铁碳合金相图详解

37 第三章 铁碳合金相图 非合金钢 GB T 13304 91 将钢分为非合金钢 低合金钢和合金钢三大类 和铸铁 是应用极其广泛的重要金属材料 都是以铁为基主要由铁和碳组成的铁碳合金 了解铁碳 合金成分与组织 性能的关系 有助于我们更好地研究和使用钢铁材料 本章将着重讨论 铁碳相图及其应用方面的一些问题 铁与碳可以形成一系列化合物 等 的含碳量为 6 69 CFe32FeC3 铁碳合金含碳量超过 6 69 脆性很大 没有实用价值 所以本章讨论的铁碳相图 实际 是 相图 相图的两个组元是 和 FeC3 3 3 1 系合金的组元与基本相e3 3 l l 组元 纯铁 是过渡族元素 1 个大气压下的熔点为 1538 20 时的密度为Fe 纯铁在不同的温度区间有不同的晶体结构 同素异构转变 即 2 mkg3107 8 体心 面心 体心 Fe Fe 工业纯铁的力学性能大致如下 抗拉强度 180 230 屈服强度 100 170b MPa2 0 伸长率 30 50 硬度为 50 80 MPa HBS 可见 纯铁强度低 硬度低 塑性好 很少做结构材料 由于有高的磁导率 主要作 为电工材料用于各种铁芯 是铁和碳形成的间隙化合物 晶体结构十分复杂 通常称渗碳体 可CFe33 用符号 表示 具有很高的硬度但很脆 硬度约为 950 1050 抗拉强度me HV 30 伸长率 b Pa0 3 1 2 基本相 相图中除了高温时存在的液相 和化合物相 外 还有碳溶于铁形成的e3 LCFe3 几种间隙固溶体相 高温铁素体 碳溶于 的间隙固溶体 体心立方晶格 用符号 表示 Fe 铁素体 碳溶于 的间隙固溶体 体心立方晶格 用符号 或 表示 中碳 F 的固溶度极小 室温时约为 0 0008 600 时约为 0 0057 在 727 时溶碳量最大 约 为 0 0218 但也不大 在后续的计算中 如果无特殊要求可忽略不计 力学性能与工业 纯铁相当 奥氏体 碳溶于 的间隙固溶体 面心立方晶格 用符号 或 表示 奥氏体 e A 中碳的固溶度较大 在 1148 时最大达 2 11 奥氏体强度较低 硬度不高 易于塑性变 形 3 2 相图FeC3 3 2 1 相图中各点的温度 含碳量及含义FeC3 38 相图及相图中各点的温度 含碳量等见图 3 1 及表 3 1 所示 FeC3 图 3 1 及表 3 1 中代表符号属通用 一般不随意改变 C 重量 图 3 1 相图FeC3 表 3 1 相图中各点的温度 含碳量及含义 符号 温度 含碳量 质量 含 义 A B C D E F G H J K N P S Q 1538 1495 1148 1227 1148 1148 912 1495 1495 727 1394 727 727 600 室温 0 0 53 4 30 6 69 2 11 6 69 0 0 09 0 17 6 69 0 0 0218 0 77 0 0057 0 0008 纯铁的熔点 包晶转变时液态合金的成分 共晶点 Fe3C 的熔点 碳在 Fe 中的最大溶解度 Fe3C 的成分 Fe Fe 同素异构转变点 碳在 Fe 中的最大溶解度 包晶点 Fe3C 的成分 Fe Fe 同素异构转变点 碳在 Fe 中的最大溶解度 共析点 600 或室温 时碳在 Fe 中的最大溶解度 3 2 2 相图中重要的点和线FeC3 3 2 2 1 三个重要的特性点 点为包晶点 合金在平衡结晶过程中冷却到 1495 时 点成分的 与 点成分J BLH 的 发生包晶反应 生成 点成分的 包晶反应在恒温下进行 反应过程中 JA 三相共存 反应式为 或 AHBL J09 53 0 L17 0A 点为共晶点 合金在平衡结晶过程中冷却到 1148 时 点成分的 发生共晶反C C 应 生成 点成分的 和 共晶反应在恒温下进行 反应过程中 三相EACFe3 CFe3 共存 反应式为 或 CE33 4Fe31 2 共晶反应的产物是 与 的共晶混合物 称莱氏体 用符号 表示 所以共晶反应3 L 39 式也可表达为 3 4L3 4e 莱氏体组织中的渗碳体称为共晶渗碳体 在显微镜下莱氏体的形态是块状或粒状 727 时转变为珠光体 分布在渗碳体基体上 A 点为共析点 合金在平衡结晶过程中冷却到 727 时 点成分的 发生共析反应 S SA 生成 点成分的 和 共析反应在恒温下进行 反应过程中 三相共存 PFCe3 FCe3 反应式为 或 SP3 7 0ACeF30218 共析反应的产物是铁素体与渗碳体的共析混合物 称珠光体 用符号 表示 因而共P 析反应可简单表示为 7 0A7 0 中的渗碳体称为共析渗碳体 在显微镜下 的形态呈层片状 在放大倍数很高时 P 可清楚看到相间分布的渗碳体片 窄条 与铁素体片 宽条 的强度较高 塑性 韧性和硬度介于渗碳体和铁素体之间 其机械性能如下 P 抗拉强度 770 延伸率 20 35 b MPa 冲击韧性 30 40 硬度 180ka2 cmJHB2 mkgf 3 2 2 2 相图中的特性线 相图中的 为液相线 为固相线 ABCDAHECF 水平线 为包晶反应线 碳含量 0 09 0 53 的铁碳含金在平衡结晶过程中均发HJ 生包晶反应 水平线 为共晶反应线 碳含量在 2 11 6 69 之间的铁碳合金 在 平衡结晶过程中均发生共晶反应 水平线 为共析反应线 碳含量 0 0218 6 69 之PSK 间的铁碳合金 在平衡结晶过程中均发生共析反应 线在热处理中亦称 线 1A 线是合金冷却时自 中开始析出 的临界温度线 通常称 线 线是碳在 中GSAF3ES 的固溶线 通常称 线 由于在 1148 时 中溶碳量最大可达 2 11 而在 727 时仅cmA 为 0 77 因此碳含量大于 0 77 的铁碳合金自 1148 冷至 727 的过程中 将从 中 析出 析出的渗碳体称为二次渗碳体 线亦是从 中开始析出CFe3 ICe3cm 的临界温度线 线是碳在 中的固溶线 在 727 时 中溶碳量最大可达I PQF 0 0218 室温时仅为 0 0008 因此碳含量大于 0 0008 的铁碳合金自 727 冷至室温 的过程中 将从 中析出 析出的渗碳体称为三次渗碳体 线亦为从CFe3 ICe3PQ 中开始析出 的临界温度线 Ie3 数量极少 往往可以忽略 下面分析铁碳合金平衡结晶过程时 均忽略这一析出ICF3 过程 3 3 典型铁碳合金的平衡结晶过程 根据 相图 铁碳含金可分为三类 FeC3 0 218 工 业 纯 铁 2 1C07过 共 析 钢 共 析 钢 8亚 共 析 钢钢 69 43过 共 晶 白 口 铸 铁共 晶 白 口 铸 铁亚 共 晶 白 口 铸 铁6 9 C21白 口 铸 铁 下面分别对以上七种典型铁碳含金的结晶过程进行分析 3 3 1 工业纯铁 40 以含碳 0 01 的铁碳合金为例 其冷却曲线 如图 3 2 和平衡结晶过程如下 合金在 1 点以上为液相 冷却至稍低于 1 点时 开始从 中结晶出 至 2 点合金LL 全 部结晶为 从 3 点起 逐渐转变为 至 4 点全部转变完了 4 5 点间 冷却不变 AA 自 5 点始 从 中析出 在 晶界处生核并长大 至 6 点时 全部转变为 在 6 AFAAF 7 点间 冷却不变 在 7 8 点间 从 晶界析出 因此合金的室温平衡组织为 F ICFe3 呈白色块状 量极少 呈小白片状分布于 晶界处 若忽略 则ICe3 ICe3 ICe3 组织全为 图 3 2 工业纯铁结晶过程示意图 3 3 2 共析钢 其冷却曲线和平衡结晶过程如图 3 3 所示 合金冷却时 于 1 点起从 中结晶出 至 2 点全部结晶完了 在 2 3 点间 冷却不变 LAA 至 3 点时 发生共析反应生成 从 3 继续冷却至 4 点 皆不发生转变 因此共析APP 钢的室温平衡组织全部为 呈层片状 共析钢的室温组织组成物也全部是 而组成相为 和 它们的相对质量为 FCe3 8106 97 F 312 CFe 图 3 3 共析钢结晶过程示意图 3 3 3 亚共析钢 以含碳 0 4 的铁碳含金为例 其冷却曲线和平衡结晶过程如图 3 4 所示 合金冷却时 从 1 点起自 中结晶出 至 2 点时 成分变为 0 53 变为L LC 41 0 09 发生包晶反应生成 反应结束后尚有多余的 2 点以下 自 中不断结C17 0ALL 晶出 至 3 点合金全部转变为 在 3 4 点间 冷却不变 从 4 点起 冷却时由 中析AAA 出 在 晶界处优先生核并长大 而 和 的成分分别沿 和 线变化 至 5 点FFGSP 时 的成分变为 0 77 的成分变为 0 0218 此时 发生共析反应 转变为CFCA 不变化 从 5 继续冷却至 6 点 合金组织不发生变化 因此室温平衡组织为 P F 呈白色块状 呈层片状 放大倍数不高时呈黑色块状 碳含量大于 0 6 的亚共P 析钢 室温平衡组织中 的 常呈白色网状 包围在 周围 图 3 4 亚共析钢结晶过程示意图 含 0 4 的亚共析钢的组织组成物 和 的相对质量为 CFP 510 2074 P 4951 组成相 和 的相对质量为 Fe3 369469Ce 由于室温下 的含碳量极微 若将 中的含碳量忽略不计 则钢中的含碳量全部在F 中 所以亚共析钢的含碳量可由其室温平衡组织来估算 即根据 的含量可求出钢的含P P 碳量为 由于 和 的密度相近 钢中 和 的含量 质量百分数 0 7 PCPF 可以近似用对应的面积百分数来估算 图 3 5 过共析钢结晶过程示意图 42 3 3 4 过共析钢 以碳含量为 1 2 的铁碳合金为例 其冷却曲线和平衡结晶过程如图 3 5 所示 合金冷却时 从 1 点起自 中结晶出 至 2 点全部结晶完了 在 2 3 点间 冷却不LAA 变 从 3 点起 由 中析出 呈网状分布在 晶界上 至 4 点时 的碳含量AICFe3I3 A 降为 0 77 4 4 发生共析反应转变为 而 不变化 在 4 5 点间冷却时组织PICFe3 不发生转变 因此室温平衡组织为 在显微镜下 呈网状分布在层片状I3 I3 周围 P 含 1 2 的过共析钢的组成相为 和 组织组成物为 和 它们的相对C3 Ie3P 质量为 FeI3 971710 69712 P 3 3 5 共晶白口铸铁 共晶白口铸铁的冷却曲线和平衡结晶过程如图 3 6 所示 图 3 6 共晶白口铸铁结晶过程示意图 合金在 1 点发生共晶反应 由 转变为 高温 莱氏体 在 1 2 点LLeACF3 间 中的 不断析出 与共晶 无界线相连 在显微镜下无法分辨 LeAICFe3I3CFe3 但此时的莱氏体由 组成 由于 的析出 至 2 点时 的碳含量降为I 0 77 并发生共析反应转变为 高温莱氏体 转变成低温莱氏体 PePI3 从 2 至 3 点组织不变化 所以室温平衡组织仍为 由黑色条状或粒状 和CFe3 Le 白色 基体组成 见图 3 12 共晶白口铸铁的组织组成物全为 而组成相还是 和 它们的相对重量可LeFC3 用杠杆定律求出 3 3 6 亚共晶白口铸铁 以碳含量为 3 的铁碳合金为例 其冷却曲线和平衡结晶讨程如图 3 7 所示 43 图 3 7 亚共晶白口铸铁结晶过程示意图 合金自 1 点起 从 中结晶出初生 至 2 点时 的成分变为含 4 3 的成分变LALCA 为含 2 11 发生共晶反应转变为 而 不参与反应 在 2 3 点间继续冷却时 初Le 生 不断在其外围或晶界上析出 同时 中的 也析出 至 3 点温度时 所AICF3 AIFe3 有 的成分均变为 0 77 初生 发生共析反应转变为 高温莱氏体 也转变为低温PL 莱氏体 在 3 以下到 4 点 冷却不引起转变 因此室温平衡组织为Le 网状 分布在粗大块状 的周围 则由条状或粒状 和PICF3 Ie3 LP 基体组成 亚共晶白口铸铁的组成相为 和 组织组成物为 和 它们的FCe3 ICFe3e 相对质量可以两次利用杠杆定律求出 先求合金钢冷却到 2 点温度时初生 和 的相对质量 1 2A3 4L 3 41 415959043 A 通过共晶反应全部转变为 并随后转变为低温莱氏体 所以 3 4LeLee 41 e 再求 3 点温度时 共析转变前 由初生 析出的 及共析成分的 的相对质量 1 2AICF3 7 0A 7 0 46590 76213590 7621 CFI 由于 发生共析反应转变为 所以 的相对质量就是 46 7 0AP 3 3 7 过共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁的结晶过程与亚共晶白口铸铁大同小异 唯一的区别是 其先析出相 是一次渗碳体 而不是 而且因为没有先析出 进而其室温组织中除 中IFe3AALe 的 以外再没有 即室温下组织为 组成相也同样为 和 它们的PLeICF3 FC3 质量分数的计算仍然用杠杆定律 方法同上 3 4 含碳量与铁碳合金平衡组织 机械性能的关系 3 4 1 按组织划分的 相图FeC3 由 相图 可知铁碳合金室温平衡组织都由 和 两相组成 随含碳量增FeC3 FCe3 高 含量下降 由 100 按直线关系变至 0 含 6 69 时 含量相应增加 由 0 按直线关系变至 100 含 6 69 时 改变含碳量 不仅引起组成相的质量分数变化 而且产生不同结晶过程 从而导致组成相的形态 分布变化 也即改变了铁碳合金的组织 由图 3 8 可见随着含碳量增加 室 温组织变化如下 FICe3 FPI3PI LeLI 组成相的相对含量及组织形态的 变化 会对铁碳合金性能产生很大影 响 3 4 2 碳钢的机械性能与碳 含量的关系 对图 3 8 进行分析 得知铁碳合 金的含碳量 小于 0 0218 时组织全 部为 等于 0 77 时全部为 等FP 44 于 4 3 时全部为 等于 6 69 时全部为 在它们之间的组织则为相应组织的LeCFe3 混合物 利用杠杆定律对其质量分数计算可得如图 3 9 所示的含碳量与组织 FP 的数量关系 C ICFe3 ICF3 硬度 主要决定于组织中组 图 3 8 标注组织分区的 Fe Fe3C 合金相图HB 成相或组织组成物的硬度和相对数量 而受它们的形态的影响 相对较小 随碳含量的增加 由于硬度高的 增多 硬度CFe3 低的 减少 所以合金的硬度呈直线关系增大 由全部为 的 硬度约 80 增大到全部为 时的约 800 Fe3HB 强度是一个对组织形态很敏感的性能 随碳含量的增加 亚共析钢中 增多而 减少 的强度比较高 其大小与细密PP 程度有关 组织越细密 则强度值越高 的强度较低 所以 亚共析钢的强度随碳含量的增大而增大 但当碳含量超过共析 成分之后 由于强度很低的 沿晶界析出 合金强度的增ICFe3 高变慢 到约 0 9 时 沿晶界形成完整的网 强度迅 速降低 随着碳含量的增加 强度不断下降 到 2 11 后 合 金中出现 时 强度已降到很低的值 再增加碳含量时 Le 由于合 金基体都为脆性很高的 强度变化不大且值很低 趋近于 的强度 约 20 30CFe3 CFe3 图 3 9 含碳量与组织的关系MPa 铁碳含金中 是极脆的相 没有塑性 3 不能为合金的塑性作出贡献 合金的塑性全部 由 提供 所以随碳含量的增大 量不断F 减少时 合金的塑性连续下降 到合金成为白 口铸铁时 塑性就降到近于零值了 见图 3 10 对于应用最广的结构材料亚共析钢 其硬度 强度和塑性可根据成分或组织作如下估 算 图 3 10 性能随含碳量的变化 硬度 或 强度 HB PF 180HB CFe3 80b 延伸率 式中的数字相应为 Ma 7023 P 250 F 或 的近似硬度 强度和延伸率 符号相应表示组织中 或 的含量 PCFe3 3 3 5 相图的应用和局限性eC3 3 5 1 相图的应用Fe3 相图在生产中具有重大的实际意义 主要应用在钢铁材料的选用和加工工艺C3 的制订两个方面 3 5 1 1 在钢铁材料选用方面的应用 相图所表明的某些成分 组织 性能的规律 为钢铁材料选用提供了根据 e3 建筑结构和各种型钢需用塑性 韧性好的材料 因此选用碳含量较低的钢材 各种机 械零件需要强度 塑性及韧性都较好的材料 应选用碳含量适中的中碳钢 各种工具要 用硬度高和耐磨性好的材料 则选用含碳量高的钢种 纯铁的强度低 不宜用做结构材 料 但由于其导磁率高 矫顽力低 可作软磁材料使用 例如做电磁铁的铁芯等 白口 铸铁硬度高 脆性大 不能切削加工 也不能锻造 但其耐磨性好 铸造性能优良 适用 于作要求耐磨 不受冲击 形状复杂的铸件 例如拔丝模 冷轧辊 货车轮 犁铧 球磨 机的磨球等 45 3 5 1 2 在铸造工艺方面的应用 根据 相图可以确定合金的浇注温度 浇注温度一般在液相线以上 50 100 FeC3 从相图上可看出 纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好 它们的凝固温度区间最小 因而 流动性好 分散缩孔少 可以获得致密的铸件 所以铸铁在生产上总是选在共晶成分附近 在铸钢生产中 碳含量规定在 0 15 0 6 之间 因为这个范围内钢的结晶温度区间较小 铸造性能较好 3 5 1 3 在热锻 热轧工艺方面的应用 钢处于马氏体状态时强度较低 塑性较好 因此锻造或轧制选在单相奥氏体区内进行 一般始锻 始轧温度控制在固相线以下 100 200 范围内 温度高时 钢的变形抗力 小 节约能源 设备要求的吨位低 但温度不能过高 防止钢材严重烧损或发生晶界熔化 过烧 终锻 终轧温度不能过低 以免钢材因塑性差而发生锻裂或轧裂 亚共析钢热加工终 止温度多控制在 线以上一点 避免变形时出现大量铁素体 形成带状组织而使韧性降GS 低 过共析钢变形终止温度应控制在 线以上一点 以便把呈网状析出的二次渗碳体PSK 打碎 终止温度不能太高 否则再结晶后奥氏体晶粒粗大 使热加工后的组织也粗大 一 般始锻温度为 1150 1250 终锻温度为 750 850 3 5 1 4 在热处理工艺方面的应用 相图对于制订热处理工艺有着特别重要的意义 一些热处理工艺如退火 正FeC3 火 淬火的加热温度都是依据 相图确定的 这将在下一章中详细阐述 FeC3 3 5 2 相图的局限性 3 相图的应用很广 为了正确掌握它的应用 必须了解其下列局限性 e3 相图反映的是平衡相 而不是组织 相图能给出平衡条件下的相 相的成F 分和各相的相对质量 但不能给出相的形状 大小和空间相互配置的关系 相FeC3 图只反映铁碳二元合金中相的平衡状态 实际生产中应用的钢和铸铁 除了铁和碳以外 往往含有或有意加入其它元素 被加入元素的含量较高时 相图将发生重大变化 严格说 在这样的条件下铁碳相图已不适用 相图反映的是平衡条件下铁碳合金中相的FeC3 状态 相的平衡只有在非常缓慢的冷却和加热 或者在给定温度长期保温的情况下才能达 到 就是说 相图没有反映时间的作用 所以钢铁在实际的生产和加工过程中 当冷却和 加热速度较快时 常常不能用相图来分析问题 3 6 碳钢及其常存杂质 碳钢被广泛使用在工农业生产中 它们不仅价格低廉 容易加工 而且在一般情况下 能满足使用性能的要求 为了掌握碳钢的正确选择和合理使用 必须熟悉它的牌号和用途 3 6 1 碳钢中杂质元素 由于原料和冶炼工艺的原因 碳钢中除铁与碳两种元素外 还含有少量 Mn 以及微量的气体元素 等非特意加入的杂质元素 和 是炼钢SiPOHNSi 时作为脱氧剂 锰铁 硅铁 加入而残留在钢中的 其余的元素则是从原料或大气中带入 钢中而冶炼时不能清除尽的有害杂质 它们对钢的性能有一定影响 3 6 1 1 锰和硅的影响 加入钢中 可将钢液中的 还原成 并形成 和 还与钢SiMnFee2SiOn 液中的 形成 而大大减轻 的有害作用 这些反应产物大部分进入炉渣 小部分残留SS 46 钢中成为非金属夹杂 钢中含 量约为 0 25 0 80 钢中含 量约为 0 03 0 40 MnSi 脱氧剂中的 与 总会有一部分溶于钢液 凝固后溶于铁素体 产生固溶强化作用 Si 在含量不高 1 时 可以提高钢的强度 而不降低钢的塑性和韧性 一般认为 Si 是钢中有益元素 Mn 3 6 1 2 其它杂质的影响 的影响 在固态铁中几乎不溶解 它与铁形成熔点为 1190 的 又与SS Fe 形成熔点更低的 985 共晶体 即使钢中含 量不高 由于严重偏析 凝固快完 Fe S 成时 钢中的 几乎全部残留在枝晶间的钢液中 最后形成低熔点的 共晶 S 含有硫化物共晶的钢材进行热压力加工 加热温度一般在 1150 1250 之间 分布在晶 界处的共晶体处于熔融状态 一经轧制或锻打 钢材就会沿晶界开裂 这种现象称为钢的 热脆 如果钢水脱氧不良 含有较多的 还会形成 三相共晶体 FeOFeO 熔点更低 940 危害性更大 对于铸钢件 含硫过高 易使铸件发生热裂 也使焊S 件的焊缝处易发生热裂 的影响 在铁中固溶度较大 钢中的 一般都固溶于铁中 溶人铁素体后 PPP 有较之其他元素更强的固溶强化能力 尤其是较高的含 量 使钢显著提高强度 硬度的 同时 剧烈地降低钢的塑 韧性 并且还提高了钢的脆性转化温度 使得低温工作的零件 冲击韧性很低 脆性很大 这种现象通常称为钢的冷脆 在钢中是有害元素 在普通质量非合金钢中 其含量被限制在 0 045 以下 如S 果要求更好的质量 则含量限制更严格 在一定条件下 也被用于提高钢的切削加工性能 炮弹钢中加入较多的 可使SP P 炮弹爆炸时产生更多弹片 使之有更大的杀伤力 与 共存可以提高钢的抗大气腐蚀PCu 能力 的影响 在钢中溶解度很小 几乎全部以氧化物夹杂形式存在 如 OHNO 等 这些非金属夹杂使钢的力学性能降低 尤其是对钢的塑性 Fe32Al2SiMn 韧性 疲劳强度等危害很大 在钢中含量尽管很少 但溶解于固态钢中时 剧烈地降低钢的塑 韧性 增大钢的 脆性 这种现象称为氢脆 少量 存在于钢中 会起强化作用 的有害作用表现为造成低碳钢的时效现象 即N 含 的低碳钢自高温快速冷却或冷加工变形后 随时间的延长 钢的强度 硬度上升 塑 N 韧性下降 脆性增大 同时脆性转变温度也提高了 造成了许多焊接工程结构和容器突然 断裂事故 3 6 2 非合金钢 碳钢 的分类 根据 GB T 13304 91 第一部分 钢按化学成分分为非合金钢 低合金钢和合金钢 其 中非合金钢即为原国标中的碳钢 下面将原碳钢分类方法及新国标非合金钢的分类分列如下 3 6 2 1 碳钢分类方法 碳钢主要有下列几种分类方法 按钢的碳含量分 0 6 C高 碳 钢 25中 碳 钢低 碳 钢 按钢的质量分 0 35 P S高 级 优 质 碳 素 钢 4优 质 碳 素 钢普 通 碳 素 钢 47 按用途分 刃 具 量 具 模 具 等 用 于 制 造 各 种 工 具 如碳 素 工 具 钢 等 件 如 齿 轮 轴 连 杆建 筑 构 件 等 和 机 器 零 如 桥 梁 船 舶 用 于 制 造 各 种 工 程 构 件碳 素 结 构 钢 按钢的冶炼方法分 电 炉 钢 冶 炼 时 吹 氧顶 吹 转 炉 钢 冶 炼 时 造 酸 性 渣酸 性 转 炉 钢 冶 炼 时 造 碱 性 渣碱 性 转 炉 钢转 炉 钢 用 转 炉 冶 炼 平 炉 钢 用 平 炉 冶 炼 3 6 2 2 非合金钢的分类方法 非合金钢主要按主要质量等级和主要性能或使用特性分类 按主要质量等级分为 普通质量非合金钢 普通质量非合金钢是指不规定生产过程中需要特别控制质量要 求的并应同时满足四种条件的所有钢种 条件见 GB T 13304 91 普通质量非合金钢主要包括 一般用途碳素结构钢 如 GB 700 规定的 级钢 AB 碳素钢筋钢 如 GB 13031 规定的 235 钢 铁道用一般碳素钢 如 GB 11264 GB Q 11265 GB 2826 规定的轻轨和垫板用碳素钢 及一般钢板桩型钢 优质非合金钢 优质非合金钢是指除普通质量非合金钢和特殊质量非合金钢以外的 非合金钢 在生产过程中需要特别控制质量 例如控制晶粒度 降低硫 磷含量 改善表 面质量或增加工艺控制等 以达到比普通质量非合金钢特殊的质量要求 例如良好的抗脆 断性能 良好的冷成型性等 但这种钢的生产控制不如特殊质量非合金钢严格 如不控制 淬透性 优质非合金钢 见 GB T 13304 91 主要包括 机械结构用优质碳素钢 工程结构用 碳素钢 冲压薄板的低碳结构钢 镀层板 带用的碳素钢 锅炉和压力容器用碳素钢 造 船用碳素钢 铁道用优质碳素钢 焊条用碳素钢 非合金易切削结构钢 电工用非合金钢 板 带及优质铸造碳素钢等 特殊质量非合金钢 特殊质量非合金钢是指在生产过程中需要特别严格控制质量和 性能 例如 控制淬透性和纯洁度 的非合金钢 另外应符合 GB T 13304 91 规定的条件 的非合金钢 包括易切削钢和工具钢 特殊质量非合金钢主要包括 保证淬透性非合金钢 保证厚度方向性能非合金钢 铁 道用特殊非合金钢 航空 兵器等专用非合金结构钢 核能用非合金钢 特殊焊条用非合 金钢 碳素弹簧钢 特殊盘条钢及钢丝 特殊易切削钢 碳素工具钢和中空钢 电磁纯铁 原料纯铁等 按主要性能及使用特性分类 非合金钢按其基本性能及使用特性等主要特性分类如下 以规定最高强度 或硬度 为主要特性的非合金钢 例如冷成型用薄钢板 以规 定最低强度为主要特性的非合金钢 例如造船 压力容器 管道等用的结构钢 以限制 碳含量为主要特性的非合金钢 但下述 项包括的钢除外 例如线材 调质用钢等 非合金易切削钢 非合金工具钢 具有专门规定磁性或电性能的非合金钢 例如无 硅磁性薄板和带 电磁纯铁 其他非合金钢 例如原料纯铁等 3 6 3 碳钢的牌号及用途 下面按用途及质量介绍碳钢的牌号及用途 3 6 3 1 普通碳素结构钢 普通碳素结构钢简称普碳钢 国家标准 GB 700 将其分为甲类钢 乙类钢和特类钢三类 其中以甲类钢为最常用 甲类钢 或 类钢 按机械性能供应 钢号为 1 2 7 等七种 数字越AA 48 大 则屈服强度 和抗拉强度 越大 延伸率 越小 甲类钢的机械性能及s b 冷弯试验要求见 GB 700 甲类钢的用途 1 2 3 钢塑性好 有一定的强度 通常轧制成钢板 钢筋 A 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 4 5 强度A 较高 轧制成型钢 钢板作构件用 6 7 强度更高 可用作工具 农机零件 轻轨等 A 甲类钢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 也可进行正火 调质 渗碳等处理 以提高其使用性能 乙类钢 或 类钢 按化学成分供应 钢号为 1 2 7 等七种 数字越BB 大 碳含量越高 见 GB 700 乙类钢的用途与相同号数的甲类钢相同 由于其化学成分已知 可进行热加工 并可 通过适当的热处理提高其性能 特类钢 或 类钢 按机械性能及化学成分供应 钢号为 2 3 4 5 等CCC 四种 特类钢使用较少 在性能要求较高的场合 通常选用优质碳素钢 普通碳素结构钢的编号中 常常标明钢种的冶炼方法 例如碱性转炉钢标 碱 或 酸性转炉钢标 酸 或 顶吹转炉钢标 顶 或 平炉钢则不标 例如 JSD 甲 4 4 表示平炉甲类 4 号普碳钢 乙碱 3 3 表示碱性转炉乙类 3 号普碳钢 ABJ 特酸 3 3 表示酸性转炉特类 3 号普碳钢 CS 钢在冶炼时根据其脱氧程度不同 可分为沸腾钢和镇静钢 脱氧不完全的钢称沸腾钢 在钢号后标注 脱氧较完全的钢称镇静钢 钢号后不加标注 例如 4 为沸腾钢 F AF 3 6 3 2 优质碳素结构钢 优质碳素结构钢的钢号用平均碳含量的万分数表示 例如钢号 20 即表示碳含量为 0 20 万分之二十 的优质碳素结构钢 45 表示碳含量为 0 45 的优质碳素结构钢 若钢中锰含量较高 则在其钢号后附以符号 如 15 45 等 MnnM 优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件 08 塑性好 可制造冷冲压零件 F 10 20 冷冲压性与焊接性能良好 可作冲压件及焊接件 经过适当热处理 如渗碳 后也 可制作轴 销等零件 35 40 45 50 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 主要用来制造弹簧 优质碳素结构钢使用前一般都要 进行热处理 3 6 3 3 铸钢 铸钢牌号的表示是在数字前冠以 数字则代表钢的平均碳含量 以万分数表达 ZG 例如 25 表示碳含量为 0 25 的铸钢 ZG 铸钢的流动性较差 凝固时收缩较大 并易生成魏氏组织 此组织特征是 铸件冷却 时铁素体不仅沿奥氏体晶界 而且在奥氏体内一定的晶面上析出 呈粗针状 因而使钢的 塑性及韧性降低 必须采用热处理来消除 铸钢可用来铸造一切形状复杂而需要一定强度 塑性和韧性的零件 具体见铸造一篇 3 6 3 4 碳素工具钢 碳素工具钢的碳含量在 0 65 1 3 之间 钢号用平均碳含量的千分数表示 并在前冠 以 碳的汉语拼音字头 字 例如 9 是碳含量 0 90 即干分之九 的碳素工具TT 钢 12 是碳含量 1 2 即千分之十二 的碳素工具钢 碳素工具钢均为优质钢 若属高级优质钢 则在钢号后标注 字 例如 10AT 表示碳含量为 1 0 的高级优质碳素工具钢 A 碳素工具钢用来制造各种刃具 量具 模具等 7 8 硬度高 韧性较高 可制造T 49 冲头 凿子 锤子等工具 9 10 11 硬度更高 韧性适中 制造钻头 刨刀 丝T 锥 手锯条等刃具及冷作模具等 12 13 硬度很高 韧性较低 制作锉刀 刮刀等刃T 具及量规 样套等量具 碳素工具钢使用前都要进行热处理 习 题 3 1 对某一碳钢 平衡状态 进行相分析 得知其组成相为 80 和 20 求此钢的成分及FCe3 其硬度 3 2 计算铁碳含金中 的最大可能含量 CFe3 3 3 计算低温莱氏体 中共晶渗碳体 和共析渗碳体的含量 LFe3 3 4 有一碳钢试样 金相观察室温平衡组织中 珠光体区域面积占 93 其余为网状 与IFe3 密度基本相同 室温时的 含碳量几乎为零 试估算这种钢的含碳量 CFe3 3 5 亚共析钢的力学性能大致是其组织组成物平均值 例如硬度 80 240 数字HBS P 为 的硬度 为组织中 的含量 试估算含碳量为 0 4 的碳钢的硬度 抗 P PBS 拉强度 伸长率 b 3 6 含碳量增加 碳钢的力学性能如何变化并简单分析原因 3 7 同样形状的一块含碳量为 0 15 的碳钢和一块白口铸铁 不作成分化验 有什么方法区分它们 3 8 用冷却曲线表示 点成分的铁碳合金的平衡结晶过程 画出室温组织示意图 标上组织组成物 E 计算室温平衡组织中组成相和组织组成物的相对重量 3 9 10 含 3 5 的铁碳含金从液态缓慢冷却到共晶温度 但尚未发生共晶反应 时所剩下的液kgC 体的成分及重量