金屬工藝學(xué)第6章 工業(yè)用鋼

1、第六章工業(yè)用鋼以鐵為主要元素,碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在2%以下,并含有其他元素的材料稱為鋼.按照化學(xué)成分分為:碳鋼和合金鋼兩大類。碳鋼:指碳含量wc<2.11%的鐵碳合金。合金鋼:指為改善鋼的組織、性能,在冶煉時(shí)特意加入合金元素的鋼。 鋼材及其生產(chǎn)過(guò)程一、鋼鐵材料的生產(chǎn)過(guò)程鐵礦石生鐵鋼錠型材鑄鐵軋制、擠壓、拉拔、鍛造等壓力加工方法1、生鐵的冶煉原料:鐵礦石燃料:焦炭熔劑:石灰石設(shè)備:高爐2、鋼的冶煉原料:生鐵、廢鋼燃料:焦炭熔劑:石灰石;氧化劑,脫氧劑設(shè)備:電弧爐(鋼板、型鋼、鋼管高爐 電弧爐 第一節(jié)碳鋼一、碳鋼中的長(zhǎng)存雜質(zhì)元素及其作用碳鋼中除鐵以外的主要元素是碳,其它長(zhǎng)存的雜質(zhì)元素有硅、錳、

2、硫、磷等,還有熔煉中夾雜進(jìn)入的氧、氫、氮等氣體元素。1、有益元素錳 能溶于 F ,使 F 強(qiáng)化,也能溶于滲碳體,提高其 硬度;能增加并細(xì)化 P ,從而提高鋼的強(qiáng)度和硬度; 可與 S 形成 MnS ,以消除硫的有害作用。 硅 能溶于 F 使之強(qiáng)化,從而使鋼的強(qiáng)度、硬度、 彈性都得到提高。2. 有害元素:硫 形成低熔點(diǎn)的 FeS ,使鋼產(chǎn)生熱脆。熱脆:FeS 與 Fe 形成的熔點(diǎn)(985 共晶體分布在 晶界上當(dāng)鋼加熱到 1000-1200進(jìn)行鍛壓或軋制時(shí), 由于晶界上的共晶體已經(jīng)熔化,使鋼在晶界開裂。 這種現(xiàn)象稱 。磷 部分溶于 F 形成固溶體,部分在結(jié)晶時(shí)形成脆性 很大的 Fe3P ,使鋼在室溫

3、下的塑、韌性急劇下降。 冷脆:低溫時(shí)由磷導(dǎo)致鋼嚴(yán)重變形的現(xiàn)象稱鋼的 通常鋼材的質(zhì)量等級(jí)以硫磷含量的控制來(lái)劃分3. 氣體元素(鋼中有害元素 :N :鋼中過(guò)飽和 N 在常溫放置過(guò)程中會(huì)發(fā)生時(shí)效脆化。加 Ti 、 V 、 Al 等元素可消除時(shí)效 傾向。 O :鋼中的氧化物易成為疲勞裂紋源。 H :原子態(tài)的過(guò)飽和氫時(shí)將降低韌性 ,引起氫脆。當(dāng)氫在缺陷處以分子態(tài)析出時(shí),會(huì)產(chǎn)生很高內(nèi)壓,形成微裂紋,其內(nèi)壁為白色,稱白點(diǎn)或發(fā)裂。 鋼中白點(diǎn) O 、 H 、 N 三種氣體元素在高溫時(shí)融入鋼液,而在固態(tài)鋼中 溶解度極小,冷卻時(shí)來(lái)不及溢出而積聚在組織中形成高壓 細(xì)微氣孔,使鋼的塑性、韌性和疲勞強(qiáng)度急劇降低,嚴(yán)重 時(shí)

4、會(huì)造成裂紋、脆斷,是必須嚴(yán)格控制的有害元素。二、碳鋼的分類、牌號(hào)和用途(一碳鋼的分類1、按碳的含量分類:(1低碳鋼 wc=0.08%0.25%,塑性好,多用作沖壓、焊接和滲碳工件。 (2中碳鋼 wc=0.25%0.6%,強(qiáng)渡和韌度均較高,熱處理后有良好的綜合力 學(xué)性能,多用作要求良好強(qiáng)韌度的各種重要結(jié) 構(gòu)零件。(3高碳鋼 wc=0.60%1.4%,硬度較高,多用作工具、模具和量具等工件。2、按質(zhì)量分類:(1普通鋼 鋼中 S 0.050%, P 0.045%(2優(yōu)質(zhì)鋼 鋼中 S 0.035%, P 0.035%(3高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼 S 0.030%, P 0.030% 3、按用途分類(1碳素結(jié)構(gòu)鋼 主

5、要用于建筑、橋梁等工程結(jié) 構(gòu)和各種機(jī)械零件(如齒輪、軸、螺柱、彈簧等 (2碳素工具鋼 主要用于鍋各類刀具、量具和 模具,如絲錐、扳牙、刮刀、鋸條、沖模等。 (3專用鋼 包括鍋爐鋼、船用鋼、易切鋼等。4、按鋼液脫氧程度分類(1沸騰鋼(F沸騰鋼脫氧不完全,組織不致密,成分不均勻,性能較差。(2鎮(zhèn)靜鋼(Z鎮(zhèn)靜鋼脫氧完全,組織致密,成分較均勻,性能較好。優(yōu)質(zhì)鋼和高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼多為鎮(zhèn)靜鋼,通常不再標(biāo)注鎮(zhèn)靜鋼代號(hào)。(3半鎮(zhèn)靜鋼(b半鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間。二、碳鋼的牌號(hào)性能及主要用途1、碳素結(jié)構(gòu)鋼: 用途:薄板,鐵絲,釘,小軸,螺栓等。化學(xué)成分:c =0.09%-0.33% Mn =0.37%-

6、0.65% si =0.30%s 0.035-0.05% p 0.035%-0.045%牌號(hào):Q+屈服點(diǎn)數(shù)值+質(zhì)量等級(jí)符號(hào)+脫氧方法符號(hào)質(zhì)量等級(jí):用A 、B 、C 、D 、E 表示硫磷含量不同例:Q235AF 代表屈服點(diǎn)S =235MPa ,質(zhì)量為A 級(jí)的沸騰碳素結(jié)構(gòu)鋼組織:較多的F+較少的P性能:因?yàn)樘嫉?焊接性能好2、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼:化學(xué)成分:Wc=0.08%-0.85% Wsi=0.17%-0.37% Wsp0.035%牌號(hào):兩位數(shù)字+符號(hào)表示數(shù)字表示含碳量萬(wàn)分之幾, 40表示鋼中平均含碳量為0.40%。若鋼中錳的含量較高時(shí),在數(shù)字后面附化學(xué)元素符號(hào)Mn60Mn表示鋼中平均含碳量為0.6

7、0%,Mn的含量為0.70%1.00%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。符號(hào)如果是F則表示是沸騰鋼。例:08F 15F1 低碳鋼化學(xué)成分:WC0.15%組織:退火狀態(tài)下,組織為較多的F和較少P性能:和HBS低,而.ak好,焊接性好。用途:08F、10F、15F 冷變形加工成型件機(jī)殼、容器。1025鋼各種標(biāo)準(zhǔn)件、軸套、容器等。2 中碳鋼化學(xué)成分:WC=0.30%0.6%組織:F+P,略低。具有良好的性能:、HBS比低碳鋼略高,而、ak綜合力學(xué)性能,切削加工性好,但焊接性一般。用途:用于制作齒數(shù)、主軸及連桿等重要的機(jī)械零件。3 高碳鋼化學(xué)成分:WC>0.60%組織:T回(淬火+中溫回火性能:在淬火+中溫回火

8、后,具有較高的和良好彈性也叫彈簧鋼。具有較好的耐磨性和中等硬度。用途:主要用于制作彈簧和易磨損的零件。3、碳素工具鋼化學(xué)成分:Wc=0.65%-1.35%牌號(hào):用“T”加數(shù)字表示,該數(shù)字表示鋼中平均含碳量的千倍。T8:表示碳的平均含碳量為0.8%的碳素工具鋼。組織:M回(淬火+低溫回火處理性能:具有很高的硬度和耐磨性,但淬透性差,熱硬性差。用途:用于制作手動(dòng)和低速切削的工具和要求不高的量具和模具等 4、易切削用鋼:Y20:表示易切削結(jié)構(gòu)鋼,其平均含碳量為0.2%。牌號(hào):在同類結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)前冠以“Y”,以區(qū)別其他結(jié)構(gòu)用鋼用途:主要用在自動(dòng)機(jī)床上加工大批量的零件,如螺釘,螺母等5、鑄鋼ZG23045

9、0牌號(hào):ZG 屈服強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度HH (焊:該鋼是焊接結(jié)構(gòu)用碳素鑄鋼用途:用于澆注成鑄件的鋼。其強(qiáng)度高于各類鑄鐵,同時(shí)具有良好的塑性和韌性,適于制造形狀復(fù)雜、強(qiáng)度和韌性要求高的零件,如火車輪、大齒輪等第二節(jié)合金元素在鋼中的作用¾合金元素與鐵和碳的作用¾合金元素對(duì)Fe-Fe3C相圖的影響¾合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響1、強(qiáng)化鐵素體一、合金元素對(duì)鋼基本相的影響合金元素溶于FF晶格畸變固溶強(qiáng)化2、形成碳化物Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱強(qiáng)碳化物形成元素(在鋼中能形成碳化物的元素在周期表中都是位于鐵元素的左邊的過(guò)渡族金屬元素周期表中,在鐵左邊離鐵愈遠(yuǎn),則其

10、與碳的親和力愈強(qiáng),形成碳化物的能力愈大,愈穩(wěn)定,而且不易分解。碳化物越穩(wěn)定越難溶于A越不易于聚集長(zhǎng)大隨著碳化物數(shù)量的增加,鋼的硬度強(qiáng)度提高,塑韌性下降。合金滲碳體如(Fe,Mn3C、(Fe,Cr3C等。合金碳化物如Cr7C3、Fe3 W3C等。3、單獨(dú)形成特殊碳化物熔點(diǎn)、硬度、耐磨性最高。穩(wěn)定性最好。WC 、M O C 、TiC 、VC二、合金元素對(duì)FeFe3C 相圖的影響1、擴(kuò)大奧氏體區(qū):(Mn 、C 0、Ni使A 1線A 3線下降,若含量足夠高,可使單相A 擴(kuò)大到常溫,即常溫下保持穩(wěn)定的A 組織?？色@得A 鋼。2、縮小奧氏體區(qū):(Cr 、Mo 、Ti 、Si 、Al 使A 1線A 3線上升

11、,若含量足夠高時(shí),可使鋼在高溫與常溫保持F 組織?？色@得F 鋼。3、改變共晶點(diǎn)和共析點(diǎn)的參數(shù):合金元素都使Fe-Fe 3C 相圖的S 點(diǎn)、E 點(diǎn)左移,即使鋼的共析含碳量和A 對(duì)C 的最大固溶度降低。若含量足夠高時(shí),可以在W C =0.4%的鋼中產(chǎn)生共析組織,在WC =1.0%的鋼中產(chǎn)生Ld 組織。1、擴(kuò)大奧氏體區(qū)的合金元素Mn、Ni、Co等元素。作用: 使A1線溫度下降, A3線溫度下降,可得到奧氏體鋼。 Mn元素對(duì)奧氏體區(qū)的 影響2、縮小奧氏體區(qū)的合金元素Cr、Mo、W、V、Ti、Si等元素。作用: 使A1線溫度上升, A3線溫度上升,可得到鐵素體鋼。 Cr元素對(duì)奧氏體區(qū)的影響 幾乎所有的合

12、金元素。作用: 使S點(diǎn)和E點(diǎn)的成分向左移,可得到萊氏體鋼。 合金元素對(duì)S點(diǎn)成分的影響 三、合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響加熱時(shí)對(duì)奧氏體形成的影響對(duì)過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響對(duì)回火轉(zhuǎn)變的影響1、合金元素對(duì)加熱時(shí)奧氏體形成的影響¾除Mn元素外,所有合金元素的加入,均使奧氏體的形成速度減慢。¾強(qiáng)碳化物形成元素能強(qiáng)烈的阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大( Ti、V、Zr、Nb等。¾非碳化物形成元素能輕微的阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大( Si、Ni、Cu、Co等。除Co元素外, 所有的合金元素均使鋼的TTT 曲線向右移。除Co、Al元素外, 所有的合金元素都使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度下降。提高鋼的淬透性, 常用的元素有

13、:Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。3.合金元素對(duì)回火轉(zhuǎn)變的影響¾回火抗力的增加¾二次硬化的產(chǎn)生¾產(chǎn)生回火脆性W、Mo、V 等碳化物在550時(shí),使鋼達(dá)到最高硬度, 產(chǎn)生二次硬化。 Cr-Ni 鋼的回火脆性示意圖 防止第二類回火脆性的產(chǎn)生的方法: 在500600 快速冷卻。加入合金元素W、Mo。四、合金元素在鋼中的作用1、主加元素: 對(duì)提高鋼的性能起主要作用。Si、Mn、Cr、Ni、B。2、輔加元素: 配合主加元素進(jìn)一步提高鋼的性能,彌補(bǔ)主加元素的不足與缺陷。W、Mo、V、Ti、Nb。第三節(jié) 合金鋼 合金元素對(duì)鋼性能的影響引言¾強(qiáng)化鐵素體¾形成

14、合金碳化物¾細(xì)化晶粒¾提高鋼的淬透性¾提高鋼的回火穩(wěn)定性1、低合金鋼的分類及牌號(hào)1低合金鋼的分類(1按主要質(zhì)量等級(jí)分類 普通質(zhì)量低合金鋼 優(yōu)質(zhì)低合金鋼 特殊質(zhì)量低合金鋼(2按主要性能和使用特性分類分為可焊接的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、低合金 耐候鋼、低合金鋼筋鋼、鐵道用低合金鋼、礦用 低合金鋼、其他低合金鋼等。一、低合金鋼和合金鋼的分類及牌號(hào)2低合金鋼的牌號(hào)(1低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼表示方法與碳素結(jié)構(gòu)鋼相同。 例:Q345。2、合金鋼的分類及牌號(hào)1合金鋼的分類(1按主要質(zhì)量等級(jí)分類優(yōu)質(zhì)合金鋼特殊質(zhì)量合金鋼 (2按主要性能和使用特性分類分為工程結(jié)構(gòu)用合金鋼、機(jī)械結(jié)構(gòu)用合金鋼

15、、軸承鋼、工具鋼、不銹、耐蝕和耐熱鋼、特殊 物理性能鋼等。我國(guó) 合金鋼 的編號(hào)是按照合金鋼中的含碳量+所含合金元素的種類(元素符號(hào)+含量一般牌號(hào)的首部是表示碳的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)的數(shù)字, 對(duì)于結(jié)構(gòu)鋼,以萬(wàn)分?jǐn)?shù)計(jì);對(duì)于工具鋼以千分?jǐn)?shù)計(jì)。1、合金結(jié)構(gòu)鋼 60Si2Mn 09Mn22、合金工具鋼9Mn2V 平均含碳量<1.0%時(shí),牌號(hào)前以千分之幾表示CrWMn 平均含碳量1.0%時(shí),牌號(hào)前不標(biāo)數(shù)字高速工具鋼牌號(hào)中不標(biāo)出含碳量 W18Cr4V 2合金鋼的牌號(hào)當(dāng)鋼中某合金元素的平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)<1.5時(shí),牌號(hào)中只標(biāo)出元素符號(hào)不標(biāo)明含量, 當(dāng)>1.5時(shí),在該元素后面相應(yīng)的用整數(shù)住處其近似含量。3、

16、滾動(dòng)軸承鋼牌號(hào):G+Cr+含碳量(千分之幾表示GCr15SiMn4、特殊性能鋼牌號(hào):與合金工具鋼基本相同當(dāng)含碳量0.08%時(shí),牌號(hào)前加“0”0Cr19Ni9當(dāng)含碳量0.03%時(shí),牌號(hào)前加“00”00Cr30Mo2三、合金結(jié)構(gòu)鋼的應(yīng)用低合金結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)用途不同,合金結(jié)構(gòu)鋼分為機(jī)械制造用鋼低合金鋼主要用于各種工程結(jié)構(gòu),如房屋、橋梁、船舶等;機(jī)械制造用鋼主要用于制造各種機(jī)械零件,通常是優(yōu)質(zhì)或高級(jí)優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼。(一低合金結(jié)構(gòu)鋼成分:低合金鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上,加入少量的合金元素(一般合金元素總量小于3%的工程用鋼。分類:按主要性能及使用特性,低合金結(jié)構(gòu)鋼低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼低合金耐候鋼低合金專業(yè)用鋼

17、等1、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼低碳(0.10%0.25%,w Me <3%。主加元素為Mn和硅其強(qiáng)化了鐵素體,提高了強(qiáng)度;V、Ti和Ni等元素使晶粒細(xì)化,使韌性提高。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼大多數(shù)是在熱軋退火或正火狀態(tài)下使用,一般不再進(jìn)行熱處理。在橋梁、船舶、車輛、鍋爐、壓力容器、起重機(jī)械等鋼結(jié)構(gòu)件中應(yīng)用廣泛。例如Q345。船舶橋梁 2、低合金耐候鋼耐候鋼即大氣腐蝕鋼,實(shí)在低碳鋼的基礎(chǔ)上加入少量的合金元素,如Cu、P、Gr、Ni、Mo、Ti、V等,使其在金屬表面形成保護(hù)層,以提高鋼材的耐腐蝕性。耐候鋼又分為焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼和高耐候性結(jié)構(gòu)鋼焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼(12MnCuCr具有良好的焊接性能,適用于橋

18、梁建筑及其他要求耐候性的結(jié)構(gòu)件;高耐候性結(jié)構(gòu)鋼(09CuPCrNi-A的耐候性比較好,適用于車輛、建筑、塔架和其他要求高耐候性的鋼結(jié)構(gòu)。3、低合金專業(yè)用鋼在低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展了一些專門用途的低合金專業(yè)用鋼,如低合金鋼筋鋼、鐵道用低合金鋼、礦用低合金鋼、汽車用低合金鋼等,根據(jù)使用性能的要求可對(duì)各類鋼的化學(xué)成分作相應(yīng)的調(diào)整。(二機(jī)械結(jié)構(gòu)用合金鋼機(jī)械結(jié)構(gòu)用合金鋼主要用于制造各種機(jī)械零件,其質(zhì)量等級(jí)都屬于特殊質(zhì)量等級(jí),大多經(jīng)熱處理后才能使用。分類:按用途和熱處理特點(diǎn),低合金結(jié)構(gòu)鋼合金滲碳鋼合金調(diào)質(zhì)鋼合金彈簧鋼合金滾動(dòng)軸承剛等1、合金滲碳鋼含碳量為0.1%-0.2%,以保障心部具有足夠的韌性

19、,合金含量小于3%。主加元素為Cr、Mn、鈦、釩,提高了淬透性,使晶粒細(xì)化,耐磨性提高。熱處理:一般是滲碳后淬火、低溫回火主要用于表面要求硬而耐磨,心部具有足夠強(qiáng)度和韌性的零件,如:汽車變速箱的齒輪等。 以20Cr、20CrTiMn為最廣。變速齒輪撥叉2、合金調(diào)質(zhì)鋼含碳量為0.25%-0.5%,主加元素為Cr、Mn、Si、Ni等以提高淬透性和強(qiáng)化鐵素體.調(diào)質(zhì)鋼具有良好的綜合力學(xué)性能。如30CrMo熱處理:調(diào)質(zhì)(淬火后高溫回火,處理后得到S 回若要求零件表面有很高的耐磨性,可在調(diào)質(zhì)后在進(jìn)行表面淬火或化學(xué)熱處理 合金調(diào)質(zhì)鋼廣泛用于制造汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床和其它機(jī)器上的各種重要零件,如齒輪、軸類件、連桿等。曲軸連桿3、合金彈簧鋼它具有高的彈性、疲勞強(qiáng)度及沖動(dòng)韌度。含碳量為0.45%0.7%,主加元素為Cr、Mn、Si等以提高淬透性和彈性極限。如55Si2Mn合金彈簧鋼是一 種專用結(jié)構(gòu)鋼,主要用于制造各種彈簧和彈性元件。