材料家族之一：工业材料的“脊梁”—钢铁

特殊镇静钢
4、按金相组织分 亚共析钢 按退火组织分 共 析 钢 过共析钢 珠光体钢 贝氏体钢 马氏体钢 按正火组织分 铁素体钢 奥氏体钢 莱氏体钢
电弧炉炼钢
5、按用途分 工程用钢 建筑、桥梁、船舶、车辆 渗 碳 钢 结构钢 调 质 钢 机器用钢 弹 簧 钢 滚动轴承钢 耐 磨 钢 刃具钢 工 具 钢 模具钢 量具钢 特 殊 性 不锈钢 耐热钢 能钢


4、使用状态下组织：F+P

5、用途： Q345钢(16Mn)综合性能好， 用于船舶、桥梁、车辆等大 型钢结构。 Q390钢含V、Ti、Nb，强度
南京长江大桥

高，用于中等压力的压力容
器。

Q460钢含Mo、B，正火组 织为贝氏体，强度高,用于石 化中温高压容器.
五、弹簧钢

制造弹簧或类似性能零件的钢 种。 1、性能要求 弹簧是利用弹性变形储存能量
床及汽车箱体等；
可用焊接成形方法拼焊成各种大型工程结
构及零件制造，并且大多都易于切削加工。
二、钢铁中的基本相及组织
钢铁材料的基本组元是铁和碳，故又称为铁碳合金。 其中铁是基本成分，而碳是影响铁碳合金性能的主要成分。 钢铁材料中常见的相及组织如下: 1.铁素体（F）: 是碳溶于α -Fe中形成的间隙固溶体，最大溶解 度 为0.0218%。强度、硬度低，塑性好. 2.奥氏体（A）: 是碳溶于γ -Fe中形成的间隙固溶体，最大溶 解度2.11%，强度低，塑性特好. 3.渗碳体（Fe3C）: 渗碳体Fe3C为铁与碳形成的金属化合物，晶格 复杂，硬而脆

从成分上看:

钢铁材料有塑性很好、强度较低的低碳钢; 有强韧性很高的中碳钢，有硬而耐磨的高碳钢; 也有塑性很差，但消震性、铸造性却很好的铸铁。

从形状及工艺方面看:
钢铁材料可轧制成很薄的板材以便制造 各种产品壳体，拉成很细的钢丝作钢丝绳，轧 制各种槽钢、角钢、钢管等作各种工程结构；

可用铸造成形生产各种复杂机器零件，如机
显微组织为由铁素体片与渗碳体片交替排列的
片状组织
9
10
4.珠光体（P）: 由层片状渗碳体分布在铁素体基体上组成的机 械混合物. 5.莱氏体（Ld）: 渗碳体基体上分布一定形态、数量的奥氏体 或珠光体而组成的机械混合物，其性能硬而脆. 6.马氏体（M）: 马氏体M为碳在α -Fe中的“超过饱和”固 溶体 . 7.贝氏体（B）: 稍过饱和的极细铁素体上分布弥散的碳化物而 组成的机械混合物.
（2）高炉煤气 高炉排出的炉气中，含有大量的CO、 CH4和H2等，是可燃性煤气 （3）炉渣 可以用来制造水泥和渣砖等建筑材料。
三、炼钢：
炼钢的目的： 就是去除生铁中多余的碳和大量杂质，使成分达到钢的要 求的过程。 1．现代炼钢法的基本过程 炼钢过程中首先把生铁熔化成液体。炼钢的 基本过程是氧化（炼铁主要为还原）。
挤压模具
齿 轮
刀 具
丝 锥
二、常见钢铁材料：
1．碳素钢： （1）普通碳素结构钢： 常用于一般工程结构及机器零件。主要钢 号为：Q195、Q215、Q235A、Q235C、Q255等。 （2）优质碳素结构钢： 主要钢号为含碳稍多的低碳钢（如15、20 号钢）；含碳量较高的中碳钢（如40、45、50号钢）；含 碳量接近高碳的60、65号钢 。 （3）碳素工具钢 ： 碳素工具钢的平均含碳量为0.7%～1.3%， 主要牌号为T12、T10、 T7、T8。

工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。 碳素钢是指含碳量低于
2.11%的铁碳合金。

合金钢是指为了提高钢
的性能，在碳钢基础上
有意加入一定量合金元
素所获得的铁基合金。
2．合金钢： 为克服碳钢性能上的不足，人们通过在优质碳素钢基础 上加入锰、镍、铬、钨 、钼、铌、钒、钛、硼等合金元素 来改善碳钢的性能，从而形成了合金钢。 （1）低合金结构钢 是在低碳的碳素结构钢基础上， 加入少量合金元素（总量小于3%）而发展起来的。 （2） 合金工具钢 是在前述碳素工具钢的基础上 加入Cr、W、Mo、V、Mn、Si等合金元素而制得。
第二节 : 钢 铁 的 生 产 ——钢铁是怎样炼成的
钢铁生产的基本流程如右图所示 :
钢铁是这样炼 成的！！！
一、钢铁生产的历程：
早在2600年前的春秋战国时代后期，我们的祖先就 发明了生铁冶炼技术，成为最早使用铁器的民族之一。 近代炼钢技术可追溯到1740年霍茨曼的坩埚炼钢法， 即“炒钢”法
第七章：材料家族之一：工业材料的“脊梁” ——钢铁
第一节 ：钢铁的应用特征和组成
第二节 ： 钢铁的生产——钢铁是怎样炼成的 第三节 ： 工程材料的主力——钢铁 第四节 ：强中更有强中手——超高强度钢 第五节 ：不锈钢及其他特殊钢
第一节：钢铁的应用特征和组成
一、钢铁的应用特征
人们常把钢铁生产及使用的数量和质量作为一个国 家经济发展水平及实力大小的评价标志。

或缓和冲击的零件。

⑴ 高的σs，σs/σb； 高的σ-1；足够的韧性

⑵ 高的淬透性。

2、成分特点 ⑴ 中高碳： 碳素弹簧钢为0.6~0.9%C 合金弹簧钢为0.45~0.7%C


⑵ 合金元素作用：
① 提高淬透性、强化铁素体： Mn、Si、Cr ② 提高s/b：Si ③ 细化晶粒：V
结构钢

对结构钢的性能要求为： 使用性能以强韧性为主。 工艺性能以可焊性、淬 透性为主。 合金结构钢除少量为中 高合金钢外，都是低合 金钢.
铜 陵 长 江 公 路 大 桥

一、碳素结构钢

1、成分：<0.4%C, P、S 量及非金属夹杂较多.


2、性能：可焊性、塑性好。
3、热处理：不进行专门热

奥氏体（Austenite，符号A表示）
碳溶解在-Fe中的间隙固溶体
仍保持
-Fe的面心立方晶格，晶界比较直，呈规 则多边形 727℃时溶碳为c ＝0.77％，1148℃时可溶碳 2.11％ 具有较高塑性
5

马氏体（Martensite，符号M表示）
碳在-Fe中的过饱和固溶体
Iron Age
Iron Age
13
1856年英国人贝塞曼的酸性（炉衬）转炉法及1864 年法国人马丁发明的平炉炼钢法是作为有价值的工业技术
20世纪初，法国冶金专家埃鲁针对平炉和转炉难以炼 出高级合金钢的缺点，发明了电弧炉炼钢法，他避免了空 气烧毁合金元素的缺点，被专门用来冶炼高级合金钢。
二、炼铁
1．炼铁的炉料和高炉： 炼铁的主要炉料是铁矿石、焦炭和石灰石。炼铁所用 的主要设备是高炉。
炼铁过程的化学
3Fe2O3 11C 2Fe3C 9CO Fe2O3 3C 2Fe 3CO
Equations
Fe3C FeO 4Fe CO
15
铸铁 依含碳量

汽车板簧
大型热卷弹簧
六、滚动轴承钢

用于制造轴承套和滚动体的专用钢种。 1、性能要求

轴承工作时, 承受接触应力(达
3000~3500MPa)、周期性交变 。
和杂质多少
Alloys of iron & carbon
锻铁
钢铁
铁和碳的合金
16
第八世纪的 "Carolingian"剑
东方曲剑" Persian "
Sw ord s
土耳其的 "Damascus" 剑
日本剑的锋口部份
Chapter1 Introduction 17
2．高炉产品： （1）生铁 高炉可冶炼出炼钢生铁和铸造生铁。
四、型材生产：
第三节 : 工 程 材 料 的 主 力
一、钢的分类：
1：按钢的含碳量分类低碳钢、中碳钢、高碳钢
——钢铁
2：按冶金特点分类结构钢可分为：普通钢、优质钢、高级 优质钢（在钢号后加A）和特级优质钢； 按钢材冶炼时的脱氧程度可分为：沸腾钢、半镇静钢、 镇静钢、特殊镇静钢。 3：按用途和性能可分为结构钢、工具钢、轴承钢、不锈钢、 耐蚀钢和耐热钢等； 按成分可分为非合金钢（即碳素钢）、低合金钢及合金 钢。

⑶ 良好的耐蚀性及低
的韧脆转变温度。

2、成分特点 ⑴ 低碳：≤0.2%C. ⑵ 合金元素：主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等。


① Mn的作用是强化铁素体；增加珠光体的量。
② V、Ti、Nb等起细化晶粒和弥散强化作用。 ③ 另外加Cu、P可提高耐蚀性；加RE可提高韧性、疲劳极 限，降低冷脆转变温度。 3、热处理：大多数热轧空冷后使用。少数可用正火+ 高温回火处理。
• 按质量分
• 钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。
• 分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢.
• 根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：
碳 素 钢 P ≤0.045 ≤0.035 ≤0.030 S ≤0.045 ≤0.035 ≤0.030 合 金 钢 P ≤0.045 ≤0.035 ≤0.025 S ≤0.045 ≤0.035 ≤0.025
汽车弹簧
弹簧丝


3、热处理及组织特点 ⑴ 冷成型弹簧：冷拔→ 冷成型→定 型处理(250~300℃)。


用于<φ10mm弹簧。
⑵ 热成型弹簧： 热成型→淬火+中温回火
冷卷螺旋压缩弹簧
汽车板簧淬火线

使用状态下的组织：T回 用于大截面弹簧(>φ10mm)


5、常用钢号及用途
Si、Mn弹簧钢，如65Mn、60Si2Mn，用于制造较大截面弹 簧。 Cr、V弹簧钢，如50CrV，用于大截面、大载荷、耐热的弹 簧。