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，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量工具，按用途可分為刃具鋼、模具鋼和量具鋼。 特殊場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 鋼的編號鋼的編號 我國的鋼材編號是采用國際化學(xué)符號、數(shù)字及漢語拼音字母并用的原則，即鋼中的合金元素用元素符號表示，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拼音字母

5、表示，見表9-1。我國的鋼材具體編號方法如下：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)量等級符號（A，B，C，D）及脫氧方法符號（F，b，Z，TZ）等四部分按順序組成。表表91 常用鋼號中漢語拼音字符及其意義常用鋼號中漢語拼音字符及其意義 例如，Q235-F，表示屈服強(qiáng)度為235MPa的沸騰鋼。 質(zhì)量等級符號表示普碳鋼中雜質(zhì)P、S含量的高低，C，D級的含量最低，質(zhì)量好。 脫氧方法符號從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），后兩種鋼牌號中的脫氧方法符號可

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） 該類鋼的鋼號由“數(shù)字+（元素符號+數(shù)字）+（元素符號+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，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45，表示平均含碳量為0.45%的鋼。 對含錳量較高的鋼，須將錳元素標(biāo)出。 例如，鋼號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后標(biāo)以“Mn”。 若為高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼則在鋼號末端加“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，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，其鋼號中一般不標(biāo)出含碳量，僅標(biāo)出合金元素符號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)是使用時不作相對運(yùn)動，長期承受靜載作用，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，350MPa級，400MPa級，450MPa級，500MPa級和650MPa級六個級， 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)際只相對多加了0.50.8%）時，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常常要受到各種各樣的動靜載荷的作用. 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