第6章 轧钢生产基础知识

第六章轧钢生产基础知识第一节钢的性能金属材料的使用性能是为了保证金属材料所制成的产品（机械零件或金属结构件等）能正常使用而应具备的性能，称为金属材料的使用性能。

它包括：物理性能、化学性能、机械性能等。

下面就针对钢的这几方面的性能分别加以简要介绍。

一、物理性能物理性能是指金属不发生变化所表现的性能，包括密度、熔点、导电性、导热性、磁性等。

(一)密度是指单位体积所具有的质量，即：密度=质量/体积，单位为：g/cm3。

钢的密度为：7.85g/cm3，铝的密度为 2.7g/cm3。

在航空航天领域中，在相同的强度下要求尽量减轻质量，所以象铝合金和钛合金就比较受欢迎，一般不用钢材。

在钢材的供应销售中，经常根据金属材料的密度来计算其质量，即：质量=密度*体积，这样算出的质量称为理论质量或理论重量。

(二)熔点指物质（晶体）有固态转变为液态的温度。

钢的熔点为1400～1500℃，铝的熔点为658℃，纯铁的熔点为1538℃。

钢的熔点是冶炼、铸造、焊接、热镀是必须考虑的因素。

(三)导热性指金属传导热量的能力。

纯金属的导热性比合金好。

钢的导热性一般，比铜、铝及其合金差。

(四)热膨胀性一般的金属材料在受热时体积胀大（即几何尺寸要伸长）的性质，通常用膨胀系数表示。

(五)导电性指金属传导电流的能力。

一般说来，纯金属的导电性比合金的好。

银的导电性最好，其次为铜铝。

如果把银的导电性作为100，那幺铜的为94，铝的为55，铁为2，镍铬更差。

导电性好，电能损失小，反之，电流通过时会产生很大热量。

(六)磁性金属能被磁场吸引后磁化的性能。

钢为铁磁性的，即在外磁中能强烈被磁化的。

另外还有电阻率、电导性、比热、磁场强度即磁导率等物理性能，但这些与轧钢没有多大关系，就不一一阐述了。

重点要掌握钢的密度、熔点等物理性能，其它的性能作为了解内容。

二、化学性能金属材料的化学性能主要指其化学稳定性，即抵抗周围各种介质（如大气、水、各种酸、碱、盐溶液）腐蚀的能力。

包括抗氧化性、抗蚀性等。

(一)抗氧化性是指金属抵抗高温气体腐蚀的能力，也属于金属抗蚀性的范畴。

一般钢材的抗腐蚀性较差；不锈钢的抗氧化性强，主要是因为里面加了合金元素如：铬、镍和锶等。

(二)抗蚀性抗蚀性又叫耐蚀性，是指金属材料抵抗周围介质腐蚀作用的能力。

金属的抗蚀性好，就不易受到周围介质的作用而发生质量上的变化，表现出稳定的化学性能，因此又叫做化学稳定性。

根据腐蚀的种类不同，抗蚀性可分为抗氧化性，耐酸性等。

一般说来，钢铁抗蚀性不如有色金属。

但是，不同有色金属的抗蚀性不同，同一种有色金属的抗蚀性的好坏，也因周围腐蚀介质的种类不同而异。

三、机械性能金属的机械性能包括力学性能和工艺性能。

(一)力学性能是指金属材料在外力的作用下所表现出来的各种特征，如：弹性、塑性、强度、硬度等。

1.弹性金属材料受外力作用发生了变形，当去掉外力后，恢复原来行状和尺寸的能力。

金属材料弹性的好坏是通过弹性极限、比例极限来反映的。

弹簧钢有两种：碳素弹簧钢和合金弹簧钢。

碳素弹簧钢的含碳量在0.6～0.9%，合金弹簧钢的含碳量在0.5～0.7%（加以硅、锰合金元素或是铬、钨、钒合金元素）。

2.塑性金属材料在外力作用下产生永久变形（指去掉外力不能恢复原状的变形），但不会被破坏的能力。

塑性用伸长率（延伸率）、断面收缩率表示。

金属的塑性与温度、变形方式（如拉伸和挤压时金属塑性不同）。

金属的塑性是进行压力加工、冷弯工艺必须考虑的重要因素。

钢铁在高温下塑性很好，在常温下也有一定的塑性。

在钢材常规检验中，延伸率是一重要的指标。

3.强度金属材料在外力作用下抵抗变形和断裂的能力。

金属材料的强度，是通过比例极限、弹性极限、屈服强度、抗拉强度等许多强度指标来反映的。

不同的钢种的强度差别挺大。

在钢材常规检验中，屈服强度和抗拉强度是两项重要指标。

4.屈服点金属试样在拉伸过程中，负荷不再增加，而试样仍继续发生变形的现象，称为“屈服”。

发生屈服现象时的应力，即开始出现塑性变形时的应力，称为屈服点或屈服极限，用σs表示，单位为Mpa。

计算公式为：σs=P s（材料屈服时的负荷）/F0（试样原横截面面积）5.屈服强度对于一些屈服现象不明显的金属材料，测定屈服点比较困难，常把产生0.2%永久变形的应力定为屈服点，称为屈服强度或条件屈服极限。

用σ0.2表示，单位为Mpa。

计算公式：σ0.2=P0.2（试样拉断前的最大负荷）/F0（试样原截面面积）6.抗拉强度金属试样拉伸时，再拉断前所承受的最大压力。

它表示金属材料再拉力作用下抵抗大量塑性变形和破坏的能力。

抗拉强度以σb表示，单位为Mpa。

计算公式为：σb=P b（试样拉断前的最大负荷）/F0（试样原横截面面积）7.伸长率（延伸率）指金属在拉伸试验时，试样拉断后，其标距部分所增加的长度与原标距长度的百分比。

以δ表示，单位为%，计算公式为：δ=（L1～L0）/L0×100%其中：L1表示拉断后试样标距长度，单位为mmL0表示试样原标距长度，单位为mm标距长度对伸长率影响很大，所以伸长率必须注明标距。

如：L0=5D0（D0为等效直径）。

钢材常规检验中按照标准进行。

8.断面收缩率金属拉伸试验中，在断裂处试样截面面积减小的百分率。

以ψ表示，单位为%。

计算公式为：ψ=（F0～F1）/F0×100%其中：F0表示试样原横截面面积，单位mm2F1表示试样断裂处的最小面积，单位mm29.冲击吸收功或冲击韧性值金属材料对冲击的抵抗能力称为韧性，通常用冲击吸收功或冲击韧性值来度量。

用一定尺寸和形状的试样，在规定类型的试验机上收一次冲击负荷折断时所吸收的功，称冲击吸收功，以A K表示，单位为J；试验刻槽处单位面积上所消耗的功，称为冲击韧性值，以a K表示，单位为KJ/m2。

计算公式为：a K=A K（冲击吸收功，KJ）/F（试验前试样刻槽的横截面积，m2）10.低温冲击韧性和高温冲击韧性金属材料在常温、低温及高温下所测得的冲击吸收功或冲击韧性值是不一样的。

低温条件下的冲击韧性称为低温冲击韧性；高温条件下测的冲击韧性，称为高温冲击韧性。

低温或高高温的冲击吸收功或冲击韧性值都要注明试验温度。

11.硬度材料抵抗更硬物质压入其表面的能力。

硬度不是一个单纯的物理量，而是反映弹性、强度与塑性等综合性能指标。

它是金属材料的重要性能指标之一。

一般来说，硬度越高耐磨性愈好。

根据试验方法和适应范围的不同，硬度可分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度、肖氏硬度等。

下面重点介绍布氏硬度，其它各种硬度作了解即可。

12.布氏硬度用一定直径D的淬硬钢球，以规定负荷P压入试验金属表面并保持一定时间，除去负荷后，测量金属表面的压痕直径，以直径算出压痕球面积F，再以负荷P除以压痕球面积F所得之商，为该金属的布氏硬度值。

布氏硬度以HB表示，单位为Kgf/mm2，但使用中一般不表注单位。

计算公式为：HB=2P/（πD（D～22dD ）式中：P——所加的规定负荷，kgfD——钢球直径，mmd——压痕直径，mm布氏硬度测定较为准确可靠，但只使用于测定HB8～HB480范围内的金属材料。

13.脆性材料在受力时没有显着的变形而突然断裂的性质。

金属材料的脆性主要取决于其成分和组织结构。

脆性有热脆性和冷脆性之分；钢的热脆一般是由硫引起，冷脆一般是由磷引起的。

钢除了以上这些的力学性能外，还有象高温硬度、红硬性、疲劳极限和疲劳强度、蠕变极限、持久极限（持久强度）、抗压强度及抗弯强度等性能。

实际工作中，我们主要掌握屈服强度、抗拉强度、延伸率、冲击功及布氏硬度等，其它有个了解就行。

(二)工艺性能是指金属材料在投入生产的过程中，能承受各种加工制造工艺而不产生疵病或废品而应具备的性能。

它包括冷弯性、焊接性、切削加工性及冲压性等。

1.冷弯性指金属材料在常温下能承受弯曲而不破坏的能力。

出现裂纹前能承受的弯曲程度愈大，则材料的冷弯性愈好。

弯曲程度一般用弯曲角度或弯芯直径对材料厚度a的比值来表示，弯曲角度愈大或弯芯直径d对材料厚度a的比值愈小，则材料的冷弯性能愈好。

金属材料的塑性愈好则其冷弯性能愈好。

2.焊接性（可焊性）是指金属材料适应常用焊接方法和工艺的能力。

金属的焊接性一般根据焊接时产生裂纹的敏感性及焊缝区力学性能的变化来判断。

碳当量小于0.2%的钢的焊接性较好，降低钢中S和P的含量对提高钢的焊接性也大有好处。

碳当量经验公式如下：碳当量[C]=w C+w Mn/6+w Cr/5+w Mo/4+w Ni/15+w Si/24+（w Cu/13+w P/2）3.切削加工性是金属材料被切削加工时所表现出来的性能，亦即金属材料切削加工的难易程度。

硬度在HB=140～250之间的钢的切削加工性较好。

4.冲压性是指金属经过冲压变形而不产生裂纹等缺陷的能力。

检验金属材料冲压性能的方法叫杯凸试验（也叫艾利克森试验）。

钢的工艺性能还有铸造性、顶锻性及气密性等，我们要重点掌握冷弯性、冲压性及焊接性等，其它作了解即可。

第二节钢的内部结构金属材料的化学成分不同，其性能也不同。

但对于同一种成分的金属材料，通过不同的加工处理工艺，改变材料内部的组织结构，也可以时其性能发生极大的变化。

由此可以看出，除化学成分外，金属的内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素。

所以我们要了解钢的内部结构。

钢及其合金通常都是晶体，要了解钢及合金的内部结构，首先要了解晶体的结构。

一、晶体结构(一)晶体的特性谈到晶体，大家很容易联想到价格昂贵的钻石和晶莹剔透的各种宝石。

这些的确是晶体，并且这些都是有规则几何外形的天然晶体。

事实上，象食盐、冰块、雪花及各种金属制品都是晶体。

可见，晶体与非晶体的区别不在外形，主要在于内部的原子排列情况。

在晶体中，原子按一定的规律周期性排列着，而所有的非晶体，如玻璃、木材、棉花等，其内部原子则是散乱分布着，至多有些局部的短程规则排列。

晶体与非晶体的区别主要有熔点和各项异性。

但在一定条件下，晶体和非晶体可以相互转变。

晶体可分为单晶体和多晶体两类。

(二)晶格与晶胞为了了解晶体结构，假定理想晶体中的原子都是固定不动的钢球，那幺晶体即由这些钢球堆垛而成，图6.1 a即为这种原子堆垛模型，从中可以看出，原子在各个方向的排列都是很有规则。

这种模型的优点是立体感强，很直观；缺点是每个钢球密密麻麻地堆积在一起，很难看清内部排列的规律和特点，不便于研究。

为了清楚地表明原子在空间排列地规律性，常常将构成晶体地实际质点（原子、离子或分子）忽略，而将它们抽象为纯粹地几何点，称之为阵点或结点。

这些阵点可以是原子或分子的中心，也可以是彼此等同的原子群或分子群的中心，各个阵点的周围环境都相同。

为了观察方便起见，可以做许多的直线将这些阵点连接起来，构成一个三维的空间格架，如图6.1 b所示，这种用以描述晶体中原子（离子或分子）排列规律的空间格架称为空间点阵，简称为点阵或晶格。