[工学]4X工业用钢与铸铁工程材料及其理10

1、工程材料及其热处理钢1工程材料及其热处理钢2 1. 1.熟练掌握工业用钢的分类与编号表示方法；熟练掌握工业用钢的分类与编号表示方法； 2. 2.熟悉钢铁中合金元素的含量与作用与相应组织。熟悉钢铁中合金元素的含量与作用与相应组织。 3. 3.了解铸铁的石墨化过程特点与影响；了解铸铁的石墨化过程特点与影响； 4. 4.熟悉铸铁的分类、牌号、性能特点并基本会选。熟悉铸铁的分类、牌号、性能特点并基本会选。 5. 5.了解工程材料新发展简介了解工程材料新发展简介工程材料及其热处理钢3 一、一、钢钢：以铁为主元素以铁为主元素, ,含含c c2 2以下以下, ,并含并含有其它元素的材料。有其它元素的材料。可

2、形变加工的铁碳合金。可形变加工的铁碳合金。 1.工业用钢工业用钢(按成分按成分)包括包括非合金钢、低合金钢、非合金钢、低合金钢、合金钢合金钢三类。三类。( (必须掌握的内容必须掌握的内容- -考试啊考试啊! !) ) 按碳质量分数高低划分按碳质量分数高低划分: : 低低碳钢碳钢( (c c0.250.600.60) )等均属于非合金钢。等均属于非合金钢。工程材料及其热处理钢4 低合金钢是在非合金钢的基础上加入少量合低合金钢是在非合金钢的基础上加入少量合金元素的钢。金元素的钢。 按质量分按质量分 是按钢中主要质量等级分是按钢中主要质量等级分, ,分为普通质量钢、分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢

3、、特殊优质钢优质钢、高级优质钢、特殊优质钢, ,其中的磷和其中的磷和硫质量分数如硫质量分数如表表4-14-1所示。所示。 按钢的主要性能及使用特性分按钢的主要性能及使用特性分 分为分为工程结构用钢工程结构用钢、机械结构用钢机械结构用钢、工具钢工具钢轴承钢、特殊物理性能钢及其他用钢等。轴承钢、特殊物理性能钢及其他用钢等。 工程材料及其热处理钢5 2. 2. 钢铁产品牌号表示方法钢铁产品牌号表示方法 钢材牌号采用钢材牌号采用“数字加字母数字加字母”表示。力学性表示。力学性能和元素含量能和元素含量用数字表示用数字表示，化学元素采用国际化，化学元素采用国际化学元素符号表示。学元素符号表示。 产品名称、

4、用途、冶炼和浇注方法等用汉语产品名称、用途、冶炼和浇注方法等用汉语拼音字母表示拼音字母表示。 表表4-24-2为不同类型钢及其牌号表示方法为不同类型钢及其牌号表示方法。工程材料及其热处理钢6 3. 3.钢铁及合金统一数字代号体系钢铁及合金统一数字代号体系 gb/t17616-1998gb/t17616-1998对钢铁及合金产品牌号规定对钢铁及合金产品牌号规定了统一数字代号，与现行的了统一数字代号，与现行的gb/t221-2000gb/t221-2000钢铁钢铁产品牌号表示方法等同时并用。产品牌号表示方法等同时并用。 统一数字代号有利于现代化数据处理设备进统一数字代号有利于现代化数据处理设备进行

5、存储和检索，便于生产和使用。行存储和检索，便于生产和使用。 统一数字代号统一数字代号由固定的由固定的6 6位符号组成位符号组成，左边，左边第第1 1位用大写拉丁字母作前缀位用大写拉丁字母作前缀(“i”(“i”和和“0”0”除除外外), ),后接后接5 5位阿拉伯数字。位阿拉伯数字。 工程材料及其热处理钢7 每个统一数字只适用于一个每个统一数字只适用于一个产品牌号产品牌号。 例如：例如：u20202u20202，表示表示20(20(非合金钢非合金钢) )优质碳结优质碳结钢钢钢钢；a73402a73402表示合金调质钢中的表示合金调质钢中的40mnvb40mnvb。 非合金钢非合金钢，(俗说：俗说

6、：碳素结构钢碳素结构钢)简称：碳钢简称：碳钢 由于价格低廉、易于获取，通过碳含量的控由于价格低廉、易于获取，通过碳含量的控制和热处理可使其性能得到改善，能满足生产的制和热处理可使其性能得到改善，能满足生产的基本需求，因而应用广泛。基本需求，因而应用广泛。 二、常存元素对碳钢性能的影响二、常存元素对碳钢性能的影响( (了解了解) )工程材料及其热处理钢8 1. 1.碳碳(c )(c )作用作用 碳对碳钢的组织和性能影响很大。碳对碳钢的组织和性能影响很大。如图示如图示 总趋势是：状态图中自左向右，含碳量增加，总趋势是：状态图中自左向右，含碳量增加， fefe3 3c c增加，硬度直线上升，塑韧性急

7、速下降，强增加，硬度直线上升，塑韧性急速下降，强度先升后降。度先升后降。 2. 2.锰锰 (mn(mn) )作用作用 脱氧，脱氧，feofeo还原还原fefe；与；与s s作用作用mnsmns降低热脆降低热脆性；提高强度、硬度。属有益元素。性；提高强度、硬度。属有益元素。 3. 3.硅硅 ( si( si) )作用作用 工程材料及其热处理钢9 与钢液中与钢液中feofeo生成炉渣生成炉渣, ,提高钢质量；溶于提高钢质量；溶于f f中中, ,固溶强化固溶强化, ,有益元素。有益元素。 4. 4.硫硫 s s 作用：作用： 形成形成fesfes( (熔点熔点11901190）, ,在晶界在晶界 处

8、处, ,在在1100 1100 1200 1200 时时, ,压力加工压力加工, ,产生脆裂。产生脆裂。“热脆热脆”, ,有有害元素。害元素。 5. 5.磷磷p p 作用作用： 全部溶于全部溶于f f中，固溶强化；中，固溶强化；r rm m、hbw,hbw,在在低温下引起脆断低温下引起脆断“冷脆冷脆”, ,有害元素。有害元素。 工程材料及其热处理钢10 三、合金元素在钢中的作用三、合金元素在钢中的作用 钢是以钢是以fefe为基的为基的fe-cfe-c合金合金, ,加入的合金元素与加入的合金元素与fefe和和c c之间以及合金元素之间的相互作用是合金结之间以及合金元素之间的相互作用是合金结构和组

9、织变化的基础。构和组织变化的基础。 并且直接影响着钢中的组织和相变过程并且直接影响着钢中的组织和相变过程, ,达到达到改变钢的性能的目的。改变钢的性能的目的。 1. 1.合金元素对钢中基本相的影响合金元素对钢中基本相的影响 强化铁素体强化铁素体 工程材料及其热处理钢11 大部分合金元素加入钢中都能或多或少地溶大部分合金元素加入钢中都能或多或少地溶入入f f而形成合金而形成合金f f, ,由于溶入元素的原子直径与铁由于溶入元素的原子直径与铁的原子直径有差别的原子直径有差别, ,引起引起f f的晶格畸变的晶格畸变, ,使塑性变形使塑性变形抗力增加抗力增加, ,形成固溶强化形成固溶强化, ,使强度、

10、硬度升高使强度、硬度升高, ,但塑但塑性和韧性有所下降。性和韧性有所下降。 而其中而其中crcr2%2%、 nini5%5%、 mnmn1.5%1.5%时时, ,在强化在强化f f的同时的同时, ,仍能提高韧性。仍能提高韧性。 常见合元常见合元对铁素体硬度和冲击韧度的影响对铁素体硬度和冲击韧度的影响. . 工程材料及其热处理钢12 形成合金碳化物形成合金碳化物 据合金元素与碳亲和的能力据合金元素与碳亲和的能力, ,由强到弱顺序是：由强到弱顺序是： 钛、钒、铌、钨、钼、铬、锰和铁钛、钒、铌、钨、钼、铬、锰和铁, ,可将合金元可将合金元素分成：素分成： 1. 1.弱碳化物形成元素弱碳化物形成元素

11、如锰、铁如锰、铁, ,如如( (fe,mnfe,mn) )3 3c c等类稳定性较差的合金等类稳定性较差的合金渗碳体或渗碳体。渗碳体或渗碳体。 中强碳化物形成元素中强碳化物形成元素 工程材料及其热处理钢13 如铬、钼、钨等含量较低如铬、钼、钨等含量较低(0.5%(0.5%3%)3%)时时, ,有有部分合金元素溶入渗碳体部分合金元素溶入渗碳体, ,置换其中的铁原子而置换其中的铁原子而形成合金形成合金fefe3 3c c , ,如如( (fefe，cr)cr)3 3c c、(fe(fe，w)w)3 3c c等。等。 合金渗碳体较渗碳体更稳定，硬度也较高，是合金渗碳体较渗碳体更稳定，硬度也较高，是一

12、般低合金钢中碳化物的主要存在形式。一般低合金钢中碳化物的主要存在形式。 强碳化物形成元素强碳化物形成元素 如钛、钒、铌及钨、钼含量大于如钛、钒、铌及钨、钼含量大于5%5%时时) )主要主要与碳形成特殊碳化物，如与碳形成特殊碳化物，如tictic、vcvc、nbcnbc、ww2 2c c、m m0202c c等。等。 工程材料及其热处理钢14 特殊碳化物与合金特殊碳化物与合金fefe3 3c c的晶格结构不同的晶格结构不同, ,属属于具有复杂晶格的间隙化合物于具有复杂晶格的间隙化合物, ,具有更高的熔点具有更高的熔点、硬度和耐磨性、硬度和耐磨性, ,也更为稳定。也更为稳定。 尤其是在钢中弥散分布

13、时尤其是在钢中弥散分布时, ,能显著提高钢的强能显著提高钢的强度、硬度和耐磨性度、硬度和耐磨性. .而不明显降低其韧性而不明显降低其韧性, ,这对提这对提高工模具的使用性能极为有利高工模具的使用性能极为有利, ,但在加工工艺中但在加工工艺中必须采用较大的锻造比和适当的热处理工艺配合必须采用较大的锻造比和适当的热处理工艺配合才能更好的发挥钢材潜力。才能更好的发挥钢材潜力。工程材料及其热处理钢15 2. 2.合金元素对合金元素对fe-fefe-fe3 3c c相图的影响相图的影响 1)1)改变改变a a区的范围区的范围 扩大扩大a a区的元素区的元素 添加镍、锰、钴、铜等元素会扩大添加镍、锰、钴、

14、铜等元素会扩大a(a(相相) )区区, ,使使gsgs线向左下方移动线向左下方移动, ,共析转变温度与共析成分共析转变温度与共析成分向低温、低碳方向移动。向低温、低碳方向移动。 若钢中含有大量这类元素若钢中含有大量这类元素, ,会使相图中会使相图中相相区域扩展到室温以下区域扩展到室温以下, ,室温可形成单相室温可形成单相a a组织组织, ,称为称为a a钢钢, ,如如mn13mn13耐磨钢耐磨钢、12cr18ni912cr18ni9钢等均属于钢等均属于a a钢。钢。 工程材料及其热处理钢16 缩小奥氏体区的元素缩小奥氏体区的元素 添加铬、钨、钼、钒、钛、铝、硅等元素缩添加铬、钨、钼、钒、钛、铝

15、、硅等元素缩小奥氏体小奥氏体(相相) )区区, ,使使gsgs线向左上方移动线向左上方移动, ,共析转共析转变温度与共析成分向高温、低碳方向移动。变温度与共析成分向高温、低碳方向移动。 若钢中加入大量这类元素若钢中加入大量这类元素, ,可能使可能使相区完相区完全消失全消失, ,室温形成稳定的单相室温形成稳定的单相f f组织组织, ,此称为此称为f f钢。钢。 如如工业用高硅变压器钢、含工业用高硅变压器钢、含17%17%28%cr28%cr的的高铬不锈钢等都属于高铬不锈钢等都属于f f钢钢。 工程材料及其热处理钢17 图图4-34-3为合金元素（为合金元素（mnmn和和crcr）对）对fe-fe

16、fe-fe3 3c c相图的相图的影响影响. . 2) 2)改变相图中改变相图中e e、s s点的位置点的位置 合金元素加入钢中均使合金元素加入钢中均使fe-fefe-fe3 3c c相图中的相图中的s s点、点、e e点左移。点左移。 s s点左移点左移, ,表明合金钢中共析成分的碳质量分表明合金钢中共析成分的碳质量分数减少数减少, ,即即c c0.77%0.77%。 e e点左移点左移, ,则表明出现则表明出现l ld d的碳质量分数降低。的碳质量分数降低。 例如例如, , c c=0.4%=0.4%的碳钢原属亚共析钢的碳钢原属亚共析钢, ,但加入质但加入质工程材料及其热处理钢18 量分数

17、量分数13%13%的铬元素后的铬元素后, ,则成为共析钢则成为共析钢, ,如如4cr134cr13不不锈钢锈钢。 又如又如w w=18%=18%的高速钢的高速钢, ,即使其即使其c c仅仅0.7%0.7%0.8%,0.8%,铸态组织中就出现了合金铸态组织中就出现了合金l ld d, ,也称称为也称称为l ld d钢钢。 显然显然, ,合金元素使合金元素使fe-fefe-fe3 3c c相图的相变点发生改相图的相变点发生改变变, ,不再适用于合金钢不再适用于合金钢。 因此因此, ,合金钢的热处理等工艺应根据多元铁基合金钢的热处理等工艺应根据多元铁基合金系相图分析合金系相图分析。工程材料及其热处理

18、钢19 3. 3.合金元素对钢的热处理的影响合金元素对钢的热处理的影响 1)1)合金元素对钢加热转变的影响合金元素对钢加热转变的影响 合金钢的合金钢的a a化的基本过程与非合金钢一样化的基本过程与非合金钢一样, ,也也有晶核形成有晶核形成, ,长大及碳化物溶解和均匀化等过程。长大及碳化物溶解和均匀化等过程。 而这些过程基本上是由碳的扩散来控制。而这些过程基本上是由碳的扩散来控制。 除钴、镍外，大多数合金元素特别是强碳化除钴、镍外，大多数合金元素特别是强碳化物形成元素物形成元素, ,如钛、钒、钨、钼、铬等如钛、钒、钨、钼、铬等, ,因形成的因形成的碳化物稳定性高碳化物稳定性高, ,难溶难溶, ,

19、可显著阻碍碳的扩散可显著阻碍碳的扩散, ,减缓减缓a a的形成。的形成。 工程材料及其热处理钢20 对含这些元素的合金钢对含这些元素的合金钢, ,采用采用升高加热温度升高加热温度和和延长保温时间延长保温时间, ,使合元溶入使合元溶入a,a,提高钢的淬透性。提高钢的淬透性。 非碳化物形成元素和弱碳化物形成元素非碳化物形成元素和弱碳化物形成元素, ,如铝、如铝、硅、锰等硅、锰等, ,则对则对a a转变速度影响不大。转变速度影响不大。 2)2)合金元素对钢冷却转变的影响合金元素对钢冷却转变的影响 合金元素对过冷合金元素对过冷a a分解的影响分解的影响 合金元素合金元素( (除钴外除钴外) )溶入溶入

20、a a后后, ,使铁、碳原子扩散使铁、碳原子扩散困难困难, ,过冷过冷a a稳定性增加稳定性增加,c,c曲线右移，其形状与非曲线右移，其形状与非工程材料及其热处理钢21 合金钢相似合金钢相似( (图图4-4a)4-4a), ,降低了钢的临界冷却速度降低了钢的临界冷却速度, ,增增大了钢的淬透性大了钢的淬透性, ,减少了钢的淬火变形与开裂。减少了钢的淬火变形与开裂。 而铬、钼、钨等强碳化物形成元素溶入而铬、钼、钨等强碳化物形成元素溶入a,a,由由于它们对推迟于它们对推迟p p转变与转变与b b转变的作用不同转变的作用不同, ,除使除使c c曲曲线右移外线右移外, ,还使还使c c曲线出现两个鼻尖

21、曲线出现两个鼻尖( (图图4-4b),4-4b),上部上部是是p p转变区转变区, ,下部是下部是b b转变区转变区, ,在两区之间的过冷在两区之间的过冷a a有较大的稳定性。有较大的稳定性。 由于多种合金元素同时加入由于多种合金元素同时加入, ,使使c c曲线右移曲线右移, ,增加了增加了m m临界冷却速度临界冷却速度, ,使钢淬透性的得到提高使钢淬透性的得到提高工程材料及其热处理钢22 目前淬透性好的钢多采用目前淬透性好的钢多采用“多元少量多元少量”的原的原则。则。 合金钢淬透性好合金钢淬透性好, ,在生产中具有非常重要的意在生产中具有非常重要的意义义, ,淬火时大多数可在油中冷却淬火时大

22、多数可在油中冷却, ,减少工件变形与减少工件变形与开裂倾向；特别是大截面工件开裂倾向；特别是大截面工件, ,淬火后得到较大淬火后得到较大的淬硬深度的淬硬深度, ,可提高其承载能力。可提高其承载能力。 合金元素对合金元素对m m转变的影响转变的影响 除钴、铝外除钴、铝外, ,由于大多数合金元素都使由于大多数合金元素都使m m转变转变点点m ms s及及m mf f的温度下降。的温度下降。 工程材料及其热处理钢23 m ms s和和m mf f越低越低, ,淬火后淬火后aa量就越多量就越多, ,从而降低了从而降低了钢淬火后的硬度。钢淬火后的硬度。 淬火组织不稳定。合元中锰、铬、镍的影响淬火组织不稳

23、定。合元中锰、铬、镍的影响尤其明显。尤其明显。 利用冷处理或多次回火减少利用冷处理或多次回火减少aa量量, ,但这要根但这要根据零件性能要求而定。据零件性能要求而定。 图图4-54-5表示不同合金元素对表示不同合金元素对c c=1.0%=1.0%的钢淬的钢淬火后火后a(a(残余奥氏体残余奥氏体) )量的影响量的影响。工程材料及其热处理钢24 3)3)合金元素对钢回火转变的影响合金元素对钢回火转变的影响 提高淬火钢的回火稳定性提高淬火钢的回火稳定性 回火稳定性是指淬火钢件在回火时回火稳定性是指淬火钢件在回火时, ,抵抗软化抵抗软化的能力的能力, ,也称也称耐回火性耐回火性。 合金元素溶入合金元素

24、溶入m m后后, ,使原子的扩散速度减慢使原子的扩散速度减慢, ,延延缓了回火时的转变缓了回火时的转变, ,要采用比非合金钢更高的回要采用比非合金钢更高的回火温度才发生火温度才发生m m分解、分解、aa分解及碳化物析出聚分解及碳化物析出聚集长大集长大, ,即提高了即提高了回火稳定性回火稳定性。 工程材料及其热处理钢25 因此因此, ,在同一温度回火在同一温度回火, ,合金钢的强度、硬度比合金钢的强度、硬度比非合金钢高非合金钢高, ,其淬火残余应力消除的更彻底其淬火残余应力消除的更彻底, ,塑性、塑性、韧性较高。韧性较高。 碳化物形成元素铬、钨、钼、钒、铌等对提碳化物形成元素铬、钨、钼、钒、铌等

25、对提高回火稳定性有较强的作用。而非碳化物形成元高回火稳定性有较强的作用。而非碳化物形成元素硅亦可以明显减慢素硅亦可以明显减慢m m的分解速度。的分解速度。 产生二次硬化现象产生二次硬化现象 含有中强或强碳化物形成元素含有中强或强碳化物形成元素( (如钨、钼、如钨、钼、钛钛) )的钢的钢, ,在回火温度升高到在回火温度升高到500500600600时时, ,其硬度其硬度工程材料及其热处理钢26 并不降低并不降低, ,反而升高反而升高, ,这种这种回火时硬度升高的现象回火时硬度升高的现象称为称为二次硬化二次硬化。 因为因为, ,上述上述合金含量较多的合金钢合金含量较多的合金钢, ,在该温度在该温度

26、内回火时内回火时, ,会从会从m m中析出高度弥散分布在基体上的中析出高度弥散分布在基体上的特殊碳化物特殊碳化物, ,如如ww2 2c c、momo2 2c c、vcvc等等。 这些特殊碳化物阻碍位错运动这些特殊碳化物阻碍位错运动, ,起到弥散强起到弥散强化作用化作用, ,使钢的硬度反而升高现象使钢的硬度反而升高现象, ,如如图图4-64-6所示。所示。 二次硬化对高温下工作的钢二次硬化对高温下工作的钢, ,尤其是高速切尤其是高速切削工具及热加工模具等特别重视的性能。削工具及热加工模具等特别重视的性能。工程材料及其热处理钢27 2 2 工程结构钢工程结构钢 一、概述一、概述 工程结构用钢指用于

27、桥梁、车辆、压力容器、工程结构用钢指用于桥梁、车辆、压力容器、船舶、建筑、电站和国防等工程结构的钢船舶、建筑、电站和国防等工程结构的钢, ,包括包括用于工程结构的非合金钢、低合金钢和合金钢。用于工程结构的非合金钢、低合金钢和合金钢。 这类钢在使用前这类钢在使用前, ,多数要进行焊接、变形加工多数要进行焊接、变形加工等等, ,所以大多数工程结构用钢的碳含量较低所以大多数工程结构用钢的碳含量较低( (c c 0.25%0.25%), ),多以正火或热轧后钢带多以正火或热轧后钢带, ,钢板钢板, ,钢管钢管, ,型钢型钢等型材提供给用户。等型材提供给用户。 工程材料及其热处理钢28 只有少数工程用的

28、合金钢经过其他热处理只有少数工程用的合金钢经过其他热处理后使用后使用! ! 二、碳素结构钢二、碳素结构钢( (非合金结构钢非合金结构钢) ) 牌号由代表牌号由代表屈服点的字母屈服点的字母q q、 屈服点数值、屈服点数值、 质量等级符号、质量等级符号、 脱氧方法脱氧方法四部分组成。四部分组成。 其中质量等级分别用其中质量等级分别用a a、b b、c c、d d表示。表示。 a a的的s s、p p量高量高,d,d的的s s、p p量最低量最低, ,且质量最好。且质量最好。 如：如：q235-a . fq235-a . f q-“ q-“屈屈”字汉语拼音字首，读字汉语拼音字首，读“屈屈”。工程材料

29、及其热处理钢29 235235-r-rm m(b b) )235mpa 235mpa a- a-质量等级质量等级 a a级级 f-f-脱氧方法，指脱氧方法，指“沸腾钢沸腾钢”, ,一般不标。一般不标。 牌号牌号:q195:q195、q215q215、q235q235、q255q255、q275q275五类五类. . 用途用途: :用于制作螺钉、螺栓、螺母、角钢、垫用于制作螺钉、螺栓、螺母、角钢、垫圈、焊接钢管等圈、焊接钢管等, ,详见参考书详见参考书p63p63表表4 44 4。 2. 2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢 s s、p p含量较低，用于重要零件含量较低，用于重要零件 工程材料及其热

30、处理钢30 三、低合金高强度结构钢和合金结构钢三、低合金高强度结构钢和合金结构钢 1. 1.低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是一种低碳、低合金含低合金高强度结构钢是一种低碳、低合金含量的结构钢量的结构钢. .又称为又称为普低钢普低钢。 其其c c0.2%,0.2%,合金元素的含量合金元素的含量3%500(500mpampa) )级别的合金结构钢级别的合金结构钢, ,仅以铁仅以铁素体与珠光体的基本组织就素体与珠光体的基本组织就“捉襟见肘捉襟见肘”了了. . 通过添加通过添加momo、b b、crcr等合金元素可以延缓等合金元素可以延缓p p转转变变, ,在空冷在空冷( (

31、正火正火) )条件下得到大量下贝氏体组织条件下得到大量下贝氏体组织, ,保持良好韧性和加工工艺性能基础上保持良好韧性和加工工艺性能基础上, ,显著提高显著提高屈服强度。屈服强度。 典型钢号典型钢号: :1414crmnmovbcrmnmovb( (详见表详见表4-6,4-6,教材教材p64p64) ) 普低钢的发展趋势更多的是：普低钢的发展趋势更多的是：工程材料及其热处理钢36 通过微合金化与控制轧制相结合通过微合金化与控制轧制相结合, ,促进最佳促进最佳强韧化效果强韧化效果; ; 多元微合金化多元微合金化, ,改变基体组织改变基体组织; ; 采用真空冶炼、真空去气等冶炼工艺采用真空冶炼、真空

32、去气等冶炼工艺, ,促进促进超低碳化超低碳化, ,保证韧性保证韧性, ,利于焊接工艺性提高。利于焊接工艺性提高。 2. 2.低合金耐候钢低合金耐候钢 在碳结钢基础上加入少量的铜、铬、镍、钼、在碳结钢基础上加入少量的铜、铬、镍、钼、磷等合元磷等合元, ,使其在钢的表面形成一层连续致密的使其在钢的表面形成一层连续致密的保护膜保护膜, ,又称耐大气腐蚀钢。又称耐大气腐蚀钢。 工程材料及其热处理钢37 与碳结钢相比有良好的抗大气腐蚀能力。与碳结钢相比有良好的抗大气腐蚀能力。 耐候钢按其性质和用途一般分为两大类：耐候钢按其性质和用途一般分为两大类： (1)(1)焊接结构用耐候钢如焊接结构用耐候钢如121

33、2mncucrmncucr等等 考虑其耐候性考虑其耐候性, ,有兼顾强度、韧性和焊接性能有兼顾强度、韧性和焊接性能, ,主要用于桥梁、建筑及有耐候要求的焊接结构件。主要用于桥梁、建筑及有耐候要求的焊接结构件。 (2)(2)高耐候性结构钢如高耐候性结构钢如0909cupcrnicupcrni-b-b 主要考虑其耐候性而作为一般结构用钢主要考虑其耐候性而作为一般结构用钢, ,用于用于铁路车辆、建筑、农业机械、塔架及其他耐候铁路车辆、建筑、农业机械、塔架及其他耐候工程材料及其热处理钢38性要求高的工程结构件。性要求高的工程结构件。 高耐候性结构钢的牌号、成分及力学性能见高耐候性结构钢的牌号、成分及力

34、学性能见表表4-74-7。 四、微合金化低碳高强度钢简介四、微合金化低碳高强度钢简介 随着中国制造业的发展壮大随着中国制造业的发展壮大, ,为了经济腾飞的为了经济腾飞的需要需要, ,冶金行业对低合金结构钢的成分及工艺进冶金行业对低合金结构钢的成分及工艺进行了大量的研发与引进技术行了大量的研发与引进技术, ,发展了门类众多、发展了门类众多、专业范围较广、使用的工业部门较多的低合金工专业范围较广、使用的工业部门较多的低合金工程结构钢程结构钢, ,许多钢号已纳入国家标准。许多钢号已纳入国家标准。 工程材料及其热处理钢39 例如：例如：汽车汽车、自行车自行车、压力容器压力容器、低温压力、低温压力容器、

35、容器、锅炉锅炉、船舶、船舶、桥梁桥梁、农机、矿山机械、石、农机、矿山机械、石油天然气管线、铁道、油天然气管线、铁道、建筑用钢筋建筑用钢筋等低合金工程等低合金工程结构钢均有标准结构钢均有标准, ,用户可根据构件或零件的工作用户可根据构件或零件的工作条件和使用性能、工艺要求来选择合适的低合金条件和使用性能、工艺要求来选择合适的低合金结构钢牌号。结构钢牌号。 1. 1.油气管材用钢油气管材用钢 石油和天然气是当今世界经济发展主要能源石油和天然气是当今世界经济发展主要能源, ,，它的输送用管材选用格外受到重视它的输送用管材选用格外受到重视, ,总的是向管总的是向管壁更厚、直径更大、强度更高的方向发展。

36、壁更厚、直径更大、强度更高的方向发展。 工程材料及其热处理钢40 要求钢材必须具有高的韧性、断裂扩展抗力要求钢材必须具有高的韧性、断裂扩展抗力和优异的低温韧性和优异的低温韧性, ,同时要求有优良的焊接性能。同时要求有优良的焊接性能。 表表4-84-8海底管线用钢的典型成分和性能海底管线用钢的典型成分和性能. . 表表4-9(4-9(教材教材p66p66) )为焊接大口径天然气、石油输为焊接大口径天然气、石油输送管道钢的化学成分。送管道钢的化学成分。 2. 2.海洋采油平台用钢海洋采油平台用钢 海上采油平台是大型海洋结构海上采油平台是大型海洋结构, ,其服役环境极其服役环境极其恶劣其恶劣, ,长

37、期经受风浪袭击长期经受风浪袭击, ,浮水碰撞浮水碰撞等。等。 工程材料及其热处理钢41 因此对海上采油平台用钢提出了更多、更高、因此对海上采油平台用钢提出了更多、更高、更严格的要求如高的强度、优异的韧性更严格的要求如高的强度、优异的韧性, ,特别是特别是低温韧性和断裂韧度低温韧性和断裂韧度; ;较高的抗疲劳性较高的抗疲劳性; ;优良的焊优良的焊接性、成形性和耐蚀性。接性、成形性和耐蚀性。 据使用要求据使用要求, ,国内外多是在碳锰系和硅锰系基国内外多是在碳锰系和硅锰系基础上添加铌础上添加铌, ,钒钒, ,钛钛, ,铝等元素进行微合金化铝等元素进行微合金化, ,并且采并且采用控制轧制用控制轧制,

38、 ,控制冷却和控制沉淀等工艺控制冷却和控制沉淀等工艺, ,综合运综合运用各种强化机制生产满足海洋结构使用的微合金用各种强化机制生产满足海洋结构使用的微合金化低碳高强度钢化低碳高强度钢, ,其屈服强度已达其屈服强度已达500500700700mpampa。工程材料及其热处理钢42 表表4-104-10为国外海洋用微合金化低碳高强度钢为国外海洋用微合金化低碳高强度钢的性能与用途的性能与用途. . 3. 3.跨海桥梁用钢跨海桥梁用钢 对于跨海桥梁用钢的基本要求是：高强度，对于跨海桥梁用钢的基本要求是：高强度，以减轻跨海桥梁的自重，良好的低温韧性和抗脆以减轻跨海桥梁的自重，良好的低温韧性和抗脆断性能。

39、断性能。( (详见参考教材详见参考教材p66p66) ) 4. 4.压力容器用钢压力容器用钢 强调钢材良好热加工性能和焊接性能强调钢材良好热加工性能和焊接性能; ;具有具有相应的耐蚀性和抗氢能力相应的耐蚀性和抗氢能力; ; 必须保证组织稳定等必须保证组织稳定等。 工程材料及其热处理钢43 3 3 机械结构钢机械结构钢 机械结构用钢是指机械结构用钢是指用于制造机械零件的钢用于制造机械零件的钢。 它们均属于优质的、特殊质量的结构钢它们均属于优质的、特殊质量的结构钢,只有只有经过热处理后性能才得以发挥。经过热处理后性能才得以发挥。 可按非合金钢和合金钢分类可按非合金钢和合金钢分类,多以圆钢、钢管、多

40、以圆钢、钢管、钢板、钢带、钢丝等型材供应。钢板、钢带、钢丝等型材供应。 按用途把它分为调质钢、表面硬化钢、弹簧按用途把它分为调质钢、表面硬化钢、弹簧钢、冷塑成形钢等。钢、冷塑成形钢等。工程材料及其热处理钢44 一、优质的、特殊质量的非合金结构钢一、优质的、特殊质量的非合金结构钢 ( (优质碳素结构钢优质碳素结构钢) ) 优质碳素结构钢主要用于制造机械零件，故优质碳素结构钢主要用于制造机械零件，故称机械结构的非合金钢。称机械结构的非合金钢。 其其碳碳c c=0.05%=0.05%0.90%0.90%, ,锰锰 mnmn=0.25%=0.25%1.21.2的铁碳合金。的铁碳合金。 gb:gb:牌号

41、用两位数字表示含碳量万分之几牌号用两位数字表示含碳量万分之几( (十十) )。 如：如：08f08f、1010、1515、2020、25,25,为为低碳钢低碳钢, ,塑性好，塑性好，耐冲、好焊耐冲、好焊, ,宜做焊接件、冲压件等宜做焊接件、冲压件等；工程材料及其热处理钢45 30 30、3535、4040、4545、5050、55,55,中碳钢中碳钢含含p p多多, ,强强硬适中硬适中, ,有综合的力学性能，多做有综合的力学性能，多做承载力较大的承载力较大的主轴、连杆、曲轴主轴、连杆、曲轴等重要件；等重要件； 6060、6565、7070、75,75,高碳钢高碳钢, ,多需淬火回火多需淬火回火

42、, ,制制作弹性耐磨件。作弹性耐磨件。 2020mnmn、65mn65mn等称等称 含锰量较高的含锰量较高的优质碳素结优质碳素结构钢构钢。 除了除了6565mnmn、70mn70mn、70708585钢是特殊质量钢钢是特殊质量钢外外, ,其余牌号均为其余牌号均为优质钢优质钢。工程材料及其热处理钢46 在供货时在供货时, ,既既保证化学成分保证化学成分, ,又保证力学性能又保证力学性能, ,该该类钢均要进行热处理后才能使用。类钢均要进行热处理后才能使用。 这类钢按含锰量不同这类钢按含锰量不同, ,分为分为普通含锰普通含锰(0.35%(0.35%0.8%)0.8%)和和较高含锰量较高含锰量(0.7

43、%(0.7%1.2%)1.2%)两组。两组。 较高含锰量组较高含锰量组, ,在钢号后加在钢号后加“mnmn”,”,如如1515mnmn、25mn25mn等。等。 优质碳素结构钢按主要优质碳素结构钢按主要工艺特点工艺特点不同也可分不同也可分为为非合金表面硬化钢非合金表面硬化钢、非合金调质钢、非合金调质钢、非合金弹非合金弹簧钢簧钢、非合金行业用钢非合金行业用钢、非合金冷塑成型钢及、非合金冷塑成型钢及工程材料及其热处理钢47非合金冷镦钢等非合金冷镦钢等 二、特殊质量的机械结构用合金钢二、特殊质量的机械结构用合金钢 机械结构用的合金钢主要用于制造各种较为机械结构用的合金钢主要用于制造各种较为重要的机械

44、零件和构件重要的机械零件和构件, ,均为经过热处理后才能均为经过热处理后才能使用的特殊质量等级钢使用的特殊质量等级钢。 该类钢若按主要工艺特点不同该类钢若按主要工艺特点不同, ,可分为可分为表面硬表面硬化钢、化钢、调质钢调质钢、弹簧钢、弹簧钢、冷塑成形钢冷塑成形钢、非调质钢、非调质钢和低碳和低碳m m钢钢, ,以及航空、航天、兵器等专业用合金以及航空、航天、兵器等专业用合金结构钢结构钢. .工程材料及其热处理钢48 1. 1.表面硬化钢表面硬化钢 表面硬化钢是指用表面淬火、渗碳、渗氮等表面硬化钢是指用表面淬火、渗碳、渗氮等表面热处理工艺使零件表面坚硬耐磨而心部韧性表面热处理工艺使零件表面坚硬耐

45、磨而心部韧性适当的钢种适当的钢种. . 由于钢件表层具有较高的残余压应力而使零由于钢件表层具有较高的残余压应力而使零件疲劳性能显著提高。件疲劳性能显著提高。 表面硬化钢分表面硬化钢分非合金钢非合金钢和和合金渗碳钢合金渗碳钢、非合非合金和合金感应加热表面淬火钢金和合金感应加热表面淬火钢、合金渗氮钢三类。、合金渗氮钢三类。 渗碳结构钢渗碳结构钢 工程材料及其热处理钢49 渗碳结构钢分非合金渗碳结构钢和合金渗碳渗碳结构钢分非合金渗碳结构钢和合金渗碳结构钢。结构钢。 它们碳的质量分数一般很低它们碳的质量分数一般很低, ,在在0.1%0.1%0.25%0.25%之间之间, ,这可保证渗碳零件的心部具有足

46、够的韧性这可保证渗碳零件的心部具有足够的韧性和塑性。和塑性。 但须经过渗碳、淬火但须经过渗碳、淬火- -低温回火后的渗碳钢。低温回火后的渗碳钢。 1)1)非合金渗碳结构钢非合金渗碳结构钢 这实际是指传统的这实际是指传统的优质碳素结构钢优质碳素结构钢, ,它的碳含它的碳含量及热处理工艺与合金渗碳结构钢相同。量及热处理工艺与合金渗碳结构钢相同。 工程材料及其热处理钢50 主要用于受力不大、表面要求耐磨的一般齿主要用于受力不大、表面要求耐磨的一般齿轮、凸轮等机械零件。轮、凸轮等机械零件。 这类钢碳含量低、强度低、塑性高、韧性高、这类钢碳含量低、强度低、塑性高、韧性高、有良好焊接性和成形性的特点有良好

47、焊接性和成形性的特点, ,用于制造受力不用于制造受力不大的冲压件、焊接件。大的冲压件、焊接件。 如螺栓、螺母、螺钉、杠杆、轴套、焊接容如螺栓、螺母、螺钉、杠杆、轴套、焊接容器等零件或构件时可以不经热处理而使用。器等零件或构件时可以不经热处理而使用。 常用的钢种见常用的钢种见表表4-14(4-14(教材教材p70p70) )。 2)2)合金渗碳结构钢合金渗碳结构钢 工程材料及其热处理钢51 性能要求性能要求 这类钢是指经渗碳、淬火这类钢是指经渗碳、淬火- -低温回火后的钢制低温回火后的钢制零件具有零件具有“面硬心韧而耐磨面硬心韧而耐磨”的特点。的特点。 适用于要求承受交变应力和磨擦作用的同时适用

48、于要求承受交变应力和磨擦作用的同时, ,也能承受一定的冲击载荷条件下工作的机械零件，也能承受一定的冲击载荷条件下工作的机械零件，如如齿轮、凸轮、活塞销齿轮、凸轮、活塞销等。等。 成分特点成分特点 碳质量分数较低碳质量分数较低, ,目的同非合金渗碳结构钢。目的同非合金渗碳结构钢。 加入的合元有加入的合元有crcr、nini、mnmn, ,主要是提高钢的主要是提高钢的工程材料及其热处理钢52 淬透性保证钢在渗碳淬火后淬透性保证钢在渗碳淬火后, ,心部能获得低碳心部能获得低碳m m组织组织, ,从而提高强度从而提高强度, ,又具有良好的韧性。又具有良好的韧性。 加入微量的强碳化物形成元素加入微量的强

49、碳化物形成元素ww、momo、v v、ti ti等等, ,可以形成稳定的碳化物可以形成稳定的碳化物, ,从而阻止奥氏体长大从而阻止奥氏体长大, ,起到细化晶粒的作用。起到细化晶粒的作用。 这对保证渗碳零件心部的强韧性是极为有利这对保证渗碳零件心部的强韧性是极为有利, ,并使渗碳后可直接淬火并使渗碳后可直接淬火, ,简化了热处理工艺。简化了热处理工艺。 热处理特点热处理特点 工程材料及其热处理钢53 因碳质量分数较低因碳质量分数较低, ,生产中常将渗碳结构钢毛生产中常将渗碳结构钢毛坯先经坯先经正火正火( (或退火或退火) )处理处理, ,提高硬度提高硬度, ,便于切削。便于切削。 渗碳时一般要求

50、渗碳件表层的碳质量分数为渗碳时一般要求渗碳件表层的碳质量分数为0.8%0.8%1.05%,1.05%,经淬火及低温回火经淬火及低温回火, ,表层获得回火表层获得回火m m和合金碳化物组织。和合金碳化物组织。 当当钢的原始组织为钢的原始组织为m m时时, ,应采用高温回火应采用高温回火。 也可根据需要采用也可根据需要采用淬火淬火- -低温回火工艺获得板低温回火工艺获得板条状条状m m的强韧性处理方法的强韧性处理方法。工程材料及其热处理钢54 载重汽车变速齿轮轴选择载重汽车变速齿轮轴选择2020crmnticrmnti( (a26202a26202) )钢的制造工艺路线如下：钢的制造工艺路线如下：

51、 下料下料锻造锻造正火正火齿形加工齿形加工渗碳渗碳( (930930)预冷淬火预冷淬火( (840840)+)+回火回火(230)(230)精磨齿。精磨齿。 常用的钢种常用的钢种 常用渗碳结构钢根据其淬透性的大小可以分常用渗碳结构钢根据其淬透性的大小可以分为三类：为三类：低淬透性渗碳钢低淬透性渗碳钢; ; 中淬透性渗碳钢中淬透性渗碳钢; ; 高淬高淬透性渗碳钢。详见透性渗碳钢。详见表表4-144-14所列所列。 感应加热表面淬火感应加热表面淬火钢钢工程材料及其热处理钢55 最合适的感应加热表面淬火钢种最合适的感应加热表面淬火钢种是非合金中是非合金中碳结构钢碳结构钢( (优质中碳钢优质中碳钢)

52、)和和中碳合金结构钢中碳合金结构钢。 碳的质量分数是影响钢材强度、硬度、韧性碳的质量分数是影响钢材强度、硬度、韧性及塑性的关键及塑性的关键, ,规律表明：规律表明： 碳的质量分数过高碳的质量分数过高, ,会增加表面淬火后淬硬层会增加表面淬火后淬硬层的脆性的脆性, ,降低心部的塑性和韧性降低心部的塑性和韧性, ,并增加表面淬火并增加表面淬火的开裂倾向。的开裂倾向。 碳的质量分数过低碳的质量分数过低, ,会降低表面淬硬层的硬度会降低表面淬硬层的硬度和耐磨性。和耐磨性。 工程材料及其热处理钢56 碳的质量分数过高、过低均不能满足工件对碳的质量分数过高、过低均不能满足工件对表层与心部不同组织和性能的要

53、求。表层与心部不同组织和性能的要求。 该类钢主要用于低速、冲击小的不重要的齿该类钢主要用于低速、冲击小的不重要的齿轮。轮。 常见的钢种：常见的钢种： 1)1)中碳非合金结构钢中碳非合金结构钢 碳含量为碳含量为c c=0.3%=0.3%0.6%,0.6%,常用的钢号为常用的钢号为4040、4545等。等。 2)2)中碳合金结构钢中碳合金结构钢 碳含量为碳含量为c c=0.25%=0.25%0.45%,0.45%,为增加淬透性为增加淬透性, , 工程材料及其热处理钢57 添加的合金元素有添加的合金元素有crcr、mnmn、b b等等, ,常用的钢号为常用的钢号为40cr40cr、40mnb40mn

54、b等。等。 上述二种类型的上述二种类型的感应加热表面淬火钢种感应加热表面淬火钢种当属当属于调质结构钢范畴。于调质结构钢范畴。 合金渗氮结构钢合金渗氮结构钢 由前述由前述2020crmnticrmnti( (a26202a26202) )制造汽车齿轮轴的工制造汽车齿轮轴的工艺路线知艺路线知, ,渗碳零件要经过渗碳零件要经过两次高温加热两次高温加热, ,对尺寸对尺寸精度要求高精度要求高, ,最终最终htht要求变形小的中小零件是严要求变形小的中小零件是严峻考验。峻考验。 工程材料及其热处理钢58 而选择合金渗氮钢而选择合金渗氮钢( (如如3838crmoalacrmoala、35crmo35crm

55、o）等等, ,只需经调质、切削、只需经调质、切削、500500570570之间渗氮之间渗氮, ,便可保证钢件表层具有高硬度和耐磨性便可保证钢件表层具有高硬度和耐磨性, ,心部具心部具有足够的强度、塑性和韧性。有足够的强度、塑性和韧性。 用于渗氮的钢中必须含用于渗氮的钢中必须含al al、v v、momo、crcr、ww、mnmn等能与等能与n n形成合金氮化物和提高淬透性的元素。形成合金氮化物和提高淬透性的元素。 由于该类钢经常在调质后渗氮由于该类钢经常在调质后渗氮, ,故故, ,严格要求为严格要求为碳质量分数是中碳调质钢碳质量分数是中碳调质钢。 工程材料及其热处理钢59 随着氮碳共渗、离子氮

56、化等渗氮工艺的完善随着氮碳共渗、离子氮化等渗氮工艺的完善发展发展, ,能通过氮化处理工艺提高性能的钢种由传能通过氮化处理工艺提高性能的钢种由传统的中碳合结钢到铁素体、马氏体和奥氏体不锈统的中碳合结钢到铁素体、马氏体和奥氏体不锈钢类钢类, ,正在不断增多正在不断增多。 2. 2.调质结构钢调质结构钢 调质钢指经调质处理后使用的中碳非合金结调质钢指经调质处理后使用的中碳非合金结构钢和中碳合金结构钢。构钢和中碳合金结构钢。 钢经调质后由于获得回火索氏体，因而具有钢经调质后由于获得回火索氏体，因而具有良好的综合力学性能。良好的综合力学性能。( (如表如表4-154-15所示所示) ) 工程材料及其热处

57、理钢60 非合金调质结构钢非合金调质结构钢 碳的质量分数为碳的质量分数为c c=0.3%=0.3%0.6%0.6%的中碳非合的中碳非合金结构钢金结构钢( (优质中碳钢优质中碳钢), ),经调质处理后经调质处理后, ,获得良好获得良好的综合力学性能。的综合力学性能。 主要用于制造受力比较大、在一定的冲击载主要用于制造受力比较大、在一定的冲击载荷条件下工作的机械零件，如曲轴、连杆、齿轮、荷条件下工作的机械零件，如曲轴、连杆、齿轮、机床主轴等。机床主轴等。 其中其中4040、4545钢属于经典运用钢属于经典运用。 合金调质结构钢合金调质结构钢工程材料及其热处理钢61 主要用于制造在重载和冲击载荷作用

58、下的一主要用于制造在重载和冲击载荷作用下的一些重要的受力件如些重要的受力件如机床主轴、汽车、拖拉机驱动机床主轴、汽车、拖拉机驱动桥半轴大功率发动机曲轴、连杆桥半轴大功率发动机曲轴、连杆等都是在多种复等都是在多种复杂应力负荷下工作的杂应力负荷下工作的, ,有时还受到冲击载荷作用有时还受到冲击载荷作用, ,要求高强度的同时要求高强度的同时, ,还要求有高的塑性和韧性等还要求有高的塑性和韧性等综合力学性能。综合力学性能。 只有只有中碳合金结构钢经调质处理后中碳合金结构钢经调质处理后才能达到才能达到上述要求上述要求, ,因此称合金调质结构钢。因此称合金调质结构钢。 1)1)性能要求性能要求 工程材料及

59、其热处理钢62 具有良好的综合力学性能具有良好的综合力学性能, ,适应适应多种复杂应力多种复杂应力负荷下工作零件的高的负荷下工作零件的高的“强而韧强而韧”的要求的要求, ,具有具有合适满足不同要求的淬透性能。合适满足不同要求的淬透性能。 2)2)成分特点成分特点 碳的质量分数为碳的质量分数为c c=0.25%=0.25%0.45%,0.45%,即：中碳即：中碳, ,碳的质量分数过高则零件韧性不足碳的质量分数过高则零件韧性不足, ,碳的质量分碳的质量分数过低则淬火和回火后强度不够。数过低则淬火和回火后强度不够。 不能满足调质后获得不能满足调质后获得高高“强而韧强而韧”的要求。的要求。 加入的合金

60、元素有加入的合金元素有mnmn、si si、crcr、nini、b b、v v、工程材料及其热处理钢63momo、ww等等, ,主要作用是提高淬透性主要作用是提高淬透性, ,强化铁素体和细强化铁素体和细化晶粒化晶粒,w,w、momo可防止产生高温回火脆性。可防止产生高温回火脆性。 3)3)热处理特点热处理特点 “调质调质= =淬火淬火+ +高温回火高温回火”。 此为最终热处理此为最终热处理, ,通常是通常是油淬后进行在油淬后进行在500500650650的高温回火即调质处理工艺的高温回火即调质处理工艺。 回火后的组织是回火后的组织是s s回回, ,是在是在f f基体上分布着颗粒基体上分布着颗粒