金属材料与热处理 教学课件 ppt 作者 吴惠明 第5章碳素钢.ppt

第5章 碳素钢 知识目标： 了解钢中杂质元素对钢性能的影响 掌握碳素钢常用的分类方法 技能目标： 掌握碳素钢牌号的表示方法 根据用途正确选用碳素钢牌号 碳素钢，简称碳钢。是指含碳量大于0.0218%，小于2.11%，且不含有特意加入合金元素的铁碳合金。 碳素钢冶炼容易，价格便宜，工艺性能好，力学性能可满足一般工程构件、普通机械零件和工具的使用要求，故在机械制造、建筑、交通运输等许多行业中得到广泛的应用。 5.2 碳素钢的分类 5.1 钢中杂质元素对碳素钢性能的影响 5.1.1 硅（Si）硅是钢中的有益元素 5.1.2 锰（Mn）锰是钢中的有益元素 5.1.3 硫（S）硫是钢中的有害元素 5.1.4 磷（P）磷是钢中的有害元素 5.1.5 非金属夹杂物 降低钢的力学性能 5.1.6 氮、氧、氢等气体存在于钢中，对钢的性能会造成严重危害 5.1.1 硅（Si）硅是钢中的有益元素 硅来源于炼钢时使用的生铁和硅铁脱氧剂。 硅具有较强脱氧作用，可有效地清除FeO，改善钢的质量；大部分硅能溶于铁素体，形成含硅铁素体并使之强化，从而提高钢了的强度、硬度和弹性，但降低钢的塑性和韧性； 总的来说，硅可以提高钢了的强度、硬度和弹性，是钢中的有益元素。 钢中的含硅量通常控制在≤0.5%，在碳素镇静钢中一般控制在0.17%～0.37%之间。 5.1.2 锰（Mn） 锰是钢中的有益元素。 锰是炼钢时由生铁和锰铁脱氧剂带入而残留在钢中的杂质元素。锰具有较好的脱氧能力，能清除钢中的FeO，把钢中的FeO还原成铁，降低钢的脆性，改善钢的质量；锰能与硫形成MnS，从而减轻硫对钢的危害，改善钢的热加工性能。锰与FeO、硫的反应产物大部分进入炉渣被除去，而小部分残留在钢中形成非金属夹杂物。锰大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，使铁素体强化，其余部分的锰溶于Fe3C形成合金渗碳体。锰能使钢中珠光体的相对量增加并使之细化，从而使钢的强度和硬度提高。因此，一般认为锰适量时，锰是一种有益元素。 钢中锰的含量一般为0.25%～0.80%之间。 5.1.3 硫（S） 硫是钢中的有害元素。 硫是在炼钢时由生铁和燃料带入钢中的杂质元素，在固态下，硫在铁中的溶解度极小，主要以化合物FeS的形式存在于钢中。FeS能与铁形成低熔点共晶体（Fe+FeS），其熔点约为985℃，并分布在奥氏体晶界上。当钢材加热到1000～1200℃进行轧制或锻造等热加工时，晶界上的Fe+FeS共晶体已熔化，晶粒间结合被破坏，导致钢材在加工过程中沿晶界开裂，这种现象称为热脆性。 5.1.3 硫（S） 硫不仅使钢产生热脆性，而且还会降低钢的强度和韧性。适当增加钢中锰的含量，可减轻硫的有害作用，因为硫和锰的亲和力较硫和铁的亲和力强，锰能从FeS中夺走硫而形成高熔点的MnS（熔点1620℃），MnS呈粒状分布在奥氏体晶粒内，它在高温下不熔化且具有一定塑性，在钢材轧制时，故能有效地避免钢的热脆性。因此钢中锰、硫含量常有定比。MnS是非金属夹杂物，在轧制时会形成热加工纤维，使使钢的性能具有方向性。但在易切削钢中，可适当提高硫的含量，其目的在于提高钢材的可加工性。此外，硫对钢的焊接性有不良的影响，容易导致焊缝产生热裂，产生气孔和疏松。 通常情况下硫是有害杂质元素，应严格控制其含量，一般不超过0.05%。 5.1.4磷（P） 磷是由生铁带入的有害元素。磷能溶解于铁素体中形成固溶体，使铁素体强化，钢的强度、硬度有所提高。但是，在结晶时磷也可形成脆性很大的化合物（Fe3P），使钢在室温下（一般为100℃以下）的塑性和韧性急剧下降，这种脆化现象在低温时更为严重，这种现象称为冷脆。磷在结晶时还容易偏析，从而在局部地方发生冷脆。因此，磷是一种有害杂质元素，应严格控制它的含量，一般钢中含磷量＜0.04%。 钢中的硫和磷是有害元素，应严格控制它们的含量。但是，在易切削钢中，常适当地提高硫、磷的含量，以增加钢的脆性，有利于在切削时形成断裂切屑，改善钢的切削加工性能，从而提高切削效率和延长刀具寿命。此外，钢中加入适量的磷还可以提高钢材的耐大气腐蚀性。 5.1.5非金属夹杂物 在炼钢过程中，由于少量炉渣、耐火材料及冶炼中的反应物可能进入钢液中，从而在钢中形成非金属夹杂物，如氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物等。它们都会降低钢的力学性能，特别是降低塑性、韧性及疲劳强度。 严重时还会使钢在热加工与热处理时产生裂纹，或使用时造成钢突然脆断。非金属夹杂物也促使钢形成热加工纤维组织与带状组织，使钢材具有各向异性。 严重时横向塑性仅为纵向的一半，并使钢的冲击韧度大为降低。 因此，对重要用途的钢，如弹簧钢、滚动轴承钢、渗碳钢等，需要检查非金属夹杂物的数量、形状、