第2章工业用钢.ppt

1、第2章 工业用钢,2.1 钢铁的分类,2.1.1 铁碳1基本概念,固体物质按其原子排列的特征可分为晶体和非晶体两种。 非晶体的原子作不规则的排列，如玻璃、石蜡、松香等；晶体的原子按一定次序作有规则的排列，如金刚石、石墨、固态的金属和合金等。 晶体由晶格组成，晶格可以看成是一层一层的晶面堆积而成。 金属常见的三种晶格类型是体心立方晶格、面心立方晶格、密排立方晶格。 组元是组成合金最基本的，独立的物质，又简称为元。,组元是组成合金最基本的，独立的物质，又简称为元。 合金系是由若干给定组元按不同比例配制出一系列成分不同的合金，这一系列合金构成一个合金系统，简称合金系。 相是指在合金系统（或纯金属）中

2、具有相同的物理和化学性能，并与该系统的其它部分有界面的分开的部分。,组织是指由数量、形状、大小和分布方式不同的各种相组成了的组织。 显微组织是借助光学或电子显微镜所观察到的组织。 固溶强化是指在溶体中由于溶质原子的溶各入而使溶剂晶格发生变化，从而提高了合金抵抗塑性变形的能力，使金属材料的强度，硬度升高，而塑性下降。,2铁碳合金的组元,(1)铁 一般纯金属的结晶过程是形核及晶核长大的过程，是一个恒温过程，其冷却曲线如图2-1所示。 过冷现象是指实际结晶温度T1低于理论结晶温度T0这一现象。 过冷度T为理论结晶温度T0与实际结晶温度T1之差,公式为T= T0 T1 。 常用的细化晶粒的方法有增大过

3、冷度，变质处理，振动处理。,图2-1 纯金属结晶时的冷却曲线,纯铁的同素异构转变,在固态下，金属的晶格类型随温度（或压力）变化的特性同素异晶转变。 1394 912 Fe Fe Fe 体心立方晶格 面心立方晶格 体心立方晶格 纯铁的同素异构转变是钢铁材料能够进行热处理的依据。,工业纯铁的力学性能一般为：,Rm=180280MPa；Rr0.2=100170MPa；Z=3050%；A=7080%；k=160200J/cm2；5080HBS。 纯铁的塑性、韧性很好，但其强度、硬度低，很少用作结构材料。 但纯铁具有高的磁导率，可用于要求软磁性的场合，例如各种仪器仪表的铁芯等。,(2)碳,由两种或两种以

4、上的金属元素（或非金属元素）熔炼组成的具有金属特性的材料称为合金。 合金的相结构是从液态和固态两个方面来考虑。在液态时，大多数合金的组元都能相互溶解，形成一个均匀的液溶体，此时合金的相结构为均匀的液相结构。 在结晶时，由于各个组元之间相互作用的不同，在固态时合金的相结构可能是固溶体、金属化合物或混合物。,固溶体的分类,根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，可将固溶体分为：间隙固溶体和置换固溶体。,根据溶质原子在溶剂晶格中的溶解度可将固溶体分为：有限固溶体和无限固溶体。,间隙固溶体,溶质原子进入溶剂晶格中的间隙之中形成的固溶体。,置换固溶体,溶质原子占据在溶剂晶格的某些结点上，使晶格上的某些溶剂

5、原子被置换而形成的固溶体。,混合物又叫机械混合物，当组成合金的各组元在固态下既互不溶解，又不形成化合物，而是按一定的重量比例，以混合方式存在着，形成各组元晶体的机械混合物，各组元的原子仍按自己原来的晶格来结成晶体。 在铁碳合金中，碳在固态下可以有三种形式存在：自由状石墨；碳溶解于铁的晶格中形成固溶体；碳与铁作用形成化合物。,3、铁碳合金中的基本组织,（1） 铁素体 F （C固溶到 -Fe中的间隙式固溶体）,强度、硬度低，塑性、韧性好。 （室温：C%=0.0008%, 727度：C%=0.0218%）,（2）奥氏体 A （C固溶到-Fe中的间隙式固溶体） 强度低，易塑性变形,（3）渗碳体Fe3C

6、 (铁和碳的金属化合物),性能特点熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。,渗碳体在钢和铸铁中通常呈片状 、粒状、网状、带状等形态,是钢中主要的 强化相,它的数量 、形态及分布情况,对钢的性能有很大的影响.,、,(体心立方晶格),（面心立方晶格）,（4）珠光体 P （铁素体和渗碳体的机械混合物）,抗拉强度=770MPa,延伸率= 20 35,断面收缩率=40 60,冲击韧性=3 1054 105 J/,硬度 180HB,（5）莱氏体,高温莱氏体 Ld（奥氏体和渗碳体的机械混合物）,低温莱氏体 Ld(珠光体和渗碳体的机械混合物）,硬而脆，塑性、韧性几乎为零。,强度、硬度较高，具有一定的塑性和韧性，是

7、一种综合力学性能较好的组织。,铁碳合金的五种基本组织中， 铁素体、奥氏体、渗碳体是基本相，也是单相组织； 而珠光体和莱氏体是由基本相混合组成的两相组织。,4铁碳合金相图,铁碳合金相图是表示在平衡条件下（及其缓慢加热或冷却），不同成分的铁碳合金，在不同温度下所处状态或组织的图形。 铁碳合金相图实际上是FeFe3C相图。 图2-2为简化后的FeFe3C相图。,图2-2 简化后的FeFe3C相图,Fe-Fe3C相图中的特性点,Fe-Fe3C相图中的特性线,5、铁碳合金成分、组织与性能之间的关系 室温下，铁碳合金的成分、组织与性能变化规律从图2-3中可以看出：硬度只受碳含量的影响；强度、塑性、韧性不仅

8、受碳含量的影响而且对组织形态比较敏感。,图23 铁碳合金的成分、组织与性能变化规律,注意：,简化后的FeFe3C相图中各主要点、线的含义如表21、表2-2所示。 (1)S点为共析点。碳含量为0.77的奥氏体在恒温下（727）同量析出铁素体和渗碳体，这种转变称为共析反应。其产物称为珠光体。对碳含量为0.77的铁碳合金，当缓慢冷却或缓慢加热到727时都会发生共析反应。 (2)C点为共晶点。碳含量为4.3的液态铁碳合金在恒温下（1148）同时结晶出奥氏体和渗碳体，这种转变称为共晶反应，共晶反应的产物（A+Fe3C）称高温莱氏体“Ld”。对含碳量为4.3的铁碳合金，当缓慢冷却或缓慢加热到1148，都会

9、发生共晶反应。 (3)自金属溶液中直接结晶出的渗碳体称为一次渗碳体。将奥氏体中结晶出的渗碳体称为二次渗碳体。,5铁碳合金成分组织与性能的关系,6、铁碳合金状态图及其应用,铁碳合金状态图-表示在缓慢冷却（加热）条件下，不同 成分的钢和铸铁在不同温度下所具有的 组织或状态的一种图形。,作用：清楚地反映了铁碳合金的成分、温度、组织之间的关 系，是研究钢和铸铁及其加工处理（铸、锻、焊、热 处理等加工工艺）的重要理论基础。,2.1.2 钢铁的分类,1钢铁的基本知识 钢与铁有一定的联系与区别。 钢一般是指0.0218%Wc2.11%铁碳合金。 铁一般是指工业纯铁。 通常所指的钢铁材料是钢和铸铁的总称，指所

10、有的铁碳合金。,钢铁冶炼,钢铁冶炼是指将开采的铁矿石放入高炉中冶炼后即得到生铁。 生铁按不同冶炼工艺和用途可分为炼钢生铁和铸造生铁。 炼钢生铁含有少量的硅、锰、硫、磷等元素，其中硅和锰是有利元素，按一定比例存在于钢铁中可以显著提高材料的强度.硬度和耐腐耐磨性，而硫和磷则有害，会分别造成钢铁的热脆性和冷脆性，降低材料性能。,各种型材的制造：把炼钢生铁放入炼钢炉中按一定比例熔炼，将得到的钢液浇铸成型，冷却后即得到钢锭或铸坯，供轧制成各种型材。 为了获得不同性能的钢材，还会在熔炼过程中加入铬、镍、钼、钨、钒等微量元素，而这些化学成分决定了钢材的不同特性。,2钢的分类,工具钢,特殊性能钢,按脱氧程度的

11、不同分类,沸腾钢 镇静钢 半镇静钢 特殊镇静钢,按钢的品质不同，分为,普通钢（WP0.045%、WS0.05%）；,优质钢（WP0.35%、WS0.35%）；,高级优质钢 （WP0.25%、WS0.25%）；,特级优质钢（WP0.025%、WS0.015%）。,根据国家标准GB/T221-2000规定钢的分类如，表2-3所示。,人们常把非合金钢按碳含量的不同分为：,低碳非合金钢（也称为低碳钢，0.021810%的合金钢称为高合金钢。,3合金元素在钢中的作用,合金钢是为改善钢的组织和性能，在冶炼时特意加入合金元素的钢。 合金钢中经常加入的合金元素有Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、Ti、B、Al

12、、Nb、Zr等。 合金元素在钢中的作用主要有以下几个方面： (1)形成强化相、细晶强化、固溶强化等，有效地提高合金钢的强度、硬度。 (2)稳定组织、细化晶粒，改善合金钢的综合力学性能，并提高回火稳定性和热硬性。 (3)提高淬透性，减少工件淬火后变形和开裂倾向。 (4)提高抗氧化和耐蚀能力。,2.2 非合金钢,2.2.1 碳素结构钢,非合金钢在生产实际中，也称为碳素钢（简称碳钢），它是指以Wc2.11%,并含有少量硅、锰、硫、磷等杂质元素的铁碳合金。 碳素结构钢是指用于制造一般结构件和普通机械零件的非合金钢。通常可在供应状态下直接加工、使用，不再进行专门的热处理。,碳素结构钢的牌号,由Q（屈服点

13、的汉语拼音首位字母）、屈服点数字、质量等级符号、脱氧方法符号等四部分组成。 其中，质量等级符号用A、B、C、D、E表示S、P含量不同，脱氧方法用F（沸腾钢）、b（半镇静钢）、Z（镇静钢）、（TZ）特殊镇静钢表示，钢号中“Z”和“TZ”可以省略。 例如Q235AF表示屈服强度为235MPa，质量等级为A级的沸腾碳素结构钢。 碳素结构的牌号，化学成分、力学性能及用途如表2-4所示。,2.2.2 优质碳素结构钢,优质碳素结构钢是对硫、磷控制较严、用于制造重要机械结构零件的非合金钢。 根据Mn含量的不同，为两组： 第一组：WMn0.8% 为正常含锰量钢； 第二组：WMn=0.8%1.2%为较高含锰量钢

14、 当碳含量相同时，第一组钢的强度、硬度略高于第一组。,优质碳素结构钢的牌号,用两位数字来表示。此两位数字表示钢中平均碳含量的万分之几。 例如：45表示Wc=0.45的优质碳素结构钢。若钢中锰的含量较高时，在数字后面附化学元素符号Mn，如60Mn。 优质碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能和用途如表2-5所示。,2.2.3 碳素工具钢,碳素工具钢为Wc=0.651.4的高碳钢。这类钢使用时，都应经过淬火再较低温回火热处理，保证高硬度和良好的耐磨性。,碳素工具钢的牌号,在（碳的汉语拼音字首）的后面加数字。此数字表示钢中平均碳含量的千分之几。 若为高级优质碳素工具钢，则在牌号后面标以字母。 例如：T

15、8表示Wc=0.80的碳素工具钢。 T12A表示Wc=1.20的高级优质碳素工具钢。 碳素工具钢的牌号、碳含量及性能和用途如表2-6所示。,2.2.4 铸钢,铸钢是指Wc=0.150.60的铸造碳钢。,铸钢的牌号,一般工程用铸钢，对只考虑保证强度，而不要求考虑化学成分时，在ZG(“铸钢”两字汉语拼音字首字母)的后面加两组数字表示，第一组数字表示屈服点和抗拉强度,两组数字之间用“”号分开。 例如ZG270-500表示屈服点ReH270(MPa)、抗拉强度Rm500(MPa)的铸钢。 对需控制化学成分的铸钢，则在ZG后用碳平均含量的万分数来表示。 如ZG25，表示Wc=0.25的铸钢。,铸钢的特点

16、及用途,铸钢一般用作形状复杂而难于锻压成型，但对强度、韧度要求又高的工件，如齿轮拨叉、大型齿轮、压力机械机座等。 铸钢熔铸时的流动性差、收缩大、碳含量高时还易在凝固时造成应力裂纹（冷裂）。 一般铸钢的碳含量均小于0.6%。,2.3 低合金钢,低合金钢是在普通质量非合金钢的基础上添加合金元素而得到的。,2.3.1 常用低合金钢的牌号,1低合金钢高强度结构钢 低合金钢高强度结构钢牌号表示方法与碳素结构钢相同。 例如，Q390刚表示ReH390 MPa的低合金钢高强度结构钢。 2易切削结构钢 易切削结构钢的牌号由Y （“易”字汉语拼音字首）的后面加两位数字组成。两位数字表示平均碳含量的万分数，若钢中

17、含锰较高时标出“Mn”。 例如，Y40Mn表示平均Wc=0.40%，含锰量较高的易切削结构钢。,3低合金铸钢的牌号,低合金铸钢的牌号由ZG(“铸钢”两字汉语拼音字首字母)的后面加两位数字加元素符号及数字组成。 前两位数字表示低合金铸钢中平均碳含量的万分数，元素符号表示低合金铸钢中所含的合金元素，元素符号后的数字表示该合金元素平均含量的百分数。 如ZG35SiMn表示平均Wc=0.35%， WSi1.5%、WMn1.5%的低合金铸钢。,旧低合金结构钢的牌号用两位阿拉伯数字和合金元素符号及数字表示，数字表示平均碳含量（以万分之几计）。 新旧低合金结构钢标准牌号对照见表2-7。,2.3.2 常用的低

18、合金钢,1低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是在低碳钢的基础上加入少量合金元素而形成的钢。 钢中Wc0.2%，常加入的合金元素有硅、锰、钛、铌、钒等，其总含量W3%。,低合金高强度结构钢大多在热轧、正火状态下供应，使用时一般不再进行热处理。 低合金高强度结构钢的强度高，塑性和韧性好，焊接性和冷变形性良好，耐蚀性较好，韧脆转变温度低，成本低，适于冷成形和焊接。 低合金高强度结构钢广泛应用于桥梁、车辆、船舶、锅炉、高压容器、输油管，以及低温下工作的构件等。,2易切削结构钢,易切削结构钢是指含硫、锰、磷量较高或含微量铅、钙的低碳或中碳结构钢，简称易切钢。 易切削结构可经渗碳、淬火或调质、表面淬火

19、等热处理来提高其使用性能。 所有易切削结构的锻造性能和焊接性能都不好，选用时应注意。 易切削结构钢主要用于成批、大量生产时，制作对力学性能要求不高的紧要固件和小零件。 常用易切削结构钢有Y12、Y12Pb、Y15、Y30、Y40Mn、Y45Ca等。,3低合金高耐侯性钢,低合金高耐侯性钢即耐大气腐蚀钢。 在钢中加入少量合金元素（如铜、磷、铬、钼、钛、铌、钒等），使其在钢表面形成一层致密的保护膜，提高了钢材的耐侯性能。 低合金高耐侯性钢常用牌号有09CuPCrNi-A钢、09CuPCrNi-B钢和09CuP钢等。 主要用于铁道车辆、农业机械、起重运输机械、建筑和塔架等方面，可制作螺栓连接、铆接和焊

20、接结构件。,4低合金铸钢,低合金铸钢是在非合金铸钢的基础上，恰当提高Mn、Si的含量，添加其它少量的合金元素的Co、Mo等的含量。 一般用于承受重载荷、冲击载荷和摩擦的机械零部件，如各种高强度齿轮、水压机工作缸、高速列车车钩等。 通常应当对低合金铸钢的进行退火、正火、等热处理及表面热处理，可以提高的合金铸钢的性能。 常用的低合金铸钢有：ZG40Cr、ZG40Mn、ZG35SiMn、ZG35CrMnSi、ZG35CrMo、ZG35SiMnMo、ZG35CrMnMo、ZG34CrNiMo等。,2.4 合金钢,合金钢按主要性能和使用特性分合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢。,(1)机械结构用合金钢,

21、机械结构用合金钢常用的有表面硬化合金结构钢（如合金滲碳钢）、调质处理合金结构钢（合金调质钢）、合金弹簧钢等。,机械结构用合金钢的牌号,由两位数字的后面加元素符号及数字组成。 前两位数字表示机械结构用合金钢中平均碳含量的万分数，元素符号表示钢中所含的合金元素，元素符号后的数字表示该合金元素平均含量的百分数。 机械结构用合金钢按冶金质量（即钢中磷、硫多少）不同分为优质钢、高级优质钢（牌号后加“A”）、特级优质钢（牌号后加“E” ）。 如25Cr2Ni4WA,(2)工程结构用合金钢,牌号由“ZG“（“铸钢”汉语拼音字首）的后面加合金元素符号“Mn”及数字组成，元素符号后面的数字表示平均锰含量的百分数

22、。 例如ZGMn13-1表示平均WMn=13%,序号为1的高锰耐磨钢。这类钢常用作高锰耐磨钢。,2滚动轴承钢,滚动轴承钢一般为高碳（Wc0.951.10）含铬的合金钢。 滚动轴承钢的牌号由G（滚字的汉语拼音字首）的后面加Cr（铬元素的化学元素符号）及数字组成。其中数字表示平均铬含量的千分数。 例如GCr15。 无铬轴承钢的标号方法与结构钢相同。,3合金工具钢,合金工具钢包括量具刃具用钢、冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。 这类钢的牌号表示法与机械结构用合金钢相似。区别在于：若钢中的Wc1%时，牌号以一位数字为首，表示平均含碳量的千分数，若钢中Wc1%时，则牌号前不写数字。 例如，9Mn2V表

23、示Wc=0.9%、WMn=2%、Wv1.5%的量具刃具钢； CrWMn表示平均Wc1%（牌号前不写数字），Wcr、Ww、WMn均1.5%的冷作模具钢。,4高速工具钢,高速工具钢的牌号表示方法与合金工具钢基本相同。主要区别是有些牌号的钢，即使Wc1%,其牌号前也不标出数字。 例如，W18Cr4V表示平均Ww=18%、WCr=4%、Wv1.5%的高速工具钢，其Wc=0.7%0.8%,5不锈耐蚀钢和耐热钢,不锈耐蚀钢和耐热钢的牌号表示法与合金工具钢基本相同。但若钢中Ww0.03%或Wc0.08%时，牌号分别以“00”或“0”为首。 例如，4Cr13表示钢中平均Wc=0.4%、WCr=13%的不锈耐蚀

24、钢。 例如，00Cr17Ni14Mo2钢、0Cr18Ni11Ti钢等。,1合金结构钢,(1)合金调质钢 包括40Cr、40MnVB、35CrMo等中碳合金钢，经调质处理后使用，具有良好的综合力学性能。主要用于重要机械零件，如齿轮、曲轴、高强螺柱等。 (2)合金渗碳钢 包括20Cr、20CrMnTi、20MnVB等低碳合金钢，经表面渗碳、淬火和低温回火处理后，用于要求表面承受强烈摩擦磨损和冲击载荷的零件，如活塞销、变速箱、齿轮、小轴等。,2.4.2 常用的合金钢,(3)合金弹簧钢 包括55Si2Mn、60Si2Mn、50CrVA等中高碳合金钢。经淬火和中温回火后，具有高弹性和足够的强韧度，用作重

25、要的弹性零件，如汽车和火车的板簧、缓冲卷簧等。 (4)滚动轴承钢 滚动轴承钢是用于制造滚动轴承元件滚动体和内、外套圈的专用结构钢。滚动轴承要求承受强烈摩擦磨损和很大的交变载荷，钢材应具有高强度、高硬度、高的耐磨性和疲劳强度，并有一定的抗蚀性。常用的滚动轴承钢有：GCr19、GCr15、GCr15NiMn等。除此以外，还有碳含量较低的渗碳轴承钢，如20CrMo，G20Gr2、G20Cr2Ni4等。经渗碳淬火处理后，表面耐磨性好，心部有良好的韧度，用作承受大冲击载荷的轴承。,2合金工具钢 合金工具钢主要用于制造重要的刃具、量具和模具。 根据不同的使用要求，分为量具刃具钢、耐冲击工具钢、热作模具钢、

26、冷作模具钢和高速工具钢等类别。,(1)量具刃具钢,量具刃具钢主要用于形状较复杂的低速切削刀具和量具，如量具有卡尺、千分尺、样板、块规等；刃具有铰刀、丝锥、板牙、手术刀等。 一般均经淬火加低温回火后使用。 常用的量具刃具钢有9SiCr、9Cr2、Cr06、Cr2等。,(2)耐冲击工具钢,耐冲击工具钢主要用于形状复杂的冲击工具，如风动工具、金属冷剪刀片、铆接冲头、冲孔冲头等。 耐冲击工具钢一般经淬火、回火后使用。 常用的耐冲击工具钢有4CrW2Si、5CrW2Si、6CrW2Si等。,(3)热作模具钢,热作模具钢是锻模、压铸模等热变形模具用钢。 常用的热作模具钢有5CrNiMo、5CrMnMo、8

27、Cr3、3Cr2W8V等。,(4)冷作模具钢,冷作模具钢是冷冲模、冷拔模、冷挤压模等冷变形模具用钢。 常用的冷作模具钢有Cr12MoV、Cr12、9Mn2V、CrWMn等。 冷作模具钢除用作冷变形模具外，还可用于制造冷剪切刀、量规、圆锯、精密丝杠等。,(5)高速工具钢,高速工具钢是用于制造中、高速切削刀具的高碳合金刚，有很高的硬度、耐磨性，及较高的红硬性（600）。 高速工具钢广泛用作各种中、高速切削车刀、铣刀、钻头、齿轮刀具和拉刀等。 常用的高速工具钢有W18Cr4V（1841）、W6Mo5Cr4V2（6542）和W9Mo3Cr4V（9341）等。,(6)塑料模具钢,塑料模具钢是指制造塑料模

28、具用的钢种。 一般的中、小型且形状不复杂的塑料模具，可用T7A、T8A、12CrWMo、CrWMn、20Cr、40Cr、Cr2等钢制造。 但对质量要求比较高时，常用的塑料模具钢有：3Cr2Mo、3Cr2NiMo、 5NiSCa、 Y55CrNiMnMoV(SM1)、PMS 、718、PRC等。,3特殊性能钢,特殊性能钢是指有特殊物理、化学性能的合金钢，包括不锈耐蚀钢、耐热钢、耐磨钢等。 (1)不锈耐蚀钢 不锈耐蚀钢是指在空气、水、酸、碱等介质中具有较强抗腐蚀能力的合金钢。,不锈钢按组织的不同分为：,马氏体型不锈耐蚀钢主要用于制造力学性能要求较高,并能耐腐蚀的工件,如汽轮机叶片,喷嘴、阀座、医疗器械、量具等,常用有1CR13、2Cr