鋼鐵基礎(chǔ)知識(shí)入門

鋼鐵基礎(chǔ)知識(shí)入門一、鋼的定義鋼，是對(duì)含碳量質(zhì)量百分比介于0.02%至2.04%之間的鐵合金的統(tǒng)稱。鋼的化學(xué)成分可以有很大變化，只含碳元素的鋼稱為碳素鋼（碳鋼）或普通鋼；在實(shí)際生產(chǎn)中，鋼往往根據(jù)用途的不同含有不同的合金元素，比如：錳、鎳、釩等等。人類對(duì)鋼的應(yīng)用和研究歷史相當(dāng)悠久，但是直到19世紀(jì)貝氏煉鋼法發(fā)明之前，鋼的制取都是一項(xiàng)高成本低效率的工作。如今，鋼以其低廉的價(jià)格、可靠的性能成為世界上使用最多的材料之一，是建筑業(yè)、制造業(yè)和人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢苫蛉钡某煞??？梢哉f鋼是現(xiàn)代社會(huì)的物質(zhì)基礎(chǔ)。鋼包含的成分：鋼是含碳量在0.02%-2.11%之間的鐵碳合金。我們通常將其與鐵合稱為鋼鐵，為了保證其韌性和塑性，含碳量一般不超過1.7%。鋼的主要元素除鐵、碳外，還有硅、錳、硫、磷等。其它成分是為了使鋼材性能有所區(qū)別。以下以字母順序列出重要的鋼材，他們包含以下成分：碳（Carbon)存在于所有的鋼材，是最重要的硬化元素。有助于增加鋼材的強(qiáng)度，我們通常希望刀具級(jí)別的鋼材擁有0.6%以上的碳，也稱為高碳鋼。鉻（Chromium)增加耐磨損性，硬度，最重要的是耐腐蝕性，擁有13%以上的認(rèn)為是不銹鋼。盡管這么叫，如果保養(yǎng)不當(dāng)，所有鋼材都會(huì)生銹錳（Manganese）重要的元素，有助于生成紋理結(jié)構(gòu)，增加堅(jiān)固性，和強(qiáng)度、及耐磨損性。在熱處理和卷壓過程中使鋼材內(nèi)部脫氧，出現(xiàn)在大多數(shù)的刀剪用鋼材中，除了A-2,L-6和CPM420V。鉬（Molybdenum）碳化作用劑，防止鋼材變脆，在高溫時(shí)保持鋼材的強(qiáng)度，出現(xiàn)在很多鋼材中，空氣硬化鋼（例如A-2,ATS-34）總是包含1%或者更多的鉬,這樣它們才能在空氣中變硬。鎳（Nickle）保持強(qiáng)度、抗腐蝕性、和韌性。出現(xiàn)在L-6\AUS-6和AUS-8中。硅（Silicon）有助于增強(qiáng)強(qiáng)度。和錳一樣，硅在鋼的生產(chǎn)過程中用于保持鋼材的強(qiáng)度。鎢（Tungsten）增強(qiáng)抗磨損性。將鎢和適當(dāng)比例的鉻或錳混合用于制造高速鋼。在高速鋼M-2中就含有大量的鎢。釩（Vanadium）增強(qiáng)抗磨損能力和延展性。一種釩的碳化物用于制造條紋鋼。在許多種鋼材中都含有釩，其中M-2，Vascowear，CPMT440V和420VA含有大量的釩。而BG-42與ATS-34最大的不同就是前者含有釩指含碳量小于2％的鐵碳合金。根據(jù)成分不同，又可分為碳素鋼和合金鋼。根據(jù)性能和用途不同，又可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和特殊性能鋼。鋼的分類：按品質(zhì)分類(1)普通鋼（P≤0.045%，S≤0.050%）不銹鋼產(chǎn)品(2)優(yōu)質(zhì)鋼（P、S均≤0.035%）(3)高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼（P≤0.035%，S≤0.030%）按化學(xué)成份分類(1)碳素鋼：a.低碳鋼（C≤0.25%）；b.中碳鋼（0.25≤C≤0.60%）；c.高碳鋼（C≥0.60%）。(2)合金鋼：a.低合金鋼（合金元素總含量≤5%）b.中合金鋼（合金元素總含量＞5~10%）c.高合金鋼（合金元素總含量＞10%）。(3)灼燒可使鋼中的碳變?yōu)槎趸紦]發(fā)掉，灼燒后鋼樣品質(zhì)量會(huì)減輕。但灼燒后質(zhì)量會(huì)增多，原因：鋼中的鐵與氧結(jié)合生成四氧化三鐵，且含炭少于鐵按成形方法分類(1)鍛鋼；(2)鑄鋼；(3)熱軋鋼；(4)冷拉鋼。按金相組織分類(1)退火狀態(tài)的a.亞共析鋼（鐵素體+珠光體）b.共析鋼（珠光體）c.過共析鋼（珠光體+滲碳體）d.萊氏體鋼（珠光體+滲碳體）。(2)正火狀態(tài)的：a.珠光體鋼；b.貝氏體鋼；c.馬氏體鋼；d.奧氏體鋼。(3)無相變或部分發(fā)生相變的按用途分類(1)建筑及工程用鋼：a.普通碳素結(jié)構(gòu)鋼；b.低合金結(jié)構(gòu)鋼；c.鋼筋鋼。(2)結(jié)構(gòu)鋼a.機(jī)械制造用鋼：(a)調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼；(b)表面硬化結(jié)構(gòu)鋼：包括滲碳鋼、氨鋼、表面淬火用鋼；(c)易切結(jié)構(gòu)鋼；(d)冷塑性成形用鋼：包括冷沖壓用鋼、冷鐓用鋼。b.彈簧鋼c.軸承鋼(3)工具鋼：a.碳素工具鋼；b.合金工具鋼；c.高速工具鋼。(4)特殊性能鋼：a.不銹耐酸鋼b.耐熱鋼包括抗氧化鋼、熱強(qiáng)鋼、氣閥鋼c.電熱合金鋼；d.耐磨鋼；e.低溫用鋼；f.電工用鋼(5)專業(yè)用鋼——如橋梁用鋼、船舶用鋼、鍋爐用鋼、壓力容器用鋼、農(nóng)機(jī)用鋼等。綜合分類(1)普通鋼a.碳素結(jié)構(gòu)鋼：(a)Q195；(b)Q215(A、B)；(c)Q235(A、B、C)；(d)Q255(A、B)；(e)Q275。b.低合金結(jié)構(gòu)鋼c.特定用途的普通結(jié)構(gòu)鋼(2)優(yōu)質(zhì)鋼（包括高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼）a.結(jié)構(gòu)鋼：(a)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼；(b)合金結(jié)構(gòu)鋼；(c)彈簧鋼；(d)易切鋼；(e)軸承鋼；(f)特定用途優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼。b.工具鋼：(a)碳素工具鋼；(b)合金工具鋼；(c)高速工具鋼。c.特殊性能鋼：(a)不銹耐酸鋼；(b)耐熱鋼；(c)電熱合金鋼；(d)電工用鋼；(e)高錳耐磨鋼。按冶煉方法分類(1)按爐種分a.平爐鋼:(a)酸性平爐鋼；(b)堿性平爐鋼。b.轉(zhuǎn)爐鋼:(a)酸性轉(zhuǎn)爐鋼;(b)堿性轉(zhuǎn)爐鋼?；?a)底吹轉(zhuǎn)爐鋼;(b)側(cè)吹轉(zhuǎn)爐鋼；(c)頂吹轉(zhuǎn)爐鋼。c.電爐鋼:(a)電弧爐鋼；(b)電渣爐鋼；(c)感應(yīng)爐鋼；(d)真空自耗爐鋼；(e)電子束爐鋼。(2)按脫氧程度和澆注制度分a.沸騰鋼；b.半鎮(zhèn)靜鋼；鎮(zhèn)靜鋼；d.特殊鎮(zhèn)靜鋼。二、低合金鋼合金鋼分為低合金鋼、中合金鋼和高合金鋼，顧名思義，以含有合金元素的總量來加以區(qū)分，總量低于3%稱為低合金鋼，5～10%為中合金鋼，大于10%為高合金鋼。在國(guó)內(nèi)習(xí)慣上又將特殊質(zhì)量的碳素鋼和合金鋼稱為特殊鋼，全國(guó)31家特鋼企業(yè)專門生產(chǎn)這類鋼，如優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、合金工具鋼、高速工具鋼、碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼、軸承鋼、不銹鋼、耐熱鋼、電工鋼，還包括高溫合金、耐蝕合金和精密合金等。國(guó)外的低合金鋼，實(shí)際上是我們所熟悉的低合金高強(qiáng)度鋼，屬于特殊鋼范疇，在美國(guó)叫做高強(qiáng)度低合金鋼（HSLA—Steel），俄羅斯及東歐各國(guó)稱為低合金建筑鋼，日本命名為高張力鋼。而在國(guó)內(nèi)，首先是把低合金鋼劃入了普鋼范圍，概念上的區(qū)別導(dǎo)致在產(chǎn)品質(zhì)量上的差異。在名稱上也幾經(jīng)變化，如低合金建筑鋼、普通低合金鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼，至1994叫做低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼（GB/T1591—94）。到目前為止，從發(fā)表的資料文獻(xiàn)來看，低合金鋼的名稱仍然隨著國(guó)家、企業(yè)和作者而異。低合金鋼與碳素鋼、低合金鋼與合金鋼之間，明確劃出的概念是不存在的。在國(guó)外，50代曾給低合金鋼下過定義，總的意思是，凡是合金元素總量在3%以下，屈服強(qiáng)度在275Mpa以上，具有良好的可加工性和耐腐蝕性，以型、帶、板、管等鋼材形狀，在熱軋狀態(tài)直接使用的軟鋼的替代品。當(dāng)然，在技術(shù)發(fā)展進(jìn)程中，低合金鋼不論在合金含量、性能水平和交貨狀態(tài)，已經(jīng)有了很大的變化。在我國(guó)，低合金鋼是一個(gè)更加籠統(tǒng)的鋼類，鋼材品種不僅含有低合金焊接高強(qiáng)度鋼，還包容了低合金沖壓鋼、低合金耐腐蝕鋼、低合金耐磨損鋼、低合金低溫鋼、甚至還納入了低、中碳含量的低合金建筑鋼和中、高碳含量的低合金鐵道軌鋼。具有中國(guó)特色，但帶來的一個(gè)問題是缺乏與國(guó)外統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的可比性。Q345：Q345是一種鋼材的材質(zhì)。它是低合金鋼（C<0.2%)，廣泛應(yīng)用于橋梁、車輛、船舶、建筑、壓力容器等。Q代表的是這種材質(zhì)的屈服，后面的345，就是指這種材質(zhì)的屈服值，在345左右。并會(huì)隨著材質(zhì)的厚度的增加而使其屈服值減小。類同于Q235的命名方法：Q345A，Q345B，Q345C，Q345D，Q345E。這是等級(jí)的區(qū)分，所代表的，主要是沖擊的溫度有所不同而已！Q345A級(jí)，是不做沖擊;Q345B級(jí)，是20度常溫沖擊;Q345C級(jí)，是0度沖擊;Q345D級(jí)，是－20度沖擊;Q345E級(jí)，是－40度沖擊。在不同的沖擊溫度，沖擊的數(shù)值也有所不同。Q235普通碳素結(jié)構(gòu)鋼－普板，是一種鋼材的材質(zhì)。Q代表的是這種材質(zhì)的屈服度，后面的235，就是指這種材質(zhì)的屈服值，在235左右。并會(huì)隨著材質(zhì)的厚度的增加而使其屈服值減小。由于含碳適中，綜合性能較好，強(qiáng)度、塑性和焊接等性能得到較好配合，用途最廣泛。常軋制成盤條或圓鋼、方鋼、扁鋼、角鋼、工字鋼、槽鋼、窗框鋼等型鋼，中厚鋼板。大量應(yīng)用于建筑及工程結(jié)構(gòu)。用以制作鋼筋或建造廠房房架、高壓輸電鐵塔、橋梁、車輛、鍋爐、容器、船舶等，也大量用作對(duì)性能要求不太高的機(jī)械零件。C、D級(jí)鋼還可作某些專業(yè)用鋼使用。Q235與Q345的區(qū)別：1、Q235的屈服強(qiáng)度下限為235MPa，Q345的屈服強(qiáng)度下限為345MPa（Q的意義為漢字的"屈"字，后面的數(shù)值代表屈服強(qiáng)度下限）。2、二者合金含量不同：Q235為普通碳鋼，Q345為低合金鋼。Q235是碳素結(jié)構(gòu)鋼,與舊標(biāo)準(zhǔn)GB700-79牌號(hào)對(duì)照A3、C3。Q345是低合金結(jié)構(gòu)鋼，與舊標(biāo)準(zhǔn)1591-88牌號(hào)對(duì)照12MnV、16Mn16MnRE、18Nb、14MnNb3、性能和應(yīng)用，Q235--金屬結(jié)構(gòu)件，心部強(qiáng)度要求不高的滲碳或氰化零件，拉桿、連桿、吊鉤、車鉤、螺栓螺母、套筒、軸及焊接件。Q345--綜合力學(xué)性能良好，低溫性能亦可，塑性和焊接性良好，用做中低壓容器、油罐、車輛、起重機(jī)、礦山機(jī)械、電站、橋梁等承受動(dòng)荷的結(jié)構(gòu)、機(jī)械零件、建筑結(jié)構(gòu)、一般金屬結(jié)構(gòu)件，熱軋或正火狀態(tài)使用，可用于-40℃以上寒冷地區(qū)的各種結(jié)構(gòu)。低合金高強(qiáng)度鋼19世紀(jì)末，在低合金高強(qiáng)度鋼發(fā)展的初期，鋼種的合金設(shè)計(jì)只考慮抗拉強(qiáng)度。鋼中加入較高含量的Si、Mn、Ni、Cr等某一合金元素以改善某一方面的使用性能，但獲得高強(qiáng)度的主要手段仍然依賴于較高的含碳量。隨著鋼結(jié)構(gòu)由鉚接向焊接發(fā)展，為了提高鋼的抗脆斷性能，逐步向降低鋼中含碳量和復(fù)合合金化的方向變化。20世紀(jì)50代，為節(jié)約合金元素，曾采用熱處理的方法以獲得強(qiáng)度和韌性的良好匹配。60代，開始了稱之為微合金化和控制軋制生產(chǎn)的新階段，出現(xiàn)了一些新的鋼種。至70代，發(fā)展成熟的微珠光體鋼和無珠光體鋼、針狀鐵素體鋼、超低碳貝氏體鋼、熱軋雙相鋼以及低碳馬氏體鋼在油氣輸送管線、深井油管、汽車鋼板等領(lǐng)域中得到推廣應(yīng)用；在80代，這些鋼種在工程結(jié)構(gòu)材料中占有重要的地位。中國(guó)于1957開始研制低合金高強(qiáng)度鋼，結(jié)合中國(guó)的資源發(fā)展了Mn、Mn-V、Mn-Ti、Mn-Nb和Mn-Mo等一系列的鋼種，屈服強(qiáng)度為30～70kgf/mm2。低合金高強(qiáng)度鋼按其主要性能和用途，可分為高強(qiáng)度用鋼、低溫用鋼和耐蝕用鋼三類：高強(qiáng)度用鋼：這類鋼除高強(qiáng)度外還兼有優(yōu)良的低溫韌性，其主要特點(diǎn)和用途見表。這類鋼的產(chǎn)量在中國(guó)占低合金高強(qiáng)度鋼產(chǎn)量的80％以上，其中屈服強(qiáng)度35～40kgf/mm平方級(jí)的鋼種占大多數(shù),應(yīng)用最為廣泛的是16Mn鋼。低溫用鋼：它們屬于鐵素體型低溫用鋼。通過提高鋼的純凈度和降低鋼中磷、硫含量得到較低的韌性－脆性轉(zhuǎn)變溫度。這類鋼主要有09Mn2V（－70℃）、06MnNb(-90℃)、3.5％Ni(-100℃)和06AlNbCuN(-120℃)，用于制作低溫設(shè)備的零部件。耐蝕用鋼：這類鋼對(duì)大氣、海水、硫化氫等環(huán)境有一定程度的抗蝕能力,如10MnPNbRE鋼耐海洋大氣和海水腐蝕,用于船舶、板樁、井架；12MoAlV鋼適于制造煉油廠高溫硫化氫設(shè)備;10MoWVNb鋼在用于400℃氫、氮、氨高壓管方面效果較好。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼：是指在冶煉過程中增添一些合金元素，其總量不超過5％的鋼材。加入合金元素后鋼材強(qiáng)度可明顯提高，是鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定三個(gè)主要控制指標(biāo)都能充分發(fā)揮，尤其在大跨度或者重負(fù)荷結(jié)構(gòu)中有點(diǎn)更為突出，一般可比碳素結(jié)構(gòu)鋼節(jié)約20％左右用鋼量。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，分為8個(gè)牌號(hào)，Q295、Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690；由于質(zhì)量不同分為A、B、C、D、E等級(jí)。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)：《低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼》(GB/T1591－2019取代GB/T1591－94)Q460Q460是一種低合金高強(qiáng)度鋼。Q代表鋼材的強(qiáng)度，460代表460兆帕，兆是10的6次方，帕是壓強(qiáng)單位帕斯卡。Q460就是鋼材受力強(qiáng)度達(dá)到460兆帕?xí)r才會(huì)發(fā)生塑性變形，也就是當(dāng)外力泄掉后，鋼材只能保持受力的形狀而無法回復(fù)原形，這個(gè)強(qiáng)度要比一般鋼材大。Q460在保證低碳當(dāng)量的基礎(chǔ)上，適當(dāng)?shù)脑黾恿宋⒑辖鹪氐暮?。良好的焊接性能要求鋼材碳?dāng)量低，而微合金元素的增加在增加鋼材強(qiáng)度的同時(shí)，也會(huì)增加鋼材的碳當(dāng)量。但好在增加的碳當(dāng)量很少，所以不會(huì)影響鋼材的可焊性。汽車大梁板汽車大梁用熱軋鋼板(簡(jiǎn)稱為汽車大梁板)主要用來制造汽車的車架(見圖1)。換言之,大梁是車架的骨干,所有用來制造車架的熱軋板統(tǒng)稱為汽車大梁板。因此,汽車大梁板的綜合性能是影響汽車的質(zhì)量、重量、油耗等重要因素之一。ss400是日本鋼材的一種標(biāo)示方式，其實(shí)也就是國(guó)內(nèi)的Q235號(hào)鋼。國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)鋼常按抗拉強(qiáng)度來分類，如SS400(日本是這樣標(biāo)示的)，其中400即表示σb的最小值為400MPa超高強(qiáng)度鋼是指σb≥1373Mpa的鋼。SS400——第一個(gè)S表示鋼(Steel)，第二個(gè)S表示“結(jié)構(gòu)”（Structure），400為下限抗拉強(qiáng)度400MPa，整體表示抗拉強(qiáng)度為400MPa的普通結(jié)構(gòu)鋼。試樣拉伸時(shí)，在拉斷前所承受的最大負(fù)荷除以原橫截面積所得的應(yīng)力，稱作抗拉強(qiáng)度，用σb表示。當(dāng)材料所受的外應(yīng)力大于其抗拉強(qiáng)度時(shí)，將會(huì)發(fā)生斷裂。因此σb越高，則表示它能承受愈大的外應(yīng)力而不至于斷裂。SS400基本上等同與我國(guó)的Q235(相當(dāng)于Q235A用)。但在具體指標(biāo)上有所差異,Q235的對(duì)C、Si、Mn、S、P等元素的含量均作了要求，但SS400只要求S、P小于0.050。Q235的屈服點(diǎn)大于235MPa，而SS400屈服點(diǎn)為245MPa。SS400（steelforgeneralstructure）的意思就是抗拉強(qiáng)度大于400MPa的一般結(jié)構(gòu)用鋼。Q235的意思為屈服點(diǎn)大于235MPa的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。SS400的標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為JISG3101－1995。Q235的標(biāo)準(zhǔn)號(hào)為GB／T700－2019。在一般情況下，熱軋比冷軋的力學(xué)性能要好些，經(jīng)過熱處理的鋼材，它的抗拉，屈服強(qiáng)度，塑性，韌性都會(huì)有所提高，此外，我感覺很重要的一點(diǎn)，熱處理能消除殘余應(yīng)力，而冷軋可能會(huì)因?yàn)樵诩庸み^程中鋼材發(fā)生屈服的不均勻變形，會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，這個(gè)殘余應(yīng)力對(duì)穩(wěn)定性影響很大。熱軋和冷軋都是型鋼或鋼板成型的工序，它們對(duì)鋼材的組織和性能有很大的影響，鋼的軋制主要以熱軋為主，冷軋只用于生產(chǎn)小號(hào)型鋼和