金属工艺学第六章.

第六章工业用钢钢中常存元素的作用；钢中合金元素的作用；钢的分类；钢的编号方法;碳素钢；合金钢。一、钢中常存元素的作用主要元素：Fe、C有益元素：Mn、Si；有害元素：S、P、O、N、H。Mn—脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。Si—有很强的固溶强化作用,能脱氧；1）有益元素：2）有害的非气体元素:P—有很强的固溶强化作用,低温韧性差(冷脆)；S—能引起钢在热加工时或高温工作下开裂(热裂或称热脆)。3）有害的气体元素:N：钢中过饱和N在常温放置过程中会发生时效脆化。加Ti、V、Al等元素可消除时效倾向。O：钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源。H：原子态的过饱和氢时将降低韧性,引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点。钢中白点二、钢中合金元素的作用合金元素在钢中的存在形式固溶体形成强化相非金属夹杂单质（一）合金元素与铁的相互作用缩小奥氏体相区的元素：Cr、Mo、W、Ti、Si、Al、B等；扩大奥氏体相区的元素：Ni、Mn、Co、Cu、Zn、N等。（二）合金元素与碳的相互作用碳化物形成元素：Hf（铪)→Zr→Ti→Ta→Nb→Mo→Cr→Mn→Fe非碳化物形成元素：Ni,Al,Si,Co,Cu。（三）合金元素对热处理工艺的影响合金元素对钢在加热时奥氏体化的影响对奥氏体化的影响；对奥氏体晶粒度的影响。合金元素对淬透性的影响大多数合金元素提高钢的淬透性，常用的元素有Cr、Mn、Ni、W、Mo、V、Ti等。合金元素对回火转变的影响大多数合金元素均提高钢的回火稳定性；二次硬化；回火脆性。三钢的分类按用途分类：结构钢、工具钢、特殊性能钢、（专用钢）；按化学成分分类：碳素钢—低碳钢、中碳钢、高碳钢合金钢—低合金钢、中合金钢、高合金钢主要合金元素来分—锰钢、铬钢、铬镍钢按显微组织分类：按退火组织—亚共析钢、共析钢、过共析钢按正火组织分类—珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢、铁素体钢。按品质（S、P含量）分类：普通钢、优质钢、高级优质钢、特级优质钢按冶炼方法分类：根据冶炼所用炼钢炉—平炉钢、转炉钢和电炉钢根据冶炼时脱氧程度—沸腾钢、镇静钢、半镇静钢四钢的编号碳素结构钢：Q235-A·F；优质碳素结构钢：45、45Mn；碳素工具钢：T8、T8A；碳素铸钢：ZG200-400。（一）碳钢的编号方法（二）合金钢的编号方法合金结构钢：二位数字+元素符号+数字，例：60Si2Mn；合金工具钢：一位数字+元素符号+数字，例：9SiCr；专用钢：GCr15。五碳素钢牌号——如Q215B，表示s≥215MPa（直径≤16mm），B级质量。碳素结构钢的机械性能(GB/T700-1988)牌号等级拉伸试验冲击试验屈服点s，MPa抗拉强度b/MPa伸长率s,%温度℃V型冲击功(纵向)J钢材厚度(直径)，mm钢材厚度(直径),mm1640~60100~1501501640~60100~150150不小于不小于不小于Q195－195－－－315-39033－－－－－Q215A/B215195175165335-41031292726－/20－/27Q235A/BC/D235215195185375-46026242221－/200/-20－/27Q255A/B255235215205410-51024222019－/20－/27Q275－275255235225490-61020181615－－1.普通碳素结构钢用途钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。热处理：热轧空冷组织：S＋F多边型角钢螺钉、铆钉钢筋、螺纹钢建筑构件钢桥梁2．优质碳素结构钢牌号——如45钢，含C量为45/10000=0.45%。优质碳素钢的化学成分和性能钢号化学成分，%s，MPa≥CMnSiSP08F10203540455060650.05-0.110.07-0.130.17-0.230.32-0.390.37-0.440.42-0.500.47-0.550.57-0.650.62-0.700.25-0.500.35-0.650.35-0.650.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.030.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.035175205245315335355375400420(摘自GB/T699-1999)用途较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。汽车曲轴热处理：渗碳、淬火、回火等。3．碳素工具钢牌号——如T12A钢，含C量为12/1000=1.2%，A表示高级优质，w(S)0.020%，w(P)0.030%。钢号C,%Mn,%Si,%S,%P,%退火后HBS,水冷淬火温度，℃T7T8T8MnT9T10MnT10T12T130.65-0.740.75-0.840.80-0.900.85-0.940.95-1.040.95-1.041.15-1.241.25-1.350.400.400.40-0.600.400.40-0.600.400.400.400.350.350.350.350.350.350.350.350.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.03518718718719219207207217800-820780-800780-800760-780760-780760-780760-780760-780碳素工具钢的化学成分和性能（淬火后HRC≥62)(摘自GB/T1298-1986)用途冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。螺纹量规热处理：淬火+低温回火组织：回火M＋粒状Fe3C+A'六合金钢基本概念合金化和合金钢：在碳钢中加入一定量的一种或几种元素，以提高钢的某些性能的过程称为合金化，这种钢称为合金钢。合金元素：在合金钢中所加入的元素；按用途分类（：合金结构钢——低合金结构钢、渗C钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢等。合金工具钢——刃具、模具、量具钢。特殊性能钢——不锈钢、耐热钢、耐磨钢。合金钢的编号结构钢——如60Si2Mn，w(C)=0.6%，w(Si)=2%，w(Mn)＜1.5%工具钢、特殊性能钢——如9SiCr，w(C)=0.9%，w(Si)、w(Cr)均＜1.5%，而CrWMn中，w(C)＞1.0%专用钢——如，滚动轴承钢GCr15，w(C)=1.0%，w(Cr)=1.5%高级优质钢——如，20Cr2Ni4A合金元素对钢力学性能的影响1.固溶强化2第二相强化Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱强弱碳化物元素:Fe、Mn。中强碳化物元素:Cr、Mo、W。强碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。3.细化组织强化强碳化物形成元素和强氮化合物形成元素可形成稳定性高的碳化物和氮化物粒子，阻碍奥氏体晶粒长大，从而间接细化铁素体晶粒。4.提高位错密度强化思考题：如何理解淬火是上述4种强化机制的综合作用结果？（一）合金结构钢1.普通低合金钢(commonlow–alloyedsteel)化学成分:碳素结构钢+合金元素主加合金元素:Mn1.8%以内。辅加合金元素:V、Ti、Nb、B。牌号:Q345C质量等级345MPa屈服强度普通低合金钢性能及用途Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度高，用于石化中温高压容器。压力容器南京长江大桥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，强度高，用于中等压力的容器。万吨远洋轮2.合金弹簧钢对弹簧钢的性能要求:高的σe、高的σs/σb、高的σ-1、良好的韧性。对弹簧钢含碳量的要求:中、高碳。热成型弹簧钢的热处理特点:淬火+中温回火(450～550℃)合金弹簧钢的牌号6565Mn55Si2Mn60Si2Mn50CrVA50CrMnA55SiMnMoVNb碳素弹簧钢冷成形弹簧生产工艺特点用于生产尺寸小于Φ8～15mm的小型弹簧,常用弹簧钢丝(片)冷绕成形,其制造方法有:T组织冷成型+200～300℃去应力退火。60、75、85、65Mn。T回组织冷成型+去应力退火。退火组织冷成型+淬火+中温回火。55Si2Mn、60Si2MnA、50CrVA。热成形弹簧生产工艺特点针对直径较大或厚度较大的弹簧，一般采用热成形，热卷弹簧后进行淬火加中温回火处理，得到回火屈氏体组织。汽车板簧大型热卷弹簧热卷大弹簧弹簧丝3.滚动轴承钢(bearingsteel)性能要求:高的硬度强度和耐磨性;高的接触疲劳强度;足够的韧性和耐蚀性;高的纯净度;滚珠轴承滚针轴承滚柱轴承化学成分特点:高碳,Wc=0.9～1.1%。主加Cr,0.4～1.65%辅加Si、Mn。优质钢材。热处理特点:球化退火+淬火+低温回火极细回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体滚动轴承钢的牌号GCr9SiMn含Mn量WMn≤1.5%含Si量WSi≤1.5%含Cr量WCr≈0.9%滚动轴承钢（二）合金工具钢合金刃具钢(alloycuttingsteel)合金模具钢(alloydiesteel)合金量具钢(alloymeasuringsteel)量具刃具模具实验二钢的热处理及力学性能测试实验班级：1、2、3班实验时间：下个星期一、星期三实验地点：思学楼D103实验分组：周一下午2~3点（1班第一组：104~123）、下午3~4点（1班第二组剩余同学）；周二上午10~11点（2班第一组：201~217，222，224，226）、11～12点（2班第二组剩余同学）。周三下午4.15～5.15（3班第一组：301~321）、下午5.15～6.15（3班第二组：剩余同学）。2.高速钢(high–speedsteel)(1)性能要求:高硬度、高耐磨性、高的红硬性(600℃时,HRC63以上)、有一定的强度和韧性。高速钢---锋钢、风钢;常用W18Cr4V：18–4–1钢车刀铣刀钻头(2)化学成分特点:高碳0.7～1.5%:钨18%:钼5%:铬4%:钒1.5%:保证高硬度退火状态下形成M6C碳化物,在560℃左右回火时,弥散析出W2C,造成二次硬化,提高钢的红硬性。1%Mo的作用等同于2%W。形成Cr23C6碳化物;提高钢的淬透性。形成VC,硬度极高,提高钢的硬度和耐磨性,产生二次硬化。(3)W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点铸造锻造球化退火机加工淬火+三次570℃回火磨削加工铸造:高速钢属于莱氏体钢,铸态组织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物M6C,钢的韧性大幅下降。W18Cr4V钢的铸态组织W18Cr4V钢的铸态组织W18Cr4V铸态组织420锻造:鱼骨状碳化物不能用热处理来消除,只能依靠反复多次锻打来击碎。W18Cr4V锻造组织210球化退火:消除应力,调整组织,便于机加工,为淬火作好组织准备。球化退火后的组织:S+粒状CmW18Cr4V球化退火组织420W18Cr4V钢的热处理过程示意图淬火:1280℃;淬火后的组织:M+Cm+A残(20～25%)三次570℃回火在570℃回火时,产生二次硬化。三次570℃回火*淬火后A残约20～25%。*第一次回火后A残约剩15～18%。*第二次回火后A残约剩3～5%。*第三次回火后A残约剩1～2%。回火后的组织:M回+Cm+A残(1～2%)组织硬度为65HRC以上。特殊性能钢不锈钢(stainlesssteel)耐热钢(heat–resistantsteel)耐磨钢(wear–resistantsteel)一.不锈钢(sta