常用钢材及选用

第六章常用钢材及选用第一节钢的分类与编号第二节钢中常存杂质元素的影响第三节合金元素在钢中的作用第四节结构钢第五节工具钢第六节特殊性能钢第一节钢的分类与编号一、钢的分类1、按化学成分分类（1）碳素钢（新国标称为非合金钢）低碳钢（ωC＜0.25%；中碳钢（ωC=0.25%～0.6%）；高碳钢（ωC＞0.6%）（2）合金钢低合金钢（ωMe＜5%）中合金钢（ωMe=5%--10%）高合金钢（ωMe＞10%）按钢中主要合金元素种类不同，又可分为锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、铬锰钢等。2、按钢的冶金质量和钢中有害杂质元素硫、磷的质量分数的分类：普通质量钢（ωS=0.35%，ωP=0.035%--0.045%）。优质钢（ωS、ωP均≤0.035%）。高级优质钢（ωS=0.020%--0.030%，ωP=0.025%-0.03%)特级优质钢（ωS≤0.015%；ωP≤0.025%）。3、按用途分类（1）结构钢工程结构用钢：碳素结构钢、低合金高强度结构钢。机器零件用钢：渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。（2）工具钢：根据用途不同，可分为刃具钢、模具钢和量具钢。（3）特殊性能钢：如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。二、钢的编号1、碳钢的编号方法（1）碳素结构钢Q＋屈服点数值＋质量等级符号＋脱氧方法符号屈字汉语拼音字母（A、B、C、D）（F、b、Z、TZ）例如：Q235-A·F，即表示屈服点为235MPa，A等级质量的沸腾钢。F、b、Z、TZ依次表示沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢，一般情况下符号Z与TZ可省略。单位：MPa（2）优质碳素结构钢两位数字钢中平均碳的质量分数的万倍例如：45钢，表示平均ωC=0.45%；08钢表示平均ωC=0.08%。较高锰的优质碳素钢（ωMn=0.70—1.20%）牌号数字后加“Mn”如45Mn。（3）碳素工具钢T＋数字碳字汉语拼音首位字母平均碳的质量分数的千倍高级优质钢，则在数字后面加“A”。例如T8A钢，表示ωC=0.8%的高级优质碳素工具钢。含较高锰的（ωMn=0.40%—0.60%）的碳素工具钢，则在数字后面加“Mn”，如T8Mn、T8MnA等。（4）铸造碳钢ZG＋数字1＋数字2铸钢二字汉语拼音首位字母屈服点数值（单位MPa）抗拉强度（单位MPa）。例如：ZG200—400，表示屈服点σS（或σ0.2）≥200MPa，抗拉强度σb≥400MPa的铸造碳钢件。（1）低合金高强度结构钢Q＋数字＋质量等级符号代表屈服点的汉语拼音字母屈服点数值（单位MPa）A、B、C、D、E例如：Q390A，表示屈服点σS=390MPa质量等级A的低合金高强度结构钢。（2）合金结构钢两位数字+元素符号+数字钢中平均碳的质量分数的万倍合金元素的平均质量分数合金元素的ωMe＜1.5%时，一般只标明元素符号而不标数值；平均质量分数≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%……时，则在合金元素后面相应地标出2、3、4……例如40Cr，表示平均碳的质量分数ωC=0.40%，平均铬的质量分数ωCr1.5%。如果是高级优质钢，则在牌号的末端尾加“A”。例如38CrMoAlA钢，则属于高级优质合金结构钢。2、合金钢的编号方法（3）滚动轴承钢例如GCr15钢，就是平均铬的质量分数ωCr=1.5%的滚动轴承钢。G＋Cr＋数字“滚”字汉语拼音的首位字母铬的质量分数的千位例如：9SiCr钢，其平均ωC=0.9%，平均ωSi均＜1.5%。高速工具钢例外，其平均碳的质量分数无论多少均不标出。（4）合金工具钢编号方法类似于合金结构钢区别仅在于：当ωc＜1%时，用一位数字表示碳的质量分数的千倍；当碳的质量分数≥1%时，则不予标出。这类钢牌号前面数字表示碳的质量分数的千倍。例如：3Cr13钢，表示平均ωC=0.3%，平均ωCr=13%。与碳的质量分数ωC≤0.03%及ωC≤0.08%时，则在牌号前面分别冠以“00”及“0”表示。例如：00Cr17Ni14M02、0Cr19Ni9钢等。（5）不锈钢与耐热钢铬的元素符号第二节钢中常存杂质元素的影响一、硅的影响来源：冶炼过程中的脱氧剂。作用：能溶于铁素体，使铁素体强化，从而提高钢的强度。硅作为杂质元素时，其硅的质量分数一般不超过0.5%。二、锰的影响来源：冶炼过程中的脱氧剂。作用：溶于铁素体，对钢有一定强化作用；能与硫化合成MnS，因而减少硫对钢的有害影响，改善钢的热加工性能。锰在钢中作为杂质元素时，ωMn＜1%，他是一种有益元素。三、硫的影响来源：由生铁和燃料带入的杂质。作用：产生“热脆”；但对改善钢材的切削加工性能有利。如硫的质量分数较高的钢（ωS=0.08%～0.45%）中适当提高锰的质量分数（ωMn=0.70%～1.55%），可形成较多的MnS，可改善钢的切削加工性。四、磷的影响来源：生铁作用：全部溶于铁素体，提高了铁素体的强度、硬度；导致“冷脆”。磷的有害作用在一定条件也可以转化，例如易切削钢，把磷的质量分数提高到ωP=0.05%—0.15%，使铁素体脆化，从而改善钢的切削加工性能。在炮弹钢（ωC=0.60%--0.90%，ωMn=0.60%—1.0%）中加入较多磷，可使钢的脆性增大，炮弹爆炸时碎片增多，增加杀伤力。第三节合金元素在钢中的作用一、合金元素在钢中存在形式1、形成合金铁素体绝大多数合金元素都可或多或少地溶于铁素体中，形成合金铁素体。合金元素溶于铁素体后，产生固溶强化，使铁素体的强度、硬度提高，但塑性、韧性都有下降趋势。合金元素对铁素体硬度的影响合金元素对铁素体韧性的影响2、形成合金碳化物（1）合金渗碳体：合金元素在钢中的质量分数不大（ωMe=0.5%--3%）时，常常形成金渗碳体，如(Fe、Mn)3C，(Fe、Cr)3C、(Fe、Mo)3C等。（2）特殊碳化物强碳化物形成元素，即使质量分数较少，但只要钢中有足够的碳，就倾向于形成特殊碳化物，如WC、MO2C、VC、TiC等。中强碳化物形成元素，只有当其质量分数较高（＞5%）时，才倾向于形成特殊碳化物，如Cr23C6、Cr7C3、Fe3W3C等。二、合金元素对铁碳合金相图的影响1、改变了奥氏体区的范围（1）扩大奥氏体相区具有面心立方晶格，如铜、锰、镍等合金元素会使得奥氏体相区扩大。合金元素对Fe-Fe3C相图中奥氏体区的影响a)Fe-C-Mn系b)Fe-C-Cr系（2）缩小奥氏体相区：这类元素有铝、铬、钨、钼、钒、硅、钛等。2、改变S、E点在铁碳合金相图中位置大多数合金元素均能使S点、E点左移。合金元素对铁碳相图中S点的影响合金元素对铁碳相图中E点影响三、合金元素对钢的热处理影响1、合金元素对奥氏体形成的影响（1）对奥氏体形成速度的影响合金元素会影响奥氏体的形成速度，主要原因是合金元素的加入而改变了碳在钢中的扩散速度。（2）合金元素（除锰外）阻止奥氏体晶粒长大碳化物形成元素容易形成稳定的特殊碳化物，弥散分布在奥氏体晶界上，机械地阻碍奥氏体晶粒长大。因此，除锰钢外，合金钢在加热时不易过热。2、合金元素对钢冷却转变的影响（1）合金元素对过冷奥氏体等温转变的影响除钴外，大多数合金元素溶入奥氏体后使C曲线右移，增大了钢的淬透性。（2）合金元素对过冷奥氏体向马氏体转变的影响除钴、锰外，大多数合金元素溶入奥氏体后，使马氏体转变温度Ms和Mf降低。合金元素对C曲线的影响a）非碳化物形成元素b）碳化物形成元素合金元素对Ms的影响合金元素对残余奥氏体A’量的影响3、合金元素对淬火钢回火转变的影响（1）提高淬火钢回火稳定性（耐回火性）由于合金元素在回火过程中阻碍马氏体分解及碳化物的析出，从而提高了钢的回火稳定性。Mo对钢回火硬度的影响（2）回火时产生二次硬化含有钨、钼、钒的合金钢，经高温奥氏体充分均匀化并淬火后，在500--600℃回火时硬度有回升的现象，称为二次硬化。原因：在该温度范围内回火时会从马氏体中析出特殊碳化物；冷却时部分残余奥氏体转变为马氏体。（3）回火时产生第二类回火脆性含有铬、锰、镍等元素的合金钢淬火后，在脆化温度（450--650℃）区回火时出现回火脆性，称为第二类回火脆性。合金钢回火脆性示意图第四节结构钢一、工程结构用结构钢1、碳素结构钢这类钢应确保力学性能，一般在供应状态下使用，但也可根据需要在使用前对其进行热加工或热处理。碳素结构钢的牌号和化学成分碳素结构钢的力学性能和应用举例2、低合金高强度结构钢产品同时保证力学性能与化学成分。（1）性能特点在确保良好的塑性、韧性条件下具有高的强度；具有良好的焊接性能，较好的耐大气腐蚀性能，良好的加工工艺性能，还具有比碳素结构钢更低的韧脆转变温度（一般为-30℃右）。（2）成分特点1）低碳：此类钢的碳含量一般均较低，大多数为ωC=0.16%-0.20%。2）锰为主加元素，并辅加钒、钛、铌、硅、铝、铬、镍等。3）钢种及牌号：可按屈服点分295、345、390、420、430MPa五个强度等级，其中295-390MPa级的应用最广。低合金高强度结构钢大多数是在热轧、正火或正火加回火状态下使用，其组织为铁素体+少量珠光体。钢号旧钢号主要化学成分，%机械性能CMnSi，s，MPab，MPa5，%Q29509MnNb12Mn0.160.80~1.500.5529557023Q34516Mn16MnRe0.18~0.201.00~1.600.5534563021~22Q39016MnNb15MnTi0.201.00~1.600.5539065019~20Q42014MnVTiRe15MnVN0.201.00~1.700.5542068018~19Q46014MnMoV18MnMoNb0.201.00~1.700.5546072017常用低合金高强度结构钢的牌号、成分、性能低合金高强度结构钢力学性能和应用举例高压容器桥梁船舶车辆应用二、机器零件用结构钢1、优质碳素结构钢既保证化学成分，又保证力学性能，而且比碳素结构钢规定严格，其中ωS、ωP均≤0.035%，一般都是热处理后使用。汽车曲轴优质碳素结构钢常用于制造较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。优质碳素结构钢牌号成分及性能(GB/T699-1999)2、合金结构钢合金结构钢是在优质碳素结构钢的基础上加入一些合金元素而形成的钢种。合金元素加入量不大(大多数ωMe＜5%)，所以，合金结构钢属低、中合金钢。（1）合金渗碳钢1）用途：合金渗碳钢主要用来制造性能要求较高或截面尺寸较大，且在承受较强烈的冲击作用和磨损条件下工作的渗碳零件。2）性能特点：合金渗碳钢的渗碳层具有优异的耐磨性、抗疲劳性及适当的塑性和韧性，未渗碳的心部具有足够的强度及优良的韧性；良好的热处理工艺性能。3）成分特点：合金渗碳钢中碳的质量分数一般在ωC=0.10%-0.25%之间，常用的合金元素有铬、镍、锰、硼、钛、钒、钼等。4）热处理：一般在渗碳后进行淬火+低温回火（180～200℃）。大多数合金渗碳钢采用渗碳后直接淬火再低温回火。5）钢种及牌号：合金渗碳钢可按淬透性分为低淬透性、中淬透性及高淬透性钢三类。常用渗碳钢牌号、成分、热处理、性力学能及用途(GB/T699-1999)主要化学成分,%预备处理／淬火,℃CMnCr，Ni0.17~0.240.17~0.240.50~0.801.30~1.600.70~1.00880／800水,油880水,油0.17~0.230.17~0.230.90~1.200.80~1.100.90~1.201.00~1.30850油880／870油钢号20Cr20MnV20CrMn20CrMnTi淬透性低中高18Cr2Ni4WA20Cr2Ni4A0.13~0.190.17~0.23W0.8~1.20.30~0.601.35~1.654.0~4.51.25~1.653.25~3.75950／850空880／780油机械性能bMPasMPa8357855405909301080735835118011808351080aKU2J475547557863应用——耐磨件20Cr，小轴、活塞销、小齿轮。20CrMnTi，汽车齿轮。18Cr2Ni4WA，如