《金属材料与热处理 教学课件 ppt 作者 李炜新第七章 碳素钢与合金钢》由会员分享，可在线阅读，更多相关《金属材料与热处理 教学课件 ppt 作者 李炜新第七章 碳素钢与合金钢（54页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第七章 碳素钢与合金钢,钢是以铁、碳为主要成分的合金，其碳的质量分数一般小于2.11%，按化学成分可以分为碳素钢（简称为碳钢）与合金钢两大类。,第一节 钢的分类与编号,一、钢的分类 1按用途分类 （1）结构钢 包括建筑及工程用结构钢和机械制造用结构钢两类。建筑及工程用结构钢是指用于建筑、桥梁、船舶、锅炉或其它工程上制造金属结构的钢，如碳素结构钢、低合金高强度结构钢等；机械制造用结构钢是指用于制造机械设备中结构零件的钢，包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。,（2）工具钢 工具钢是指用于制造各种工具的钢，按工具用途不同，可分为刃具钢、模具钢和量具钢。 （3）特殊性能钢 特殊性能钢是指用特殊方
2、法生产、具有特殊物理、化学性能或力学性能的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢、超高强度钢等。 2按化学成分分类 （1）碳素钢 碳素钢是指碳的质量分数小于2.11%，并含有少量锰、硅、硫、磷等杂质元素的铁碳合金。按碳的质量分数可分为低碳钢（wC0.25%）、中碳钢（wC=0.25%0.6%）、高碳钢（wC0.6%）。 （2）合金钢 合金钢是指在碳钢的基础上，为了改善钢的性能，在冶炼时有目的地加入一些元素（称为合金元素）而获得的多元合金。按合金元素总的质量分数可分为低合金钢（wMe5%）、中合金钢（wMe=5%10%）、高合金钢（wMe10%）。另外，根据钢中主要合金元素种类不同，还可将合金钢分为
3、锰钢、铬钢、铬镍钢、铬锰钛钢等。,3按质量分类 根据钢中有害杂质硫、磷的质量分数多少可分为普通质量钢（wS=0.035%0.050%，wP=0.035%0.045%）、优质钢（wS0.035%，wP0.035%）、高级优质钢（wS=0.020%0.030%，wP=0.025%0.030%）、特级优质钢（wS0.015%，wP0.025%）。 4按冶炼时脱氧程度和浇注制度分类 （1）沸腾钢 沸腾钢是指脱氧不完全的钢，浇注时在钢锭模里产生沸腾现象，因而得名。其特点是材料利用率高，成本低，组织不致密，力学性能较低。 （2）镇静钢 镇静钢是指脱氧完全的钢，浇注时钢液镇静，没有沸腾现象，故称为镇静钢。其
4、特点是组织致密，力学性能较高，质量均匀，但成本较高，材料利用率较低。 （3）半镇静钢 它是脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间的钢，浇注时沸腾现象较沸腾钢弱。其质量、成本、材料利用率均介于沸腾钢与镇静钢之间，生产过程较难控制，故使用量不大。 （4）特殊镇静钢 特殊镇静钢是指采用特殊脱氧工艺冶炼的脱氧完全的钢，其脱氧程度、质量及性能比镇静钢高。,二、钢的编号 1碳素结构钢 碳素结构钢的牌号由“屈”字汉语拼音的字首Q、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D）和脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）四个部分按顺序组成。例如，Q235-AF表示屈服点为235MPa、A级质量的沸腾钢。F、b、Z、TZ依次表示沸腾
5、钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢，一般Z和TZ在牌号表示中可省略。 2优质碳素结构钢 优质碳素结构钢的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分之几。例如，45表示平均碳的质量分数为0.45%的优质碳素结构钢。优质碳素结构钢按锰的质量分数不同，分为普通锰（wMn=0.25%0.80%）和较高锰（wMn=0.70%1.20%）两组，较高锰的优质碳素结构钢在两位数字后面再加符号Mn，如65Mn。如果是沸腾钢则在两位数字后面加符号F，如08F。专用优质碳素结构钢在牌号尾部加用途符号，如锅炉用钢表示为20g。,3碳素工具钢 碳素工具钢的牌号由“碳”字汉语拼音的字首T与数字组成，数字表示
6、钢中平均碳的质量分数的千分之几。例如，T8表示平均碳的质量分数为0.8%的优质碳素工具钢。如果是高级优质钢则在数字后面加符号A，如T8A。较高锰（wMn=0.40%0.60%）的碳素工具钢则在数字后面加符号Mn，如T8Mn、T8MnA。 4铸造碳钢 铸造碳钢的牌号由“铸”、“钢”二字汉语拼音的字首ZG与两组数字组成，第一组数字表示屈服点的数值（单位为MPa），第二组数字表示抗拉强度（单位为MPa）。例如，ZG200-400表示最低屈服点为200 MPa，最低抗拉强度为400 MPa的铸造碳钢。 5低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢的牌号由“屈”字汉语拼音的字首Q、屈服点数值、质量等级符号（
7、A、B、C、D、E）和脱氧方法符号（F、b、Z、TZ）四个部分按顺序组成。例如，Q390A表示屈服点为390MPa、A级质量的低合金高强度结构钢。一般Z和TZ在牌号表示中可省略。,6合金结构钢与合金弹簧钢 合金结构钢与合金弹簧钢的牌号由两位数字、元素符号与数字组成，前面两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万分之几，元素符号表示钢中所含合金元素，元素符号后面的数字则表示该元素平均质量分数的百分之几。合金元素的平均质量分数1.5%时，一般只标明元素符号而不标含量；当平均质量分数1.5%、2.5%、3.5%，时，则在合金元素符号后面分别用数字2、3、4，表示其平均质量分数。例如，40Cr表示平均碳的质
8、量分数为0.4%，平均铬的质量分数小于1.5%的合金结构钢。如果是高级优质钢则在牌号的后面加符号A，如38CrMoAlA。 7滚动轴承钢 滚动轴承钢的牌号由“滚”字汉语拼音的字首G、元素符号Cr和数字组成，数字表示钢中平均铬的质量分数的千分之几。例如，GCr15表示平均铬的质量分数为1.5%的滚动轴承钢。在滚动轴承钢的牌号中不表示碳的质量分数。若含有其它合金元素时，这些合金元素的表示方法与合金结构钢的相同，如GCr15SiMn。由于滚动轴承钢都是高级优质钢，所以在牌号后面就不用再加符号A了。,8合金工具钢 合金工具钢的牌号也是由数字、元素符号与数字组成的，前面的数字表示平均碳的质量分数的千分之
9、几，但当碳的质量分数1%时，则不予标出。合金元素及其质量分数的表示方法与合金结构钢的相同。例如，9SiCr表示平均碳的质量分数为0.9%、平均硅、铬的质量分数均小于1.5%的合金工具钢。 对于高速工具钢，无论其碳的质量分数多少，在牌号中均不予表示，如W18Cr4V。 合金工具钢与高速工具钢都是高级优质钢，在牌号后面也不必再标符号A。 9不锈钢与耐热钢 不锈钢与耐热钢的牌号表示方法与合金工具钢的基本相同，只是当碳的质量分数0.08%及0.03%时，在牌号前分别冠以“0”及“00”，如0Cr21Ni5Ti、00Cr30Mo2等。,第二节 常存杂质对钢的影响,一、锰 锰在钢中作为杂质存在时，其质量分
10、数一般在0.8%以下，它主要来源于炼钢的原料生铁及脱氧剂锰铁合金。锰有很好的脱氧能力，能将钢中的FeO还原成铁，改善钢的质量；锰还能与硫优先形成MnS，从而减轻硫的有害作用，降低钢的脆性，改善钢的热加工性能；在室温下，大部分锰溶于铁素体中，起固溶强化作用。锰是一种有益杂质。 二、硅 硅在钢中作为杂质存在时，其质量分数一般在0.4%以下，它主要来源于生铁及脱氧剂硅铁合金。硅有较强的脱氧能力，能消除FeO对钢的不良影响；在室温下，硅能溶入铁素体中，起固溶强化作用。硅也是一种有益杂质。,三、硫 硫是由生铁及燃料带入到钢中的杂质。固态下硫在铁中的溶解度极小，一般是以FeS形式存在于钢中。由于FeS塑性
11、很差，故硫的质量分数较多的钢脆性较大；FeS与Fe能形成低熔点（985）的共晶体，分布于奥氏体晶界上，当钢加热到约1200进行热加工时，晶界上的共晶体熔化，使钢材在热加工过程中沿晶界开裂，这种现象称为热脆。为了消除硫的有害作用，必须增加钢中锰的质量分数。化合物MnS的熔点高（1620），并呈颗粒状分布，高温下具有一定的塑性，可避免热脆现象的产生。 硫化物是非金属夹杂物，它的存在会降低钢的力学性能，并在轧制过程中形成热加工纤维组织。 通常情况下，硫是有害杂质，在钢中的质量分数必须严格控制。但锰、硫的质量分数较多的钢，能形成较多的MnS颗粒，在切削过程中起断屑作用，可改善钢的切削加工性能。,四、磷
12、 磷主要来源于生铁。一般情况下，钢中的磷能全部溶入铁素体中，有强烈的固溶强化现象，使钢的强度、硬度有所升高，但塑性、韧性显著降低，这种脆化现象在低温时更为严重，故称为冷脆。 磷能提高韧脆转变温度，这对于在高寒地带或其它低温条件下工作的结构件有严重的危害性。另外，磷的存在容易引起偏析现象，使钢在热轧后出现带状组织。 因此，磷也是一种有害杂质，在钢中的质量分数也要严格限制。但磷的质量分数较多时，使钢的脆性增大，在炮弹用钢及改善切削加工性能方面是有利的。 五、非金属夹杂物 在炼钢过程中，少量炉渣、耐火材料、冶炼过程中的一些反应物都可能进入钢中，形成非金属夹杂物。它们的存在会降低钢的性能，特别是降低钢
13、的塑性、韧性和疲劳极限，严重时还会使钢在热加工与热处理过程中产生裂纹，或在使用时发生突然断裂。非金属夹杂物也会促使钢在热加工过程中形成流线和带状组织，造成钢材性能具有方向性。 另外，钢在冶炼过程中会溶入一些气体，如氧气、氢气、氮气等，它们对钢的性能也有一定的影响。,第三节 合金元素在钢中的作用,钢在冶炼时，为满足某种要求而加入的一些元素称为合金元素。能够影响钢的质量而又无法完全去除的元素称为杂质元素。合金元素的存在对钢的相变、组织及性能有很大影响，通过合金化，可以提高或改善钢的性能。,一、合金元素在钢中的存在形式 1形成合金铁素体 大多数合金元素都可或多或少地溶入铁素体中，形成合金铁素体。溶入
14、铁素体中的合金元素，由于它们的晶格类型及原子直径与铁不同，因此必然引起铁素体的晶格畸变，产生固溶强化现象，使铁素体的强度、硬度提高，如图71所示。当合金元素的质量分数超过一定数值后，铁素体的塑性、韧性将显著下降，如图72所示。,可见，与铁素体有相同晶格类型的合金元素，如铬、钼、钨、钒等强化铁素体的作用较弱。而晶格类型与铁素体不同的合金元素，如硅、锰、镍等强化铁素体的作用较强。另外，有些合金元素如硅、锰、铬、镍等，当它们在钢中的质量分数适当时，不仅能强化铁素体，还能提高或改善铁素体的韧性。,2形成合金碳化物 合金元素可分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两类。碳化物形成元素，按它们与碳原子结合的
15、能力又分为弱碳化物形成元素，如锰等；中强碳化物形成元素，如铬、钼、钨等；以及强碳化物形成元素，如钒、铌、钛、锆等。 钢中合金碳化物的类型主要有合金渗碳体和特殊碳化物两种。合金渗碳体是合金元素溶入渗碳体中所形成的碳化物，它仍具有渗碳体的复杂晶格。一般，弱碳化物形成元素倾向于形成合金渗碳体，如（Fe、Mn）3C等。而中强碳化物形成元素在钢中的质量分数不多（0.5%3%）时，也倾向于形成合金渗碳体，如（Fe、Cr）3C、（Fe、Mo）3C、（Fe、W）3C等。合金渗碳体的稳定性及硬度比渗碳体高，是一般低合金钢中碳化物的主要存在形式。,特殊碳化物是一种与渗碳体晶格类型完全不同的合金碳化物，通常是由中强
16、或强碳化物形成元素所构成的碳化物。强碳化物形成元素，在钢中即使质量分数很少，但只要有足够的碳，就倾向于形成特殊碳化物，如WC、VC、TiC、Mo2C等；中强碳化物形成元素，只有在钢中的质量分数较多（5%）时，才倾向于形成特殊碳化物，如Cr23C6、Cr7C3、Fe4W2C等。特殊碳化物（特别是晶体结构简单的特殊碳化物），具有比合金渗碳体更高的熔点、硬度和耐磨性，并且更稳定，不易分解。 合金碳化物的种类、性能、数量及在钢中的分布将直接影响钢的性能和热处理时的相变。 应当指出，合金元素在钢中的存在形式，与合金元素的种类、质量分数、碳的质量分数、热处理条件等因素有关；所有的合金元素都能在热处理加热时溶入奥氏体中，形成合金奥氏体，并在淬火后形成合金马氏体。,二、合金元素对铁碳相图的影响 合金元素铬、钨、钼、钒、钛、铝、硅等，将使奥氏体相区缩小，A3和A1温度升高，S和E点向左上方移动，如图73所示。随着这类合金元素在钢中的质量分数增多，奥氏体相区逐渐缩小并消失，此时，钢在室温下的平衡组织就是单
