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第九章工业用钢 9 1钢中的杂质元素及气体 杂质元素的种类 等 称为常存元素 一 1Mn的作用 固溶强化作用 溶入F 可以形成合金渗碳体 Fe Mn 3C 具有脱 作用 脱氧作用等 2硅的作用与锰相似 它的脱O能力比锰更强 硅还可以溶入F 造成固溶强化 结论 锰 硅是有益元素 二 有害元素 要严格控制 三 气体1氮气 兰脆 可以用铝 钛脱N 固N 2氢气 使塑性 韧性降低 造成氢脆 白点 造成机械性能极度下降 3氧气 常常以氧化物的夹杂物形式存在 使塑性 韧性 疲劳强度 耐蚀性降低 热脆性增大 7 2碳钢的分类 牌号和用途 重点 碳素钢简称碳钢 是铁和碳组成的合金 2 11 一般 1 35 少量的杂质 等 特点 较好的机械性能 一般能满足要求 良好的工艺性能 容易加工 价格低廉 品种多 占90 一 分类 按 分类低碳钢 0 25 中碳钢 0 25 0 6 高碳钢 0 6 1 35 按钢的用途分类 1 碳素结构钢 工程结构 桥梁 船体等 一般为低碳钢 机器零件 曲轴 轴 齿轮等 一般为中碳钢 2 碳素工具钢 刃具 模具 量具 一般为高碳钢 按钢的质量分 的含量 普通碳素钢 0 045 0 05 优质碳素钢 0 04 高级优质碳素钢 0 035 0 03 我国国标中 按用途和质量对钢进行分类和编号 二 碳钢的牌号和用途 碳素结构钢 Plain carbonsteel GB700 88对钢的牌号的表示方法和符号作了如下规定 钢的牌号由四部分组成 1 代表屈服点的符号 Q 2 屈服点数值MPa 3 质量等级符号 A B C D 4 脱氧程度 F 沸腾钢 Z 镇静钢 b 半镇静钢 TZ 特殊镇静钢 在牌号中规定 Z TZ予以省略 如 Q235 A F表示 屈服强度为235MPa A级的沸腾钢 可用于制造焊接结构的柴油机机体 机座等 主要有 Q195 不分级 Q215 分A B两级 Q235分A B C D级 Q255 分A B级 Q275 不分级 优质碳素结构钢 CarbonConstructionalQualitySteel 特点 含量少 0 04 质量好 一般用于制造机器零件 一般都要经过锻造和热处理 牌号 1 普通含锰量的 锰 0 35 0 8 用两位数来表示 平均含碳量的万分数 如 45 读作45号钢 表示平均含碳量为 0 45 的钢 用途 曲轴 连杆 活塞杆 尾轴等 用量最大 如 20Mn表示平均含碳量为 0 20 的较高含锰量的钢 3应用08F 含碳量低 塑性好 成本低 用于冷冲压零件 汽车外壳等 低碳钢 15 20 25等强度较低 塑性好 焊接性好 用于冷冲压制品及焊接件 也可用于渗碳 中碳钢 35 55号钢 45钢最常用 调质后等具有良好的综合机械性能 用于制造轴类零件 曲轴 连杆 活塞杆 尾轴等 含碳量较高的钢 0 6 如60 70钢等 具有很高的强度和弹性 主要用于制造弹簧 钢丝绳等 三 碳素工具钢 1要求 硬度高 耐磨 一定的强度 韧性 因此含碳量较高 0 65 1 35 应严格控制 的含量 均为优质钢 有时为高级优质钢 2牌号 数字 平均含碳量的千分数 注意与结构钢的区别 碳 素工具钢例 12 表示平均含碳量为1 2 的高级优质碳素工具钢 3用途 制造工具 刃具 量具 模具等 T7 8 虎钳 冲头 锤头等 高的韧性 T9 10 T11 车刀 钻头 锯条等 中等韧性 T12 13 锉刀 量具等 具有高的耐磨性 低的韧性 4热处理 加工前 球化处理 加工后 淬火 低回 组织 M 粒状Fe3C A HRC60 65 四 专用钢1船体结构用钢 特点 好的冷变形性能和焊接性能 一定的强度 耐蚀性 韧性 特别是好的低温韧性 均属低碳优质结构钢 牌号 1 一般强度船体结构用钢 A B D E4个等级 s 235MPa 2 高强度船体结构用钢 按最小 s划分强度级别 每一强度级别又按ak分为A D E F4级 如A40 s 390MPa A32 s 315MPa A36 s 355MPa 2锅炉与压力容器用钢牌号 碳素结构钢牌号 锅 或 容 或 含碳量 0 16 0 26 例如 20 16MnR等 3铸钢成分 C 0 15 0 6 P S 0 04 牌号 铸钢 例如 200 400 表示 200MPa b 400MPa的铸钢 用于机座 ZG270 500可以用于生产曲柄 机架 气缸体等 应用 铸钢件 魏氏组织 特征是 铸件在冷却时 F不仅沿A的晶界析出 而且在A内一定的晶面析出 呈粗针状 插入到P内 使钢的塑性和韧性降低 用正火或完全退火消除 9 3合金钢 Alloysteel 在碳钢中加一定量的合金元素 合金钢定义 除铁 碳外 还含有为某种目的而特意加入的合金元素的钢 称为合金钢 一 合金钢与碳钢的性能比较 1 合金钢的强度 屈强比高 而碳钢的则较低 例 16 320 350 2Q235 235 2 2 合金钢的淬透性高 而碳钢则较低3 合金钢具有高的高温强度和回火抗力 而碳钢的则较低碳钢 工作温度 200 合金钢 耐热合金 600 800 4 合金钢具有特殊的理化性能 而碳钢则不具备超高强度 高温性能 耐蚀性等 二 钢中的合金元素合金元素 有目的 精确地加入碳钢中的元素 3 大多数合金元素可与钢中的 等形成非金属夹杂物 2 3 2 等 4 合金元素之间相互作用 形成金属间化合物 如 FeSi5 以游离状态存在 如 等 四 合金元素在钢中的作用 一 合金元素对 3 相图的影响 1 对相区的影响 它们均使 点左移 2 对临界点的影响 点移动 移动 上 下 点左移 表示出现莱氏体的 降低 二 对组织转变的影响1 合金元素对加热转变的影响 对 形成速度的影响 临界点改变 形成条件变化 合金元素对 e 的扩散有阻碍作用 对剩余 化物溶解的影响 对 均匀化的影响综上 可知 合金元素减慢了 化过程 对 晶粒长大的影响 分为4种情况 强烈阻碍 晶粒长大的元素 等 中等阻碍 晶粒长大的元素 等 轻微阻碍 晶粒长大的元素 等 促使 长大的晶粒长大的元素 等 记这两个 一般情况下 除锰 磷外 其它元素都阻碍A的长大 但程度不同 2 合金元素对过冷 分解转变的影响 对C曲线的影响 非 化物形成元素 弱 化物形成元素 加入钢中后 曲线形状基本不变 但右移 稳定 o 非 化物形成元素 使曲线左移 它能提高 在钢中的扩散 使A的分解加快 化物形成元素使 曲线右移 而且使 曲线形状改变 如 Ti等 不但使 曲线右移 提高了 的稳定性 且会出现两个 鼻子 小结 除 外 合金元素都使 曲线右移 提高了 的稳定性 降低了临界冷却速度 从而提高了钢的淬透性 此外 对 点和 点也有影响 大多数合金元素 降低 其中锰最强 高合金钢有时要进行冷处理 以减少残余A的含量 没有作用 使 升高 3 合金元素对淬火钢回火时的组织转变的影响提高了回火稳定性 回火后硬度的下降较少 回火脆性 特别是含铬 锰的钢 三 合金元素的作用1主加元素一般将Cr Mn Si Ni称为主加元素 对钢的影响起主导作用 主要作用是提高淬透性 主加元素的含量一般 1 2辅加元素Mo W VTi B等元素 它们一般不单独使用 常与主加元素配合使用 其作用为 提高淬透性 钼 B 防止A晶粒长大 V Ti W等 消除回火脆性 W Mo 等 其含量一般 1 五 合金钢的分类及编号 重点 一 分类 按用途分 合金结构钢 普通低合金钢 合金调质钢 合金渗 钢 合金弹簧钢 滚动轴承钢 合金工具钢 刃具钢 低合金工具钢 高速钢 模具钢 冷变形模具钢 热变形模具钢 量具钢 特殊钢 不锈钢 耐热钢 耐磨钢 按成分分类 低合金钢 合金元素总量 5 中合金钢 5 10 高合金钢 10 按显微组织分正火状态下 类合金钢 二 编号方法方法 字母 数字 化学元素符号 数字 字母1第一项字母 表示某些专门用途钢的类型 如 G 为 滚 字拼音的第一个字母 表示滚动轴承钢 2第二项数字 位于所有化学元素符号之前 表示含 量 3第三 四项元素符号和紧接的数字 表示钢中的主要合金元素的种类和名义百分含量 当含量 1 5 时 只标元素符号 不标含量 当 1 5 2 5 3 5 时 元素符号后分别标 2 3 4等 如 60 2 表示 0 6 1 5 1 5 4最后一项字母表示钢的冶金质量 高级优质钢在编号的最后加字母 A 特级优质加字母 E 5其它国家的钢号可查表 9 4船舶动力装置中所用合金结构钢 一 普通低合金钢or低合金结构钢or普低钢 一般特点成分 0 20 合金元素 3 性能 塑性 韧性好 焊接性能好 比低碳钢具有更高的强度 更低的冷脆转变温度 用途和常用牌号船舶 桥梁 大型钢结构 汽车 推广应用 减重20 30 16 发展最早 使用最多 产量最大 三个第一 与 钢相比可节材20 30 用于船体 东风号万吨轮就是用此钢 桥梁 汽车等 15MnVN 420MPa 用于大型焊接结构 如 桥梁 船体等 二 合金渗 钢1 一般特点成分 0 1 0 25 低 钢 确保心部的韧性 合金元素 主加元素 2 4 5 2 作用 提高钢的淬透性 强化心部 辅加元素 0 2 1 2 0 1 作用 防止晶粒长大 强 化物形成元素 2典型钢种及用途 1 低淬透性 低强度渗碳钢 水中淬透直径 35mm b 800 1000MPa 典型钢种为 20 用于制造冲击较小的耐磨件 如 活塞销 齿轮 2 中淬透性 中强度渗碳钢 油中淬透直径25 60mm b 1000 1200MPa 典型钢种为 20 用量大 用于汽车等的重要齿轮 3 高淬透性 高强度渗碳钢 油中淬透直径 100mm 甚至可在空冷条件下淬透 b 1200MPa 典型钢种为 18 2 4 王牌 钢 极高的淬透性 性能很好 冲韧性很高 98 但合金元素达7 大截面的高强度渗 件 活塞销 重型坦克 飞机 机车的 齿轮 精密偶件 著名的针阀体材料 要求进行冷处理 3 钢的热处理热处理 渗 后 淬火 低温回火 表硬里强韧 例 20 渗 淬火 低回 后 性能指标为 表面 HRC 58 60 心部 具有一定的强度 700 800 2 和韧性 60 80 2 32 三 合金调质钢目的 获得好的综合机械性能 一般特点成分 0 3 0 5 的中碳钢 0 4 C的居多 碳素调质钢接近上限 如 40 45 50钢 合金调质钢接近下限 如 30CrMnSi 合金元素 等 作用 提高淬透性 固溶强化F Mo W V Ti B为辅加元素 常用牌号及用途 1 低淬透性 低强度调质钢 油淬直径30 40 典型牌号 40 用量最大的合金钢之一 曲轴 连杆 重要的螺栓 如 连杆螺栓 等 2 中淬透性 中强度调质钢 油淬直径40 60 典型牌号 40 可用40 代替 35CrMo 重型载重汽车的半轴 大型尾轴 活塞头 连杆 曲轴等 3 高淬透性 高强度调质钢 油淬直径60 100 典型牌号 37 3 具有高的综合机械性能 十分昂贵 用于大截面 心部要求高韧性 高强度零件 民用产品最好不用 如 重型机械的轴 叶轮 齿轮等 四 合金弹簧钢专用结构钢 用于弹簧和弹性元件 利用弹性变形减振和依靠弹性储能来驱动零件 1 一般特点成分 0 45 0 7 合金元素 等 作用 提高淬透性和回火稳定性 细化晶粒 性能 屈强比 0 8 弹性好 疲劳强度高 足够的塑性和韧性 2 常用牌号和用途 1 含 V W的钢 50 VA 排气阀弹簧 300 65 2 高温排气阀弹簧 2 以 为主的钢 65Mn 60Si2Mn比碳素弹簧钢的淬透性好 可制造大弹簧 25mm 碳素弹簧钢可制造的弹簧 12 15mm 3 热处理 热成形弹簧 大截面 淬火 中温回火 T 冷成形弹簧 直径 8 用冷拔钢丝冷卷成形 五 滚动轴承钢1 一般性能高的抗压强度 疲劳强度和耐磨性 一定的韧性和耐蚀性 尺寸稳定 成分 0 95 1 10 合金元素 0 4 1 5 2 常用牌号和用途 15 滚动轴承 柴油机的精密偶件 精密量具等 3 热处理 9 5合金工具钢 一 成分 0 6 1 3 合金元素 等 0 02 0 03 优质钢 二 热处理球化退火 淬火 冷处理 低温回火三 常用的合金工具钢 一 低合金刃具钢 特点 在碳素刃具钢的基础上加入一定的合金元素 C 0 75 1 5 过共析成分 合金元素总量 5 合金元素 提高淬透性 与 形成难溶碳化物 HB 耐磨性 防过热 细化晶粒 热处理 球化退火 淬火 低回 常用牌号及用途 9 0 9 1 5 40 50 用途 薄刃刀具 低速切削刀具如 板牙 铣刀等 1 1 5 用途 拉刀 柴油机精密偶件 高速钢 特点 高温硬度即红硬性 热硬性 600 时 60 成分 高 高合金工具钢 C 0 7 1 65 合金元素总量 10 合金元素 铸态组织及锻造与亚共晶白口铁相似 鱼骨状 黑色 共析组织 白色 热处理 球化退火 淬火 低温回火 3次 常用牌号 1 W系 18 4 钨系高速钢 0 7 0 8 4 18 1 5 用途 高速切削用的车刀 钻头等 精密偶件 2 W Mo系 W6Mo5Cr4V2 形状复杂的刃具 韧性好 9 6特殊性能钢 一 不锈钢 不锈耐酸钢 包括 抵抗大气腐蚀的不锈钢和抵抗化学介质的耐酸钢 金属腐蚀的基本概念 在外界介质的作用下 金属逐渐受到破坏的现象 称为腐蚀 例如 船体钢板的生锈 种类 1 化学腐蚀 与周围介质发生化学反应 不产生电流 2 电化学腐蚀 最常见 防止金属腐蚀的基本途径 1 加入合金元素 钢基体的电极电位 2 加入合金元素 使钢在室温下呈单相状态 3 加入合金元素 形成钝化膜 将零件与介质隔离 非常有效 4 减少或消除钢中的不均匀现象 组织 化学成分等 5 涂保护层 如涂漆 船体 电镀等 6 阴极保护法 用电极更低的金属做阳极 被保护对象做阴极 牺牲阳极保护法 如在船体钢板上加Zn块 不锈钢的特点 0 03 1 0 对耐蚀性要求高的 采用低的 C 0 1 0 2 而对硬度也有较高要求的 采用高的 C 0 85 0 95 合金元素 10 主要合金元素 等 Cr合金元素的作用 获得单相组织 电极电位 形成钝化膜 2 3 常用不锈钢 按正火状态分 型不锈钢 0 1 1 0 13 18 Cr13型不锈钢 例 1 13 涡轮叶片 4 13 耐蚀轴承 不锈性的手术刀 型不锈钢 0 15 13 30 特点 室温下单相 抗高温氧化性好 耐酸能力强 但机械性能和工艺性能差 不能承受冲击 冶炼也困难 强度低 1 17 化工容器 硝酸等 型不锈钢 r 18 8 扩大 相区 含C量较低 应用最广 18 8 型是典型的成分配合 可获得单相 1 18 8 2 1Cr18Ni9Ti 具有高的耐蚀性 塑性 焊接性能和冷变形能力 无磁性 但强度不高 可用形变强化 用于 航空发动机零件 航海仪表中的无磁零件 二 耐热钢 耐热性的基本概念 1耐热性 金属材料在高温下抗氧化性和高温强度的总称 2抗氧化性 取决于材料