《金屬學(xué)與熱處理》第六章 碳素鋼

第六章碳素鋼6.1雜質(zhì)元素對鋼性能的影響6.2碳素鋼的分類6.3碳素鋼的牌號及用途6.1雜質(zhì)元素對鋼性能的影響

一、錳的影響錳是煉鋼時用錳鐵脫氧后殘留在鋼中的雜質(zhì)元素。錳具有一定的脫氧能力，能把鋼中的Fe0還原成鐵，改善鋼的質(zhì)量。脫氧后殘留在鋼中的錳大部分可溶于鐵素體中，形成置換固溶體，使鋼的強度和硬度提高。此外，錳能與硫形成MnS，從而減輕硫?qū)︿摰奈：?，降低鋼的脆性，改善鋼的熱加工性能。所以錳也是鋼中的有益元素。鋼中錳的含量一般為0.25%~0.80%。

二、硫的影響硫是在煉鋼時由礦石和燃料帶人鋼中的有害元素，它在鋼中與鐵生成化合物FeS。FeS與鐵形成共晶體(Fe+FeS)，其熔點較低(985℃)，當鋼材加熱到1000℃~1200℃進行軋制或鍛造時，沿晶界分布的Fe+FeS共晶體已經(jīng)熔化，各晶粒間的連接被破壞，導(dǎo)致鋼材開裂，這種現(xiàn)象稱為熱脆。下一頁返回6.1雜質(zhì)元素對鋼性能的影響因此，鋼的含硫量不得超過0.05%。鋼中加人錳，可消除硫的有害影響。因為硫和錳的親和力較硫和鐵的親和力強，錳能從FeS中奪走硫而形成MnS。MnS的熔點高(1620℃)，在鋼材軋制時不熔化，故能有效地避免鋼的熱脆性。因此鋼中錳、硫含量常有固定比。但在易切削鋼中，可適當提高硫的含量，其目的在于提高鋼材的可加工性。此外，硫?qū)︿摰暮附有杂胁涣嫉挠绊?，容易使焊縫產(chǎn)生熱裂，產(chǎn)生氣孔和疏松。

三、硅的影響硅是煉鋼后期以硅鐵作脫氧劑進行脫氧反應(yīng)后殘留在鋼中的元素。硅的脫氧作用比錳要強，可以防止形成Fe0，改善鋼的質(zhì)量。硅能溶于鐵素體，形成含硅鐵素體，可提高鋼的強度、硬度和彈性，但會降低鋼的塑性和韌性。總的來說，硅是鋼中的有益元素。由于其含量小，故其強化作用不大。鋼中的硅，在碳素鎮(zhèn)靜鋼中一般控制在0.17%~0.37%。

上一頁下一頁返回6.1雜質(zhì)元素對鋼性能的影響四、磷的影響磷是由生鐵帶人的有害元素。磷部分溶解在鐵素體中形成固溶體，部分在結(jié)晶時形成脆性很大的化合物(Fe3P)，使鋼在室溫下(一般為100℃以下)的塑性和韌性急劇下降，產(chǎn)生低溫脆性，這種現(xiàn)象稱為冷脆。一般鋼中含磷量達到0.10%時，冷脆性就很嚴重了。磷在結(jié)晶時還容易偏析，從而在局部地方發(fā)生冷脆。一般鋼中含磷量限制在0.04%以下，應(yīng)嚴格控制磷的含量。但在易切削鋼中，常適當?shù)靥岣吡椎暮?，以增加鋼的脆性，有利于在切削時形成斷裂切屑，從而提高切削效率和延長刀具壽命。這種易切削鋼主要用于在自動機床上加工生產(chǎn)量大、受力不大的零件。此外，鋼中加入適量的磷還可以提高鋼材的耐大氣腐蝕性。上一頁下一頁返回6.1雜質(zhì)元素對鋼性能的影響五、非金屬夾雜物的影響在煉鋼過程中，由于少量爐渣、耐火材料及冶煉中的反應(yīng)物可能進入鋼液中，從而形成非金屬夾雜物，如氧化物、硫化物、硅酸鹽、氮化物等。它們都會降低鋼的力學(xué)性能，特別是降低塑性、韌性及疲勞強度。嚴重時還會使鋼在熱加工與熱處理時產(chǎn)生裂紋，或使用時造成鋼突然脆斷。非金屬夾雜物也促使鋼形成熱加工纖維組織與帶狀組織，使鋼材具有各向異性。嚴重時橫向塑性僅為縱向的一半，并使鋼的沖擊韌度大為降低。因此，對重要用途的鋼，如彈簧鋼、滾動軸承鋼、滲碳鋼等，需要檢查非金屬夾雜物的數(shù)量、形狀、大小與分布情況，并按相應(yīng)的等級標準進行評定。此外，鋼在整個冶煉過程中，與空氣接觸，因而鋼液中會吸收一些氣體，如氮、氧、氫等。這些氣體對鋼的質(zhì)量會產(chǎn)生不良的影響。尤其是氫對鋼的危害很大，它使鋼變脆(稱氫脆)，也可使鋼產(chǎn)生微裂紋(稱白點)，嚴重影響鋼的力學(xué)性能，使鋼容易產(chǎn)生脆斷。上一頁返回6.2碳素鋼的分類

碳素鋼的分類方法很多，常用的分類方法有以下幾種。一、按鋼的含碳量分類

.低碳鋼:w(C)≤0.25%;.中碳鋼;0.25%<w(C)<0.60%;.高碳鋼:w(C)≥0.60%。二、按鋼的質(zhì)量分類根據(jù)鋼中有害元素硫、磷含量多少可分為:.普通鋼:w(S)≤0.050%，w(P)≤0.045%;.優(yōu)質(zhì)鋼:w(S)≤0.035%，w(P)≤0.035%;.高級優(yōu)質(zhì)鋼:w(S)≤0.025%，w(P)≤0.025%o三、按鋼的用途分類

.結(jié)構(gòu)鋼:主要用于制造各種機械零件和工程構(gòu)件，其含破量一般小于0.70%;下一頁返回6.2碳素鋼的分類

.工具鋼:主要用于制造各種刀具、模具和量具等，其含破量一般大于0.70%。四、按冶煉時脫氧程度的不同分類

1.沸騰鋼脫氧程度不完全的鋼，澆注時產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象。其特點是材料利用率高，成本低，組織不致密，力學(xué)性能較低。

2.鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度完全的鋼，澆注時鋼液鎮(zhèn)靜，沒有沸騰現(xiàn)象。其特點是組織致密，力學(xué)性能較高，質(zhì)量均勻，但成本較高，材料利用率低。

3.半鎮(zhèn)靜鋼脫氧程度介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間的鋼，生產(chǎn)過程較難控制，故使用量不大。

4.特殊鎮(zhèn)靜鋼采用特殊脫氧工藝冶煉的脫氧完全的鋼，其脫氧程度、質(zhì)量及性能比鎮(zhèn)靜鋼高。上一頁返回6.3碳素鋼的牌號及用途

碳素鋼的牌號采用化學(xué)元素符號、漢語拼音字母和阿拉伯數(shù)字相結(jié)合的方法來表示。稀土元素用RE表示。

一、碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號由代表屈服點的漢語拼音字母“Q”、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號和脫氧方法符號4個部分按順序組成。質(zhì)量等級符號用字母A,B,C,D表示，其中A級的硫，其磷含量最高，D級的硫，其磷含量最低。脫氧方法符號用F,b,Z,TZ表示，F(xiàn)是沸騰鋼;;b是半鎮(zhèn)靜鋼;;Z是鎮(zhèn)靜鋼;TZ是特殊鎮(zhèn)靜鋼。Z與TZ符號在鋼號組成表示方法中予以省略。例如Q235一A·F，為屈服點為235MPa的A級沸騰鋼。碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、化學(xué)成分、力學(xué)性能如表6-1所示。

碳素結(jié)構(gòu)鋼的雜質(zhì)和非金屬夾雜物較多，但冶煉容易，工藝性好，價格便宜，產(chǎn)量大，在性能上能滿足一般工程結(jié)構(gòu)及普通零件的要求，因而應(yīng)用普遍。下一頁返回6.3碳素鋼的牌號及用途碳素結(jié)構(gòu)鋼通常軋制成鋼板和各種型材(圓鋼、方鋼、扁鋼、角鋼、槽鋼、工字鋼、鋼筋等)，用于廠房、橋梁、船舶等建筑結(jié)構(gòu)或一些受力不大的機械零件(如鉚釘、螺釘、螺母等)。

二、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號用兩位數(shù)字表示，這兩位數(shù)字表示該鋼的平均含碳量的萬分數(shù)，例如45表示平均含碳量為0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼;08表示平均含碳量為0.08%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼根據(jù)鋼中含錳量的不同，分為普通含錳量鋼[(w(Mn)=0.35%~0.80%]和較高含錳量鋼[w(Mn)=0.7%~1.2%]兩組。較高含錳量鋼在牌號后面標出元素符號“Mn"。例如50Mn。若為沸騰鋼或為了適應(yīng)各種專門用途的某些專用鋼，則在牌號后面標出規(guī)定的符號，例如lOF指平均含碳量為0.10%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，沸騰鋼;20g指平均含碳量為0.20%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，鍋爐用鋼。上一頁下一頁返回6.3碳素鋼的牌號及用途

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、化學(xué)成分和力學(xué)性能見表6-2。

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼是按化學(xué)成分和力學(xué)性能供應(yīng)的，鋼中所含硫、磷及非金屬夾雜物量較少，常用來制造重要的機械零件，使用前一般都要經(jīng)過熱處理來改善力學(xué)性能。

三、碳素工具鋼碳素工具鋼的牌號以漢字“碳”的漢語拼音字母字頭“T"及后面的阿拉伯數(shù)字表示，其數(shù)字表示鋼中平均含碳量的千分數(shù)，例如T8表示平均含碳量為0.80%的碳素工具鋼。若為高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，則在牌號后面標以字母A，如T12A表示平均含碳量為1.2%的高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。碳素工具鋼的牌號、化學(xué)成分、力學(xué)性能和用途如表6-3所示。

碳素工具鋼是用于制造刀具、模具和量具的鋼。由于大多數(shù)工具都要求高硬度和高耐磨性，故碳素工具鋼含碳量均在0.70%以上，都是優(yōu)質(zhì)鋼或高級優(yōu)質(zhì)鋼。上一頁下一頁返回6.3碳素鋼的牌號及用途

各種牌號的碳素工具鋼經(jīng)淬火后的硬度相差不大，但是隨著含碳量的增加，未溶的二次滲碳體增多，鋼的耐磨性增加，韌性降低。因此，不同牌號的工具鋼用于制造不同使用要求的各類工具。T7,T8一般用于要求韌性稍高的工具，如沖頭、契子、簡單模具、木工工具等;T10用于要求中等韌性、高硬度的工具，如手用鋸條、絲錐、板牙等，也可用作要求不高的模具;T12具有高的硬度和耐磨性，但韌性低，用于制造量具、銼刀、鉆頭、刮刀等。高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼由于含雜質(zhì)和非金屬夾雜物少，適于制造重要的要求較高的工具。

四、鑄造碳鋼鑄造碳鋼的牌號是用“鑄鋼”兩漢字的漢語拼音字母字頭“ZG”后面加兩組數(shù)字組成:第一組數(shù)字代表屈服點，第二組數(shù)字代表抗拉強度值。如ZG270-500表示屈服點不小于270MPa、抗拉強度不小于500MPa的鑄造碳鋼。鑄造碳鋼的含碳量一般在0.20%~0.60%，如果含碳量過高，則塑性變差，而且鑄造時易產(chǎn)生裂紋。鑄造碳鋼的牌號、化學(xué)成分和力學(xué)性能如表6-4所示。上一頁下一頁返回6.3碳素鋼的牌號及用途

鑄造碳鋼一般用于制造形狀復(fù)雜、力學(xué)性能要求較高的機械零件。這些零件形狀復(fù)雜，很難用鍛造或機械加工的方法制造，又由于力學(xué)性能要求較高，不能用鑄鐵來鑄造。鑄造碳鋼廣泛用于制造重型機械的某些零件，如軋鋼機機架、水壓機橫梁、鍛錘和砧座等。不同牌號的鑄造碳鋼用于不同使用要求的零件。ZG200-400有良好的塑性、韌性和焊接性，用于受力不大、要求具有一定韌性的零件，如機座、變速箱體等;ZG230-450有一定的強度和較好的塑性、韌性，焊接性良好，切削性能尚可，用于受力不大、要求具有一定韌性的零件，如砧座、軸承蓋、外殼、閥體、底板等;ZG270-500有較高強度和較好塑性，鑄造性能良好，焊接性較差，切削性能良好，是用途較廣的鑄造碳鋼，用作軋鋼機機架、連桿、箱體、缸體、曲軸、軸承座等;ZG310-570強度和切削性能良好，塑性、韌性較差，用于負荷較高的零件，如大齒輪、缸體、制動輪、輥子等;ZG340-640有高的強度、硬度和耐磨性，切削性能中等，焊接性差，裂紋敏感性大，用做作齒輪、棘輪等。上一頁下一頁返回6.3碳素鋼的牌號及用途

五、易切削結(jié)構(gòu)鋼易切削結(jié)構(gòu)鋼的鋼號以“Y'，后面加數(shù)字來表示的，Y是“易”字漢語拼音首位字母，數(shù)字為鋼中平均含碳量的萬分之幾，如Y12鋼表示其平均含碳量為0.12%;錳的含量較高的易切削結(jié)構(gòu)鋼，應(yīng)在鋼號后附加Mn，如Y40Mn鋼等。易切削結(jié)構(gòu)鋼是鋼中加人一種或幾種元素，利用其本身或與其他元素形成一種對切削加工有利的夾雜物，來改善鋼材的可加工性。目前在易切削結(jié)構(gòu)鋼中常加人的元素是:硫(S),磷(P)、鉛(Pb)、鈣(Ca)、硒(Se),碲(Te)等。易切削結(jié)構(gòu)鋼適合在自動機床上進行高速切削制作通用機械零件，如Y45鋼適合于高速切削加工，與45鋼相比，生產(chǎn)效率提高一倍以上，節(jié)省工時，用來制造齒輪軸、花鍵軸等熱處理零件。這種鋼材不僅應(yīng)保證在高速切削條件下工件對刀具的磨損要小，而且還要求零件切削后其表面的粗糙度值要小。例如，為了提高可加工性，鋼中加人硫(0.18%~0.30%)，同時加人錳(0.6%~1.55%)，使鋼內(nèi)形成大量的MnS夾雜物。在切削時，這些夾雜物可起斷屑作用，從而減少動力損耗。上一頁下一頁返回6.3碳素鋼的牌號及用途另外，硫化物在切削過程中還有一定的潤滑作用，可以減小刀具與工件表面的摩擦，延長刀具的使用壽命。適當提高磷的含量，可以使鐵素體脆化，也能提高鋼材的切削性能。部分易切削結(jié)構(gòu)鋼的鋼號、化學(xué)成分和力學(xué)性能見表6-5。

目前，易切削結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造受力較小、不太重要的大批生產(chǎn)的標準件，如螺釘、螺母、墊圈、墊片，縫紉機、計算機和儀表零件等。此外，還用于制造炮彈的彈頭、炸彈殼等，使之在爆炸時碎裂成更多的彈片