金属材料与热处理 教学课件 作者 吴惠明 第5章碳素钢.ppt

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1、第5章碳素钢知识目标：了解钢中杂质元素对钢性能的影响掌握碳素钢常用的分类方法技能目标：掌握碳素钢牌号的表示方法根据用途正确选用碳素钢牌号碳素钢，简称碳钢。是指含碳量大于0.0218%，小于2.11%，且不含有特意加入合金元素的铁碳合金。碳素钢冶炼容易，价格便宜，工艺性能好，力学性能可满足一般工程构件、普通机械零件和工具的使用要求，故在机械制造、建筑、交通运输等许多行业中得到广泛的应用。生铁的冶炼钢的冶炼5.2碳素钢的分类5.1钢中杂质元素对碳素钢性能的影响5.3碳素钢的牌号、性能及用途第5章碳素钢5.1钢中杂质元素对碳素钢性能的影响5.1.1硅（S

2、i）硅是钢中的有益元素5.1.2锰（Mn）锰是钢中的有益元素5.1.3硫（S）硫是钢中的有害元素5.1.4磷（P）磷是钢中的有害元素5.1.5非金属夹杂物降低钢的力学性能5.1.6氮、氧、氢等气体存在于钢中，对钢的性能会造成严重危害5.1.1硅（Si）硅是钢中的有益元素硅来源于炼钢时使用的生铁和硅铁脱氧剂。硅具有较强脱氧作用，可有效地清除FeO，改善钢的质量；大部分硅能溶于铁素体，形成含硅铁素体并使之强化，从而提高钢了的强度、硬度和弹性，但降低钢的塑性和韧性；总的来说，硅可以提高钢了的强度、硬度和弹性，是钢中的有益元素。钢中的含硅量通常控制在≤0.5

3、%，在碳素镇静钢中一般控制在0.17%～0.37%之间。5.1.2锰（Mn）锰是钢中的有益元素。锰是炼钢时由生铁和锰铁脱氧剂带入而残留在钢中的杂质元素。锰具有较好的脱氧能力，能清除钢中的FeO，把钢中的FeO还原成铁，降低钢的脆性，改善钢的质量；锰能与硫形成MnS，从而减轻硫对钢的危害，改善钢的热加工性能。锰与FeO、硫的反应产物大部分进入炉渣被除去，而小部分残留在钢中形成非金属夹杂物。锰大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，使铁素体强化，其余部分的锰溶于Fe3C形成合金渗碳体。锰能使钢中珠光体的相对量增加并使之细化，从而使钢的强度和硬度提高。因此，一

4、般认为锰适量时，锰是一种有益元素。钢中锰的含量一般为0.25%～0.80%之间。5.1.3硫（S）硫是钢中的有害元素。硫是在炼钢时由生铁和燃料带入钢中的杂质元素，在固态下，硫在铁中的溶解度极小，主要以化合物FeS的形式存在于钢中。FeS能与铁形成低熔点共晶体（Fe+FeS），其熔点约为985℃，并分布在奥氏体晶界上。当钢材加热到1000～1200℃进行轧制或锻造等热加工时，晶界上的Fe+FeS共晶体已熔化，晶粒间结合被破坏，导致钢材在加工过程中沿晶界开裂，这种现象称为热脆性。5.1.3硫（S）硫不仅使钢产生热脆性，而且还会降低钢的强度和韧性。适当增加

5、钢中锰的含量，可减轻硫的有害作用，因为硫和锰的亲和力较硫和铁的亲和力强，锰能从FeS中夺走硫而形成高熔点的MnS（熔点1620℃），MnS呈粒状分布在奥氏体晶粒内，它在高温下不熔化且具有一定塑性，在钢材轧制时，故能有效地避免钢的热脆性。因此钢中锰、硫含量常有定比。MnS是非金属夹杂物，在轧制时会形成热加工纤维，使使钢的性能具有方向性。但在易切削钢中，可适当提高硫的含量，其目的在于提高钢材的可加工性。此外，硫对钢的焊接性有不良的影响，容易导致焊缝产生热裂，产生气孔和疏松。通常情况下硫是有害杂质元素，应严格控制其含量，一般不超过0.05%。5.1.4磷（

6、P）磷是由生铁带入的有害元素。磷能溶解于铁素体中形成固溶体，使铁素体强化，钢的强度、硬度有所提高。但是，在结晶时磷也可形成脆性很大的化合物（Fe3P），使钢在室温下（一般为100℃以下）的塑性和韧性急剧下降，这种脆化现象在低温时更为严重，这种现象称为冷脆。磷在结晶时还容易偏析，从而在局部地方发生冷脆。因此，磷是一种有害杂质元素，应严格控制它的含量，一般钢中含磷量＜0.04%。钢中的硫和磷是有害元素，应严格控制它们的含量。但是，在易切削钢中，常适当地提高硫、磷的含量，以增加钢的脆性，有利于在切削时形成断裂切屑，改善钢的切削加工性能，从而提高切削效率和延

7、长刀具寿命。此外，钢中加入适量的磷还可以提高钢材的耐大气腐蚀性。5.1.5非金属夹杂物在炼钢过程中，由于少量炉渣、耐火材料及冶炼中的反应物可能进入钢液中，从而在钢中形成非金属夹杂物，如氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物等。它们都会降低钢的力学性能，特别是降低塑性、韧性及疲劳强度。严重时还会使钢在热加工与热处理时产生裂纹，或使用时造成钢突然脆断。非金属夹杂物也促使钢形成热加工纤维组织与带状组织，使钢材具有各向异性。严重时横向塑性仅为纵向的一半，并使钢的冲击韧度大为降低。因此，对重要用途的钢，如弹簧钢、滚动轴承钢、渗碳钢等，需要检查非金属夹杂物的数量、形状、

8、大小与分布情况，并按相应的等级标准进行评定。5.1.6氮、氧、氢氮、氧、氢等气体存在于钢中，对钢的性能会造成