教学材料《材料》-项目八

8.1钢中杂质元素对钢性能的影响实际使用的钢中，除了含有铁、碳与合金元素外，在冶炼过程中，不可避免地要带入一些杂质。其中锰、硅、硫、磷等元素以及某些气体，如氮、氢、氧等这些杂质对钢的性能有很大的影响。下一页返回8.1钢中杂质元素对钢性能的影响8.1.1硅的影响硅是在炼钢时随脱氧剂而加入钢中的有益元素，其含量一般不超过0.04%。在室温下，溶于铁素体，虽然能提高钢的强度、硬度和弹性，但是却会降低钢的塑性和韧性。上一页下一页返回8.1钢中杂质元素对钢性能的影响8.1.2锰的影响锰是来源于炼钢的材料—锰铁，是钢中的有益元素。锰在钢中能大部分溶于铁素体，对钢有一定的固溶强化作用，少量溶于渗碳体，形成合金渗碳体。同时锰具有一定的脱氧和脱硫的能力，使钢中的FeO还原成铁，可与硫生成MnS,减轻硫的有害作用。另外，锰还能增加钢中珠光体的相对量，并使珠光体晶粒细化，提高钢的强度。碳钢中锰的含量一般在0.25%~0.80%。上一页下一页返回8.1钢中杂质元素对钢性能的影响8.1.3磷的影响磷是从生铁中被带入钢中的，是钢中的有害元素。一般情况下，磷能完全溶于铁素体，可以使铁素体的强度、硬度提高，但是在室温时会降低钢的塑性和韧性。在低温的情况下，使其塑性、韧性显著降低，这种脆化现象称为冷脆。因此，应尽量控制钢中的磷含量。例如，1938年冬天，比利时阿尔伯特运河钢桥因磷含量高而产生冷脆性，发生断裂坠入河中。但是，在适当的情况下，P也有一些有益的作用，如与Cu配合能增加钢的抗大气腐蚀能力，从而改善钢材的切削加工性能。上一页下一页返回8.1钢中杂质元素对钢性能的影响8.1.4硫的影响硫是从生铁和焦炭中被带入钢中的，是钢中的有害元素。固态时，不溶于铁，而是以FeS形式存在。由于其塑性很差，使钢的脆性增大。更严重的是当钢在1000℃~1200℃进行压力加工时，分布在奥氏体晶界上的FeS与Fe形成低熔点的共晶体在晶界上融化，致使晶粒脱开，使钢在加工过程中沿晶界开裂。这种引起钢在热加工时或高温工作下开裂的现象称为热裂性，或者称为热脆性。消除热裂性的方法就是在钢中加入锰元素，让锰和硫形成高熔点的MnS，且成粒状分布在晶粒内部，如此就能有效消除在高温下硫引起的热裂性。因此，应尽量控制钢中的硫含量。上一页下一页返回8.1钢中杂质元素对钢性能的影响但是，在适当的情况下，S也有一些有益的作用。如当钢中含硫较高(0.08%~0.3%)时，适当提高钢中的含锰量(0.6%~1.55%，使S与Mn结合成MnS，切削时易于断屑，能改善钢的切削性能，故易切削钢中含有较多的S。上一页下一页返回8.1钢中杂质元素对钢性能的影响8.1.5其他杂质的影响钢中除了含有以上几种杂质外，还有氢、氧、氮等元素。钢中含有原子态的过饱和氢时将降低其韧性，引起氢脆。当氢在钢中的缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。室温下氮在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和的氮在常温放置过程中会以Fe4N形式析出而使钢变脆，称为时效脆化。在钢中加入Ti,V,Al等元素，可使氮以氮化物的形式被固定下来，从而消除时效倾向。钢中氧全部以氧化物形式存在，所以氧对钢性能的危害主要表现为氧化物夹杂对钢性能的影响。钢中含氧量增加，氧化物夹杂数量增加，使钢的塑性、韧性降低，疲劳强度、耐蚀性和热加工性能变坏，故应严格控制钢中的氧含量。上一页返回8.2碳钢的分类8.2.1按含碳量分类根据钢中的含碳量的多少，可以分为低碳钢(wc≤0.25%，中碳钢(0.30%≤(wc≤0.55%)和高碳钢(wc

≤0.6%)三大类。下一页返回8.2碳钢的分类8.2.2按用途分类碳素结构钢:一般为低碳钢和中碳钢，用于制造各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等，以及机器零件，如齿轮、轴、连杆、螺钉、螺母等。碳素工具钢:一般为高碳钢，用于制造各种刃具、量具、模具等。铸钢:主要用于制作形状复杂，难以用压力加工成型的铸钢件。上一页返回8.3常用的碳钢牌号及性能8.3.1普通碳素结构钢普通碳素钢的牌号用Q+数字+字母+字母表示，“Q”为屈服点的“屈”字汉语拼音首写字母，数字表示屈服点数值。数字后面的第一个字母为钢的质量等级符号(A,B,C,D)，表示钢材质量等级不同，从A~D级含S,P的量依次降低，则钢的质量从A~D级依次提高。第二个字表示脱氧方法符号(F,b,Z)，”F”表示沸腾钢，”b”为半镇静钢，不标“F”和“b”的为镇静钢，TZ表示特殊镇静钢。如Q235-AF表示屈服点为235MPa的A级沸腾钢，Q235-C表示屈服点为235MPa的C级镇静钢。普通碳素结构钢的牌号，化学成分和力学性能见表8-1。下一页返回8.3常用的碳钢牌号及性能普通碳素结构钢一般情况下都不经加热锻造或热处理，而是在热轧状态下直接使用。通常Q195和Q215含碳量低，焊接性能好，塑性韧性好，易于加工，具有一定强度，常用于轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等钢结构。Q235既有较高的塑性，又有适当的强度，因而被称为应用最广泛的普通碳素结构钢。既可用于较高的建筑构件，也可以用于制作一般的机器零件。Q255和Q275钢强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接。通常轧制成型钢、条钢和钢板作结构件以及制造连杆、键、销、简单机械上的齿轮、轴节等。上一页下一页返回8.3常用的碳钢牌号及性能8.3.2优质碳素结构钢优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字表示钢中平均碳含量的万分数。例如，45钢，表示平均碳含量为wc=0.45%。优质碳素结构钢按照锰含量的不同，可以分为普通锰钢(wMn=0.25%~0.80%)和较高锰钢(wMn=0.7%~1.2%。较高锰含量的优质碳素结构钢的牌号为45Mn，其主要用于制造比较重要的机器零件。低碳钢:08F,10F,15,20等具有良好的塑性韧性和良好的锻压、焊接性能。常用于制造受力不大，塑性韧性要求较高的零件，如螺栓、螺母及焊接容器等。08F薄钢板是制造冷冲压件材料，如汽车车身、拖拉机驾驶室。15,20常用于上一页下一页返回8.3常用的碳钢牌号及性能制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如齿轮、活塞销等。中碳钢:35,40,45,50钢属于调质钢，经热处理后具有良好的综合力学性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，常用的45钢主要用于制作轴、齿轮等零件。高碳钢:60,70等钢经淬火和回火后具有较高的强度、弹性和一定的耐磨性，可用于制造弹簧、钢丝绳和农机耐磨件等。优质碳素结构钢的牌号、化学成分、热处理和力学性能见表8-2。上一页下一页返回8.3常用的碳钢牌号及性能8.3.3铸钢由熔融的碳钢直接浇铸而成构件或机械零件，称为铸钢件(简称铸钢)。碳素铸钢的含碳量一般在0.15%~0.60%范围内，含碳量过高则塑性很差，具有较大的应力和冷裂倾向，不适用于锻造。其牌号用“ZG+数字+数字”表示，"ZG”表示铸钢两字的汉语拼音的首写字母，两组数字分别表示铸钢的屈服强度和抗拉强度。例如牌号为ZG230~450表示屈服强度为230MPa、抗拉强度为450MPa的铸钢。碳素铸钢按照其中的含S,P量的多少可分为:I级为高级优质铸钢(ws≤0.04%，wP≤0.04%);II级为优质铸钢(ws

≤0.05%，wP≤0.05%);III级为普通铸钢。上一页下一页返回8.3常用的碳钢牌号及性能(ws

≤0.06%,wP

≤0.06%)。铸造碳素钢的牌号、化学成分、力学性能见表8-3。铸钢零件在铸造加工后，晶粒粗大，化学成分不均匀，并存在较大的残余应力，故不宜直接使用。因此铸钢零件一般采用正火或退火处理，以改善组织，消除残余应力，从而提高零件的力学性能。重要的铸钢零件应进行调质处理;要求表面耐磨性高的零件可进行表面淬火+低温回火。但是，铸钢件的力学性能与相应的锻钢件相比，仍存在一些缺陷，如夹砂、气孔、缩松等，这是因为铸钢件不能采用热处理来改善这些缺陷。铸钢件是通过浇铸的方法进行加工的。通常情况下，ZG200~400和ZG230

450抗压性能和屈服强度不是太高，上一页下一页返回8.3常用的碳钢牌号及性能常用于制作机座，变速箱壳体等。ZG270~500常用于制作飞机机架，水压机的工作缸等ZG310~570和ZG340~640常用于制作联轴器、汽缸、起重机中齿轮，以及重要的机件。返回上一页表8-1表8一1普通碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能(GB/T700-1988)表8-1普通碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能(GB/T