第4章 钢铁材料及其用途

第4章钢铁材料及其用途 分类 铁碳合金 工业纯铁 Wc 0 02 碳钢 白口铁 过共析钢 共析钢 亚共析钢 亚共晶铁 共晶铁 过共晶铁 0 02 wc 0 77 Wc 0 77 0 77 wc 2 11 2 11 wc 4 3 wc 4 3 4 3 wc 6 69 4 1碳钢与合金钢 4 1 1碳钢碳的质量分数在0 0218 2 11 范围内的铁碳合金 1 常存杂质对碳钢性能影响 1 锰的影响Mn有较强的脱氧能力 消除FeO可改善钢的品质 降低钢的脆性 锰与钢中的硫形成MnS 降低S对钢的危害 碳素钢中把锰控制在0 25 0 80 范围内 第4章钢铁材料及其用途 1 常存杂质对碳钢性能影响 2 硅的影响硅来自生铁和脱氧剂硅铁中 硅能使钢液中的FeO变成炉渣脱离钢液 提高钢的品质 硅能溶于F 提高钢的强度 硬度 降低钢的塑性和韧性 硅能使Fe3C的稳定性下降 促进Fe3C分解生成石墨 钢中出现石墨使钢的韧性严重下降 产生 黑脆 4 1 1碳钢 1 常存杂质对碳钢性能影响 3 硫的影响杂质S几乎不溶于铁素体 而与Fe形成FeS存在于钢中或与Fe形成共晶体 FeS及其共晶体溶点均低于热形变加工温度 1150 1250 使钢在热形变加工中产生 热脆性 Mn使硫形成MnS 其熔点高达1620 从而消除S引起的热脆性 4 1 1碳钢 1 常存杂质对碳钢性能影响 4 磷的影响P可以固溶到F中 提高钢在室温时的强度 但P也易与Fe形成极脆的化合物Fe3P使钢的塑性和韧性显著下降 温度愈低脆性越大 故称为 冷脆 钢中要严格把P的含量控制在0 045 以下 4 1 1碳钢 2 碳钢的分类 按冶炼方法分类 平炉钢 转炉钢 电炉钢 4 1 1碳钢 按脱碳方法分类 沸腾钢F 镇静钢Z 半镇静钢b 2 碳钢的分类 按钢中含碳量分类 低碳钢 中碳钢 高碳钢 Wc 0 25 Wc在0 25 0 6 之间 Wc 0 6 4 1 1碳钢 2 碳钢的分类 按钢的质量分类 普通碳素钢 优质碳素钢 高级优质碳素钢 Ws 0 055 Wp 0 045 Ws 0 040 Wp 0 040 Ws 0 030 Wp 0 035 4 1 1碳钢 2 碳钢的分类 按钢的用途分类 碳素结构钢 碳素工具钢 制造各种构件和机器零件 制造各种刀具 量具 模具 4 1 1碳钢 3 碳钢的编号 4 1 1碳钢 1 碳素结构钢 3 碳钢的编号 2 优质碳素结构钢 3 碳钢的编号 3 碳素工具钢 3 碳钢的编号 4 碳素铸钢 3 碳钢的编号 4 1 2合金钢 为了改善钢的组织与性能 有意识地在钢中加入某些合金元素所获得的钢种 4 1碳钢与合金钢 碳钢的特点 淬透性低 整个截面性能分布不均 力学性能比合金钢低 存在硬度 强度与塑性 韧性之间的矛盾 不能具备耐高温 耐腐蚀 高耐磨等特殊性能 4 1 2合金钢 1 合金元素在钢中的作用 固溶强化合金元素固溶于F A M中引起晶格畸变 增加位错运动阻力 产生固溶强化 4 1 2合金钢 1 合金元素在钢中的作用 第二相强化某些合金元素可以固溶于Fe3C中 形成合金Fe3C或特殊碳化物 提高钢的强度和硬度 4 1 2合金钢 细晶强化使A F晶粒及M针条细化 增加位错运动阻力 达到强化的目的 1 合金元素在钢中的作用 提高淬透性合金元素固溶于A中 增加A的稳定性 减慢过冷A的分解速度 使C曲线右移 降低钢淬火时的临界冷却速度 提高淬透性 4 1 2合金钢 1 合金元素在钢中的作用 提高回火稳定性回火稳定性 淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力 合金元素固溶于M中减缓C的扩散 阻碍碳化物的析出 推迟M的分解 抵抗硬度下降 4 1 2合金钢 1 合金元素在钢中的作用 使钢获得特殊性能 形成稳定的单相组织 使A3线降至室温 得到具备耐腐蚀 耐高温 抗磨损的A钢 形成致密氧化膜和金属间化合物 提高钢的耐腐蚀性和高温抗氧化性 金属间化合物阻碍位错在高温下运动 提高钢的蠕变抗力 提高钢的高温强度 4 1 2合金钢 2 合金钢的分类 按合金元素的含量分低合金钢 合金元素总的质量分数 中合金钢 合金元素总的质量分数为 高合金钢 合金元素总的质量分数 按用途分 4 1 2合金钢 3 合金钢牌号的表示方法 我国合金钢的编号 字母 数字 元素符号 数字 字母表示某些专门用途钢 如G为滚动轴承钢 Y为易切削钢 表示含碳量 合金结构钢为两位数字 表示万分之一 合金工具钢为一位数字表示千分之一 如含碳量大于1 可省略 表示所含合金元素及其含量 数字表示百分之一 小于1 5 可省略 表示冶金质量 A为高级优质钢 E为特级优质钢 4 1 2合金钢 4 合金结构钢 用途 制造重要工程结构和机器零件 分类 低合金结构钢 合金渗碳钢 合金调质钢 合金弹簧钢 滚动轴承钢 4 1 2合金钢 用途 制造在大气和海洋中工作的大型焊接构件 碳含量 Wc在0 1 0 25 合金元素总含量 3 由于合金的强化作用 保证钢具有良好的塑性 韧性 焊接性能和耐大气腐蚀性 1 低合金结构钢 4 合金结构钢 2 合金渗碳钢 经过渗碳热处理后使用的低碳合金钢 用途 制造在摩擦力 交变接触应力和冲击条件下工作的零件 特点 表面硬度和接触疲劳强度高 心部具有良好的韧性 4 合金结构钢 3 合金调质钢 经过调质处理后使用的中碳合金结构钢 用途 制造受力复杂 要求具有综合力学性能的重要零件 4 合金结构钢 3 合金调质钢 根据淬透性高低分类 低淬透性合金调质钢 中淬透性合金调质钢 高淬透性合金调质钢 4 合金结构钢 4 合金弹簧钢 用于制造弹簧或其他弹性零件的钢种 作用 通过弹簧变形储存能量 传递力 缓和机械的振动与冲击 力学特性 高的弹性极限 屈服强度及疲劳强度 4 合金结构钢 4 合金弹簧钢 特点 保证能吸收大量的弹性能而不发生塑性变形 具有较高的疲劳强度和足够的塑性 韧性 碳含量 0 45 0 7 常加入合金元素硅 锰 铬 钒等以提高塑性 韧性 弹性极限 淬透性 4 合金结构钢 4 合金弹簧钢 加工及热处理方法 热成型弹簧热成型后进行淬火 中温回火 冷成型弹簧冷成型后进行去应力退火来消除变形应力 并使弹簧定型 4 合金结构钢 5 滚动轴承钢 用于制造滚动轴承的滚珠 滚柱 滚针和内外圈的钢种 工作特点 滚动体和内外圈均受周期性的交变载荷 接触应力大 循环受力每分钟可达万次 受到大气 润滑油的浸蚀 4 合金结构钢 5 滚动轴承钢 特点 高的接触疲劳强度 高而均匀的硬度和耐磨性 一定的韧性和耐腐蚀性 碳含量 0 95 1 15 Cr为0 5 1 65 以提高钢的淬透性和耐磨性 4 合金结构钢 5 合金工具钢 在碳素工具钢的基础上有选择地加入适量合金元素而获得的钢 用途 制造刃具 模具 量具等 特点 硬度高 耐磨性好 有足够的韧性 变形小 4 1 2合金钢 1 刃具钢 刃具 用来进行切削加工的工具 特点 工作时 受到复杂的切削力作用 要求有高硬度 高耐磨性 高的热硬性及足够的强度 韧性 5 合金工具钢 1 刃具钢 低合金刃具钢成分 含碳量0 75 1 15 加入合金元素Cr Mn Si W V等 提高淬透性 红韧性及耐磨性 热处理 锻造后进行球化退火 以改善切削加工性能 为淬火作组织准备 强化热处理采用淬火与低温回火 组织为回火M和粒状碳化物 少量残余A 5 合金工具钢 1 刃具钢 高速钢制造高速切削刃具的一种高碳高合金钢 特点 切削速度高 寿命高 成分 碳含量为0 75 1 65 并含有总量大于10 合金元素Cr Mo W V Co等 碳的作用 保证淬火后M有足够硬度 与合金元素作用形成足够数量的特殊碳化物 以保证钢具有高的硬度 高耐磨性和红硬性 5 合金工具钢 高速钢 5 合金工具钢 1 刃具钢 硬质合金将高熔点 高硬度的金属碳化物粉末和粘结剂混合 压制成型 再经烧结而成的一种粉末冶金材料 用途 制作不同形状 尺寸的刀片 特点 硬度高 性脆 不能切削加工 通常采用机械夹固或钎焊方法固定在刀体 5 合金工具钢 1 刃具钢 硬质合金分类 钨钴类 YG 数字 Co含量增加 韧性提高 但硬度 耐磨性降低 主要用作加工脆性材料 钨钛类 YT 数字 硬度 热硬性比YG类高 但抗弯强度与韧性比YG类低 主要用作加工塑性材料 钨钛钽类 YW1 YW2 通用型硬质合金 5 合金工具钢 2 模具钢 冷模具钢 冷冲模 冲裁模 弯曲模 拉延模 及冷挤压模等 5 合金工具钢 热模具钢 热锻模 热挤压模 冲裁模等 2 模具钢 5 合金工具钢 3 量具钢 量具 机械加工过程中控制加工精度的测量工具 量具的特点 与工件接触部位粗糙度值低 硬度高 精度高 与工件接触面易损 5 合金工具钢 6 特殊性能钢 具有特殊使用性能的钢种 1 不锈钢能够抵抗大气 酸 碱或其他介质腐蚀的合金钢 最基本元素是铬元素 Cr 12 铬在氧化介质中形成一层氧化膜 以防止进一步氧化和腐蚀 铬含量越多 耐腐蚀性越强 碳含量越多 耐腐蚀性越差 6 特殊性能钢 1 不锈钢 2 耐热钢 耐热性 金属材料在高温下抗氧化性和高温强度的总称 抗氧化钢 不起皮钢 加入的合金元素铬 硅 铝 形成一层致密牢固的高熔点氧化膜 从而保证了钢不再被氧化 6 特殊性能钢 2 耐热钢 钢在高温下长期承受载荷 温度升高 金属原子间结合力减弱 强度下降 在再结晶温度以上 金属会缓慢地发生塑性变形 蠕变 最后导致金属破坏 钢中加入钨 钼等合金元素提高再结晶温度 提高抗蠕变能力 6 特殊性能钢 3 耐磨钢 具有很高的耐磨性和抗冲击能力的钢 高锰钢是典型的耐磨钢 特点 碳含量较高可以提高耐磨性 锰含量很高 可以保证热处理后得到单相A组织 6 特殊性能钢 3 耐磨钢 原理 A钢件表面因塑性变形而产生强烈加工硬化 并伴随A向M转变 使表面硬度提高 获得高的耐磨性 而心部仍保持单相A 6 特殊性能钢 4 2铸铁 4 2 1铸铁的成分和性能铸铁含碳量大于2 11 力学性能较低 但因有游离态的石墨而具备良好的减振性 耐磨性 铸造性 切削加工性等优良性能 铸铁的性能 石墨的存在 使铸铁具有铸钢所不具备的性能 铸铁的优点 良好的铸造性能 如流动性好 收缩小良好的切削加工性能 高的耐磨性 良好的吸振缓冲性能 低的缺口敏感性能 4 2铸铁 4 2 2铸铁的石墨化及铸铁的分类 石墨片越圆整 越细小 分布越均匀对基体割裂作用越小 4 2铸铁 4 2 2铸铁的石墨化及铸铁的分类 碳以石墨的形式析出的过程 即铸铁中石墨形成的过程 通常视石墨化过程充分与否 会得到不同基体的铸铁组织 铸铁的基体通常有 铁素体灰口铸铁 铁素体 珠光体灰口铸铁 珠光体灰口铸铁 4 2铸铁 1 石墨化过程 1 石墨的特性结构特性 具有简单的六方晶体结构 晶体中的碳原子分层排列 同一层上的原子间距为0 142nm 其结合力强 层间距为0 340nm 其结合力弱 易成片状 力学特性 强度 塑性 韧性极低 硬度仅为3HBS 4 2铸铁 二 石墨化形成的二个阶段 铸铁中的石墨 G 既可在液体结晶时直接析出 也可由Fe3C分解而来 铁碳合金的结晶过程和组织转变除了按Fe Fe3C相图进行外 还可按Fe G相图进行 铁 碳双重相图 4 2铸铁 石墨化过程的二个阶段 第一阶段 高温石墨化阶段 是由过共晶液态中直接结晶出一次石墨 G 和在1154 时通过共晶反应而形成的共晶石墨G 在1154 738 范围冷却过程中 自A中不断地析出二次石墨 G 4 2铸铁 石墨化过程的二个阶段 第二阶段 低温石墨化阶段 是在738 通过共析反应形成共析石墨及在738 以下从F中析出的石墨 4 2铸铁 石墨化过程的二个阶段 第一阶段较容易进行 而第二阶段石墨化温度较低 通过改变第二阶段石墨化进行的程度 可获得铁素体 铁素体 珠光体 珠光体三种不同的基体 4 2铸铁 二 影响石墨化的因素 化学成分 C是形成石墨的元素 Si是促进形成石墨的元素 但过多会导致石墨片粗大 降低力学性能 硫 锰阻碍石墨化 锰可以与硫形成MnS 减少硫的有害作用 还能提高力学性能 磷虽有促进石墨化的作用 但能产生冷脆 4 2铸铁 二 影响石墨化的因素 2 冷却速度 减小冷却速度可以促进石墨化 易得到粗大的石墨片和F基体 增大冷却速度则阻碍石墨化 此时只有部分碳以细石墨片析出 而另一部分碳则以渗碳体析出 得到P基体 4 2铸铁 影响石墨化的因素 4 2铸铁 二 铸铁的分类 一 灰口铸铁第一阶段石墨化过程充分进行而得到的铸铁 碳主要以石墨形式存在 断口呈灰暗色 灰口铸铁 灰铸铁 可锻铸铁 蠕墨铸铁 球墨铸铁 4 2铸铁 二 铸铁的分类 灰铸铁显微组织中 石墨呈片状的铸铁 工艺简单 价格低廉 4 2铸铁 可锻铸铁显微组织中 石墨呈团絮状的铸铁 生产工艺时间长 成本高 不能锻造 球墨铸铁球墨铸铁的石墨呈球状 生产工艺比可锻铸铁简单 力学性能较好 蠕墨铸铁显微组织中 石墨呈蠕虫状的铸铁 二 白口铸铁 第一阶段石墨化过程全部抑制 完全按照铁碳相图进行转变而得到的铸铁 铸铁中的碳几乎全部以Fe3C的形式存在 其性能硬而脆 断口为银白色 主要用做炼钢原料 4 2铸铁 三 麻口铸铁 第一阶段石墨化部分进行 第二阶段石墨化未能进行 其组织介于上述二者之间 有较大的硬度和脆性 4 2铸铁 二 不同石墨形态灰口铸铁的特性及用途 一 灰铸铁 HT 特点 抗拉强度和疲劳强度较低 抗压强度高 耐磨性和消振性好 缺口敏感性低 塑性 韧性几乎为零 基体 F P F P生产 铁水熔炼好后直接浇铸牌号 HTXXXHT100 b 100Mpa石墨形态 片状 HT 表示灰口铸铁中文拼音的代号XXX 三位数字表示最抵抗拉强度 MPa 用途 制造承受压力和振动的零件 4 2铸铁 一 灰铸铁 HT 灰口铸铁的孕育处理 提高和改善灰口铸铁的性能的途径 改善基体组织 改变石墨形态 数量 大小和分布 灰口铸铁的孕育处理是提高和改善灰口铸铁的性能的途径行之有效的方法 常用的孕育剂是含Si量为75 的硅铁 灰口铸铁的孕育处理方法 即将熔炼出的铁水在浇铸前加入质量分数为0 25 0 60 的孕育剂 孕育剂在铁水中形成大量弥散的石墨结晶核心 使石墨化作用显著提高 从而得到在细珠光体上均匀分布着细片状石墨的组织 4 2铸铁 二 球墨铸铁 QT 主要成为 wc 3 7 4 0 Wsi 2 0 2 8 wMn 0 6 0 8 ws 0 04 wP 0 1 wRe 0 03 0 05 QT400 18 b 400Mpa 18 4 2铸铁 二 球墨铸铁 QT 显微组织分为 铁素体 球状石墨 铁素体 珠光体 球状石墨 珠光体 球状石墨 浇注前需向铸铁液中加入一定量的球化剂进行球化处理 球化处理后还需进行孕育处理 以促进石墨化 增加石墨球的数量 减小球的尺寸 4 2铸铁 二 球墨铸铁 QT 特点 基体利用率高达70 90 抗拉强度 塑性 韧性 疲劳强度高 由于热处理强化效果显著 可对球墨铸铁进行退火 正火 调质 等温淬火 软氮化等热处理 应用 代替中碳钢及中碳合金钢制造发动机曲轴 连杆 凸轮和机床主轴等 4 2铸铁 三 可锻铸铁 KT 将亚共晶成分的白口铁墨化退火而得到的具有团絮状石墨的铸铁 成分 Wc 2 4 2 8 WSi 1 2 2 0 WMn 0 4 1 2 WS 0 1 WP 0 2 4 2铸铁 三 可锻铸铁 KT 石墨化退火 将浇铸成白口铸铁的铸件加热到900