第六章 金属材料分析

3.高级优秀合金结构钢 ，弹簧钢等，在牌号尾部加 “A”
4. 专门用途的低合金钢，合金结构钢在牌号头（或 尾）加代表钢用途的符号，如：铆螺用30CrMnSi 钢，其牌号表示为 ML30CrMnSi
钢号表示方法练习题 普通碳素钢： A3，AY4F，AJ5、BY3，BJ4F，CY4F,CJ5 合金钢： 15MnV，30CrMnSi，38CrMoAlA，00Cr18Ni10 ， 4CrW2Si, 4Cr10Si2Mo，1Cr23Ni18
氧 碱 易 碳 沸 半 高 特 超
普通钢表示方法举例说明 甲类钢、乙类钢、特类钢、沸腾钢 A3、AY4F、AJ5、B2F、BY3、BJ4F A3：3号甲类钢； AY4F：甲类4号氧气转炉沸腾钢 B2F：乙类2号沸腾钢； BJ4F：乙类4号碱性空气转炉沸腾钢
合金钢表示方法
1. 含碳量的表示方法 低合金钢、合金结构钢、合金弹簧钢去牌头用 两位数字表示含碳量的万分之几。 30CrMnSi、38CrMnAlA、16MnV、16Mn
第六章 金属材料分析 §6.1 概述（钢铁基础知识 ) §6.2 钢铁分析 §6.3 有色金属分析
金属材料很多种类，通常分为两大类：黑色金属 和有色金属。含有铁、锰、铬及其合金称为黑色金属 ，除黑色以外的统称为有色金属。 有色金属又按其密度大小、地壳中的储量和分布 情况分为：轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金 属等。我国通常指的有色金属包括Cu、Pb、Zn、Al、 Sn、Sb、Ni、W、Mo、Hg等十种金属及其合金。 本章主要介绍钢铁、铝与铝合金、铜与铜合金
↑
流动性
↑易于铸造 （促使C以 游离态） ↑ 决定钢铁型号及 用途主要指标 直接影响钢铁性 能控制一定量
↑易于铸造 防止轧辊轧 件间粘合
抗酸碱性 检测意义
有害成分严格降至一定量
（六）铬
1. 来源 矿石、为了特殊需要而有意加入 2. 形态 碳化物（Fe，Cr）3C，Cr3C2，Cr7C3， Cr23C8等,氮化物 CrN，Cr2N ，硫化物 CrS、 FeS·Cr2S3 ，氧化物CrxOy（Fe，Mn）O、Cr2O3 3. 性能 增强其机械性能和耐磨性 , 增强钢的弹性 ，抗磁性、耐蚀性和耐热性。 普通钢Cr<0.3%，铬钢Cr 0.5~2%
低合金钢 （合金元素 ≤ 5%） 合金钢 中合金钢 （合金元素 = 5~10%） 高合金钢 （合金元素 ＞ 10%）
2. 生铁的分类
含碳量>2% （>1.7%）的铁碳合金
炼钢生铁：含硅低而含硫高 铸造生铁：含硅高而含硫低 3. 铁合金的分类 指含有炼钢时所需的各种合金元 素的特种生铁。 按所含元素分为：硅铁、锰铁、铬铁、钼铁……。 4. 铸铁的分类 铸铁也是含碳量>2%的铁碳合金 分为普通铸铁和合金铸铁。
按品质分类： 普通钢（甲、乙、特类）： 含S≤0.055%，P≤0.045%（特殊0.050%） 优质钢：结构钢中S≤0.040% 高级优质钢：合金结构钢中 P≤0.035% S≤0.030% 碳素工具钢 P≤0.030% S≤0.020%
按冶炼方法分类：平炉钢、转炉钢、电炉钢
三、钢铁产品牌号表示方法 有了钢号，人们对所确定的某一种钢就有了共同 的概念，对生产、使用、设计、供销工作以及科 学技术的交流等方面都带来了极大的便利。 通常钢号的表示方法是在钢分类的基础上制作而 出来的 我国标准“钢铁产品品牌表示方法”（GB221—79 ）中的总则有如下两条规定：
§6.1 概述 钢铁是铁和碳的合金，其化学成分中大多 数元素是Fe，还含有C、Si、Mn、P、S等元 素。
一、钢的生产过程
焦炭还原铁矿石，铁矿石被焦炭还原生成粗制 铁即生铁 。石灰石CaCO3除SiO2
铁矿石
配比
石灰石 焦 炭
辅助材料 生铁 熔炼
碳素钢 C控制在一定限度 Si Mn 很低 S、P杂质 < 0.05%
四、钢铁分析的意义 综上所述，C是确定钢铁型号及用途的主要指 标，而Si,Mn直接影响钢铁性能(有益的)，也应控制 一定含量，S，P有害成分，必须严格降至一定量。 因此，对于生铁和碳素钢:C，Si，Mn，S，P等五 种元素的含量是冶金或机械工业化验室日常生产控 制的重要指标。
§6.2 钢铁分析p196 主要是钢铁中五元素C、Si、Mn、S、P的分析
总碳量的测定方法通常都是将试样置于高 温氧气中燃烧，使之转化为二氧化碳再用 适当方法测定。归纳起来可分为三大类： 物理法、化学法、物理化学法 如电导法、电量法、滴定法、燃烧-气体容 量法等。
燃烧-气体体积法(气体容量法) 优点：用途广泛（标准方法），本法成本低，有 较高的准确度，测得结果是总碳量的绝对值。 缺点：要求有较熟练的操作技巧，分析时间较长 ，对低碳试样测定误差较大。 1. 方法原理 试样在1200～1300℃的高温O2气流中燃烧，钢 铁中的碳被氧化生成CO2:
C + O2 = CO2↑ 4Fe3C + 13O2 = 4CO2 ↑ + 6Fe2O3 Mn3C +3O2 = CO2 ↑ + Mn3O 2Cr3C2+17O2=8CO2↑+6Cr2O3 3FeS +5O2 = Fe3O4 +3SO2 ↑
3MnS + 5O2 = Mn3O4 + 3SO2 ↑
非氧化性酸 钢中硫化物 + 氧化性酸
H2S SO42-
（五）磷p194
1. 来源 由原料中引入，有时也为了特殊需要而有 意加入 2. 形态 以Fe2P或Fe3P状态存在 3. 性能 Fe3P是一种很硬而脆性大的物质，当磷含 量高时易形成Fe3P，以至钢铁难于加工，并使钢铁 产生“冷脆性” 当P>0.1%便会发生上述危害性，是一种有害元素
（七）镍 普通钢中 Ni<0.3%，不起合金元素作用； 镍钢：平均含Ni>0.5%的钢 1.形态：固溶体 2. 性能：使钢具有高级的机械性能（即可使 钢具有韧性、防腐抗酸性、高导磁性）， 并使晶粒细化提高淬透性，增加硬度等。
3. 溶样特性 含Ni低：HNO3（1+3）或HCl（1 ：1）； 含Ni高：HNO3（1+3）； 高Ni Cr钢：王水或HCl—HNO3混酸（1+1） 或HClO4
2. 合金元素含量表示方法 若含量<1.50%，仅标明元素不标明含量 含量1.50%~2.49%， 2.50%~3.49%……17.5~18.49%……22.50%~23.49 %，在元素符号后相应的写成2、3……23……
合金钢中的Mo、V、Ti、B等元素，如系有意加入 的，虽含量低但仍应标出，如：20MnVB,平均含 C量0.2%，Mn 1.20%~1.60%,V 0.07~0.12%, B 0.001%~0.004%
除掉SiO2
二、钢铁材料的分类p193 1.钢的分类（按化学成分分类 ）： 含碳量一般不超过1.4%（0.2%~1.7%）
工业纯铁 （含碳量≤ 0.04%, <0.2%） 碳素钢 低碳钢 （含碳量≤ 0.25%） 中碳钢 （含碳量=0.25~0.6%） 高碳钢 （含碳量＞0.6%）
特种钢： 若适当提高钢中 Si 或 Mn 含量，或加入一定量的 Ni ， Cr ， W ， Mo ， V ， Ti 等金属，成为特种钢（ 铁合金或合金钢）。
四、各元素在钢中的形态和作用 （一）碳 碳是钢铁的主要成分之一，它直接影响着钢铁 的性能。当C含量在一定范围，C↑，硬度强度↑， 塑性韧性↓，C↓，硬度强度↓，塑性韧性↑ 碳是区别铁与钢，决定钢号、品级的主要标志。 存在形式：
游离态 ：铁碳固溶体中的C，无定形C，石墨C，退火碳 化合态：Fe3C, Mn3C, Cr3C2, WC, MoC等
（四）硫 p194 1.来源 主要由焦炭或原料矿石引入钢铁 2.形态
若：
主要以MnS或FeS状态存在
S
Mn
生成
MnS FeS
反之 过量S和Fe
3 .性能 使钢产生“热脆性”—有害成分 原因：为什么产生热脆性？ FeS的熔点较低，最后凝固，夹杂于钢铁的晶格之 间。当加热压制钢铁时，FeS熔融，钢铁的晶粒失去 连接作用而脆裂 ，使钢的机械性能降低，同时对钢 的耐腐蚀性可焊性也不利，规定S≤0.05%
来 源
焦炭
原料矿 焦炭或 原料引 石；作 入；特 脱硫脱 原料矿 殊需要 氧剂 石引入 加入
硬度 延展性韧性 ↓ ↓
低 ↑ ↓ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑
↑
产生热脆 性 钢中 S<0.05% 生铁 <0.35%
产生冷脆性 生铁P<0.3% 一般碳素钢 <0.06% 优质 钢<0.03%轧 辊钢高达 0.4 – 0.5%磷铁 15 – 20%之 间
一、钢铁中五元素分析 （一）碳的测定 测定各种形态的碳属于相分析；在成分 分析中，一般钢样只测定总碳量。生铁试样 除测定 总碳量 外，常分别测定 游离碳 和 化合 碳的含量。
游离C：不与稀酸反应。用稀HNO3溶 样，将不溶物(包括游离C)与化合C分开 ，再用测定总C方法测定不溶解物中C即 为游离C。 化合C = 总C量 — 游离C
炼钢过程作为还原剂和脱氧剂 大多数硅化物溶于酸，单质Si能溶于强碱溶 液中，溶于氢氟酸
(三)锰
1.来源 少量由原料矿石中引入，主要是在冶炼钢铁过程中 作为脱硫脱氧剂有意加入。 2.形态 钢铁中主要以MnS状态存在，如S含量较低，过量的 锰可能组成MnC、MnSi、FeMnSi等，成固熔体状态 存在 3.性能 增强钢的硬度，减弱延展性。
各元素在钢中的形态和作用表
C 固溶体 形 碳化物Fe3C, 态 Mn3C, Cr3C, WC, MoC. 游离石墨碳 Si 主要硅化物： FeSi,MnSi 高碳钢部分 SiC 有时固熔体或 硅酸盐 原料矿石；脱 氧或特殊需要 加入 Mn MnC, MnS, FeMnSi 固 熔体 S MnS , FeS P Fe2P , Fe3P