1/31,第五章 工业用钢1,第一节 概述 一、钢的分类 1、习惯分类 钢的分类方法很多，最常用的是按照如右图，用钢的化学成分、用途、质量或热处理金相组织等进行分类。除此之外，还可以按冶炼方法分为平炉钢、转炉钢、电炉钢；按钢的脱氧程度分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢,按最终加工方法分为热轧、冷轧、拉拔、挤压材等。,2/31,2、现行钢的分类方法,国家标准（GB/T 13304-1991)钢分类是参照国际标准制定的。 分为：按化学成分分类、按主要质量等级和主要性能及使用特性分类。 （1）按化学成分分类依据合金元素含量分类。 1）非合金钢（碳素钢）合金元素规定含量见表5-1。是wc 2.0%的铁碳合金。 有工业纯铁（ wc 0.04%），低、中、高碳钢。 2）合金钢：低（合金元素 5%）、中（合金元素 5-10%）、高合金钢 。 （2）按主要质量等级和主要性能及使用特性分类 1）按主要质量等级分普通、优质和特殊质量钢（高级优质钢）。 2）按主要质量等级和主要性能及使用特性分类,/31,二、钢的牌号 我国钢的牌号一般采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母。采用汉语拼音字母，原则上只取一个，一般不超过两个。常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号见表5-2。,4/31,二、工业用钢牌号表示方法,我国钢材的编号是按碳的质量分数、合金元素的种类和数量以及质量级别来编号的。依据国家标准规定，钢号中的化学元素采用国际化学元素符号表示，如Si、Mn、Cr(稀土元素用“RE”表示)。产品名称、用途、冶炼和浇注方法等则采用汉语拼音字母表示。,1、碳素结构钢和低合金高强度结构钢 (1)普通碳素结构钢： 这类钢是用代表屈服强度的字母Q、屈服强度值、质量等级符号(A，B，C，D)以及脱氧方法符号(F，b，Z，TZ-特殊镇静)等四部分按顺序组成。如Q235-A、F，表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。质量等级符号反映碳素结构钢中硫、磷含量的多少，A、B、C、D质量依次增高。（不需热处理） 有Q195，Q215-Q275五个。 （2）低合金高强度结构钢：基本与普通碳素结构钢相似，用代表屈服强度的字母Q、屈服强度值、质量等级符号(A，B，C，D，E) 按顺序组成。有Q295，Q345，Q390-Q460五个。,5/31,2、优质碳素结构钢 这类钢的钢号是用钢中平均碳质量分数的两位数字表示，单位为万分之一。如钢号45，表示平均碳质量分数为0.45的钢。（需热处理） 锰的质量分数为0.71.2的钢，数字后面附加化学元素符号“Mn”。如钢号45Mn，表示平均碳质量分数为0.45，锰质量分数为0.71.2的钢。高级优质钢在牌号后加字母“A”。特级优质钢在牌号后加字母“E”，如“45E”。 沸腾钢、半镇静钢以及专门用途的优质碳素结构钢，应在钢号后特别标出，如15g即为平均碳质量分数为0.15的锅炉用钢。 3、合金结构钢和合金弹簧钢 合金结构钢和合金弹簧钢牌号由两位数字(表示平均含碳量的万分之几)加上其后带有百分含量数字的合金元素符号组成。当合金元素的平均含量小于1.50时，只标元素符号，不标含量；当合金元素的平均含量为1.50-2.49、2.50-3.49、3.50-4.49时，在相应的合金元素符号后标2、3、4等数字。如30CrMnSi、20CrNi3等。 高级优质钢在牌号后加字母“A”，如30CrMnSiA、60Si2MnA等。特级优质钢在牌号后加字母“E”，如30CrMnSiE等。,6/31,4、工具钢 (1)碳素工具钢 碳素工具钢的牌号由字母“T”与其后的数字组成，数字表示平均含碳量的千分之几，如“T9”。高级优质钢在牌号后加字母“A”，如“T10A”。 (2) 合金工具钢和高速工具钢 合金工具钢和高速工具钢牌号的表示方法与合金结构钢基本相同，但一般不标明含碳量数字，如“Cr12MoV”(平均含碳量为1.60)、W6Mo5Cr4V2”(平均含碳量为0.85)。当合金工具钢的含碳量小于1.00时，含碳量用一位数字标明，表示平均含碳量的千分之几，如“8MnSi”。 平均含铬量小于1的合金工具钢，在含铬量(以千分之一为单位)前加数字“0”，如，“Cr06”。 5、滚动轴承钢 高碳铬滚动轴承钢的牌号以字母“G”打头，牌号中不标明含碳量，铬含量以千分之一为单位，如“GCr15”的平均含铬量为1.5%。渗碳滚动轴承钢牌号的表示方法与合金结构钢相同，仅在牌号头部加字母“G”，“G20CrNiMo”。,7/31,6、不锈钢和耐热钢 不锈钢和耐热钢的牌号由表示平均含碳量的数字(以千分之一为单位)与其后带有百分含量数字的合金元素符号组成。合金元素含量表示方法同合金结构钢。含碳量的表示方法为：当平均含碳量1.00时，用两位数字表示，如“11Cr17”(平均含碳量为1.10)；当1.00平均含碳量 0.1时，用一位数字表示，如“2Cr13”(平均含碳量为0.20)；当含碳量上限 0.1时，以“0”表示，如“0Cr18Ni9”(含碳量上限为0.08)；当0.03含碳量上限0.01时(超低碳)，以“03”表示，如“03Cr19Ni10”(含碳量上限为0.03)；当含碳量上限0.01时(极低碳)，以“01”表示，如“01Cr19Ni11”(含碳量上限为0.01)。 7、铸钢 以强度为主要特征的铸钢牌号为“ZG”(表示“铸钢”二字)加上两组数字，第一组数字表示最低屈服强度值，第二组数字表示最低抗拉强度值，单位均为MPa，如“ZG200-400”。 以化学成分为主要特征的铸钢牌号为“ZG”加上两位数字，这两位数字表示平均含碳量的万分之几，如“ZG45”。合金铸钢牌号在两位数字后再加上带有百分含量数字的元素符号。当合金元素平均含量为0.9-1.4时，除锰只标符号不标含量外，其他元素需在符号后标注数字1；当合金元素平均含量大于1.5时，标注方法同合金结构钢，如“ZG15Cr1Mo1V”、“ZG20Cr13”。,8/31,三、钢中杂质元素对钢性能的影响,杂质：指冶炼过程中非有意加入或保留的元素如硅锰硫磷、非金属夹杂物及氮氢氧等气体。 （1）锰的影响 一般少于0.8%，溶于铁素体起强化作用，形成合金渗碳体提高硬度，细化珠光体提高强度和硬度。与硫形成MnS消除硫的有害作用。 （2）硅的影响 一般少于0.37%，溶于铁素体起强化作用，强度硬度弹性都提高，特别是有硅的存在时，钢的屈强比（ S / b ）提高。也是有益元素。 （ 3）硫的影响 是矿石和燃料带入，难以除尽。在钢中一般是有害杂质，硫在-Fe中溶解度极小，以FeS的形式存在。FeS与Fe形成低熔点共晶体（FeS+Fe)，熔点为985，低于钢材热加工的开始温度（1150-1250)。因此在热加工时，分布在晶界上的共晶体处于熔化状态而导致钢的开裂，这种现象称为热脆。因为Mn与S能形成熔点高的MnS（熔点为1620),所以增加钢中锰的含量，可消除硫的有害作用。硫化锰在铸态下呈点状分布于钢中，高温时塑性好，热轧时易被拉成长条，使钢产生纤维组织。钢中硫的含量必须严格控制。（易切削钢中易于断屑，又有利。）,9/31,（4）磷的影响 是矿石带入，难以除尽。磷在结晶过程偏析严重，导致韧脆转变温度升高，发生冷脆，对高寒地带和低温工作结构件危害严重。（易切削钢中易于断屑，对爆炸性武器也有利。） （5）气体的影响 氧对钢的机械性能不利，使强度和塑性降低，特别是氧化物(Fe3O4、FeO、MnO、SiO2、Al2O3)夹杂，对疲劳强度有很大的影响。因此氧是有害元素。氮的存在常导致钢的硬度、强度的提高和塑性的下降，而使脆性增大。若炼钢时用A1Ti脱氮，因生成AlN、TiN，可消除氮的脆化效应。钢中的氢使钢变脆、造成氢脆、白点等缺陷，是有害杂质。 总之，杂质元素对钢的性能和质量影响很大，必须严格控制在牌号规定的范围内。,10/31,四、合金元素在钢中的作用,合金元素在钢中的作用是极为复杂的，当钢中含有多种合金元素时更是如此。 1合金元素对钢中基本相的影响 铁素体和渗碳体是碳钢中的两个基本相，合金元素加入钢中时，可以溶于铁素体内，也可以溶于渗碳体内。与碳亲和力弱的非碳化物形成元素，如镍、硅、铜、铝、钴等，主要溶于铁素体中形成合金铁素体。而与碳亲和力强的碳化物形成元素，如锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等，则主要与碳结合形成合金渗碳体或碳化物。 (1)形成合金铁素体 合金元素在溶入铁素体后，由于其与铁的晶格类型和原子半径有差异，必然引起铁素体晶格畸变产生固溶强化，使铁素体的强度、硬度提高，但塑性、韧性却有下降趋势。图5-1和图5-2为几种合金元素对铁素体硬度和韧性的影响。,5-1 合金元素对铁素体硬度的影响 5-2合金元素对铁素体韧性的影响,由图可知，硅、锰能显著地提高铁素体的强度和硬度。但含硅量超过0.5，含锰量超1.5时，将降低其韧性。而铬与镍比较特殊，在铁素体中的含量适当时(铬2，镍5)，在显著强化铁素体的同时仍能提高韧性。,11/31,(2)形成碳化物 碳化物是钢中的重要组成相之一，碳化物的类型、数量、大小、形状及分布对钢的性能有很重要的影响。在碳钢中，在平衡状态下，可以按碳含量不同，分为亚共析钢、共析钢、过共析钢。通过热处理又可改变珠光体中Fe3C片的大小，从而获得珠光体、索氏体、托氏体等。在合金钢中，碳化物的状况显得更重要。作为碳化物形成元素，在元素周期表中都是位于铁以左的过渡族金属，越靠左，则d层电子数越少，形成碳化物的倾向越强。 锰是弱碳化物形成元素，与碳亲合力比铁强，溶于渗碳体中，形成合金渗碳体(FeMn)3C这种碳化物的熔点较低，硬度较低，稳定性较差。 铬、钼、钨属于中强碳化物形成元素，既能形成合金渗碳体如(FeCr)3C等，又能形成各自的特殊碳化物加Cr7C3、Cr23C6、Mo2C、WC等。这些碳化物的熔点、硬度、耐磨性以及稳定性都比较高。 钒、铌、钛是强碳化物形成元素，它们在钢中，优先形成特殊碳化物，如VC、NbC、TiC等。它们的稳定性最高，熔点、硬度和耐磨性也最高。,12/31,2合金元素对热处理和力学性能的影响,合金钢一般都是经过热处理后使用的，主要是通过热处理改变钢的组织来显示合金元素的作用。 (1)对奥氏体化的影响 大多数合金元（除镍、钴外）减缓奥氏体化过程。合金钢在加热时，奥氏体化的过程基本上与碳钢相同，即包括奥氏体的形核与长大，碳化物的溶解以及奥氏体均匀化这四个阶段，它是扩散型相变。钢中加入碳化物形成元素后，使这一转变减慢。一般合金钢，特别是含有强碳化物形成元素的钢，为了得到较均匀的，含有足够数量的合金元素的奥氏体，充分发挥合金元素的有益作用，就需更高的加热温度与较长的保温时间。 (2)细化晶粒 碳化物形成元素(如钒、钛、铌、锆等)容易形成稳定的碳化物，铝形成稳定的化合物AlN、Al2O3，它们都以弥散质点的形式分布在奥氏体晶界上，对奥氏体晶粒长大起机械阻碍作用。因此，除锰钢外，合金钢在加热时不易过热。这样有利于在淬火后获得细马氏体；有利于适当提高加热温度，使奥氏体中溶入更多的合金元素，以增加淬透性及钢的机械性能；同时也可减少淬火时变形与开裂的倾向。对渗碳零件，使用合金钢渗碳后，有可能直接淬火，以提高生产率。因此，合金钢不易过热是它的一个重要优点。,13/31,(3)对C曲线和淬透性的影响 大多数合金元素(除钴外）均使C曲线右移，临界冷却速度减小，从而提高钢的淬透性，通常对于合金钢就可以采用冷却能力较低的淬火剂淬火，即采用油淬火，以减少零件的淬火变形和开裂倾向。,图5-3 合金元素对C曲线的影响,合金元素不仅使C曲线位置右移，而且对C曲线的形状也有影响。非碳化物形成元素和弱碳化物形成元素如镍、锰、硅等，仅使C曲线右移，见图5-3(a)所示。而对于中强