第八章金屬學(xué)

1、第八章 碳 鋼 含碳量低于2.11%的鐵碳合金稱為鋼。但工業(yè)用碳鋼除碳外還含有其他元素，如硅、錳、硫、磷、氧、氮、氫等。其中硅、錳是在鋼冶煉時(shí)作為脫氧元素而加入的，硫和磷是冶煉時(shí)未能除盡的雜質(zhì)元素。在碳鋼中它們的含量范圍大致如下：錳0.7%；硅0.5%；磷0.05%；硫0.04%。氧、氫、氮等的含量與冶煉方法有關(guān)，一般只有十萬分之幾到萬分之幾，非常少。有時(shí)為了改善鋼的組織和性能，還人為地向鋼中加入某些元素，如硅、錳、鉻、鉬、鎢、釩、鎳、硼、稀土元素等，這種有意加入鋼中的元素稱為合金元素。含有合金元素的鋼稱為合金鋼。 第一節(jié) 鋼的宏觀組織一、三種不同形式的鋼錠 根據(jù)鋼液的最終脫氧程度和鋼錠宏觀組

2、織的特征，可把鋼分為三類：沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼和鎮(zhèn)靜鋼。三種鋼中，沸騰鋼的脫氧程度最輕，鎮(zhèn)靜鋼脫氧最徹底，而半鎮(zhèn)靜鋼的脫氧程度介于二者之間。 對(duì)沸騰鋼來說，只用一定量的弱脫氧劑錳鐵對(duì)鋼液脫氧(有時(shí)為了調(diào)節(jié)鋼液的氧化性，也臨時(shí)加入少量的鋁，但這只是輔助性的)，因此，鋼液的含氧量較高。在沸騰鋼的凝固過程中，鋼液中碳和氧發(fā)生反應(yīng)而產(chǎn)生大量氣體(主要是一氧化碳?xì)?，造成鋼液沸騰，沸騰鋼由此而得名。所形成的氣體，大部分逸入大氣中，一小部分留在鋼錠內(nèi)形成氣泡。沸騰鋼的外層是在沸騰所造成的鋼液劇烈攪動(dòng)的條件下凝固的。由于攪動(dòng)，結(jié)晶出的鋼錠有比較純凈的外層，而心部是在沸騰停止后凝固的，因此沸騰鋼鋼錠宏觀組織的特點(diǎn)

3、是，鋼錠內(nèi)部有大量氣泡，但是沒有或者很少有縮孔。鋼錠的外層比較純凈，這純凈的外層包住了一個(gè)富集著雜質(zhì)的錠心。 沸騰鋼只限于生產(chǎn)普通低碳鋼，鋼的品種受到限制。 鎮(zhèn)靜鋼在澆注之前不僅用弱脫氧劑錳鐵而且還使用強(qiáng)脫氧劑硅鐵和鋁對(duì)鋼液進(jìn)行脫氧，因而鋼液的含氧量很低。強(qiáng)脫氧元素硅和鋁的加人，使得在凝固過程中，鋼液中的氧優(yōu)先與強(qiáng)脫氧元素鋁和硅結(jié)合，從而抑止了碳氧之間的反應(yīng)，所以鎮(zhèn)靜鋼結(jié)晶時(shí)沒有沸騰現(xiàn)象，鎮(zhèn)靜鋼由此而得名。在正常操作情況下，鎮(zhèn)靜鋼中沒有氣泡，但有縮孔和疏松。 高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳鋼或優(yōu)質(zhì)碳鋼以及全部合金鋼均按鎮(zhèn)靜鋼生產(chǎn)。 半鎮(zhèn)靜鋼的最終脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間，即除了用錳鐵脫氧之外，也加入硅鐵和少

4、量的鋁。鋼液的含硅量通常在0.060.15%范圍內(nèi)，鋁的用量比鎮(zhèn)靜鋼的少得多。在鋼液結(jié)晶過程中沒有沸騰現(xiàn)象，但仍然有一氧化碳?xì)怏w放出并在鋼錠中形成分散氣泡。半鎮(zhèn)靜鋼沒有鎮(zhèn)靜鋼鋼錠頭部的集中縮孔。 半鎮(zhèn)靜鋼可用于生產(chǎn)低合金鋼。二、鎮(zhèn)靜鋼的宏觀組織1. 物理的不均勻性(1) 縮孔 縮孔是由凝固收縮引起的，當(dāng)結(jié)晶前沿各處由于液固相變所引起的收縮能夠源源不斷地得到鋼液補(bǔ)充時(shí)，便在鋼錠最后凝固部分造成集中收縮，即形成縮孔。(2) 疏松 由于凝固收縮，除形成縮孔外，還在錠身各處形成許多細(xì)小、分散的孔隙，引起鋼的致密程度降低。鋼的這種不致密現(xiàn)象稱為疏松。 當(dāng)結(jié)晶前沿各處由于液固相變所引起的收縮不能得到有效的

5、補(bǔ)充時(shí)，在補(bǔ)縮供應(yīng)線被切斷的地方，凝固后就會(huì)留下小孔隙，得到分散的收縮，即疏松。(3) 氣泡 嚴(yán)格來講，氣泡已經(jīng)不只是物理的不均勻性，但是從其對(duì)力學(xué)性能的影響來看，氣泡與空洞相當(dāng)。在正常操作條件下，鎮(zhèn)靜鋼中不應(yīng)有氣泡；在某些不正常的情況下，鎮(zhèn)靜鋼中會(huì)形成皮下氣泡和內(nèi)部氣泡。皮下氣泡多產(chǎn)生于鋼錠尾部，時(shí)常成群出現(xiàn)。皮下氣泡的產(chǎn)生主要是由于澆注條件不好；此外，鋼液含氣體太多和脫氧不良也能助長皮下氣泡的形成。內(nèi)部氣泡在鋼坯橫向試片酸浸蝕面上表現(xiàn)為未焊合的細(xì)小裂紋。內(nèi)部氣泡的產(chǎn)生主要是由于鋼液含氣體是太高。(4) 裂紋 鋼在鑄造凝固后降溫時(shí)將發(fā)生固態(tài)收縮。在某種外部條件下，當(dāng)固態(tài)收縮受阻時(shí)，或者由于凝

6、固層厚度不均勻或凝固層各部分收縮量不一致時(shí)，或者當(dāng)凝固殼層受到內(nèi)部鋼液的靜壓力作用時(shí)，凡此種種使固態(tài)鋼中產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)此內(nèi)應(yīng)力超過鋼本身強(qiáng)度時(shí)，就發(fā)生破裂，導(dǎo)致產(chǎn)生裂紋。裂紋可以在鋼錠凝固期間或者在凝固之后出現(xiàn)。2. 初生晶粒的不均勻性(結(jié)晶的不均勻性)結(jié)晶帶 鎮(zhèn)靜鋼鋼錠有三個(gè)結(jié)晶帶：從鋼淀表面向內(nèi)幾個(gè)毫米為外殼層，由細(xì)小的等軸初生晶粒組成；然后為柱晶帶，由柱狀的初生晶粒組成，此帶的厚度可以達(dá)到幾十或者上百毫米；最后為鋼錠軸心部位的粗大等軸晶帶。3. 化學(xué)的不均勻性偏析 在鋼錠或鋼材中，各部分的化學(xué)成分遠(yuǎn)不是均勻一致的，這種化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。偏析可以在初生晶粒的范圍內(nèi)發(fā)生，叫枝晶偏

7、析或晶內(nèi)偏析；也可以在整個(gè)鋼錠(或鑄件)范圍內(nèi)發(fā)生，稱為區(qū)域偏析。在鋼錠中，有時(shí)在某些局部地區(qū)，化學(xué)成分與其周圍有差異，形成所謂帶狀偏析，它疊加在緩慢變化的一般區(qū)域偏析的背景上。帶狀偏析是區(qū)域偏析的一種特殊形式。 宏觀組織分析(即低倍檢驗(yàn))包括的內(nèi)容：低倍酸浸試驗(yàn)、斷口分析和各種無損探傷(磁力探傷、超聲波探傷、X線探傷及其它)。第二節(jié) 碳和雜質(zhì)元素對(duì)碳鋼顯微組織和性能的影響 一、碳對(duì)緩冷鋼顯微組織和性能的影響 碳是決定碳鋼在緩冷后的組織和性能的主要元素。碳對(duì)緩冷后碳鋼顯微組織的影響是：在亞共析鋼范圍內(nèi)，隨含碳量增加，鐵素體相對(duì)量減少，珠光體相對(duì)量增加；達(dá)到共析成分時(shí)，全部為珠光體；在過共析鋼范

8、圍內(nèi)，隨含碳量增加，先共析滲碳體相對(duì)量增多，珠光體相對(duì)量減少。 含碳量增加時(shí)碳鋼的耐腐蝕性降低，同時(shí)碳也使碳鋼的焊接性能和冷加工(沖壓、拉拔)性能變壞。圖8-1 含碳量對(duì)碳鋼熱軋后力學(xué)性能的影響二、常存元素和其它元素對(duì)碳鋼顯微組織和性能的 影響1. 錳的影響 錳在碳鋼中的含量一般為0.250.80%，在具有較高含錳量的碳鋼中，錳含量可以達(dá)到1.2%。在碳鋼中，錳屬于有益元素。 錳是作為脫氧除硫的元素而加人鋼中的。對(duì)于鎮(zhèn)靜鋼來說，錳可以提高硅和鋁的脫氧效果，也可以同硫結(jié)合形成硫化錳，從而在相當(dāng)大程度上消除硫在鋼中的有害影響。 鋼中的錳，除一部分形成夾雜物(硫化錳以及錳的氧化物)外，其余部分溶于鐵

9、素體和滲碳體中。 錳對(duì)碳鋼的力學(xué)性能有良好影響。它能提高鋼經(jīng)熱軋后的硬度和強(qiáng)度。在錳含量不高時(shí)(0.80%)，錳可以稍微提高或者不降低碳鋼的面縮率和沖擊韌性。在碳鋼的錳含量范圍內(nèi)，每增加0.1%Mn，大 約 使 熱 軋 鋼 的 抗 拉 強(qiáng) 度 增 加7 . 8 1 2 . 7 M N / m2， 屈 服 點(diǎn) 提 高 約7.89.8MN/m2，而伸長率約減小0.4%。由于錳的有益作用，因此，在冶煉時(shí)應(yīng)把含錳量控制在鋼號(hào)成分規(guī)格的上限。 2. 硅的影響 硅在碳鋼中的含量0.50%。在沸騰鋼中，含硅量很低(0.05%)，硅是作為脫氧元素加入鎮(zhèn) 靜 鋼 中 。 在 鎮(zhèn) 靜 鋼 中 硅 的 含 量 一

10、般 為0.120.37%。硅也是鋼中有益元素。硅增大鋼液的流動(dòng)性。除形成非金屬夾雜物外，硅溶于鐵素體中。在碳鋼中每增加0.1%硅，可使熱軋鋼的抗拉強(qiáng)度提高約7.88.8MN/m2，屈服點(diǎn)提高約3.94.9MN/m2，伸長率下降約0.5%。鋼的面縮率和沖擊韌性下降不明顯。但是，當(dāng)硅含量超過0.81.0%時(shí)，則引起面縮率下降，特別是沖擊韌性顯著降低。3. 硫的影響 一般來說，硫是有害元素，它主要來自生鐵原料、煉鋼時(shí)加入的礦石和燃料燃燒產(chǎn)物中的二氧化硫。 硫在鐵中的溶解度很小。室溫時(shí)，硫以硫化物夾雜的形式存在于固態(tài)鋼中。 硫的最大危害是引起鋼在熱加工時(shí)開裂，即產(chǎn)生所謂熱脆。 硫通過形成硫化物夾雜而對(duì)

11、鋼的力學(xué)性能發(fā)生影響。增加鋼中的含硫量，使硫化物夾雜的含量增高，鋼的范性和韌性將降低，同時(shí)，鋼材力學(xué)性能的方向性增大，鋼的熱加工性能也變壞。硫?qū)︿摿W(xué)性能的影響，不僅和鋼的含硫量有關(guān)，而且還和所形成的硫化物夾雜的大小、形狀和分布，并與基體的組織有關(guān)。 硫能提高鋼材的切削加工性，這是硫的有益作用。在易削鋼中，含硫0.080.2%，同時(shí)含0.501.20%Mn。 在大多數(shù)情況下，由于硫的有害影響，同時(shí)也考慮到硫的偏析傾向很大，所以，一般對(duì)鋼的含硫量限制甚嚴(yán)。在普通質(zhì)量碳鋼中，硫含量不大于0.055%，在優(yōu)質(zhì)鋼中不大于0.045%，在高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼中不大于0.02%。4. 磷的影響 一般來說，磷是有害雜

12、質(zhì)元素。它來源于礦石和生鐵等煉鋼原料。鋼中殘余含磷量與冶煉方法有很大關(guān)系。側(cè)吹轉(zhuǎn)爐鋼的含磷量較高，達(dá)0.070.12%，氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐鋼和堿性平爐鋼可以降至0.020.04%，電爐鋼含磷量0.02%。 磷在純鐵中有相當(dāng)大的溶解度。磷能提高鋼的強(qiáng)度，但使范性、韌性降低，特別是使鋼的脆性轉(zhuǎn)折溫度急劇升高，即提高鋼的冷脆性。 在含碳量比較低的鋼中，磷的冷脆危害較小。在這種情況下可以利用磷來提高鋼的強(qiáng)度。此外，在適當(dāng)情況下， 還利用磷的其它一些有益作用，如增加鋼的抗大氣腐蝕能力，提高磁性，改善鋼材的切削加工性(在易削鋼中常加入0.080.15%的磷)，減少熱軋薄板的粘結(jié)等。 在大多數(shù)情況下，由于磷的有害

13、影響，同時(shí)考慮到磷有比較大的偏析，因而對(duì)其含量要嚴(yán)格加以限制。在普通質(zhì)量的堿性平爐鋼中，含磷量一般0.045%，優(yōu)質(zhì)鋼中0.04%，高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼中0.02%。5. 氧的影響 氧在鋼中的溶解度很小。在鋼中，氧幾乎全部以氧化物的形式存在。鋼中各種氧化物夾雜的總量隨鋼中含氧量增加而增加。含氧量對(duì)鋼力學(xué)性能的影響實(shí)質(zhì)上也就是氧化物夾雜對(duì)力學(xué)性能的影響。這種影響隨氧化物系夾雜的大小、形狀、分布而異，同時(shí)也與基體組織有關(guān)，并不單純?nèi)Q于含氧量?？偟膩碚f，隨鋼中含氧量增加，鋼的范性、韌性降低；在鋼的抗拉強(qiáng)度較高的場(chǎng)合下，也使鋼的疲勞強(qiáng)度降低。此外，氧化物夾雜使鋼的耐腐蝕性、耐磨性降低，使冷沖壓性、鍛造加工性以

14、及切削加工性變壞。氧在鋼中還會(huì)因形成Fe+FeS+FeO共晶而引起熱脆。 在煉鋼時(shí)是借氧化把鋼液中的雜質(zhì)元素去掉，因此氧曾起了積極作用，但它對(duì)固態(tài)鋼是有害的。含氧量高低代表了鋼在氧化物系夾雜方面的純凈程度。鋼液的含氧量與鋼的成分和脫氧操作以及冶煉方法等都有關(guān)系。對(duì)于低碳鋼來說，堿性側(cè)吹轉(zhuǎn)爐鋼的含氧量約為0.040.07%，平爐鋼約為0.020.03%，電爐鋼約為0.010.02%。6. 氮的影響 鋼中的氮來自爐料，同時(shí)，在冶煉時(shí)鋼液也從爐 氣 中 吸 收 氮 。 一 般 平 爐 鋼 中 含 氮 量 為0.0010.008%，純氧頂吹轉(zhuǎn)爐鋼為0.0020.004%，堿性 側(cè) 吹 轉(zhuǎn) 爐 鋼 為

15、0 . 0 0 6 0 . 0 0 8 % ， 電 爐 鋼 為0.0050.016%。 氮引起碳鋼的淬火時(shí)效和形變時(shí)效，從而對(duì)碳鋼的性能發(fā)生顯著的影響。從熱力學(xué)平衡的角度來看，時(shí)效過飽和固溶體的脫溶分解是一種趨向更穩(wěn)定狀態(tài)的自發(fā)過程。不穩(wěn)定狀態(tài)的形成，可以通過淬火，也可以通過形變。如果時(shí)效前的最后操作是淬火，這就是淬火時(shí)效；如果最后操作是冷變形，那么，在這種情況下所發(fā)生的時(shí)效稱為形變時(shí)效。由于氮的時(shí)效作用，鋼的硬度、強(qiáng)度固然升高，但是范性和韌性要降低，特別是在形變時(shí)效情況下，范性和韌性的降低比較顯著。因此，對(duì)于普通低合金鋼來說，時(shí)效現(xiàn)象是有害的，因而氮是有害元素。 氮作為合金元素在不銹耐酸鋼中

16、得到應(yīng)用。在一些含有鋁、釩、鈮并同時(shí)含有氮的普通低合金鋼中，利用形成特殊的氮化物(AIN、VN、NbN)使鐵素體基體強(qiáng)化并細(xì)化晶粒，鋼的強(qiáng)度和韌性可以顯著提高。此外，氮化熱處理能使機(jī)器零件獲得極好的綜合力學(xué)性能，從而使零件的使用壽命延長。 7. 氫的影響 在冶煉過程中，鋼液既可由銹蝕含水的爐料帶入氫，也可從爐氣中直接吸收氫。這些氫的一部分將殘留在鋼中。此外，鋼材在含氫的還原性保護(hù)氣氛中加熱時(shí)、為去除鋼材表面氧化鐵皮而進(jìn)行酸洗時(shí)以及在酸性溶液中電鍍鋼件時(shí)，固態(tài)鋼也吸收氫，所吸收的氫不斷從鋼的表面向內(nèi)部擴(kuò)散。 氫以離子或原子形式溶入液態(tài)或固態(tài)鋼中。溶入固態(tài)鋼中時(shí)，形成間隙固溶體。 氫在鋼中是有害元

17、素，表現(xiàn)在兩個(gè)方面：一是溶入鋼中使鋼的范性和韌性降 低 ， 引 起 所 謂 氫 脆 。 氫 脆 只 在 -100100之間產(chǎn)生，并且隨形變速度增加而減小。鋼的強(qiáng)度愈高，它對(duì)氫脆的敏感性就愈大。二是當(dāng)氫從鋼中析出(變成分子態(tài)的氫)時(shí)造成內(nèi)部裂紋，白點(diǎn)就是這類缺陷中最突出的一種。8. 鋁的影響 鋁作為脫氧元素加入鋼中。碳鋼中鋁的含量一般小于0.10%。加入鋼液中的鋁部分與氧結(jié)合形成Al2O3或含有Al2O3的各種夾雜物。其余部分溶入固態(tài)鐵中，以后，隨加熱和冷卻條件的不同，或者在固態(tài)下形成彌散的AlN，或者繼續(xù)保留在固溶體(奧氏體、鐵素體)中。 鋁除起到脫氧作用外，鋁和氮結(jié)合所形成的彌散的AlN粒子

18、能起阻止奧氏體晶粒長大作用。為獲得奧氏體晶粒長大傾向比較小的鋼，必須保證鋼中有0.020.04%的鋁保留在固溶體中。9. 其它殘存元素的影響 由廢鋼和礦石帶入碳鋼中的還有一些元素，常見的有銅、鎳、鉻等。為使各類碳鋼的性能波動(dòng)范圍不致過大，它們的含量一般限制在0.3%以內(nèi)。但這些元素的存在有助于提高熱軋鋼的強(qiáng)度。第三節(jié) 碳鋼的分類和用途 按冶煉方法，鋼分為酸性轉(zhuǎn)爐鋼、堿性轉(zhuǎn)爐鋼、純氧頂吹轉(zhuǎn)爐鋼、堿性(或酸性)平爐鋼、堿性(或酸性)電爐鋼、電渣重熔鋼等。 按化學(xué)成分，鋼分為碳鋼和合金鋼兩類。在碳鋼和低合金鋼中又依鋼的含碳量分為低碳鋼(又稱軟鋼，含碳0.25%)、中碳鋼(0.250.60%C)和高碳

19、鋼(0.60%C)。 按用途，鋼分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和具有特殊物理性能或化學(xué)性能的鋼。對(duì)碳鋼來說，分碳素結(jié)構(gòu)鋼和碳素工具鋼兩類。在碳素結(jié)構(gòu)鋼中又依鋼的使用特點(diǎn)劃分為工程用鋼(建筑鋼)和機(jī)器制造用鋼兩類。在碳素工程用鋼中又分通用鋼和各種不同的專用鋼(如汽車用鋼、鍋爐和火箱用鋼、橋梁建筑用鋼、造船用鋼等)。 按質(zhì)量，鋼分為普通質(zhì)量鋼、優(yōu)質(zhì)鋼和高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。對(duì)碳素結(jié)構(gòu)鋼而言，最高的質(zhì)量是優(yōu)質(zhì)鋼；對(duì)碳素工具鋼來說，最高的質(zhì)量是高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。 普通質(zhì)量碳素鋼(簡稱普碳鋼)按供應(yīng)條件分為三類： (1) 甲類鋼：按力學(xué)性能供應(yīng)，不保證鋼的化學(xué)成分。甲類鋼的符號(hào)(鋼號(hào))由“甲”(或A)字和其后的數(shù)字組成，如甲1(或A1)。甲(或A)表示甲類，阿拉伯?dāng)?shù)字表示性能等級(jí)。甲類鋼共八個(gè)等級(jí)如A0，A1，A2A7等；隨數(shù)字增大，強(qiáng)度升高，范性降低。A0屬于等外鋼。當(dāng)冶煉其它等級(jí)鋼未達(dá)到性能指標(biāo)要求時(shí)列入等外品A0中。A0鋼的性能和化學(xué)成分都不予保證。 若屬沸騰鋼或半鎮(zhèn)靜鋼時(shí)，在鋼號(hào)末尾要加上“沸”(或F)或“半”(或b)字，如A3F，A3b。鋼號(hào)末尾未注明脫氧方法者為鎮(zhèn)靜鋼。當(dāng)鋼系由堿性轉(zhuǎn)爐或酸性轉(zhuǎn)爐冶煉時(shí)，在鋼號(hào)的數(shù)字前需要分別用“堿”(J)字或“酸”(S)字標(biāo)明，如AJ3，AS3等。 (2) 乙類鋼：按化學(xué)成分供應(yīng)，不保證力學(xué)性能。乙類鋼也有八個(gè)鋼號(hào)，鋼號(hào)用“乙”(