碳钢分类及其基础知识

1、碳钢分类及其基础知识，常见碳素结构钢的牌号用Q+数字表示其中“Q为屈服点“屈字的汉语拼音字首,数字表示屈服强度的数值。例如，Q275表示屈服强度为275MPa。假设牌号后面标注字母A、B、C、D表示钢材质量等级不同，即硫、磷含量不同其中A级钢含硫、磷量最高D级钢含硫、磷量最低即A、B、C、D表示钢材质量依次提高。3/3/20222Q235C、Q235DQ255、Q275 强度较高，可轧制成型钢、钢板作构件用。可用于重要的焊接件。常用碳素结构钢：常用碳素结构钢： Q195、Q215、Q235A、Q235B塑性较好，有一定的强度，通常轧制成钢筋、钢板、钢管等，可用于做桥梁、建筑物等构件，也可用做普

2、通螺钉、螺帽、铆钉等。3/3/20223。优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件优质碳素结构钢的钢号用平均碳质量分数优质碳素结构钢的钢号用平均碳质量分数的万分数的数字表示的万分数的数字表示例如，钢号例如，钢号“20即表示碳质量分数为即表示碳质量分数为0.20%万分之二十的优质碳素结构钢。万分之二十的优质碳素结构钢。 假设钢中锰含量较高，那么在这类钢号假设钢中锰含量较高，那么在这类钢号后附加符号后附加符号“Mn，如，如15Mn、45Mn等。等。3/3/20224常用优质碳素结构钢：常用优质碳素结构钢： 08F 塑性好，可制造冷冲压零件；10、20钢钢 冷冲压

3、性与焊接性能良好，可用作冲压件及焊接件，经过热处理如渗碳也可以制造轴、销等零件；35、40、45、50钢钢 经热处理后，可获得良好的综合机械性能，用来制造齿轮、轴类、套筒等零件；3/3/2022560、65钢钢 主要用来制造弹簧优质碳素结构钢使用前一般都要经过热处理优质碳素结构钢使用前一般都要经过热处理 3/3/20226例如，T12A表示碳质量分数为1.2%的高级优质碳素工具钢。碳素工具钢用来制造各种刃具、量具、模具等碳素工具钢的碳质量分数在0.65%1.35%之间钢号用平均碳质量分数的千分数的数字表示数字之前冠以“T“碳的汉语拼音字头。例如，T9表示碳质量分数为0.9%即千分之九的碳素工具

4、钢。碳素工具钢均为优质钢、磷更低那么为高级优质钢，那么在钢号后标注“A字。假设含硫3/3/20227常用碳素工具钢：常用碳素工具钢： T7、T8 硬度较高韧性较高，可制造冲头、锤子等工具。T9、T10、T11 硬度高，韧性适中，可制造钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具等。T12、T13 硬度很高，韧性较低，可制作锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。3/3/20228量规锉刀碳素工具钢使用前都要进行热处理淬火碳素工具钢使用前都要进行热处理淬火+低温回火。低温回火。 3/3/20229碳钢的在性能上主要的缺乏：碳钢的在性能上主要的缺乏： (1)淬透性低(2)一般情况下碳钢水淬最大淬透直径只有

5、(3)10mm20mm。(2)强度和屈强比较低普通碳钢Q235钢的s为235MPa，低合金结构钢Q345(16Mn)的s那么为360MPa以上。40钢的s/b仅为0.43,合金钢35CrNi3Mo的s/b高达0.74。3/3/202210(3)回火稳定性差碳钢在进行调质处理时，为了保证较高的强度需采用较低的回火温度这样钢的韧性就偏低；为了保证较好的韧性，采用高的回火温度时强度又偏低，所以碳钢的综合机械性能水平不高。(4)不能满足特殊性能的要求碳钢在抗氧化、耐蚀、耐热、耐低温、耐磨损以及特殊电磁性等方面往往较差，不能满足特殊使用性能的需求。碳钢不能完全满足科学技术和工业的开展要求。为了提高钢的性

6、能，在铁碳合金中特意参加合金元素。所获得的钢种称为合金钢。3/3/202211合金钢的分类合金钢的分类 1.按合金元素含量多少分类：按合金元素含量多少分类： 低合金钢合金元素总量低于低合金钢合金元素总量低于5 % 中合金钢合金元素总量为中合金钢合金元素总量为5 %10 % 高合金钢合金元素总高合金钢合金元素总 2.按所含的主要合金元素分类：按所含的主要合金元素分类：铬钢铬钢Cr-Fe-C) 铬镍钢铬镍钢Cr-Ni-Fe-C) 锰钢锰钢Mn-Fe-C) 硅锰钢硅锰钢Si-Mn-Fe-C)3/3/2022123.按小试样正火或铸态组织分类：按小试样正火或铸态组织分类：珠光体钢马氏体钢铁素体钢奥氏体

7、钢莱氏体钢4.按用途分类：按用途分类：合金结构钢合金工具钢特殊性能钢3/3/202213。,。合金钢的编号牌号首部用数字标明碳质量分数结构钢以万分之一为单位的数字两位数；工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字一位数而工具钢的碳质量分数超过1%时碳质量分数不标出。在说明碳质量分数数字之后，用元素的化学符号说明钢中主要合金元素质量分数,由其后面的数字标明平均质量分数,少于1.5%时不标数,平均质量分数为1.5%2.49%、2.5%3.49%时相应地标以2、33/3/202214，。合金结构钢40Cr平均碳质量分数为0.40%主要合金元素Cr的质量分数在1.5%以下。合金工具钢5CrMnMo平均碳

8、质量分数为0.5%,合金元素Cr、Mn、Mo的质量分数均在1.5%以下专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明。GCr15表示碳质量分数约1.0%、滚珠轴承钢在钢号前标以“G。铬质量分数约1.5%(这是一个特例,铬质量分数以千分之一为单位的数字表示)的滚珠轴承钢。Y40Mn表示碳质量分数为0.4%、锰质量分数少于1.5%的易切削钢等等。高级优质钢那么在钢的末尾加“A字说明，例如20Cr2Ni4A等3/3/202215合金结构钢合金结构钢用于制造重要工程结构和机器零件的合金钢用于制造重要工程结构和机器零件的合金钢主要有：低合金高强度结构钢合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢滚珠轴承钢低合金高强度结构钢简称低

9、合金高强钢低合金高强度结构钢简称低合金高强钢 主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等输油输气管道、大型钢结构等3/3/2022163/3/202217性能要求(1)高强度：一般屈服强度在300MPa以上。(2)高韧性：要求延伸率为15%20%，室温冲击韧性大于600kJ/m2800kJ/m2。对大型焊接构件，还要有较高的断裂韧性。(3)良好的焊接性能和冷成型性能。(4)低的冷脆转变温度。(5)良好的耐蚀性。3/3/202218成分特点(1)低碳：由于韧性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳质量分数不超过0.20%。(

10、2)参加以锰为主的合金元素。(3)参加铌、钛或钒等辅加元素：少量的铌、钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮化物，有利于获得细小的铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性。此外，参加少量铜0.4%和磷0.1%左右等，可提高抗腐蚀性能。参加少量稀土元素，可以脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能。3/3/202219Q34516Mn我国低合金高强钢中用量最多、产量最大的钢种。使用状态的组织为细晶粒的铁素体珠光体，强度比普通碳素结构钢Q235高约20%30%，耐大气腐蚀性能高20%38%。Q42015MnVN中等级别强度钢中使用最多的钢种。强度较高，且韧性、焊接性及低温韧性也较好，被广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶

11、等大型结构。强度级别超过500MPa后，铁素体和珠光体组织难以满足要求，于是开展了低碳贝氏体钢。参加Cr、Mo、Mn、B等元素，有利于空冷条件下得到贝氏体组织，使强度更高，塑性、焊接性能也较好，多用于高压锅炉、高压容器等。3/3/2022205.热处理特点这类钢一般在热轧空冷状态下使用，不需要进行专门的热处理。使用状态下的显微组织一般为铁素体+索氏体。合金渗碳钢合金渗碳钢主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷3/3/2022213/3/202222，。，性能要求外表渗碳层硬度高以保证优异

12、的耐磨性和接触疲劳抗力同时具有适当的塑性和韧性(2)心部具有高的韧性和足够高的强度.心部韧性缺乏时，在冲击载荷或过载作用下容易断裂；强度缺乏时那么较脆的渗碳层易碎裂、剥落。(3)有良好的热处理工艺性能.在高的渗碳温度900950下奥氏体晶粒不易长大，并有良好的淬透性3/3/202223成分特点(1)低碳：碳质量分数一般为0.10%0.25%，使零件心部有足够的塑性和韧性。(2)参加提高淬透性的合金元素：常参加Cr、Ni、Mn、B等。(3)参加阻碍奥氏体晶粒长大的元素：主要参加少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。3/3/20222420Cr低淬透性合金渗碳钢。淬透性较

13、低，心部强度较低。20CrMnTi中淬透性合金渗碳钢。淬透性较高、过热敏感性较小，渗碳过渡层比较均匀，具有良好的机械性能和工艺性能。18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A高淬透性合金渗碳钢。含有较多的Cr、Ni等元素，淬透性很高，且具有很好的韧性和低温冲击韧性。3/3/202225热处理和组织性能合金渗碳钢的热处理工艺一般都是渗碳后直接淬火，再低温回火。热处理后，外表渗碳层的组织为合金渗碳体+回火马氏体+少量剩余奥氏体组织，硬度为60HRC62HRC。心部组织与钢的淬透性及零件截面尺寸有关。完全淬透时为低碳回火马氏体，硬度为40HRC48HRC；多数情况下是屈氏体、回火马氏体和少量铁素体，硬

14、度为25HRC40HRC心部韧性一般都高于700kJ/m2。3/3/202226合金调质钢用途广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如机床齿轮、主轴、汽车发动机曲轴、连杆、螺栓等。2.性能要求调质件大多承受多种工作载荷，受力情况比较复杂，要求高的综合机械性能，即具有高的强度和良好的塑性、韧性。合金调质钢还要求有很好的淬透性。但不同零件受力情况不同，对淬透性的要求不一样。3/3/202227汽车万向节连杆汽车万向节连杆3/3/202228(：成分特点中碳：碳质量分数一般在0.25%0.50%之间，以0.4%居多；(2)参加提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等这些合金元素除

15、了提高淬透性外，还能形成合金铁素体，提高钢的强度。如调质处理后的40Cr钢的性能比45钢的性能高很多；(3)参加防止第二类回火脆性的元素：含Ni、Cr、Mn的合金调质钢，高温回火慢冷时易产生第二类回火脆性。在钢中参加Mo、W可以防止第二类回火脆性，其适宜含量：Mo的质量分数为0.15%0.30%，或W的质量分数为0.8%1.2%。3/3/20222940Cr低淬透性合金调质钢，油淬临界直径为30mm40mm，用于制造一般尺寸的重要零件。35CrMo中淬透性合金调质钢，油淬临界直径为40mm60mm，参加钼不仅可提高淬透性，而且可防止第二类回火脆性。40CrNiMo高淬透性合金调质钢，油淬临界直

16、径为60mm100mm，铬镍钢中参加适当的钼，不但具有好的淬透性，还可消除第二类回火脆性。3/3/202230热处理和组织性能合金调质钢的最终热处理是淬火加高温回火。合金调质钢淬透性较高，一般都用油淬，淬透性特别大时甚至可以空冷，这能减少热处理缺陷。合金调质钢的最终性能决定于回火温度。一般采用500650回火。通过选择回火温度，可以获得所要求的性能。为防止第二类回火脆性，回火后快冷水冷或油冷，有利于韧性的提高。3/3/20223140Cr钢经不同温度回火后的机械性能钢经不同温度回火后的机械性能(直径直径D=12mm, 油淬油淬)3/3/202232合金调质钢常规热处理后的组织是回火索氏体，用于

17、螺栓、连杆等。为回火马氏体，外表硬度可达55HRC58HRC。心部组织是回火索氏体。合金调质钢淬透调质后的屈服强度约为800MPa,冲击韧性在800kJ/m2，心部硬度可达22HRC25HRC。假设截面尺寸大而未淬透时，性能显著降低。3/3/202233合金弹簧钢性能要求(1)高的弹性极限e，尤其是高的屈强比s/b以保证弹簧有足够高的弹性变形能力和较大的承载能力。(2)高的疲劳强度r，以防止在震动和交变应力作用下产生疲劳断裂。(3)足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆断。此外，弹簧钢还要求有较好的淬透性，不易脱碳和过热，容易绕卷成形等。一些特殊弹簧钢还要求耐热性、耐蚀性等。3/3/202234成分

18、特点(1)中、高碳高的屈强比要求弹簧钢的碳含量比调质钢高，碳的质量分数一般为0.50%0.70%。碳含量过高时，塑性、韧性降低，疲劳抗力也下降。(2)参加以Si、Mn为主的提高淬透性的元素，Si和Mn同时也提高了屈强比。重要用途的弹簧钢还必须参加Cr、V、W等元素。此外，弹簧的冶金质量对疲劳强度有很大的影响，所以弹簧钢均为优质钢或高级优质钢。3/3/20223565Mn和60Si2Mn以Si、Mn为主要合金元素的弹簧钢。价格廉价，淬透性明显优于碳素弹簧钢，Si、Mn的复合合金化，性能比只用Mn的好得多。这类钢主要用于汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧。50CrVA含Cr、V、W等元素的弹簧钢。Cr

19、、V复合合金化，不仅大大提高钢的淬透性，而且还提高钢的高温强度、韧性和热处理工艺性能。这类钢可制作在350400温度下承受重载的较大弹簧。3/3/202236加工、热处理与性能弹簧按加工和热处理可分为两类：(1)热成形弹簧用热轧钢丝或钢板制成，然后淬火和中温（450550）回火，获得回火屈氏体组织，具有很高的屈服强度和弹性极限，并有一定的塑性和韧性，一般用来制作为较大型的弹簧。(2)冷成形弹簧小尺寸弹簧一般用冷拔弹簧钢丝（片）卷成。为了提高弹簧的疲劳寿命，还广泛采用喷为了提高弹簧的疲劳寿命，还广泛采用喷丸强化处理。丸强化处理。3/3/202237滚珠轴承钢滚珠轴承钢 主要用来制造滚动轴承的滚动

20、体滚珠、滚柱、滚针、内外套圈等，属专用结构钢。从化学成分上看它属于工具钢，所以也用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。3/3/202238性能要求(1)高的接触疲劳强度：轴承元件如滚珠与套圈，运动时为点或线接触，接触处的压应力高达1500MPa5000MPa；应力交变易造成接触疲劳破坏，产生麻点或剥落，所以轴承钢疲劳强度应很高。(2)高的硬度和耐磨性：硬度一般为62HRC64HRC。(3)足够的韧性和淬透性。此外，还要求在大气和润滑介质中有一定的耐蚀能力和良好的尺寸稳定性。3/3/202239成分特点(1)高碳碳质量分数一般为0.95%1.10%，以保证其高硬度、高耐磨性和高强度。(2)

21、铬为根本合金元素铬提高淬透性；形成合金渗碳体(Fe,Cr)3C呈细密、均匀分布，提高钢的耐磨性,特别是疲劳强度。适宜的铬质量分数为0.40%1.65%。(3)参加硅、锰、钒等Si、Mn进一步提高淬透性，便于制造大型轴承V部分溶于奥氏体中，局部形成碳化物VC，提高钢的耐磨性并防止过热。(4)高的冶金质量轴承钢中非金属夹杂和碳化物的不均匀性对钢的性能尤其是接触疲劳强度影响很大。因此，轴承钢一般采用电炉冶炼和真空去气处理。3/3/202240,分类(1)铬轴承钢最常用的是GCr15。使用量占轴承钢的绝大局部。(2)添加Mn、Si、Mo、V的轴承钢参加Si、Mn可提高淬透性，如GCr15SiMn、GC

22、r15SiMnMoV等。为了节铬,参加Mo、V可得到无铬轴承钢如GSiMnMoV、GSiMnMoVRE等，其性能与GCr15相近。热处理及组织性能轴承钢的热处理主要为球化退火、淬火和低温回火。3/3/202241(1)球化退火(2)轴承钢予先热处理是球化退火。其目的不仅是(3)降低钢的硬度，以利于切削加工，更重要的是(4)获得细的球状珠光体和均匀分布的过剩的细粒状碳化物，(5)为零件的最终热处理做组织准备。(6)(2)淬火和低温回火(7)淬火温度要求十分严格，温度过高会过热，晶粒长大，(8)使韧性和疲劳强度下降，且易淬裂和变形；温度过低，(9)那么奥氏体中溶解的铬量和碳量不够，钢淬火后硬度缺乏

23、。(10)GCr15钢的淬火温度严格控制在820840范围内,(11)回火温度一般为150160。3/3/202242GCr15钢淬火温度对机械性能的影响3/3/202243 轴承钢淬火后的组织为极细的回火马氏体、均匀分布的粒状碳化物以及少量剩余奥氏体。轴承钢淬火后的组织为极细的回火马氏体、均匀分布的粒状碳化物以及少量剩余奥氏体。 GCr15钢淬火GCr15钢淬火、回火后的显微组织、回火后的显微组织GCr15钢淬火、回火后的显微组织3/3/202244精密轴承必须保证在长期存放和使用中不变形。引起变形和尺寸变化的原因主要是存在有内应力和剩余奥氏体发生转变。为了稳定尺寸，淬火后可立即进行“冷处理

24、-60-50，并在回火和磨削加工后，进行低温时效处理120130,保温5h10h。合金工具钢工具钢按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢，但实际应用界限并非绝对用途主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、钻头等。2.性能要求刃具切削时受工件的压力，刃部与切屑之间产生强烈的摩擦；由于切削发热，刃部温度可达500600；此外，还承受一定的冲击和震动。3/3/202245英制模板刀铣刀3/3/202246。对刃具钢提出如下根本性能要求：高硬度金属切削刀具的硬度一般都在60HRC以上(2)高耐磨性不仅取决于钢的硬度，而且与钢中硬化物的性质、数量、大小和分布有关。(3)高热硬性热硬性是指钢在高温下保持高硬

25、度的能力亦称红硬性。热硬性与钢的回火稳定性和特殊碳化物的弥散析出有关。(4)足够的塑性和韧性以防刃具受冲击震动时折断和崩刃。3/3/202247成分特点成分特点低合金刃具钢最高工作温度不超过低合金刃具钢最高工作温度不超过300 高碳高碳 碳质量分数为碳质量分数为0.9 %1.1 %，以保证高硬度和高耐磨性。以保证高硬度和高耐磨性。 参加参加Cr、Mn、Si、W、V等合金元素等合金元素 Cr、Mn、Si主要是提高钢的淬透性，主要是提高钢的淬透性，Si还能提高钢的回火稳定性；还能提高钢的回火稳定性；W、V能提高硬度和耐磨性，并防止加热时过热，能提高硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持细小的晶粒。保

26、持细小的晶粒。3/3/202248(2)高速钢高速钢是高合金刃具钢，具有很高的热硬性，高速切削中刃部温度达600时，其硬度无明显下降。高碳碳质量分数在0.70%以上，最高可达1.5%左右，它一方面要保证能与W、Cr、V等形成足够数量的碳化物；另一方面还要有一定数量的碳溶于奥氏体中，以保证马氏体的高硬度。参加Cr、W、Mo、V等合金元素Cr提高淬透性，W、Mo保证高的热硬性。在退火状态下，W、Mo以M6C型碳化物形式存在。这类碳化物一局部在淬火后存在于马氏体中，在随后的560回火时，形成W2C或Mo2C弥散分布，造成二次硬化。这种碳化物在500600温度范围内非常稳定，从而使钢具有良好的热硬性。

27、V提高耐磨性，细化晶粒。3/3/202249(1)低合金刃具钢典型钢种为9SiCr。(2)加工过程球化退火、机加工，然后淬火和低温回火。(3)热处理后的组织为回火马氏体、碳化物和少量剩余奥氏体。(4)(2)高速钢(5)W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2钢。W18Cr4V钢的热硬性较好,(6)热处理时的脱碳和过热倾向较小。而W6Mo5Cr4V2钢的(7)耐磨性、热塑性和韧性较好。(8)高速钢热处理特点：(9)淬火温度高一般为12201280，(10)550570回火三次。3/3/202250高速钢成分特点1.高碳碳质量分数在0.70%以上，最高可达1.5%左右，它一方面要保证能与W、Cr、V等

28、形成足够数量的碳化物；另一方面还要有一定数量的碳溶于奥氏体中，以保证马氏体的高硬度。2.参加Cr、W、Mo、V等合金元素参加Cr提高淬透性，几乎所有高速钢的铬含量均为4%。铬的碳化物Cr23C6在淬火加热时差不多全部溶于奥氏体中，增加过冷奥氏体的稳定性，大大提高钢的淬透性。铬还能提高钢的抗氧化、脱碳的能力。3/3/202251参加W、Mo保证高的热硬性，在退火状态下，W、Mo以M6C型碳化物形式存在。这类碳化物在淬火加热时极难溶解，一局部淬火后存在于马氏体中，在随后的560回火时，形成W2C或Mo2C弥散分布，造成二次硬化。这种碳化物在500600温度范围内非常稳定，不易聚集长大，从而使钢具有良好的热硬性；未溶的碳化物能起阻止奥氏体晶粒长大及提高耐磨性的作用。V能形成VC(或V4C3),非常稳定，极难熔解，硬度极高大大超过W2C的硬度且颗粒细小，分布均匀，能大大提高钢的硬度和耐磨性。3/3/202252高速钢牌号一种是钨系W18Cr4V钢，另一种是钨钼系W6Mo5Cr4V2钢。两种钢的组织性能相似，但W6Mo5Cr4V2钢