钢铁材料钢铁钢铁.docx

1、钢铁材料钢铁钢铁第 7 章 钢铁材料铁是自然界中储藏量最多的金属元素之一，其储蓄量仅次于铝。以铁为基的各种钢铁材料 , 由于具有 不可替代的优良性能而成为工业领域中的支柱材料之一。 根据统计，在机械制造产品中， 钢铁材料占 95。 随着近代科学技术的发展，钢铁材料也在迅猛发展，钢铁材料在可预见的未来仍将占据工程材料领域的 主导地位。铸铁具有优良的铸造性能、切削加工性能、减磨性与消震性，而且熔炼的工艺与设备简单、成本低。 目前，铸铁仍然是工业生产中最重要的工程材料之一。若按整机质量百分比计算，在各类机械中，铸铁 件约占40%70%;在机床和重型机械中，则可达 70%90%。本章旨在使读者对工业用

2、钢及铸铁有较为系统的了解，为合理选材、用材打下基础。7.1 钢7.1.1 概述（合金元素在钢中的作用、钢的分类与编号）1.钢中常存元素对钢性能的影响在钢中，主加元素是 FeC及合金元素，除此还有由炼钢原料带入及炼钢过程中残留下来的常存元素， 都会对钢的性能产生极大的影响。（1） 锰（ Mn） 锰是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的，锰也经常作为合金元素而特意加入钢中。锰的脱氧能力较好，能很大程度上减少钢中的 FeO,还能与硫化合成 MnS,减轻硫的有害作用。在室温下锰可以大部分溶入铁素体中形成固溶体，产生一定的强化作用。所以，锰在钢中是一种有益元素。在非合 金钢中，锰作为常存元素时，其质量分数值规

3、定为v 1.00% o（2） 硅（ Si） 硅是炼钢时用硅铁脱氧而残留在钢中的，也可作为合金元素特意加入钢中。硅的脱 氧能力比锰强，可有效清除 Feo。硅在室温下大部分溶入铁素体，产生强化作用。作为常存元素时，其质 量分数值一般规定为v 0.50%o（3） 硫（S） 硫是在冶炼时由矿石和燃料中带入的有害杂质， 炼钢时难以除尽。 硫在钢中常以FeS的形式存在，FeS与Fe形成低熔点的共晶体，分布在奥氏体的晶界上，当钢材进行热加工时，共晶体过 热甚至熔化，减弱了晶粒间联系，使钢材强度降低，韧性下降，这种现象称为热脆。常加入锰来降低硫 的有害作用。（4） 磷（ P） 磷是在冶炼时由矿石带入的有害杂质

4、，炼钢时很难除尽。磷能溶于 a-Fe 中，但当钢中有碳存在时，磷在 a-Fe 中的溶解度急剧下降，磷的偏析倾向十分严重即使只有千分之几的磷存在，也 会在组织中析出脆性很大的化合物 F&P,并且特别容易偏聚于晶界上，使钢的脆性增加，冷脆转化温度升高，即发生冷脆。此外，炼钢过程中，少量炉渣、耐火材料及冶炼中反应物可能进入钢液，形成非金属夹杂物。它们 都会降低钢的力学性能，在冶金过程中应加以控制。钢在冶炼时还会吸收和溶解一部分气体，如氧、氢、氮等，给钢的性能带来有害的影响。尤其是氢， 它使钢变脆（称为氢脆），也可使钢中产生微裂纹（称为白点）。2.钢中合金元素的作用（ 1）合金元素与铁的相互作用 合金

5、元素可以溶入铁素体中形成合金铁素体，产生固溶强化作用。合金元素溶入铁素体对其性能的影响如图 7-1 所示。不同的合金元素与铁的相互作用的结果，也会对 Fe-Fe3C 相图产生不同的影响。按照影响规律的不同可分为两大类：一类是缩小奥氏体相区的元素，包括 Cr、MO W Ti、Si、Al、B等，如图7-2a;另类是扩大奥氏体相区的元素 ，包括Ni、Mn Co、Cu、Zn、N等，如图7-2b所示，同时，大部分的合金元素还能使Fe-FesC相图中的S、E左移，既降低了共析点的含碳量及碳在奥氏体中的最大溶解度，从 而使含碳量相同的碳钢和合金钢具有不同的组织。（2）合金元素与碳的相互作用 钢中碳常与铁形成

6、 FesC,而合金元素存在于钢中时，也会与碳发生反应。元素周期表中处于 Fe左边的元素，比 Fe具有更强的亲碳能力，它们在钢中将优先形成碳化物，从强到弱顺序依次为： Hf tZr tTi t Ta Nb Mb Cr宀Mn Fe,它们称为碳化物形成元素。而处于Fe右边的元素由于其夺碳能力比 Fe差而无法形成碳化物，只能固溶于 Fe中，称为非碳化物形成元素，如 Ni、Al等。当碳化物形成元素的含量较高时，可形成复杂碳化物，如 CwG、Cr 23G。其中的中强或弱强碳化物形成元素则多形成简单而稳定的碳化物，如 V(VC)、Nb(NbC)、Ti(TiC)等，这些碳化物熔点及硬度很高。图7-1合金元素对

7、铁素体力学性能的影响a)对硬度的影响 b)对韧性的影响图7-2合金元素对奥氏体区的影响a)铬的影响 b)锰的影响当碳化物以微细质点分布于铁素体基体上时，产生弥散强化作用，而且合金碳化物极高的硬度和熔 点显著提高了钢的耐磨性和耐热性。此外，难熔的稳定碳化物分布在奥氏体晶界上，可有效地细化晶粒， 改善钢的性能。(3 )合金元素对热处理工艺的影响1合金元素对钢在加热时奥氏体化的影响合金钢的奥氏体化过程基本上是由碳的扩散来控制的。合金元素的加入对碳的扩散及碳化物的稳定 性有直接影响。少数非碳化物形成元素， W Ni能增加碳的扩散速度，加速奥氏体的形成，而大部分合金元素使碳的扩散能力降低，特别是强碳化物

8、形成元素。对含有这类元素的合金钢通常采用升高加热温度 或延长保温时间的方法来促进奥氏体成分的均匀化。合金元素对钢在热处理时的奥氏体晶粒度也有不同程度的影响 ，如P、Mn等促进奥氏体晶粒长大；Ti、Nb、N等可强烈阻止奥氏体晶粒长大； W MO、Cr等对奥氏体晶粒长大起到一定的阻碍作用； Si、Co Cu等影响不大。2合金元素对钢的淬透性的影响实践证明，除Co、Al夕卜，能溶入奥氏体中的合金元素可减慢奥氏体的分解速度，使 C曲线右移并降低Ms点(如图7-3所示)，因而都有可能提高钢的淬透性。合金元素减缓奥氏体转变速度的原因，主要 是由于合金元素溶入奥氏体后阻止了碳的析出和扩散的缘故。图7-3合金

9、元素对 Ms点的影响3合金元素对回火转变的影响a.提高钢的回火稳定性 回火稳定性是指钢对回火时发生软化过程的抵抗能力，由于合金元素能使铁碳原子扩散速度减慢，使淬火钢回火时马氏体不易分解，析出的碳化物也不易聚集长大，保持一种 较细小、分散的组织状态，从而使钢的硬度随回火温度的升高而下降的程度减弱。因此，与碳钢相比，在 同一温度回火时，合金钢的硬度和强度高，这有利于提高结构钢的强度、韧性和工具钢的红硬性。b. 产生二次硬化 当含较多碳化物形成元素的高合金钢在 500600C度范围回火其硬度并不降低，反而升高，这种现象称为二次硬化。产生二次硬化的原因是因为这类钢在该温度范围内回火时，将析出 细小、弥

10、散的特殊化合物，如 MQC WC VC等，这类碳化物硬度很高，在高温下也非常稳定，难以聚集长大，具有高温强度。如具有高热硬性的高速钢就是靠 W MQ V的这种特性来实现的.c.回火脆性 合金元素对淬火钢回火后力学性能的不利影响是回火脆性。在350 C附近发生的脆性为第一类回火脆性， 无论碳钢或合金钢， 都会发生这种脆性， 这种脆性产生后无法消除，所以应尽量避免在此温度区间内回火。在500600C回火时，将发生第二类回火脆性，主要出现在合金结构钢(如铬钢、锰钢等)中。当出 现第二类回火脆性时，可将其加热至 5QQ6QQ C经保温后快冷予以消除。对于不能快冷的大型结构件，加入适量的 W或 Mo可有

11、效地防止第二类回火脆性的发生。3.钢的分类与编号对品种繁多的钢进行科学地分类不仅关系到钢产品生产、使用和研究等工作，对我们现在学习和将来合理选用钢材也具有重要的意义。图7-4 钢的分类关系图(1)钢的分类 我国有关钢分类的最新国家标准是 1991年颁布实施的 GB/T13304-91【钢分类】。由于涉及领域不同，各种使用者所站的角度也不同，所以，钢的分类方法很多，我们将其中常用的部分总结成如图7-4所示的关系图。（2）钢的编号方法我国钢号的编号，由三大部分组成：化学元素符号、汉语拼音字母和阿拉伯数字。 化学元素符号：用以表示钢中所含的合金元素种类。汉语拼音字母；对钢的种类、性质、特点、要求等内

12、容加以说明。具体字母对应的涵义见表 7-1。（一） 非合金钢（碳素钢）1普通碳素结构钢（简称普钢）普通碳素结构钢牌号由 Q屈服强度数值（钢材厚度或直径w 16mm、质量等级符号（分 A、B C D四级）和脱氧方法（F、b、Z、TZ,若为Z或ZT,则予以省略）等四部分按顺序组成。例如， Q235-AF表示屈服强度为235MPa沸腾钢、质量等级为 A级的碳素结构钢。表7-1钢号中汉语拼音字母涵义说明表字母代表涵义位 置举例字母代表涵义位 置举例A、B、C D、E质量等级尾Q235-B38CrMOAIAF热锻用非调质机械结构钢首F45VBL标准件用碳素钢首BL3G滚珠轴承钢首GCr15b半镇静钢尾0

13、8bg锅炉用钢尾20qC船舶用钢首C20G高压锅炉用钢尾20GDG电工用硅钢首DG5H焊接用钢首H08MnSiDR电工用热轧规钢首DR400-50H保证淬透性结构钢尾40CrHDR低温压力容器用钢尾16MnDRHP焊接气瓶用钢首HP295DT电磁纯铁首DT4AJDR家用电器用热轧钢首JDR540-50d低淬透性钢尾55TidK矿山用钢尾20MnVKF沸腾钢尾15FL汽车大梁用钢尾08TiLLG铁路用粗制轮毂首LG60T碳素工具钢首T10LNG铝镍钻永磁合金首LNG34U铁路用钢轨首U71MnM煤机用钢首M540W冷轧晶粒无取向磁性硅钢中 部50W600ML冷镦（铆螺）钢首ML40Y易切削钢首Y

14、15PbQ屈服强度首Q235YF易切削非调质机械结构钢首YF35MnVQ轻轨钢尾55QYT原料纯铁首YT2Fq桥梁用钢尾16MnqZ镇静钢尾45AZQG冷轧晶粒取向磁性硅钢中 部30QG130ZG铸铁首ZG310-570R压力容器用钢尾15MnVRZGD低合金铸钢首ZGD650-830RT日用搪瓷用钢首RT4ZK凿岩钎杆用中空钢首ZK55SiMnMoS石油天然气用钢首S290ZU铸钢轧辊首Zu70Mn2SM塑料模具用钢首SM2Cr13注：阿拉伯数字：表示钢中碳含量及合金元素含量;表示材料的力学性能数值，如强度值。伸长率等；表示材料的分类，排列序号。2优质碳素结构钢（简称优质碳结构钢或优钢）优质

15、碳素结构钢牌号用两位数字表示，这两位数字表示钢中的平均含碳量（ C）的万分数。如 45号钢表示平均含碳量为 0.45 %。如果是高级优质钢，则在牌号后面加“ A”表示。如果是沸腾钢则加“ F”。含锰量较高时则在牌号后面加锰元素符号“ Mn。优质碳素结构钢根据含碳量又可分为低碳钢（含碳量在 0.25 %以下）、中碳钢（含碳量为 0.30 %0.50 %）和高碳钢（含碳量为 0.55 %0.85 %）。3碳素工具钢碳素工具钢的编号是在 T的后面附以数字来表示，数字代表钢中平均碳的质量分数 Wc以0.1 %为单位。例如，T12表示平均碳的质量分数 Wc =1.2%的碳素工具钢。如果是高级优质碳素工具

16、钢，则在数字后面附以A。例如T12A表示平均碳的质量分数 Wc =1.2 %的高级优质碳素工具钢。4.碳素铸铁一般工程用铸造碳钢件的牌号由 ZG和两组数字组成，前一组数字表示最低屈服强度 （T s或（T 0.2）,后一 数字表示最低抗拉强度（t b）。如ZG200-400表示最低屈服强度为 200Mpa,最低抗拉强度为400MPa的碳素 铸钢。（二）合金钢1.合金结构钢合金结构钢的牌号采用“二位数字加元素符号加数字”表示。前面二位数字表示钢的平均碳含量（ C）的万分数，元素符号表示钢中所含的合金元素，而后面数字表示该元素平均含量的质量分数。当合金 元素含量小于1.5 %时，牌号中只标明元素符号

17、，而不标明含量，如果含量大于 1.5%、2.5%、3.5%等，则相应地在元素符号后面标注 2、3、4等。例如60Si2Mn（或60硅2锰），表示平均碳含量（C）为0.6 %;含硅量约为2%,含锰量小于1.5 %。2.合金工具钢合金工具钢的牌号表示方法与合金结构钢相似，其区别在于用一位数字表示平均碳含量（ C）的千分数，当碳含量大于或等于 1.00 %时则不予标出。如 9SiCr （或9硅铬），其中平均碳含量（C）为0.9 %, Si、Cr的含量都小于1.5 %; Cr12MoV,表示平均碳含量（C）大于1.00 %，铬含量约为12%, Mo V的含 量都小于1.5 %的合金工具钢。除此之外，还

18、有一些特殊专用钢，为表示钢的用途在钢号前面冠以汉语拼音，而不标出含碳量。如 GCr15为滚珠轴承钢，“G为“滚”的汉语拼音字首。还应注意在滚珠轴承钢中，铬元素符号后面的数字 表示铬含量的千分数，其他元素仍用百分数表示。如 GCr15SiMn,表示铬含量为1.5 %，硅、锰含量均小于1.5 %的滚珠轴承钢。合金钢一般均为优质钢。合金结构钢若为高级优质钢，则在钢号后面加“ A”，如38CrMoAIA。合金工具钢一般都为高级优质钢，所以其牌号后面不再标“ A”。第二节 7.1.2 碳素钢（非合金钢）碳钢有结构钢和工具钢之分。结构钢是制造一般机械零件和工程结构所用的钢，常采用普通碳素结 构钢和优质碳素

19、结构钢。工具钢主要用于制造刃具、量具和模具等。这类钢属高碳钢，而且至少是优质 碳素钢，性能要求高时采用高级优质碳素钢。1.普通碳素结构钢（简称普钢）该类钢对化学成分要求不甚严格，钢的磷、硫含量较高（ P 0.045%,S 0.055%），但必须保证其力学性能。大部分用于工程结构，少部分用于机械零件。普通碳素结构钢一般在供应状态下使用，必要时可 进行锻造、焊接等热加工，亦可通过热处理调整其力学性能。表 7-2为碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能及应用举例。2.优质碳素结构钢（简称优质碳结构钢或优钢）这类钢既要保证力学性能， 又要保证化学成分，钢中的磷、硫含量较低（S、P含量均不大于0.0035

20、 %）。其产量仅次于（普通）碳素结构钢，广泛用于较重要的机械零件，优质碳素结构钢使用前一般都要进行 热处理。部分优质碳素结构钢的力学性能和用途如表 7-3所示。较高含锰量的优质碳素结构钢可制作尺寸稍大或强度要求略高的零件。3.碳素铸钢碳素铸钢是冶炼后直接铸造成毛坯或零件的碳钢。碳素铸钢适用于形状复杂且韧性、强度要求较高的零件，也常用于韧性、强度要求较高的大型零件。碳素铸钢的含碳量（Wc） 般在0.15 %0.60 %范围内，过高则塑性差，易产生裂纹。一般工程用 铸钢件的成分、力学性能和用途如表 7-4所示。铸钢的热处理有退火、正火、正火 +回火（正火后的回火实际上是去应力退火）或淬火 +回火。

21、表7-2普通碳素结构钢的化学成分和力学性能牌号等 级化学成分/%脱氧方 法力学性能应用举例WcWscQ195-0.06 0.120.0500.045F、b、Z19531539033承受载荷不大的金属结构 件、铆钉、垫圈、地脚螺栓、 冲压件及焊接件Q215A0.09 0.150.0500.045F、b、Z21533541031B0.045Q235A0.14 0.220.0500.045F、b、Z23537546026金属结构件、钢板、钢筋、 型钢、螺栓、螺母、短轴、 心轴、Q235C D可用作重要 焊接结构件B0.12 0.20C 0.180.0400.040ZD /%A/J0819532533

22、60-这类低碳钢由于强度低，塑性好，易于冲压与焊接， 一般用于制造受力不大的零件，如螺栓、螺母、垫 圈、小轴、销子、链等。经过渗碳处理或氰化可用 作表面要求耐磨、耐腐蚀的机械零件102053353155-152253752755-202454102555-2527545023507130295490215063这类中碳钢的综合力学性能和切削加工性均较好，可用于制造受力较大的零件，如主轴、曲轴、齿轮、 连杆、活塞销等35315530204555403355701945474535560016403950375630144031553806451335-这类钢有较高的强度、弹性和耐磨性，主要用于制

23、 造凸轮、车轮、板弹簧、螺旋弹簧和钢丝绳等604006751235-654106951030-70420715930-注：以上力学性能是正火后的试验测定值，但 人值试样应进行调质处理4.碳素工具钢表7-5列出了碳素工具钢的牌号、 成分与用途。碳素工具钢的含碳量 （Wc） 般在0.65 %1.35 %,随着碳含量的增加（从 T7到T13）,钢的硬度无明显变化，但耐磨性增加，韧性下降。碳素工具钢的预先热处理一般为球化退火，其目的是降低硬度（V 217HBS以便于切削加工、并为淬火作组织准备。但若锻造组织不良（如出现网状碳化物缺陷），则应在球化退火之前先进行正火处理， 以除网状碳化物。其最终热处理为

24、淬火+低温回火（回火温度一般 180C200C）,正常组织为隐晶回火马氏体+细粒状渗碳体及少量残余奥氏体。碳素工具钢的优点是：成本低、冷热加工工艺性好，在手用工具和机用低速切削工具上有较广泛的 应用。但碳素工具钢的淬透性低、组织稳定性差且热硬性差、综合力学性能也欠佳，故一般只用于尺寸 不大、形状简单、要求不高的低速切削工具。表7-4 碳素铸钢的成分、力学性能能和用途铸钢牌号化学元素最高含量/%室温下力学性能最小值用途举例VCWWnW、Wb s或0.2/MPab b/MPa5 /%书/%Akv /JZG200-4000.200.500.800.04200400254030有艮好的塑性、韧性和焊接

25、性能。 用于受力不大，要求韧性好的各种 机械零件，如机座、变速箱壳等ZG230-4500.300.90230450223225有一定强度和较好的塑性、韧性和 焊接性。用于受力不大，要求韧性 较好的各种机械零件，如砧座、外 壳、轴承盖、底板等ZG270-5000.40270500182522有较高强度和较好的塑性，铸造性 能良好，焊接性能尚好，切削性好， 用作轧钢机机架、轴承座、连杆、 曲轴、缸体等ZG310-5700.500.60310570152115强度和切削性良好，塑性、韧性较 低。用于载荷较高的零件，如大齿 轮，缸体、制动轮、辊子等ZG340-6400.60340640101810有高

26、的强度、硬度和耐磨性、切削 性良好，焊接性较差，流动性好。用作起重运输机齿轮、棘轮、联轴 器等重要零件表7-5碳素工具钢的牌号、成分、性能和用途牌号化学成分3 M %硬度用途举例CMnSi退火状态试样淬火HBS不大于淬火温度/C和冷却 剂HRC不小于T7、T7A0.65 0.74 0.40 0.35187800820水62淬火、回火后，常用于制造能 承受震动、冲击，并且在硬度 适中情况下有较好韧性的工 具，如凿子、冲头、木工工具、 大锤等T8、 T8A0.75 0.84 0.40 0.35187780800水62淬火、回火后，常用于制造要 求有较高硬度和耐磨性的工 具、如冲头、木工工具、剪切

27、金属用剪刀等。T8MnT8MnA0.80 0.900.40 0.60 0.35187780800水62性能和用途和T8相似，但加 入了锰提高淬透性，故可以制 作横截面较大的工具。T9、T9A0.85 0.94 0.40 0.35192760780水62用于制造一定韧性的工具，如 冲模、冲头、凿岩石用凿子等。T10、T10A0.95 1.04 0.40 0.35197760780水62用于制造耐磨性要求较高，不 受剧烈震动，具有一定韧性及 具有锋利刃口的各种工具， 如刨刀、车刀、钻头、丝锥、手 锯锯条、拉丝模、冷冲模等。T11、 T11A1.05 1.14 0.40 0.35207760780水62用途与T10钢基本相同，一般习惯上采用T10钢T12、T12A1.15 1.24 0.40 0.35207760780水62用于制造不受冲击、要求咼硬 度的工具，如丝锥、锉刀、刮 刀、绞刀、板牙、量具等T13、T13A1.25 1.35 0.40 0.35217760800水62适用于制造不受震动、要求极 高硬度的