第3章 金 属 材 料 金属材料是最重要的工程材料,工业上将金属及其合金分为两大类: 黑色金属--铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金); 有色金属--包括黑色金属以外的所有金属及其合金。 金属材料中95%为钢铁,钢铁的工程性能比较优越,价格便宜,是应用最多的工程金属材料。按化学成分分类,钢分为碳钢和合金钢两大类。 3.1 碳 钢 在工业上使用的钢铁材料中,碳钢占有重要的地位。铁碳合金中,碳质量分数大于0.02%、小于2.11%的合金称为钢,常用碳钢的碳质量分数一般都小于1.3%,其强度和韧性均较好。与合金钢相比,碳钢冶炼简便,加工容易,价格便宜,而且在一般情况下能满足使用性能的要求,故应用十分广泛。 3.1.1 碳钢的成分和分类1. 碳钢的成分 实际使用的碳钢,除Fe、C两个主要元素之外,还含有少量Mn、Si、S、P、H、O、N等非特意加入的杂质元素。它们对钢材性能和质量影响很大,必须严格控制在牌号规定的范围之内。 2. 碳钢的分类 碳钢主要有下列几种分类方法: (1) 按钢的碳质量分数分为低碳钢--w(C)≤0.25% 中碳钢--0.25%<w(C)≤0.6% 高碳钢--w(C)>0.6% (2) 按钢的质量分为普通碳素钢--w(S)≤0.055%; w(P)≤0.045% 优质碳素钢--w(S)≤0.040%; w(P)≤0.040% 高级优质碳素钢--w(S)≤0.030%; w(P)≤0.035% (3) 按钢的用途分为碳素结构钢--用于制造各种工程构件(如桥梁、船舶、建筑构件等) 和机器零件(如齿轮、轴、连杆等) 碳素工具钢--用于制造各种工具(如刃具、量具、模具等) (4) 按钢的冶炼方法分为平炉钢(用平炉冶炼) 转炉钢(用转炉冶炼)碱性转炉钢--冶炼时造碱性熔渣 酸性转炉钢--冶炼时造酸性熔渣 顶吹转炉钢--冶炼时吹氧 3.1.2 碳钢的牌号及用途1. 碳素结构钢 根据国家标准(GB 700-1988) ,碳素结构钢的牌号和化学成分如表3-1所示。这类钢主要保证机械性能,故其牌号体现其机械性能。符号用Q+数字表示,其中“Q”为屈服点“屈”字的汉语拼音字首,数字表示屈服强度的数值。例如,Q275表示屈服强度为275MPa。若牌号后面标注字母A、B、C、D,则表示钢材质量等级不同,即硫、磷质量分数不同。其中A级钢中硫、磷含量最高,D级钢中硫、磷含量最低。若在牌号后面还标注字母“F" 、 "b" 、 "Z" 、 "TZ”等,则表示钢在冶炼时采用的脱氧方法,反映了钢的脱氧程度。例如Q235A·F表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。表3-2和表3-3分别列出了碳素结构钢的机械性能及新旧GB 700标准牌号的对照。表3-1 碳素结构钢的牌号和化学成分(摘自GB/T 700-1988)牌 号等 级化学成分w/%CMnSiSP不大于脱氧方法Q1950.06~0.120.25~0.500.300.0500.045F,b,ZQ215AB0.09~0.150.25~0.550.300.0500.0450.045F,b,ZQ235A0.14~0.220.30~0.65B0.12~0.200.30~0.70C≤0.18D≤0.170.35~0.800.300.0500.0450.045F,b,Z0.0400.040Z0.0350.035TZQ255AB0.18~0.280.40~0.700.300.0500.0450.045F、b、ZQ2750.28~0.380.50~0.800.350.0500.045b、Z 说明: 1. Q235A, B级沸腾钢锰质量分数上限为0.60%. 2. "F”沸腾钢, "b”半镇静钢, "Z”镇静钢, "TZ”特殊镇静钢。 碳素结构钢的用途: Q195、Q215、Q235A、Q235B等钢塑性较好,有一定的强度。通常轧制成钢筋、钢板、钢管等,可用于桥梁、建筑物等构件,也可用作普通螺钉、螺帽、铆钉等。Q235C、Q235D可用于重要的焊接件。Q235、Q275强度较高,可轧制成型钢、钢板作构件用。 这类钢主要保证机械性能。一般情况下,在热轧状态使用,不再进行热处理。但对某些零件,也可以进行正火、调质、渗碳等处理,以提高其使用性能。表3-2 碳素结构钢的机械性能(摘自GB/T 700-1988)牌 号等 级拉 伸 试 验冲击试验屈服点σs/MPa钢材厚度(直径)/mm≤16>16 40>40 60>60 100>100 150>150不 小 于抗拉强 度σb/ MPa伸长率δ5/%钢材厚度(直径)/mm≤16>16 40>40 60>60 100>100 150>150不 小 于温度 /℃V形冲 击功(纵 向)/J不小于Q195(195)(185)315~3903332Q215AB215205195185175165335~4103130292827262027Q235ABCD235225215205195185375~460262524232221200-2027Q255AB255245235225215205410~5102423222120192027Q275275265255245235225490~610201918171615表3-3 新旧GB 700标准牌号对照GB 700-88GB 700-79Q195不分等级,化学成分和力学性能(抗拉强度、伸长率和冷弯)均需保证,但轧制薄板和盘条之类产品,力学性能的保证项目,根据产品特点和使用要求,可在有关标准中另行规定1号钢 Q195的化学成分与本标准1号钢的乙类钢B1同,力学性能(抗拉强度,伸长率和冷弯)与甲类钢A1同(A1的冷弯试验是附加保证条件), 1号钢没有特类钢Q215 A级 B级(做常温冲击试验, V形缺口)A2 C2Q235 A级(不做冲击试验) B级(做常温冲击试验, V形缺口) C级 D级(作为重要焊接结构用)A3 (附加保证常温冲击试验, U形缺口) C3 (附加保证常温或-20℃冲击试验, U形缺口) Q255 A级 B级 (做常温冲击试验, V形缺口)A4 C4 (附加保证冲击试验, U形缺口)Q275不分等级, 化学成分和力学性能均须保证C52. 优质碳素结构钢 优质碳素结构钢的钢号用平均碳质量分数的万分数的数字表示,例如,钢号“20”即表示碳质量分数为0.20%(万分之二十)的优质碳素结构钢。 若钢中锰的质量分数较高,则在钢号后加“Mn" ,如15Mn、45Mn等。 优质碳素结构钢的化学成分见表3-4. 表3-4 优质碳素结构钢的化学成分(摘自GB/T 699-1999) 牌 号化学成分w/%CMnSiCr其 他08F0.05~0.110.25~0.50≤0.03≤0.10w (Ni)不大于0.30100.07~0.130.35~0.650.17~0.37≤0.15w (Cu)不大于0.20200.17~0.230.35~0.650.17~0.37≤0.25w (S)不大于0.035350.32~0.390.50~0.800.17~0.37≤0.25w (P)不大于0.035400.37~0.440.50~0.800.17~0.37≤0.25450.42~0.500.50~0.800.17~0.37≤0.25500.47~0.550.50~0.800.17~0.37≤0.25600.57~0.650.50~0.800.17~0.37≤0.25650.62~0.700.50~0.800.17~0.37≤0.25 优质碳素结构钢的工程应用: 制造各种机器零件。 08F塑性好,可制造冷冲压零件。 10、20钢冷冲压性与焊接性能良好,可用作冲压件及焊接件,经过热处理(如渗碳)也可以制造轴、销等零件。 35、40、45、50钢经热处理后,可获得良好的综合机械性能,用来制造齿轮、轴类、套筒等零件。 60、65钢主要用来制造弹簧。 优质碳素结构钢使用前一般都要经过热处理。 实例1: 20钢制造自行车链条销钉。热轧材料机加工后进行920℃渗碳,水淬后180℃回火。表面硬度达60HRC,耐磨。 实例2: 45钢制造凸轮轴。热轧棒料模锻后进行正火,粗加工后调质处理,精加工后轴颈和凸轮进行表面淬火、低温回火。凸轮轴心部为回火索氏体,强韧性好。表面为回火马氏体,硬度为58HRC,耐磨性高。 实例3: 65钢制造弹簧。机加工成形后840℃加热淬火、500℃回火。组织为回火屈氏体,σs达800MPa,弹性好。 3. 碳素工具钢 碳素工具钢的碳质量分数在0.65%~1.35%之间,钢号用平均碳质量分数的千分数的数字表示,数字之前冠以“T" (“碳”的汉语拼音字头)。例如,T9表示碳质量分数为0.9%(即千分之九)的碳素工具钢。 碳素工具钢均为优质钢,若含硫、磷更低,为高级优质钢,则在钢号后面标注A字。例如,T12A表示碳质量分数为1.2%的高级优质碳素工具钢。 碳素工具钢的化学成分见表3-5. 碳素工具钢的工程应用: 制造各种刃具、量具、模具等。 T7、T8硬度高、韧性较高,可制造冲头、凿子、锤子等工具。 T9、T10、T11硬度高,韧性适中,可制造钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具等。表3-5 碳素工具钢的化学成分(摘自GB/T 1298-1986)钢组牌号化学成分w/%CMnSiSPT70.65~0.74≤0.40≤0.35≤0.030≤0.035T80.75~0.84≤0.40≤0.35≤0.030≤0.035T8Mn0.80~0.900.40~0.60≤0.35≤0.030≤0.035 优质T90.85~0.94≤0.40≤0.35≤0.030≤0.035T100.95~1.04≤0.40≤0.35≤0.030≤0.035T121.15~1.24≤0.40≤0.35≤0.030≤0.035T131.25~1.35≤0.40≤0.35≤0.030≤0.035T7A0.65~0.74≤0.40≤0.35≤0.020≤0.030T8A0.75~0.84≤0.40≤0.35≤0.020≤0.030T8MnA0.80~0.900.40~0.60≤0.35≤0.020≤0.030 高级优质T9A0.85~0.94≤0.40≤0.35≤0.020≤0.030T10A0.95~1.04≤0.40≤0.35≤0.020≤0.030T12A1.15~1.24≤0.40≤0.35≤0.020≤0.030T13A1.25~1.35≤0.40≤0.35≤0.020≤0.030 T12、T13硬度高,韧性较低,可制作锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。 碳素工具钢使用前都要进行热处理。 实例1: T11钢制造刨刀。T11钢正火、球化退火后加工成形为刨刀,760℃加热淬火后180℃回火,最后进行磨削加工。组织为回火马氏体+粒状二次渗碳体+残余奥氏体,硬度高达60HRC,耐磨。 实例2: T10钢制造冷冲模具。T10钢锻造后进行正火,球化退火后机加工,淬火、低温回火,最后进行磨削、抛光。硬度高,耐磨。 3.2 合 金 钢3.2.1 概论1. 合金钢的分类 合金钢的分类方法很多。例如按合金元素质量分数多少,可分为低合金钢(合金元素总质量分数低于5%) 、中合金钢(合金元素总质量分数为5%~10%)和高合金钢(合金元素总质量分数高于10%) 。按所含的主要合金元素,可分为铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢等。按小试样正火或铸造状态的组织,可分为珠光体钢、马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢和莱氏体钢等。我国常采用按用途来分类,可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢三大类。 2. 合金钢的编号 世界各国合金钢的编号方法不一样,附录2中给出了各国常用钢号的对照表。 钢的牌号应反映其主要成分和用途。我国合金钢是按碳质量分数、合金元素的种类和质量分数以及质量级别来编号的,十分简单明了。 在牌号首部用数字标明碳质量分数。为了标明用途,规定结构钢以万分之一为单位的数字(两位数)、工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字(一位数)来表示碳质量分数,而工具钢的碳质量分数超过1%时,碳质量分数不标出。用元素的化学符号表明钢中主要合金元素,质量分数由其后面的数字标明,平均质量分数少于1.5%时不标数,平均质量分数为1.5%~2.49%、2.5%~3.49%、……时,相应地标以2、3、……,如40Cr为结构钢,平均碳质量分数为0.40%,主要合金元素Cr的质量分数在1.5%以下。5CrMnMo为工具钢,平均碳质量分数为0.5%,主要合金元素Cr、Mn、Mo的质量分数均在1.5%以下。CrWMn钢也是工具钢,平均碳质量分数大于1.0%,含有Cr、Mo、W,其质量分数均低于1.5%. 专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明。例如,滚珠轴承钢在钢号前标以“G" . GCr15表示碳质量分数约1.0%、铬质量分数约1.5%(这是一个特例,铬质量分数以千分之一为单位的数字表示)的滚珠轴承钢。Y40Mn表示碳质量分数为0.4%、锰质量分数少于1.5%的易切削钢。 对于高级优质钢,则在钢的末尾加“A”表明,例如20Cr2Ni4A等。 少数特殊用途钢的编号方法有例外,例如属于特殊性能钢的耐热钢12Cr1MoV,其编号方法就与结构钢相同,但这种情况极少。 3.2.2 合金结构钢 合金结构钢用于制造重要工程结构和机器零件,是合金钢中用途最广、用量最大的一类钢。 1. 低合金高强度结构钢 (1) 用途 主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。用它来代替碳素结构钢,可大大减轻结构质量,节省钢材,保证使用可靠、耐久。 (2) 性能要求 ① 高强度 一般低合金高强度结构钢的屈服强度在300MPa以上,强度高才能减轻结构自重,节约钢材,降低费用。因此,在保证塑性和韧性的条件下,应尽量提高其强度。 ② 高韧性 为了避免发生脆断,同时使冷弯、焊接等工艺容易进行,要求伸长率为15%~20%,室温冲击韧度为600~800kJ/m2。对于大型焊接构件,因不可避免地存在各种缺陷(如焊接冷、热裂纹),还要求有较高的断裂韧性。 ③ 良好的冷成形性能和焊接性能 大型结构大都采用焊接制造,焊前往往要冷成形,而焊后又很难进行热处理,因此要求这类钢具有很好的冷成形性能和焊接性能。 ④ 低的冷脆转变温度 许多构件在低温下工作。为了避免低温脆断,低合金高强度结构钢应具有较低的韧-脆转变温度(即良好的低温韧性),以保证构件在较低的使用温度下,仍处在韧性状态。 ⑤ 良好的耐蚀性 许多构件在潮湿大气或海洋性气候条件下工作,而且用低合金高强度结构钢制造的构件的壁厚比碳钢构件小,所以要求有良好的抗大气、海水或土壤腐蚀的能力。 (3) 成分特点 ① 低碳 由于韧性、焊接性和冷成形性能的要求高,其碳质量分数一般不超过0.20%. ② 加入以锰为主的合金元素 我国的低合金高强度结构钢基本上不用贵重的Ni、Cr等元素,而以资源丰富的Mn为主要合金元素。锰除了产生较强的固溶强化效果外,因它大大降低奥氏体分解温度,细化了铁素体晶粒,并使珠光体片变细,消除了晶界上粗大的片状碳化物,提高了钢的强度和韧性。锰还使共析点的碳质量分数降低,从而与相同碳质量分数的碳钢相比,增加了珠光体的含量,提高了钢的强度。 ③ 加入铌、钛或钒等辅加元素 少量的铌、钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮化物,阻碍钢热轧时奥氏体晶粒的长大,有利于获得细小的铁素体晶粒;另外,热轧时部分固溶在奥氏体内,而冷却时弥散析出,可起到一定的强化作用,从而提高钢的强度和韧性。 此外,加入少量铜\和磷\,可提高抗腐蚀性能。加入少量稀土元素,可以脱硫、去气,使钢材净化,改善韧性和工艺性能。 (4) 常用钢种 常用低合金高强度结构钢的牌号、成分、机械性能及用途见表3-6. 较低强度级别的钢中,以Q345 (16Mn)最具代表性。该钢使用状态的组织为细晶粒的铁素体+珠光体,强度比普通碳素结构钢Q235高约20%~30%,耐大气腐蚀性能高20%~38%. 用它制造工程结构,重量可减轻20%~30%。低温性能较好。 Q420 (15MnVN)是中等级别强度钢中使用最多的钢种。钢中加入V、N后,生成钒的氮化物,可细化晶粒,又有析出强化的作用,强度有较大提高,而且韧性、焊接性及低温韧性也较好,广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶等大型结构。 强度级别超过500MPa后,铁素体+珠光体组织难以满足要求,发展了低碳贝氏体钢。加入Cr、Mo、Mn、B等元素,可阻碍奥氏体转变,使C曲线的珠光体转变区右移,而贝氏体转变区变化不大,有利于空冷条件下得到贝氏体组织,从而获得更高的强度,塑性,焊接性能也较好,多用于高压锅炉、高压容器等。 (5) 热处理特点 这类钢一般在热轧空冷状态下使用,不需要进行专门的热处理。在有特殊需要时,如为了改善焊接区性能,可进行一次正火处理。使用状态下的显微组织一般为铁素体+细珠光体(索氏体). 实例1: 武汉长江大桥使用碳素结构钢Q235 (A3)钢制造。我国自行设计和建造的南京长江大桥用强度较高的合金结构钢Q345(16Mn)钢制造。九江长江大桥则用强度更高的合金结构钢Q420(15MnVN)钢制造。 实例2: 北京奥运会主会场--国家体育场“鸟巢”钢结构所用钢材为Q460EZ235。屈服强度为460MPa。由我国自主创新研发生产。 2. 合金渗碳钢 (1) 用途 合金渗碳钢主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮,内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损,同时又承受较大的交变载荷,特别是冲击载荷。 (2) 性能要求 ① 表面渗碳层硬度高 以保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力,同时具有适当的塑性和韧性。 ② 心部具有高的韧性和足够高的强度 心部韧性不足时,在冲击载荷或过载作用下容易断裂;强度不足时,则较脆的渗碳层因缺乏足够的支撑而易碎裂、剥落。 ③ 有良好的热处理工艺性能 在较高的渗碳温度(900~950℃)下,奥氏体晶粒不易长大,并有良好的淬透性。 (3) 成分特点 ① 低碳 碳质量分数一般在0.10%~0.25%之间,以保证零件心部有足够的塑性和韧性。 ② 加入提高淬透性的合金元素 常加入Cr、Ni、Mn等,以提高经热处理后心部的强度和韧性。Cr还能细化碳化物、提高渗碳层的耐磨性,Ni则对渗碳层和心部的韧性非常有利。另外,微量硼也能显著提高淬透性。 ③ 加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素 主要加入少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等,形成稳定的合金碳化物。除了能阻止渗碳时奥氏体晶粒长大外,还能增加渗碳层硬度,提高耐磨性。 (4) 钢种及牌号 合金渗碳钢按其淬透性大小分为三类。常用钢种的牌号见表3-7. ① 低淬透性合金渗碳钢 典型钢种为20Cr。这类钢的淬透性低,心部强度较低,只适用于制造受冲击载荷较小的耐磨件,如小轴、活塞销、小齿轮等。 ② 中淬透性合金渗碳钢 典型钢种是20CrMnTi。这类钢有良好的机械性能和工艺性能,淬透性较高,过热敏感性较小,渗碳过渡层比较均匀,渗碳后可直接淬火,热处理变形较小。因此大量用于制造承受高速中载、要求抗冲击和耐磨损的零件,特别是汽车、拖拉机上的重要零件。为了节约铬,我国采用过20Mn2TiB、20MnVB等钢种,它们的缺点是淬透性不够稳定,热处理变形稍大且缺乏规律。