20 工业用钢（1 结构钢）

第八章工业用钢机械工程材料8.1结构钢8.3

特殊性能钢8.2工具钢主要内容机械工程材料1普通碳素结构钢和低合金高强度结构钢 2优质碳素结构钢3机械结构用钢（渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、铸造碳钢）4其他专用结构钢1刃具用钢2模具用钢3量具用钢 4轧辊用钢1不锈钢 2耐热钢 3耐磨钢4其他特殊钢机械工程材料学习成果达成（1）认识常用材料牌号及性能特点。（2）熟悉常见工业用钢的种类、性能特点以及应用，能够根据工业生产的具体要求合理选择钢种及热处理方式。

机械工程材料项

目

设

计（1）很多汽车制造厂都把20CrMnTi作为重要的原材料，制作的零件性能优良。请查阅资料，说明该材料的重要用途和发挥材料最优性能的途径。（2）常见拖拉机履带、挖掘机铲斗工作环境恶劣，说明选用的材料如何满足使用要求。（3）90Cr18MoV属于高碳高铬马氏体不锈钢，用于制造不锈切片、机械刃具及剪切工具、手术刀片、高耐磨设备零件等。探究不锈钢适宜制造承受高耐磨、高负荷以及在腐蚀介质中工作的原理。8.1结

构

钢

用于制造各类机械零件、各种工程构件的钢材均称为结构钢。结构钢按成分可分为碳素结构钢和合金结构钢。按用途又可简单地分为机械结构用钢和工程结构用钢。通常，按成分、用途或热处理工艺，结构钢可分为：

普通碳素结构钢、低合金高强度结构钢、渗碳钢、调质钢、

弹簧钢和滚动轴承钢等。机械工程材料（1）成分：C<0.2%,P、S量及非金属夹杂较多.（2）性能：可焊性、塑性好,强度/硬度低。（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（5）用途：常以热轧板、带、棒及型钢使用，用量约占钢材总量的70%。用于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。（6）牌号举例：Q235Q-屈服强度；235最小屈服强度值235MPa（一）普通碳素结构钢和低合金高强度结构钢螺纹钢热轧钢板机械工程材料1、普通碳素结构钢（1）性能要求高强度及足够韧性。良好的焊接性能，焊后一般不再热处理。良好的耐蚀性及低的韧脆转变温度。（2）成分特点低碳：≤0.2%C.合金元素：主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等。

①Mn的作用是强化铁素体；增加珠光体的量。

②V、Ti、Nb等起细化晶粒和弥散强化作用。

2、低合金高强度结构钢机械工程材料（一）普通碳素结构钢和低合金高强度结构钢低合金结构钢不但具有良好的塑性和韧性以及焊接工艺性能，而且还具有较高的强度，较低的冷脆转变温度和良好的耐腐蚀能力。因此，用低合金结构钢代替低碳钢，可以减少材料和能源的损耗，减轻工程结构件的自重（一般可节约钢材20%~30%），增加可靠性，还可以安全地使用在北方高寒地区（-40℃）和要求抵抗腐蚀的行业。目前我国低合金高强度结构钢成本与碳素结构钢相近，故推广使用低合金高强度结构钢在经济上具有重大意义。（3）热处理：通常是在热轧或正火状态下使用。（4）使用状态下组织：F+P（或S）（5）用途：Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的压力容器。Q460钢含Mo、B，正火组织为贝氏体，强度高,用于石化中温高压容器.Q420、Q460的C、D、E级钢可根据需要进行淬火＋低温回火获得板条状马氏体。机械工程材料（一）普通碳素结构钢和低合金高强度结构钢2、低合金高强度结构钢

优质碳素结构钢与普通碳素钢相比，有害杂质硫、磷及非金属夹杂物的含量较少，化学成分控制较为严格，塑性和韧性较高。经适当热处理后，其力学性能可达到一定的水平，因此常用来制造各种机器零件。（1）牌号命名及成分特点

两位数字，表示钢中平均碳质量分数的万倍。如45钢。（2）性能特点和用途优质碳素结构钢随牌号的数字增加，含碳量增加，组织中的珠光体量增加，铁素体量减少，因此钢的强度也随之增加，而塑性指标越来越低。1）低碳钢（wc<0.25%）

如20、08F2）中碳钢（wc=0.25%~0.55%）如45、503）高碳钢（wc>0.55%）如60~70钢机械工程材料（二）优质碳素结构钢（1）性能特点

表面渗碳层具有高硬度、高耐磨性，心部具有良好的塑性和韧性。即表硬里韧。（2）成分特点

低碳：0.1-0.25%C

合金元素作用：

①提高淬透性：Cr、Mn、Ni、B②强化铁素体：Cr、Mn、Ni③细化晶粒：W、Mo、Ti、V1.渗碳钢

可经受渗碳、淬火+低温回火使表面硬度和耐磨性提高而心部仍然保持适当强度和韧性的钢。机械工程材料（三）机械结构用钢——渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、铸造碳钢机械工程材料（3）热处理特点渗碳件的加工工艺路线为：下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火+低温回火预备热处理，正火，目的为细化组织，为切削加工做好准备。最终热处理为渗碳后淬火加低温回火。

淬火温度一般为：Ac1+30-50℃。

最终表面组织：心部：M低碳回+F+P细

（淬透时）；F+P细

（未淬透时）

表层：M高碳回+颗粒状碳化物(少量均匀)+A少量残余1.渗碳钢

低淬透性钢：20、20Cr。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。中淬透性钢：20CrMnTi。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。高淬透性钢：18Cr2Ni4WA。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。（4）常用钢号及用途机械工程材料1.渗碳钢

技术要求：渗碳层厚1.2~1.6mm，表面碳质量分数为1.0%；齿顶硬度58~60HRC，心部硬度30~45HRC。20CrMnTi钢制作汽车变速齿轮的生产工艺流程如下：

下料→锻造→正火→加工齿形→非渗碳部位镀铜保护→渗碳→预冷淬火+低温回火→喷丸→磨齿(精磨)。（5）应用举例机械工程材料1.渗碳钢

合金渗碳钢20CrMnTi制造汽车变速齿轮为例，说明其工艺路线的安排和热处理工艺的选用。（1）性能要求

良好的综合力学性能；良好的淬透性。（2）成分特点

1）

中碳：0.25－0.5%C2）合金元素作用：

①提高淬透性:Mn、Si、Cr、Ni、B②强化铁素体:Mn、Si、Cr、Ni③细化晶粒:Ti、V④防止第二类回火脆性:W、Mo2调质钢机械工程材料（三）机械结构用钢——渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、铸造碳钢（3）热处理及组织特点调质件的加工工艺路线为：下料→锻造→退火→粗加工→调质→精加工→装配调质目的：获得良好综合力学性能；使用组织为：S回为提高表面耐磨性，调质后可进行表面淬火或氮化。（4）常用钢号及用途低淬透性钢：D0油<30－40mm,常用45、40Cr,用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等。中淬透性钢：D0油≈40－60mm，常用40CrNi，用于制造大中型零件。高淬透性钢：D0油>60mm,常用40CrNiMo,用于制造大截面重载荷零件，如曲轴等。机械工程材料2调质钢（5）应用举例技术要求：整体调质处理，硬度为300~341HBW，Rm≥900MPa，ReL≥750MPa，K≥80J。心部为均匀一致的回火索氏体，允许有少量的游离态的铁素体(1～3级合格）。生产工艺路线如下：

下料→锻造→退火(或正火)→粗加工→调质→精加工锻后退火或正火，目的是改善锻造组织，均匀化组织并细化晶粒，改善切削加工性，为调质作组织上的准备。正火后的组织为细珠光体（索氏体）和少量铁素体，硬度为160~217HBW。机械工程材料2调质钢以40Cr钢制作拖拉机气缸连杆螺栓为例调质处理是在860C±10℃加热、油淬，然后在570C±25℃回火，空冷（防止第二类回火脆性），获得高的综合机械性能（强度、冲击韧性、疲劳强度良好配合），组织为回火索氏体S回组织，可以承受较大的弯曲应力和冲击力，满足使用性能要求。（1）性能要求

1）

高的σs，σs/σb；高的σ-1；足够的韧性

2）

高的淬透性。（2）成分特点

1）中高碳：碳素弹簧钢为0.6－0.9%C；合金弹簧钢为0.45~0.7%C2）合金元素作用：

①提高淬透性、强化铁素体：Mn、Si、Cr②

提高

s/

b：Si③

细化晶粒：V3弹簧钢机械工程材料（三）机械结构用钢——渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、铸造碳钢（3）热处理及组织特点1）冷成型弹簧：冷拔→冷成型→定型处理(250－300℃)。用于<φ10mm弹簧。2）热成型弹簧：热成型→淬火+中温回火；使用状态下的组织：T回，用于大截面弹簧(>φ10mm)（4）弹簧的表面质量弹簧的表面质量对其寿命影响很大。提高表面质量的方法:①防止表面脱碳；

②避免表面缺陷；

③进行喷丸处理，使表面产生压应力。机械工程材料3弹簧钢（5）常用钢号及用途Si、Mn弹簧钢，如65Mn、60Si2Mn，用于制造较大截面弹簧。Cr、V弹簧钢，如50CrV，用于大截面、大载荷、耐热的弹簧。4常用轴承钢（1）性能要求

⑴高而均匀的硬度和耐磨性。

⑵高的

b和接触疲劳强度。

⑶足够的韧性、淬透性和耐蚀性.（2）成分特点

1）

高碳：0.95－1.10%C2）合金元素：以Cr为主,加入Mn、Si。

Cr、Mn、Si的主要作用是提高淬透性

Cr还提高耐磨性（形成合金渗碳体）和耐蚀性

。

当>1.65%Cr时,会因A’增加而使硬度和稳定性下降。机械工程材料（三）机械结构用钢——渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、铸造碳钢（1）性能和用途铸钢和铸铁相比，流动性差，而且在结晶过程中收缩率较大。为改善流动性，需采用较高的浇注温度。为防止铸钢件在结晶时收缩而开裂，除加大浇注冒口外，应严格限制铸钢成分。含碳量一般选在0.15%～0.60%范围以内，含碳量过高，塑性不足，会产生开裂。硫、磷含量最好限制在0.05%以下，因为硫有促进热裂的倾向，磷使钢的脆性增加。铸钢件由于浇注温度高，铁素体晶粒粗大，且成粗大针状，使钢的塑性和韧性降低。因此铸钢件常采用正火或退火处理消除上述组织缺陷，改善性能，并消除铸造应力。主要用于性能要求较高，形状复杂，无法锻造成形的零件。例如，大型水压机的气缸，上、下横梁和立柱，轧钢机的机架，汽车、拖拉机齿轮叉、气门摇臂等。（2）牌号和命名根据GB/T5613-2014铸钢牌号表示方法，铸造用钢的代号用“铸钢”两字的汉语拼音第一个大写正体字母“ZG”表示；当有特殊性能要求时，取特殊性能汉语拼音的第一个正写字母排列在铸钢代号后，常见的有：焊接结构用铸钢“ZGH”、耐热铸钢“ZGR”、耐蚀铸钢“ZGS”、耐磨铸钢“ZGM”。根据GB/T5613-2014，铸钢牌号分为用力学性能表示和用化学成分表示两种，此外GB/T8170还规定了用主要元素符号、名义含量及力学性能表示的铸钢牌号。用力学性能表示的铸钢，例如ZG310-570，表示最低屈服强度值为310MPa、最低抗拉强度值为570MPa的一般工程用铸造碳钢。如表8-8所示，共有5个牌号，主要用于性能要求较高、形状复杂、滚动轴承钢一般为过共析钢。1）热处理：球化退火（预）；淬火+低温回火（终）2）组织：M回+颗粒状合金碳化物（3）热处理和组织特点（4）常用钢号及用途

高碳铬轴承钢GCrl5、GCrl5SiMn

高碳铬不锈轴承钢G95Cr18碳素轴承钢G55渗碳轴承钢G20CrMo、G20CrNiMo、G20Cr2Ni4A。应用最广的是GCr15，大量用于大中型轴承；大型轴承用GCr15SiMn。这类钢还可用于制造模具、量具等。机械工程材料4滚动轴承钢技术要求：表面洛氏硬度为60~65HRC，心部保持良好的综合力学性能。生产工艺路线如下：轧制（锻造）→球化退火→机械加工→淬火+低温回火（→冷处理）→磨削（→稳定化处理）。（5）应用举例机械工程材料4滚动轴承钢以应用最广泛的高碳铬轴承钢GCr15为例，说明轴承钢制造轴承的生产工艺路线安排和热处理工艺的选用。图8-3GCr15制造轴承的热处理工艺曲线（2）热处理特点铸钢件常采用正火或退火处理消除上述组织缺陷，改善性能，并消除铸造应力。（3）牌号和命名通常“ZG”；特殊性能要求常见的有：焊接结构用铸钢“ZGH”、耐热铸钢“ZGR”、耐蚀铸钢“ZGS”、耐磨铸钢“ZGM”。用力学性能表示的铸钢，例如ZG310-570。用化学成分表示，ZG40Cr28Si2；ZG07Cr19Ni10；ZG30CrNiMo等。5

铸造碳钢机械工程材料（三）机械结构用钢——渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、铸造碳钢（1）用途主要用于性能要求较高，形状复杂，无法锻造成形的零件。例如，大型水压机的气缸，上、下横梁和立柱，轧钢机的机架，汽车、拖拉机齿轮叉、气门摇臂等。易切削钢的钢号通常以“Y+数字”表示，Y是“易”的首字母，数字表示含碳量的万分之几，例如Y12，表示含碳量0.12%。我国现有硫系易切削钢11种、铅系易切削钢4种、锡系易切削钢4种和钙系易切削钢1种。压力容器用钢碳素钢和低合金高强度钢

如

Q245R、Q345R、Q370R和Q420R锰-钼钢、铬-钼钢的牌号，例如18MnMoNiR、12Cr2Mo1R等属于中低温压力容器钢板。高压锅炉用无缝钢管的牌号常用的有：20G、15CrMoG、07Cr18Ni11Nb、07Cr19Ni11Ti等。6

其他专用结构钢（易切削结构钢和锅炉压力容器用钢）机械工程材料（三）机械结构用钢——渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、铸造碳钢机械工程材料钢号钢种合金元素的主要作用热处理特点使用状态下组织Q235普通碳素结构钢——热轧空冷交货不再热处理F+P（细化）Q3