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1、第4章钢铁材料钢铁材料又称黑色金属材料，是以铁和碳为主要纽成的铁碳合金。4-1钢铁的分类及牌号统一数字代号体系一、钢的分类钢是碳的质最分数不大于2.11%,并可能含有其它元素的铁碳合金（在个别钢中，如高锯钢, 其Wc可超过2.11%）。钢的种类很多，常用分类方法如下：1. 传统的分类方法：按化学成分分为：碳索钢（简称碳钢）、合金钢；按品质分为：普通、优质、高级优质、特级优质钢；按用途分为：结构、工具、特殊性能、专业用钢；按冶炼方法分：可按炉类型进一步分为平炉、转炉、电炉钢；按脱氧程度和浇铸制度进一步 分为沸腾、镇静和半镇静钢；按金相组织分类时，可按退火状态的钢、正火状态的钢、无相变或部分发生相
2、变的钢进一步 分类。2. 新的分类方法1992年10月中国颁发了 “钢分类”国家标准（GB/T13304-91）。按照此标准，钢的分类 分为两部分：第一部分，按化学成分分类；第二部分，按主要质量等级、主要性能及使用特性分 类。（1）按化学成分分为：非合金钢、低合金钢和合金钢。各种钢的合金元素规定质量分数的 界限值见附录附表IH。（2）按主要质最等级、主要性能及使用特性分（见教材匕9）二、铸铁的分类1. 按碳存在的形式分类（1）灰铸铁 碳全部或大部分以游离状态石墨的形式存在，断口呈黑灰色；（2）白口铸铁少量碳溶入铁素体，其余的碳以渗碳体的形式存在，断口呈亮白色；（3）麻口铸铁碳以石墨和渗碳体的混
3、合形式存在，断口呈黑白相间的麻点。2. 按石墨的形态分类（1）普通灰铸铁石墨呈片状，如图41 （a）所示；（2）蠕墨铸铁 石墨呈蠕虫状，如图41 （b）所示；（3）可锻铸铁石墨呈棉絮状，如图41 （c）所示；（4）球墨铸铁 石墨呈球状，如图41 （d）所示。3. 按化学成分分类（1）普通铸铁如普通灰铸铁、蠕墨铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁；（2）合金铸铁又称为特殊性能铸铁，如耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁等。三、钢铁及合金牌号统一数字代号体系（GB/T17616-1998）（自阅,一般了解）4-2钢铁中的元素及其作用钢铁成分中的主要组元是铁和碳，但在冶炼过稈中，还会带入一定量的Si、Mn、P、S、非
4、金属夹杂物及氧、氮、氢等气体。这些非有意加入或保留的元索，称之为杂质。一、常存杂质元素对钢性能的影响1. Si、Mn的影响Si可改善钢质，还可溶入铁索体，显著提高钢的强度和驶度，但含量较高时，会使钢的槊性 和韧性下降；Mn可防I上形成FcO,减轻S的有害作用，强化铁索体，增加珠光体相对量，使组 织细化，提高钢的强度。Si和Mn在一定含量范围内是有益元素，但是，作为少量杂质存在时对 钢的力学性能的影响并不显著。2. S、P的影响在I司态下，S在钢中主要以FeS的形态存在，会使得钢在1100C左右的高温下进行变形加工 时沿着晶界开裂（称Z为热裂）；P在固态下可溶入铁素体中，使钢的强度、硬度提高，并
5、提高 铁液的流动性，但在室温下使钢的犁性、韧性显著下降，在低温时更为严重（称Z为冷脆）。磷 的存在也使焊接性能变坏。S和P的含量必须严格控制，它是衡最钢的质量等级的指标乙一。二、合金元素在钢中的作用为了改善钢铁的力学性能或使Z获得某些特殊性能，我们有目的的在其中加入一定量的一种 或几种元素，称Z为合金元素。合金元素在钢中通常以下列形式存在：以溶质的形式溶入铁素体、奥氏体和马氏体中；形成强化相，如形成合金渗碳体、特殊碳化物或金属间化合物等；形成非金属夹杂物，如 氧化物、氮化物和硫化物等；以纯金属相存在，如Pb、Cu等既不溶于铁，也不形成化合物，而是在钢中以游离状态存 在。在钢中能形成碳化物的元索
6、，如Fc、Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti等（按照与碳的 亲和力由弱到强，依次排列）称Z为碳化物形成元素。其中中强碳化物形成元素如V、Nb、Zr Ti为强碳化物形成元素；弱碳化物形成元素 如Cr、Mo W； Fe Mno非碳化物形成元素 不能形成碳化物的元素 如Ni、Co、Si、Al、N等，主要是以溶入a Fe或YFe中的形式存在。合金元素究竟以哪种形式存在，主要取决于它们与铁和碳的相互作用情况，结果可归纳如下:1. 合金元素对钢的热处理工艺性能的影响（1）在钢加热过程中的表现%1 细化奥氏体晶粒在钢的奥氏体化过稈中，合金元素（除Mn、P夕卜）均阻止奥氏体晶粒 长大。其中V、Ti、N
7、b、Zr等强碳化物形成元索，强烈阻止奥氏体晶粒长大，起细化晶粒的作用；W、Mo、Ci等的作用次Z;非碳化物形成元素如Ni、Si、Cu、Co等的作用校弱。因此，除镒钢外，合金钢在加热时不易过热，有利于在淬火后获得细马氏体；有利于增加淬 透性及钢的力学性能；也有利于减小淬火时变形与开裂的倾向。%1 减缓奥氏体化速度综上所述，为了得到比较均匀的、含有足够数量合金元素的奥氏体，充分发挥合金元素的有 益作用，合金钢在热处理时需要提高加热温度和延长保温时间。（2）在钢冷却过程中的表现%1 提高淬透性时加入，部分合金元素对过冷奥氏体等温转变的影响如图42 （a）所示。必须指出，加入的合金元素，只有完全溶于奥
8、氏体中时，才能提高淬透性。如果未完全溶解, 就会成为奥氏体分解时新相的结晶核心，使分解速度加快，反而降低钢的淬透性。如图42 （b）所示。对于具有这种曲线的钢来说，在连续冷却的条件下可以获得贝氏体组织。%1 使淬火后的残余奥氏体量增多 几种合金元素对Ms的彩响如图43所示。Ms和点的下降，使合金钢淬火后残余奥氏体量较非合金钢多，可进行冷处理（冷至点 以下），或进行多次冋火，使残余奥氏体转变为马氏体或贝氏体。（3）在淬火钢回火时的表现%1 提高冋火稳定性合金元索对钢冋火驶度的煤响，如图4-4所示。%1 回火时产生二次硬化钢在I叫火使出现硬度I川升的现象，称为二次硬化，如图45所示。产生二次硬化的
9、原因主要有两点：二次硬化现象对需要较高热硬性的工具钢具有重要意义。%1 防止第二类冋火脆性 第二类冋火脆性存在于某些合金钢中。研究表明，采用含有一定 量的W或Mo的合金钢，可使冋火后缓冷也不产生冋火脆性。合金元素对热处理的影响见表4-1。2. 合金元素提高了钢的使用性能（1）合金元素使钢的力学性能得到提高%1 固溶强化 儿种合金元索对铁索体便度和韧性的影响如图46所示。%1 第二相强化形成合金渗碳体它是合金元索溶入渗碳体所形成的化合物。其中 弱碳化物形成元索Mn 般是形成合金渗碳体（Fc、Mn） 3C;中强碳化物形成元索在钢中的质量分数不大（0.5%3%）时，也倾向于形成合金渗碳体。合金渗碳体
10、校渗碳体略为稳泄，硬度也较高，是一般低合金钢中碳化物的主要存在形式。形成特殊碳化物一般，碳化物越稳定，其硬度越高；碳化物颗粒越细小，对钢的强化效 果越显著。%1 细晶强化3. 合金元素使钢获得特殊性能（1）形成单相稳定组织/JZun=0Mn=.352.5%.%f74/Mn=4% +rA,2(Vn=6.5%U MF9%114008001200 P & 頂 10000 G2 Q4 Q6 Q8 LO L2 L4 L6 L8(a)S600002 Q4 06 08 LO L2 L4L6L8c (%)图4-7合金元索对奥氏体相区的影响（a） Mn的影响 （b） Cr的影响得到奥氏体钢得到铁索体钢（2）形成
11、致密氧化膜和金属间化合物4. 合金元素使FeFe3C W图发生变化（1）使S、E点位置左移（2）对临界点的影响由此可知，由于合金元索的煤响，要判断合金钢是亚共析钢还是过共析钢，以及确定其热处 理加热或缓冷时相变温度，就不能单纯地育接根据Fc-Fc3C相图，而M根据多元铁基合金系相 图来进行分析。必须指出，以上讨论的是单独加入一种合金元索的影响，如同时加入多种元索，其综合作用 影响是比较复杂的，并不是单个元素作用的简单总和。 4-3非合金钢非合金钢（俗称碳索钢），工艺性能良好，价格低廉，力学性能也能满足一般工稈和机 械制造中的零部件的使用性能要求，是工农业生产中应用广泛的工程材料。一、碳素结构钢
12、1. 牌号表示方法 碳素结构钢的牌号由“Q+数字一字母+字母”组成。其中，“Q”为屈服 强度中“屈”字汉语拼音字首；数字为一定厚度下材料的最低抗拉强度值（MPa）:第一组字母 有A、B、C、D,表示钢的质量等级；第二组字母有F、b、Z、TZ,分别表示沸腾钢、半镇静钢、 镇静钢和特殊镇静钢。如Q235-AF,表示碳素结构钢中屈服点0 s235MPa,质量等级为A级 的沸腾钢。2性能及用途 碳素结构钢中含S、P杂质较多（WsWO.050%、VpW0.045%）,强度较低，但 冶炼容易，工艺性好，价廉，能满足一般工程结构和普通零件的使用要求。加工成形后一般不进 行热处理，大都在热轧状态下直接使用，通
13、常轧制成圆钢、钢管、钢板、角钢、槽钢、钢筋等型 材供应。常用碳索结构钢的牌号、性能及用途见表42。二、优质碳素结构钢1. 牌号表示方法优质碳素结构钢的牌号由两位数字组成。数字是以平均万分数表示的碳的 质量分数。如40钢，表示Wc0.4%的优质碳索结构钢。高级优质钢在数字后加“A” ,特级优 质钢在数字后加“E”，沸腾钢在数字后加“F”，半镇静钢在数字后加“b”。钢中Mn的质量 分数较高（WMn=0.7%1.20%）时，在数字后附以符号Mm如65Mn表示Wc0.65%，并含有 较多猛WMn=0.9%1.20%）的优质碳素结构钢。2. 性能及用途 优质碳索结构钢的S、P含量较低（WsW0.030%
14、、WpWO.O35%）,非金属 夹杂物较少，報性及韧性较高，可进行热处理强化，主要用于机械制造中较重要的零件。常用优质碳素结构钢的牌号、性能及用途见表4-3o三、碳素工具钢1. 牌号表示方法碳素工具钢的牌号由“T+数字”组成。“T”是“碳”字汉语拼音字首， 数字是以名义千分数表示的碳的质量分数。若为高级优质碳索工具钢，则在数字后标出“A”。 如T12A,表示的是碳的平均质量分数为1.2%的高级优质碳索工具钢。2. 性能及用途碳索:T具钢碳的平均质量分数比较高（Wc=0.65%、1.35%） , S、P含量较低。 经淬火、低温冋火示具有较高的硬度和耐磨性，但敎性较低。主要用于制造低速、手动工具及常 温下使用的工具、模具、量具等。常用碳索工具钢的牌号、性能及用途见表44。四、铸造碳钢1.牌号表示方法GB/T56131995规定，铸造碳钢牌号表示方法有两种：一是以强度表示的 铸钢牌号，由“ZG+数字一数字”组成。“ZG”是“铸钢”二字的汉语拼音字首，第一组数字代 表最低屈服点数值，第二组数字代表最低抗拉强度值，如ZG200400表示os l%时不标出，平 均Wcl%时，第一组数字为“0” ）,元素符号后的数字是以名义百分数表示的该元素的质量分 数
