碳钢 合金钢 ——调质刚 弹簧钢 轴承钢课件

1、第六章工业用钢第六章工业用钢1、钢中常存杂质对碳钢性能的影响：、钢中常存杂质对碳钢性能的影响： 钢中常存杂质有钢中常存杂质有Mn、Si、S、P等；等；1.1Mn和和Si的影响：的影响：Mn和和Si是炼钢中必须是炼钢中必须加入的脱氧剂；加入的脱氧剂；n用于除去溶于钢液中的氧，将用于除去溶于钢液中的氧，将FeO还原为还原为Fe，形成，形成MnO和和SiO2；第一节第一节 碳钢碳钢Mn可以用于除可以用于除S，与钢液中的，与钢液中的S结合为结合为MnS，减轻减轻S的危害；的危害；在碳钢中在碳钢中Mn的含量通常小于的含量通常小于0.8%，Mn大部分大部分溶于溶于F中，形成置换固溶体，强化中，形成置换固溶

2、体，强化F，一部分则，一部分则溶于溶于Fe3C中，形成（中，形成（Fe,Mn)3C；同时，；同时，Mn还还能增加能增加P的相对含量。这些都使钢的强度增加；的相对含量。这些都使钢的强度增加；Si也溶于也溶于F之中，起强化作用，但含量较高时，之中，起强化作用，但含量较高时，会使塑韧性下降，所以含量一般为小于会使塑韧性下降，所以含量一般为小于0.5%。1.2 S的影响：的影响：S是有害杂质，是炼钢时由矿是有害杂质，是炼钢时由矿石、燃料带到钢中的，它的最大危害是在热石、燃料带到钢中的，它的最大危害是在热加工时开裂，即产生加工时开裂，即产生热脆。热脆。钢中加入钢中加入Mn可以一定程度上减少热脆的发生。可

3、以一定程度上减少热脆的发生。所以，为避免热脆，钢中的含硫量必须严格控制：所以，为避免热脆，钢中的含硫量必须严格控制： 普通碳钢：含硫量普通碳钢：含硫量0.055% 优质碳钢：含硫量优质碳钢：含硫量 0.040% 高级优质碳钢：含硫量高级优质碳钢：含硫量 0.030%1.3 P的影响：的影响：P也是有害杂质，也是有害杂质，P可以完全溶可以完全溶入入F中，使中，使F的强度、硬度提高，但却剧烈的的强度、硬度提高，但却剧烈的降低钢的塑韧性，从而时钢变脆，这种现象降低钢的塑韧性，从而时钢变脆，这种现象叫做叫做冷脆冷脆。所以，为避免冷脆，钢中的含磷量必须严格所以，为避免冷脆，钢中的含磷量必须严格控制：控制

4、： 普通碳钢：含硫量普通碳钢：含硫量0.045% 优质碳钢：含硫量优质碳钢：含硫量 0.040% 高级优质碳钢：含硫量高级优质碳钢：含硫量 0.035%2、碳钢的分类和编号：、碳钢的分类和编号：2.1分类：分类：n按含碳量分：按含碳量分：n按钢的质量分：按钢的质量分：n按用途分：碳素结构钢、碳素工具钢；按用途分：碳素结构钢、碳素工具钢；低碳钢：低碳钢：0.250.25；中碳钢：中碳钢：0.250.250.60.6；高碳钢：高碳钢：0.600.60普通碳素钢：普通碳素钢：0.0550.055、0.045；优质碳素钢：优质碳素钢：0.040、0.040；高级优质钢：高级优质钢：0.030、0.03

5、5；2.2、编号与用途：、编号与用途：2.2.1普通碳素结构钢：普通碳素结构钢：主要保证力学性能，采用国标主要保证力学性能，采用国标 GB70088；如表；如表61所所示。示。例如：例如：195；2.2优质碳素结构钢：优质碳素结构钢：既保证力学性能又保证化学成分，采用既保证力学性能又保证化学成分，采用GB699-99，如表，如表62所示；表所示；表63为优质碳素结构钢的力学性能。为优质碳素结构钢的力学性能。两位数字（含碳万分之几）两位数字（含碳万分之几）+合金元素合金元素+专门用途标记专门用途标记例如：例如：45钢：以钢：以0.01为单位；为单位；20g2.3碳素工具钢：采用碳素工具钢：采用G

6、B3278-2001；碳（碳（T）+数字（含碳量的千分之几）数字（含碳量的千分之几）+合金元素（合金元素（Mn）+A（表示高级优质）（表示高级优质）例如：例如：10：以：以0.1为单位；如表为单位；如表64所示。所示。合金钢的分类（按用途分类）合金钢的分类（按用途分类） 合金结构钢合金结构钢 低合金结构钢、渗低合金结构钢、渗C钢钢 、调质钢、调质钢 、弹簧钢、弹簧钢 、 轴承钢、易切削钢等。轴承钢、易切削钢等。合金工具钢合金工具钢 刃具刃具 、模具、量具钢。、模具、量具钢。 特殊性能钢特殊性能钢 不锈钢、耐热钢、耐磨钢。不锈钢、耐热钢、耐磨钢。第二节第二节 合金钢合金钢一、合金钢的分类与编号一

7、、合金钢的分类与编号2.合金钢的编号：合金钢的编号：合金钢编号的一般形式：合金钢编号的一般形式：字母字母+数字数字+化学元素符号化学元素符号+数字数字+字母字母G-滚滚 Y-易易含碳量含碳量合金结构钢合金结构钢 两位数字（含碳量两位数字（含碳量万分之几万分之几）例如：例如：20MnVBA、36Mn2Si、40CrNiMo等。等。n滚动轴承钢滚动轴承钢滚或滚或G+Cr+数字（数字（Cr含量的含量的千分之几千分之几）,例如：例如：GCr15合金工具钢合金工具钢一位数字一位数字 含碳量含碳量1.0%时不标，时不标，1.0%时用时用千分之几千分之几表示表示,例如例如CrMn、9Mn2V等。高速钢中不标

8、含碳量，等。高速钢中不标含碳量，如如W18Cr4v，W6Mo5Cr4V2等。主要合金元素种类等。主要合金元素种类和名义百分含量和名义百分含量1.5%略略 1.52.5%标标2 2.53.5%标标3钢的冶金质量A-高级优质钢 E-特级优质钢2.合金工具钢合金工具钢含碳量含碳量+元素元素+数字，含碳量数字，含碳量1.0%时不标，时不标，1.0%时用时用千分之几千分之几表示表示,例如例如CrMn、9Mn2V等。等。高速钢中不标含碳量，如高速钢中不标含碳量，如W18Cr4v，W6Mo5Cr4V2等。等。结构钢结构钢 如如 60Si2Mn ，w(C)=0.6% ， w(Si)=2% ，w(Mn)1.5%

9、 工具钢、特殊性能钢工具钢、特殊性能钢 如如 9SiCr ，w(C)=0.9% ，w(Si)、w(Cr) 均均1.5%，而而 CrWMn 中，中，w(C)1.0% 专用钢专用钢 如，如，滚滚动轴承钢动轴承钢 GCr15， w(C)=1.0% ， w(Cr)=1.5% 高级优质钢高级优质钢 如，如，20Cr2Ni4A3.特殊性能钢：特殊性能钢：不锈钢与耐热钢不锈钢与耐热钢数字数字+元素元素+数字数字 第一个数字表示含碳量的第一个数字表示含碳量的千分之几千分之几, 第二个第二个数字表示合金元素的数字表示合金元素的百分之几百分之几。起重要作用的。起重要作用的微量元素也要标出。微量元素也要标出。例如：

10、例如：9Cr18，00Cr18Ni10（ 平均含碳量平均含碳量 0.03%)，0Cr18(平均含碳量平均含碳量 0.08%) 等。等。Me：10% 高合金钢高合金钢学习思路：学习思路：用途 工作条件 性能要求 成分特点 热处理特点 典型钢种应用1954年冬天，英国3万2千吨的世界协和号油船，在爱尔兰寒风凛冽的海面上航行，突然船体中部发生断裂，船很快就沉没了。后来，又发生了几起类似的沉船事件。1938年3月14日清晨，比利时的哈什尔大铁桥在严寒中突然一声巨响，断为3截跌入河中。1940年1月19日，比利时的另一座叫海伦尔斯的钢铁大桥也在零下14度的严寒中突然断成两截。这些钢铁设备的断裂是由于温度

11、降低时钢铁收缩产生巨大的拉力，加上外界温度太低，钢铁变脆，在巨大的拉力作用下就发生了断裂。第二节合金结构钢第二节合金结构钢“泰坦尼克号”（图6-9） 的沉没大概也与有关。这种材料的变脆现象因为是在低温下产生的，所以称之为冷脆。图6-9 泰坦尼克邮轮引入：对于图中所示的轮船和钢桥，为了避免发生上述的事故，从材料的性能和成分的角度应如何考虑？n合金结构钢：在工业上凡是用于制造各种机器合金结构钢：在工业上凡是用于制造各种机器零件和用于建筑工程结构的钢叫做合金结构钢；零件和用于建筑工程结构的钢叫做合金结构钢；1、低合金结构钢：、低合金结构钢：(一）性能要求：一）性能要求：l 高强度：一般屈服强度在高强

12、度：一般屈服强度在300 MPa以上。显著高于相以上。显著高于相同含碳量的普通碳钢，故又称为低合金高强钢（同含碳量的普通碳钢，故又称为低合金高强钢（可以显可以显著的降低构件的重量，节约钢材著的降低构件的重量，节约钢材）l高韧性：（高韧性：（要求延伸率为要求延伸率为15%20%，室温冲击韧性大于，室温冲击韧性大于600 kJ/m2800 kJ/m2。对于大型焊接构件，还要求有较高的断裂韧。对于大型焊接构件，还要求有较高的断裂韧性。性。）l 良好的焊接性与良好的焊接性与冷成型冷成型性能。性能。l低的低的冷脆冷脆转变温度。转变温度。l 良好的耐蚀性。良好的耐蚀性。2. 合金元素合金元素n含合金量小于

13、含合金量小于3%，主加主加Mn，1.8%以内以内(Cr、Ni)固溶强化固溶强化 n辅加辅加Ti、V、Nb、Mo、B 细化晶粒，弥散强化细化晶粒，弥散强化，n 细化铁素体、珠光体晶粒，强化铁素体，使强度、韧性改善细化铁素体、珠光体晶粒，强化铁素体，使强度、韧性改善; 在在钢中形成微细碳化物，起到弥散强化的作用；同时钢中形成微细碳化物，起到弥散强化的作用；同时，锰还使三次，锰还使三次渗碳体难于在晶界析出，减少了渗碳体难于在晶界析出，减少了晶界裂纹晶界裂纹源，改善钢的冲击韧性源，改善钢的冲击韧性。 n少量少量Cu（0.4%）和）和P（0.1%左右）左右）等，等， Cu、P：提高：提高钢对大气的钢对大

14、气的抗蚀能力抗蚀能力；（二）成分及作用（二）成分及作用1.低碳：含碳量一般小于低碳：含碳量一般小于0.2%，保证好的韧性、焊接性和，保证好的韧性、焊接性和冷成形性，冷成形性，加入加入微量稀土元素微量稀土元素可以脱硫去气，净化钢材，可以脱硫去气，净化钢材，并改善夹杂物的形态与分布，从而改善钢的力并改善夹杂物的形态与分布，从而改善钢的力学性能和工艺性能。学性能和工艺性能。总之，普通低合金高强度结构钢合金化的思路总之，普通低合金高强度结构钢合金化的思路是：是：低碳，以低碳，以Mn为基础为基础， 适当加入适当加入Al、V、Ti、Nb、Cu、P及稀土及稀土等合金元素。等合金元素。表表6-7 6-7 低合

15、金高强度结构钢的特性及用途低合金高强度结构钢的特性及用途牌号牌号主要特性主要特性用途举例用途举例GB/T1591GB/T1591-1994-1994GB1591-88GB1591-88Q295Q29509MnV09MnV、09MnNb 09MnNb 09Mn2 12Mn09Mn2 12Mn钢中只有极少量的合钢中只有极少量的合金元素强度不高，但金元素强度不高，但有良好的塑性，冷弯，有良好的塑性，冷弯，焊接及耐蚀性能焊接及耐蚀性能主要适用于制造汽车、机车主要适用于制造汽车、机车车辆，建筑结构、桥梁、船车辆，建筑结构、桥梁、船舶、油罐、容器、冷变形钢、舶、油罐、容器、冷变形钢、低温用钢、冲压件等。低

16、温用钢、冲压件等。Q345Q34512MnV12MnV、14MnNb14MnNb、16Mn16Mn、16MnRE16MnRE、18Nb18Nb钢的强度较高，具有钢的强度较高，具有良好的综合性能和焊良好的综合性能和焊接性能接性能用于建筑结构，桥梁、压力用于建筑结构，桥梁、压力容器、化工容器、重型机械、容器、化工容器、重型机械、车辆、锅炉等车辆、锅炉等Q390Q39015MnV15MnV、15MnTi15MnTi、16MnNb16MnNb钢中加入钢中加入V V、NbNb、TiTi使使晶粒细化，提高强度。晶粒细化，提高强度。具有良好的力学性能，具有良好的力学性能，工艺性能和焊接性能。工艺性能和焊接性

17、能。适用于制造中高压锅炉，高适用于制造中高压锅炉，高压容器、车辆、起重机械设压容器、车辆、起重机械设备、汽车、大型焊接结构等。备、汽车、大型焊接结构等。Q420Q42015MnVN15MnVN、14MnVTiRE14MnVTiRE具有良好的综合性能具有良好的综合性能和焊接性能和焊接性能适用于制造大吨位船舶，高适用于制造大吨位船舶，高压容器，桥梁、电站设备等压容器，桥梁、电站设备等Q460Q460强度高，在正火、正强度高，在正火、正火回火或淬火加回火火回火或淬火加回火的状态下有很高的综的状态下有很高的综合力学性能合力学性能适用于制造各种大型工程结适用于制造各种大型工程结构及要求强度高，载荷大的构

18、及要求强度高，载荷大的轻型结构中的部件轻型结构中的部件1低合金结构钢低合金结构钢钢号钢号旧钢号旧钢号主主 要要 化化 学学 成成 分分，% %机械性能机械性能CMnSi，s ，MPab ，MPa5 ，%Q29509MnNb12Mn0.160.801.500.5529557023Q34516Mn16MnRe0.180.201.001.600.553456302122Q39016MnNb15MnTi0.201.001.600.553906501920Q42014MnVTiRe15MnVN0.201.001.700.554206801819Q46014MnMoV18MnMoNb0.201.001.7

19、00.5546072017常用低合金结构钢的牌号、成分、性能常用低合金结构钢的牌号、成分、性能（厚度（厚度(直径直径)16mm，AKV 34J）含碳量都比较低一般规定5%为塑性材料， 5%为脆性材料。2.牌号牌号: Q 345345 MPa屈服强度屈服强度（三）热处理特点（三）热处理特点通常在通常在热轧热轧状态或退火、正火状态下使用状态或退火、正火状态下使用组织：铁素体组织：铁素体7590%+珠光体珠光体10%25%不需最终热处理 珠光体占10%25%左右，铁素体占7590%。图6-10 基于CSP工艺Q345B钢的组织Q460钢含钢含Mo、B，强度高，强度高，用于石化中用于石化中温高压容器。

20、温高压容器。南京长江大南京长江大桥桥 Q345钢钢(16Mn)综合性能好，综合性能好， 用于船舶、桥梁、车辆等大用于船舶、桥梁、车辆等大 型钢结构。型钢结构。 Q390钢含钢含V、Ti、Nb，强度强度 高，高，用于中等压力的容器。用于中等压力的容器。万吨远洋轮万吨远洋轮应用：工程结构 桥梁，船舶，车辆外壳、支架、锅炉、压力容器、输油输气管道、大型钢结构等高压容器高压容器-储气罐储气罐车辆 容器Q420 强度较高，且韧性、焊接强度较高，且韧性、焊接性及低温韧性也较好，被广泛用性及低温韧性也较好，被广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶等大型于制造桥梁、锅炉、船舶等大型结构。结构。实例1：南京长江大桥就是由

21、Q345钢所造的实例2：柳州双拥大桥跨越柳江的主桥3跨连续钢箱梁悬索桥。钢箱梁采用单箱双室全焊结构，钢箱梁全宽为38m，中心高为3.5m。钢箱梁全长分为53个吊装节段，节段间在桥位吊装就位采用全熔透对接焊缝焊接。钢箱结构采用Q345C钢材。 小结小结 (1) (1) 低碳：低碳：韧性、焊接性和冷成形性能要求韧性、焊接性和冷成形性能要求高，碳质量分数不超过高，碳质量分数不超过0.20%0.20%。 (2) (2) 锰锰为主要的合金元素。固溶强化为主要的合金元素。固溶强化F F，细化，细化P P，增加，增加P P的含量，提高钢的强度。的含量，提高钢的强度。 (3) (3) 铌、钛、钒：铌、钛、钒：

22、形成细碳化物或碳氮化合形成细碳化物或碳氮化合物，获得细小铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性。物，获得细小铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性。 (4) (4)少量少量铜铜（0.4%0.4%）和）和磷磷（0.1%0.1%左右），可左右），可提高提高抗腐蚀性能抗腐蚀性能。一般在一般在热轧热轧退火或正火状态下使用，不需要进行专门的热退火或正火状态下使用，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处理。使用状态下的显微组织一般为铁素体+珠光体。珠光体。2. 2. 微合金钢微合金钢 一、背景一、背景 微合金化钢是上世纪微合金化钢是上世纪7070年代在低合金高强度年代在低合金高强度结构钢基础上发展起来

23、的一大类结构钢基础上发展起来的一大类高强度低合金钢。高强度低合金钢。 化学成分特点是低碳化学成分特点是低碳（0.1%0.1%），），加入适量加入适量微合金化合金元素，如微合金化合金元素，如钛、铌、钒钛、铌、钒等；等； 工艺特点是运用工艺特点是运用控制轧制和控制冷却控制轧制和控制冷却生产工生产工艺。艺。 通过化学成分和制备工艺的最佳配合通过化学成分和制备工艺的最佳配合达到了达到了铁素体型钢的最佳强化效果，即铁素体型钢的最佳强化效果，即细化晶粒强化和细化晶粒强化和沉淀强化沉淀强化的最佳组合。的最佳组合。 s s=450-525Mpa tc-80=450-525Mpa tc-80二、微量合金元素钛、

24、铌、钒等的作用二、微量合金元素钛、铌、钒等的作用 1.1.抑制奥氏体形变再结晶抑制奥氏体形变再结晶通过固溶、偏聚在奥氏体晶界、应变诱导析通过固溶、偏聚在奥氏体晶界、应变诱导析出氮化物，阻止了奥氏体再结晶的晶界和位出氮化物，阻止了奥氏体再结晶的晶界和位错运动，从而抑制再结晶过程的进行。错运动，从而抑制再结晶过程的进行。 微合金化元素微合金化元素NbNb、V V、TiTi延缓轧制时奥氏体延缓轧制时奥氏体再结晶能力的比较见图再结晶能力的比较见图6-126-12由强到弱的顺序是由强到弱的顺序是铌、钛、钒铌、钛、钒再结晶临界温度的影响再结晶临界温度的影响 2. 2.阻止奥氏体晶粒的长大阻止奥氏体晶粒的长

25、大 通过加入钛和铌形成通过加入钛和铌形成TiNTiN或或Nb(C,N)Nb(C,N)，它们，它们在高温下非常稳定，弥散分布对控制高温下的在高温下非常稳定，弥散分布对控制高温下的晶粒长大有强烈的抑制作用。晶粒长大有强烈的抑制作用。 微量铌（微量铌（W W0.06%0.06%）形成的）形成的Nb(C,N) Nb(C,N) 阻止阻止奥氏体晶粒长大作用可达奥氏体晶粒长大作用可达11501150； 微量钛（微量钛（W W0.02%0.02%）以）以TiNTiN从高温固态钢中从高温固态钢中析出，呈弥散分布，对阻止奥氏体晶粒长大很析出，呈弥散分布，对阻止奥氏体晶粒长大很有效。有效。NbNb、V V、TiTi

26、对正对正火状态的低合金火状态的低合金钢的晶粒度的影钢的晶粒度的影响见图响见图6-136-13NbNb最有效，最有效，TiTi次次之，之，V V则基本上则基本上不起细化晶粒的不起细化晶粒的作用。作用。3.3.形成沉淀相促进沉淀强化作用形成沉淀相促进沉淀强化作用 钛和铌的碳化物和氮化物有足够钛和铌的碳化物和氮化物有足够低的固溶低的固溶度度和和高的稳定性高的稳定性。钒只有在氮化物中才这样。钒只有在氮化物中才这样。一般微合金化钢中的沉淀强化相主要是低温下一般微合金化钢中的沉淀强化相主要是低温下析出的析出的Nb(C,N)Nb(C,N)和和VCVC。 当当W W(Nb)0.04%(Nb)0.04%时，其时

27、，其细化晶粒细化晶粒对屈服强对屈服强度的贡献大于沉淀强化的作用；当度的贡献大于沉淀强化的作用；当W W(Nb)(Nb)0.04%0.04%时，其时，其沉淀强化沉淀强化作用对屈服强度的贡献大作用对屈服强度的贡献大于细化晶粒的作用。于细化晶粒的作用。 微合金化元素微合金化元素钒的沉淀强化钒的沉淀强化对屈服强度的作对屈服强度的作用最大，而钛的作用处于铌和钒之间。用最大，而钛的作用处于铌和钒之间。4.4.改善钢的显微组织改善钢的显微组织 钛、钒、铌等合金碳化物和氮化物随奥氏体钛、钒、铌等合金碳化物和氮化物随奥氏体化温度的升高有一定的溶解量，溶于奥氏体的化温度的升高有一定的溶解量，溶于奥氏体的微合金化元

28、素提高了微合金化元素提高了过冷奥氏体的稳定性过冷奥氏体的稳定性，降，降低了发生先共析铁素体和珠光体的温度范围，低了发生先共析铁素体和珠光体的温度范围，低温下形成的先共析铁素体和珠光体低温下形成的先共析铁素体和珠光体组织更细组织更细小小，并使相间沉淀，并使相间沉淀Nb(C,N)Nb(C,N)和和V(C,N)V(C,N)的的粒子更细粒子更细小小。n三、控制轧制与控制冷却三、控制轧制与控制冷却 n 控制轧制是控制轧制是高温形变热处理高温形变热处理的一种派的一种派生形式，其主要目的是生形式，其主要目的是细化晶粒细化晶粒组织，从组织，从而提高热轧钢的强韧性。而提高热轧钢的强韧性。 n控制轧制主要由三个阶

29、段组成：控制轧制主要由三个阶段组成： n高温下的再结晶区变形；高温下的再结晶区变形； 在紧靠在紧靠ArAr3 3以上的低温无再结晶区变形；以上的低温无再结晶区变形； 在奥氏体在奥氏体- -铁素体两相区变形。铁素体两相区变形。 第一阶段第一阶段：高温下的：高温下的再结晶区再结晶区变变形。粗大的奥氏体多次变形和再形。粗大的奥氏体多次变形和再结晶而细化，但这时由结晶而细化，但这时由A A转变的铁转变的铁素体仍然较素体仍然较粗大粗大；第二阶段第二阶段：在紧靠：在紧靠Ar3Ar3以上的低温以上的低温无再结晶区无再结晶区变形。在伸长而未再变形。在伸长而未再结晶的奥氏体内形成结晶的奥氏体内形成变形带变形带，

30、而，而且使铁素体在变形带以及晶界上且使铁素体在变形带以及晶界上形核，从而形成形核，从而形成细小细小的铁素体；的铁素体；第三阶段第三阶段：在奥氏体：在奥氏体- -铁素体两相铁素体两相区变形。此时铁素体发生变形并区变形。此时铁素体发生变形并形成形成亚结构亚结构。变形之后的冷却过。变形之后的冷却过程中，未再结晶的奥氏体转变为程中，未再结晶的奥氏体转变为等轴的铁素体晶粒，同时变形的等轴的铁素体晶粒，同时变形的铁素体产生亚结构铁素体产生亚结构n常规热轧和控制轧制之间的基本差别在于：常规热轧和控制轧制之间的基本差别在于： n 前者中，前者中，只在只在晶界上形核，而在后晶界上形核，而在后者中，者中，形核发生

31、在形核发生在晶内及晶界晶内及晶界上，这就导上，这就导致这两者之间最后的致这两者之间最后的晶粒有很大的差别。晶粒有很大的差别。 n 目前控制轧制在冶金厂广泛采用，用于目前控制轧制在冶金厂广泛采用，用于生产钢板、钢带和钢棒。经常采用的规范是生产钢板、钢带和钢棒。经常采用的规范是“粗轧粗轧待温待温终轧终轧”工艺，即在高温快速工艺，即在高温快速再结晶区内轧几道，待温度降低一些再进行再结晶区内轧几道，待温度降低一些再进行终轧。待温主要是保证终轧在无再结晶区和终轧。待温主要是保证终轧在无再结晶区和两相区进行。两相区进行。 具有铁素体具有铁素体- -珠光体组织的低合金钢和微合金化钢其珠光体组织的低合金钢和微

32、合金化钢其屈服强度的极限约为屈服强度的极限约为460MPa460MPa。 若要求若要求更高强度和韧性更高强度和韧性的配合，就需要考虑选择其的配合，就需要考虑选择其它类型组织的低合金钢，如采用它类型组织的低合金钢，如采用相变强化相变强化，因而发展了，因而发展了低碳贝氏体型、低碳索氏体型及低碳马氏体型钢。低碳贝氏体型、低碳索氏体型及低碳马氏体型钢。 主要是适当主要是适当降低钢的含碳量降低钢的含碳量以改善韧性，由此造成以改善韧性，由此造成的强度损失可由加入的强度损失可由加入合金元素合金元素通过通过控制轧制和控制冷却控制轧制和控制冷却后后形成低碳贝氏体或马氏体的相变强化形成低碳贝氏体或马氏体的相变强化

33、的方法得到补偿。的方法得到补偿。配合加入微合金化元素，如铌以细化晶粒并进一步提高配合加入微合金化元素，如铌以细化晶粒并进一步提高韧性。韧性。2.3 2.3 低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢低碳贝氏体型钢、针状铁素体型钢 及铁素体及铁素体- -马氏体双相钢马氏体双相钢一、低碳贝氏体型钢一、低碳贝氏体型钢 低碳贝氏体钢在轧制或正火后控制冷却，直低碳贝氏体钢在轧制或正火后控制冷却，直接得到接得到低碳贝氏体低碳贝氏体组织，与相同碳含量的铁素体组织，与相同碳含量的铁素体-珠光体组织钢相比具有更高的强度和良好的韧珠光体组织钢相比具有更高的强度和良好的韧性。利用贝氏体相变强化，钢的屈服强度可达到性。利用贝氏体

34、相变强化，钢的屈服强度可达到490MPa-780MPa490MPa-780MPa。 1.1.低碳贝氏体钢的化学成分低碳贝氏体钢的化学成分: :W W(C)=0.10-0.20%(C)=0.10-0.20%，W W( (MoMo)=0.30-0.60%)=0.30-0.60%，W W(Mn)=0.60-1.60%(Mn)=0.60-1.60%，W W( (B B)=0.001%-0.005%)=0.001%-0.005%，W W(V)=0.04-0.10%(V)=0.04-0.10%，W W(Nb)(Nb)或或W W(Ti)=0.010-0.06%(Ti)=0.010-0.06%，并经常加并经常

35、加W W(Cr)=0.4-0.7(Cr)=0.4-0.7%。 主加合金元素是能显著主加合金元素是能显著推迟先共析铁素体和珠光体推迟先共析铁素体和珠光体转变，而对贝氏体转变推迟转变，而对贝氏体转变推迟较少的较少的钼和硼钼和硼。 对对CCTCCT图的图的影响如图影响如图6-166-16。 再加入再加入锰、铬、镍锰、铬、镍等元等元素，进一步推迟先共析铁素素，进一步推迟先共析铁素体和珠光体转变并使体和珠光体转变并使B BS S点下点下降，以获得降，以获得下贝氏体下贝氏体组织组织。 2.2.低碳贝氏体型钢中的合金化低碳贝氏体型钢中的合金化 通过微合金化，充分发挥铌、钛、钒细化晶粒和沉淀通过微合金化，充分

36、发挥铌、钛、钒细化晶粒和沉淀强化的作用。我国已研制成功的低碳贝氏体型低合金高强度强化的作用。我国已研制成功的低碳贝氏体型低合金高强度钢的化学成分与性能如下表。钢的化学成分与性能如下表。 3. 3.典型低碳贝氏体型钢典型低碳贝氏体型钢: : 14MnMoV 14MnMoV和和14MnMoVBRE14MnMoVBRE钢是我国发展的典型的钢是我国发展的典型的低碳贝氏体型钢，其屈服强度为低碳贝氏体型钢，其屈服强度为490MPa490MPa级。主要用级。主要用于制造容器的板材和其它钢结构。板厚小于于制造容器的板材和其它钢结构。板厚小于14mm14mm时，时，在在热轧态热轧态即可得到贝氏体；板厚大于即可得

37、到贝氏体；板厚大于14mm14mm时，需要时，需要正火正火处理。处理。 为了提高钢的室温和低温韧性，改善焊接性，为了提高钢的室温和低温韧性，改善焊接性，发展了发展了超低碳贝氏体钢超低碳贝氏体钢，钢的含碳量降低到，钢的含碳量降低到 W W(C)=0.02%(C)(C)=0.02%(C)，并加入，并加入W W(Ti)=0.01%(Ti)=0.01%使之成为使之成为Mn-Mn-Mo-Nb-Ti-BMo-Nb-Ti-B超低碳贝氏体型钢。通过控制轧制和控超低碳贝氏体型钢。通过控制轧制和控制冷却可以得到制冷却可以得到高位错密度的细小贝氏体高位错密度的细小贝氏体组织。这组织。这种钢可在种钢可在00以下的温度

38、环境中服役。以下的温度环境中服役。n3 3 双相钢双相钢 n1).1).双相钢的特征双相钢的特征 n传统的低合金高强度钢对汽车压力加工件来传统的低合金高强度钢对汽车压力加工件来说，没有具备足够的冷成形性，因而需要改说，没有具备足够的冷成形性，因而需要改善善强度强度- -成形性成形性的综合性能，以满足汽车冲的综合性能，以满足汽车冲压成型件的要求。压成型件的要求。 n双相钢的开发，使这类问题在一定程度上得双相钢的开发，使这类问题在一定程度上得到了解决。到了解决。 n双相钢的开发目标是把显微组织从铁素体双相钢的开发目标是把显微组织从铁素体+ +珠光体改变为珠光体改变为铁素体铁素体+ +马氏体马氏体（

39、实际上还包（实际上还包含含少量奥氏体少量奥氏体）的双相组织，这样使这类钢）的双相组织，这样使这类钢具有低的屈服强度、高的应变硬化速率和优具有低的屈服强度、高的应变硬化速率和优良的抗拉强度与塑性的配合。图良的抗拉强度与塑性的配合。图3-193-19比较了比较了一般低合金高强度钢和双相钢的一般低合金高强度钢和双相钢的-曲线。曲线。 n图中的应力图中的应力- -应变曲线表应变曲线表明，双相钢具有较低的明，双相钢具有较低的屈服强度，高的应变硬屈服强度，高的应变硬化率，高的延伸率。化率，高的延伸率。n在双相钢中得到了光滑在双相钢中得到了光滑的连续的连续-曲线。起始曲线。起始屈服强度较低，随后，屈服强度较

40、低，随后，-曲线的其余部分迅曲线的其余部分迅速增加，它意味着双相速增加，它意味着双相钢具有高的应变硬化速钢具有高的应变硬化速率。率。 n双相钢的组织为：双相钢的组织为：铁素铁素体体 + + 马氏体（岛状）马氏体（岛状）+ + 少量的残余奥氏体。少量的残余奥氏体。n2).2).双相组织的获得方法双相组织的获得方法 nA A、热处理双相处理、热处理双相处理 n钢在钢在AcAc1 1与与AcAc3 3双相区加热，其组织为双相区加热，其组织为，随着加热温度的升高，钢中随着加热温度的升高，钢中相也随着增加。相也随着增加。在冷却过程中，应保证转变产物为在冷却过程中，应保证转变产物为M M，而，而不是不是P

41、 P。 n双相钢的力学性能与组织有密切的关系，钢的双相钢的力学性能与组织有密切的关系，钢的化学成分、亚临界区的加热温度、最终冷却速化学成分、亚临界区的加热温度、最终冷却速度，将起着决定性的作用。度，将起着决定性的作用。nB B、热轧双相钢、热轧双相钢 n 生产双相钢的另一工艺是在热轧状态下，生产双相钢的另一工艺是在热轧状态下，控制转运台的冷却控制转运台的冷却，使钢形成，使钢形成80809090的细的细小多边形铁素体。在剩余奥氏体岛中小多边形铁素体。在剩余奥氏体岛中C C和一和一些合金元素富集，提高奥氏体的稳定性，而些合金元素富集，提高奥氏体的稳定性，而避免形成珠光体和贝氏体，最后得到避免形成珠

42、光体和贝氏体，最后得到铁素体铁素体+ +马氏体马氏体双相组织，并在这个范围内卷板。双相组织，并在这个范围内卷板。 n 卷板缓慢冷却过程中，可能发生铁素体卷板缓慢冷却过程中，可能发生铁素体的进一步小量析出，从而使奥氏体岛进一步的进一步小量析出，从而使奥氏体岛进一步富化和稳定，因此它既不转变为珠光体，也富化和稳定，因此它既不转变为珠光体，也不转变为贝氏体，而是在较低相变温度下形不转变为贝氏体，而是在较低相变温度下形成成M-AM-A组成体组成体。显然这个工艺工程要求仔细。显然这个工艺工程要求仔细控制钢的相变特性以及冷却循环过程。控制钢的相变特性以及冷却循环过程。 n 这个工艺生产双相钢工艺简单，经济

43、效这个工艺生产双相钢工艺简单，经济效益高，但技术难度较大，而且需要合理设计益高，但技术难度较大，而且需要合理设计合金成分和控轧、控冷工艺。合金成分和控轧、控冷工艺。 二、渗碳钢案例：某汽车变速箱齿轮，如图624 a)要求b1080MPa，aKU255J，齿面硬度HRC58。采用20CrMnTi来制造。引入：20CrMnTi钢中的合金元素起什么作用？应对其采用什么样的热处理工艺来满足使用性能？图6-24 汽车变速箱齿轮案例九：曲轴图6-22b)是柴油机中最重要和承受负荷最大的零件之一。柴油机工作过程中,曲轴承受着拉伸、压缩、弯曲和扭转的复合应力的作用。此外，随着柴油机不断向高指标、高增压方向发展

44、,故要求曲轴具有很高的强度、刚度、耐疲劳强度及冲击韧性,同时要求曲轴的主轴颈和连杆轴颈具有良好耐磨性。引入：制造如图所示柴油机的曲轴，应选择何种材料？热处理工艺？柴油机曲轴1. 1. 渗碳钢的服役条件渗碳钢的服役条件 渗碳钢主要用于受冲击和强烈磨损、摩擦的渗碳钢主要用于受冲击和强烈磨损、摩擦的零件（各类齿轮、凸轮）零件（各类齿轮、凸轮）这类零件在工作中同时这类零件在工作中同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。 拨叉拨叉 活塞销活塞销 活塞销( 20Cr )凸轮机构：凸轮机构： 接触表面受到强烈的摩擦磨损。接触表面受到强烈的摩擦磨损。 2. 2. 性能要

45、求性能要求 (1) (1) 表面硬度高、耐磨表面硬度高、耐磨 保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力，同时保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力，同时具有适当的塑性和韧性。具有适当的塑性和韧性。 (2) (2) 心部具有高的韧性和足够高的强度心部具有高的韧性和足够高的强度 在冲击载荷或过载作用下不易断裂。在冲击载荷或过载作用下不易断裂。 (3) (3) 有良好的热处理工艺性能有良好的热处理工艺性能 在高的渗碳温度（在高的渗碳温度（900 900 950 950 ）下，）下，奥氏体晶粒不易长大，并有良好的淬透性。奥氏体晶粒不易长大，并有良好的淬透性。 3. 3. 成分特点成分特点 (1) (1) 低碳：低碳：碳

46、质量分数一般为碳质量分数一般为0.10%0.10%0.25%0.25%，使零件心部有足够的塑性和韧性。，使零件心部有足够的塑性和韧性。（韧性好）（韧性好） (2) (2) 主加合金元素：主加合金元素： CrCr、NiNi、MnMn、B B 提高淬透性（心部得提高淬透性（心部得M M板条）板条） (3) (3) 辅加元素：辅加元素：少量强碳化物形成元素少量强碳化物形成元素 W W、MoMo、V V、TiTi形成稳定的合金碳化物，形成稳定的合金碳化物，阻碍奥氏体晶粒长大。阻碍奥氏体晶粒长大。即即细化晶粒（细化晶粒（VC,TiC,VC,TiC,耐磨性耐磨性） 表6-9 渗C钢的牌号（摘自GB/T30

47、77-1999）（渗C: 930，回火：200 ）4.热处理热处理渗碳后缓冷组织：渗碳后缓冷组织：表面：过共析组织表面：过共析组织 P+Fe3C 心部：亚共析组织心部：亚共析组织 F+P渗碳渗碳 淬火淬火 低温回火的组织：低温回火的组织：表层表层回火回火M +点状碳化物点状碳化物+ A心部心部低低C回火回火M（+S + F）完全淬透时为回火马氏体（低碳），硬度完全淬透时为回火马氏体（低碳），硬度为为40 HRC48 HRC；低低c的回火的回火M+贝氏体贝氏体淬透性中（淬透性中（40 48HRC）；）； 低低c回火屈氏体回火屈氏体-淬透性小（淬透性小（25 40HRC） 心部韧性一般都高于心部韧

48、性一般都高于700 kJ/m700 kJ/m2 2。 渗碳渗碳 淬火淬火 低温回火低温回火渗碳（加热至渗碳（加热至900-950900-950 ，渗碳，渗碳6-8h6-8h）淬火淬火预冷直接淬火，一次淬火，二次淬火预冷直接淬火，一次淬火，二次淬火低温回火低温回火180-200180-200，保温，保温1-2h 1-2h 渗碳钢渗碳后的热处理工艺（最终热处理）渗碳钢渗碳后的热处理工艺（最终热处理） 1 1）渗碳后直接淬火，再低温回火。）渗碳后直接淬火，再低温回火。图图6-23 6-23 20CrMnTi20CrMnTi钢齿轮的热处理规范钢齿轮的热处理规范采用这种工艺的采用这种工艺的零件通常只要求

49、零件通常只要求表面高硬度和耐表面高硬度和耐磨性，而磨性，而对基体对基体性能要求不高。性能要求不高。 主要用于渗碳后主要用于渗碳后不容易过热的不容易过热的钢钢种。种。如如20CrMnTi20CrMnTi、20CrTi20CrTi等等。 2 2）一次淬火）一次淬火 渗碳后先进行空冷（即正火处理）使组织渗碳后先进行空冷（即正火处理）使组织细化，而后再按渗碳后的表面成分重新加细化，而后再按渗碳后的表面成分重新加热热淬火并低温回火。淬火并低温回火。当要求表面高硬度、当要求表面高硬度、高耐磨性，同时高耐磨性，同时对基体性能有较高要求对基体性能有较高要求时，时，可采用这种工艺。主要用于渗碳时可采用这种工艺。

50、主要用于渗碳时易过热易过热的碳钢及低合金钢工件，或固体渗碳后的的碳钢及低合金钢工件，或固体渗碳后的零件等。如零件等。如1515、2020、20Cr20Cr、20Mn220Mn2等。等。 3 3）两次淬火）两次淬火 渗碳后缓冷至室温，重新加热两次淬火并低温回火渗碳后缓冷至室温，重新加热两次淬火并低温回火。当对零当对零件表面和基体性能的要求都很严格时，件表面和基体性能的要求都很严格时，可用这种工艺。可用这种工艺。 第一次按钢的基体成分加热淬火第一次按钢的基体成分加热淬火，加热温度较高（，加热温度较高（870870左左右），目的是细化心部组织并消除表面渗碳层中的网状渗右），目的是细化心部组织并消除表

51、面渗碳层中的网状渗碳体；碳体； 第二次按高碳钢的成分（表面）进行淬火第二次按高碳钢的成分（表面）进行淬火，目的是使表面，目的是使表面获得细小的马氏体加粒状碳化物组织，以满足表面高性能获得细小的马氏体加粒状碳化物组织，以满足表面高性能的要求；的要求； 最后进行低温回火最后进行低温回火起消除应力、稳定组织和稳定尺寸的作起消除应力、稳定组织和稳定尺寸的作用。用。n案例分析案例分析：当采用20CrMnTi钢制造汽车拖拉机的后桥变速箱齿轮、离合器轴、锥齿轮和主动轴时，Cr和Mn配合加入，能更有效地提高淬透性，并使渗碳时表面碳含量比较容易得到控制。Ti的加入可以防止晶粒长大，因此渗碳后可以直接淬火。其典型

52、的热处理工艺曲线如图6-25 所示。n 图6-25 20CrMnTi钢齿轮的热处理规范案 例 分 析案 例 分 析 ： 案 例 中 柴 油 机 的 曲 轴 应 选 择 渗 碳 钢18Cr2Ni4WA，930渗碳后，进行两次淬火，然后进行低温回火。具体工艺参数见表n渗碳后缓慢冷却的平衡组织：n表面过共析组织 P+Fe3C；n心部亚共析组织 F+P。n渗碳后淬火+低温回火的组织、硬度：n表面高碳回火M +细小的颗粒状碳化物 + 少量A，硬度（60-62HRC)，耐磨性高。n心部低C的回火M + F +S，（30 50HRC），心部的冲击韧性一般都高于700kJ/m2。4.合金渗碳钢的牌号合金渗碳钢

53、的牌号20 Mn2 Ti A等级等级:高级优质高级优质含钛量含钛量WTi1.5 %含锰量含锰量WMn 2 %含碳量含碳量WC 20 %00典型合金渗碳钢种介绍典型合金渗碳钢种介绍 低淬透性合金渗碳钢低淬透性合金渗碳钢15Cr、20Cr、 15Mn2 20Mn2。 淬透性小，心部强度低，强韧性淬透性小，心部强度低，强韧性 配合差配合差钢含合金元素总量钢含合金元素总量3 %，用于受力小的耐磨件，如柴用于受力小的耐磨件，如柴 油机的活塞销、油机的活塞销、小轴（小轴（凸轮轴）等。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20 CrMnMo、20CrMnTi、20MnV

54、B、20Mn2TiB。 淬透性和力学性能均较高淬透性和力学性能均较高 钢含合金元素总量在钢含合金元素总量在4 %左右。左右。 用于中等载荷用于中等载荷 的耐磨件，的耐磨件，如汽车变速齿轮。如汽车变速齿轮。典型合金渗碳钢种介绍典型合金渗碳钢种介绍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 % 6 %。18Cr2Ni4W、 20Cr2Ni4A等。等。 淬透性大，心部强度高，强度与韧性淬透性大，心部强度高，强度与韧性 配合很好配合很好 用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴、连杆。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴、连杆。飞机齿轮飞机齿轮 柴油机曲轴柴油机曲轴实例1：本溪

55、钢铁集团1500热轧线主减速机一轴和二轴用轴承套圈和滚子选取了渗碳钢G20Cr2Ni4A。如图6-29。 实例2：某机械厂采用20CrNi2Mo钢代替20Cr2Ni4钢用作重载齿轮，经渗碳表面强化处理后，热处理变形趋势减小，渗层性能和心部性能配合理想，表面抗粘着磨损性好，综合性能优于20Cr2Ni4钢。图6-29轴承套圈 20 CrMnTi 钢制造齿轮的热处理工艺曲线钢制造齿轮的热处理工艺曲线用途：受冲击和强烈磨损、摩擦的零件（各类齿轮、凸轮）性能：表面高的硬度、耐磨性 心部强而韧成分：0.10.25%C 低碳钢 主加元素：Cr,Ni,Mn,B 淬透性（心部得M板条） 辅加元素：W,Mo,V,

56、Ti 细化晶粒（VC,TiC,耐磨性），最终热处理：渗碳 + 淬火 + 低温回火 组织：表层：高碳回火M + Fe3C或碳化物 + 残A 心部：淬透：低碳回火M 未淬透：低碳回火低碳回火M+F+S常用钢号：20, 20Cr, 20CrMnTi, 18Cr2Ni4W 淬透性： 低 中 高 适用： 机床齿轮 汽车变速齿轮 飞机齿轮渗碳钢小结渗碳钢小结 案例十：案例十：拖拉机连杆螺栓拖拉机连杆螺栓(图图6-28是发动机中的一个重要是发动机中的一个重要的连接零件，在工作时，它承受冲击性的周期变化的拉的连接零件，在工作时，它承受冲击性的周期变化的拉应力和装配时的预应力，在发动机运转中，连杆螺栓如应力和装

57、配时的预应力，在发动机运转中，连杆螺栓如果破断，就会引起事故。因此，要求它应具有足够的强果破断，就会引起事故。因此，要求它应具有足够的强度、冲击韧性和抗疲劳能力。为了满足上述综合机械性度、冲击韧性和抗疲劳能力。为了满足上述综合机械性能的要求，确定选用能的要求，确定选用40Cr钢制作连杆螺栓。连杆螺栓生钢制作连杆螺栓。连杆螺栓生产工艺路线如下：产工艺路线如下：下料下料锻造锻造预备热处理预备热处理 机加工机加工最终热处理最终热处理机加机加工工装配装配三、调质钢三、调质钢 重点内容重点内容 图6-28 连杆螺栓案例十一：案例十一：汽车上的曲轴，如图汽车上的曲轴，如图6-29所示，工作时既传所示，工作

58、时既传动扭矩又承受弯矩，所受的应力是交变的应力。曲轴颈动扭矩又承受弯矩，所受的应力是交变的应力。曲轴颈与轴承有滑动摩擦。其最常见的失效形式是疲劳断裂和与轴承有滑动摩擦。其最常见的失效形式是疲劳断裂和轴颈严重磨损。因此材料要有高强度、一定的冲击韧性、轴颈严重磨损。因此材料要有高强度、一定的冲击韧性、足够弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈表面有高硬度和足够弯曲、扭转疲劳强度和刚度，轴颈表面有高硬度和耐磨性。为了满足上述综合机械性能的要求，确定选用耐磨性。为了满足上述综合机械性能的要求，确定选用35CrMo来制造。来制造。图6-29汽车曲轴引入：引入：为满足上述综合机械性能要求，上述两种材料应选用什么预

59、备热处理和最终热处理工艺？经过淬火和高温回火（调质处理）处理后的结构经过淬火和高温回火（调质处理）处理后的结构钢叫做调质钢。钢叫做调质钢。 受复合应力的重要结构件（齿轮、连杆、机床受复合应力的重要结构件（齿轮、连杆、机床主轴）主轴）（一）性能要求：（一）性能要求：要求具有比较全面的机械性能要求具有比较全面的机械性能很高的强度，良好很高的强度，良好的塑性和韧性，即的塑性和韧性，即良好的综合机械性能。良好的综合机械性能。 合金调质钢还要求有好的淬透性。合金调质钢还要求有好的淬透性。 （二）成分和作用（二）成分和作用1.中碳：中碳：025050，以，以0.4%居多居多含碳量过低，不易淬硬，钢的强度较

60、低含碳量过低，不易淬硬，钢的强度较低含碳量过高，钢的塑、韧性较差；含碳量过高，钢的塑、韧性较差；碳素调质钢：碳素调质钢：40、45、50；合金调质钢：合金调质钢：40Cr、25Cr2Ni4WA、30CrMnSi2.合金元素合金元素 主加元素主加元素： Ni、Cr、 Mn、 Si 淬透性，形成合淬透性，形成合金铁素体，提高钢的强度。即强化铁素体金铁素体，提高钢的强度。即强化铁素体基体基体，提高韧性提高韧性 辅加元素：辅加元素：W,Mo,V,Ti 细化晶粒细化晶粒, 回火稳定性，防回火稳定性，防止第二类回火脆性。适宜含量：止第二类回火脆性。适宜含量：Mo的质量分数为的质量分数为0.15%0.30%