工程材料学第六讲

钢的冶炼及碳钢

2

钢的冶炼

生铁碳含量高于 2%，其制品硬而耐磨，但很脆不易焊接；钢的碳含量低于 2%，其制品具有良好的综合性能。

炼钢将生铁中的碳量控制在一定范围内，清

除有害元素 S 、 P 、 O2 、 N2 ，同时保留或加入

有益元素（ Si、 Mn、 Ni、 Cr）并调整元素之间的比例，获得最佳性能。

3

炼钢在 1700C 进行，首先发生 2Fe+O2=2FeO

在铁液中被 C 、 Mn 、 Si 还原，

C+FeO= CO+Fe

Si+2FeO=SiO2+Fe

Mn+FeO=MnO+Fe

生成气体作为废气排出，氧化物成为炉渣排出。

最后加入脱氧剂脱氧，在适当的成分和温度下出钢。

4

平炉炼钢

主要原料是废钢和铁水，造渣剂（石灰、萤石），氧化剂（铁矿石），脱氧剂（铁合金）。炉气作为燃料（煤气、高炉焦炉的高炉煤气、重油天然气等）。

熔化阶段为使炉料尽快熔化，需要消耗大量煤气提供热量。

5

转炉炼钢

（ 1 ）普通转炉炼钢：依靠炉底吹入空气将铁水中的碳、硅、锰、磷等元素氧化时产生的热来炼钢的。特点是周期短，生产效率高。氮的侵入、不能利用废钢，由于冶炼时间短，质量不好控制。所以不能冶炼优质钢。

6

（ 2 ）纯氧顶吹转炉炼钢：采用纯氧从碱性转炉口吹进铁水进行冶炼。原料为铁水，采用部分废钢做冷却剂。加入石灰、萤石除 S 、

P 。用锰、硅或铝脱氧。

7

（ 3 ）电炉炼钢：废钢做原料，冶炼高质量钢的方法。平炉与转炉冶炼时都发生强氧化过程，合金元素烧损严重，电炉利用电能做热源，避免元素烧损。冶炼时杂质少、质量稳定、原材料消耗低，金属回收率高。冶炼船体重要结构钢材及特种钢。

8

转炉炼钢三种炼钢方法比较

具有不同的特点，并且钢中杂质含量不同。含碳量相同时三种钢的强度、伸长率无显著差别，但冲击韧性、冷脆性、焊接性不同，其中普通转炉钢最差。 选材时对重要结构一般可用平炉、电炉或纯氧转炉冶炼，对上层建筑等次要结构可酌情选用普通转炉钢，但需验船部门同意。

9

镇静钢与沸腾钢

根据炼钢时脱氧程度的不同，钢材可分为镇静钢、沸腾钢和半镇静钢。 （ 1 ）镇静钢：用锰、硅（或用铝补充），脱氧完全。浇注后析出气体少，钢锭安静凝固，但有集中缩孔，其他部分致密。

10

（ 2 ）沸腾钢：只用锰脱氧，脱氧不完全。钢中留下的 FeO冷却时与 C 反应生成 CO，在钢锭中呈沸腾状态，凝固后没有集中缩孔，有分散气泡，在轧制与锻造过程中可弥合。

11

（ 3 ）半镇静钢：加入的脱氧剂比镇静钢少，析出的气体比沸腾钢少，浇注后钢锭下部无沸腾，上部有沸腾。

12

脱氧剂中锰、硅、铝的脱氧能力依次增强。沸腾钢中不加硅，所以可用此来区分钢的类型，沸腾钢的 硅含量 0.05% 或 0.07% ，大于0.17~0.35% 为镇静钢。

13

为确保船舶与海洋平台的建造质量和运行安全性，一般采用镇静钢制造。沸腾钢塑性好，价格低，对内河、沿海不进行纵强度计算的船舶可采用，但必须保证锰碳比大于 2.5 ，提高韧性。因为碳降低韧性。

14

碳钢

工业用钢，绝大多数是由冶金厂生产的板材、棒材、型材、管材及线材等。 材料的组织和性能除与其成分、加工工艺及热处理有关外，还与它的冶金质量密切相关。

15

钢的冶金质量

钢的冶金质量是指钢在冶炼、浇注及压力加工后的质量，主要包括钢中所含的杂质元素及非金属夹杂物，钢锭的宏观组织及压力加工后的组织与缺陷，它们均是衡量钢材冶金质量的重要标志。

16

钢中的杂质元素及其质量

碳钢中除铁和碳二个基本组元之外，还含有少量的 Mn、 Si、 P 、 O 、 H 、 N 等元素。它们是从矿石和在冶炼过程中进入钢中的，这些元素称为常存杂质。

17

（ 1 ） Mn和 Si

锰和硅是在炼钢时作为脱氧剂加入钢中的，Mn和 Si都能溶入铁素体，有固溶强化作用，可提高钢的强度。 Mn还能与钢中的 S 形成MnS，降低 S 的有害作用。在合理含量范围内，Mn和 Si是有益元素。

18

（ 2 ） S

硫是在炼钢时由矿石和燃料带到钢中的杂质。硫会引起钢的热脆性，含 S 高的钢，因为有热脆性而难以进行热压力加工。 S 是钢中的有害杂质．但当钢中含 S 量增高的同时并含有较多的 Mn时，可以改善钢的切削加工性能。

19

（ 3 ） P

一般说来，磷是有害杂质元素，它是由矿石和生铁等炼钢原料带入的。 P 在铁中有较大的溶解度，室温下 P 在。 -Fe中溶解度达1.2％。所以钢中的 P 一般都溶于铁中。 P 具有很强的固溶强化作用，但剧烈地降低钢的韧性，尤其是低温韧性，称为冷脆。

20

在一定条件下 P 也具有一定的有益作用，例如由于它降低铁素体的韧性，可以用来提高钢的切削加工性。它与铜共存时，可以显著提高钢的抗大气腐蚀能。

21

钢的分类

（ 1 ）按成分来分：非合金钢、低合金钢、 合金钢（ 2 ）按主要质量等级来分： 普通质量非合金钢 优质非合金钢 特殊质量非合金钢

22

普通质量非合金钢

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下列四种条件的所有钢种：（ 1 ）钢为非合金化的；（ 2 ）不规定热处理；（ 3 ）硫或磷 0.045％；（ 4 ）未规定其它质量要求。 主要包括（ 1 ）一般用途碳素结构钢，比如 A 级、 B 级钢；（ 2 ）碳素钢筋钢，比如Q235；（ 3 ）铁道用一般碳素钢；（ 4 ）一般钢板桩型钢。

23

优质非合金钢

在生产过程中需要特别控制质量 ( 例如控制晶粒度，降 S 、 P ，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。 这类钢主要包括（ 1 ）机械结构用优质碳素钢，如15Mn~65Mn 的条钢；（ 2 ）工程结构用碳素钢，如 C 、

D级钢；（ 3 ）冲压薄板的低碳结构钢；（ 4 ）镀层板、带用的碳素钢；（ 5 ）锅炉和压力容器用碳素钢；（ 6 ）铁道用优质碳素钢；（ 7 ）焊条用碳素钢等。

24

特殊质量非合金钢

在生产过程中需要严格控制质量和性能 (如淬透性和纯洁度 ) 。在成分上有特别严格的要求；对夹杂物有严格限制。 这类钢主要包括：（ 1 ）碳素工具钢，如T7~T13Mn 钢；（ 2 ）碳素弹簧钢，如 65Mn~70Mn 钢；（ 3 ）保证淬透性的非合金钢，如 GB5216标准中的 45H ；（ 4 ）其它，如航空、兵器用非合金钢，特殊焊条用非合金钢以及电磁纯铁、原料纯铁等。

25

按主要性能及使用特性分类

（ 1 ）以规定最高强度 ( 或硬度 ) 为主要特性的非合金钢，如冷成型用钢；（ 2 ）以规定最低强度为主要特性的非合金钢，如压力容器用钢；（ 3 ）以限制碳含量为主要特性的非合金钢，例如弹簧钢、调质钢；

26

（ 4 ）非合金工具钢，如 T7~T13A 钢；（ 5 ）非合金易切削钢；（ 6 ）其它，如电磁纯铁、原料纯铁等。 在有些国家的标准和生产中还根据碳含量将碳钢分为超低碳钢（ 0.025%C ）、低碳钢（ 0.25%C ）、中碳钢（ 0.25~0.60%C ）、高碳钢（ 0.60%C ）。

27

非合金钢的牌号和用途

（ 1 ）普通碳素结构钢 由代表屈服点的字母、数值、质量等级符号、脱氧方法四部分组成。比如：Q235FA 。 Q 钢材屈服点汉语拼音首位字母； A 、 B 、 C 、 D 为质量等级； F 为沸腾钢， B 为半镇静钢， Z 为镇静钢，TZ 为特殊镇静钢。

28

碳素结构钢碳的质量分数较低，焊接性能好，塑性、韧性好，价格低，常热轧成钢板、钢带、型钢、棒钢，用于桥梁、建筑等工程构件和要求不高的机器零件。通常在热轧供应状态下直接使用，很少再进行热处理。

29

碳素结构钢 GB700-88

30

新旧 GB700标准牌号对照

31

（ 2 ）优质碳素结构钢 钢号用两位数字表示，代表平均碳含量的万分之几。如 45 钢表示钢中平均碳的质量分数为万分之 45 ，即 0.45% 。 较高含锰量的优质碳素结构钢，在数字后标出锰元素符号。例如，碳的平均质量分数为0.50％，锰的质量分数为 0.7~1.0% 的镇静钢，其牌号表示为 50Mn 。

32

优质碳素结构钢用途广泛，一般要经过热处理提高性能。 含碳量较低的 08 、 08F 、 10 、 10F

钢塑性、韧性好，具有良好的冷成形性和焊接性，常冷轧成薄板，用于制作冷冲压件，如汽车车身、仪表外壳等；

33

15 、 20 、 25 钢经渗碳、淬火后表硬心韧，用于制作表面耐磨心部强度要求不高的零件； 45 、 50 钢经热处理 (淬火加高温回火 ) 后具有良好的综合力学性能，用于制作轴类零件，如曲轴、连杆、车床主轴、车床齿轮等； 55 、 60 、 65 钢经热处理 (淬火加中温回火 ) 后具有高的弹性极限。用于制作负荷不大的弹簧。

34

优质碳素结构钢的牌号、成分及性能

35

（ 3 ）碳素工具钢 在钢号前加“ T” 或“碳”表示碳素工具钢，其后跟以表示碳的质量分数的干分之几的数字。例如 T8表示平均碳的质量分数为千分之八，即 0. 8％的碳素工具钢。 碳素工具钢经热处理 (淬火加低温回火 ) 后具有高硬度，用于制作尺寸较小、形状简单、工作温度不高的量具、刃具、模具等。

36

常用碳素工具钢的牌号、成分及性能

37

造船用碳素结构钢除对冶炼方法及成分规定按照GB712-89《船体用结构钢》标准，还对交货状态、力学性能和工艺性能也都作了详细的规定。还规定 D 钢和 E钢的晶粒度应不小于 5 级，钢板表面不允许有气泡、结疤、拉裂、裂缝、夹杂、氧化皮等缺陷。

影响材料抗脆断破坏能力的两个主要影响因素：温度和板厚。

38