第六章 金属材料分析

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
GB221—79总则： （1）产品牌号的命名，采用汉语拼音字母，化学元素 符号及阿拉伯数字（与平均含碳量有关）相结合的 方法表示。常用化学元素符号，见周期表；仅混和 稀土元素用“Xt”表示。 （2）采用汉语拼音表示产品名称，用途，特性和工艺 方法时，一般以代表产品名称的汉字拼音的第一个 字母表示，当和另一产品所取字母重复时，改取第 二个或第三个字母，或同时选取两个汉字的汉语拼 音的第一个字母。
C + O2 = CO2↑ 4Fe3C + 13O2 = 4CO2 ↑ + 6Fe2O3 Mn3C +3O2 = CO2 ↑ + Mn3O 2Cr3C2+17O2=8CO2↑+6Cr2O3 3FeS +5O2 = Fe3O4 +3SO2 ↑
3MnS + 5O2 = Mn3O4 + 3SO2 ↑
高温燃烧
生铁
C 2.5 - 4% Mn 0.5 - 6% Si 0.5 - 3% S,P(少量)
铁矿石和焦炭、石灰石按一定比例配合，经 过高温煅烧、冶炼，则铁矿石被焦炭还原，生成 粗制的铁，称生铁。反应历程较复杂，可用下式 代表：
2Fe2O3 + 3C
4Fe + 3CO2
CaCO3 + SiO2
CaSiO3 + CO2
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。
产品名称、用途、特点和工艺方法命名符号
名称 碱性平炉炼钢用生铁 顶吹氧气转炉炼钢用生铁 碱性空气转炉炼钢用生铁 铸造用生铁 甲类钢（普通碳素钢） 乙类钢（普通碳素钢） 特类钢（普通碳素钢） 氧气转炉 碱性空气转炉 易切削钢 碳素工具钢 沸腾钢 半镇静钢 高级钢 特级钢 超级钢 采用的汉字及符号 平 顶 碱 铸 P D J Z A B C Y J Y T F1 b A E C 位置 牌号头
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
对存在状态的影响： 灰口生铁，石墨C多，软而韧 白口生铁，化合物C多，硬而脆 碳素钢据C 含量分三类，低、中、高碳素钢
低碳钢 < 0.2% 称纯铁或熟铁 按含碳量分钢 中碳钢 0.2 - 1.7% (称钢 ) 高碳钢 > 1.7% （ 1.7 - 4% ）
（二）硅 1.来源 由原料矿石引入或脱氧及特殊需要而有意 加入 2.形态 主要以硅化物：FeSi 、MnSi 、FeMnSi 存 在。在高C钢中，一部分以SiC存在，也有时形成固 熔体或硅酸盐。 3.性能 增强钢的硬度、弹性及强度，提高抗氧化能力及耐 酸性 促使C以游离态石墨状态，使钢高于流动性，易于 铸造
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：
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
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:
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 熔点 弹性强度抗 氧化性
高 ↑ ↓ ↓ ↓
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
不锈钢、耐酸钢、耐热钢等.一般用一位数表示平 均含碳量的千分之几，若平均含碳量<0.1%时， 用“0”表示；若<0.03%时，用 “00”表示， 2Cr13，1Cr23 Ni18，00Cr18 Ni10 合金工具钢，高速工具钢，高C轴承钢等，一般 不标出含碳量数字；若平均含碳量<1%可用一位 数字表示含碳量的千分之几
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）。
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
非氧化性酸 钢中硫化物 + 氧化性酸
H2S SO42-
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（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
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
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%
§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
（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%
（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
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
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。
↑
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%