机械工业出版社 金属工艺学第三章 钢铁材料

第三章 钢铁材料 一、杂质元素对钢材性能的影响 二、非合金钢的分类、牌号及用途 四、低合金钢和合金钢的分类 五、铸铁的分类、牌号和用途 三、非合金元素在钢材中的作用 第一节　杂质元素对钢材性能的影响 实际生产中使用的非合金钢除含有碳元素之外,还含有少量的硅、锰、硫、磷、氢等元素。其中硅和锰是钢在冶炼过程中由于加入脱氧剂时残余下来的,而硫、磷、氢等则是从炼钢原料或大气中带入的。这些元素的存在对于钢的组织和性能都有一定的影响,它们通称为杂质元素。 一、硅对钢性能的影响 硅是作为脱氧剂带进钢中的。硅的脱氧作用比锰强,可防止钢中形成FeO,有利于改善钢的质量。此外,硅能溶于铁素体中,并使铁素体强化,提高钢的强度、硬度和弹性,但降低了钢的塑性和韧性。因此,总的来说,硅是钢中的有益元素。 二、锰对钢性能的影响 锰是炼钢时用锰铁脱氧后残留在钢中的杂质元素。锰具有一定的脱氧能力,能把钢中的FeO还原成铁,改善钢的质量。锰还可以与硫化合成MnS,以减轻硫的有害作用,降低钢的脆性,改善钢的热加工性能。锰能大部分溶解于铁素体中,形成置换固溶体,并使铁素体强化,提高钢的强度和硬度。总的来说,锰也是钢中的有益元素。 三、硫对钢性能的影响 硫是在炼钢时由矿石和燃料带进钢中的,在炼钢时难以除尽。总的来说,硫是钢中的有害杂质元素。在固态下硫不溶于铁,而以FeS的形式存在。FeS与Fe能形成低熔点的共晶体(Fe+FeS),其熔点为985℃,而且分布在晶界上。当钢材在1 000~1 200℃进行热压力加工时,由于共晶体熔化,导致钢在热加工时开裂。这种钢在高温时出现脆裂的现象,称为“热脆”。因此,钢中硫的质量分数必须严格控制,我国一般控制在0.050%以下。但在易切削钢中可适当地提高硫的质量分数,其目的在于提高钢材的切削加工性。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、气孔和疏松。 四、磷对钢性能的影响 磷是由矿石带入钢中的。一般来说,磷在钢中能全部溶于铁素体中,提高铁素体的强度和硬度。但在室温下磷却使钢的塑性和韧性急剧下降,产生低温脆性,这种现象称为“冷脆”。磷是有害元素,钢中磷的质量分数即使只有千分之几,也会因析出脆性金属化合物Fe3P而使钢的脆性增加,在低温时更为显著,因此,要限制磷的质量分数。但在易切削钢中也可适当地提高磷的质量分数,以脆化铁素体,改善钢材的切削加工性。此外,钢中加入适量的磷还可以提高钢材的耐大气腐蚀性能,尤其是在钢中含有适量的铜元素时,其耐大气腐蚀性能更为显著。 五、非金属夹杂物的影响 在炼钢过程中,由于少量炉渣、耐火材料及冶炼中的反应物融入钢液中,形成氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物等非金属夹杂物。非金属夹杂物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塑性的一半,并使钢的韧性大大降低。因此,对于弹簧钢、滚动轴承钢、渗碳钢等重要用途的钢,需要检查非金属夹杂物的数量、形状、大小与分布情况,并按相应的等级标准进行评定。 此外,钢在整个冶炼过程中,由于与空气接触,钢液中会吸收一些气体,如氮、氧、氢等。这些气体对钢的质量会产生不良的影响。尤其是氢对钢的危害很大,它使钢变脆(称氢脆),也可使钢产生微裂纹(称白点),严重影响钢的力学性能,使钢容易产生脆断。 第二节　非合金钢的分类、牌号及用途 一、非合金钢的分类 非合金钢分类方法有多种,常用的分类方法有以下几种。 1.按非合金钢的碳的质量分数分类 按碳的质量分数高低分类,非合金钢可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢三类(见表3-1)。 2.按非合金钢主要质量等级和主要性能或使用特性分类 按主要质量等级和主要性能或使用特性分类,非合金钢可分为:普通质量非合金钢、优质非合金钢和特殊质量非合金钢三类(见表3-2). 3.按非合金钢的用途分类 按非合金钢的用途分类,可分为碳素结构钢和碳素工具钢。 (1)碳素结构钢　碳素结构钢主要用于制造各种机械零件和工程结构件,其碳的质量分数一般都小于0.70%。此类钢常用于制造齿轮、轴、螺母、弹簧、连杆等机械零件,用于制作桥梁、船舶、建筑等工程结构件。 (2)碳素工具钢　碳素工具钢主要用于制造工具,如制作刃具、模具、量具等,其碳的质量分数一般都大于0.70%。 4.非合金钢的其他分类方法 非合金钢还可以从其他角度进行分类,例如,按专业分类,可分为:锅炉用钢、桥梁用钢、矿用钢等;按冶炼方法等进行分类,可分为:氧气转炉钢、电弧炉钢等。 二、普通质量非合金钢的牌号及用途 普通质量非合金钢中应用最多的是碳素结构钢,其牌号由屈服强度字母、屈服强度数值、质量等级符号、脱氧方法等四部分按顺序组成。质量等级分A、B