碳素结构钢。数字后加F的为沸腾钢，如08F。数字后加Mn的为含锰量较高的钢,如45Mn。牌号自08，1080，中间为5进制。,优质碳素结构钢的用途,08、10钢，含碳量很低，塑性很好，可用来作冲压件。1530钢，低碳钢，b不高，而塑性韧性较好，具有良好的冲压性和可焊性，可用来制作冲压件、螺钉、螺帽等。经渗碳淬火后可获得表面硬度高而心部韧性好的零部件，常用作渗碳用钢，亦称碳素渗碳钢。3550钢，中碳钢，经调质处理后使用，可获得既有一定
14、强度和硬度，又有一定塑性和韧性良好配合的综合力学性能，亦称碳素调质钢，可制作锻件、热冲压件、冷镦件、齿轮、轴类等零件。5580钢，含碳量较高，强度高而塑性低，具有一定的耐磨性，经热处理后有很高的弹性极限，常用于制造各种弹性零件，亦称碳素弹簧钢。也可用作耐磨零件和机车车轮等。,常用优质碳素结构钢：螺栓 齿轮 曲轴弹簧,（3）碳素工具钢 其牌号冠以“T”(“T”为“碳”字的汉语拼音字首)，后面的数字表示平均碳的质量分数的千倍。碳素工具钢分优质和高级优质两类。若为高级优质钢，则在数字后面加“”字。 例如T8A钢，表示平均W0.8% 高级优质碳素工具钢。 对含较高锰(WMn0.40%0.60%)的碳素工具钢，则在数字后加“Mn”。如T8Mn 、T8MnA 等。,碳素工具钢含碳量较高（0.651.35）。碳素工具钢按S、P含量分为2组：第一组是高级优质钢：S0.020,P0.030；第二组是优质钢：S0.030，P0.035。碳素工具钢的牌号是用“碳或T+数字”表示，数字表示钢的平均碳质量分数的千分数。如碳12或T12表示钢的平均碳质量分数为1.2的碳素工具钢。若是高级优质碳素工具钢，则在钢号数字后加一个“高”或“A”，如T8A或碳8高。如有T8Mn或T8MnA，则表示碳质量分数为0.8,含Mn量较高的碳素工具钢或高级碳素工具钢。,
