工业用钢概念、分类和主要类型

1、工业用钢概念、分类和主要类型本章目的： 1 介绍合金钢的概念及其分类、编号的方法； 2 揭示合金元素在钢中的作用，即合金化原理； 3 分别介绍各种主要类型的合金钢。本章重点: (1) 合金元素对钢的组织与性能影响规律； (2) 各类钢主要的性能要求、成分及合金化特点，合金元素的主要作用，主要的热处理方法、应用;(3) 各类钢的典型钢种。10-1 概述一 多钢种原因 碳钢优点：价廉、实用； 力性随碳含量显著变化。 碳钢的性能缺点：（1）淬透性低；水淬，D临 =1020mm（2）强度、屈强比较低； 20钢与16Mn的s： 240、360MN/m2； 40钢与35CrNi3Mo的s/b：(3) 回火

2、稳定性差， 综合机性不高； 碳素工具钢T使200, V切5m/min;(4) 不能满足特殊性能要求 -合金钢的产生 二 钢分类及编号1 钢分类（1）按化学成分： 碳 钢 高、中、低碳钢：0.25%；0.6% 合金钢 高、中、低合金钢：5%；10%） 为改善钢的性能，冶炼时在碳钢的基础上 特意加入一定的合金元素所获得的钢。（2）按用途： 结构钢：工程构件、机器零件 工具钢：刃、量、模 特殊性能钢：耐热、耐蚀、磁性（3）按质量等级： 优质、高级优质、普通； 实际中往往采取综合法： 高级优质合金工具钢2 钢编号 反映：成分、用途 （1）碳钢（碳素结构钢、碳素工具钢） 普通碳素结构钢 （0.06%0.

3、4%）力性要求 Q195、Q215、Q235 -AF 、Q255、Q275； Q295、Q345、Q345、Q390、Q420、Q460 与旧标准的对比： Q235A3 -为构件用钢: 建筑、桥梁、船舶、压力容器、管道等 优质碳素结构钢(0.06%0.70%) 08F、10、20 : 塑韧性、焊接性好 冷冲、焊接、渗碳件调质后综合机性好 调质件强度高、弹性极限高弹性元件 25、30、35、40、45 : 50、60、65 : 碳素工具钢（0.65%1.35%） T7、T8：一定韧性 冲头、锤子、凿子T9、T10：硬度高、韧性适中； 钻头、手锯条、刨刀T12(A)、T13： 硬度高、韧性低 锉、

4、刮刀、量具 低速运转的工具（2） 合金钢 C% Me% 合金结构钢： 1/万 1/百 合金工具钢： 1/千 特殊性能钢： 1/千 例： 40Cr 合金结构钢； 9CrSi 合金工具钢 CrWMo合金工具钢；1Cr18Ni9 不锈钢 特殊： GCr15 1.5%Cr 0Cr18Ni9 0.08% 00Cr18Ni9 0.6%; Mn1.5%; Cr2%; Ni5%时韧性明显下降 限量使用 但过多则降低韧性 2 形成合金碳化物根据与碳的亲和力，合金元素分为两类：非碳化物形成元素： Ni、Co、Cu、Al、Si、N、B碳化物形成元素： Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti 以上由弱至强 弱碳化

5、物形成元素、中强碳化物形成元素可置换渗碳体中的铁原子 (Fe、Mn)3C 、 (Fe、Cr)3C （1）形成合金渗碳体意义： 合金渗碳体较渗碳体稳定，熔点和硬度更高 低合金钢中的主要强化相 （2）形成特殊碳化物 强碳化物形成元素、或较高含量的中强碳化物形成元素（5%）： VC、TiC、WC、Mo2C、Cr23C6、Cr7C3 形成特殊碳化物 特殊碳化物较合金渗碳体稳定性更高，熔点与硬度也更高耐较高温度强化相 高合金钢中的主要强化相 碳及合金元素在钢中存在形式及作用： (1)固溶于铁基体中； (2)形成各类碳化物固溶强化、 第二相强化，提高耐磨性小结：二 合金元素对铁碳相图的影响 1 影响奥氏体

6、、铁素体存在范围LL+ +Fe3C+Fe3CL +Fe3CCESPQGC%6.69FeT JNA1意义：在室温下可能获得单相奥氏体组织或单相铁素体组织 奥氏体钢 扩大相区，使A3 ， A4 ： Cr、W、Mo、V、Ti、 Al、Si、B、Nb、Zr 扩大相区，使A3，A4： Ni、Mn、Cu、Co、C、N2 影响相图临界点（S、E)） *所有合金元素均使S、E点左移 4Cr13过共析钢； W18Cr4V莱氏体钢 三 对钢热处理的影响1 对加热时相转变的影响： 大多数合金元素都使奥氏体的长大减慢，成分均匀化难度加大 大多数合金钢比碳钢加热温度高，保温时间长； 但须考虑合金元素对A3的影响， 例含

7、Mn钢 2 对冷却转变（C曲线）的影响： 实质为对C曲线的影响：典型应用：含Mo的贝氏体钢的设计原理非碳化物形成元素改变位置，不改变形状碳化物形成元素 改变位置与形状，使P、B转变分离(1) 使C曲线位置和形状改变：(2) 大部分合金元素使C曲线右移意义：提高淬透性 合金元素提高淬透性的顺序(由强至弱)： Mo、Mn、W、Cr、Ni、Cu、Si、V 另 B 元素：添加0.0005%0.0035%量 显著提高淬透性(3) 大部分合金元素Ms、Mf, ,AR%; 高碳、高合金钢的多次回火工艺，目的之一是减少AR%。注： 合金元素需溶入奥氏体中； 含较多提高淬透性元素的钢可能在空冷条件下获马氏体 例

8、如：W18Cr4V 3 合金元素对回火过程的影响(1) 提高钢的回火稳定性 回火稳定性定义： 钢在回火过程中抵抗软化的能力。原因：合金元素推迟回火各个阶段，增强钢抵抗软化能力提高钢的回火稳定性。 合金碳化物稳定性高意义： （1）在相同温度下回火，合金钢比碳钢有更高的强硬度；（2）相同强度下合金钢比碳钢可在更高温度下回火，有更好韧性。 （2）产生二次硬化二次硬化：含较多W、Mo、V、Ti及较高C%的钢回火时，硬度不是随回火温度升高单调下降，而是到某一温度后反而开始增大（400），并在另一更高温度（550）达到峰值。 回火温度，HRC 200 400 600604020+5%Mo+2%MoC%原因

9、： 马氏体中析出Mo2C 、VC、TiC 即特殊碳化物在相的位错区沉淀析出，与相共格 共格强化与弥散强化 二次淬火：回火中未分解的AR在随后冷却到T0.4%时，焊接性差 碳当量0.2% 焊接性较好构件用钢只能微合金化、低合金化 (2) Me(3%) 微合金化或低合金化 Mn（0.81.7%）元素作用： 固溶强化、增加珠光体量、细化珠光体 V、Ti、Nb：弥散强化、细化晶粒 Cu、P：耐蚀4 典型钢种： Q295、Q345、Q345、Q390、Q420、Q460 新标准GB/T1591-94 旧标准GB/1591-88 16Mn、 15MnV、14MnNb等 AE ：代表质量等级（由低到高），

10、主要是S、P含量的差异新旧标准低合金结构钢牌号对照 C Mn Si P S Cr NiQ420(C、D、E)5 热处理：正火 使用状态： 热轧（组织：细铁素体索氏体） 与相同碳含量碳钢相比，低合金高强度钢综合性能更佳： 强度更高：25150 塑韧性更好：1525， ak 6080%; 脆性转变温度(TK)更低； TaKTK二 渗碳钢 渗碳定义：在增碳的活性介质中，钢的表面为碳所饱和而获得高碳的渗层组织，称为渗碳。 目的：提高零件表面硬度、耐磨性和疲劳强度。 渗碳钢用作整体受冲击或交变应力，表面受磨损的零件，这些零件要求表面硬、心部韧，如机床、汽车、拖拉机的变速齿轮等。 1 成分特点： Me：

11、Cr、Ni、Mn、B； V、Ti、Nb淬透性，强韧性阻碍A晶粒长大 低C（0.1%0.25%）2 典型渗碳钢种 (1) 低淬透性 20Cr、 20Mn2 、 20MnV 、 20CrV 合金总量 100mm高载荷、重要耐磨件中等载荷件热处理前渗层组织： （1）热处理工艺： 渗碳 + 淬火 + 低温回火 （2）组 织： 表面：高碳回火马氏体 心部：低碳回火马氏体4 性能： 表面硬耐磨； 心部韧抗冲击。3 热处理及使用状态的组织：二、渗碳后缓冷的组织1C0.2C心部亚共析区 共析区 过共析区三 调质钢 调质工艺：淬火+高温回火， 1 用途： 汽车、拖拉机、机床等的重要零件如： 轴类、连杆、齿轮、螺

12、栓等 2 性能要求 受力复杂：较大的循环载荷、复合应力 高强度、良好塑韧性、高的疲劳强度 要求高的综合机械性能。（1） 中C（0.25%0.5%） C过低：淬硬性不够回火后强度不够 C过高：韧性不够（2） 加入提高淬透性合金元素 Cr、Ni、Mn、Si； 3 成分特点：（3）加入防第二类回火脆性元素 W、Mo等 4 典型钢种：(1) 低淬透性 40Cr、 40MnB 、 40MnVB D水淬临界大约2040mm,（2）中淬透性 40CrMn、40CrNi、 40CrMnTi、 35CrMo D水淬临界大约4060mm,（3）高淬透性 40CrNiMo、30CrNi3 D水淬临界60100mm,

13、 5 热处理工艺： 淬火+高温回火 使用态组织：回火索氏体 四 弹簧钢 1 用途： 制作各种弹性元件以产生较大弹性变形，起缓和冲击、吸收振动等作用。 2 性能要求： 高的弹性极限，屈强比、疲劳强度3 成分特点 (1) 中高碳: 合金弹簧钢: 0.4%0.7%C ; 碳素弹簧钢：0.60.9%C (2) Me： Mn、Cr、 Si ：淬透性，固溶强化 Si ：S/ b (屈强比) W、Mo ：防第二类回火脆性1%2%4 典型钢种：65、60Si2Mn、60Si2MnWA钢号CSiMn其它65Mn0.620.700.170.370.91.255Si2Mn0.520.601.52.00.60.960

14、Si2Mn0.560.641.52.00.60.960Si2CrVA0.560.641.41.80.40.7Cr: 0.71.060Si2MnWA0.610.691.502.000.701.00W: 0.81.2 5 成型与热处理工艺： （1）冷成型弹簧 小型 (d1015mm) 热轧钢丝或钢板 淬火+中温回火 弹簧钢使用态组织： 回火屈氏体或屈氏体c. 铅浴淬火冷拉钢丝 铅浴等温淬火获屈氏体冷拔、成卷 1600MPa，强度高但不均匀五 滚动轴承钢 1 用途： 滚动轴承的滚动体、内外套圈等。 2 性能要求： 点、线接触 高的压应力： 15005000MPa 交变应力 高的接触疲劳 摩擦 高硬度

15、与耐磨性： HRC6264 大气、润滑油介质 耐蚀性3 成分特点： (1) 高碳: 0.951.15%C (2) 低铬(0.41.65%Cr): 提高淬透性；形成碳化物 (3) 其它元素： Mn、Si ：淬透性 (4) 高的冶金质量： *夹杂物与碳化物的控制4 典型钢种 5 热处理及使用态组织： 热处理工艺：球化退火 + 淬火 + 低温回火使用态组织：高碳回火马氏体+弥散细小碳化物可用作工具钢10-4 工具钢工具钢分类： 刃具钢、模具钢、量具钢。一、 刃具钢 (一) 用途： 切削刀具：车刀、铣刀、钻头、 锯、丝锥、板牙等 受 力：弯曲、扭转、剪切、冲击、 震动、擦 失效形式：磨损、崩刃、卷刃、

16、折断等(二) 性能要求： （1）高硬度( HRC60) （2）高耐磨性 （3）高的热稳定性或红硬性 热稳定性：钢在使用变热过程中保持其原金相组织与性能的能力。 红硬性：钢在高温条件下保持足够高硬度的能力。可用多次高温回火后在室温条件下测得的硬度表示。 (4) 一定的韧性：抗拉压弯扭，抗冲击 刃具钢共性要求不同刃具的性能要求有一定差异基体组织：高碳马氏体(三)典型刃具钢种及成分、组织、热处理特点 刃具钢按成分分为： 碳素刃具钢、低合金刃具钢、 高合金刃具钢 高速钢1 碳素工具钢 (1) 成分特点： 高碳（0.65%1.35%C ） 碳的作用：提高硬度与耐磨性 作用机理： 、固溶于基体； 、形成F

17、e3C (2) 热处理及使用态组织： a. 预备热处理：球化退火 目的： 、软化组织； 、细化、均匀化组织 b. 最终热处理： 淬火低温回火 使用态组织： 细针状高碳回火马氏体 粒状Fe3CART12钢淬火态组织T12钢铸态组织T12钢球化退火组织(3) 典型钢种 T7、 T8： T9、 T10： T12、T13：一定韧性的 冲头、锤子、凿子硬度高、韧性适中的钻头、手锯条、刨刀硬度高、韧性低的锉、刮刀等(4) 碳素刃具钢的应用优点： 加工工艺简单； 成本低； 常温下硬度足够。缺点： 热稳定性较差：T200, HRC15mm时：水淬下仅表面淬硬 工件尺寸受限，内应力及变形大 应用 ：手动工具或低

18、速运转的工具； 尺寸较小、对变形要求不高的工具 切削软金属或木工工具2 低合金刃具钢 (1) 化学成分特点 a. 高碳： 0.9%1.5%C; 进一步提高硬度与耐磨性 b. 加入淬透性元素: Cr、Mn、Si； c. 加入硬度与耐磨性元素: W、V d. 加入回火稳定性元素： Si 注意：合金元素的综合作用 合金总量15%, 添加大量碳化物形成元素 W、Mo、 Cr、 V等 Cr: 淬透性；回火后形成细小碳化物 W、Mo：高的红硬性；二次硬化 V：红硬性；细化晶粒(3) 热处理特点： 莱氏体钢 粗大的共晶碳化物 a. 反复锻造； 打碎粗大的鱼骨状共晶碳化物(2) 典型钢种： W18Cr4V；

19、Mo8Cr4V2; W6Mo5Cr4V2 b. 分级预热（600、800）； c. 高温淬火（12501300）； d. 分级淬火（600、400）； e. 多次回火（550，三次以上） 目的：产生二次硬化； 消除残余奥氏体 淬 火：2030AR 一次回火：15 AR 二次回火：57 AR 三次回火：12 AR。(4) 高速钢组织 淬火组织： 隐晶马氏体+粒状碳化物+2030AR 回火组织： 极细回火马氏体+大量粒状碳化物 +少量（12%）AR 性能： HRC6365 600 ： HRC60；铸态组织锻造态组织淬回火态组织高速钢的发展： (1) 合金化： 加Co：W6Mo5Cr4V2Co12

20、加Al：W6Mo5Cr4V2Al 硬度可达HRC6870(2) 粉末冶金法：消除莱氏体共晶组织(3) 表面处理工艺：蒸汽处理等(4) 低碳高速钢： 0.2%C含Co超硬高速钢成分 渗碳处理 二、模具钢 包括： 1 热作模具钢：要求高温下的硬度和强度，抗热疲劳和良好的韧性。 如锤锻模，挤压模，压铸模。 2 冷作模具钢：高硬度，耐磨性和一定的韧性。 如冲切模、搓丝模、拉丝模、剪刀片。 3 量具钢：要求高硬度，高耐磨性和尺寸稳定性。 如量规、样板、卡尺。 二、模具钢 包括：热作模具钢、 冷作模具钢、 量具钢。（一）冷作模具钢 1 用途：用来制作使金属冷变形的模具，如冷冲、冷镦、冷挤压、冲裁拉丝等模具

21、。 2 工作状况：变形抗力大；冲击较大；工作温度低于200300 3 性能要求：高硬度和耐磨性，一定韧性。 4 常用冷作模具钢（1）中小型模具 高碳、低合金 如T12、Mn2V、Cr2、CrWMn等。 尺寸小、形状简单、负荷小模具可用低合金刃具钢代替；（2）大型模具 主要包括高淬透性、高耐磨的高碳高铬钢、高碳中铬钢、低C高速钢 或基体钢。如：Cr12, Cr12MoV高碳高铬钢 Cr6WV, Cr4W2MoV, Cr5Mo1V 高碳中铬钢 6W6Mo5Cr4V2; Cr4W3Mo2VNb 低C高速钢 50Cr4Mo3W2V, 0Cr4Mo3Ni2WV 基体钢其中： 高铬模具钢Cr12及Cr12

22、MoV 属于高C亚共晶莱氏体钢， 含Cr7C3型化合物（HV2100） 具有高淬透性。 可用两种热处理工艺： 1）低温淬火和低温回火, M+Ar(少) HRC 61-63； 2）高温淬火与高温回火，M+Ar(多) 多次回火，提高硬度。 （3） 新型冷作模具钢 材质上：高韧性、高耐磨性模具钢 如：8Cr8Mo2VSi、Cr8Mo2V2WSi等 加工工艺上：粉末冶金冷作模具钢 用水雾化法将钢水雾化成细小钢粉末，通过快速凝固，每颗粉末中的高合金莱氏体得到细化，显著改善烧结后钢的韧性。可以生产用传统冶金方法难以生产的高碳高合金冷作模具钢。使钢中含有更多的硬质碳化物VC，具有更高的耐磨性。 （二）热作模

23、具 金属的热成型有两种途径： 锤锻、挤压压铸 热作模具钢的特殊要求： 工作温度可达600； 韧性、热稳定性要求高 具体： 高温硬度、高温强度、 高抗热塑性变形能力、高韧性、 高抗热疲劳、良好的抗热烧蚀性。 1 锤锻模钢中碳 ：13%1/8 2/8 3/8 n/8腐蚀速度3 不锈钢的合金化原理（2）添加形成单相固溶体元素 Ni 、Mn、Cu; 单相奥氏体 Cr12.7%单相铁素体（3） 可形成致密氧化物元素： 要求：结构致密、不溶于腐介、高电阻 Cr Cr2O3; Al Al2O3; Si SiO2 ； MoO3; 不锈钢中不可缺的元素： Cr13%Cr的作用：提高基体电极电位； 形成致密氧化膜； 一定条件下形成单相铁素