工程材料与热加工技术第5章工业用钢.ppt

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1、第5章工业用钢5.1杂质元素与合金元素在钢中的作用5.2钢的分类与牌号5.3结构钢——工程结构用钢5.4结构钢——机械结构用钢5.5工具钢5.6特殊性能钢知识窗——功能材料自测习题5.1杂质元素与合金元素在钢中的作用由于冶炼工艺的原因，钢中会残留一定量的硅、锰、硫、磷、非金属夹杂物及气体元素等，这些元素不是有意加入的，一般称作杂质元素。为使金属具有某些性能，特意要加入合金元素(包括超过规定含量的杂质元素)，钢中常用的合金元素有：锰(Mn)、硅(Si)、铜(Cu)、铬(Cr)、镍(Ni)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、锆(Z

2、r)、钴(Co)、铝(Al)、硼(B)、稀土元素(Re)等，有时硫、磷、氮等也称为合金元素。合金元素的含量根据性能要求而定，铬、镍、锰等有时可以超过10%，而硼的含量一般为0.0005%～0.0035%；实践中，常加入我国资源丰富的元素，如硅、锰、钼、钨、钒、硼及稀土元素等。5.1.1常存杂质元素对钢性能的影响1．锰的影响锰是炼钢过程中作为脱氧剂带入的，在碳素钢中锰的含量通常为0.25%～0.8%。锰在钢中大部分溶于铁素体，使铁素体固溶强化；小部分溶于渗碳体，形成合金渗碳体，提高其硬度；锰还能改变相图位置，增加并细化珠光体，从而提高钢的强度和硬度。

3、锰可与硫化合形成MnS，降低硫的有害作用。因此，一般认为，锰是钢中的有益元素。但Mn含量高时，可增加钢的过热倾向。2．硅的影响硅也是由炼钢过程带入的，在镇静钢(用铝、硅铁和锰铁脱氧的钢)中，硅含量为0.10%～0.40%；在沸腾钢(只用锰铁脱氧的钢)中，硅含量为0.03%～0.07%。硅能溶于铁素体，产生固溶强化，从而使钢的强度、硬度及弹性提高。硅是钢中的有益元素。3．硫的影响在钢中，硫很难溶于铁素体，主要以FeS(1190℃)的形态存在。FeS塑性差，使钢的脆性增大；FeS与Fe可形成低熔点(985℃)的共晶体分布在奥氏体晶界上。钢加热到1000

4、～1200℃进行压力加工时，晶界共晶体已经熔化，加工过程中就会沿晶界开裂，这种现象称为热脆性。因此，硫是钢中的有害元素，钢中的含硫量不超过0.05%。为了消除硫的有害作用，钢中必须加入一定量的锰。硫和锰的亲和力较强，易形成熔点高的MnS(1620℃)，呈粒状分布在晶粒内，避免形成FeS而产生热脆。4．磷的影响钢中的磷能全部溶于铁素体中，产生强烈的固溶强化，使钢的强度、硬度提高，但使钢在室温下的塑性、韧性急剧下降，使钢变脆，这种现象称为冷脆性，在低温时冷脆更为严重。因此，磷是钢中的有害元素。硫和磷是钢中的有害元素，在钢中应严加控制。但事物不是绝对的，

5、在易切削钢中，适当增加硫、磷的含量可以改善钢的切削加工性能，延长刀具的使用寿命。5.1.2合金元素在钢中的作用1．合金元素在钢中的存在形式1)固溶体合金元素在钢中能够溶于铁素体、奥氏体或马氏体中形成固溶体，产生固溶强化。合金元素溶于铁素体称为合金铁素体，合金铁素体产生固溶强化，P、Si、Mn的固溶强化效果最明显，能显著提高铁素体的强度和硬度；但当含量超过一定值后，铁素体的塑性急剧下降，因此，钢中这些元素应加以限制。铬和镍在一定范围内(wCr≤2%，wNi≤5%)时，不仅能够强化铁素体，而且钢的韧性也得到提高。2)金属化合物合金元素在钢中可以形成各种

6、金属化合物，其中和碳相互作用形成合金碳化物是最重要的。根据合金元素是否形成碳化物，将合金元素分为非碳化物形成元素和碳化物形成元素两大类。非碳化物形成元素主要包括Ni、Si、Cu、Al、Co等，一般形成固溶体。碳化物形成元素根据和碳亲合力的强弱分为弱碳化物形成元素、中强碳化物形成元素和强碳化物形成元素。Mn为弱碳化物形成元素，一般溶入渗碳体，形成合金渗碳体(Fe,Mn)3C；Cr、Mo、W等是中强碳化物形成元素，含量较少时倾向形成合金渗碳体，如(Fe,Cr)3C等，含量多时形成特殊碳化物，如Cr23C6、Cr7C3等；V、Nb、Zr、Ti是强碳化物形

7、成元素，只要钢中有碳存在，就会形成特殊碳化物，如VC、TiC等。碳化物一般具有硬而脆的特点，尤其是特殊碳化物具有高熔点、高硬度和高耐磨性。碳化物的种类、数量、形态、大小和分布直接影响钢的性能及热处理特点，属于钢中的主要强化相。例如，钢中弥散分布的特殊碳化物将显著增加钢的强度、硬度与耐磨性。某些钢中还形成非金属夹杂物，例如Al2O3、SiO2等；此外，钢中有些元素既难溶于铁，也不易形成化合物，以游离态存在，如Pb、Cu等。2．合金元素对Fe-Fe3C相图的影响1)合金元素对奥氏体相区的影响镍、钴、锰等合金元素的加入使奥氏体相区扩大，如图5-1(a)所

8、示；铬、钨、钼、钒、钛、硅等等合金元素的加入使奥氏体相区缩小，如图5-1(b)所示。图5-1合金元素对奥氏体相区的影响2)