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常用金属材料 工程材料及成型基础 第4章 4 1工业用钢 钢的分类与编号钢中杂质与合金元素常见工业用钢 工业用钢 4 1 1钢的分类与编号 1 钢的分类 按化学成分 合金钢 碳素钢 低碳钢中碳钢高碳钢 低合金钢 合金元素总量 5 中合金钢 合金元素总量为5 10 高合金钢 合金元素总量 10 C 0 25 0 25 C 0 6 C 0 6 合金钢在压力加工 切削加工 焊接工艺性等方面比碳钢稍差 且成本较高 钢的质量是以磷 硫的含量来划分的 常用钢产品的名称 用途 特性和工艺方法表示符号 GB T221 2000 4 不具备特殊的物理化学性能 碳钢在工程上的应用有以下几方面的局限性 1 强度指标偏低 导致机器设备笨重 2 淬透性较低 对大截面零件难获得高而均匀的力学性能 3 高温强度低 热硬性差 高碳刃具钢只能用于很低的切削速度 碳钢淬火后的使用温度不能高于250 碳钢在抗氧化 耐腐蚀 耐热 耐磨等方面较差 碳钢冶炼工艺简单 易加工 价格低廉 能满足工业生产上的一般需求 因此应用广泛 2 碳钢 碳钢的编号 普通碳素结构钢 Q 屈服点数值 质量等级 脱氧方法 例 Q235AF Q235BZ 1 质量等级从A Z 硫 磷含量降低 质量提高 2 脱氧方法 F沸腾钢 B半沸腾钢 Z镇静钢 TZ特镇静钢 优质碳素结构钢 例 45 50Mn 优质碳素结构钢的牌号以两个数字表示 这两位数字表示钢的平均含碳量的万分之几 1 正常含锰量 C 0 25 含锰0 5 0 8 2 较高含锰量 C 在0 15 0 6 含锰0 7 1 0 C 0 6 含锰0 9 1 2 3 低中碳钢 内部韧性好 碳素工具钢 T 平均含碳量 例 T8 T10A A表示高级优质钢 1 应用 手锯 T10 锉刀 T122 高碳钢 不耐高温 超过200 硬度迅速下降 平均含碳量为0 9 锉刀 3 合金钢 低合金高强度结构钢 Q 屈服点数值 质量等级表示 按顺序组成牌号 例 Q390A Q420E 1 质量等级从A Z 硫 磷含量降低 质量提高 合金结构钢和合金弹簧钢 两位数字 带有百分含量数字的合金元素符号组成 例 30CrMoSi 20CrNi3 高级优质钢在牌号后加字母A 38CrMnSiA 特级优质钢在牌号后加字母E 30CrMnSiE 表示平均含碳量的万分之几 平均含量小于1 5 时 不标含量 平均含量为2 5 3 49 时 标3 C 大于1 时不标明含碳量数字 例 Cr12MoV 平均含碳量为1 6 平均含碳量为0 85 高速工具钢 含铬量11 75 合金工具钢 例 W6Mo5Cr4V2 高碳钢 不标明含碳量数字 平均含钨量为6 钼含量5 铬4 钒2 铣刀 不锈钢和耐热钢 数字 合金元素符号 数字 平均含碳量的千分之几 含合金元素的百分之几 例 11Cr17 0Cr18Ni9 含碳1 1 Cr含17 含碳 0 1 Cr含18 Ni含9 铸钢 ZG 数字 数字 ZG200 400 ZG 数字 化学符号 ZG20Cr13 最低屈服强度 最低抗拉强度 轴承钢 G Cr 数字 含铬量的千分之几 含碳0 2 铬13 2 5吨大齿轮铸件 4 1 2钢中杂质与合金元素 一 钢中常存杂质对性能的影响 钢中常存杂质元素主要是指锰 硅 硫 磷及氮 氢 氧等 1 硅和锰的影响 有益元素 溶于铁素体中 固溶强化 提高钢的强度和硬度 含量一般在0 5 和0 8 以下 2 硫和磷的影响 有害元素 硫在钢中以FeS的形式存在 使钢变脆 产生热脆性 控制在0 05 以下 MnS对断屑有利 磷可溶于铁素体中 使钢的强度 硬度显著增加 但使钢脆化 产生冷脆性 在炼钢过程中加入硅铁和锰铁脱氧 来源于矿石 燃料等炼钢原料 气体元素 N 室温下N在铁素体中溶解度很低 钢中过饱和N在常温放置过程中以FeN Fe4N形式析出使钢变脆 称时效脆化 加Ti V Al等元素可使N固定 消除时效倾向 O 氧在钢中以氧化物的形式存在 其与基体结合力弱 不易变形 易成为疲劳裂纹源 H 常温下氢在钢中的溶解度也很低 当氢在钢中以原子态溶解时 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 钢的氢脆断口 二 合金元素在钢中的作用 1 合金元素对钢中基本相的影响 溶于铁素体 起固溶强化的作用 合金元素溶于铁素体中造成晶格畸变 提高塑变抗力 强度和硬度提高 形成碳化物 与碳亲和力强的碳化物形成元素 如锰 铬 钼 钨 钒 铌 锆 钛等 合金元素与碳的亲和力越大 所形成化合物的稳定性 熔点 分解温度 硬度 耐磨性越高 2 合金元素对铁碳相图的影响 对奥氏体相区的影响 扩大奥氏体区域 缩小奥氏体区域 缩小奥氏体区域的元素有铬 铝 硅 钨等 使A1和A3温度升高 使奥氏体区域缩小 A1和A3温度升高 钢的淬火温度相应地提高 当Cr 13 时 奥氏体区域消失 在室温下得到单相铁素体 称为铁素体钢 3 合金元素对热处理工艺的影响 加热保温阶段 奥氏体化 减慢形成速度 大多数合金元素 除镍 钴以外 都减缓钢的奥氏体化过程 合金钢在热处理时要相应地提高加热温度或延长加热时间 才能保证奥氏体化过程的充分进行 阻碍晶粒长大 Mn P对奥氏体晶粒的长大起着促进作用 因而含锰钢加热时应严格控制加热温度和保温时间 使得合金钢多为本质细晶粒钢 对钢冷却时的影响 对C曲线和淬透性的影响 除Co外 凡溶入奥氏体的合金均使C曲线右移 钢的临界冷却速度下降 淬透性提高 淬火冷却速度降低 减少零件的淬火变形和开裂倾向 对Ms和Mf的影响 除Co Al外 凡溶入奥氏体的合金都使Ms和Mf下降 钢在淬火后的残余奥氏体量增加 对淬火钢回火转变过程的影响 提高回火稳定性 回火稳定性 淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力 合金元素阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大过程 回火时的硬度降低过程变缓 产生二次硬化 含有高W Mo Cr V等元素的钢在淬火后回火加热时 由于析出细小弥散的这些元素碳化物以及回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体 使钢的硬度不仅不下降 反而升高的现象称为二次硬化 二次硬化使钢具有热硬性 如 高速工具钢 W Mo V Ti 在高温下保持高硬度的能力 防止第二类回火脆性 4 1 3常见工业钢性能及用途 结构钢 机器用钢 工程用钢 碳素结构钢 低合金高强度结构钢 优质碳素结构钢 合金结构钢 使用性能以强韧性为主 工艺性能以可焊性 淬透性为主 结构钢 焦炭 铁矿石 石灰石 高炉炼铁 炼钢生铁 炼钢 铸钢锭 铸造生铁 铸造 轧制 各种型材 锻件 锻造 铸钢 冷冲压 热处理 切削加工 机械产品 锻造 冶炼厂 机械厂 钢铁生产加工过程概略图 一 碳素结构钢 Q 1 牌号 质量等级A B C D 脱氧方式F表示沸腾钢 b表示半镇静钢 Z表示镇静钢 TZ表示特殊镇静钢 例 Q235 A F 屈服强度 屈服强度值 质量等级和脱氧方式 2 用途 钢结构件 焊接和扳金机械结构件 3 热处理 不进行专门热处理 热轧空冷态下使用 4 使用状态下组织 F P 热轧钢板 黄河小浪底枢纽工程 二 低合金高强度结构钢 1 性能特点 1 强度高于碳素结构钢 可降低结构自重 节约钢材 2 具有足够的塑性 韧性及良好的焊接性能 3 具有良好的耐蚀性和低的冷脆转变温度 在碳素结构钢的基础上 加入少量的合金元素发展起来的 2 成份特点 1 低碳 含碳量 0 2 2 低和金 主加元素为锰 对铁素体具有明显的固溶强化作用降低钢的冷脆转变温度 增加组织中的珠光体 提高强度 3 热处理 大多数热轧空冷后使用 5 典型钢种及用途 广泛用于石油化工设备 船舶 桥梁 车辆等大型钢结构中 Q345是应用最广 用量最大的低合金高强度结构钢 Q 4 牌号 屈服强度 屈服强度值 275MPa 质量等级和脱氧方式 三 优质碳素结构钢 1 牌号 渗碳钢 渗碳 淬火 低温回火 外强内韧 调质钢 调质处理 优良的综合力学性能 弹簧钢 淬火 中温回火 具有高的弹性极限 冷冲压钢 冷冲压件 塑性和韧性高 含碳量的万分之几 2 用途 冷冲压钢 冷冲压件 仪器外壳等 渗碳钢 耐磨并承受冲击的齿轮 销轴 08F 10 25 35 55 60 70 08F 10 25 同时保证化学成分和力学性能 含碳量0 08 汽车和拖拉机的曲轴和连杆 机床主轴 齿轮和其他受力不大的轴类零件 45应用最广 尺寸较小的 小于12 15mm 弹簧和钢丝绳 60 70 35 55 四 渗碳钢 1 成分 含碳量0 10 0 25 的合金钢 主要加入能提高淬透性的Mn Cr Ni等元素 2 性能特点 表硬里韧 耐磨性及抗疲劳性好 淬透性 预先热处理 正火 渗碳 磨削 下料 锻造 机加工 淬火 低温回火 3 渗碳件一般的工艺路线 4 用途 应用很广 主要用于承受交变载荷 表面高硬度耐磨 心部韧性较高的零件 如变速齿轮 内燃机凸轮轴等各种表面耐磨件 渗碳件 传动齿轮 活塞销 20Cr 柴油机凸轮轴 低淬透性渗碳钢 15Cr 20Cr等 心部强度低 受力小的耐磨件 5 常用的渗碳钢 中淬透性渗碳钢 20CrMnTi 20CrMn等 心部强度较高 用于中等载荷耐磨件 如汽车 拖拉机的变速齿轮等 高淬透性渗碳钢 18Cr2Ni4WA 用于重载荷和强烈磨损的重要零件 如飞机 坦克中的曲轴及重要齿轮等 五 调质钢 调质件一般的工艺路线 在调质处理后使用的钢种 主要用于制造受力复杂的汽车 拖拉机 机床及其他各种重要零件 齿轮 连杆 螺栓 轴类件 性能要求 良好的综合力学性能良好的淬透性 成分特点 中碳 含碳量为0 25 0 50 主加合金元素为Mn Si Cr Ni Mo 提高淬透性 强化铁素体基体 精机加工 下料 锻造 退火 粗机加工 调质 典型钢种 低淬透性调质钢 45 40Cr 用于制造尺寸较小的齿轮 轴 螺栓等 中淬透性调质钢 40CrNi 用于制造截面较大的零件 如曲轴 齿轮等 高淬透性调质钢 40CrNiMo 用于制造大截面 重载荷的零件 如汽轮机主轴 叶轮 航空发动机等 柴油机凸轮轴 六 弹簧钢 1 成分 3 组织 含碳量在0 40 0 70 的合金钢 主要加入元素是硅和锰 提高淬透性和屈强比 2 热处理 淬火 中温回火 回火屈氏体 4 热处理特点 冷成形弹簧 对于钢丝直径小于10mm的弹簧 通过冷拔 或冷拉 冷卷成型 冷卷后的弹簧不必进行淬火处理 只需进行一次消除内应力和稳定尺寸的定型处理 即加热到250 300 保温一段时间 从炉内取出空冷即可使用 据尺寸和加工方法不同 分为热成形和冷成形弹簧两种 热成形弹簧 5 典型钢种 Si Mn弹簧钢 代表性钢种65Mn 60SiMn 主要用于制造较大截面的弹簧 如汽车 拖拉机的板簧 螺旋弹簧等 Cr V弹簧钢 代表性钢种50CrV 主要用于大截面 大载荷 耐热的弹簧 如阀门弹簧 高速柴油机的气门弹簧等 直径大于10 15mm 在高于淬火温度热卷成形 淬火 中温回火 350 500 回火屈氏体 HRC40 45 高的屈服强度的条件下具有足够的韧性指标 七 滚动轴承钢 1 用途 主要用来制造滚动轴承的内外圈 滚动体等 2 牌号 GCr Cr的千分之几 除Cr外其它合金元素的元素符号 3 化学成分 含碳量0 95 1 10 含铬量0 4 1 65 4 热处理及组织 预先热处理 球化退火 最终热处理 淬火 低温回火 提高淬透性和回火稳定性 5 使用状态下组织 回火