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钢的分类与编号

2008-11-18

6.1 钢的分类与编号
6.1.1 钢的分类
钢的种类繁多,为了便于生产、使用、管理,可按以下几种方法分类。
1.按化学成分分类
按化学成份可将钢分为碳素钢和合金钢。碳素钢根据含碳量分为低碳钢、中碳钢和高碳钢。合金钢根据合金元素含量分为低合金钢、中合金钢和高合金钢。
2.按质量分类
钢的质量是以硫、磷的含量来划分的。根据硫、磷的含量可将钢分为普通质量钢、钢、钢和特级钢。
3.按冶炼方法分类
根据冶炼所用炼钢炉不同,可将钢分为平炉钢、转炉钢和电炉钢。
4.按金相组织分类
在退火组织可将钢分为亚共析钢、共析钢和过共析钢。按正火组织可将钢分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢和莱氏体钢等。
5.按用途分类
按用途可将钢分为结构钢、工具钢和特殊性能钢。

6.1.2 钢的分类
1.钢铁产品牌号表示方法
我国钢的牌号一般采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。
碳素结构钢和低合金高强度结构钢
这两类钢采用屈服点的拼音字母“Q” ,屈服点数值(单位为MPa)和表6-2中规定的质量等级脱氧方法等符号表示,按顺序组成牌号。例如碳素结构钢牌号为Q23F、Q235BZ等;低合金钢高强度结构钢牌号表示为Q345C、Q345D等。
质量等级由A到E磷硫含量质量提高。碳素结构钢牌号中表示镇静钢的符号”Z”和表示特殊镇静钢的符号“TZ”可以省略,低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢,其牌号中没有表示脱氧方法的符号。
根据需要,低合金高强度结构钢的牌号也可采用两位阿拉伯数字(表示平均含碳量的万分之几)和化学元素符号,按顺序表示,如16Mn等。

碳素结构钢
碳素结构钢的牌号以两位数表示,这两位数字表示钢的平均含碳量的万分之几。
沸腾钢和半镇静钢在牌号尾部分别加符号“F”和“b”。如平均含碳量为0.08%的沸腾钢,其牌号表示为“08F”;平均含碳量为0.01%的半镇静钢,其牌号表示为“10b”。镇静钢一般不表示符号,如平均含碳量为0.45%的镇静钢,其牌号表示为“45”。
钢的含锰量为0.70%~1.00%时,在牌号后加锰元素符号,如“50Mn”。钢在牌号后加字母“A”。特级钢在牌号后加字母“E”如“45E”。

合金结构钢和合金弹簧钢
合金结构钢和合金弹簧钢牌号由两位数字(表示平均含碳量的万分之几)加上其后带有百分含量数字的合金元素符号组成。

工具钢
①碳素工具钢
碳素工具钢的牌号由字母“T”与其后的数字组成,如“T9”。钢在牌号后加字母“A”如“T10A”。
②合金工具钢和高速工具钢
合金工具钢和高速工具钢牌号的表示方法与合金结构钢基本相同,但一般不标明含碳量数字,如“Cr12MoV”(平均含碳量为1.60%)“W6Mo5Cr4V2”(平均含碳量为0.85%)当合金工具钢的含碳量小于1.00%时,含碳量用一位数字标明,表示平均含碳量的千分之几,如“8MnSi”。
平均含铬量小于1%的合金工具钢,在含铬量(以千分之一为单位)前加数字“0”,如“Cr06”。

轴承钢
高碳铬轴承钢的牌号以字母“G”打头,牌号中不标明含碳量,铬含量以千分之一为单位,如“GCr15”的平均含铬量为1.5%。渗碳轴承钢牌号的表示方法与合金结构钢相同,仅在牌号头部加字母“G”如“G20CrNiMo”。

不锈钢和耐热钢
不锈钢和耐热钢的牌号由表示平均含碳量的数字(以千分之一为单位)与其后带有百分含量的合金元素符号组成。合金元素含量表示方法同合金结构钢。含碳量的表示方法为:当平均含碳量≥1.00%时,用两位数字表示,如“11Cr17”(平均含碳量为1.10%);当1.00%>平均含碳量≥0.1%时,用一位数字表示,如“2Cr13”(平均含碳量伪0.20%);当含碳量上限<0.1%时,以“0”表示,如“0Cr18Ni9”(含碳量上限为0.08%);当0.03%≥含碳量上限>0.01%(超低碳),以“03”表示,如“03Cr19Ni10”(含碳量上限为0.03%);当含碳量上限≤0.01%时(极低碳),以“01”表示,如“01Cr19Ni11”(含碳量上限为0.01%)。

铸 钢
以强度为主要特征的铸钢牌号为“ZG”(表示“铸钢“二字)加上两组数字,*组数字表示zui低屈服强度值,第二组数字表示zui低抗拉强度值,单位均为MPa如“ZG200-400”。以化学成分为主要特征的铸钢的牌号为“ZG”加上两位数字,这两位数字表示平均含碳量的万分之几。合金铸钢牌号在两位数字后加上带有百分含量数字的元素符号。当合金元素平均含量为0.9%~1.4%时,除锰只标符号不标含量外,其他元素需在符号后标注数字1;当合金元素平均含量大于1.5%时,标注方法同合金结构钢,如“ZG15Cr1Mo1V”、“ZG20Cr13”。
 
6.2 钢中的杂质与合金元素
6.2.1 钢中常存杂质元素对性能的影响
钢中常存杂质元素主要是指锰、硅、硫、磷及氮、氢、氧等。这些元素在冶炼时或者由原料、燃料及耐火材料中带入钢中,或者由大气进入钢中,或者脱氧时残留于钢中,它们的存在会对钢的性能产生影响。
1.硅和锰的影响
硅和锰在钢中均为有益元素,能溶于铁素体中起固溶强化作用,提高钢的强度和硬度。
2.硫和磷的影响
硫和磷在钢中都是有害元素。硫在钢中以FeS的形式存在,使钢变脆,产生热脆性。控制在0.05%以下,MnS对断屑有利。磷可溶于铁素体中,使钢的强度、硬度显著增加。但使钢脆化,产生冷脆性。
3. 气体元素的影响
氮:室温下氮在铁素体中溶解度很低,钢中过饱和的氮在常温放置过程中会以Fe4N形式析出而使钢变脆,称为时效脆化。在钢中加入Ti、V、Al等元素可使氮以这些元素氮化物的形式被固定,从而消除时效倾向。
氧: 氧在钢中主要以氧化物夹杂的形式存在,氧化物夹杂与基体的结合力弱,不易变形,易成为疲劳裂纹源。
氢:常温下氢在钢中的溶解度很低。当氢在钢中以原子态溶解时,降低韧性,引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时,会产生很高的内压,形成内裂纹,其内壁为白色,称为白点或裂纹。

6.2.2 合金元素在钢中的主要作用
1.合金元素对钢中基本相的影响
铁素体和渗碳体是碳素钢中两个基本相,合金元素进入钢中将对这两个基本相的成分、结构和性能产生影响。
(1)溶于铁素体,起固溶强化作用
加入钢中的非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元素都将溶于铁素体,形成合金铁素体,起固溶强化作用。从几种合金元素对铁素体硬度和韧性的影响可以看出,Si、Mn的固溶强化效果zui显著,但其含量超过一定值后,铁素体的韧性将急剧下降,而Cr、Ni在适当的含量范围内不但能提高铁素体的硬度,而且还能提高其韧性。因此为了获得良好的强化效果,应控制固溶强化元素在钢中的含量。
(2)形成碳化物
加入到钢中的合金元素,除溶入铁素体外,还能进入渗碳体中,形成合金渗碳体,如铬进入渗碳体形成(Fe,Cr)3C。当碳化物形成元素超过一定量后,将形成这些元素自己的碳化物。合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为:Zr、Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。合金元素与碳的亲和力越大,所形成化合物越稳定、熔点、分解温度、硬度、耐磨性就越高。在碳化物形成元素中,钛、铌、钒是强碳化物形成元素,所形成的碳化物如TiC、VC等;钨、钼、铬是中碳化物形成元素,所形成碳化物如Cr23C6、Cr7C3、W2C等;锰、铁是弱碳化物形成元素,所形成的碳化物如Fe3C、Mn3C等。碳化物是钢中的重要组成相之一,其类型、数量、大小、形态及分布对钢的性能有着重要的影响。
 
2.合金元素对铁碳相图的影响
(1) 对奥氏体相区的影响
加入到钢中的合金元素,依其对奥氏体区的作用可分为两类。
一类是扩大奥氏体相区的元素,如Ni、Co、Mn、N等,这些元素使A1、A3点下降,A4点上升。当钢中的这些含量足够高(如Mn含量大于13%或Ni含量大于9%)时,A3点降到零度以下,因而室温下钢具有单相奥氏体组织,称为奥氏体钢。
另一类是缩小奥氏体相区的元素,如Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等,这些元素是A1、A3点上升,A4点下降。当钢中的这些元素含量足够高(如Cr含量大于13%)时,奥氏体相区消失,室温下钢具有单相铁素体组织,称为铁素体钢。
(2)对S点和E点位置的影响
几乎所有合金元素都使E点和S点左移,即这两点的含碳量下降。由于S点的左移,使含碳量低于0.77%的合金钢出现过共析组织(如4Cr13),在退火状态下,相同含碳量的合金钢组织中的珠光体量比碳钢多,从而使钢的强度和硬度提高。同样由于E点的左移,使含碳量低于2.11%的合金钢出现共晶组织,成为莱氏体钢,如W18Cr4V(含碳量为0.7%~0.8%)。

3.合金元素对钢中相变过程的影响
对钢加热时奥氏体化过程的影响
① 对奥氏体形成速度的影响
大多数合金元素(镍、钴以外)都减缓钢的奥氏体化过程。因此合金钢在热处理时要相应地提高加热温度或延长保温时间,才能保证奥氏体化过程的充分进行。
② 对奥氏体晶粒长大倾向的影响
碳、氮化物形成元素阻碍奥氏体的长大。合金元素与碳和氮的亲和力越大,阻碍奥氏体晶粒长大的作用也越强烈,因而强碳化物和氮化物形成元素具有细化晶粒的作用。Mn 、P对奥氏体晶粒的长大起促进作用,因此含锰钢加热时应严格控制加热温度和保温时间。
 
对钢冷却时过冷奥氏体转变过程的影响
① 对C曲线和淬透性的影响
除Co外,凡溶入奥氏体的合金元素均使C曲线右移,钢的临界冷却速度下降,淬透性提高。淬透性的提高,可使淬火的冷却速度降低,这有利于减少零件的淬火变形和开裂倾向。合金元素对钢淬透性的影响取决于该元素的作用强度和溶解量,钢中常用的提高淬透性元素为Mn、Si、Cr、Ni、B。如果采用多元少量的合金化原则,对提高钢的淬透性将会更为有效。
对于中强和强碳化物形成元素(如铬、钨、钼、钒等),溶于奥氏体后,不仅使C曲线右移,而且还使C曲线的形状发生改变,使珠光体转变与贝氏体转变明显地分为两个独立的区域。
②对Ms、Mf点的影响
除Co、Al外,所有溶于奥氏体的合金元素都使Ms、Mf点下降,使钢在淬火后的残余奥氏体量增加。一些高合金钢在淬火后残余奥氏体量可高达30%~40%,这对钢的性能会产生不利的影响,可通过淬火后的冷处理和回火处理来降低残余奥氏体量。

对淬火钢回火转变过程的影响
① 提高耐回火性
淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称为耐回火性(也称回火稳定性)。由于合金元素阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大过程,使回火时的硬度降低过程变缓,从而提高钢的耐回火性。因此,当回火硬度相同时,合金钢的回火温度比相同含碳量的碳钢高,这对于消除内应力是有利的,而当回火温度相同时,合金钢的强度、硬度要比碳钢高。
② 产生二次硬化
含有高W、Mo、Cr、V等元素的钢在淬火后回火加热时,由于析出细小弥散的这些元素碳化物以及回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体,使钢的硬度不仅不下降,反而升高,这种现象称为二次硬化。二次硬化使钢具有热硬性,这对于工具钢是非常重要的。
③ 防止第二类回火脆性
如第5章所述,在钢中加入W、Mo可防止第二类回火脆性,这对于需调质处理后使用的大型件有着重要意义。

 

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