机械工程材料第四章

1、4-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述4-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述一、一、 钢中常存杂质元素的影响钢中常存杂质元素的影响（一）、（一）、 锰的影响锰的影响 Mn0.80%(杂质杂质) Mn=1.0%1.2%(合金合金)脱氧脱氧减轻减轻S的有害作用的有害作用固溶强化固溶强化提高淬透性提高淬透性（二）、（二）、 硅的影响硅的影响 Si=0.1%0.4%固溶强化固溶强化提高淬透性提高淬透性（三）、（三）、 硫的影响硫的影响 S0.055%(普通普通) S0.040%(优质优质) S0.030%(高级优质高级优质)FeS 增加脆性增加脆性（四）、（四）、 磷的影响磷的影响 P0.045%

2、(普通普通) P0.040%(优质优质) P0.035%(高级优质高级优质)碳钢碳钢不加合金元素不加合金元素合金钢合金钢加合金元素加合金元素4-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述二、二、 钢的分类、编号及应用钢的分类、编号及应用（一）、（一）、 钢的分类钢的分类按质量分按质量分优质碳钢（优质碳钢（ws 0.040%，wp 0.040%）普通碳钢（普通碳钢（ws 0.055%，wp 0.045%）高优碳钢（高优碳钢（ws 0.030%，wp 0.035%）按用途分按用途分工具钢（主要用于刀具、量具、模具）工具钢（主要用于刀具、量具、模具）结构钢（主要用于工程构件、机器零件）结构钢（主要用于工程

3、构件、机器零件）按碳和合金元按碳和合金元素含量分素含量分低碳钢（低碳钢（wc 0.25%）中碳钢（中碳钢（wc 0.25 0.60%）高碳钢（高碳钢（wc 0.60%）低合金钢（低合金钢（wMe 5%）中合金钢（中合金钢（wMe 5 10%）高合金钢（高合金钢（wMe 10%）4-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述（二）、（二）、 碳钢的分类和用途碳钢的分类和用途1. 碳素结构钢碳素结构钢沸腾钢沸腾钢质量等级、（质量等级、（A级）级）235为屈服强度（为屈服强度（MPa）钢的屈服点钢的屈服点Q 235 A F 质量等级：质量等级：A级、级、B级、级、C级、级、D级级S%、P% 下降，质量提高

4、下降，质量提高F沸腾钢、沸腾钢、Z镇静钢、镇静钢、b半镇静钢半镇静钢4-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述用途：用途：钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。 热处理：热处理：热轧空冷热轧空冷组织：组织：SF建筑构件建筑构件钢桥梁钢桥梁4-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述多边型角钢多边型角钢钢筋、螺纹钢钢筋、螺纹钢螺钉、铆钉螺钉、铆钉4-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述（a）普通锰含量钢：）普通锰含量钢： Mn=0.35%0.65% 碳含量用碳含量用两位数两位数字表示，以字表示，以0.01为单位，如为单位，如45钢，钢， C= 45 / 100

5、00 = 0.45 % 。（b）较高锰含量钢：）较高锰含量钢： 碳含量用碳含量用两位数字两位数字表示，以表示，以0.01%为单位，后面为单位，后面加汉字加汉字“锰锰”或化学符号或化学符号“Mn”，如，如45锰或锰或45Mn钢。钢。分为分为普通锰含量钢普通锰含量钢和和较高锰含量钢较高锰含量钢。2. 优质碳素结构钢优质碳素结构钢4-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。 热处理：热处理：淬火、回火等。淬火、回火等。40Mn钢钢WMn0.7 1.0%平均平均Wc0.40%平均平均Wc0.40%40钢钢3.3.碳素工具钢碳素

6、工具钢牌号牌号 : “碳碳”或或T碳含量（碳含量（千分之几表示千分之几表示)+ 符号符号用途：用途：T10A钢钢平均平均Wc1.0%“碳碳”热处理：球化退火、淬火热处理：球化退火、淬火 + 低温回火低温回火组织：组织： P球状球状、回火、回火M Fe3C粒状粒状+ A 制造各种刃具、模具、量具。制造各种刃具、模具、量具。例如冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。例如冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。 4-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述4-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述（三）、（三）、 合金钢的编号合金钢的编号1.1.合金结构钢合金结构钢 原则：原则：字母字母 数字数字化学元素符号化学元素符

7、号数字数字符号（符号（A）高级优质钢高级优质钢Me平均含量平均含量（百倍）（百倍）合金元素（合金元素（Me）的名称）的名称钢的平均碳含量钢的平均碳含量（实际碳含量的一万倍表示）（实际碳含量的一万倍表示） 例例 1 ：12 Cr Ni 3 A12铬镍铬镍3高级优质钢高级优质钢高级优质钢高级优质钢Ni平均含量为平均含量为3Cr平均含量小于平均含量小于1.5钢的平均碳含量为钢的平均碳含量为0.12表示钢的用途表示钢的用途4-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述例例 ：G Cr 15滚铬滚铬15钢钢表示元素铬，表示元素铬，平均含量为平均含量为1.5表示滚动轴承用钢表示滚动轴承用钢例例 2：Y 40 M

8、n易切削易切削40锰钢锰钢表示钢中的碳平均含量为表示钢中的碳平均含量为0.4表示易切削钢表示易切削钢特例：特例： GCr钢中钢中Cr后的数字表示的是千倍后的数字表示的是千倍另外，另外， 还有还有GCr9 、GCr6、GCr15SiMn等等4-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述2. 2. 合金工具钢合金工具钢原则：原则： 钢中平均含碳量钢中平均含碳量wc 1.0%时不标，时不标， wc 1% 时以千分之几表示时以千分之几表示。合金元素含量为百分之几。合金元素含量为百分之几。例例1： 9 Si Cr9硅铬（低合金工具）钢硅铬（低合金工具）钢钢中钢中Si、Cr平均含量均小于平均含量均小于1.5钢中

9、碳平均含量为钢中碳平均含量为Wc 0.94-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述 W18 Cr4 V钨钨18铬铬4钒（钒（18-4-1）含碳量未标，但平均含碳量未标，但平均wc 为为0.7 0.8钢中平均钢中平均V含量含量wv 1.5，Cr含量含量 wCr 4，W含量含量ww18特例：特例：高速钢平均碳含量高速钢平均碳含量 1% 也不标。也不标。另外，另外， 还有还有W6Mo5Cr4V2（6-5-4-2）等）等4-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述 3. 3. 特殊性能合金钢特殊性能合金钢原则原则：钢中平均含碳量钢中平均含碳量 wc 以千分之几表示以千分之几表示。 合金元素平均含量合金元素平

10、均含量wMe以百分几表示以百分几表示。例例1： 1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢钢中平均钢中平均wCr=18%, wNi9,wTi 1.5钢中碳平均含量钢中碳平均含量wC 0.12例例2： 3Cr18 Ni25 Si2耐热不起皮钢耐热不起皮钢钢中平均钢中平均wCr=18%, wNi25,wSi=2钢中碳平均含量钢中碳平均含量wC = 0.3 0.44-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述三、三、 合金元素在钢中的主要作用合金元素在钢中的主要作用 （一）、（一）、 合金元素的分类合金元素的分类1 1、强碳化物形成元素、强碳化物形成元素与碳亲和力较强的合金元素。如与碳亲和力较强的合金元

11、素。如Cr、W、Mo、V、Nb、Ti等。等。在钢中存在形式：在钢中存在形式：含量较低时一般倾向于置换含量较低时一般倾向于置换Fe3C内的内的Fe原子而形成原子而形成合金渗碳体合金渗碳体（Fe，Cr）3C、（、（Fe，W）3C等。而含等。而含量较高时，除形成渗碳体型碳化物外，还可形成稳量较高时，除形成渗碳体型碳化物外，还可形成稳定性更高的定性更高的合金碳化物合金碳化物（Cr7C3、Fe4W2C等）和稳等）和稳定性特高的定性特高的特殊碳化物特殊碳化物（WC、VC等）。等）。4-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述2 2、弱碳化物形成元素、弱碳化物形成元素是指是指与碳亲和力较弱的合金元素与碳亲和力较

12、弱的合金元素。如如Mn。在钢中存在形式：在钢中存在形式： 少量溶于渗碳体（少量溶于渗碳体（Fe3C）内，形成）内，形成合金渗碳体合金渗碳体（Fe，Mn）3C，大部分溶于铁素体（，大部分溶于铁素体（F）内，）内，形成形成合金铁素体合金铁素体。 3 3、非碳化物形成元素、非碳化物形成元素与碳亲和力很弱与碳亲和力很弱,不和碳形成碳化物的不和碳形成碳化物的合金元素合金元素。如如Ni、Si、Al、Co、Cu、B等。等。在钢中存在形式：在钢中存在形式：基本都溶于铁素体（基本都溶于铁素体（F）内，形成合金铁素体。）内，形成合金铁素体。4-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述（二）合金元素的作用（二）合金元素

13、的作用1 1、固溶强化、固溶强化 除铅外，大多数合金元素（除铅外，大多数合金元素（Me）都能溶于）都能溶于F 形形成合金成合金F。由于。由于Me与与Fe的晶格类型和原子半径的差的晶格类型和原子半径的差异而引起异而引起F的晶格畸变，产生固溶强化，即使的晶格畸变，产生固溶强化，即使 F 的的HB 、 b 。 Me与与Fe的晶格类型和原子半径的差的晶格类型和原子半径的差异愈大，该异愈大，该Me对对F的强化效果也愈大。的强化效果也愈大。而而F 的的 、Ak 与溶入与溶入F中的中的Me种类及数量有关。种类及数量有关。 4-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述合金元素对铁素体硬合金元素对铁素体硬度的影响（

14、退火态）度的影响（退火态）合金元素对铁素体合金元素对铁素体冲击韧性的影响冲击韧性的影响4-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述2 2、第二相强化、第二相强化 某些某些Me加入钢中，增强加入钢中，增强Fe与与C的亲和力，形成稳定的亲和力，形成稳定性较高的合金渗碳体（性较高的合金渗碳体（Fe,Cr）3C等。随等。随Me及及C的加的加入量增多，能形成稳定性更高的合金碳化物入量增多，能形成稳定性更高的合金碳化物Cr7C3、Cr23C6等及稳定性特高的合金碳化物（等及稳定性特高的合金碳化物（WC、VC、TiC等），其熔点、硬度高，难溶于等），其熔点、硬度高，难溶于A、难聚集长大，、难聚集长大，这些碳化物

15、（第二相）呈细小颗粒状、弥散分布在钢这些碳化物（第二相）呈细小颗粒状、弥散分布在钢的基体上，将使钢的的基体上，将使钢的HB 、b，耐磨性增加，但，耐磨性增加，但、Ak。加入加入Me合金渗碳体、合金碳化物合金渗碳体、合金碳化物细小颗粒状、弥散分布在钢的基体上细小颗粒状、弥散分布在钢的基体上强化强化5-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述回火马氏体回火马氏体M（基体）（基体）高速钢高速钢W18Cr4V淬火淬火+回火组织回火组织碳化物碳化物4-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述3 3、细晶强化、细晶强化 大部分大部分Me元素都抑制钢在加热时的元素都抑制钢在加热时的A晶粒长大，晶粒长大，细化晶粒。尤

16、其是强碳化物形成元素细化晶粒。尤其是强碳化物形成元素Mo、W、V、Ti等与等与C形成高熔点、高硬度的合金碳化物（形成高熔点、高硬度的合金碳化物（K），），并呈细小、颗粒状的质点弥散分布在钢中，这些并呈细小、颗粒状的质点弥散分布在钢中，这些K对对A的晶界起到钉扎作用，强烈阻碍的晶界起到钉扎作用，强烈阻碍A晶粒长大，故晶粒长大，故合金钢在淬火加热时易获得细小的合金钢在淬火加热时易获得细小的A晶粒未溶的晶粒未溶的K质点，淬火后可获得在硬度高、强韧性好的细小马质点，淬火后可获得在硬度高、强韧性好的细小马氏体的基体上弥散分布着氏体的基体上弥散分布着K质点的组织。从而使合质点的组织。从而使合金钢具有高的硬

17、度、高的强韧性、高的耐磨性。金钢具有高的硬度、高的强韧性、高的耐磨性。MeK钉扎晶界钉扎晶界阻碍阻碍A晶粒长大晶粒长大5-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述高速钢高速钢W18Cr4V的淬火组织的淬火组织KM+A 4 4、提高钢的淬透性、提高钢的淬透性 除除Co外，所有外，所有Me当他们溶入当他们溶入A中后，均提高中后，均提高钢的淬透性。钢的淬透性。因此，在获得同样淬硬层深度的情因此，在获得同样淬硬层深度的情况下，可用冷却能力较低的淬火介质，以减少工况下，可用冷却能力较低的淬火介质，以减少工件的淬火变形和开裂；在淬火条件相同的条件下，件的淬火变形和开裂；在淬火条件相同的条件下，合金钢可获得较深

18、的淬硬层，从而使大截面的工合金钢可获得较深的淬硬层，从而使大截面的工件获得均一的组织，高的力学性能。件获得均一的组织，高的力学性能。淬透性：淬透性：钢在淬火时获得淬硬层（淬透层）钢在淬火时获得淬硬层（淬透层） 深度的能力。深度的能力。4-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述4-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述5 5、提高钢的回火稳定性、提高钢的回火稳定性 Me能使淬火钢在回火过程中的能使淬火钢在回火过程中的M分解和分解和A 的的转变速度减慢，提高了转变速度减慢，提高了F再结晶温度，使碳化物不再结晶温度，使碳化物不易聚集长大而保持较大的弥散度。因此，提高了易聚集长大而保持较大的弥散度。因此，

19、提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。 当钢中含有较多的强碳化物形成元素（如当钢中含有较多的强碳化物形成元素（如W、Mo、V等）时，淬火后的等）时，淬火后的A 十分稳定，加热至十分稳定，加热至500 600 仍不分解，尔后在回火冷却过程中部分转变仍不分解，尔后在回火冷却过程中部分转变成成M，反而使钢的硬度上升；此外，在此温度下回，反而使钢的硬度上升；此外，在此温度下回火钢中将沉淀析出这些元素的特殊碳化物并呈弥散火钢中将沉淀析出这些元素的特殊碳化物并呈弥散分布，致使回火后钢的硬度不但不降反而再增加分布，致使回火后钢的硬度不但不降反而再增加“

20、二次硬化二次硬化”。5-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述回火回火M+A 高速钢高速钢W18Cr4V 1280 淬火淬火+560 三次回火三次回火组织组织K4-3 碳钢及合金钢概述碳钢及合金钢概述6 6、抑制第二类回火脆性、抑制第二类回火脆性 回火脆性回火脆性：淬火钢在淬火钢在250 350与与550550650两个温度范围内回火时使钢的韧性显著降低的现两个温度范围内回火时使钢的韧性显著降低的现象。前者称为象。前者称为第一类回火脆性第一类回火脆性（不可逆），（不可逆），后者后者称为称为第二类回火脆性第二类回火脆性（可逆）。（可逆）。 第二类回火脆性主要出现在第二类回火脆性主要出现在Cr、Mn

21、、Ni、Si等的合金结构钢中。产生回火脆性的原因是等的合金结构钢中。产生回火脆性的原因是回火慢冷时回火慢冷时Cr、Mn等等Me以及钢中的杂质元素以及钢中的杂质元素P、Sb、Sn等向原等向原A晶界偏聚有关。晶界偏聚有关。第三、四章练习第三、四章练习1. 一种合金冷却时发生一种合金冷却时发生L+转变，（转变，（ ）。）。 （a）这种合金称为共析合金）这种合金称为共析合金 （b）这种合金称为共晶合金）这种合金称为共晶合金 （c）这种合金称为包晶合金）这种合金称为包晶合金 （d）这种合金称为包析合金）这种合金称为包析合金 2. A、B两组元在固态时能形成无限固溶体，则（两组元在固态时能形成无限固溶体，

22、则（ ）。）。 （a）固溶体的熔点比）固溶体的熔点比A、B组元的熔点低组元的熔点低 （b）固溶体的导电性比）固溶体的导电性比A、B组元的高组元的高 （c）A、B组元的晶体结构相同组元的晶体结构相同 （d）A、B组元的原子半径相差比较大组元的原子半径相差比较大3. 在非平衡结晶情况下，在一个晶粒内部出现化学成分不均匀的现象在非平衡结晶情况下，在一个晶粒内部出现化学成分不均匀的现象称为（称为（ ）。）。 （a）晶内偏析）晶内偏析 （b）不均匀结晶）不均匀结晶 （c）成分不均匀）成分不均匀 （d）晶间偏析）晶间偏析 4. 纯铁加热过程中，在纯铁加热过程中，在912发生（发生（ ）。）。 （a）吸热现

23、象）吸热现象 （b）放热现象）放热现象 （c）-Fe-Fe转变转变 （d）-Fe-Fe转变转变5. 已知某优质碳素钢经完全退火后铁素体的体积分数为已知某优质碳素钢经完全退火后铁素体的体积分数为52%，其钢，其钢号是（号是（ ）。）。 （a）35 （b）40 （c）45 （d）50 6. 已知某优质碳素钢经完全退火后已知某优质碳素钢经完全退火后Fe3C的体积分数为的体积分数为3.5%，其钢号是（，其钢号是（ ）。）。 （a）30 （b）50 （c）T7 （d）T10 7. 在在45钢中加入钢中加入Mn形成形成45Mn，Mn起到的作用是（起到的作用是（ ）。）。 （a）只有固溶强化作用）只有固溶强化作用 （b）固溶强化和提高淬透性）固溶强化和提高淬透性 （c）细化晶粒）细化晶粒 （d）二次硬化）二次硬化 8.属于非碳化物形成元素是（属于非碳化物形成元素是（ ）。