第七章 工业用钢

1. 第七章 工业用钢 金工教研室

2. 一、杂质和气体的影响 1.有益元素 • Si —有很强的固溶强化作用,能脱氧。 • Mn—脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。

3. 2.有害元素: • P—有很强的固溶强化作用,低温 韧性差 ( 冷脆)。 • S—能引起钢在热加工时或高温工作下开裂 ( 热裂)。

4. 钢中白点 3.气体元素: • N：钢中过饱和N在常温放置过程中会发生时 效脆化。加Ti、V、Al等元素可消除时效 倾向。 • O：钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源。 • H：原子态的过饱和氢时将降低韧性, 引起氢 脆。当氢在缺陷处以 分子态析出时，会产 生很高内压，形成微 裂纹，其内壁为白色， 称白点或发裂。

5. 沸腾钢 A等级 235 MPa 屈服强度 三、碳素钢的编号及用途 1.碳素结构钢: Q235—A·F

6. 2.优质碳素结构钢 *45 --- Wc = 45%00 *较高锰质量分数的优质碳素结构钢 45Mn --- Wc = 45%00 ; WMn = 0.7%～1.0%

7. 高级优质 Wc = 12%0 碳素工具钢 3.碳素工具钢 T 12A

8. σb≥ 400MPa σs≥ 200MPa 铸钢 4.铸造碳钢 ZG200 - 400

9. 由于碳钢具有较好的机械性能和工艺性能，并且产量大、价格较低，因此它是机械工程上应用十分广泛的金属材料。由于碳钢具有较好的机械性能和工艺性能，并且产量大、价格较低，因此它是机械工程上应用十分广泛的金属材料。 • 随着科学技术和工业的发展，对材料提出了更高的要求，如更高的强度，抗高温、高压、低温，耐腐蚀、磨损以及其它特殊物理、化学性能的要求，碳钢已不能完全满足要求。   

10. 碳钢在性能上的不足 • 淬透性低  一般情况下，碳钢水淬的最大淬透直径只有10mm-20mm。 • 强度和屈强比较低  如普通碳钢Q235钢的σs为235MPa，而低合金结构钢16Mn的σs则为360MPa以上。40钢的σs /σb仅为0.43, 而合金钢35CrNi3Mo的σs /σb高达0.74。

11. 碳钢在性能上的不足 • 回火稳定性差 碳钢在进行调质处理时，为了保证较高的强度需采用较低的回火温度，这样钢的韧性就偏低；为了保证较好的韧性，采用高的回火温度时强度又偏低，所以碳钢的综合机械性能水平不高。 • 不能满足特殊性能的要求 碳钢在抗氧化、耐蚀、耐热、耐低温、耐磨损以及特殊电磁性等方面往往较差，不能满足特殊使用性能的需求。

12. 碳钢不能完全满足科学技术和工业的发展要求。 为了提高钢的性能，在铁碳合金中特意加入合金元素所获得的钢种，称为合金钢。 • 合金钢有较好的性能，但也有不少缺点。最主要的是由于含有合金元素，其生产和加工工艺比碳钢差，也比较复杂，价格也较昂贵。因此，在应用碳钢能够满足要求时，一般不使用合金钢。

13. 合金钢的分类 按合金元素含量多少，分为 •       低合金钢（合金元素总量低于5%） •       中合金钢（合金元素总量为5%-10%） •       高合金钢（合金元素总量高于10%）

14. 合金钢的分类 按用途分类 •   合金结构钢 •   合金工具钢 •   特殊性能钢

15. 合金钢的分类 按所含的主要合金元素，分为 • 铬钢（Cr-Fe-C) • 铬镍钢（Cr-Ni-Fe-C) • 锰钢（Mn-Fe-C) • 硅锰钢（Si-Mn-Fe-C)

16. 合金钢的分类 按小试样正火或铸态组织，分为 • 珠光体钢 •       马氏体钢 •       铁素体钢 •       奥氏体钢 •       莱氏体

17. 钢中常用的合金元素 • Ni、Co、Si、Al、N、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Re。 • 结合中国国情，树立具有中国特色的合金化思想。

18. 合金钢的性能比碳钢优良，原因是加入合金元素后，钢的基本组元铁和碳与加入的合金元素会发生交互作用，钢的合金化目的就是希望利用合金元素与改善钢的组织和性能。 合金钢的性能比碳钢优良，原因是加入合金元素后，钢的基本组元铁和碳与加入的合金元素会发生交互作用，钢的合金化目的就是希望利用合金元素与改善钢的组织和性能。 

19. 第一节 合金元素在钢中的作用 • 合金元素与铁、碳的作用 • 合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。 • 合金元素对钢的热处理的影响。

20. 合金元素的存在形式 • 合金元素在钢中可以两种形式存在：一是溶解于碳钢原有的相中，另一种是形成某些碳钢中所没有的新相，在高合金钢中还可能形成金属间化合物 。

21. 合金元素与铁的作用 • 几乎所有的合金元素（除Pb外）都可溶入铁中, 形成合金铁素体或合金奥氏体； • 合金元素可溶于铁素体中，由于与铁的晶格类型和原子半径不同而造成晶格畸变；另外合金元素易分布于位错线附近，对位错线的移动起牵制作用，降低位错的易动性，从而提高塑变抗力，产生固溶强化效果。

22. 1.溶于基体中形成合金F或合金A

23. 1.溶于基体中形成合金F或合金A

24. 合金元素与碳的作用 • 在一般的合金化理论中，按与碳亲合力的大小，可将合金元素分为碳化物形成元素与非碳化物形成元素两大类。1、非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B；2、碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr。　　

25. 强 弱 Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr • 弱碳化物元素: Fe、Mn。 • 中强碳化物元素: Cr、Mo、W。 • 强碳化物元素: V、Ti、Nb、Zr。

26. 碳化物形成元素在周期表中都是位于铁元素的左边的过渡族金属元素,它们都有一个未填满的d电子亚层,当形成碳化物时,碳原子首先将其价电子填入金属原子未填满的d电子亚层,使形成的碳化物具有金属键结合的性质,金属原子的d电子亚层愈不满(周期表中,在铁左边离铁愈远),则其与碳的亲和力愈强,形成碳化物的能力愈大,愈碳化物形成元素在周期表中都是位于铁元素的左边的过渡族金属元素,它们都有一个未填满的d电子亚层,当形成碳化物时,碳原子首先将其价电子填入金属原子未填满的d电子亚层,使形成的碳化物具有金属键结合的性质,金属原子的d电子亚层愈不满(周期表中,在铁左边离铁愈远),则其与碳的亲和力愈强,形成碳化物的能力愈大,愈 稳定,而且不易分解。

27. 碳化物形成元素中，有些元素（如Mn）与碳的亲合力较弱，除少量可溶于渗碳体中形成合金渗碳体外，大部分仍溶于铁素体或奥氏体中。碳化物形成元素中，有些元素（如Mn）与碳的亲合力较弱，除少量可溶于渗碳体中形成合金渗碳体外，大部分仍溶于铁素体或奥氏体中。 • 而与碳亲和力较强的一些碳化物形成元素（如Cr、Mo、W等），当其含量较少时，多半溶于渗碳体中，形成合金渗碳体；当含量较高时，则可能形成新的特殊的合金碳化物。 • 与碳亲合力很强的碳化物形成元素（如Nb、Ti、Zr等），几乎总是与碳形成特殊的碳化物。

28. 3.单独形成特殊碳化物 • 熔点、硬度、耐磨性最高。 • 稳定性最高。 TiC、NbC、VC。

29. 合金元素与碳的作用 • 碳化物是钢中的重要相之一，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。 • 当钢中合金元素含量超过一定限度时，可以生成一些碳钢中没有的新相。其中最重要的是由强碳化物形成元素生成的各种合金碳化物（如W2C、VC、TiC等）。它们熔点高、硬度高，加热时很难溶于奥氏体中，因此对钢的机械性能及工艺性能有很大影响。

30. 合金元素与碳的作用 • 合金渗碳体是渗碳体中一部分铁被碳化物形成元素置换后所得到的产物，其晶体结构与渗碳体相同，可表达为(Fe，Me)3C（Me代表合金元素）。 • 渗碳体中溶入碳化物形成元素后，硬度有明显增加，因而可提高钢的耐磨性。同时它们在加热时也较难溶于奥氏体中，因此热处理时加热温度应该高一些。

31. 合金元素与碳的作用 • 所有与碳亲和力弱的非碳化物形成元素，如镍、硅、铝、钴等，由于不能形成碳化物，除了极少数高合金钢中可形成金属间化合物外，几乎都溶解在铁素体或奥氏体中。

32. 三)合金元素对Fe-Fe3C相图的影响 • 扩大奥氏体区 • 缩小奥氏体区 • 改变共晶点和共析点的参数

33. 合金元素对A、F相区的影响 • 加入合金元素，可使α与γ存在范围发生变化。按照对α或γ的作用，可将合金元素分为两大类。

34. 1.扩大奥氏体区的合金元素 • 扩大奥氏体区域的元素有镍、锰、碳、氮等，这些元素使A1和A3温度降低，使S点、E点向左下方移动，从而使奥氏体区域扩大。 • 其中与γ－Fe无限互溶的元素镍或锰的含量较多时，可使钢在室温下以奥氏体单相存在而成为一种奥氏体钢。如Ni%>9%的不锈钢和Mn%>13%的ZGMn13耐磨钢均属奥氏体钢。

35. Mn 元素对奥氏体区的影响

36. 合金元素对A、F相区的影响 • 缩小奥氏体区的元素缩小奥氏体区的元素有铬、钼、硅、钨等，使A1和A3温度升高，使S点、E点向左上方移动，从而使奥氏体区域缩小。由于A1和A3温度升高了，这类钢的淬火温度也相应地提高了。

37. Cr元素对奥氏体区的影响

38. 合金元素对A、F相区的影响 • 当加入的元素超过一定含量后，则奥氏体可能完全消失，此时，钢在包括室温在内的广大温度范围内获得单相铁素体，通常称之为铁素体钢。如含17%～28%Cr的Cr17、Cr25、Cr28不锈钢就是铁素体不锈钢。

39. 3.改变共晶点和共析点参数的元素 • 几乎所有的合金元素。 • 作用: 使S点和E点的成分向左移。 使A1线的温度变化。

40. 合金元素对 S 点成分的影响

41. 合金元素对A1线的影响

42. 对Fe-Fe3C相图临界点(S和E点)的影响 • 同时由于S点的左移，使共析成分降低，与同样含碳量的亚共析钢相比，组织中的珠光体数量增加，而使钢得到强化。 • 由于E点的左移，又会使发生共晶转变的含碳量降低，在C%较低时，使钢具有莱氏体组织。如在高速钢中，虽然含碳量只有0.7~0.8%,但是由于E点的左移,在铸态下会得到莱氏体组织, 成为莱氏体钢。

43. 合金元素对热处理的影响 • 热处理有三个过程： 加热、保温和冷却； 合金元素对热处理的影响就是对上述三个过程的影响；

44. 1 ．合金元素对加热转变的影响 • 对奥氏体形成速度的影响 1、大多数合金元素会减缓奥氏体化过程，而Co、Ni等部分非碳化物使奥氏体的形成速度加快。 2、 Al、Si、Mn等对奥氏体形成速度影响不大。

45. 1 ．合金元素对加热转变的影响 • 对奥氏体晶粒大小的影响 1、强碳化物形成元素Mo、W、V、Ti等抑制奥氏体晶粒长大；其中以钛的作用最强。 2、非碳化物形成元素Si、Co、Ni等阻止奥氏体晶粒长大的作用减弱。 3、Mn、P具有促进奥氏体晶粒长大的倾向。

46. 2．合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响 • 除Co外, 几乎所有合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性, 推迟珠光体类型组织的转变, 使C曲线右移, 即提高钢的淬透性。 • 常用提高淬透性的元素有：Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等。

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48. 2．合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响 • 必须指出, 加入的合金元素, 只有完全溶于奥氏体时, 才能提高淬透性。如果未完全溶解, 则碳化物会成为珠光体的核心, 反而降低钢的淬透性。另外, 两种或多种合金元素的同时加入(如, 铬锰钢、铬镍钢等), 比单个元素对淬透性的影响要强得多。

49. 2．合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响 • 除Co、Al外, 多数合金元素都使Ms和Mf点下降。其作用大小的次序是：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。其中Mn的作用最强, Si实际上无影响。 • Ms和Mf点的下降, 使淬火后钢中残余奥氏体量增多。残余奥氏体量过多时,可进行冷处理(冷至Mf点以下), 以使其转变为马氏体; 或进行多次回火, 这时残余奥氏体因析出合金碳化物会使Ms、Mf点上升, 并在冷却过程中转变为马氏体或贝氏体(即发生所谓二次淬火)。

50. 3.合金元素对回火转变的影响 • 回火抗力的增加 • 二次硬化的产生 • 产生回火脆性