第5章 结构钢

1、第五章 结构钢第一节 工程结构钢主要用途主要用途 车辆车辆(底盘大梁底盘大梁）、船舶、桥梁、高压容）、船舶、桥梁、高压容器、输油管道、大型钢结构器、输油管道、大型钢结构 压力容压力容器器南京长江大南京长江大桥桥性能要求性能要求 强度高并有足够的塑性和韧性，同时强度高并有足够的塑性和韧性，同时具有良好的焊接性能和冷变形能力，抗大气腐蚀具有良好的焊接性能和冷变形能力，抗大气腐蚀性以及低温韧性。性以及低温韧性。工程结构钢的种类：铁素体工程结构钢的种类：铁素体-珠光体类钢、低碳珠光体类钢、低碳贝氏体钢和低碳马氏体钢贝氏体钢和低碳马氏体钢一、铁素体一、铁素体- -珠光体类钢珠光体类钢1.1.合金元素的主

2、要作用是强化，体现在四个方合金元素的主要作用是强化，体现在四个方面：固溶强化、细晶强化、沉淀强化以及珠面：固溶强化、细晶强化、沉淀强化以及珠光体强化。光体强化。2.2.性能要求：较低的韧性能要求：较低的韧- -脆转化温度脆转化温度FATTFATT5050 ();焊接性；耐大气腐蚀性焊接性；耐大气腐蚀性3.3.常用的工程结构钢的种类：常用的工程结构钢的种类：1)1)碳素工程结构钢：碳素工程结构钢：Q195Q195、Q215Q215、Q235Q235、Q255Q255和和Q275Q2752)2)高强度低合金钢：高强度低合金钢： 16Mn：屈服强度为：屈服强度为345MPa，Mn含量为含量为1.21

3、.6%，起固溶强化、细化晶粒作用；，起固溶强化、细化晶粒作用； 15MnTi、16MnNb、15MnV属于属于390MPa级，级，Ti、Nb、V起晶粒细化和沉淀强化作用。起晶粒细化和沉淀强化作用。二、低碳贝氏体类钢二、低碳贝氏体类钢1.1.合金元素的主要作用：合金元素的主要作用：MoMo、B B推迟推迟F F和和P P转变转变而对贝氏体转变推迟较少；而对贝氏体转变推迟较少；MnMn、CrCr、NiNi推迟推迟先共析先共析F F转变以及转变以及P P转变，并使转变，并使BsBs点下降；点下降；NbNb、TiTi、V V细化晶粒和沉淀强化。细化晶粒和沉淀强化。2.2.代表钢号：代表钢号：14MnM

4、oV14MnMoV、14MnMoVBRE14MnMoVBRE三、低碳马氏体类钢三、低碳马氏体类钢1.1.合金元素的主要作用：提高淬透性、细化晶合金元素的主要作用：提高淬透性、细化晶粒；低碳为了获得板条马氏体，粒；低碳为了获得板条马氏体，M Ms s及及M Mf f较高，较高，淬火后可以自回火。淬火后可以自回火。2. 代表钢号：代表钢号： BHS-1：w(C)=0.10%、w(Mn)=1.8%、 w(M0)=0.45%、 w(Nb)=0.05% Mn-Si-Mo-V-Nb：一、调质钢一、调质钢1、主要用途、主要用途 汽车、拖拉机、机床及其他机器上要汽车、拖拉机、机床及其他机器上要求具有优良综合机

5、械性能的重要零件。如：汽车拖拉求具有优良综合机械性能的重要零件。如：汽车拖拉机传动轴、发动机连杆、连杆螺栓、机床主轴等。机传动轴、发动机连杆、连杆螺栓、机床主轴等。 第二节第二节 机器结构钢机器结构钢 2、性能要求、性能要求 调质钢的基本性能要求是良好的综合机械性能。调质钢的基本性能要求是良好的综合机械性能。对调质钢淬透性要求是根据零件受力情况而定。对调质钢淬透性要求是根据零件受力情况而定。3、钢号、成分及作用、钢号、成分及作用 常用钢号：常用钢号：40Cr 、40CrNi、40Mn2、40CrNiMo 4、热处理及组织、热处理及组织 热处理：预先退火或正火淬火高温回火热处理：预先退火或正火淬

6、火高温回火 热处理后的组织：调质处理后获得热处理后的组织：调质处理后获得S回回组织。通常组织。通常硬度为硬度为 HRC 30 42。为了提高零件表面的耐磨性和疲劳强度，调质钢为了提高零件表面的耐磨性和疲劳强度，调质钢常采用感应加热表面淬火作为最终热处理进行表常采用感应加热表面淬火作为最终热处理进行表面强化。面强化。 5、调质后的机械性能、调质后的机械性能 获得高强度、高塑性的获得高强度、高塑性的综合机械性能。综合机械性能。40Cr钢在不同温度回火后的机械性能钢在不同温度回火后的机械性能（直径（直径D=12mm,油淬）油淬）6、典型调质钢介绍、典型调质钢介绍 低淬透性调质钢：低淬透性调质钢： 4

7、0Cr 40MnB中淬透性调质钢：中淬透性调质钢：35CrMo圆圆锥锥齿齿轮轮柴油机凸轮轴柴油机凸轮轴 40Cr钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线高淬透性调质钢：多半是高淬透性调质钢：多半是NiCrNiCr钢，并含有钼，钢，并含有钼，少数钢不含钼少数钢不含钼. .4OCrNiMoA4OCrNiMoA38CrMoAl38CrMoAl三、渗碳钢三、渗碳钢1 1、主要用途、主要用途 汽车拖拉机汽车拖拉机传动齿轮传动齿轮、坦克飞机传动齿轮、机、坦克飞机传动齿轮、机床齿轮、活塞销、涡轮蜗杆等。床齿轮、活塞销、涡轮蜗杆等。 2、性能要求：、性能要求： （1）经渗碳、热处理后渗碳层

8、应具有优异的的耐磨性、）经渗碳、热处理后渗碳层应具有优异的的耐磨性、疲劳抗力及适当的塑性和韧性；心部应获得足够的强度及优疲劳抗力及适当的塑性和韧性；心部应获得足够的强度及优良的韧性。良的韧性。 （2）应具有良好的工艺性能，特别是热处理工艺性能，）应具有良好的工艺性能，特别是热处理工艺性能，在渗碳温度（在渗碳温度（900-950）下奥氏体晶粒不易明显长大，并且）下奥氏体晶粒不易明显长大，并且有良好的淬透性。有良好的淬透性。 3、钢号、成分及作用、钢号、成分及作用 常用钢号：常用钢号： 20CrMnTi、 20Cr、 12Cr2Ni4A含碳量：含碳量： 成分特点是含碳量低，一般为成分特点是含碳量低

9、，一般为0.1-0.25。 合金元素：渗碳钢中常加入合金元素：渗碳钢中常加入 Mn(2）、）、 Cr(2)、Ni(4.5)和和 B (0.0010.004)，主要作用是提高淬透，主要作用是提高淬透性，改善心部的组织与性能，并增加渗碳层的强度和韧性；性，改善心部的组织与性能，并增加渗碳层的强度和韧性；V、 Ti、 W、 Mo等，主要目的是阻止等，主要目的是阻止A晶粒长大，细化晶粒长大，细化晶粒。并形成细小弥散的碳化物以增加强韧性和耐磨性。晶粒。并形成细小弥散的碳化物以增加强韧性和耐磨性。 4 4、渗碳工艺、热处理及组织、渗碳工艺、热处理及组织 渗碳钢的渗碳工艺一般是加热到渗碳钢的渗碳工艺一般是加

10、热到900-900-950950，根据工件渗层的要求渗碳一定时间，根据工件渗层的要求渗碳一定时间， 一般为一般为6-86-8小时。小时。热处理热处理 淬火淬火+ +低温回火：低温回火：可采用预冷直接可采用预冷直接淬火，一次淬火和二次淬火。采用的淬火方淬火，一次淬火和二次淬火。采用的淬火方法决定于钢中的合金元素量和对性能的要求。法决定于钢中的合金元素量和对性能的要求。低温回火低温回火一般在一般在180-200180-200、1-21-2小时。小时。 20CrMnTi钢渗碳齿轮加工路线图钢渗碳齿轮加工路线图 组织：组织： 渗碳后缓慢冷却的平衡组织：表面为过共析组织渗碳后缓慢冷却的平衡组织：表面为过

11、共析组织 P+Fe3CII,心部则为原始的亚共析组织心部则为原始的亚共析组织F+P。 渗碳后淬火渗碳后淬火+低温回火的组织：低温回火的组织： 表层：表层：M回回+点状碳化物点状碳化物+少量少量A HRC 58-60 心部：低碳回火马氏体心部：低碳回火马氏体+F （淬透）（淬透） HRC 30-45 F+P （未淬透）（未淬透） 5、渗碳钢的性能、渗碳钢的性能 渗碳钢经渗碳淬火低温回火后，表层硬度高、渗碳钢经渗碳淬火低温回火后，表层硬度高、耐磨，心部有很高的韧性。耐磨，心部有很高的韧性。6、典型渗碳钢、典型渗碳钢 低淬透性合金渗碳钢低淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量钢含合金元素总量3 % 15

12、Cr、20Cr、20Mn2。用用 于受力小的耐磨件，如柴于受力小的耐磨件，如柴 油机的活塞销、凸轮轴等。油机的活塞销、凸轮轴等。活塞销活塞销( 20Cr )中淬透性合金渗碳钢中淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在钢含合金元素总量在4 %4 %左左 右。右。20 CrMn20 CrMn、20CrMnTi20CrMnTi、 20Mn2TiB20Mn2TiB。用于中等载荷。用于中等载荷 的耐磨件，如变速箱齿轮。的耐磨件，如变速箱齿轮。柴油机凸轮轴柴油机凸轮轴高淬透性合金渗碳钢高淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在钢含合金元素总量在 4 %4 % 6 %6 %。18Cr2NiWA18Cr2NiWA、

13、20Cr2Ni4A20Cr2Ni4A等。用于大载荷等。用于大载荷 的耐磨件，如柴油机曲轴。的耐磨件，如柴油机曲轴。 柴油机曲轴柴油机曲轴1、主要用途、主要用途 弹簧钢是一种专用结构钢，用弹簧钢是一种专用结构钢，用于制造各种弹簧或要求高弹性的其它零件。于制造各种弹簧或要求高弹性的其它零件。 弹簧起缓冲、消震和储能的作用。例：汽弹簧起缓冲、消震和储能的作用。例：汽车板簧车板簧四 弹簧钢汽车板簧汽车板簧热卷大弹簧热卷大弹簧碳素弹簧钢碳素弹簧钢合金弹簧钢合金弹簧钢化学成分化学成分热处理后的组织热处理后的组织Wc = 0.60.9 %Wc = 0.50.7 %合金元素合金元素: Si、Mn、Cr、V、W

14、、Mo等。等。T回回制造尺寸小于制造尺寸小于815mm的的小型弹簧。小型弹簧。T回回制造尺寸在制造尺寸在2025mm左右的弹簧。左右的弹簧。2.2.对弹簧钢的性能要求对弹簧钢的性能要求: :高的高的e、高的、高的s/ b、高的、高的-1、良好的韧性。、良好的韧性。4.4.热成型弹簧钢的热处理特点热成型弹簧钢的热处理特点: :淬火淬火 + + 中温回火中温回火( 450( 450550 )550 )3、钢号、成分及作用、钢号、成分及作用 常用钢号：常用钢号： 60Si2Mn 65Mn 50CrVA 60 756.6.冷成形弹簧生产工艺特点冷成形弹簧生产工艺特点5.5.热成型弹簧钢的热处理后的组织

15、热成型弹簧钢的热处理后的组织: : 回火屈氏体回火屈氏体用于生产尺寸小于用于生产尺寸小于815mm的小型弹簧的小型弹簧,常用弹簧常用弹簧钢丝钢丝(片片)冷绕成形冷绕成形,其制造方法有其制造方法有: T组织冷成型组织冷成型+200300去应力退火。去应力退火。60、75、 85、65 Mn。 T回组织冷成型回组织冷成型+去应力退火。去应力退火。 退火组织冷成型退火组织冷成型+淬火淬火+中温回火。中温回火。 55Si2Mn、60Si2MnA、50CrVA。五五.易切削钢易切削钢( fee cutting steel )Y 40 Mn 含锰量含锰量W(Mn) 1.5 % 含碳量含碳量W(C) 0.4

16、 % 易切削钢易切削钢第三节第三节 超强韧钢超强韧钢超强韧钢超强韧钢低合金超强韧钢低合金超强韧钢 ：40CrNiMo、35Si2Mn2MoVA 高合金超强韧钢高合金超强韧钢中低碳二次硬化型超强韧钢：中低碳二次硬化型超强韧钢：9Ni-4Co系、系、基体钢基体钢金属化合物脱溶型超强韧钢：金属化合物脱溶型超强韧钢：25Ni、20Ni、18Ni、15Ni相变诱起范性超强韧钢：相变诱起范性超强韧钢：C0.2-0.3、Si2、Mn2、Cr9、Ni8、Mo4一、低合金超高强韧钢一、低合金超高强韧钢C：0.3-0.45%，保证钢的强度，保证钢的强度Cr、Mn、Ni、Mo等：提高钢的淬透性等：提高钢的淬透性Si

17、：增加淬透性，增加钢的抗回火稳定性，推：增加淬透性，增加钢的抗回火稳定性，推迟低温回火脆性迟低温回火脆性常用的钢号：常用的钢号：40CrNiMo、300M、35Si2Mn2MoV热处理工艺：淬火热处理工艺：淬火+低温回火或等温淬火低温回火或等温淬火+低温低温回火回火组织：回火马氏体或下贝氏体组织：回火马氏体或下贝氏体二、高合金超高强韧钢二、高合金超高强韧钢1、中、低碳二次硬化型高合金超强韧钢、中、低碳二次硬化型高合金超强韧钢 强化机理：利用回火时析出的特殊合金碳强化机理：利用回火时析出的特殊合金碳化物实现沉淀强化化物实现沉淀强化 韧化机理：高韧化机理：高Ni、高、高Co改善韧性改善韧性2、金属

18、化合物脱溶强化型超强韧钢、金属化合物脱溶强化型超强韧钢 合金元素：合金元素：Ni、Co、Ti、Al、Mo、Be、Nb等等 合金元素的作用：合金元素的作用：Ni提高淬透性；提高淬透性；Co提高提高Ms点；点；Ni、Ti、Al、Mo、Nb、Be等形成金等形成金属间化合物属间化合物(A3B或或Laves相相)实现沉淀强化实现沉淀强化分类：分类：25Ni、20Ni、18Ni、15Ni热处理工艺：热处理工艺：18Ni3、相变诱起范性型超强韧钢、相变诱起范性型超强韧钢 C0.2-0.3、Si2、Mn2、Cr9、Ni8、Mo4第四节第四节 轴承钢轴承钢滚珠轴承滚珠轴承滚针轴承滚针轴承滚柱轴承滚柱轴承性能要求

19、：高的接触疲劳强度、高的耐磨性能要求：高的接触疲劳强度、高的耐磨性、高的淬透性、耐蚀性、尺寸稳定性以性、高的淬透性、耐蚀性、尺寸稳定性以及良好的冶金质量及良好的冶金质量滚动轴承钢的牌号滚动轴承钢的牌号G Cr9 Si Mn 含含Mn量量WMn1.5 % 含含Si量量WSi1.5 % 含含Cr量量WCr 0.9 % 滚动轴承钢滚动轴承钢一、轴承钢的分类一、轴承钢的分类1、高碳低、高碳低Cr轴承钢：轴承钢：GCr15、GCr9Si2、高碳、高碳Si-Mn系：系：GSiMnV3、低碳高合金渗碳轴承钢：、低碳高合金渗碳轴承钢：18Cr2Ni4WA、12Cr2Ni4A二、合金元素的作用二、合金元素的作用

20、C：保证淬火后获得的马氏体的硬度，获得一定数量：保证淬火后获得的马氏体的硬度，获得一定数量的耐磨碳化物，的耐磨碳化物，0.951.05%；Cr：增大淬透性、使过剩碳化物增多以增大耐磨性；：增大淬透性、使过剩碳化物增多以增大耐磨性；Si：提高钢的弹性极限；增大淬透性；提高马：提高钢的弹性极限；增大淬透性；提高马 氏体的氏体的抗回火稳定性抗回火稳定性Mn:增加淬透性，和基体的强度增加淬透性，和基体的强度Mo、V：增加耐磨性；细化晶粒；与：增加耐磨性；细化晶粒；与Mn配合，进一配合，进一步增加淬透性步增加淬透性RE：改善钢中夹杂物的分布，改善钢的范性和韧性：改善钢中夹杂物的分布，改善钢的范性和韧性三

21、、轴承钢中的非金属夹杂物三、轴承钢中的非金属夹杂物 氮化物、硅酸盐、氮化物、硅酸盐、Al2O3、MnS 非金属夹杂物的危害性：氮化物非金属夹杂物的危害性：氮化物硅酸盐硅酸盐Al2O3 四、轴承钢中的碳化物四、轴承钢中的碳化物 1. 液析碳化物：非平衡结晶时从钢液中直接析出的液析碳化物：非平衡结晶时从钢液中直接析出的共晶碳化物。形成条件是，钢液凝固时产生了严重共晶碳化物。形成条件是，钢液凝固时产生了严重的枝晶偏析，使局部区域的枝晶偏析，使局部区域C和和Cr的成分达到了共晶的成分达到了共晶成分，当这种液体量很小时，发生离异共晶，从共成分，当这种液体量很小时，发生离异共晶，从共晶组织中离异出粗大的共

22、晶碳化物。尺寸较大，硬晶组织中离异出粗大的共晶碳化物。尺寸较大，硬度高、脆性大暴露在工件表面容易剥落，加速轴承度高、脆性大暴露在工件表面容易剥落，加速轴承的磨损；同时液析碳化物还增大零件淬火开裂的倾的磨损；同时液析碳化物还增大零件淬火开裂的倾向，造成淬火硬度不均匀和机械性能的各向异性。向，造成淬火硬度不均匀和机械性能的各向异性。 2.2.带状碳化物：从奥氏体中析出的先共析碳化物在带状碳化物：从奥氏体中析出的先共析碳化物在轧制过程中呈带状分布。形成原因：钢液凝固时产轧制过程中呈带状分布。形成原因：钢液凝固时产生了枝晶偏析在富生了枝晶偏析在富C C、CrCr的区域析出较多的碳化物，的区域析出较多的碳化物，在热加工时被拉长，使得其沿轧向分布。带状碳化在热加工时被拉长，使得其沿轧向分布。带状碳化物的存在直接降低轴承的疲劳寿命，增加淬火变形物的存在直接降低轴承的疲劳寿命，增加淬火变形与开裂的倾向，降低加工表面的光洁度。与开裂的倾向，降低加工表面的光洁度。3.3.网状碳化物：停轧温度较高，轧后缓慢冷却形成网状碳化物：停轧温度较高，轧后缓慢冷