【重庆大学工程材料】第七章

工程材料 王金星材料科学与工程学院 邮箱 wjx 电话EngineeringMaterials 第七章工业用钢 第七章工业用钢 工业用钢包括碳素钢 简称碳钢 和合金钢两大类 在工业用钢中 除Fe和C元素外 还含有其他元素 包括杂质元素和合金元素 杂质元素 泛指钢冶炼后残留在钢中的元素 合金元素 指为提高钢的性能特意添加到钢中的元素 碳钢是wc为0 0218 2 11 的铁碳合金 具有较好的性能 产量大 价格低 应用十分广泛 但淬透性 回火抗力差 屈强比低 合金钢是在碳钢的基础上添加合金元素的铁基合金 总体性能优于碳钢 但加工困难 价格昂贵 选材时 如果碳钢能够满足要求 一般不使用合金钢 一 钢的分类 按化学成分分类 碳素钢 低碳钢 wc 0 25 高碳钢 wc 0 60 工业用钢 合金钢 低合金钢 wMe 5 中合金钢 wMe 5 10 高合金钢 wMe 10 中碳钢 wc 0 25 0 60 7 1钢的分类和编号 按用途分类 结构钢 工程构件用钢 建筑用钢 工业用钢 特殊钢 不锈钢 耐热钢 机器零件用钢 工具钢 桥梁用钢 船舶用钢 车辆用钢 渗碳钢 调质钢 弹簧钢 轴承钢 刃具钢 模具钢 量具钢 7 1钢的分类和编号 按金相组织分类 退火状态 亚共析钢 过共析钢 工业用钢 正火状态 珠光体钢 贝氏体钢 马氏体钢 共析钢 莱氏体钢 奥氏体钢 复相钢 7 1钢的分类和编号 按质量分类 普通钢 wS 0 055 wP 0 045 工业用钢 高级优质钢 优质钢 wS 0 040 wP 0 040 wS 0 030 wP 0 035 注 高级优质钢在其编号后加注 A 7 1钢的分类和编号 二 钢的编号普通碳素结构钢用 符号Q 数字 表示例 Q235优质碳素结构钢用2数字表示例 4508 屈服点的汉语拼音字头 表示该钢的屈服强度值不小于235MPa 表示wC的万分之几 即该钢的平均wC为0 08 表示wC的万分之几 即该钢的平均wC为0 45 7 1钢的分类和编号 合金结构钢用 2数字 元素符号 数字 表示例 36Mn2Si碳素工具钢用 T 数字 表示例 T12A 表示wC的万分之几 即该钢的平均wC为0 36 表示该钢含有锰元素 平均wMn为2 百分之几 表示该钢为高级优质钢 碳素工具钢 的汉语拼音字头 表示该钢含有硅元素 平均wSi小于1 5 表示wC的千分之几 即该钢的平均wC为1 2 7 1钢的分类和编号 合金工具钢用 1数字 元素符号 数字 表示例 9Mn2V滚动轴承钢用 G 数字 表示例 GCr15 表示wC的千分之几 表示该钢含有锰元素 平均wMn为2 百分之几 表示该钢含有铬元素 平均wCr为1 5 Cr千分之几 其余百分之几 滚动轴承钢 的汉语拼音字头 表示该钢含有钒元素 平均wV小于1 5 7 1钢的分类和编号 注 当Wc 1 0 则不予标出 不锈钢用 数字 元素符号 数字 表示例 1Cr18Ni9Ti高速工具钢用 元素符号 数字 表示 不标出含碳量例 W18Cr4V 表示平均wC的千分之几 表示该钢含有镍元素 平均wNi为9 表示该钢含有铬元素 平均wCr为4 表示该钢含有钨元素 平均wW为18 表示该钢含有钛元素 平均wTi小于1 5 表示该钢含有铬元素 平均wCr为18 表示该钢含有钛元素 平均wV小于1 5 7 1钢的分类和编号 一 杂质元素对钢性能的影响1 锰 Mn Mn能溶入铁素体中起固溶强化作用 提高钢的硬度和强度 2 硅 Si Si能溶入铁素体中起固溶强化作用 提高钢的硬度和强度 3 硫 S S通常是有害元素 会引起钢的 热脆 4 磷 P P通常是有害元素 会引起钢的 冷脆 5 氮 N 过量N会使钢的塑性 韧性显著降低 出现 时效脆化 6 氧 O 氧通常是有害元素 在钢中成为非金属夹杂物而降低钢的性能 7 氢 H 氢是钢中的有害元素 产生 氢脆 和造成 白点 微裂纹 7 2钢中的杂质及合金元素 二 合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的两种存在形式 溶入铁素体和形成碳化物 1 合金元素对钢中基本相的影响 溶入铁素体 非碳化物形成元素Ni Si Al Co Cu N B等非碳化物形成元素主要溶入铁素体中 起固溶强化作用 提高钢的硬度和强度 Ni还能提高钢的韧性 形成碳化物 碳化物形成元素Ti Zr V Nb W Mo Cr Mn等在碳化物形成元素在钢中与C作用形成碳化物 钢中的碳化物通常能够提高钢的强度 硬度和耐磨性 碳化物形成元素与碳的亲和力的大小 TiZrVNbWMoCrMn Fe 7 2钢中的杂质及合金元素 2 合金元素对铁碳相图的影响钢中加入合金元素后 Fe Fe3C相图将发生变化 这些元素或者扩大奥氏体区域 或者缩小奥氏体区域 扩大奥氏体区的元素Ni Mn C N等元素扩大奥氏体区域 使A1和A3温度降低 S点和E点向左下方移动 缩小奥氏体区的元素Cr Mo Si W等元素缩小奥氏体区域 使A1和A3温度升高 S点和E点向左上方移动 7 2钢中的杂质及合金元素 wMn对 区的影响 wCr对 区的影响 3 合金元素对钢的热处理的影响 对奥氏体化的影响除Ni Co外 大多数合金元素都延缓钢的奥氏体化过程 它们阻碍C和Me的扩散 因此合金钢的A化温度较高 时间较长 对奥氏体晶粒度的影响除Mn外 几乎所有合金元素都细化晶粒 尤其以碳化物形成元素的细化晶粒效果最显著 它们形成的碳化物分布在A中时 能够阻碍晶界的迁移 从而阻止晶粒长大 对钢的淬透性的影响除Co外 大多数合金元素只要溶入奥氏体中 都提高淬透性 对钢的回火稳定性的影响回火稳定性 淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力 又称回火抗力 大多数合金元素因为能够阻碍M的分解 从而提高回火抗力 7 2钢中的杂质及合金元素 一 工程构件用钢工程构件用钢是国防 化工 石油 电站 车辆 船舶 桥梁 建筑等国民经济部门制造各种重要构件的金属材料 工程构件用钢的性能要求 高的弹性极限和高的刚度 低的屈强比 良好的焊接性和冷变形性 良好的耐大气 水腐蚀性 工程构件用钢的成分特点 低含碳量 wC 0 25 含微量合金元素 V Ti Nb Zr Ca RE 稀土元素 等 7 3结构钢 普通碳素结构钢 化学成分特点低碳 0 10 0 20 典型钢号Q235 热处理特点一般不进行热处理强化 只保证力学性能和工艺性能 使用状态及组织使用状态 热轧态 组织 F P 少量 应用建筑钢筋 7 3结构钢 7 3结构钢 建筑钢筋 7 3结构钢 建筑钢筋 7 3结构钢 Q460是一种低合金高 强 度钢 它在受力强度达到460兆帕时才会发生塑性变形 也只有这种属性 才能成为国 家 体育场特殊结构的栋梁 舞钢 鸟巢 是国内在建筑结构上首次使用Q460规格的钢材 使用的钢板厚度达到110毫米 普通钢220mm 在中 国材料史上绝无仅有 在国家标准中 Q460的最大厚度也只是100毫米 央视大楼 舞钢 宝钢根据工程的特点 自主开发出了国内最高等级Q460建筑结构钢 7 3结构钢 EXPO 宝钢研制 极低屈服点BLY160新型建筑用钢 抗震 东方之冠 低合金高强度钢 普通低合金结构钢 化学成分特点低碳 0 10 0 20 锰含量 1 2 1 6 典型钢号16Mn相当于是在Q235的基础上多添加了0 6 0 8 的Mn 热处理特点一般不进行热处理强化 只保证力学性能和工艺性能 使用状态及组织使用状态 热轧态或正火态 组织 F P 少量 应用桥梁钢构 船用钢板等 7 3结构钢 7 3结构钢 南京长江大桥中的钢结构 重庆朝天门大桥 世界第一跨 拱桥主跨552m 全长1741米 拱架Q420 Q370和Q345 型钢16Mn 二 机器零件用钢机器零件用钢是制造各种机器零件 如齿轮 轴 弹簧 轴承等的金属材料 机器零件用钢的性能要求 高的强度和塑性 韧性 良好的疲劳强度 耐磨性 良好的切削加工性能和热处理性能 机器零件用钢的成分特点 除C元素外 通常含有能够提高淬透性和细化晶粒的合金元素 Cr Ni Mn Si Mo Ti V W等 7 3结构钢 渗碳钢 化学成分特点低碳 0 1 0 25 合金元素 Cr Mn Ni Mo Ti W V B等 渗碳后 表层为1 0 左右的高碳成分 保证高硬度 高耐磨性 心部保持原始成分 热处理后具有良好的韧性和足够的强度 典型钢号20CrMnTi在20号钢的基础上 通过添加合金元素Cr Mn Ti而形成 热处理特点渗碳 920 930 C 淬火 830 C 低温回火 200 C 2h 组织和性能表层 高碳M回 k A 硬度 HRC56 62 心部 低碳M回 淬透时 硬度 HRC30 45 应用重载齿轮 凸轮 活塞销等 7 3结构钢 7 3结构钢 汽车变速箱齿轮 东风153汽车后桥螺伞齿轮 7 3结构钢 凸轮 7 3结构钢 凸轮 调质钢 化学成分特点中碳 0 30 0 50 合金元素 Cr Ni Mn Mo W V Ti B等 热处理后可满足综合力学性能的要求 典型钢号40Cr在40号钢的基础上 通过添加合金元素Cr而形成 热处理特点调质处理 淬火 830 C 高温回火 525 C 组织和性能组织 S回 硬度 HRC25 35 应用各种轴类零件 汽车后桥半轴 连杆 螺栓等 7 3结构钢 7 3结构钢 连杆 7 3结构钢 汽车后桥半轴 弹簧钢 化学成分特点中 高碳 0 45 0 70 合金元素 Si Mn Cr V等 典型钢号热成形弹簧 弹簧用钢的尺寸较大 60Si2Mn在60号钢的基础上 通过添加合金元素Si Mn等元素而形成 冷成形弹簧 弹簧用钢丝的直径一般小于10mm 50CrVA 热处理特点热成形弹簧 淬火 870 C 中温回火 460 C 冷成形弹簧 卷簧 去应力退火 250 C 组织和性能组织 T回 硬度 HRC35 45 应用60Si2Mn 汽车减振板弹簧 悬挂弹簧 50CrVA 汽车发动机气门弹簧 7 3结构钢 7 3结构钢 汽车板弹簧 7 3结构钢 汽车悬挂弹簧 7 3结构钢 汽车汽门弹簧 滚动轴承钢 化学成分特点高碳 0 95 1 15 合金元素 Cr 主要 Si Mn等 典型钢号GCr15 热处理特点预备热处理 球化退火 以降低硬度 改善切削加工性 并获得P粒 最终热处理 淬火 840 C 低温回火 150 160 C 组织和性能组织 M回 k A 硬度 HRC61 应用滚动轴承的滚珠 轴承套等 7 3结构钢 一 刃具钢刃具钢是制造各种车刀 铣刀 钻头等切削工具的金属材料 刃具钢的性能要求 高的硬度和耐磨性 HRC 60 高的热硬性 红硬性 热硬性 刃具在高温下保持高硬度的能力 足够的塑性和韧性 刃具钢的成分特点 高碳 以保证高的硬度 并形成足够多的碳化物以提高耐磨性 合金元素 提高淬透性的元素Cr Ni Mn Si等 提高热硬性的元素W Mo V Co等 7 4工具钢 碳素工具钢 化学成分特点高碳 0 65 1 35 高的含碳量保证高硬度及形成足够的碳化物 提高耐磨性 典型钢号T7 T8 T10 T12 热处理特点预备热处理 球化退火 T8 T10 T12 完全退火 T7 最终热处理 淬火 780 C 低温回火 180 C 除T7外 温度Ac3以上 组织和性能 组织 M回 k A 硬度 HRC60 应用T7 T8 木工工具 刃具 切削软金属 及锤子 冲头等冲击负荷工具 T9 T11 手用锯条 要求不高的刀具 钻头等 T12 T13 耐磨性最高 韧性最低 锉刀 量具等 7 4工具钢 碳素工具钢缺点 热硬性差 淬透性差 VS 低合金工具钢 化学成分特点高碳 0 75 1 5 合金元素 Cr Mn Si W V等 高的含碳量保证高硬度及形成足够的碳化物 提高耐磨性和热硬性 典型钢号9SiCr 热处理特点预备热处理 球化退火最终热处理 淬火 830 860 C 低温回火 180 200 C 组织和性能组织 M回 k A 硬度 HRC61 63 应用丝锥 板牙 钻头 铰刀等 7 4工具钢 7 4工具钢 刃具 丝锥和板牙 7 4工具钢 刃具 丝锥 7 4工具钢 刃具 板牙 7 4工具钢 刃具 铰刀 高速钢在高速切削过程中 刀具的刃部温度可达600 以上 低合金钢刃具已不能满足这种要求 化学成分特点高碳 0 70 1 6 合金元素 W Mo Cr V Co等 高的含碳量形成足够的碳化物 保证淬硬性 W提高热硬性 典型钢号W18Cr4V 热处理特点锻造 等温退火 淬火 1280 C 回火 560 C 3次 组织和性能组织 M回 k A 硬度 HRC62 应用高速车刀 拉刀 钻头等 7 4工具钢 7 4工具钢 刃具 拉刀在拉力作用下进行切削 分为内拉刀和外拉刀 7 4工具钢 W18Cr4V钢的铸态组织 组织中含有大量 鱼骨 状碳化物 W18Cr4V钢的退火组织 碳化物基本上呈颗粒状 7 4工具钢 W18Cr4V钢的淬火组织M k A W18Cr4V钢的回火组织M回 k A 少量 二 模具钢模具钢是制造各种冲模 挤压模 锤锻模等模具的金属材料 根据模具的工作条件 模具钢分为冷作模具钢和热作模具钢两类 模具钢的性能要求 冷作模具钢 冷冲 冷挤压模 高的硬度和耐磨性 HRC58 60 高的强度和足够的韧性 良好的工艺性能 热处理变形小 淬透性高 热作模具钢 热锻 压铸模 良好的综合力学性能 高的高温强度 良好的韧性 良好的抗热疲劳性能和热磨损性能 良好的抗氧化和耐腐蚀性能 7 4工具钢 模具钢的成分特点 冷作模具钢 高碳 以保证高的硬度 并形成足够多的碳化物以提高耐磨性 合金元素 Cr Mo V W等 提高淬透性 细化晶粒 热作模具钢 中碳 以保证良好的综合力学性能 合金元素 Cr Ni Mn W Mo V等 Cr Ni Mn Mo提高淬透性 Cr Mo提高回火抗力 Cr W Mo缩小 区 提高A1温度 提高抗冷热疲劳性能 7 4工具钢 冷作模具钢 在冷态下变形的模具 化学成分特点高碳 1 4 2 3 合金元素 Cr Mo V W等 高的含碳量保证形成足够的碳化物 提高硬度及耐磨性 典型钢号碳素工具钢 低合金工具钢 高碳高铬的Cr12型模具钢 Cr12MoV Cr12型模具钢 热处理特点预备热处理 球化退火 850 870 C 最终热处理 淬火 980 1030 C 低温回火 160 180 C 组织和性能组织 M回 k A 硬度 HRC61 63 应用冷冲模 冷挤压模 拉丝模等 7 4工具钢 7 4工具钢 模具 拉丝模 热作模具钢 使金属热成型的模具 化学成分特点中碳 0 5 0 6 合金元素 Cr Ni Mn W Mo V等 典型钢号热锻模 5CrMnMo热处理 完全退火 淬火 820 850 C 中温回火或高温回火 组织 T回或S回 热挤压模或压铸模 3Cr2W8V热处理 球化退火 淬火 1050 1150 C 回火 550 C 2 3次 组织 M回 k A 硬度 HRC49 55 应用热锻模 热挤压模 压铸模等 7 4工具钢 三 量具钢量具钢是制造计量工件尺寸的工具的金属材料 量具钢的性能要求 保持尺寸精度 或尺寸稳定性 是量具最基本的性能要求 高的硬度和耐磨性 HRC58 64 高的组织稳定性 尽量减少残余奥氏体量 良好的耐腐蚀性 量具钢的成分特点 高碳 以保证高的硬度 并形成足够多的碳化物以提高耐磨性 合金元素 Cr Mn W等 提高淬透性 耐磨性 7 4工具钢 量具钢 化学成分特点高碳 0 9 1 5 合金元素 Cr Mn W等 高的含碳量保证形成足够的合金碳化物提高硬度及耐磨性 典型钢号低合金工具钢 CrWMn GCr15碳素工具钢 T10 T12 热处理特点球化退火 淬火 冷处理 长时间低温回火 人工时效 组织和性能组织 M回 k A 少量 硬度 HRC58 64 应用游标卡尺 千分尺 直尺 塞尺 块规等 7 4工具钢 量具 游标卡尺 千分尺 7 4工具钢 量具 塞尺 用于测量间隙尺寸 7 4工具钢 量具 块规 7 4工具钢 7 5特殊钢 一 不锈钢不锈钢是能抵抗大气或酸等化学介质腐蚀的钢种 不锈钢又称不锈耐酸钢 金属腐蚀的形式 化学腐蚀是金属与介质直接发生化学作用的结果 如氧化 电化学腐蚀是金属在电解质中由于形成原电池而引起的腐蚀 电化学腐蚀是金属腐蚀的主要形式 英国HarryBrearley1912年发明 不锈钢之父 7 5特殊钢 合金中的原电池 在合金中 由于组成合金的相不同 而不同相的电极电位有高有低 因此就会形成无数个原电池 例如 钢中的珠光体 由F和Fe3C组成 F的电极电位低 为阳极 Fe3C的电极电位高 为阴极 如果钢的表面覆盖了酸性介质 如酸雨 则作为阳极的F 钢的基体 就会被腐蚀掉 从而造成钢的腐蚀 防止金属电化学腐蚀的措施 室温下获得单相组织例如 加入 24 Ni 室温下可获得单相奥氏体组织 提高金属基体的电极电位例如 加入 13 Cr F的电极电位从 0 56V跃增至0 2V 金属表面形成钝化膜例如 加入Cr Al Si可在金属的表面形成致密的氧化膜 将金属与介质分隔开 7 5特殊钢 分马氏体不锈钢 铁素体不锈钢 奥氏体不锈钢 马氏体不锈钢 化学成分特点碳含量 0 1 0 45 铬含量 12 14 提高F 典型钢号Cr13型 1Cr13 2Cr13 3Cr13 4Cr13随C 的增加 强度 硬度增大 但耐腐蚀性降低 热处理特点及组织预备热处理 完全退火或高温回火 最终热处理 淬火 1000 1100 C 回火 对1Cr13 2Cr13 高温回火 600 700 C 组织 S回 对3Cr13 4Cr13 低温回火 200 300 C 组织 M回 应用1Cr13 2Cr13 汽轮机叶片 水压机阀 锅炉管附件等耐蚀结构钢 3Cr13 4Cr13 医用手术刀 耐蚀弹簧等耐蚀工具钢 7 5特殊钢 7 5特殊钢 医用手术刀 铁素体不锈钢 化学成分特点高铬低碳 碳含量 0 15 铬含量 12 30 典型钢号Cr17型 1Cr17随Cr 的增加 基体电极电位提高 并在室温获得单相F 热处理特点及组织铁素体不锈钢在加热 冷却时不发生组织转变 组织始终为F 因此不能通过热处理进行强化 铁素体不锈钢可采用冷塑性变形 通过加工硬化提高强度 应用硝酸 氮肥 磷酸工业中的耐蚀零件 强度低 7 5特殊钢 奥氏体不锈钢 化学成分特点低