3结构钢机械制造

1、工程结构钢工程结构钢结结 构构 钢：制作大型金属结构，又称工程用钢。钢：制作大型金属结构，又称工程用钢。例例 如：如： 桥梁、船体、油井、钢轨、管道、建筑桥梁、船体、油井、钢轨、管道、建筑工作特点：不作相对运动，承受长期静载荷，有温工作特点：不作相对运动，承受长期静载荷，有温 度要求。度要求。性能要求：载荷作用下结构长期稳定，较高刚度，高性能要求：载荷作用下结构长期稳定，较高刚度，高 的屈服强度和抗拉强度，塑性和韧性好，的屈服强度和抗拉强度，塑性和韧性好， 较较 小的冷脆倾向性和耐蚀性。小的冷脆倾向性和耐蚀性。良好的工艺性能：冷变形性，可焊性（使用性能位居良好的工艺性能：冷变形性，可焊性（使用

2、性能位居 第二）。第二）。 工程结构钢工程结构钢一、结构钢的机械性能特点一、结构钢的机械性能特点（一）、屈服现象（一）、屈服现象低碳钢的屈服现象及应变时效低碳钢的屈服现象及应变时效上屈服点上屈服点下屈服点下屈服点延伸率延伸率应力应力1. 屈服现象屈服现象2. 去载后立即加载去载后立即加载3. 去载后放置在加载去载后放置在加载原因：外应力大于柯氏气团对位错的钉扎作用。原因：外应力大于柯氏气团对位错的钉扎作用。 低碳钢的机械性能特点，应力应变曲线出现屈服齿或屈服平台低碳钢的机械性能特点，应力应变曲线出现屈服齿或屈服平台（二）、应变时效和淬火时效（二）、应变时效和淬火时效应变时效：构件用钢经冷塑性变

3、形后，在室温放置较长时间或应变时效：构件用钢经冷塑性变形后，在室温放置较长时间或 稍经加热后，其强度、硬度升高，塑性、韧性下降。稍经加热后，其强度、硬度升高，塑性、韧性下降。原原 因：柯氏气团重新聚集，钉扎位错。因：柯氏气团重新聚集，钉扎位错。淬火时效：低碳钢加热到接近淬火时效：低碳钢加热到接近Ac1 温度淬火，在室温放置稍经温度淬火，在室温放置稍经加热后，其强度升高，而塑性、韧性下降。加热后，其强度升高，而塑性、韧性下降。原原 因：过饱和因：过饱和固溶体脱溶沉淀。在室温或较高温，固溶体脱溶沉淀。在室温或较高温，C、N原原子向位错和晶界偏聚，析出与母相共格的亚稳相子向位错和晶界偏聚，析出与母相

4、共格的亚稳相碳碳化物和化物和氮化物，时效时间增长，亚稳相与母相氮化物，时效时间增长，亚稳相与母相脱离共格，转变成稳定的渗碳体或脱离共格，转变成稳定的渗碳体或相。相。应变时效和淬火时效都增加钢的冷脆倾向，提高钢的应变时效和淬火时效都增加钢的冷脆倾向，提高钢的脆性转折温度脆性转折温度钢材脆性增大。钢材脆性增大。（三）、冷脆倾向性（三）、冷脆倾向性冷脆：用低碳钢材制造的各种工程构件，室温强度不冷脆：用低碳钢材制造的各种工程构件，室温强度不高，塑性韧性良好，但是温度降低时，可能由微孔聚高，塑性韧性良好，但是温度降低时，可能由微孔聚集型的塑性断裂转变为脆性的解理断裂。集型的塑性断裂转变为脆性的解理断裂。

5、fs温度温度tc应力应力影响冷脆转变温度的因素：影响冷脆转变温度的因素：构件缺口和裂纹显著提高冷脆转变温度构件缺口和裂纹显著提高冷脆转变温度应变时效和淬火时效提高脆性转折温度应变时效和淬火时效提高脆性转折温度细化晶粒可以提高钢的解理断裂应力，降低细化晶粒可以提高钢的解理断裂应力，降低tCtC。理想组织：细小均匀的铁素体晶粒和适量的片状珠光体。理想组织：细小均匀的铁素体晶粒和适量的片状珠光体。 二、工程结构钢的合金化二、工程结构钢的合金化常用的工程结构钢是热轧态或正火态使用的低碳钢，显微组常用的工程结构钢是热轧态或正火态使用的低碳钢，显微组织是铁素体珠光体，通过加入合金元素提高强韧性。织是铁素体

6、珠光体，通过加入合金元素提高强韧性。 在铁素体珠光体钢中，合金元素对强化的贡献有：在铁素体珠光体钢中，合金元素对强化的贡献有： 溶入铁素体起固溶强化：溶入铁素体的合金元素均能提溶入铁素体起固溶强化：溶入铁素体的合金元素均能提高钢的硬度、抗拉强度和屈服强度。高钢的硬度、抗拉强度和屈服强度。 细化晶粒起细晶强化：细化晶粒起细晶强化： 析出弥散的碳化物、碳氮化物，起沉淀强化：强碳化物析出弥散的碳化物、碳氮化物，起沉淀强化：强碳化物形成元素形成元素V、Ti、Nb在热轧空冷过程中，从奥氏体沉淀析在热轧空冷过程中，从奥氏体沉淀析出出V4C3、TiC、NbC，进行沉淀强化。，进行沉淀强化。 增加珠光体含量：

7、合金元素使增加珠光体含量：合金元素使Fe-C相图的相图的S点左移，增加点左移，增加P数量。数量。 P作为强化元素含量一般不超过作为强化元素含量一般不超过0.1%； Mn和和Si为常用的固溶强化元素，一般为常用的固溶强化元素，一般Mn含量不超含量不超过过2，Si含量不超过含量不超过0.8%； 铜作为钢中残余元素加以利用，一般含铜作为钢中残余元素加以利用，一般含0.250.5%。微量铜可以提高钢的耐大气腐蚀性能；微量铜可以提高钢的耐大气腐蚀性能； 国际上有的工程结构钢主要加入少量的铬和镍，铬国际上有的工程结构钢主要加入少量的铬和镍，铬不超过不超过0.8%，镍不超过，镍不超过0.7%，它们不产生固溶

8、强化，它们不产生固溶强化效果。效果。1、固溶强化：主要利用、固溶强化：主要利用Mn、Si、Cu、P等元素溶入等元素溶入 铁素体来提高强度。铁素体来提高强度。二、工程结构钢的合金化二、工程结构钢的合金化 2、细晶强化：根据、细晶强化：根据Hall-Petch公式，钢的晶粒愈细小，钢的公式，钢的晶粒愈细小，钢的 屈服强度呈直线上升。屈服强度呈直线上升。 细化晶粒途径有多种，其中主要是用铝脱氧和合金化。用铝脱细化晶粒途径有多种，其中主要是用铝脱氧和合金化。用铝脱氧生成的细小弥散的氧生成的细小弥散的AlN质点，用钛、铌、钒微合金化生成弥质点，用钛、铌、钒微合金化生成弥散的氮化物、碳化物和碳氮化物，这些

9、弥散相都能钉扎晶界，散的氮化物、碳化物和碳氮化物，这些弥散相都能钉扎晶界，阻碍奥氏体晶粒长大，转变后细化铁素体和珠光体晶粒。阻碍奥氏体晶粒长大，转变后细化铁素体和珠光体晶粒。 钢中加入降低钢中加入降低A3温度的合金元素，可使奥氏体在更低温温度的合金元素，可使奥氏体在更低温度转变而细化铁素体和珠光体晶粒，如加入度转变而细化铁素体和珠光体晶粒，如加入1.01.5%Mn可使可使A3温度降低温度降低50。铬和镍与锰一样可增加奥氏体过。铬和镍与锰一样可增加奥氏体过冷能力，使转变温度降低，细化钢的显微组织，提高了冷能力，使转变温度降低，细化钢的显微组织，提高了钢的强度。钢的强度。二、工程结构钢的合金化二、

10、工程结构钢的合金化二、工程结构钢的合金化二、工程结构钢的合金化 3、沉淀强化：应用钒、铌、钛的微合金化，使过冷、沉淀强化：应用钒、铌、钛的微合金化，使过冷奥氏体发生相间沉淀和铁素体中析出弥散的碳化物和奥氏体发生相间沉淀和铁素体中析出弥散的碳化物和碳氮化物，产生沉淀强化。碳氮化物，产生沉淀强化。 氮化物最稳定，一般在奥氏体中沉淀，对奥氏体高温氮化物最稳定，一般在奥氏体中沉淀，对奥氏体高温形变、再结晶和晶粒长大起抑制作用。形变、再结晶和晶粒长大起抑制作用。 碳化物和碳氮化物稳定性稍差，一般在奥氏体转变中碳化物和碳氮化物稳定性稍差，一般在奥氏体转变中产生相间沉淀和从过饱和铁素体中析出，从而产生沉产生

11、相间沉淀和从过饱和铁素体中析出，从而产生沉淀强化。微合金钢中主要的沉淀相是淀强化。微合金钢中主要的沉淀相是VC、NbC和和TiC，其粒子尺寸在其粒子尺寸在210nm范围内具有最大的沉淀强化效范围内具有最大的沉淀强化效应。钢中每加入应。钢中每加入0.01%铌和钛，使屈服强度增高铌和钛，使屈服强度增高3050MPa；每加入；每加入0.1%钒，使屈服强度增高钒，使屈服强度增高150200MPa。当钢中含有一定量碳和氮时，钢中微量钛主要以当钢中含有一定量碳和氮时，钢中微量钛主要以TiN出出现，细化奥氏体晶粒。钢中微量铌既可以在高温变形现，细化奥氏体晶粒。钢中微量铌既可以在高温变形时析出时析出NbN和铌

12、的晶界偏聚细化奥氏体晶粒，又可以和铌的晶界偏聚细化奥氏体晶粒，又可以在随后发生相间沉淀和从过饱和铁素体析出在随后发生相间沉淀和从过饱和铁素体析出Nb(C,N)产产生沉淀强化。生沉淀强化。二、工程结构钢的合金化二、工程结构钢的合金化铁素体珠光体组织的冷脆性铁素体珠光体组织的冷脆性Q 某些金属及其合金在低温时会发生脆化现象，冲击值明显降低，某些金属及其合金在低温时会发生脆化现象，冲击值明显降低，断口由纤维状变为结晶状。材料这种在低温下变脆的特性被称之断口由纤维状变为结晶状。材料这种在低温下变脆的特性被称之为冷脆性或低温脆性。为冷脆性或低温脆性。二、工程结构钢的合金化二、工程结构钢的合金化Q 韧脆转

13、变温度韧脆转变温度:是指在某一临界温度是指在某一临界温度TK以上材料呈韧性状态，而以上材料呈韧性状态，而在该温度以下呈脆性状态。转变温度高，材料低温变脆倾向大，在该温度以下呈脆性状态。转变温度高，材料低温变脆倾向大，转变温度低，材料低温变脆倾向小。转变温度低，材料低温变脆倾向小。Q 按断口形貌确定韧脆转变温度的方法是取断口中结晶区占整个断按断口形貌确定韧脆转变温度的方法是取断口中结晶区占整个断口面积口面积50时的温度为时的温度为TK ，并记为，并记为50FATT (Fracture Appearance Transition Temperature) 或或FATT50。 Q 具有铁素体珠光体组

14、织的工程结构钢在具有铁素体珠光体组织的工程结构钢在50100间使用，间使用，因而要求有较低的韧脆转化温度因而要求有较低的韧脆转化温度FATT50。影响钢的冲击韧性和。影响钢的冲击韧性和韧脆转化温度的因素有含碳量、晶粒尺寸、固溶元素、弥散析出韧脆转化温度的因素有含碳量、晶粒尺寸、固溶元素、弥散析出相和非金属夹杂物等。相和非金属夹杂物等。Q 珠光体由于有大量脆性的片层状渗碳体，因而有高的韧脆转化温珠光体由于有大量脆性的片层状渗碳体，因而有高的韧脆转化温度，一般在度，一般在100 以上。钢中每增加以上。钢中每增加1体积珠光体，将使体积珠光体，将使FATT50升高升高2.2 。工程结构钢一般是。工程结

15、构钢一般是w(C)=0.25%的低碳钢。的低碳钢。Q 钢中合金元素锰、镍和铬固溶于铁素体中可降低钢中合金元素锰、镍和铬固溶于铁素体中可降低FATT50，而磷、，而磷、硅固溶后均升高硅固溶后均升高FATT50。 三、铁素体三、铁素体-珠光体钢珠光体钢这类钢服役时的显微组织是铁素体珠光体，包括碳这类钢服役时的显微组织是铁素体珠光体，包括碳素工程结构钢、高强度低合金钢和微合金钢。素工程结构钢、高强度低合金钢和微合金钢。碳素工程结构钢：国家标准规定，碳素工程结构钢按碳素工程结构钢：国家标准规定，碳素工程结构钢按屈服强度分为五级，即屈服强度分为五级，即Q195、Q215 、Q235 、 Q255 和和Q

16、275，Q表示屈服强度，其后的数字表示屈服强度表示屈服强度，其后的数字表示屈服强度值，单位为值，单位为MPa。 Q235分为分为A、B、C、D四个等级，四个等级，主要按钢中磷和硫含量来区分，其中主要按钢中磷和硫含量来区分，其中D还要求加入细还要求加入细化晶粒元素。化晶粒元素。 Q215和和Q255只有只有A、B两个级别，两个级别， Q195和和Q275没有分级别。钢的屈服强度主要取决于没有分级别。钢的屈服强度主要取决于钢中含碳量，即珠光体含量。含碳从钢中含碳量，即珠光体含量。含碳从w(C)=0.060.38范围增加，屈服强度从范围增加，屈服强度从195上升到上升到275MPa，伸长率从，伸长率

17、从33降到降到20。三、铁素体三、铁素体-珠光体钢珠光体钢高强度低合金钢：为提高碳素工程结构钢的强度，而加高强度低合金钢：为提高碳素工程结构钢的强度，而加入少量合金元素，利用合金元素产生固溶强化、细晶强化入少量合金元素，利用合金元素产生固溶强化、细晶强化和沉淀强化。利用细晶强化使钢的韧脆转变温度的降低，和沉淀强化。利用细晶强化使钢的韧脆转变温度的降低，来抵消由于碳氮化物沉淀强化使钢的韧脆转变温度的升高。来抵消由于碳氮化物沉淀强化使钢的韧脆转变温度的升高。Q16Mn是典型高强度低合金钢种，它属于屈服强度为是典型高强度低合金钢种，它属于屈服强度为345MPa级，有较高的强度、良好的塑性和低温韧性级

18、，有较高的强度、良好的塑性和低温韧性以及焊接性，是我国这类钢中产量最多、用量极广以及焊接性，是我国这类钢中产量最多、用量极广的钢种。的钢种。16Mn中，锰含量为中，锰含量为1.21.6，起着固溶，起着固溶强化作用，锰降低强化作用，锰降低A3温度，增大钢的奥氏体过冷能温度，增大钢的奥氏体过冷能力，细化铁素体晶粒，降低钢的冷脆性。力，细化铁素体晶粒，降低钢的冷脆性。Q15MnTi、16MnNb、15MnV钢屈服强度属于钢屈服强度属于390MPa级，利用微量钛、铌、钒起细化晶粒和沉淀强化作用，级，利用微量钛、铌、钒起细化晶粒和沉淀强化作用，用于制造桥梁、船舶、容器。用于制造桥梁、船舶、容器。 15M

19、nVN钢屈服强度属钢屈服强度属于于440MPa级别，钢中加入小于级别，钢中加入小于0.022%的氮，以形成的氮，以形成稳定的稳定的VN，比，比VC更有效地起细化晶粒和固溶强化作更有效地起细化晶粒和固溶强化作用。用。三、铁素体三、铁素体-珠光体钢珠光体钢三、铁素体三、铁素体-珠光体钢珠光体钢 微合金钢：一类高强度低合金钢，其关键是细晶粒和沉淀强微合金钢：一类高强度低合金钢，其关键是细晶粒和沉淀强化。钛、铌、钒等微合金元素有以下四方面作用：化。钛、铌、钒等微合金元素有以下四方面作用： 抑制奥氏体形变再结晶。在热加工过程中，通过应变诱导析出抑制奥氏体形变再结晶。在热加工过程中，通过应变诱导析出钛、铌

20、、钒的氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上，起钉扎钛、铌、钒的氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上，起钉扎作用，抑制再结晶过程的进行。作用，抑制再结晶过程的进行。 阻止奥氏体晶粒长大。阻止奥氏体晶粒长大。TiN或或Nb(C,N)，在高温下非常稳定，在高温下非常稳定，其弥散分布对控制高温下的再结晶晶粒长大有强烈的抑制作用。其弥散分布对控制高温下的再结晶晶粒长大有强烈的抑制作用。 沉淀相与沉淀强化。沉淀相与沉淀强化。 改变钢的显微组织。溶于奥氏体的微量元素提高了过冷奥氏体改变钢的显微组织。溶于奥氏体的微量元素提高了过冷奥氏体的稳定性，降低了发生先共析铁素体和珠光体的温度范围，低的稳定性，降低了发生先共

21、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更细小，并使相间沉淀的碳温下形成的先共析铁素体和珠光体更细小，并使相间沉淀的碳氮化物粒子更细小。氮化物粒子更细小。典型牌号：典型牌号：X65管线用钢，应用在高纬度严寒地区的石油和天然管线用钢，应用在高纬度严寒地区的石油和天然气输送管线，成分为：气输送管线，成分为：0.10%C, 0.25%Si, 1.35%Mn, 0.04%Nb, 0.04%V，屈服强度，屈服强度465MPa,-25 冲击功冲击功129J。 09MnVTiN，用于生产中厚钢板，成分为：，用于生产中厚钢板，成分为：0.09%C, 0.40%Si, 1.10%Mn, 0.

22、01%Ti, 0.10%V, 0.01%N，其屈，其屈服强度属于服强度属于410MPa级别。级别。三、铁素体三、铁素体-珠光体钢珠光体钢四、低碳贝氏体和马氏体钢四、低碳贝氏体和马氏体钢 低碳贝氏体钢低碳贝氏体钢 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，直接得到低碳贝氏体组织，与相同含量的铁素体接得到低碳贝氏体组织，与相同含量的铁素体珠光体组织相比，有更高的强度和更好的韧珠光体组织相比，有更高的强度和更好的韧性，钢的屈服强度可达性，钢的屈服强度可达490780MPa。钢中的主要合金元素是能显著推迟先共析铁素体钢中的主要合金元素是能显著推迟先共析铁素体和珠光体转变

23、，而对贝氏体转变推迟较少的钼和珠光体转变，而对贝氏体转变推迟较少的钼和硼。和硼。w 14MnMoV和和14MnMoVBRE钢是我国发展的低碳贝钢是我国发展的低碳贝氏体钢，用于制造容器的板材和其它钢结构，其屈服氏体钢，用于制造容器的板材和其它钢结构，其屈服强度为强度为490MPa级。板厚小于级。板厚小于14mm时，在热轧态可时，在热轧态可达到贝氏体，板厚大于达到贝氏体，板厚大于14mm时，需要正火处理。为时，需要正火处理。为了消除内应力，需要高温回火。了消除内应力，需要高温回火。温度温度/时间时间/S300400500600700800900110310210铁素体开始析出铁素体开始析出Mo-B

24、钢连续冷却转变开始钢连续冷却转变开始贝氏体开始析出贝氏体开始析出低碳钢: 0.5wt%低碳钢: 0.5+wt%四、低碳贝氏体和马氏体钢四、低碳贝氏体和马氏体钢针状铁素体形貌：针状铁素体形貌： 这类钢纤维组织是低碳或超低碳针状铁素体，属于这类钢纤维组织是低碳或超低碳针状铁素体，属于贝氏体，位错密度高，在含贝氏体，位错密度高，在含Nb钢中钢中Nb(C, N)可细化晶可细化晶粒和起沉淀强化作用。低碳（粒和起沉淀强化作用。低碳（0.1%）改善韧性。）改善韧性。 钢中的主要合金元素钼和硼的目的是能显著推迟先共钢中的主要合金元素钼和硼的目的是能显著推迟先共析铁素体和珠光体转变，降低析铁素体和珠光体转变，降

25、低Bs点，使针状铁素体在点，使针状铁素体在450以下形成。以下形成。典型的钢种有典型的钢种有Mn-Mo-Nb钢，屈服强度高于钢，屈服强度高于470MPa，伸长率伸长率20%，室温冲击值，室温冲击值 80J，良好的低温韧性。，良好的低温韧性。四、低碳贝氏体和马氏体钢四、低碳贝氏体和马氏体钢四、低碳贝氏体和马氏体钢四、低碳贝氏体和马氏体钢 低碳马氏体钢低碳马氏体钢为使钢得到好的淬透性，防止发生先共析铁素体为使钢得到好的淬透性，防止发生先共析铁素体转变和珠光体转变，加入钼、铌、钒、硼及控制转变和珠光体转变，加入钼、铌、钒、硼及控制合理含量的锰和铬与之配合，铌为细化晶粒的微合理含量的锰和铬与之配合，铌

26、为细化晶粒的微合金元素起作用。合金元素起作用。w 常见的有常见的有BHS系列钢种，其中系列钢种，其中BHS-1钢的成分为：钢的成分为：0.10%C, 1.80%Mn, 0.45%Mo, 0.05%Nb。其生产工艺。其生产工艺为锻轧后空冷或直接淬火并自回火；为锻轧后空冷或直接淬火并自回火；w 锻轧后空冷得到贝氏体马氏体铁素体混合组织，锻轧后空冷得到贝氏体马氏体铁素体混合组织，其性能为其性能为0.2828MPa, b1049MPa, 室温冲击功室温冲击功86J；w 若直接淬火成低碳马氏体，性能为若直接淬火成低碳马氏体，性能为0.2935MPa, b1197MPa, 室温冲击功室温冲击功50J，40

27、冲击功冲击功32J。w 另一种另一种Mn-Si-Mo-V-Nb系低碳马氏体钢，其屈服强系低碳马氏体钢，其屈服强度可达度可达8601116MPa，室温冲击功为，室温冲击功为4675J。w 低碳马氏体钢具有高强度、高韧性和高疲劳强度。低碳马氏体钢具有高强度、高韧性和高疲劳强度。四、低碳贝氏体和马氏体钢四、低碳贝氏体和马氏体钢 双相钢双相钢双相钢的显微组织是通过在双相钢的显微组织是通过在+两相区加热淬火，或热两相区加热淬火，或热轧后空冷得到轧后空冷得到2030马氏体和马氏体和8070铁素体。马铁素体。马氏体呈小岛状或纤维状分布在铁素体基体上。氏体呈小岛状或纤维状分布在铁素体基体上。 双相钢的性能特点

28、是：双相钢的性能特点是：低屈服强度，一般不超过低屈服强度，一般不超过350MPa350MPa；钢的应力应变曲线是光滑连续的，无屈服平台，无钢的应力应变曲线是光滑连续的，无屈服平台，无锯齿形屈服现象；锯齿形屈服现象；高的均匀伸长率和总伸长率；高的均匀伸长率和总伸长率；高的加工硬化指数；高的加工硬化指数；高的塑性应变比，冲压件保持厚度均匀。高的塑性应变比，冲压件保持厚度均匀。四、低碳贝氏体和马氏体钢四、低碳贝氏体和马氏体钢双相钢分为退火双相钢和热轧双相钢两大类。双相钢分为退火双相钢和热轧双相钢两大类。 退火双相钢又称为热处理双相钢，将板带材在退火双相钢又称为热处理双相钢，将板带材在+两相区加两相区

29、加热退火，然后空冷或快冷得到铁素体马氏体组织。化学成热退火，然后空冷或快冷得到铁素体马氏体组织。化学成分可在很大范围内变动，从普通低碳钢到低合金钢均可分可在很大范围内变动，从普通低碳钢到低合金钢均可 热轧双相钢是指在热轧状态下，通过控制冷却得到铁素体热轧双相钢是指在热轧状态下，通过控制冷却得到铁素体马氏体双相组织。钢在热轧后从奥氏体状态冷却，首先形马氏体双相组织。钢在热轧后从奥氏体状态冷却，首先形成体积分数达成体积分数达7080%的多边铁素体，然后未转变的奥氏体的多边铁素体，然后未转变的奥氏体有足够的稳定性，避免形成珠光体和贝氏体，冷却形成马氏有足够的稳定性，避免形成珠光体和贝氏体，冷却形成马

30、氏体。加入合金元素体。加入合金元素Si和极少和极少C可提高钢的临界点可提高钢的临界点A3，促使多，促使多边形铁素体形成，加入边形铁素体形成，加入Mn、Mo、Cr促使马氏体形成。促使马氏体形成。四、低碳贝氏体和马氏体钢四、低碳贝氏体和马氏体钢五、工程结构钢的冶金工艺特点五、工程结构钢的冶金工艺特点冶炼工艺冶炼工艺工程结构钢的冶炼工艺和终脱氧对钢的质量影响很大。工程结构钢的冶炼工艺和终脱氧对钢的质量影响很大。氧气炼钢可降低钢中氮含量，采用氧气炼钢可降低钢中氮含量，采用Al脱氧并固定氮，形脱氧并固定氮，形成成AlN，细化晶粒，减少应变失效，同时保证微合金化，细化晶粒，减少应变失效，同时保证微合金化元

31、素的收得率。元素的收得率。钢中非金属夹杂物的种类、数量、形状和分布对钢的钢中非金属夹杂物的种类、数量、形状和分布对钢的塑性、韧性等有重要影响，破坏钢材冷、热加工性能。塑性、韧性等有重要影响，破坏钢材冷、热加工性能。典型的夹杂物如条带状塑性夹杂物典型的夹杂物如条带状塑性夹杂物MnSMnS。加入稀土可对。加入稀土可对硫化物变质。硫化物变质。控制轧制与控制冷却控制轧制与控制冷却控制轧制工艺包括传统的控制轧制和再结晶控制轧制，控制轧制工艺包括传统的控制轧制和再结晶控制轧制，可获得细小的铁素体晶粒和沉淀强化相。可获得细小的铁素体晶粒和沉淀强化相。传统的控制轧制：控制在特定温度范围内的道次压下量，在传统的

32、控制轧制：控制在特定温度范围内的道次压下量，在950以上，每一道次的压下使奥氏体发生再结晶，受到形变以上，每一道次的压下使奥氏体发生再结晶，受到形变的奥氏体迅速发生再结晶。的奥氏体迅速发生再结晶。Nb使奥氏体中诱导析出使奥氏体中诱导析出Nb(C,N)，阻碍再结晶和晶粒长大。工艺缺点：终轧温度低阻碍再结晶和晶粒长大。工艺缺点：终轧温度低(900)，钢，钢材本身强度大，轧制时变形抗力大，要求高功率轧机。材本身强度大，轧制时变形抗力大，要求高功率轧机。再结晶控轧工艺：以再结晶控轧工艺：以TiN阻碍奥氏体晶粒，以阻碍奥氏体晶粒，以V(C,N)为沉淀强为沉淀强化相。经反复形变和再结晶后，奥氏体晶粒细化。

33、在化相。经反复形变和再结晶后，奥氏体晶粒细化。在950以以上，没有上，没有V(C,N)析出，低温下析出，低温下V沉淀析出，形成沉淀强化。沉淀析出，形成沉淀强化。 V-Ti-N：极细小的铁素体晶粒和珠光体团。：极细小的铁素体晶粒和珠光体团。 Nb-Mo系系BHS-1钢钢机械制造结构钢机械制造结构钢机械制造结构钢机械制造结构钢机械制造结构钢用于各种机械零件，如轴类、齿轮、机械制造结构钢用于各种机械零件，如轴类、齿轮、紧固件、轴承和高强度结构，广泛应用在汽车、机床紧固件、轴承和高强度结构，广泛应用在汽车、机床工程机械、电站设备、飞机及火箭等装置上。工程机械、电站设备、飞机及火箭等装置上。工作环境：大

34、气、水和润滑油，温度在工作环境：大气、水和润滑油，温度在50100 范范围之间。机械零件要求有良好的服役性能，主要承受围之间。机械零件要求有良好的服役性能，主要承受拉、压、弯、扭、冲击、疲劳应力，且往往是几种载拉、压、弯、扭、冲击、疲劳应力，且往往是几种载荷同时作用。荷同时作用。性能要求：有足够高的强度、塑性、韧性和疲劳性能。性能要求：有足够高的强度、塑性、韧性和疲劳性能。机械制造结构钢根据钢的生产工艺和用途，可分为：机械制造结构钢根据钢的生产工艺和用途，可分为：调质钢、低碳马氏体钢、超高强度结构钢、渗碳钢、调质钢、低碳马氏体钢、超高强度结构钢、渗碳钢、氮化钢、弹簧钢、轴承钢和高锰钢等。氮化钢

35、、弹簧钢、轴承钢和高锰钢等。机械制造结构钢机械制造结构钢中碳回火索氏体钢中碳回火索氏体钢低碳马氏体钢低碳马氏体钢中碳低合金马氏体钢中碳低合金马氏体钢微碳马氏体时效钢微碳马氏体时效钢形变热处理中合金钢形变热处理中合金钢高碳冷拉钢丝高碳冷拉钢丝b：12001400MPab：14002000MPab：19002300MPab：24003200MPab：30004000MPa（一）调质钢（一）调质钢 调质钢：结构钢在淬火高温回火后具有良好的综调质钢：结构钢在淬火高温回火后具有良好的综合机械性能，有较高的强度，良好的塑性和韧性。合机械性能，有较高的强度，良好的塑性和韧性。1、典型用途、典型用途轴的服役环

36、镜轴的服役环镜a.弯曲载荷弯曲载荷b.扭转载荷扭转载荷c.循环条件循环条件d.冲击载荷冲击载荷e.磨损、腐蚀磨损、腐蚀2、主要性能要求、主要性能要求a.强塑性；强塑性；b.疲劳性能；疲劳性能； c.冲击韧性；冲击韧性； d.耐磨耐蚀耐磨耐蚀e.抗回火稳定性抗回火稳定性（一）调质钢（一）调质钢3、组织：淬火得到的马氏体组织经高温回火后，得、组织：淬火得到的马氏体组织经高温回火后，得到到相基体上分布有极细小的颗粒状碳化物，为回相基体上分布有极细小的颗粒状碳化物，为回火屈氏体或回火索氏体。火屈氏体或回火索氏体。4、合金化：、合金化： 调质钢的强度主要取决于调质钢的强度主要取决于相的强度和碳化物的弥散

37、强相的强度和碳化物的弥散强化作用。化作用。合金元素硅、锰、镍溶于合金元素硅、锰、镍溶于相，起固溶强化作用。相，起固溶强化作用。钢中碳的质量分数在钢中碳的质量分数在0.30.5%之间，可保证有足够大的之间，可保证有足够大的碳化物体积分数以获得高强度。降低碳化物体积分数以获得高强度。降低C含量，则强度不含量，则强度不足，提高足，提高C含量，韧性不足，脆性增大。含量，韧性不足，脆性增大。4、合金化、合金化合金元素铬、钼、钨、钒可阻碍碳化物在高温回火时的聚合金元素铬、钼、钨、钒可阻碍碳化物在高温回火时的聚集长大，保持钢的高强度。铬、钼、钨、钒还阻碍集长大，保持钢的高强度。铬、钼、钨、钒还阻碍相相的再结

38、晶，能保持细小的晶块结构，使的再结晶，能保持细小的晶块结构，使相也能保持足相也能保持足够高的强度。够高的强度。（一）调质钢（一）调质钢5、调质钢的工艺问题、调质钢的工艺问题合金调质钢的一个特殊问题是高温回火脆性，高温回火后合金调质钢的一个特殊问题是高温回火脆性，高温回火后的冷却速度严重影响到钢的韧脆转化温度，冷速越慢，的冷却速度严重影响到钢的韧脆转化温度，冷速越慢，室温冲击韧性越低，脆性越大。室温冲击韧性越低，脆性越大。5、调质钢的工艺问题、调质钢的工艺问题杂质元素磷、锡、锑、砷等在晶界偏聚引起晶界脆化，杂质元素磷、锡、锑、砷等在晶界偏聚引起晶界脆化，是产生高温回火脆性的直接因素。是产生高温回

39、火脆性的直接因素。合金元素铬、锰、镍、硅强烈促进高温回火脆性，合合金元素铬、锰、镍、硅强烈促进高温回火脆性，合金元素金元素Mo、W、Ti可减轻回火脆性。可减轻回火脆性。稀土元素能和杂质元素形成稳定的化合物，大大降低稀土元素能和杂质元素形成稳定的化合物，大大降低甚至消除回火脆性，若和钼联合使用效果更佳。甚至消除回火脆性，若和钼联合使用效果更佳。（一）调质钢（一）调质钢（一）调质钢（一）调质钢6、调质钢的分类、调质钢的分类最普通的调质钢：碳素调质钢，如最普通的调质钢：碳素调质钢，如45钢、钢、45B钢，用钢，用作截面较小或不要求完全淬透的零件，由于淬透作截面较小或不要求完全淬透的零件，由于淬透性低

40、，只能用盐水淬火。性低，只能用盐水淬火。要求淬透性较高的钢有要求淬透性较高的钢有40Cr、45Mn2、40MnB、35SiMn等作为同一级，一般可用油淬火。等作为同一级，一般可用油淬火。42CrMo、42MnVB、40CrMnMo、40CrNi、35CrMo为要求淬透性更高一级的钢种。为要求淬透性更高一级的钢种。6、调质钢的分类、调质钢的分类对大截面零件，要求高淬透性的调质钢为对大截面零件，要求高淬透性的调质钢为40CrNiMo、34CrNi3MoV等。调质钢经调质热处理后，其力学等。调质钢经调质热处理后，其力学性能为：性能为：s8001200MPa，b 10001400MPa ，10，45，

41、K60J/cm2.常用调质钢热处理后的力学性能1、低温回火钢的显微组织及力学性能、低温回火钢的显微组织及力学性能淬火低温回火得到的中、低碳回火马氏体发挥了淬火低温回火得到的中、低碳回火马氏体发挥了碳在过饱和碳在过饱和相中的固溶强化、相中的固溶强化、-Fe2.4C与基与基体共格产生的沉淀强化及马氏体的冷作硬化。体共格产生的沉淀强化及马氏体的冷作硬化。其中回火马氏体的强度主要来自固溶在马氏体其中回火马氏体的强度主要来自固溶在马氏体相中的碳。低温回火后钢的抗拉强度与钢中的相中的碳。低温回火后钢的抗拉强度与钢中的含碳量呈直线增加的关系：含碳量呈直线增加的关系： b 288000(C)+800MPa,

42、当碳含量为当碳含量为0.3%时，时， b 约为约为1700MPa。（二）低温回火状态使用的结构钢（二）低温回火状态使用的结构钢 淬火钢在淬火钢在250350范围有低温回火脆性。范围有低温回火脆性。 引起低温回火脆性有两个方面原因：引起低温回火脆性有两个方面原因： 一是一是-Fe2.4C转变为连续薄片状转变为连续薄片状Fe3C,，在晶界析出，在晶界析出，350 以上以上Fe3C开始球化，韧性又开始恢复增长；开始球化，韧性又开始恢复增长； 二是杂质元素在晶界的偏聚。两者叠加起来就会产生低温二是杂质元素在晶界的偏聚。两者叠加起来就会产生低温回火脆性。回火脆性。防止低温回火脆性的措施是：防止低温回火脆

43、性的措施是：避免在避免在250350 温度范围内回火；温度范围内回火；生产高纯钢，降低磷、锡、锑等杂质元素含量；生产高纯钢，降低磷、锡、锑等杂质元素含量；加入硅推迟脆化温度范围，使钢的回火温度可提高到加入硅推迟脆化温度范围，使钢的回火温度可提高到320 。Q合金元素的主要作用是提高钢的淬透性，保证得到合金元素的主要作用是提高钢的淬透性，保证得到马氏体组织。马氏体组织。超高强度结构钢是为满足飞机、火箭等航空航天器结超高强度结构钢是为满足飞机、火箭等航空航天器结构上用的高比强度的材料而发展起来的一类结构钢，构上用的高比强度的材料而发展起来的一类结构钢，进而应用于常规武器的零件等方面。进而应用于常规

44、武器的零件等方面。w 低合金超高强度钢是以调质钢为基础发展起来的，可低合金超高强度钢是以调质钢为基础发展起来的，可用作飞机起落架、飞机机身大梁、火箭发动机外壳、用作飞机起落架、飞机机身大梁、火箭发动机外壳、火箭壳体、高压容器等。火箭壳体、高压容器等。w 为保证钢的高强度，碳的质量分数在为保证钢的高强度，碳的质量分数在0.270.45%范围范围内，当碳含量为内，当碳含量为0.30%，钢的抗拉强度约，钢的抗拉强度约1700MPa；当碳含量为当碳含量为0.40%，钢的抗拉强度约，钢的抗拉强度约2000MPa。（三）低合金超高强度钢（三）低合金超高强度钢若将碳含量提高到若将碳含量提高到0.5%，虽然抗

45、拉强度可接近，虽然抗拉强度可接近2300MPa，但钢的韧性和断裂韧性下降较多。，但钢的韧性和断裂韧性下降较多。为保证零件的高强度，充分保证碳的强化作用，钢为保证零件的高强度，充分保证碳的强化作用，钢必须有足够高的淬透性，使得整个截面上得到马氏必须有足够高的淬透性，使得整个截面上得到马氏体。体。加入一定量的合金元素，主要是铬、锰、硅、镍、加入一定量的合金元素，主要是铬、锰、硅、镍、钼、钒等，进行综合合金化来有效提高钢的过冷奥钼、钒等，进行综合合金化来有效提高钢的过冷奥氏体的稳定性。硅还可以增加钢的抗回火稳定性，氏体的稳定性。硅还可以增加钢的抗回火稳定性，使低合金高强度钢能在使低合金高强度钢能在3

46、00320回火，得到强度回火，得到强度和韧性的最佳配合，合金元素总量和韧性的最佳配合，合金元素总量5%左右。左右。（三）低合金超高强度钢（三）低合金超高强度钢随着强度的提高，钢的主要问题转化为脆性倾向。为随着强度的提高，钢的主要问题转化为脆性倾向。为改善低合金超强度钢的韧性，采取的措施是提高钢的改善低合金超强度钢的韧性，采取的措施是提高钢的纯净度，降低钢中夹杂物、气体及有害杂质元素含量。纯净度，降低钢中夹杂物、气体及有害杂质元素含量。钢号钢号CSiMnCrNiMoV40CrNiMo35Si2Mn2MoV30CrMnSiNiD6AC300M0.380.430.320.380.270.340.42

47、0.480.380.430.200.351.401.700.901.200.150.301.451.800.650.851.601.901.001.300.600.900.600.900.700.900.901.200.801.050.700.951.652.001.401.800.400.701.652.000.200.300.350.450.901.100.300.500.150.250.050.100.050.10目前广泛应用的低合金超强度钢是目前广泛应用的低合金超强度钢是40CrNiMo、300M、30CrMnSiNi、35Si2Mn2MoV等。等。（三）低合金超高强度钢（三）低合金超

48、高强度钢40CrNiMo钢中合金元素的配合有效地提高钢的淬透性和较好的韧钢中合金元素的配合有效地提高钢的淬透性和较好的韧性，经性，经900淬火和淬火和200 回火，回火， 0.21628MPa，b 1884MPa ，10。钢中铬和锰主要提高淬透性，镍和铬组合。钢中铬和锰主要提高淬透性，镍和铬组合可有效提高淬透性并能很好改善回火马氏体的韧性。钼除有效提可有效提高淬透性并能很好改善回火马氏体的韧性。钼除有效提高淬透性外，还可改善回火马氏体的韧性。高淬透性外，还可改善回火马氏体的韧性。300M钢（钢（40Si2Ni2CrMoV）是在）是在40CrNiMo钢的基础上加入钒钢的基础上加入钒和硅并提高钼含

49、量得到的，钒可细化奥氏体晶粒，硅可提高钢的和硅并提高钼含量得到的，钒可细化奥氏体晶粒，硅可提高钢的抗回火稳定性，将回火温度由抗回火稳定性，将回火温度由200 提高到提高到300 以上，以改善以上，以改善韧性。故韧性。故300M钢有高淬透性和强韧性，特别是大截面钢材。其钢有高淬透性和强韧性，特别是大截面钢材。其热处理工艺为：热处理工艺为：927 正火，正火，870 淬火，淬火介质为油，最后淬火，淬火介质为油，最后经经300 两次回火。两次回火。300M钢用来制造大型飞机的起落架等重要钢用来制造大型飞机的起落架等重要结构材料。结构材料。（三）低合金超高强度钢（三）低合金超高强度钢组织组织回火马氏体

50、（回火马氏体（200200）或回火贝氏体（）或回火贝氏体（300300）（三）低合金超高强度钢（三）低合金超高强度钢（四）中碳中合金超高强度钢（四）中碳中合金超高强度钢 随着航空和火箭技术等的飞速发展，在随着航空和火箭技术等的飞速发展，在60年代初年代初就有人提出了设计在高温回火下能够得到高强和超高就有人提出了设计在高温回火下能够得到高强和超高强（强（b=16002160MPa）的新材料，从而出现了较）的新材料，从而出现了较高高Cr、Mo、V型型(HST)和和Cr、Mo、V、Si型（型（H11等）等）的中合金中碳结构钢（高温回火下获得二次沉淀硬化的中合金中碳结构钢（高温回火下获得二次沉淀硬化相

51、）。相）。400500抗拉强度可达抗拉强度可达13001500MPa。二次沉淀硬化型二次沉淀硬化型QHST型（型（Cr-Mo-V型）：型）：Q本类钢是在本类钢是在En40C基础上开发出来的。基础上开发出来的。Q即保持原中碳量（即保持原中碳量（0.300.40%）下调整）下调整Cr、Mo、V含含量，以达到高温回火下出现合金碳化物沉淀硬化的目量，以达到高温回火下出现合金碳化物沉淀硬化的目的。的。Q Cr、Mo、V形成的碳化物为形成的碳化物为Cr7C3、Mo2C、V4C3,二次硬化的主要元素为二次硬化的主要元素为Mo和和V, Cr的贡献较小。的贡献较小。钢种钢种主要化学成分（质量百分数）主要化学成分

52、（质量百分数）/%回火温回火温度度b0.2%AK/JCMnSiCrMoVMPaHST1000.370.530.343.190.960.2350055060017001700174017401510151013601360125017.719.120.249.656.756.73030HST1200.310.590.353.112.260.4350055060017401740182018201780178012901260136019.119.319.346.553.261.02830HST1400.410.610.325.132.260.485005506002010201022402240

53、212021201360147016107.55.713.315.610.641.52112（四）中碳中合金超高强度钢（四）中碳中合金超高强度钢典型的典型的HST钢成分和性能钢成分和性能（四）中碳中合金超高强度钢（四）中碳中合金超高强度钢1、H型型(Cr-Mo-V-Si)： 本类钢是从本类钢是从5Cr工模钢移植工模钢移植(4Cr5MoSiV)而来。由而来。由于它在于它在高温回火下有很高的强度和较满意的塑性与韧性，抗热高温回火下有很高的强度和较满意的塑性与韧性，抗热性好，性好，组织稳定，从而具有作为高速飞机高强材料的可能性。组织稳定，从而具有作为高速飞机高强材料的可能性。1955年年就引起航空材

54、料部门的广泛重视，并很快应用于飞机起就引起航空材料部门的广泛重视，并很快应用于飞机起落架和落架和骨架零件、炮弹和火箭壳体、高速转子等。骨架零件、炮弹和火箭壳体、高速转子等。Q 典型典型H型钢有型钢有H11、H13、H50、MOG510等，其化学成分依等，其化学成分依V量不同，实际上分为两类：一类含量不同，实际上分为两类：一类含V0.40.6%，相应钢种为，相应钢种为H11、 MOG510；另一类含；另一类含V0.81.3%，相应钢种为，相应钢种为H13和和H50，其它成分差别很小，波动于：，其它成分差别很小，波动于：C 0.320.45%, Cr4.755.5%, Mo1.11.75%, Si

55、0.81.2%. （四）中碳中合金超高强度钢（四）中碳中合金超高强度钢Q 从二次硬化的角度出发，从二次硬化的角度出发，H型钢和型钢和HST型钢的作用原理一样，型钢的作用原理一样，都是依赖都是依赖Mo和和V的合金碳化物（的合金碳化物（M7C3, M2C, MC）。由于硅）。由于硅含量提高，含量提高， H型钢的抗热性得到改善。型钢的抗热性得到改善。（五）中碳高合金超高强度钢（五）中碳高合金超高强度钢 1962年，人们发现中碳高年，人们发现中碳高Ni合金化下通过加合金化下通过加Co可可大大降低残留奥氏体量（因为钴提高钢的大大降低残留奥氏体量（因为钴提高钢的MS），并增），并增加碳化物量和弥散度，使回

56、火时的扩散过程变慢，从加碳化物量和弥散度，使回火时的扩散过程变慢，从而使钢强化而使钢强化; 钴和镍一起降低位错与晶格中间隙杂质元素的相互钴和镍一起降低位错与晶格中间隙杂质元素的相互作用能，低温下易于塑性变形，从而降低铁素体的冷作用能，低温下易于塑性变形，从而降低铁素体的冷脆性，这就为高强韧性的中碳高镍含钴型的新结构钢脆性，这就为高强韧性的中碳高镍含钴型的新结构钢的出现奠定了基础。的出现奠定了基础。 500550时效可获得弥散分布的特殊碳化物，获得高强时效可获得弥散分布的特殊碳化物，获得高强高韧。抗应力腐蚀性能好（高高韧。抗应力腐蚀性能好（高Ni），应力腐蚀开裂临界断裂强），应力腐蚀开裂临界断裂

57、强度因子度因子Kiscc为为84MPam1/2，是一般超高强度钢，是一般超高强度钢3倍，用于飞机倍，用于飞机重要受力结构件和海军飞机挂钩。重要受力结构件和海军飞机挂钩。（五）中碳高合金超高强度钢（五）中碳高合金超高强度钢1、Ni-Co型中碳结构钢（非二次硬化型）典型代表型中碳结构钢（非二次硬化型）典型代表0.3C-9Ni-4Co是有名的高强韧配合的结构材料是有名的高强韧配合的结构材料C,wt%HRCbMPal/J.cm-2奥氏体晶奥氏体晶粒粒 No.20100 196 253 0.100.190.280.360.46364348515312301400162018101900118838063

58、5710384644947746455292549492691010111112111212139Ni-4Co钢中钢中C量变化下的性能变化量变化下的性能变化（五）中碳高合金超高强度钢（五）中碳高合金超高强度钢Q经过成分优化，经过成分优化， 0.3C-9Ni-4Co钢是最佳成分配合，钢是最佳成分配合，其中镍可稍高于其中镍可稍高于9，而钴不应大于，而钴不应大于5。Q其优良的低温回火下和高温回火下的强韧性配合，其优良的低温回火下和高温回火下的强韧性配合，尤其是抗冷脆能力好，是高级的中强和高强结构材料。尤其是抗冷脆能力好，是高级的中强和高强结构材料。Q 为了进一步提高为了进一步提高0.3C-9Ni-4

59、Co型钢的使用强度，尤其是在高温型钢的使用强度，尤其是在高温回火下有高强韧性配合，以适用高强材料，发展成了一种二次回火下有高强韧性配合，以适用高强材料，发展成了一种二次硬化的硬化的Ni-Co-Cr-Mo型钢。它是在型钢。它是在0.3C-9Ni-4Co型钢基础上加型钢基础上加一定量的一定量的Cr、Mo和少量和少量V而形成的，其典型代表为而形成的，其典型代表为HP9-4-30和和BKC6。2、Ni-Co-Cr-Mo型中碳结构钢（二次硬化型）型中碳结构钢（二次硬化型）:（五）中碳高合金超高强度钢（五）中碳高合金超高强度钢Q高合金中碳结构钢的最佳成分范围为：高合金中碳结构钢的最佳成分范围为：Q Ni7

60、8%, Co 4.55%, Mo 1%左右，左右，Cr 1%左右，左右，V 0.1%左右左右 优点：优点：在淬火和高温回火下，有较好强塑韧性配合，冷脆抗力在淬火和高温回火下，有较好强塑韧性配合，冷脆抗力大，缺口敏感小，疲劳性能好，应力腐蚀抗力高；大，缺口敏感小，疲劳性能好，应力腐蚀抗力高；在在350550范围内长期工作，性能稳定。可作为范围内长期工作，性能稳定。可作为550 下热强钢使用，此外在下热强钢使用，此外在350550范围长期加热下范围长期加热下回脆敏感性小。回脆敏感性小。（六）超低碳马氏体时效钢（六）超低碳马氏体时效钢 时效硬化型超低碳马氏体时效硬化型超低碳马氏体 中碳型高强（特别是