第06章 金属材料之1钢20091109

1、l工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类钢两大类。l碳素钢是指含碳量低于碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合的铁碳合金。金。l合金钢是指为了提高钢的性能，在碳合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。获得的铁基合金。 一、杂质元素对性能的影响一、杂质元素对性能的影响l钢中的杂质一般是指钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S。是由原。是由原料带入或脱氧残留的元素。料带入或脱氧残留的元素。l2、Si： 0.4%时为杂质，是有益元素。作用为：时为杂质，是有益元素。作用为： 中碳钢中碳钢 0.2

2、50.6%C高碳钢高碳钢 0.6%C低碳钢低碳钢 0.25%C低合金钢低合金钢 合金元素总量合金元素总量 5%中合金钢中合金钢 合金元素总量合金元素总量 510%高合金钢高合金钢 合金元素总量合金元素总量 10%碳素钢碳素钢合金钢合金钢工程用钢工程用钢 建筑、桥梁、船舶、车辆建筑、桥梁、船舶、车辆渗渗 碳碳 钢钢调调 质质 钢钢弹弹 簧簧 钢钢滚动轴承钢滚动轴承钢耐耐 磨磨 钢钢机器用钢机器用钢结结 构构 钢钢刃具钢刃具钢模具钢模具钢量具钢量具钢工工 具具 钢钢不锈钢不锈钢耐热钢耐热钢耐磨钢耐磨钢特特 殊殊 性性能能 钢钢挤压模具挤压模具l脱氧方法符号脱氧方法符号: 沸腾钢沸腾钢F；镇静钢；镇

3、静钢Z；半镇静；半镇静钢钢b；特殊镇静钢；特殊镇静钢TZ。l如碳素结构钢牌号表示为如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。l*说明：通常情况下，屈服强度值小说明：通常情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大于时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高时为低合金高强度钢。强度钢。牌号牌号: 60 Si2 Mn 含碳量含碳量0.6%含硅量含硅量2%含锰量不大于含锰量不大于1.5%丝锥丝锥锉刀锉刀5CrMnMo铬、锰、钼的平均含量小于铬、锰、钼的平均含量小于1.5%,当含碳量大于当含碳量大于1.00%时，不标含碳量时，不标含碳量牌号牌号: CrWMn含碳量不小于含碳量不小于1.

4、0%,铬、钨铬、钨、锰的平均含量小于锰的平均含量小于1.5%,含碳量含碳量0.5%一一. .合金元素对钢的组织和性能的影响合金元素对钢的组织和性能的影响 合金元素对钢中基本相的影响。合金元素对钢中基本相的影响。 合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。相图的影响。 合金元素对钢的热处理的影响。合金元素对钢的热处理的影响。1.溶于基体中形成合金溶于基体中形成合金 F 2.与碳作用形成合金碳化物与碳作用形成合金碳化物(Fe,Cr)3C。3.单独形成特殊碳化物单独形成特殊碳化物 TiC、VC 。溶于铁素体溶于铁素体, 起固溶强起固溶强化作用。非碳化物形化作用。非碳化物形成元素及过剩的碳化成元素

5、及过剩的碳化物形成元素都溶于铁物形成元素都溶于铁素体，形成合金铁素素体，形成合金铁素体。体。Si、Mn对强度、对强度、硬度提高显著。硬度提高显著。Cr、Ni在适当范围内提高韧在适当范围内提高韧性。性。Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱弱强强v 弱碳化物元素弱碳化物元素: : Fe、Mn。v 中强碳化物元素中强碳化物元素: : Cr、Mo、W。v 强碳化物元素强碳化物元素: : V、Ti、Nb、Zr。 熔点、硬度、耐磨性最高。熔点、硬度、耐磨性最高。 稳定性最高。稳定性最高。TiC、NbC、VC。Mn、Ni、Co等元素等元素。作用作用: 使使A3线温度下降线温度下降, A4线线(

6、JN线线)温度上升温度上升。锰对奥氏体相区的影响锰对奥氏体相区的影响Cr、Mo、W、V、Ti、Si 等元素等元素。作用作用: : 使使A3线温度上升线温度上升, A4线温度下降。线温度下降。v几乎所有的合金元素。几乎所有的合金元素。v作用作用: : 使使S点和点和E点的成分向左移。点的成分向左移。 使使A1线线的温度变化。的温度变化。除除Mn 元素外元素外, ,所有合金元素的加所有合金元素的加 入入, ,均使奥氏体的形成速度减慢。均使奥氏体的形成速度减慢。强碳化物形成元素能强烈的阻止奥强碳化物形成元素能强烈的阻止奥 氏体晶粒长大氏体晶粒长大( Ti、V、Zr、Nb 等等)。非碳化物形成元素能轻

7、微的阻止奥非碳化物形成元素能轻微的阻止奥 氏体晶粒长大氏体晶粒长大( Si、Ni、Cu、Co 等等)。v 除除 Co 元素外元素外, 所有的合金元素均使所有的合金元素均使 钢的钢的 TTT 曲线向右移。降低钢的临界冷却曲线向右移。降低钢的临界冷却速度速度。提高钢。提高钢的淬透性。的淬透性。v 除除 Co、Al 元素外元素外, 所有的合金元素所有的合金元素都使马氏都使马氏体转变温度下降。体转变温度下降。 v 提高钢的淬透性提高钢的淬透性, 常用的元素有常用的元素有: Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。等。回火抗力的增加回火抗力的增加 ( temper resistance )二次硬化的产生二次

8、硬化的产生 ( secondary hardening ) 产生回火脆性产生回火脆性 ( temper brittleness)淬火碳钢淬火碳钢 回火回火 时的时的 硬度变化硬度变化l对于同一回火温度，当回火硬度相同时，合金钢比同含碳量对于同一回火温度，当回火硬度相同时，合金钢比同含碳量碳钢回火温度高。如果同温度回火，合金钢硬度比碳钢高。碳钢回火温度高。如果同温度回火，合金钢硬度比碳钢高。高速钢高速钢铜陵长江公路大桥铜陵长江公路大桥一、普通结构钢一、普通结构钢螺纹钢螺纹钢黄河小浪底枢纽工程黄河小浪底枢纽工程二、低合金高强度结构钢二、低合金高强度结构钢低合金高强钢合金元素细化晶粒作用低合金高强钢

9、合金元素细化晶粒作用l Mn的作用是强化铁素体；增加珠光体的量。的作用是强化铁素体；增加珠光体的量。l V、Ti、Nb等起细化晶粒和弥散强化作用。等起细化晶粒和弥散强化作用。 l 另外加另外加Cu、P可提高耐蚀性。可提高耐蚀性。Q460钢含钢含Mo、B，正火组织，正火组织 为为B，强度高，用于石化中温，强度高，用于石化中温 高压容器。高压容器。压力容器压力容器南京长江大桥南京长江大桥 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，用于中等压力的容器。高，用于中等压力的容器

10、。万吨远洋轮万吨远洋轮渗碳钢渗碳钢 c含量含量 0.15-0.25调质钢调质钢 c含量含量 0.25-0.55 弹簧钢弹簧钢 c含量含量 0.45-0.85滚动轴承钢滚动轴承钢 c含量含量 0.95-1.15三、渗碳钢三、渗碳钢渗碳炉渗碳炉渗碳件渗碳件高精密独高精密独立导柱立导柱渗碳淬火后的表层组织渗碳淬火后的表层组织l正火目的为调整硬度，便于切削加工。正火目的为调整硬度，便于切削加工。l淬火温度一般为淬火温度一般为 Ac1+30-50。 l4、使用状态下组织、使用状态下组织l心部：心部：M回回+Fl表层：表层：M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A(少量少量)；20 Mn2 Ti A等级等级:

11、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 低淬透性渗碳钢：低淬透性渗碳钢：合金元素总量合金元素总量3 %，典型钢，典型钢种：种： 15Cr、20Cr、20Mn2。用于受力小的耐磨件，如柴油用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。机的活塞销、凸轮轴等。中淬透性渗碳钢中淬透性渗碳钢合金元素总量在合金元素总量在4 %左右。典型左右。典型钢种：钢种：20 CrMn、20CrMnTi、 20Mn2TiB。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活塞销活塞销( 20Cr )高淬透

12、性渗碳钢高淬透性渗碳钢合金元素总量在合金元素总量在4 % 6 %。典型钢种：典型钢种：18Cr2NiWA、 20Cr2Ni4A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调质件（螺杆）调质件（螺杆）四、调质钢四、调质钢调质件（冷却轮）调质件（冷却轮）破碎机主轴破碎机主轴l为提高表面耐磨性，调质后可为提高表面耐磨性，调质后可进行表面淬火或氮化。进行表面淬火或氮化。回火索氏体回火索氏体调质处理车间调质处理车间(表面淬火表面淬火+低温回火低温回火)装配装配为表面淬火作组织准备；为表面淬火作组织准备；获得最终心部组织获得最终心部组织.表面：表面：

13、 M回回；心部：心部：S回回柴油机凸轮轴柴油机凸轮轴单缸汽车曲轴单缸汽车曲轴五、弹簧钢五、弹簧钢汽车弹簧汽车弹簧汽车板簧淬火线汽车板簧淬火线冷卷螺旋压缩弹簧冷卷螺旋压缩弹簧大型热卷弹簧大型热卷弹簧汽车板簧汽车板簧1.性能要求性能要求:v高的硬度强度和耐磨性高的硬度强度和耐磨性;v高的接触疲劳强度高的接触疲劳强度;v足够的韧性和耐蚀性足够的韧性和耐蚀性;v高的纯净度高的纯净度;滚珠轴承滚珠轴承滚针轴承滚针轴承滚柱轴承滚柱轴承推力球轴承推力球轴承滚针滚针轴承轴承lCr还提高耐磨性（形成合金渗还提高耐磨性（形成合金渗碳体）和耐蚀性。碳体）和耐蚀性。l当当1.65%Cr时时,会因会因A增加而增加而使硬

14、度和稳定性下降。使硬度和稳定性下降。 M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A(少量少量)l淬火后进行冷处理淬火后进行冷处理(- -60 - -80), 可以可以减少减少A、稳定尺寸、稳定尺寸. 轴承生产车间轴承生产车间滚针轴承滚针轴承滚柱轴承滚柱轴承滚珠轴承滚珠轴承大型轴承大型轴承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根据其用途特点根据其用途特点工具钢的分类工具钢的分类分类原则第四节第四节 工具钢工具钢刃具钢刃具钢模具钢模具钢量具钢量具钢模具模具根据其化学成分特点根据其化学成分特点工具钢的分类工具钢

15、的分类分类原则碳素工具钢碳素工具钢低合金工具钢低合金工具钢高合金工具钢高合金工具钢中合金工具钢中合金工具钢切削加工的基本形式切削加工的基本形式切削加工切削加工l高碳高碳(0.651.35%C) 随含碳量提高，碳化物随含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，量增加，耐磨性提高，但韧性下降。但韧性下降。 碳素工具钢带碳素工具钢带碳素工具钢材料碳素工具钢材料球状珠光体球状珠光体T12钢正常淬火组织钢正常淬火组织木工凿木工凿木工钻木工钻丝锥丝锥锉刀锉刀手锯条手锯条钻头钻头合金元素及含量合金元素及含量千分之几的含碳量千分之几的含碳量 CrWMn9 Si Cr W18 Cr4 V（1）性能要求）性能要求:高

16、硬度、高耐磨性、有一高硬度、高耐磨性、有一定的红硬性、强度和韧性定的红硬性、强度和韧性,工作温度不超过工作温度不超过300。（2）化学成分特点）化学成分特点:*高碳高碳 0.751.5%C*加入加入Cr、Mn、Si、 W、V 等合金元素。等合金元素。（3）热处理特点）热处理特点:球化退火球化退火 淬火淬火 + 低温回火低温回火 丝锥丝锥板牙板牙低合金工具钢扳手低合金工具钢扳手板牙板牙球化退火球化退火 淬火淬火 + 低温回火低温回火 (1) 性能要求性能要求:高硬度、高耐磨性、高的红高硬度、高耐磨性、高的红硬性硬性(600时时,HRC63以上以上) 、有一定的强度和韧性。有一定的强度和韧性。代表

17、钢种：代表钢种：W18Cr4V(18-4-1 钢钢),W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)车刀车刀铣刀铣刀钻头钻头(2) 化学成分特点化学成分特点:v高碳高碳 0.71.5%:v钨钨 18%:v钼钼 5%:v铬铬 4%:v钒钒1.5%: 保证高硬度保证高硬度退火状态下形成退火状态下形成M6C碳化物碳化物,在在560左右回火时左右回火时, 弥散析出弥散析出W2C, 造成二次硬化造成二次硬化, 提高钢的红硬性。提高钢的红硬性。1%Mo的作用等同于的作用等同于2%W。形成形成Cr23C6碳化物碳化物;提高钢的淬透提高钢的淬透性。性。形成形成VC, 硬度极高硬度极高, 提高钢的硬提高钢的硬度和耐磨性

18、度和耐磨性, 产生二次硬化产生二次硬化。钨、钼的作用钨、钼的作用:保证高的热硬性保证高的热硬性铬、钒的作用铬、钒的作用:保证高的热硬性和耐磨性保证高的热硬性和耐磨性l（3）高速钢高速钢加工与热处理的特点加工与热处理的特点l加工工艺路线：下料加工工艺路线：下料锻造锻造退火退火机加工机加工淬火淬火回火回火磨削磨削W18Cr4V铸造组织 130 W18Cr4V铸态组织 420 锻造锻造:鱼骨状碳化物不能用热处理来消除鱼骨状碳化物不能用热处理来消除,只能依只能依 靠反复多次锻打来击碎靠反复多次锻打来击碎。W18Cr4V锻造组织 210 l 锻造目的：打碎粗大的鱼骨状共晶碳化物，使锻造目的：打碎粗大的鱼

19、骨状共晶碳化物，使其均匀地分布于基体中。其均匀地分布于基体中。l淬火后组织：淬火后组织： M+未溶碳化物未溶碳化物(10%)+A (20%)W18Cr4V钢的淬火组织钢的淬火组织l 回火目的：主要回火目的：主要为减少为减少A。消除内。消除内应力、稳定组织。应力、稳定组织。高速钢硬度与回火温度关系高速钢硬度与回火温度关系*淬火后淬火后A残残约约2025 %。*第一次回火后第一次回火后A残残约剩约剩1518 %。*第二次回火后第二次回火后A残残约剩约剩35 %。*第三次回火后第三次回火后A残残约剩约剩12 %。回火后的组织回火后的组织: M回回 + Cm + A残残 ( 1 2 % )组织硬度为组

20、织硬度为HRC65以上以上。W18Cr4V淬火+一次回火组织 105 W18Cr4V淬火+ 三次回火组织 420 铸态铸态淬火回火态淬火回火态淬火态淬火态退火态退火态v热作模钢热作模钢:工作温度为工作温度为600以上。以上。v冷作模钢冷作模钢:工作温度为工作温度为200300。1.性能要求性能要求:高的热硬性、高温耐磨性高的热硬性、高温耐磨性;高的抗氧化能力高的抗氧化能力;高的热强性和足够高的韧性高的热强性和足够高的韧性;高的热疲劳抗力高的热疲劳抗力( 防止龟裂防止龟裂 );高的淬透性和导热性高的淬透性和导热性; 2.化学成分特点化学成分特点:中碳中碳 0.30.6 %;合金元素合金元素:Cr

21、、Ni、Mn、 Si、Mo、W、V。曲轴模具曲轴模具3.热处理特点热处理特点:*热锻模钢热锻模钢:5CrMnMo 热处理工艺热处理工艺: 淬火淬火 + 550回火回火 热处理后的组织热处理后的组织: S回回或或T回回 温度时间500820850预冷预冷油冷油冷530550回火回火三、量具钢三、量具钢卡尺卡尺塞规塞规千分尺千分尺1.性能要求性能要求:高的硬度高的硬度, HRC62;高的耐磨性高的耐磨性;高的尺寸稳定性高的尺寸稳定性;足够高的心部韧性足够高的心部韧性;热处理变形小热处理变形小; 尺寸稳定尺寸稳定;良好的耐蚀性良好的耐蚀性;卡卡 尺尺量量 规规千分尺千分尺3.热处理特点热处理特点:4

22、.热处理后的组织热处理后的组织: M回回 + Cm5.牌号牌号: CrWMn、4Cr13、GCr15、 9SiCr、T12A、60等等。2.化学成分特点化学成分特点:高碳高碳 0.91.5 %;合金元素合金元素:Cr, Mn、W。650820840油冷油冷3h-70-80冷处理冷处理110120时效处理时效处理精磨精磨3h研磨研磨温度时间1401603h36h化工管道化工管道的腐蚀的腐蚀裂解管裂解管内壁的内壁的高温腐高温腐蚀减薄蚀减薄一、不锈钢一、不锈钢l在腐蚀介质中具有在腐蚀介质中具有耐蚀性能的钢。耐蚀性能的钢。l 金属的腐蚀金属的腐蚀l金属的腐蚀分化学金属的腐蚀分化学腐蚀和电化学腐蚀。腐蚀

23、和电化学腐蚀。 l工业发达国家每年金属腐蚀工业发达国家每年金属腐蚀造成的直接经济损失占造成的直接经济损失占GNP的的4%左右。中国每年腐蚀左右。中国每年腐蚀的损失至少达的损失至少达400亿元以上亿元以上.珠光体腐蚀示意图珠光体腐蚀示意图电解液电解液Zn-Cu原电池示意图原电池示意图ZnZn晶间腐蚀晶间腐蚀304不锈钢不锈钢消火栓消火栓齿轮架齿轮架4.化学成分特点化学成分特点: * 低碳低碳:耐蚀性要求愈高耐蚀性要求愈高,碳含量愈低。碳含量愈低。 * 合金元素合金元素:主加主加Cr。 辅加辅加Ni、Mo、Cu、Ti、Nb、Mn 等。等。5.常用的不锈钢常用的不锈钢:马氏体型不锈钢马氏体型不锈钢 铁素体型不锈钢铁素体