工程结构用钢

第二节工程结构用钢一、概述结构钢包括工程结构钢和机械结构钢。对结构钢的性能要求主要在两个方面：使用性能以强韧性为主。工艺性能以可焊性、淬透性为主。合金结构钢除少量为中高合金钢外，其余都是低合金钢。它们通常以钢棒、钢管、钢板、钢带、钢丝、型钢等不同规格供货。

二、碳素结构钢1、成分：<0.4%C，P、S量较多。2、性能：可焊性、塑性好。3、热处理：热轧空冷态下使用。4、使用状态下组织：F+P5、用途：常以热轧型材使用，约占钢材总量的70%。用于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。热轧钢板三、低合金结构钢（一）低合金高强度结构钢1、性能要求:⑴高强度及足够韧性。⑵良好的焊接性能、耐蚀性及低的冷脆转变温度。

2、成分特点：低碳(≤0.2%C)、主加Mn①Mn:强化铁素体,增加珠光体的量,降低脆转温度。②V、Ti、Nb:起细化晶粒和弥散强化作用。③Cu、P可提高耐蚀性，RE可提高韧性、疲劳极限。压力容器南京长江大桥3、热处理：热轧空冷后使用4、使用状态下组织：F+P5、用途：Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的压力容器。Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度高，用于石化中温高压容器。（二）低合金耐候钢

低合金耐候钢是在碳素结构钢的基础上加入少量的铜、铬、镍、钼、磷等合金元素，使其在钢的表面形成一层连续致密的保护膜，可耐大气腐蚀的低合金钢称耐候钢。

我国的低合金耐候钢有二类：

1）高耐候性结构钢如09CuPCrNi—B（C＜0.12%），主要用于车辆、建筑、塔架及其他耐候性要求高的工程结构件。

2）焊接结构用耐候钢如12MnCuCr(C：0.08～0.15%），用于桥梁、建筑及有耐候要求焊接结构件。（三）其他低合金专业用钢

某些专业特定工作条件，国家对低合金结构钢的成分及工艺进行了调整和补充，发展了门类众多、专业范围较广，使用工业部门较多的低合金工程结构钢类。许多钢号已纳入国家标准。例如：各种压力容器、低温压力容器、锅炉、船舶、桥梁、汽车、自行车、农机、矿山、石油天然气管线、铁道、建筑用钢筋等低合金工程结构钢均有标准。

可根据构件或零件的工作条件和使用性能、工艺要求来选择合适的低合金结构。

另外还有一类低合金高强度结构钢，正在不断发展中。如：（1）微合金化钢加入钛、钒、铌、氮等微量合金元素，细化晶粒，实现沉淀硬化。屈服点可达540MPa以上。（2）贝氏体钢热轧状态下获得450-900MPa的屈服点。（3）双相钢铁素体+马氏体，高的强度和冷成形性。四、工程用铸造碳钢用锻造方法难以生产的、力学性能要求较高，而使用铸铁难以达到性能要求的复杂形状零件常用铸造碳钢来制造。牌号：ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570、ZG340-640。第三节机械结构用钢一、概述机械结构：指适用于制造机器和机械零件或构件的钢类。属于优质的、特殊质量的结构钢。一般要热处理后使用。包括调质结构钢、表面硬化钢、弹簧钢、冷塑成形钢等，即包括机械结构用的非合金钢和合金钢二大类。它们多以钢棒、钢管、钢板、钢带、钢丝等规格供货。二、优质碳素结构钢

优质碳素结构钢是在碳含量WC＝0.05%～0.90%、锰含量WMn＝0.25%～1.2%的铁碳合金。除了65Mn、70Mn、70～85钢是特殊质量外，其余为优质的。主要用于机械结构零件与构件，称机械结构非合金钢类。进行热处理后才能使用。优质碳素结构钢主要成分、牌号、性能及用途，见表4-5所列。

优质碳素结构钢，按主要工艺特点不同也可分为：非合金表面硬化钢，非合金调质钢，非合金弹簧钢，非合金行业用钢，非合金冷塑成型钢，非合金冷镦钢等。

冷塑性成形钢：指在冷塑性变形条件下，能够获得符合要求的形状、尺寸以及较高力学性能原材料、毛坯件和零件的专用钢种。高塑性和较小变形抗力。非合金冷塑性成形和低合金冷塑性成形钢二大类。1.非合金冷塑性成形用钢（1）非合金冷冲压用钢冷冲压生产工艺在汽车、拖拉机、航空、电器、仪表等行业中占有极其重要地位。利用冲压设备和模具对薄板材料进行冷冲压，可获得形状复杂、尺寸精度高、生产率高的冷冲压件。冲压所用的原材料必须具有高塑性的薄板。专用于冷塑成形的非合金钢对成分、显微组织与性能有特殊要求。

冷冲压所用薄钢板(δ≤4mm)，多采用冷轧碳素薄钢板。依据冷冲时的变形程度，可分为普通拉伸(P)、深拉伸(S)、最深拉伸(Z)。使用的钢号05F~20F、08B、08~50。要求的b与δ符合冷塑性变形要求。希望δ愈高，s愈低，变形能力好，故s／b0.65时具有良好的冲压性能，当板厚≤2mm，还要求做杯突实验。冷冲压对显微组织如晶粒度，游离渗碳体、带状组织有一定要求。钢中成分：C、S、P等元素也会影响冲压性能。（2）非合金冷锻用钢可承受冷锻成形用的非合金结构钢。用冷锻工艺方法生产零件时，它所承受压缩比较高。因此，要求冷锻钢具有很高的塑性、高的表面质量(如钢的表面不允许有肉眼可见的皱纹、折叠、刻痕、裂纹等缺陷)以及冷锻钢内部不允许有严重地夹杂物、夹层、疏松、缩孔和显著的偏析。这些表面和内部缺陷都将导致在冷锻时开裂。钢的显微组织也对冷锻性有影响，如粒状的珠光体较好。当碳含量Wc＞0.26%时，应进行球化退火用于改善钢的塑性。

常用碳素冷锻用钢丝：ML10~ML45。钢中的其它成分：WSi≤0.20%，WCr≤0.20%，S、P0.035%。碳素冷锻用钢丝，牌号前面用“铆螺”的拼音ML表示。其成分与优质碳素结构钢相比，碳含量相同。但对Mn、Si、Cr、S、P的含量控制较严。2.易切削结构钢

易切削钢常加入硫、磷、铅、钙、硒、碲等。如Y15Pb采用高效专用自动机床加工的零件，大多用低碳易切削钢。Y12、Y15用来制造螺栓、螺母、管接头等不重要标准件；Y20可渗碳处理，制造表面耐磨仪器仪表零件；Y45Ca适于高速加工，制造铣床的齿轮轴和花键轴等热处理零件；随着汽车工业的发展，用易切钢制造承受载荷大的齿轮和轴类零件日益增多。三、机械结构用钢（一）表面硬化钢用表面淬火、渗碳、渗氮等表面热处理工艺方法能充分地发挥该钢类的表面硬化作用的钢种。主要包括：非合金和合金渗碳钢、非合金和合金感应加热表面淬火钢、合金渗氮钢三类。

1.渗碳钢——制造渗碳零件的钢种（1）性能要求：1）表硬里韧2）良好淬透性和渗碳能力。（2）成分特点：低碳(0.1~0.25%C),加Cr、Mn、Ni、B等元素

①

Cr、Mn、Ni、B：提高淬透性②

Cr、Mn、Ni：强化铁素体③

W、Mo、Ti、V：细化晶粒渗碳件渗碳回火炉渗碳淬火后的表层组织（3）热处理特点渗碳件的加工工艺路线为：下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火+低温回火正火目的为调整硬度，便于切削加工。淬火温度:Ac1+30-50℃。（4）使用状态下组织心部：M回+F表层：M回+颗粒状碳化物+A’(少量)；（5）常用钢号及用途低淬透性钢：20、20Cr。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。中淬透性钢：20CrMnTi。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。高淬透性钢：18Cr2Ni4WA。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。

柴油机凸轮轴柴油机曲轴活塞销(20Cr)2.感应加热表面淬火钢

感应加热表面淬火最合适的钢种是非合金中碳结构钢和中碳的合金结构钢。碳含量过高，会增加表面淬火后淬硬层的脆性，降低心部的塑性和韧性，并增加表面淬火的开裂倾向。若碳含量过低。会降低表面淬硬层的硬度和耐磨性。碳含量过高、过低均不能满足工件对表层与心部的不同组织和性能要求。该类钢主要用于低速、冲击小的不重要的齿轮。常见的钢种：

(1)非合金中碳结构钢：Wc＝0.25%～0.6%。

常用钢号：40、45等。

(2)中碳的合金结构钢：Wc＝0.25%～0.45%，加Cr、Mn、B等增加淬透性。

常用：40Cr、40MnB等。上述二种类型的感应加热表面淬火钢种属于调质结构钢范畴。3.合金渗氮结构钢

为渗氮后的钢件表层具有高硬度和耐磨性，心部具有足够强度、塑性和韧性，渗氮钢中须含有Al、V、Mo、Cr、W、Mn等与N形成合金氮化物和提高钢淬透性元素。该类钢经常在调质后渗氮，要求该钢类的碳含量是中碳的：Wc＝0.25%～0.6%。

常用的渗氮钢均是调质钢，如38CrMoAlA、35CrMo。

（二）调质钢——调质后使用的钢种。

1、成分特点中碳(0.3~0.5%C)，合金元素作用为：①提高淬透性：Mn、Si、Cr、Ni、B②强化铁素体：Mn、Si、Cr、Ni③细化晶粒：Ti、V④防止第二类回火脆性：W、Mo回火索氏体2、热处理及组织特点调质件的加工工艺路线为：下料→锻造→退火→粗加工→调质→精加工→装配调质目的:获得良好综合力学性能使用状态下的组织为：S回为提高表面耐磨性，调质后可进行表面淬火或氮化。(表面淬火+低温回火)→装配①为表面淬火作组织准备；②获得最终心部组织。表面：

M回；心部：S回圆锥齿轮柴油机凸轮轴3、性能：良好的综合力学性能。4、常用钢号及用途常用钢号为45、40Cr、40CrNi。用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的40CrNiMo等。（三）弹簧钢——制造弹簧或类似性能零件的钢种。1、性能要求(弹簧是储存能量或缓和冲击的零件)高的σs、σs/σb、σ-1；足够的韧性2、成分特点：中高碳碳素弹簧钢为0.6~0.9%C；合金弹簧钢为0.45~0.7%C合金元素作用：①

提高淬透性、强化铁素体：Mn、Si、Cr②

提高s/b：Si③

细化晶粒：V3、热处理及组织特点⑴冷成型弹簧：冷拔→冷成型→定型处理（250~300℃）。用于<φ10mm弹簧。⑵热成型弹簧：热成型→淬火+中温回火使用状态下的组织：T回。用于大截面弹簧（>φ10mm）热卷大弹簧弹簧丝板簧喷丸处理示意图4、弹簧的表面质量弹簧的表面质量对其寿命影响很大。提高表面质量的方法：①防止表面脱碳；②避免表面缺陷；③进行喷丸处理，使表面产生压应力。汽车板簧大型热卷弹簧5、常用钢号及用途常用钢号为65Mn、60Si2Mn用于制造较大截面弹簧。

制造大截面、大载荷、耐热的弹簧用50CrV。

（四）其它机械结构用钢1.非调质合金结构钢为节省能源、简化工艺，通过锻造时控制终锻温度和锻后的冷却速度，获得很高的强韧性能的钢，称非调质合金结构钢。它的基本原理就是在中碳钢的基础上加入微量的合金元素(V、Ti、Nb、N等)，在热加工后冷却时，从铁素体中析出弥散的沉淀化合物质点，形成沉淀强化，同时又有细化晶粒的作用。该钢类的主要缺点是塑性、韧性低一些。我国的非调质合金钢有二种，YF35MnV、YF40MnV。2.低碳马氏体钢低碳马氏体又称板条马氏体。有高强度的同时还有良好塑性、韧性，综合力学性能达中碳合金调质钢热处理后水平。如：20SiMn2MoVA钢可用于石油钻机吊环、吊卡等，可减重42.3%。3.冷塑性成形用的合金结构钢（1）冷冲压用合金结构钢冷冲压用的低合金结构钢与冷冲压用的非合金结构钢的要求类同。主要选用冲压用的热轧钢板。它的成分、组织、夹杂物、带状组织以及表面缺陷均影响钢的冲压性能。冷冲压用的热轧钢板的部分成分。

常用钢号：09MnREL、16MnL。（2）冷锻用合金结构钢主要用于重要的受力件。

常用钢号：ML15Cr、ML40Cr、MLMnVB、ML35CrMo。

4.超高强度钢

强度极限高于1471MPa，同时兼有适当韧性的钢为超高强度钢。按成分和使用性能可分为三大类：

（1）低合金超高强度钢WC＝0.27%～0.45%，Me总量W合金元素＜5%、最终热处理为淬火、低温回火后使用的钢种。如40CrMnSiMoVA(b＝2000MPa飞机起落架)