教学材料《金属材料》-6

6.1钢中杂质元素对性能的影响钢是通过铁矿石、生铁或废铁冶炼而来的，由于原料和冶炼工艺的原因，碳钢中除铁与碳两种元素外，不可避免地还存有杂质元素。对钢的性能影响较大的杂质元素有锰、硅、硫、磷等四种，称为常存杂质。它们对钢的性能有一定影响，尤其是后两种，是生产中需要严格控制、经常检查的杂质。一、锰碳钢中的锰主要是炼钢时用锰铁给钢水脱氧而残余在钢中的元素。锰有较强的脱氧能力，可以清除FeO，降低钢的脆性。下一页

返回6.1钢中杂质元素对性能的影响锰还可以与钢中有害杂质硫形成MnS，从而降低S对钢的危害，提高热加工的工艺性。大部分锰溶人铁素体，形成置换固溶体，也能部分溶入Fe3C中，形成合金渗碳体，都能起强化作用。但是含锰量过高易使钢的晶粒粗大。二、硅硅主要来自原料生铁及硅铁脱氧剂。硅比锰的脱氧能力强，可使钢水中FeO变成炉渣脱离出来，从而提高钢的品质。硅能溶人铁素体，提高钢的强度、硬度，但会降低钢的塑性和韧性上一页

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返回6.1钢中杂质元素对性能的影响三、硫杂质硫主要来源于矿石和燃料。硫不能溶人铁中，它主要与铁形成熔点为1190℃的FeS,FeS又与γ-Fe形成共晶体(Fe+FeS)，其熔点仅是985℃，这一温度低于钢的热变形加工温度(1000℃~1200℃)，在进行热变形加工时，分布在晶界处的共晶体处于熔融状态，易使钢在热变形加工中沿晶界开裂，表现出所谓“热脆性”。如果钢水脱氧不良，含有较多的FeO，还会形成(Fe+FeO+FeS)三相共晶体，熔点更低(940℃)，危害性更大。因此，钢中的硫含量愈少，钢的品质愈好。硫的含量常被用作衡量钢材质量等级的重要指标之一。上一页

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返回6.1钢中杂质元素对性能的影响四、磷磷也是矿石带到钢中的。磷可以固溶到铁素体(溶解度<0.1%)中起强化作用，提高钢在室温时的强度。但是，磷也易与铁形成极脆的化合物Fe3P，使钢的塑性和韧性显著下降，且温度愈低脆性愈大，这种现象通常称为钢的“冷脆性”。此外，磷还使钢的焊接性降低。除了这些常存杂质元素之外，在炼钢过程中，还有少量非金属杂质(O、H、N等)进入钢水中，都会降低钢的力学性能。因此，也要加以严格控制。上一页

返回6.2碳钢的分类根据GB/T13304-1991，钢按化学成分分为非合金钢、低合金钢和合金钢。一、按钢中碳含量的多少分，可分为(1)低碳钢Wc≤0.25%(2)中碳钢0.25%<Wc≤0.6%(3)高碳钢Wc>0.6%二、按钢的质量分，可分为(1)普通钢(2)优质钢(3)高级优质钢下一页

返回6.2碳钢的分类三、按钢的用途分，主要有(1)碳素结构钢:用于建筑、桥梁、船舶等工程构件和机器零件(2)碳素工具钢:用于刀具、模具、量具四、按炼钢时的脱氧程度或方式分，可分为(1)沸腾钢:是脱氧不彻底的钢，代号F(2)镇静钢:是脱氧彻底的钢，代号Z(3)半镇静钢:是脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，代号为b(4)特殊镇静钢:比镇静钢脱氧程度更充分彻底的钢，代号为TZ上一页

返回6.3碳素结构钢碳素结构钢包括用于建筑、桥梁、船舶等工程构件的普通碳素结构钢和用于制造机械零件的优质碳素结构钢两种。一、碳素结构钢普通质量的碳素结构钢简称为碳素结构钢或普碳钢。这类钢只保证力学性能，化学成分一般不是很严格，所以，其钢号主要是以其力学性能参数来命名。具体命名方法如下:

标志符号“Q”+σs值+质量等级符号+脱氧符号碳素结构钢只有五个基本牌号:Q195,Q215,Q235,Q255,Q275。表6-1和表6-2分别为碳素结构钢牌号对应的化学成分及力学性能。下一页

返回6.3碳素结构钢碳素结构钢由于含碳量不高，所以，其塑性、韧性较好，焊接性好，而强度、硬度较低。这类钢通常是热轧后空冷供货，用户一般不进行热处理。碳素结构钢主要用于建筑、桥梁、船舶等各类工程领域，应用量很大，约占钢材市场总量的70%。这类钢一般做成热轧钢板、钢带、钢管、盘条、型材、棒料等，供焊接、铆接、栓接等构件使用。二、优质碳素结构钢优质碳素结构钢不仅保证力学性能，也保证化学成分。其钢号用平均含碳量的万分数表示。例如钢号“45”,即表示碳含量为0.45%的优质碳素结构钢。上一页

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返回6.3碳素结构钢

优质碳素结构钢中有三个钢号是沸腾钢，其钢号(08F,10F,15F)尾部标有F。优质碳素结构钢中还有些是锰的质量分数较高(含锰量在0.7%~1.2%)的一组牌号(15Mn~70Mn)，其钢号尾部标有元素符号Mn，性能和用途与原对应牌号(15~70)相同，但其淬透性略高。这类钢仍属于优质碳素结构钢，不要误认为是合金钢。优质碳素结构钢有优质、高级优质(在钢号后加A)、特级优质(在钢号后加E)之分。优质碳素结构钢总共有31个钢号，包括低碳钢、中碳钢和高碳钢。由于含碳量差别很大，力学性能差别也很大。上一页

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返回6.3碳素结构钢08F,10F,15F这3个沸腾钢表血质量好，塑性好，有良好的焊接和冲压性能，一般制造成薄板，用于做冷冲压件、焊接件，如拖拉机箱、汽车壳体等。15,20,25钢强度较低，但塑性和韧性较高，焊接性能及冷冲压性能较好。可以制造各种用作冷冲压件和焊接件以及一些受力不大但要求高韧性的零件。

30,35,40,45,50,55钢属于调质钢，经淬火及高温回火后，具有良好的综合力学性能，主要用于要求强度、塑性和韧性都较高的机械零件，如齿轮、轴类零件，这类钢在机械制造中应用最广泛，其中以45钢更为突出。上一页

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返回6.3碳素结构钢60,65,70钢属于弹簧钢，经淬火及中温回火后可获得高的弹性极限、高的屈强比，主要用于制造弹簧等弹性零件及耐磨零件。上一页

返回6.4碳素工具钢

碳素工具钢主要用于制作各种小型工具。它的含碳量为0.65%~1.35%。经过淬火及低温回火处理后可获得高硬度、高耐磨性。碳素工具钢分为优质级(ws≤0.03%,wp

≤

0.035%)和高级优质级(ws≤0.02%，wp

≤

0.03%)两大类。这类钢号命名的方法是:“碳”的汉语拼音“T”加上含碳量的千分数。如T10，表示碳的质量分数千分之十即1.0%的碳素工具钢。对于高级优质的碳素工具钢须在钢号尾部加+A，如T10A。优质级的不加质量等级符号。碳素工具钢中锰的含量严格控制在0.4%以下。个别钢为了提高其淬透性，锰的含量上限扩大到0.6%。碳素工具钢的主要钢号、化学成分、性能、用途见表6-5。下一页

返回6.4碳素工具钢碳素工具钢在机械加工前一般进行球化退火，硬度≤220HBS。最终热处理为淬火及低温回火，组织为回火马氏体+粒状渗碳体。其硬度可达60~64HRC，具有很高的耐磨性，价格又便宜，生产上得到广泛应用。碳素工具钢做刀具的缺点是红硬性差。上一页

返回6.5铸钢在工业生产中会遇到一些形状复杂的零件，不便锻压制成毛坯。而铸铁又保证不了塑性与韧性的要求，这时可用碳钢采用铸造方法生产出铸钢件。这类钢按国标规定了五个钢号。其命名方法是:标志符ZG+最低σs值-最低σb值。一般工程用铸钢的牌号、成分和力学性能见表6-6。铸钢的铸造工艺性较差，易出现浇注不到、缩孔严重、晶粒粗大等缺陷。为了提高钢液的流动性，浇注温度很高，但这样易使铸钢件组织粗大，使钢的塑性、韧性变坏。铸钢在铸造成形后可采用退火来改善组织。下一页

返回6.5铸钢含碳量低的铸钢ZG200-400,ZG230-450具有良好的塑性、韧性和焊接性能，可用于制作承受载荷不大，韧性要求较好的各种机械零件，如机座、变速箱壳、轴承盖、底板、阀体等。ZG270-500有较高的强度和较好的塑性，铸造性能良好，焊接性能尚好，切削加下性佳，用途广泛，用于制作轧钢机机架、轴承座、连杆、箱体、缸体等。含碳量较高的铸钢ZG310-570,ZG340-640具有较高的强度、硬度和耐磨性，塑性和韧性较低，用于制作承受载荷较高的各种机械零件，