《工程材料》第七章 钢铁材料

工程材料第七章 钢铁材料 第七章钢铁材料学习内容11.钢中的杂质和合金元素；22.钢的编号；33.合金结构钢44.工具钢；55.特殊性能钢；钢铁材料:钢和铸铁的总称。 钢分为两大类碳钢（价格便宜，占钢量的90）;合金钢（占钢量的10）。 第一节钢中的杂质碳钢的主要成分为Fe和C。 因原材料及冶炼工艺等因素，混入一些杂质元素，主要Mn（锰）、Si（硅）、S（硫）、P（磷）、H（氢）、N（氮）、O（氧）等，对钢的性能影响较大。 1.S（硫）S是炼钢时无法除尽的有害杂质。 于难固溶于Fe，形成低熔点FeS（1190），FeS又与-Fe形成低熔点共晶体（FeS+Fe）（985），分布于奥氏体晶界上。 当钢加热到锻、轧温度时，（FeS+Fe）共晶体熔化，造成沿晶界碎裂，称为“红脆”或“热脆”。 S在钢焊接时，易导致焊缝热裂，使焊缝出现氧化、气孔和疏松。 高级优质钢S0.02%0.03%；优质钢S0.03%0.045%；普通钢S0.055%0.7%以下。 S的有利方面切削性好。 含含S非调质钢制造胀裂式连杆的锻坯70S(0.7%C,0.2%S)，髙强度而又易切削。 锻造温度可适当降低。 S改善钢的切削加工性，含钢含S达到0.18%-0.3%时成为“易削钢”。 易断屑，粗糙度小。 S与Mn形成硫化物，可减少刀具与工件表面的磨损，延长刀具寿命。 “易削钢”在自动机床进行大批量、低误差加工，用于载荷不大的零件。 2.Mn（锰）有益元素，随脱氧剂进入钢中。 脱氧把钢水中的FeO还原为Fe。 Mn对S的亲和力大于Fe，优先形成高熔点的在高温下具有一定的塑性的MnS，可避免钢发生热脆。 Mn固溶于铁素体中，起到固溶强化作用。 Mn增加珠光体量，能细化晶粒,显著提高钢的力学性能。 3.Si（硅）影响与锰相似，炼钢脱氧剂脱氧能力比Mn强强，能更好地将FeO还原。 Si溶于F中中，起固溶强化作用。 冶炼后含量通常小于0.5%。 4.P（磷）生铁中带入，不能除尽有害元素。 在在F中固溶强化，钢的强度、硬度显著提高。 使钢的塑性、韧性在室温下急剧降低，称“冷脆”。 Fe-P合金偏析严重。 含含P0.08%0.15%，F脆化，切削加工性提高。 高高P钢抗大气、海水腐蚀，含Cu时，作用更加显著。 5.N（氮）-Fe中590溶解度最大0.1%，室温时0.001%以下，过饱和N的F，变形后析出N化物，使低C钢强度上升，塑性下降，性能不稳定。 与钒、铌、钛形成N化物，有细化晶粒和沉淀强化的效果。 研发以以N代Ni，制造低铬或无铬不锈钢,替代Cr18Ni9Ti不锈钢。 6.H（氢）含量甚微，危害很大微量H引起“氢脆”产生大量微裂纹白点，使钢塑性显著下降，韧性几乎为0。 7.O（氧）以氧化物的形式存在，如FeO、Fe2O 3、SiO 2、MnO、Al2O 3、CaO、MgO、复合氧化物等，使钢的性能下降。 第二节钢与合金元素合金钢在碳钢中有意识加入一种或几种元素，形成合金钢。 素常见合金元素Ni、Si、Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Ti、Co等等。 优越性机械性能好；淬透性高；获得特殊性能钢:不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。 合金元素在钢中存在形式取决于与C C的亲和力 11、合金元素对钢机械性能的影响金属的强化机制主要有固溶强化、位错强化、细晶强化、第二相(沉淀和弥散)强化四种。 合金元素在这些强化机制中起到了重要作用。 1)固溶强化，晶格畸变阻碍位错运动。 Mn、Si2)形成合金碳化物弥散强化Nb，V，Al，Ti3)阻碍A晶粒长大细晶强化；大多数合金元素都有阻止A晶粒长大作用，主要Nb、V、Al、Ti、合金元素对钢性能的影响44)提高淬透性M强化，Si、Mn、Cr、Ni、B B，合金元素（除除Co外）推迟珠光体(P)转变，使C曲曲线右移。 注意合金元素只有完全溶于奥氏体时,才能提高淬透性。 未溶解合金元素形成碳化物促进形核，会降低淬透性。 5)合金元素改变马氏体转变温度低大多数合金元素都降低Ms和M f点点（Co、Al除外）,作用次序Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。 Ms和M f点的下降,使使残余A增多。 采用冷处理(冷至Mf点以下)或多次回火可继续M转变。 GCr15钢块规热处理工艺曲线合金元素对钢性能的影响6)提高回火抗力,Si、W、Mo、V、Ti7)产生二次硬化沉淀出弥散稳定的难熔碳化物W2C、VC、Cr7C3等,使钢的硬度升高,称为沉淀硬化。 提高钢的红硬性、硬度及耐磨性。 22、合金元素对相图的影响1）Ni、Mn使相区扩大，使E、S点向左、下移动；A1和和A3温度降低。 2）Si、Cr、Mo、W、V、Ti等使相区缩小,E、S点点向左、上移动；A1和A3温度升高。 33、合金元素对钢的工艺性能的影响11）铸造性能(流动性降低、成分偏析严重)22）塑性加工性能33）焊接性能44）切削性能55）热处理工艺性能合金钢的淬透性高，可慢速冷却得到M，减少工件的变形和开裂倾向。 第三节钢的分类、牌号及用途 一、碳钢的分类11.碳含量低碳C%0.25%、中碳0.25C%0.6%、高碳C0.6%22质量普碳钢S0.055,P0. 045、优质碳素钢S0.04,P0. 04、高级优质碳素钢S0.03,P0.03533按用途碳素结构钢、碳素工具钢、铸钢 44、牌号及用途碳素结构钢牌号Q数字字母。 表示屈服强度值。 字母A、B、C、D为质量等级（硫、磷含量），A级钢含硫、磷量最高，D级钢含硫、磷量最低。 如如Q235B、Q275，塑性、焊接性好。 为低碳钢。 二、合金钢的分类低合金钢（合金10%）按用途合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢GCr15轴承70MnSi钢轨W18Cr4V Cr25Ni2020CrMnTi齿轮 二、合金钢的编号合金结构钢40Cr，碳0.40%，Cr1.5%以下。 合金工具钢5CrMnMo，碳碳0.5%,Cr、Mn、Mo1.5%以以下。 滚珠轴承钢GCr15，碳碳1.0%、铬约1.5%。 易切削钢Y40Mn，碳碳0.4%、锰1.5%。 高级优质钢，末尾加“A”字，例如20Cr2Ni4A等。 16MnR（容器用钢）、09MnNiDR低温容器用钢第四节结构钢 一、普通碳素结构钢Q 195、Q 215、Q235A、Q235B，塑性、焊接性较好，强度较低，轧制成钢筋、钢板、钢管等，用于桥梁、建筑物骨架等构件、普通螺钉、螺帽、铆钉等。 Q235C、Q235D可用于罐体焊接件。 Q 255、Q275强度较高，可轧成型钢、钢板用于构件。 钢筋混凝土立交桥钢制罐体污水处理设备焊口焊接性 二、优质碳素结构钢钢号用平均碳质量分数的万分数表示。 例如，钢号“20”即表示碳质量分数为0.20%的的优质碳素结构钢。 若钢中锰含量较高，则在这类钢号后附加符号“Mn”，如如15Mn、45Mn等等。 常用优质碳素结构钢08F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、销等零件； 35、 40、 45、50钢经热处理后，可获得良好的综合机械性能，用来制造较小齿轮、轴类、缸套等零件。 60、65钢主要用来制造弹簧。 三、合金结构钢制造重要工程结构和机器零件的合金钢。 主要有低合金高强度结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚珠轴承钢。 （一）、低碳低合金高强度结构钢（简称低合金高强钢）主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、储罐、大型钢结构等。 低合金高强钢性能要求( (11)高强度屈服强度300MPa以上。 (2)高韧性延伸率15%20%，冲击韧性600800kJ/m2。 ( (33)良好的焊接性能和冷成型性能。 ( (44)低的冷脆转变温度。 ( (55)良好的耐蚀性。 常用低碳低合金高强度结构钢Q345（16Mn）用量最多、产量最大的高强度、高韧塑性钢种。 使用状态组织为细晶粒的铁素体珠光体(轧后空冷)。 适用于桥梁、钢结构建筑、高压管道与罐体、深冲容器（16MnR）等，具有较好的性价比。 例用用16MnR制造铁路客车侧梁深冲开裂问题板厚10-12mm16Mn冶炼铸轧不当，易出现严重偏析和带状组织。 在钢的一些局部产生贝氏体或马氏体，降低钢的韧性。 Q420（15MnVN）强度较高，且韧性、焊接性及低温韧性也较好，用于制造桥梁、锅炉、船舶等大型结构。 杨浦大桥武汉长江大桥建成于1957年10月桥的主跨度128m，采用普通碳素结构钢Q235C MnSi SP0.120.200.400.700.300.0450.045典型钢号比较江西九江长江大桥Q420（15MnVNq）建成于1992年南京长江大桥Q345（16Mnq）建成于1968年年强度级别超过500MPa，加入Cr、Mo、Mn、Si、V、B等，空冷得到贝氏体组织（如22Mn2SiVB空空冷贝氏体钢），使强度，塑性、焊接性能较好，多用于高压锅炉、高压容器等。 低合金高强度结构钢的热处理特点一般在热轧空冷状态下使用，不需要专门的热处理。 显微组织一般为铁素体+珠光体或索氏体（细珠光体）。 （二）合金渗碳钢汽车、拖拉机中的变速齿轮、凸轮轴、活塞销、万向节、拨叉等零件。 零件工作中受到强烈的摩擦磨损，又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。 拨叉变速齿轮对渗碳零件的性能要求 (1)表面渗碳层高硬度，保证耐磨性和接触疲劳抗力，适当塑性和韧性。 (2)心部高韧性和足够强度。 (3)切削性；高温渗碳（900950），晶粒不易长大；良好的淬透性。 汽车万向节节渗碳零件用钢及牌号20Cr低淬透性钢。 20CrMnTi、20CrMo中淬透性钢。 过热敏感性较小，渗碳过渡层均匀，有良好的机械性能和工艺性能，用于汽车齿轮。 20Cr2Ni4A高淬透性钢。 具有较好的韧性。 汽车用合金渗碳钢的热处理和组织性能热处理工艺:锻坯等温正火渗碳淬火低温回火。 表面组织渗碳体+回火M+少量A，硬度6062HRC。 心部组织完全淬透低碳回火M，硬度4048HRC。 未完全淬透组织为回火MP少量F，硬度2540HRC。 20CrMo合金渗碳钢制造汽车变速齿轮合金渗碳钢制造变速箱齿轴楔楔横横轧轧滴注式渗碳热处理自动生产线（南京东风汽车）（三）、合金调质钢（中碳合金钢）用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件。 轴类件、连杆、大载荷齿轮、螺栓等。 40MnVB进气阀40Cr连杆螺栓合金调质钢零件性能要求调质件承受多种工作载荷，受力复杂，要求综合机械性能高，即高的强度和良好的塑性、韧性。 连续式调质生产线山山东东潍潍坊坊柴柴油油机机厂厂钢种及牌号40Cr、35CrMo、40CrNiMo合金调质钢零件的热处理最终热处理淬火高温回火500650。 合金调质钢零件调质后的组织回火索氏体表面要求耐磨的零件，再进行感应淬火，表面组织为回火马氏体。 表面硬度可达5558HRC。 感感应应淬淬火火（四）、合金弹簧钢11.用途合金弹簧钢是一种专用结构钢，用于制造各种弹簧和弹性元件。 2.合金弹簧钢性能要求 (1)高的弹性极限e，尤其是高的屈强比s/b。 (2)高的疲劳强度。 (3)足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆断。 3.合金弹簧钢成分 (1)中、高碳0.50%0.70%。 碳含量过高时，塑性、韧性降低，疲劳抗力也下降。 (2)Si、Mn为主，提高淬透性，提高屈强比。 重要用途的弹簧钢加入Cr、V、W等等元素44.合金弹簧钢常用钢种和牌号65Mn、60Si2Mn、50CrVA5.加工、热处理与性能 (1)热成形弹簧成型、淬火830-870(油)和中温450550回火。 用来制作较大弹簧。 (2)小尺寸冷成形弹簧，冷拔弹簧钢丝（片）卷成。 低碳马氏体钢弹簧（20钢丝淬火）（五）、轴承钢11.用途滚动轴承的滚动体、内外套圈，专用结构钢。 2.轴承钢性能要求 (1)高的接触疲劳强度。 (2)高的硬度和耐磨性62HRC66HRC。 (3)足够的韧性和淬透性。 3.轴承钢常用牌号GCr 15、GCr15SiMn、GCr15SiMnMoV4.成分特点 (1)高碳0.95%1.10%C。 (2)铬为基本元素0.40%1.65%固溶提高淬透性；形成合金渗碳体(Fe,Cr)3C，细密、均匀分布，提高耐磨性和疲劳强度。 (3)大型轴承，加入硅、锰、钒等。 5.热处理及组织性能热处理球化退火、淬火和低温回火。 (1)球化退火，获得细的球状珠光体和均匀分布的细粒状碳化物。 (2)淬火和低温回火淬火温度要求严格，高会晶粒长大；低则溶解的铬量和碳量不够，淬火硬度不足。 GCr15钢淬火温度820840,回火150160。 最终组织为极细的回火马氏体、均匀分布的粒状碳化物以及少量残余奥氏体。 第五节工具钢 一、碳素工具钢碳素工具钢的碳含量在0.65%1.35%之间。 如T9碳为0.9%的碳素工具钢。 T12A碳1.2%的高级优质碳素工具钢。 常用碳素工具钢T 7、T8硬度较高、有一定韧性，可制造冲头、凿子、锤子等工具。 T 9、T 10、T11硬度高，韧性适中，可制造钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具等。 T 12、T13高硬度，韧性较低，可制作锉刀、刮刀等刃具及量规等量具。 二、合金工具钢刃具钢、模具钢、量具钢刃具钢11.用途制造切削刀具，如车刀、铣刀、钻头等。 铣刀滚齿刀军刀22.工具钢性能要求承受压力、冲击、震动，刃部强烈摩擦，温度达500600。 (1)高硬度60HRC以上。 (2)高耐磨性强度2硬度、硬质化合物（性质、数量、大小、分布）。 (3)高热硬性（红硬性）在高温保持高硬度。 特殊碳化物的弥散析出。 (4)足够的塑性和韧性防折断和崩刃。 33.工具钢的成分、热处理及组织 (1)低合金刃具钢典型钢9SiCr。 工作温度不超过300。 热处理球化退火淬火860-880低温回火180200组织回火马氏体、碳化物和少量残余奥氏体。 应用板牙、丝锥、钻头、铰刀、齿轮铣刀、冷冲模、冷轧辊等。 ( (22)高合金刃具钢工作温度达600，硬度无明显下降。 典型钢W18Cr4V(18-4-1)、W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)热处理等温退火慢加热至高温(12201280)油淬多次回火（550570）组织回火马氏体+细粒状碳化物+少量残奥.应用车刀，刨刀、钻头、复杂的刀具(拉刀、铣刀)（二）、合金模具钢按用途分:冷作模具钢和热作模具钢。 1.冷作模具钢9SiCr、CrWMn制造冷冲模、冷镦模、冷挤压模、拉丝模等。 工作温度不超过300。 冷冷冲冲模模拔丝机与拉丝模9SiCr冷作模具钢性能要求高硬度58HRC62HRC;高耐磨性;足够的韧性和疲劳抗力;热处理变形小。 汽车顶盖拉延模具车门内板拉延模具冷作模具钢的成分高碳1.0%2.0%，保证硬度、耐磨性。 加入Cr、Mo、W、V形成难熔碳化物。 钢种和牌号9Mn2V、9SiCr、CrWMn、Cr12（重载）6Cr4W3Mo2VNb(65Nb基体钢)6Cr4Mo3Ni2WV(CG-2基体钢)9SiCr冷作模具钢热处理一次硬化法9501000淬火，150180回火。 6164HRC，适于重载模具。 二次硬化法1150淬火，520多次回火，6062HRC，红硬性高，韧性差，适用450下工作。 组织Cr12为回火马氏体、碳化物和残余奥氏体。 无内胎摩托车外胎模具螺旋体2.热作模具钢热锻模、热压模、热挤压模、压铸模等，工作温度达600以上。 性能要求热硬性、耐磨性和足够韧性；抗氧化性和热疲劳；高淬透性和导热性（模具体积大）。 热作模具钢成分中碳0.3%0.6%，高强韧性、硬度3552HRC。 加入较多淬透性元素Cr、Ni、Mn、Si等。 加入二次硬化元素Mo、W、V。 钢种和牌号低级5CrMnMo、5CrNiMo、5CrMnSiMoV高级3Cr2W8V、4Cr5MoVSi热处理调质。 组织回火马氏体、粒状碳化物和少量残余奥氏体。 汽车前轴锻造生产产楔横轧生产轴件量具用钢量测工具（卡尺、千分尺、螺旋测微仪、块规、塞规等）。 螺螺纹纹规规量具性能要求高硬度（大于56HRC）、高耐磨性、高尺寸稳定性。 成分高碳（0.9%1.5%）和高淬透性元素Cr、W、Mn。 CrMn、CrWMn、GCr 15、3Cr13等千分卡、深度百分表测量棒、量规量具钢热处理 (1)保证硬度前提下，降低淬火温度，减少残余A。 (2)淬火后冷处理（-70-80），低温回火。 (3)低温回火后，时效处理（120130，几十小时）GCr15钢块规热处理工艺曲线第六节特殊性能钢 一、不锈钢在大气和一般介质中具有高耐腐蚀性的钢。 性能要求耐蚀性、高强度与耐磨性、加工性。 分类按正火状态的组织可分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢和双相不锈钢。 (1)马氏体不锈钢1Cr 13、2Cr 13、3Cr 13、4Cr13等，铬大于12%，1Cr 13、2Cr13耐蚀性较好，有较好的机械性能。 3Cr 13、4Cr13耐蚀性降低，强度和耐磨性提高。 船用不锈钢螺旋桨水轮机转轮上冠、下环、叶片ZG06Cr13Ni4Mo (2)铁素体型不锈钢1Cr 17、1Cr17Ti，铬17%，碳0.15%，单相铁素体，耐蚀性比好。 强度低、塑性好，可形变强化。 用于耐蚀性要求高的构件，如化工设备、容器/管道等。 (3)奥氏体型不锈钢Cr18Ni9（18-88）,碳很低（约0.1%），耐蚀性好。 强度、硬度低，无磁性,塑性、韧性好。 可形变强化。 应用耐酸容器、输送管道、抗磁仪表，医疗器械，装饰材料。 二、耐热钢高温下具有高化学稳定性和热强性的钢。 用途制造加热炉、锅炉、燃气轮机等高温装置中的零部件。 耐热钢性能要求 (1)抗高温氧化性，形成致密、稳定的氧化膜。 (2)热强性。 成分特点耐热钢不可缺少元素Cr、Ni、Si、Al。 另另Mo、W、V、Ti等元素有弥散强化作用，提高高温强度。 常用奥氏体型耐热钢11Cr18Ni99Ti、22Cr21Ni12N N、22Cr23Ni 13、11Cr25Ni20Si22 （2520）等。 工作温度7501200。 用于燃气轮机轮盘和叶片、排气阀、炉用部件等。 辐射管套料盘搅拌风扇 三、耐磨钢1.用途及性能要求履带；铁轨分道叉；铲斗；破碎机鄂板、球磨机衬板严重磨损和强烈冲击零件。 高锰钢（ZGMn13，机加困难，铸后不加工）ZGMn13热处理（水韧处理）10001100，水淬，获得单一奥氏体，硬度210HB，韧性很高。 当当受到强烈冲击，表面变形产生强烈加工硬化，并伴有相变，心部仍保持高韧性。 破碎机颚板颚颚式式破破碎碎机机ZGMn13成分 (1)高碳1.01.4%C。 (2)高锰1114%,扩大奥氏体区，保证淬火后完全为奥氏体。 (3)硅0.30.8%,改善钢水流动性，固溶强化。 耐磨钢发展趋势，以中锰（5-6Mn）奥氏体钢和低碳中锰贝氏体替代高锰钢。 用球磨机粉碎矿石、水泥、煤等。 其衬板为ZGMn13第七节铸铁铸铁碳2.11%的铁碳合金。 铸铁强度较低，韧性较差。 铸铁生产简单，价廉，刚性、切削性、润滑性、减震性好。 铸铁中的碳以游离态石墨（G）形式存在。 铸铁中石墨形态及基体组织对其性能影响很大。 铸铁分类白口铸铁、灰口铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁。 铸铁可通过加入合金元素和热处理来改善其性能。 水压机曲轴缸体机床床身铸铁可用于制造各种机器零件，如机床床身、发动机缸体、缸套、曲轴、轧机轧辊、机器底座、各种支撑架等。 石墨化主要因素 (1)温度和冷却速度高温长时间保温或缓慢冷却。 (2)合金元素促进石墨化元素（C、Si、Al、Cu、Ni、Co）以碳和硅最强烈，可控制铸铁组织和性能。 灰口铸铁和球墨铸铁中的石墨主要是从液体中析出；可锻铸铁中的石墨（白口铸铁退火）由渗碳体分解而得到。 铸铁组织石墨基体。 基体是是F或P或FP组织（基体上分布石墨夹杂）。 石墨形态灰口铸铁和变质铸铁中的石墨呈片状；可锻铸铁中石墨呈团絮状。 球墨铸铁中的石墨呈珠状。 蠕墨铸铁中的石墨呈蠕虫状。 铸铁的性能强度和塑性低。 切削加工性优异。 铸造性能良好。 石墨的储油润滑作用，提高耐磨性。 石墨削弱振动传递，抗振、吸振。 常用铸铁灰口铁HT 150、HT250可锻铸铁KT350- 10、KT450-5球墨铸铁QT420- 10、QT800-2等。 （数字表示最低抗拉强度极限和延伸率）1.灰铸铁灰铸铁有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种基体。 孕育铸铁经孕育处理（亦称变质处理）后的灰铸铁。 F+G片F+P+G片P+G片灰铸铁价格便宜、应用最广泛。 如端盖、泵体、轴承座、阀壳、管子及管件；机床底座、床身、油缸、汽缸、联轴器、齿轮、齿轮箱外壳等。 泵支架汽车水泵钳工平台工作平台台热处理1）消除内应力500550退火。 2）改善切削消除白口，(850900保温25h)以降低硬度3）提高表面耐磨表面淬火。 球墨铸铁球墨铸铁的石墨呈球状，具有较高强度，良好塑性和韧性。 综合机械性能接近钢