第五章 常用金属材料-钢工业用钢

《工程材料及成型技术》第4章常用金属材料-钢常用金属材料工业用钢有色合金铸铁的石墨化铸铁的分类、性能及应用铸铁铝及铝合金铜及铜合金钛及钛合金钢的分类及牌号合金元素在钢中的作用（合金钢）结构钢、工具钢和特殊钢轴承合金按化学成分碳素钢（非合金钢）合金钢低碳钢（Wc≦0.3%）中碳钢（Wc=0.3%-0.6%）高碳钢（Wc>0.6%）按合金元素分按合金元素含量分锰钢铬钢铬镍钢低合金钢（Wme<5%）高合金钢（Wme>10%）中合金钢（Wme=5%-10%）第一节工业用钢一、钢的分类按用途分结构钢特殊钢船舶用钢刃具钢模具钢量具钢工具钢工程用钢机器用钢建筑用钢桥梁用钢车辆用钢调质钢渗碳钢轴承钢弹簧钢不锈钢耐热钢耐磨钢按质量分普通钢（Ws≦0.045%，Wp≦0.05%）高级优质钢（Ws，Wp≦0.025%）优质钢（Ws，Wp≦0.035%）二、碳素钢的分类和牌号碳素钢：含碳量小于1.35%(0.1%-1.2%)，除Fe、C和限量以内的Si、Mn、P、S等杂质外，不含其他合金元素的钢。碳素钢的性能主要取决于含碳量。含碳量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性和可焊性降低。与其他钢类相比，碳素钢使用最早，成本低，性能范围宽，用量最大。（一）碳素钢的分类碳素钢（非合金钢）低碳钢（Wc≦0.3%）中碳钢（Wc=0.3%-0.6%）高碳钢（Wc>0.6%）按含碳量分按用途分碳素结构钢碳素工具钢普通碳素结构钢优质碳素结构钢铸造碳钢(二)碳素钢的牌号编号Q235（AF）Q+屈服强度+质量等级+脱氧程度1.普通碳素结构钢屈服强度大于235MPa，质量等级为A的沸腾钢2.优质碳素结构钢S、P杂质含量低塑性、韧性高用两位数字表示碳含量的万分之几45号钢平均碳质量分数为0.45%保证成分、性能编号3.碳素工具钢(Tool)T8或T8A4.铸造碳钢（铸钢）ZG200-400ZG+σs

–σb用于制造各种刃具、模具、量具和其他工具的钢编号编号采用铸造方法而生产出来的一种钢铸件。铸钢主要用于制造一些形状复杂、难于进行锻造或切削加工成形而又要求较高的强度和塑性的零件。T+数字+质量级别T8:平均碳质量分数为0.8%的优质碳素工具钢;T8A:平均碳质量分数为0.8%的高级优质碳素工具钢屈服强度大于235MPa，抗拉强度为400MPa的铸钢三、合金钢的分类和牌号（一）合金钢的分类按性能和用途分合金结构钢合金工具钢特殊性能钢低合金高强结构钢合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢滚动轴承钢合金模具钢合金刃具钢合金量具钢不锈钢耐热钢耐磨钢按合金元素含量分低合金钢中合金钢高合金钢＜5%5%-10%＞10%编号40Cr平均碳质量分数的万分数+合金元素+合金元素质量千分数（小于1.5%时不标出）1.合金结构钢：在碳素结构钢的基础上，加入适量的一种或数种合金元素（总含量一般不超过5％）的钢。平均碳质量分数为0.4%，平均Cr质量分数小于1.5%的合金结构钢编号9SiCr平均碳质量分数的千分数（大于1%时不标出）+合金元素+合金元素质量分数（小于1.5%时不标出）平均碳质量分数为0.9%，平均Si、Cr质量分数小于1.5%的合金工具钢2.合金工具钢在碳素工具钢基础上加入铬、钼、钨、钒等合金元素以提高淬透性、韧性、耐磨性和耐热性的一类钢种（二）合金钢的牌号编号1Cr18Ni9Ti平均碳质量分数的千分数+合金元素+合金元素质量百分数（小于1.5%时不标出）3.特殊性能钢：具有特殊物理或化学性能，用来制造除要求具有一定的机械性能外，还要求具有特殊性能的零件。平均碳质量分数为0.1%，平均Cr、Ni、Ti的质量分数分别为18%、9%以及小于1.5%的特殊钢编号00Cr18Ni10平均碳质量分数小于0.03%，平均Cr、Ni质量分数分别为18%和10%的特殊钢编号0Cr19Ni9平均碳质量分数小于0.08%，平均Cr、Ni质量分数分别为19%和9%的特殊钢Si—能脱氧,有很强的固溶强化作用，可以消除FeO夹杂的影响。Mn—脱氧、去硫,取代FeS中的Fe形成高熔点MnS。提高钢的强度和硬度。四、常存杂质元素对钢性能的影响（一）有益元素Si、Mn元素的影响来源：生铁和脱氧剂Mn:0.25～0.8%Si:≤0.4%（二）有害元素:P、S

P

—

有很强的固溶强化作用,增加钢的强度和硬度，但使塑性和韧性显著降低，特别是低温下韧性极差(冷脆)。

S

—

常以FeS形式存在，并与Fe形成低熔点（985℃）共晶体（FeS+Fe)并分布在晶界，引起钢在热加工时或高温工作下开裂(热裂)。来源：生铁和燃料S≤0.055%、P≤0.045%（三）气体元素:N、O、H

N：钢中过饱和N在常温放置过程中会发生时效脆化，包括淬火时效和应变时效。加Ti、V、Al等元素可消除时效倾向。

O：在钢中主要以氧化物夹杂形式存在，破坏了钢基体的连续性，易成为疲劳裂纹源。

H：原子态的过饱和氢时将降低韧性,引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。钢中白点合金元素与铁和碳的作用。1）.溶于基体中形成合金F或合金A：固溶强化。五、合金元素在钢中的作用Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱强2）.与碳作用形成合金碳化物（合金渗碳体）(Fe,Cr)3C。3）.单独形成特殊碳化物TiC、VC。弱碳化物元素:Fe、Mn。中强碳化物元素:Cr、Mo、W。(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C、(Fe、W)3C强碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。TiC、NbC、VC。与碳亲和能力合金渗碳体较渗碳体稳定，硬度更高特殊碳化物较合金渗碳体更稳定，显著提高钢的硬度、强度和耐磨性，又不明显降低钢的韧性。合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。1）.扩大奥氏体区Mn、Ni、Co、Cu、C、N等元素。作用:使A3线温度下降,A4线温度上升。

Mn元素对奥氏体区的影响A42）.缩小奥氏体区Cr、Mo、W、V、Ti、Si等元素。作用:使A3线温度上升,A4线温度下降。

Cr

元素对奥氏体区的影响3）.改变E、S点的位置几乎所有的合金元素。作用:使S点和E点的成分向左移。使A1线的温度变化。合金元素对S点成分的影响合金元素对A1线的影响1.合金元素对加热时奥氏体形成的影响除（Co、Ni）元素外,多数合金元素的加入,均使奥氏体的形成速度减慢（Al、Si、Mn影响较小）。强碳化物形成元素和（Al-AlN、Al2O3）能强烈的阻止奥氏体晶粒长大(Ti、V、Zr、Nb等)。非碳化物形成元素能轻微的阻止奥氏体晶粒长大(Si、Ni、Cu、Co等)。合金元素对钢的热处理的影响。2.合金元素对过冷奥氏体转变的影响除Co元素外,所有的合金元素均使钢的TTT曲线向右移。提高钢的淬透性,常用的元素有:Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等（合金钢比碳素钢淬透性高）。除Co、Al元素外,所有的合金元素都使马氏体转变温度下降。（Mn、Cr、Ni最显著）3.合金元素对回火转变的影响回火稳定性（抗力）的增加:淬火钢回火时抵抗软化的能力二次硬化的产生

W、Mo、V等碳化物在550℃析出，并对马氏体起到弥散强化作用，使钢达到最高硬度,产生二次硬化。六、结构钢结构钢工程结构用钢机械结构用钢普通碳素结构钢低合金高强结构钢铸造用钢渗碳钢调质钢

弹簧钢

滚动轴承钢易切削钢结构钢：用于形成结构的钢材，主要用途为承载。（一）普通碳素结构钢1、成分WC≤0.2%2、性能：具有良好的塑性、韧性及焊接性能3、用途：建筑、桥梁铆钉、螺钉连杆、拉杆等冲压件焊接件4、编号Q2351、工程结构用钢工程结构钢：主要用于各种结构的钢材，一般采用普通结构钢。（二）低合金高强钢1、成分普通碳素结构钢中加入少量合金元素(＜3%)主加合金元素:Mn、Si。辅加合金元素:V、Ti、Nb。2、性能：优于普通碳素结构钢，具有高的塑性、韧性，较高的强度和良好的焊接性能3、用途：强度级别较低：冲压件、建筑构件、低压锅炉汽包强度级别较高：工程建筑、船舶、桥梁、车辆、管道、压力容器、厂房钢架等4、编号Q295用途实例Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度高，用于石化中温高压容器。压力容器南京长江大桥

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，用于中等压力的容器。万吨远洋轮（三）铸造碳钢1、对于构件形状复杂，用锻造方法难以生产而力学性能要求又比较高的零件，可用铸造方法生产出的钢铸件。2、性能：具有较高的强度和塑性，但整体性能差于铸铁3、用途：重型机械、矿山机械、机车车辆等4、编号ZG200-400（一）渗碳钢

2、机械结构用钢机械结构钢：主要用于制造各种类型的机器零件，一般采用优质碳素结构钢和合金结构钢。1、成分WC=0.1%-0.25%（低碳）2、性能：表面具有较高硬度、强度和耐磨性，心部具有较高的韧性和足够的强度（表硬里韧）。3、用途：变速齿轮、齿轮轴、活塞销等4、渗碳钢的加工工艺路线为：制造渗碳零件的钢称为渗碳钢。主要用于制造既承受冲击载荷，表面又受强烈磨损的零件。正火：为了调整硬度，便于切削加工。淬火+低温回火：为了降低残余应力和脆性，获得高硬度，高强度和耐磨性5.合金渗碳钢的牌号20Mn2TiA等级:高级优质含钛量WTi≤1.5%含锰量WMn2%含碳量WC20%00碳素渗碳钢合金渗碳钢化学成分Wc≤0.25

%Wc=0.15～0.25

%合金元素:Cr、Mn、Ni、B、V、W、Mo、Ti等。热处理后的组织表层:M回+Fe3C+A残心部:P+F表层:M回+Fe3C+A残心部:低碳M回+F6.渗碳钢的成分和组织7.典型合金渗碳钢种介绍

低淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量＜3%15Cr、20Cr、20Mn2。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。中淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在4%左右。20CrMn、20CrMnTi、

20Mn2TiB。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。柴油机凸轮轴活塞销(20Cr)高淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在

4%～6%。18Cr2NiWA、

20Cr2Ni4A等。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。

柴油机曲轴

20CrMnTi钢制造齿轮的热处理工艺曲线（二）调质钢1、成分WC=0.3%-0.5%（中碳）2、性能：表面具有较高硬度、强度和耐磨性，心部具有较高的韧性和足够的强度（既强又韧）。3、用途：机床主轴、发动机曲轴、传动齿轮、汽车后桥半轴等4、调质钢的热处理，调质钢：经调质处理后使用的中碳钢或中碳合金钢

退火：消除应力，调整硬度，改善切削加工性能。调质：1）为表面淬火做组织准备；2）获得优良的综合力学性能。表面淬火+低温回火：提高工件表面硬度和耐磨性。碳素调质钢合金调质钢化学成分Wc=0.25～0.6%Wc=0.25～0.5%合金元素:Cr、Mn、Ni、B、Si、V、W、Mo、Ti等。热处理后的组织表层:S回心部:P+F表层:S回心部:S回5.合金调质钢的牌号40Cr40Mn40MnB35CrMo38CrMoAlA25Cr2Ni4WA6.典型合金调质钢种介绍

低淬透性调质钢钢含合金元素总量＜3%40Cr、40MnB等

中淬透性调质钢钢含合金元素总量在4%左右。38CrSi、35CrMo等。常用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。圆锥齿轮柴油机凸轮轴高淬透性调质钢钢含合金元素总量在4%～10%。制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的零件等。38CrMoAlA、40CrMnMo、25Cr2Ni4WA等。

40Cr钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线（三）弹簧钢1、成分WC=0.5%-0.7%（中高碳）2、性能：高的σe、高的σs/σb、高的σ-1、良好的韧性。3、用途：车辆上板弹簧或圆弹簧、气阀、安全阀等耐热弹簧4、弹簧钢的热处理：弹簧钢：用于制造各种弹簧或弹性元件的钢

碳素弹簧钢合金弹簧钢化学成分Wc=0.6～0.9

%Wc=0.5～0.7%合金元素:Si、Mn、Cr、V、W、Mo等。热处理后的组织T回制造尺寸小于Φ8～15mm的小型弹簧。T回制造尺寸在Φ20～25mm左右的弹簧。5.弹簧钢的牌号6565Mn55Si2Mn60Si2Mn50CrVA50CrMnA55SiMnMoVNb6.冷成形弹簧生产工艺特点

用于生产尺寸小于Φ8～15mm的小型弹簧,常用弹簧钢丝(片)冷绕成形,其制造方法有:铅淬后S组织→冷拔后→冷成型+200～300℃去应力退火。60、75、85、65Mn。油淬中温回火S回后冷成型+去应力退火。退火组织冷成型+淬火+中温回火。（较少应用）55Si2Mn、60Si2MnA、50CrVA。汽车板簧大型热卷弹簧热卷大弹簧簧弹丝（四）滚动轴承钢滚珠轴承滚针轴承滚柱轴承用于制造轴承套和混动体的专用钢种。1、成分Wc=0.95～1.15%（高碳）优质钢材:WS＜0.2%、WP

＜0.27%主加Cr,0.4～1.65%，提高淬透性辅加Si、Mn、V、Mo，进一步提高淬透性，V、Mo可阻止奥氏体晶粒长大2、性能：高的硬度强度和耐磨性;高的接触疲劳强度;

足够的韧性和耐蚀性;3.滚动轴承钢的牌号GCr9SiMn

含Mn量WMn≤1.5

%

含Si量WSi≤1.5%

含Cr量WCr≈0.9%

滚动轴承钢应用最广的为GCr15，大量用于大中型轴承；大型轴承还可用GCr15SiMn5.轴承钢热处理后的组织

M回+颗粒状碳化物+A残

4.铬轴承钢制造轴承的工艺路线球化退火：消除网状渗碳体淬火+冷处理：淬火为了得到M转变，深冷处理为了减少残余A低温回火：消除内应力（五）易切削钢在自动机床上进行的高速切削性能好的钢。1、成分WC=0.1%-0.18%（低中碳）2、性能：降低切削力和切削热,减少刀具磨损,延长刀具寿命,排屑容易,提高切削速度。3、用途：适用于高速切削和在自动加工机床上加工的材料，螺栓、螺母、管接头。4、易切削钢的热处理：低碳易切削钢(Y12、Y15、Y20、Y15Pb

)：渗碳或淬火成低碳马氏体。中碳易切削钢(Y40)：调质及表面淬火。

5.易切削钢的牌号Y40Mn

含锰量WMn≤1.5

%

含碳量WC

0.4

%

易切削钢七、工具钢

碳素工具钢合金刃具钢合金模具钢合金量具钢刃具量具模具用以制造切削刀具、量具、模具和耐磨工具的钢。工具钢低合金刃具钢

高速钢1.碳素工具钢主要制作手动工具的工具钢。锉刀手锤1、成分WC=0.65%-1.35%（高碳）2、性能：随含碳量增加，硬度和耐磨性提高，但韧性下降3、用途：由于碳工钢热硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。4、碳工钢的热处理：正火+球化退火+淬火+低温回火5、热处理后的组织：M回+颗粒状碳化物+A残T12A高级优质

Wc=1.2%碳素工具钢6、碳工钢的牌号共有七个牌号：T7-T13。T7-T9：制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、锤子等；T10-T11:制造低俗切削工具，如钻头、丝锥、锯条、车刀等；T12-T13:制造耐磨工具，如锉刀、刮刀等2.合金刃具钢1、成分Wc=0.75-1.5%（高碳）+合金元素2、性能：高硬度、高耐磨性、有一定的红硬性（外部受热升温时工具钢仍能维持高硬度）、强度和韧性,工作温度不超过300℃。3、用途：应用最多的是9SiCr。用于制造形状复杂、、要求变形小的低速刃具，如丝锥、板牙等。4、同碳工钢的热处理：正火+球化退火+淬火+低温回火5、热处理后的组织：M回+颗粒状碳化物+A残2.1.低合金刃具钢在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素（<5%)。

9SiCr钢板牙热处理工艺曲线板牙2.2.高速工具钢(高速钢，锋钢）车刀铣刀钻头比低合金工具钢允许有更高的切削速度而得名。1、成分Wc=0.75-1.5%（高碳）+合金元素2、性能：高硬度、高耐磨性、高的红硬性(600℃时,HRC63以上)、有一定的强度和韧性。3、用途：常用钢号为W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2。用于高速切削刃具，如车刀、铣刀、刨刀和钻头等。

锻造目的：高速钢属于莱氏体钢，脆性大且热处理无法消除。因此只能用反复锻击的方法将其击碎，并均匀分布在基体上；具有成型和改善碳化物形态的双重作用。退火：降低硬度，便于切削加工，为淬火做组织准备；淬火：获得高合金元素含量的马氏体；M+Fe3C+A残(20～25%)回火：减少残余奥氏体，消除内应力，稳定组织。M回

+Fe3C+A残

(1～2%)

W18Cr4V钢的热处理过程示意图

机加工三.合金模具钢冷作模钢:工作温度为200～300℃。冷冲模、冷挤压模、拉丝模等热作模钢:工作温度为600℃以上。热锻模、热挤压模、压铸模等用于制造模具的钢。一)冷作模钢制造金属冷成型模具的钢。1.性能要求:高的硬度,HRC62;高的耐磨性;足够高的韧性与疲劳抗力;热处理变形小;2.化学成分特点:高碳1～2%;合金元素:Cr,Mo、W、V。

莱氏体钢通过反复锻造将网状共晶碳化物打碎A.低合金冷作模具钢：CrWMn、9Mn2V

小尺寸、形状简单、受力不大的模具热处理：淬火+低温回火优点：便宜，加工性能好缺点：淬透性差，热处理变形较大，耐磨性较差4、分类、用途及热处理最终组织：M回+Fe3C+少量A残B.高合金冷作模具钢：Cr12，Cr12MoV尺寸大、重载的模具、变形小热处理：

二）热作模具钢用于制造经加热的固态或液态金属在压力下成形的模具。1.要求：1）高的热硬性和高温耐磨性2）高的抗氧化能力，高的热强性和足够高的韧性3）高的热疲劳抗力2.化学成分：wc

=0.4%～0.6%（中碳），保证足够的强度和韧性主加元素：Cr、Ni、Mn、Si3.常用钢种：1）热锻模钢5CrNiMo:大型热锻模5CrMnMo:中小型热锻模2)压铸模钢3Cr2W8V，为过共析钢。中碳（0.3-0.4%）+合金元素曲轴模具3.热处理特点:*热锻模钢:5CrMnMo

热处理工艺:淬火+550℃回火热处理后的组织:S回或T回

温度时间～500℃820～850℃预冷油冷530～550℃回火*压铸模钢:3Cr2W8V

热处理工艺:淬火+600℃三次回火热处理后的组织:M回

+Cm粒状+A’汽车四缸压铸模4.合金量具钢卡尺量规千分尺1、成分Wc=0.9-1.5%（高碳）+合金元素2、性能：高的硬度,HRC62;高的耐磨性；高的尺寸稳定性;足够高的心部韧性;热处理变形小;尺寸稳定;良好的耐蚀性;3、用途：制造千分尺、卡尺、块规、螺旋测微仪等。用于制造测量加工零件的工具的钢。

第四节特殊性能钢

特殊性能钢：指具有特殊物理、化学性能的钢。主要包括不锈钢、耐热钢和耐磨钢。

一.不锈钢1.定义:在腐蚀介质中具有很高的抗腐蚀能力的钢。2.概念:*在空气中的年腐蚀量为0.01mm以内的钢,称为在空气中使用的不锈钢。*在强酸、强碱介质中的年腐蚀量为0.1mm以内的钢,称为在强酸、强碱介质中使用的不锈钢。3金属腐蚀的机理.金属腐蚀的种类:1)化学腐蚀（不产生电流）:金属与介质(干燥气体和非电解质溶液)发生化学反应而产生的腐蚀。例如:高温氧化、脱碳等。2)电化学腐蚀（产生电流）:金属与介质(电解质溶液,即酸、碱、盐溶液)发生电化学反应而产生的腐蚀（电极电位不同）。

电化学腐蚀过程示意图

珠光体电化学腐蚀示意图4.防腐措施:1)形成氧化层:加入合金元素Cr、Al、Si等,形成Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜。2)提高金属的电极电位:加入合金元素Cr、Ni、Si等,提高金属基体的电极电位。3)使钢在室温下呈单相组织:加入合金元素Mn、Ni等能扩大γ区,可在室温获得奥氏体钢。加入合金元素Cr、Mo、W、V、Ti、Si等能扩大α区,可在室温获得铁素体钢。

5.不锈钢的成分特点、分类及用途1）化学成分特点a、低碳：碳高，则降低耐蚀性b、Cr：提高耐蚀性的主要因素形成稳定致密的Cr2O3氧化膜；Cr含量大于13%时，形成单相铁素体组织；提高基体电极电位c、Ni：获得单相奥氏体组织d、Mo：耐有机酸腐蚀；e、Ti，Nb：防止奥氏体钢晶间腐蚀。消防栓晶间腐蚀1)铁素体型不锈钢化学成分特点:Wc=0.1%左右

WCr=12-30%热处理特点:不能进行热处理强化。牌号:0Cr13Al、1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等用途:化工设备中要求耐蚀性高、强度低的容器、管道等。易出现脆性:析出富Cr相.6、常用不锈钢硝酸生产装置合成氨生产装置2)马氏体型不锈钢---Cr13型钢,化学成分特点:Wc=0.1～0.4%

WCr=13%热处理特点:正火后的组织是马氏体。牌号:1Cr13～4Cr13用途:强度高,又需耐蚀.汽轮机叶片、医疗器械医用镊子3)奥氏体型不锈钢---18–8型钢化学成分特点:Wc=0.08～0.14%；WCr=17～19%WNi=8～11%；Cu、Ti、Mo等。加工特点:不能进行热处理强化,只能冷塑性变形强化。性能特点:耐蚀性好\塑性好\焊接性能好\无磁性，价格较高。热处理特点:固溶处理;消除应力退火。用途:化工容器、管道等。牌号:0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、

0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni