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钢的基本概念、分类及应用

浏览次数:168 更新时间:2018/3/27 14:22:02

  钢的基本概念:

  含碳量小于2%并含有某些其他元素的铁碳合金。钢具有强度高、韧性好、易于加工成形、原材料资源丰富、冶炼容易、价格便宜等优点,是应用最广泛的一种金属材料。

  中国在春秋末期(前476年以前)已出现人工锻炼的钢。到东汉时期已掌握了炼钢技术。钢的工业生产最早采用坩埚法,产量低、成本高,难于满足工业发展的需要。1856年,英国的H.贝塞麦发明了转炉炼钢法,1856~1864年,英国的K.W.西门子和法国的P.E.马丁发明了平炉炼钢法。1899年,法国的P.L.T.埃鲁发明了电弧炉炼钢法。20世纪50年代后,先后出现了真空除气、电渣重熔、钢包精炼、真空熔炼等精炼技术,使电炉钢的品质更好,各种新钢种也相继出现。钢是现代社会生产和生活所必需的基本材料,而钢和钢材的产量、品种、质量已作为衡量一个国家工业、农业、国防和科学技术现代化的一个重要标志。

  钢的组织和特性铁是钢的基本组成元素。铁在固态有两种晶体结构,一是体心立方结构(存在于两个温度范围内,912℃以上称α铁,1394℃以上称δ铁);另一是面心立方结构(存在于912~1394℃之间,称γ铁)。碳是钢中另一主要元素,对钢的组织和性能起重要作用,通常随着含碳量的增加,钢的强度增加、塑性下降。碳在钢中主要有两种存在形式,一是溶入铁中与铁形成固溶体(两种以上化学组分互相溶解而形成的均匀固相);另一是与铁形成铁碳化合物,称渗碳体(Fe3C),其硬度高、脆性大。碳溶于α铁中形成的固溶体称铁素体;溶于γ铁中形成的固溶体称奥氏体,其最大溶解度为2.11%。钢在冷却过程中,过饱和的奥氏体将发生分解,形成铁素体和渗碳体。铁素体和渗碳体组成的呈片状相间排列的混合物称珠光体。一般碳素钢在室温下的金相组织由铁素体、珠光体和渗碳体组成。

  在碳素钢基础上加入各种合金元素,可制成各种合金钢。加入不同的合金元素,可使合金钢具有耐热、耐腐蚀、耐磨、高强度等特殊性能。合金元素按其与碳的亲和力不同分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素;按其对钢的组织转变影响不同分为扩大奥氏体区元素和缩小奥氏体区元素。合金元素还影响铁碳相图中特征点位置、相变、碳的扩散及钢的淬透性等。除加入合金元素外,通过热处理工艺,也可改变钢的组织结构和性能,如提高钢的强度、增加韧性、获得良好的加工工艺性能等。

  钢的分类方法有多种。按冶炼方法分为平炉钢、转炉钢和电炉钢。平炉炼钢脱除硫、磷和氧的条件比转炉好,故平炉钢的品质优于转炉钢。转炉钢将空气直接吹入钢液中,以使碳、锰、硅等元素被氧化脱除。该法冶炼速度快、能耗少、成本低,所炼出的钢可满足工业上的一般应用。但转炉钢含氧、氮量高,品质较差,不能适应重要产品的要求。电弧炉炼钢脱除硫、磷和氧的条件好,合金成分调整容易,冶炼速度比平炉炼钢快,适于生产各种优质钢。按化学成分分为碳素钢和合金钢。按品质分为普通钢(磷≤0.045%、硫≤0.055%)、优质钢(磷、硫≤0.035%)和高级优质钢(磷、硫≤0.03%)。按用途分为结构钢,用以制造各种承力结构件和机械零件;工具钢,用以制造各种切削刀具、量具、模具和其他耐磨工具;特殊钢,包括耐热钢、耐磨钢、lehu vip、电工钢、低温钢、易切削钢等。按金相组织分为亚共析钢(铁素体加珠光体组织)、共析钢(珠光体组织)、过共析钢(碳化物加珠光体组织),或分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢和铁素体钢等。按供货方式又分为轧钢、锻钢和铸钢。钢的牌号实际应用中,各种类型的钢分别以各自的牌号来表示。钢的牌号命名,各国均有自己的规则和方法。中国国家标准采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。通常,用汉语拼音第一个字母表示钢的名称、用途、特性和工艺方法,如氧气转炉钢用Y,沸腾钢用F。普通碳素钢分甲、乙、特3种质量,分别用A、B、C表示,并以数字表示其含碳量;如AY2F、AY3F表示甲类氧气转炉沸腾钢,后者比前者含碳量高。优质碳素结构钢用数字或数字加元素符号表示,高级优质钢在数字后加A,数字表示其平均含碳量(以千分之几计);如20A表示平均含碳量0.2%的高级优质钢。碳素工具钢用字母T、数字(表示千分之几计的平均含碳量)和高级优质符号A表示,如T9A。合金钢用元素符号和阿拉伯数字表示,其含碳量放在最前边。合金结构钢的含碳量以万分之几计,lehu vip、耐热钢等以千分之几计。合金钢中的合金元素含量用元素符号后边的数字表示,含量小于1.5%的不予标出;如30CrMnSi表示平均含碳量为0.3%,合金元素含量均小于1.5%的合金结构钢,铸钢用汉语拼音符号ZG和数字表示,如ZG45,表示含碳量为0.45%的铸钢。


  lehu vip及其应用:

  耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢。又称不锈耐酸钢。实际应用中,常将耐弱腐蚀介质腐蚀的钢称为lehu vip,而将耐化学介质腐蚀的钢称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异,前者不一定耐化学介质腐蚀,而后者则一般均具有不锈性。lehu vip的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素。铬是使lehu vip获得耐蚀性的基本元素,当钢中含铬量达到12%左右时,铬与腐蚀介质中的氧作用,在钢表面形成一层很薄的氧化膜(自钝化膜),可阻止钢的基体进一步腐蚀。除铬外,常用的合金元素还有镍、钼、钛、铌、铜、氮等,以满足各种用途对lehu vip组织和性能的要求。lehu vip通常按基体组织分为:

  ①铁素体lehu vip。含铬12%~30%。其耐蚀性、韧性和可焊性随含铬量的增加而提高耐氯化物应力腐蚀性能优于其他种类lehu vip。

  ②奥氏体lehu vip。含铬大于18%,还含有8%左右的镍及少量钼、钛、氮等元素。综合性能好,可耐多种介质腐蚀。

  ③奥氏体;铁素体双相lehu vip。兼有奥氏体和铁素体lehu vip的优点,并具有超塑性。④马氏体lehu vip。强度高,但塑性和可焊性较差。


  碳素钢及其应用:

  含碳量小于1.35%,除铁、碳和限量以内的硅、锰、磷、硫等杂质外,不含其他合金元素的钢。碳素钢的性能主要取决于含碳量。含碳量增加,钢的强度、硬度升高,塑性、韧性和可焊性降低。与其他钢类相比,碳素钢使用最早,成本低,性能范围宽,用量最大。通常按含碳量分为低碳钢(碳含量为0.04%~0.25%)、中碳钢(碳含量为0.25%~0.6%)、高碳钢(碳含量为0.6%~1.35%)。按质量分为普通碳素钢,其有害杂质磷、硫含量均小于0.05%,包括甲类钢(A类钢,保证力学性能)、乙类钢(B类钢,保证化学成分)和特类钢(C类钢,保证力学性能和化学成分);优质碳素钢,有害杂质磷、硫含量均小于0.04%;高级优质碳素钢,有害杂质磷、硫含量小于0.03%。按用途又分为碳素结构钢和碳素工具钢,前者主要用于制造各种结构件和机器零件,一般属低碳钢和中碳钢;后者用于制造刀具、量具、模具等,一般属高碳钢。

  合金钢及其应用:

  在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金。根据添加元素的不同,并采取适当的加工工艺,可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。其中钒、钛、铌、锆等在钢中是强碳化物形成元素,只要有足够的碳,在适当条件下,就能形成各自的碳化物,当缺碳或在高温条件下,则以原子状态进入固溶体中;锰、铬、钨、钼为碳化物形成元素,其中一部分以原子状态进入固溶体中,另一部分形成置换式合金渗碳体;铝、铜、镍、钴、硅等是不形成碳化物元素,一般以原子状态存在于固溶体中。合金钢种类很多,通常按合金元素含量多少分为低合金钢(含量<5%),中合金钢(含量5%~10%),高合金钢(含量>10%);按质量分为优质合金钢、特质合金钢;按特性和用途又分为合金结构钢、lehu vip、耐酸钢、耐磨钢、耐热钢、合金工具钢、滚动轴承钢、合金弹簧钢和特殊性能钢(如软磁钢、永磁钢、无磁钢)等。


  工具钢及其应用:

  用于制造切削工具、量具、模具及抗高温软化弹簧、各类轴承和一些耐磨零件等的钢。通常分为碳素工具钢、合金工具钢和高速工具钢(见高速钢)。①碳素工具钢。简称碳工钢。为一种优质高碳钢(含碳0.65%~1.35%)。其特点是冷、热加工性能好,淬火后硬度为HRC66~67,耐磨性好,价格低廉,用途广,使用量约占全部工具钢的一半。但其淬透性、耐热性较差,一般只限制在200℃以下使用。②合金工具钢。在碳工钢中加入合金元素构成。合金元素的作用是提高钢的强度、硬度、韧性、耐热性和耐磨性,以满足不同的使用要求。合金工具钢按用途分为量具刃具钢、耐冲击工具钢和合金模具钢。后者包括冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢等(见模具钢)。量具刃具钢含碳量较高,含有少量的铬、钨、钒、硅和锰等合金元素,其淬透性好(淬火时形成深厚的淬硬层),耐磨性和热稳定性显著高于碳工钢,并具有一定的强度和冲击韧性。耐冲击工具钢含碳量0.35%~0.65%,主要合金元素是铬、钨和硅,热处理后的冲击韧性、疲劳强度和耐磨性均较高,故适于制造受冲击载荷大的工具。


  模具钢及其应用:

  用于制造各种类型模具的钢。按成分分为碳素钢和合金钢。按用途又分为:①冷作模具钢。用于制造冷冲模、冷挤压模、冷拉丝模、压弯模、滚丝模、冷成形模、搓丝板等。其硬度高,耐磨性和韧性好。常采用高碳工具钢,当模具尺寸大时,也采用高碳低合金钢。②热作模具钢。用于制造热锻模、热挤压模、精密铸造和金属压铸的铸型。由于模具都是在较高温度下工作,因此多采用合金钢,其高温性能、韧性和抗热疲劳性能好,等向性好。③塑料模具钢。用于制造塑料成型模。其工艺性能好,如热处理变形小,加工性、研磨性、抛光性能好,光洁度高,图案花纹刻蚀性好等。根据使用条件可采用碳素钢或合金钢。④基体钢。其化学成分相当于高速工具钢淬火后基体组织的化学成分,故而得名。用于制造工作温度在600~680℃的热模具和耐磨性要求高的冷模具。⑤无磁模具钢。用于制造磁性材料成型的模具。其硬度高、耐磨性好,在磁场中使用不会被磁化。


  高速钢及其应用:

  硬度高,耐磨性、耐热性好,并有适当的韧性的钢。高速工具钢的简称。主要用于制造高速切削工具,也可用于制造高温轴承、模具及一些要求高硬度、耐磨性好的机械零件等。高速钢的碳含量(0.70%~1.65%)和合金元素总含量(10%~25%)均较高。主要合金元素是钨、钼,此外还有铬、钒、钴、硅、铝、氮等。碳和合金元素以碳化物形态存在于钢组织中。随着含碳量的增加,钢的硬度增加。当碳含量达到平衡值(钢中的合金元素形成相应碳化物所需碳量)时,钢的淬火、回火硬度值最高。高速钢按用途分为普通高速钢和特种高速钢两种。前者硬度可达HRC63以上,综合性能好,广泛用于制造各类切削刀具。后者又分为高钒高速钢、粉末高速钢、含钴高速钢和超硬高速钢,主要用于制造难切削加工等特殊用途刀具。


  弹簧钢及其应用:

  用于制造各类弹簧和弹性元件的钢。有高的弹性极限和疲劳极限,足够的冲击韧性和塑性、良好的抗应力松弛性能以及一定的冷热成型性能。按化学成分分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢。前者含碳0.6%~0.8%,还含有少量的锰及其他合金元素,其强度高,加工性能好,但淬透性不高,仅适于制作小弹簧或性能要求不高的大弹簧。后者含碳0.4%~0.7%,合金元素含量不超过5%,其淬透性好(淬火时淬硬层深厚),综合力学性能优良,可制作截面尺寸大、性能要求高、工作温度高的弹簧。按生产方法又分为:①热轧弹簧钢。可制造截面尺寸较大的弹簧,如各种车辆的减振弹簧等。②冷轧弹簧钢。有冷轧钢带和冷拉钢丝,用以制造小型高精度弹簧,如钟表发条、仪表中的簧片等。其中冷拉钢丝又分为铅浴等温淬火钢丝、油淬火回火钢丝和退火态钢丝3种。