材料基礎(chǔ)-第九章鋼鐵材料

1、第九章 鋼鐵材料9.1 概述概述 鋼鐵材料: 鋼和鑄鐵。 以鐵為基體且含碳量小于2.11%的合金稱為鋼。 含碳量大于2.11%的合金稱為鑄鐵。 常用的鋼材除Fe、C元素外，還含有極少量的由原料冶煉及加工過程中遺留下來的Mn、Si、P、S等雜質(zhì)元素（P、S為有害元素），以及為改善和滿足材料的使用及工藝性能加入的一定量的合金元素。 鐵碳合金自身的結(jié)構(gòu)特性和成分的可調(diào)性，使鋼鐵材料的性能具有多樣性，是各行各業(yè)不可缺少的基礎(chǔ)材料，應(yīng)用面極其廣泛。9.2 9.2 鋼材的分類鋼材的分類 鋼材種類繁多。為便于生產(chǎn)、使用和研制，按如下進(jìn)行分類：1. 1. 按化學(xué)成份按化學(xué)成份 碳鋼按化學(xué)成份可分為碳素鋼和合金

2、鋼碳素鋼和合金鋼。a.a.碳素鋼碳素鋼 含碳量小于0.25%的稱為低碳鋼； 含碳量為0.25-0.6%的稱為中碳鋼； 含碳量大于0.6%的稱為高碳鋼。b.b.合金鋼合金鋼 合金元素總量小于5%的稱為低合金鋼； 合金元素總含量為5-10%的稱為中合金鋼； 合金元素總量大于10%的稱為高合金鋼。 有時(shí)，按合金鋼中所含主要合金元素將合金鋼分為錳鋼（16Mn）、鉻鋼（2Cr13）、鉻鉬鋼（15CrMo）或鉻錳鈦鋼等。2. 2. 按顯微組織按顯微組織 鋼的供應(yīng)狀態(tài)，一般有正火態(tài)和退火態(tài)兩種。a.a.正火態(tài)組織正火態(tài)組織 珠光體類、貝氏體類、馬氏體類及奧氏體類鋼;也有過渡型混合組織出現(xiàn)的可能。b.b.退火

3、態(tài)組織退火態(tài)組織 即平衡態(tài)組織: 亞共析鋼、共析鋼和過共析鋼。3. 3. 按冶金質(zhì)量按冶金質(zhì)量 按鋼中有害雜質(zhì)S、P含量的不同進(jìn)行區(qū)分： a.普通鋼（P 0.045%， S 0.05%）， b.優(yōu)質(zhì)鋼（P 0.035%， S 0.035%），c.高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼（P 0.025%，S 0.025%）。4. 4. 按用途按用途 按用途，可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊性能鋼。 結(jié)構(gòu)鋼用于制作工程結(jié)構(gòu)和制造機(jī)器零件。 工程結(jié)構(gòu)用鋼也叫工程構(gòu)件用鋼，又可分為建筑用鋼、橋梁用鋼、船舶用鋼和壓力容器用鋼等。 常規(guī)構(gòu)件一般用普通質(zhì)量的碳素鋼（普碳鋼）或普通低合金高強(qiáng)度鋼（普低鋼）制作。 各種機(jī)器零件用鋼一般用優(yōu)質(zhì)鋼或

4、高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼制作，但一些要求不高的普通零件也可以用普碳鋼或普低鋼制作。 機(jī)器零件用鋼按其工藝過程和用途可分為： 滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼和軸承鋼等，它們主要由優(yōu)質(zhì)碳素鋼和優(yōu)質(zhì)合金鋼制作。 工具鋼用于制造各種加工和測(cè)量工具，按用途可分為刃具鋼、模具鋼和量具鋼。 特殊場(chǎng)合使用的鋼叫特殊鋼。需要具有特殊的物理、化學(xué)性能，又可分為不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼和耐寒鋼等。9.2.2 鋼的編號(hào)鋼的編號(hào) 我國(guó)的鋼材編號(hào)是采用國(guó)際化學(xué)符號(hào)、數(shù)字及漢語(yǔ)拼音字母并用的原則，即鋼中的合金元素用元素符號(hào)表示，如Si、 Mn、 Cr、Mo、Ni等, 但稀土元素用“RE”表示其總含量。產(chǎn)品名稱、用途、冶煉和澆注方法等用漢語(yǔ)拼音字母

5、表示，見表9-1。我國(guó)的鋼材具體編號(hào)方法如下：1. 普通結(jié)構(gòu)鋼普通結(jié)構(gòu)鋼(1) 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（普碳鋼）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（普碳鋼） 該類鋼牌號(hào)表示方法是由代表屈服點(diǎn)的字母Q、屈服強(qiáng)度值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)（A，B，C，D）及脫氧方法符號(hào)（F，b，Z，TZ）等四部分按順序組成。表表91 常用鋼號(hào)中漢語(yǔ)拼音字符及其意義常用鋼號(hào)中漢語(yǔ)拼音字符及其意義 例如，Q235-F，表示屈服強(qiáng)度為235MPa的沸騰鋼。 質(zhì)量等級(jí)符號(hào)表示普碳鋼中雜質(zhì)P、S含量的高低，C，D級(jí)的含量最低，質(zhì)量好。 脫氧方法符號(hào)從F起依次分別表示沸騰鋼（F），半鎮(zhèn)靜鋼（b）， 鎮(zhèn)靜鋼（Z）及特殊鎮(zhèn)靜鋼（TZ），后兩種鋼牌號(hào)中的脫氧方法符號(hào)可

6、省略。 (2) 普通低合金結(jié)構(gòu)鋼（普低鋼）普通低合金結(jié)構(gòu)鋼（普低鋼） 該類鋼的鋼號(hào)由“數(shù)字+（元素符號(hào)+數(shù)字）+（元素符號(hào)+數(shù)字）+.”等部分組成。 前面的數(shù)字（為兩位數(shù)）表示平均含碳量的萬分?jǐn)?shù)，合金元素以化學(xué)元素符號(hào)表示，合金元素后面的數(shù)字（一位或兩位數(shù)）表示該元素的平均百分含量，如果合金元素平均含量低于1.5%時(shí)，則不標(biāo)明其含量。 例如，16Mn，表示平均含碳量為0.16%。含錳量小于1的低合金耐低溫鋼。 又如，20Cr2Ni4，表示平均含碳量為0.2%, 含鉻量接近于2，含鎳量接近于4的工具鋼。2. 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 該類鋼的鋼號(hào)用鋼中平均含碳量的兩位數(shù)字表示，單位為萬分之一

7、。 例如，鋼號(hào)45，表示平均含碳量為0.45%的鋼。 對(duì)含錳量較高的鋼，須將錳元素標(biāo)出。 例如，鋼號(hào)25Mn，表示平均含碳量為0.25%，含錳量為(0.71.0)%的鋼。 沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼及專用的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，應(yīng)在鋼號(hào)后特別標(biāo)出，如15g，即平均含碳量為0.15%的鍋爐鋼；08F表示含碳量為0.08%的沸騰鋼。3. 碳素工具鋼碳素工具鋼 碳素工具鋼是在鋼號(hào)前加“T”表示，其后跟以表示鋼中平均含碳量的千分之幾的數(shù)字。 例如， T8，表示平均含碳量為0.8%的工具鋼。含錳量較高者須在鋼號(hào)后標(biāo)以“Mn”。 若為高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼則在鋼號(hào)末端加“A”，如T10A。4. 合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼 這類鋼的

8、牌號(hào)表示方法與普低鋼類似，如60Si2Mn鋼，其平均含碳量約0.6%，含硅2%及含錳1%。5. 合金工具鋼合金工具鋼 該類鋼的編號(hào)與合金結(jié)構(gòu)鋼相同，只是含碳量的表示方法不同，而合金元素的表示方法相同。 鋼號(hào)前表示其平均含碳量的是一位數(shù)字，為其千分?jǐn)?shù)；當(dāng)平均含碳量大于或等于1.0%時(shí)，則不標(biāo)出含碳量。例如，9Mn2V鋼 表 示 平 均 含 碳 量 為(0.85%0.95)%、含Mn量為(1.6-2.0)%的合金工具鋼。 高速鋼是一類高合金工具鋼，其鋼號(hào)中一般不標(biāo)出含碳量，僅標(biāo)出合金元素符號(hào)及其平均含量的百分?jǐn)?shù)。如W18Cr4V鋼的平均碳含量為(0.70.8）%，而合金元素含量則約為18%W、4%

9、Cr和1%V。9.3 普通結(jié)構(gòu)鋼普通結(jié)構(gòu)鋼 普通結(jié)構(gòu)鋼由于冶煉簡(jiǎn)便成本低，批量大，主要用于制作各種工程結(jié)構(gòu)，如房架，橋梁，汽車構(gòu)件，船舶，壓力容器件等，所以一般又將其稱為構(gòu)件用鋼。 9.3.1 一般構(gòu)件用鋼的性能要求一般構(gòu)件用鋼的性能要求 構(gòu)件用鋼的工作特點(diǎn)是使用時(shí)不作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，長(zhǎng)期承受靜載作用，有一定溫度與環(huán)境要求。因此這類鋼應(yīng)用時(shí)性能要求為：1使用性能使用性能力學(xué)性能 保證構(gòu)件有相當(dāng)?shù)膭偠?，有足夠塑性變形和抗拉?qiáng)度，s 和 b 較高， 及較大，且缺口敏感性和冷脆傾向小等。 (2) 化學(xué)穩(wěn)定性 材料要有一定的耐大氣、海水等環(huán)境腐蝕能力。2工藝性能工藝性能 構(gòu)件在使用時(shí)常常有冷變形和焊接成形及

10、連接要求，故材料必須有良好的冷變形和焊接性能。9.3.2 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（普碳鋼）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼（普碳鋼） 普碳鋼產(chǎn)量占鋼總產(chǎn)量的（7080）%，其中大部分用作工程結(jié)構(gòu)件，少量用作普通零件。 根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB700-88，將其分為Q195，Q215，Q235，Q255及Q275等五類。此類鋼一般制成各種型材，大量用在建筑車輛等行業(yè)。 同時(shí)Q195鋼含碳量低、塑性好，也常用作制鐵釘，鐵絲及各種薄板（如黑、白鐵皮即鍍鋅鋼板，馬口鐵即鍍錫鋼板），還可用作要求不高的沖壓件和焊接結(jié)構(gòu)件。 Q215，Q235，Q255等牌號(hào)鋼也可用于制作一些普通零件如鉚釘，螺釘，螺母和不重要的滲碳件。 生產(chǎn)上為適應(yīng)特殊用

11、途的需要，還常在普碳鋼基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出某些特殊要求而形成一系列專用的構(gòu)件用鋼，如冷沖壓用鋼，橋梁用鋼等。 例如，橋梁用鋼： Q235q、16q等； 鍋爐用鋼： 20g、22 g 等； 船舶用鋼： C10，C20等。 每種專用的構(gòu)件用鋼在冶金標(biāo)準(zhǔn)中都有相應(yīng)的技術(shù)條件規(guī)定，可相應(yīng)查找。9.3.3 普通低合金構(gòu)件用鋼普通低合金構(gòu)件用鋼 (普低鋼普低鋼) 普低鋼又稱低合金高強(qiáng)度鋼，英文縮寫HSLA鋼。 從成分上看，象16Mn為低碳低合金元素鋼種，這是為了適應(yīng)大型工程結(jié)構(gòu)（如大型橋梁，壓力容器及船舶等）以減輕結(jié)構(gòu)重量，提高可靠性及節(jié)約材料的需要而發(fā)展起來。 我國(guó)列入冶金部標(biāo)準(zhǔn)的普低鋼，按屈服強(qiáng)度高低分為

12、300MPa級(jí)，350MPa級(jí)，400MPa級(jí)，450MPa級(jí)，500MPa級(jí)和650MPa級(jí)六個(gè)級(jí)， 這類鋼的低含碳量滿足了構(gòu)件用鋼的工藝性能要求，再加入以Mn為主的少量合金元素，達(dá)到了提高力學(xué)性能的目的。 在此基礎(chǔ)上再加入極少量強(qiáng)碳化物元素如V、Ti、Nb等，不但提高強(qiáng)度，還會(huì)消除鋼的過熱傾向。 例如，Q235鋼，16Mn，15MnV鋼的含碳量相當(dāng)，但往Q235中加入約1%Mn（實(shí)際只相對(duì)多加了0.50.8%）時(shí)，就成為16Mn鋼，其屈服強(qiáng)度卻增加50%，為350MPa；在16Mn的基礎(chǔ)上再多加釩(0.040.12)%，材料屈服強(qiáng)度又增加至400MPa；且在合金化過程中材料的其他性能也有所

13、改善，大大提高了構(gòu)件的可靠性和緊湊性，減少了原材料消耗和能源消耗，其經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益是可想而知的。9.4 優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼 優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼分為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼及優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，常用作制造重要的零件，如齒輪、軸、軸承、彈簧等。 機(jī)器零件要加工成各種各樣的形狀尺寸，更為重要的是其工作時(shí)常常要受到各種各樣的動(dòng)靜載荷的作用. 因此保證其強(qiáng)度、塑性和韌性的有機(jī)統(tǒng)一，就成為選材的主要矛盾，即零件用鋼首先要考慮滿足零件的使用性能的需求。主要有：滲碳鋼(外硬里韌)，如各種齒輪等； 調(diào)質(zhì)鋼(強(qiáng)度和韌性匹配）如曲軸、連桿等； 彈簧鋼（疲勞強(qiáng)度和高的屈強(qiáng)比）； 滾動(dòng)軸承鋼(高接觸疲勞強(qiáng)度和高的耐磨性）9.5 工具鋼

14、工具鋼 主要用于制造各種加工和測(cè)量工具的鋼稱工具鋼。 按其加工用途分為刃具鋼、量具鋼和模具鋼。 用于各類材料的加工制造，工具鋼應(yīng)具有高硬度、高耐磨性及較高溫度下的強(qiáng)硬性，即其強(qiáng)度指標(biāo)的要求是第一位的。 因此，工具鋼有較高的含碳量（0.71.3%）；同時(shí)為進(jìn)一步提高高溫硬度和耐磨性、淬透性及防止其變形，常加入合金元素Cr、W、Mo、V等，甚至是高含量的。為保證工具鋼優(yōu)秀性能，尤其是較好塑性韌性，鋼中雜質(zhì)含量尤其是S、P含量必須嚴(yán)格限制。9.6 特殊性能鋼特殊性能鋼 特殊性能鋼是指具有特殊物理化學(xué)性能并可在特殊環(huán)境下工作的鋼，如不銹鋼、 耐熱鋼、耐磨鋼及低溫鋼等。1. 不銹鋼不銹鋼 在腐蝕性介質(zhì)中

15、，材料性能能穩(wěn)定且不被腐蝕或腐蝕速度極慢的鋼，一般被稱為不銹鋼。 主要有三種： 馬氏體不銹鋼（2Cr13） 奧氏體不銹鋼（1Cr18Ni9） 鐵素體不銹鋼（00Cr17o）2. 耐熱鋼耐熱鋼 在高溫下具有良好的抗蠕變性且具有抗高溫氧化性的鋼叫耐熱鋼。 例 如 ， 1 8 8 （ 3 0 4 ） ， 1 2 C r 1 M o V ，X20CrMoV121，10CrMo910等。3. 耐磨鋼耐磨鋼 廣泛意義上講，表面經(jīng)強(qiáng)化的結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和滾動(dòng)軸承鋼等，均具有高耐磨性能，這類鋼種都可稱做耐磨鋼。 例如，16Mn, 1Cr18Ni9 (18-8)等。 另外，還有可以焊接的專用的耐磨鑄鋼等，常用ZG符號(hào)表示。9.7 鑄鐵鑄鐵 鑄鐵是含碳量大于2.11%的鐵碳合金，其主要組成元素為鐵、碳、硅和一定量的錳，而硫磷等雜質(zhì)的含量也比普通碳鋼要高。 鑄鐵用量很大。例如，機(jī)床