第五章常用金属材料-钢工业用钢.

《工程材料及成型技术》第4章常用金属材料-钢常用金属材料工业用钢有色合金铸铁的石墨化铸铁的分类、性能及应用铸铁铝及铝合金铜及铜合金钛及钛合金钢的分类及牌号合金元素在钢中的作用（合金钢）结构钢、工具钢和特殊钢轴承合金按化学成分碳素钢（非合金钢）合金钢低碳钢（Wc≦0.3%）中碳钢（Wc=0.3%-0.6%）高碳钢（Wc0.6%）按合金元素分按合金元素含量分锰钢铬钢铬镍钢低合金钢（Wme5%）高合金钢（Wme10%）中合金钢（Wme=5%-10%）第一节工业用钢一、钢的分类按用途分结构钢特殊钢船舶用钢刃具钢模具钢量具钢工具钢工程用钢机器用钢建筑用钢桥梁用钢车辆用钢调质钢渗碳钢轴承钢弹簧钢不锈钢耐热钢耐磨钢按质量分普通钢（Ws≦0.045%，Wp≦0.05%）高级优质钢（Ws，Wp≦0.025%）优质钢（Ws，Wp≦0.035%）二、碳素钢的分类和牌号•碳素钢：含碳量小于1.35%(0.1%-1.2%)，除Fe、C和限量以内的Si、Mn、P、S等杂质外，不含其他合金元素的钢。•碳素钢的性能主要取决于含碳量。含碳量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性和可焊性降低。•与其他钢类相比，碳素钢使用最早，成本低，性能范围宽，用量最大。（一）碳素钢的分类碳素钢（非合金钢）低碳钢（Wc≦0.3%）中碳钢（Wc=0.3%-0.6%）高碳钢（Wc0.6%）按含碳量分按用途分碳素结构钢碳素工具钢普通碳素结构钢优质碳素结构钢铸造碳钢(二)碳素钢的牌号编号Q235（AF）Q+屈服强度+质量等级+脱氧程度1.普通碳素结构钢屈服强度大于235MPa，质量等级为A的沸腾钢2.优质碳素结构钢S、P杂质含量低塑性、韧性高用两位数字表示碳含量的万分之几45号钢平均碳质量分数为0.45%保证成分、性能编号3.碳素工具钢(Tool)T8或T8A4.铸造碳钢（铸钢）ZG200-400ZG+σs–σb用于制造各种刃具、模具、量具和其他工具的钢编号编号采用铸造方法而生产出来的一种钢铸件。铸钢主要用于制造一些形状复杂、难于进行锻造或切削加工成形而又要求较高的强度和塑性的零件。T+数字+质量级别T8:平均碳质量分数为0.8%的优质碳素工具钢;T8A:平均碳质量分数为0.8%的高级优质碳素工具钢屈服强度大于235MPa，抗拉强度为400MPa的铸钢三、合金钢的分类和牌号（一）合金钢的分类按性能和用途分合金结构钢合金工具钢特殊性能钢低合金高强结构钢合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢滚动轴承钢合金模具钢合金刃具钢合金量具钢不锈钢耐热钢耐磨钢按合金元素含量分低合金钢中合金钢高合金钢＜5%5%-10%＞10%编号40Cr平均碳质量分数的万分数+合金元素+合金元素质量千分数（小于1.5%时不标出）1.合金结构钢：在碳素结构钢的基础上，加入适量的一种或数种合金元素（总含量一般不超过5％）的钢。平均碳质量分数为0.4%，平均Cr质量分数小于1.5%的合金结构钢编号9SiCr平均碳质量分数的千分数（大于1%时不标出）+合金元素+合金元素质量分数（小于1.5%时不标出）平均碳质量分数为0.9%，平均Si、Cr质量分数小于1.5%的合金工具钢2.合金工具钢在碳素工具钢基础上加入铬、钼、钨、钒等合金元素以提高淬透性、韧性、耐磨性和耐热性的一类钢种（二）合金钢的牌号编号1Cr18Ni9Ti平均碳质量分数的千分数+合金元素+合金元素质量百分数（小于1.5%时不标出）3.特殊性能钢：具有特殊物理或化学性能，用来制造除要求具有一定的机械性能外，还要求具有特殊性能的零件。平均碳质量分数为0.1%，平均Cr、Ni、Ti的质量分数分别为18%、9%以及小于1.5%的特殊钢编号00Cr18Ni10平均碳质量分数小于0.03%，平均Cr、Ni质量分数分别为18%和10%的特殊钢编号0Cr19Ni9平均碳质量分数小于0.08%，平均Cr、Ni质量分数分别为19%和9%的特殊钢Si—能脱氧,有很强的固溶强化作用，可以消除FeO夹杂的影响。Mn—脱氧、去硫,取代FeS中的Fe形成高熔点MnS。提高钢的强度和硬度。四、常存杂质元素对钢性能的影响（一）有益元素Si、Mn元素的影响来源：生铁和脱氧剂Mn:0.25～0.8%Si:≤0.4%（二）有害元素:P、SP—有很强的固溶强化作用,增加钢的强度和硬度，但使塑性和韧性显著降低，特别是低温下韧性极差(冷脆)。S—常以FeS形式存在，并与Fe形成低熔点（985℃）共晶体（FeS+Fe)并分布在晶界，引起钢在热加工时或高温工作下开裂(热裂)。来源：生铁和燃料S≤0.055%、P≤0.045%（三）气体元素:N、O、HN：钢中过饱和N在常温放置过程中会发生时效脆化，包括淬火时效和应变时效。加Ti、V、Al等元素可消除时效倾向。O：在钢中主要以氧化物夹杂形式存在，破坏了钢基体的连续性，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，称白点或发裂。钢中白点1.合金元素与铁和碳的作用。1）.溶于基体中形成合金F或合金A：固溶强化。五、合金元素在钢中的作用Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱强2）.与碳作用形成合金碳化物（合金渗碳体）(Fe,Cr)3C。3）.单独形成特殊碳化物TiC、VC。弱碳化物元素:Fe、Mn。中强碳化物元素:Cr、Mo、W。(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C、(Fe、W)3C强碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。TiC、NbC、VC。与碳亲和能力合金渗碳体较渗碳体稳定，硬度更高特殊碳化物较合金渗碳体更稳定，显著提高钢的硬度、强度和耐磨性，又不明显降低钢的韧性。2.合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。1）.扩大奥氏体区Mn、Ni、Co、Cu、C、N等元素。作用:使A3线温度下降,A4线温度上升。Mn元素对奥氏体区的影响A42）.缩小奥氏体区Cr、Mo、W、V、Ti、Si等元素。作用:使A3线温度上升,A4线温度下降。Cr元素对奥氏体区的影响3）.改变E、S点的位置几乎所有的合金元素。作用:使S点和E点的成分向左移。使A1线的温度变化。合金元素对S点成分的影响合金元素对A1线的影响1.合金元素对加热时奥氏体形成的影响除（Co、Ni）元素外,多数合金元素的加入,均使奥氏体的形成速度减慢（Al、Si、Mn影响较小）。强碳化物形成元素和（Al-AlN、Al2O3）能强烈的阻止奥氏体晶粒长大(Ti、V、Zr、Nb等)。非碳化物形成元素能轻微的阻止奥氏体晶粒长大(Si、Ni、Cu、Co等)。3.合金元素对钢的热处理的影响。2.合金元素对过冷奥氏体转变的影响除Co元素外,所有的合金元素均使钢的TTT曲线向右移。提高钢的淬透性,常用的元素有:Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等（合金钢比碳素钢淬透性高）。除Co、Al元素外,所有的合金元素都使马氏体转变温度下降。（Mn、Cr、Ni最显著）3.合金元素对回火转变的影响回火稳定性（抗力）的增加:淬火钢回火时抵抗软化的能力二次硬化的产生W、Mo、V等碳化物在550℃析出，并对马氏体起到弥散强化作用，使钢达到最高硬度,产生二次硬化。六、结构钢结构钢工程结构用钢机械结构用钢普通碳素结构钢低合金高强结构钢铸造用钢渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢易切削钢结构钢：用于形成结构的钢材，主要用途为承载。（一）普通碳素结构钢1、成分WC≤0.2%2、性能：具有良好的塑性、韧性及焊接性能3、用途：建筑、桥梁铆钉、螺钉连杆、拉杆等冲压件焊接件4、编号Q2351、工程结构用钢工程结构钢：主要用于各种结构的钢材，一般采用普通结构钢。（二）低合金高强钢1、成分普通碳素结构钢中加入少量合金元素(＜3%)主加合金元素:Mn、Si。辅加合金元素:V、Ti、Nb。2、性能：优于普通碳素结构钢，具有高的塑性、韧性，较高的强度和良好的焊接性能3、用途：强度级别较低：冲压件、建筑构件、低压锅炉汽包强度级别较高：工程建筑、船舶、桥梁、车辆、管道、压力容器、厂房钢架等4、编号Q295用途实例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（三）铸造碳钢1、对于构件形状复杂，用锻造方法难以生产而力学性能要求又比较高的零件，可用铸造方法生产出的钢铸件。2、性能：具有较高的强度和塑性，但整体性能差于铸铁3、用途：重型机械、矿山机械、机车车辆等4、编号ZG200-400（一）渗碳钢2、机械结构用钢机械结构钢：主要用于制造各种类型的机器零件，一般采用优质碳素结构钢和合金结构钢。1、成分WC=0.1%-0.25%（低碳）2、性能：表面具有较高硬度、强度和耐磨性，心部具有较高的韧性和足够的强度（表硬里韧）。3、用途：变速齿轮、齿轮轴、活塞销等4、渗碳钢的加工工艺路线为：制造渗碳零件的钢称为渗碳钢。主要用于制造既承受冲击载荷，表面又受强烈磨损的零件。正火：为了调整硬度，便于切削加工。淬火+低温回火：为了降低残余应力和脆性，获得高硬度，高强度和耐磨性5.合金渗碳钢的牌号20Mn2TiA等级:高级优质含钛量WTi≤1.5%含锰量WMn2%含碳量WC20%00碳素渗碳钢合金渗碳钢化学成分Wc≤0.25%Wc=0.15～0.25%合金元素:Cr、Mn、Ni、B、V、W、Mo、Ti等。热处理后的组织表层:M回+Fe3C+A残心部:P+F表层:M回+Fe3C+A残心部:低碳M回+F6.渗碳钢的成分和组织7.典型合金渗碳钢种介绍低淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量＜3%15Cr、20Cr、20Mn2。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。中淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在4%左右。20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。柴油机凸轮轴活塞销(20Cr)高淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在4%～6%。18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。柴油机曲轴20CrMnTi钢制造齿轮的热处理工艺曲线（二）调质钢1、成分WC=0.3%-0.5%（中碳）2、性能：表面具有较高硬度、强度和耐磨性，心部具有较高的韧性和足够的强度（既强又韧）。3、用途：机床主轴、发动机曲轴、传动齿轮、汽车后桥半轴等4、调质钢的热处理，调质钢：经调质处理后使用的中碳钢或中碳合金钢退火：消除应力，调整硬度，改善切削加工性能。调质：1）为表面淬火做组织准备；2）获得优良的综合力学性能。表面淬火+低温回火：提高工件表面硬度和耐磨性。碳素调质钢合金调质钢化学成分Wc=0.25～0.6%Wc=0.25～0.5%合金元素:Cr、Mn、Ni、B、Si、V、W、Mo、Ti等。热处理后的组织表层:S回心部:P+F表层:S回心部:S回5.合金调质钢的牌号40Cr40Mn40MnB35CrMo38CrMoAlA25Cr2Ni4WA6.典型合金调质钢种介绍低淬透性调质钢钢含合金元素总量＜3%40Cr、40MnB等中淬透性调质钢钢含合金元素总量在4%左右。38CrSi、35CrMo等。常用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。圆锥齿轮柴油机凸轮轴高淬透性调质钢钢含合金元素总量在4%～10%。制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的零件等。38CrMoAlA、40CrMnMo、25Cr2Ni4WA等。40Cr钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线（三）弹簧钢1、成分WC=0.5%-0.7%（中高碳）2、性能：高的σe、高的σs/σb、高的σ-1、良好的韧性。3、用途：车辆上板弹簧或圆弹簧、气阀、安全阀等耐热弹簧4、弹簧钢的热处理：弹簧钢：用于制造各种弹簧或弹性元件的钢碳素弹簧钢合金弹簧钢化学成分Wc=0.6～0.9%Wc=0.5～0.7%合金元素:Si、Mn、Cr、V、W、Mo等。热处理后的组织T回制造尺寸小于Φ8～15mm的小型弹簧。T回制造尺寸在Φ20～25mm左右