第七章工业用钢

第七章工业用钢第1页，共54页，2023年，2月20日，星期三一、钢的分类和牌号钢材的分类碳素钢低碳钢含碳量≤0.25%中碳钢含碳量在0.25~0.6%高碳钢含碳量>0.6%普通碳素钢(WS≤0.045%,Wp≤0.05%)按钢的质量优质碳素钢(WS,Wp

≤0.035%)高级优质碳素钢(WS,Wp

≤0.025%)碳素结构钢碳素工具钢按用途分合金钢合金结构钢：工程工件用钢、机器零件用钢合金工具钢：刃具钢、模具钢、量具钢特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢含碳量（一）钢的分类第2页，共54页，2023年，2月20日，星期三二、碳素钢1.碳素结构钢:

Q

235—A·F沸腾钢A等级235MPa屈服强度（一）编号及用途第3页，共54页，2023年，2月20日，星期三碳素工具钢T

12

A高级优质

Wc=12%0碳素工具钢第4页，共54页，2023年，2月20日，星期三（二）碳钢的不足由于碳钢具有较好的机械性能和工艺性能，并且产量大、价格较低，因此它是机械工程上应用十分广泛的金属材料。随着科学技术和工业的发展，对材料提出了更高的要求，如更高的强度，抗高温、高压、低温，耐腐蚀、磨损以及其它特殊物理、化学性能的要求，碳钢已不能完全满足要求。淬透性低

一般情况下，碳钢水淬的最大淬透直径只有10mm-20mm强度和屈强比较低

如普通碳钢Q235钢的σs=235MPa，而低合金结构钢16Mn的σs=360MPa以上。40钢的σs/σb仅为0.43,而合金钢35CrNi3Mo的σs/σb高达0.74。第5页，共54页，2023年，2月20日，星期三回火稳定性差

碳钢在进行调质处理时，为了保证较高的强度需采用较低的回火温度，这样钢的韧性就偏低；为了保证较好的韧性，采用高的回火温度时强度又偏低，所以碳钢的综合机械性能水平不高不能满足特殊性能的要求

碳钢在抗氧化、耐蚀、耐热、耐低温、耐磨损以及特殊电磁性等方面往往较差，不能满足特殊使用性能的需求。第6页，共54页，2023年，2月20日，星期三（三）合金钢定义碳钢不能完全满足科学技术和工业的发展要求。为了提高钢的性能，在铁碳合金中特意加入合金元素所获得的钢种，称为合金钢。合金钢有较好的性能，但也有不少缺点:最主要的是由于含有合金元素，其生产和加工工艺比碳钢差，也比较复杂，价格也较昂贵。因此，在应用碳钢能够满足要求时，一般不使用合金钢。第7页，共54页，2023年，2月20日，星期三二、合金钢按合金元素含量多少，分为

低合金钢（合金元素总量低于5%）

中合金钢（合金元素总量为5%-10%）

高合金钢（合金元素总量高于10%）按用途分类

合金结构钢

合金工具钢

特殊性能钢（一）合金钢的分类第8页，共54页，2023年，2月20日，星期三（二）钢中常用的合金元素Ni、Co、Si、Al、N、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Re。结合中国国情，树立具有中国特色的合金化思想。合金钢的性能比碳钢优良，原因是加入合金元素后，钢的基本组元铁和碳与加入的合金元素会发生交互作用，钢的合金化目的就是希望利用合金元素与改善钢的组织和性能。第9页，共54页，2023年，2月20日，星期三（三）合金元素在钢中的作用合金元素与铁、碳的作用合金元素对Fe-Fe3C相图的影响合金元素对钢的热处理的影响第10页，共54页，2023年，2月20日，星期三合金元素的存在形式合金元素在钢中可以两种形式存在：一是溶解于碳钢原有的相中，另一种是形成某些碳钢中所没有的新相，在高合金钢中还可能形成金属间化合物。几乎所有的合金元素（除Pb外）都可溶入铁中,形成合金铁素体或合金奥氏体；合金元素可溶于铁素体中，由于与铁的晶格类型和原子半径不同而造成晶格畸变；另外合金元素易分布于位错线附近，对位错线的移动起牵制作用，降低位错的易动性，从而提高塑变抗力，产生固溶强化效果。

第11页，共54页，2023年，2月20日，星期三溶于基体中形成合金F或合金A第12页，共54页，2023年，2月20日，星期三合金元素与碳的作用在一般的合金化理论中，按与碳亲合力的大小，可将合金元素分为碳化物形成元素与非碳化物形成元素两大类。

1、非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B；

2、碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr。第13页，共54页，2023年，2月20日，星期三Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱强

弱碳化物元素:Fe、Mn。

中强碳化物元素:Cr、Mo、W。

强碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。第14页，共54页，2023年，2月20日，星期三单独形成特殊碳化物

熔点、硬度、耐磨性最高。稳定性最高。TiC、NbC、VC。第15页，共54页，2023年，2月20日，星期三合金元素对Fe-Fe3C相图的影响扩大奥氏体区缩小奥氏体区改变共晶点和共析点的参数第16页，共54页，2023年，2月20日，星期三扩大奥氏体区的合金元素扩大奥氏体区域的元素有镍、锰、碳、氮等，这些元素使A1和A3温度降低，使S点、E点向左下方移动，从而使奥氏体区域扩大。其中与γ－Fe无限互溶的元素镍或锰的含量较多时，可使钢在室温下以奥氏体单相存在而成为一种奥氏体钢。如Ni%>9%的不锈钢和Mn%>13%的ZGMn13耐磨钢均属奥氏体钢。第17页，共54页，2023年，2月20日，星期三缩小奥氏体区的元素

缩小奥氏体区的元素有铬、钼、硅、钨等，使A1和A3温度升高，使S点、E点向左上方移动，从而使奥氏体区域缩小。由于A1和A3温度升高了，这类钢的淬火温度也相应地提高了。第18页，共54页，2023年，2月20日，星期三Cr

元素对奥氏体区的影响当加入的元素超过一定含量后，则奥氏体可能完全消失，此时，钢在包括室温在内的广大温度范围内获得单相铁素体，通常称之为铁素体钢。如含17%-28%Cr的Cr17、Cr25、Cr28不锈钢就是铁素体不锈钢。第19页，共54页，2023年，2月20日，星期三

几乎所有的合金元素改变共晶点和共析点：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点成分的影响第20页，共54页，2023年，2月20日，星期三同时由于S点的左移，使共析成分降低，与同样含碳量的亚共析钢相比，组织中的珠光体数量增加，而使钢得到强化。由于E点的左移，又会使发生共晶转变的含碳量降低，在C%较低时，使钢具有莱氏体组织。如在高速钢中，虽然含碳量只有0.7~0.8%,但是由于E点的左移,在铸态下会得到莱氏体组织,成为莱氏体钢。第21页，共54页，2023年，2月20日，星期三合金元素对热处理的影响合金元素对加热转变的影响对奥氏体转变的影响：（1）奥氏体形成速度大大减慢。碳化物形成元素Cr、Mo、W、Ti、V等，与碳有较强的亲和力，显著减慢了碳在奥氏体中扩散速度。（2）奥氏体化时间延长。使稳定性高的碳化物完全分解并固溶于奥氏体中，需要延长时间或提高加热温度。（3）合金钢的奥氏体成分均匀化比碳钢更缓慢。即使在1000℃高温，合金元素扩散速度也很小，仅是碳扩散速度的千分之几。

第22页，共54页，2023年，2月20日，星期三对奥氏体晶粒度的影响：（1）强碳化物形成元素Ti、V、Nb等，形成高熔点高稳定性碳化物，强烈阻碍奥氏体晶粒长大，起细化晶粒作用。（2）非碳化物形成元素Ni、Si、Cu、Co等阻碍奥氏体晶粒长大作用很小。第23页，共54页，2023年，2月20日，星期三合金元素对钢冷却时组织转变的影响

除Co外,几乎所有合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性,推迟珠光体类型组织的转变,使C曲线右移,即提高钢的淬透性。加入的合金元素,只有完全溶于奥氏体时,才能提高淬透性。如果未完全溶解,则碳化物会成为珠光体的核心,反而降低钢的淬透性。除Co、Al外，多数合金元素降低马氏体转变温度，增加残余奥氏体量。

第24页，共54页，2023年，2月20日，星期三第25页，共54页，2023年，2月20日，星期三合金元素对钢回火时组织转变的影响

产生二次硬化强碳化物形成元素(V、Mo、W等)加入后，在500℃～600℃回火时从马氏体中析出特殊碳化物，高度弥散分布在马氏体基体上，并与基体保持共格关系，阻碍位错运动，使硬度上升，发生“二次硬化”现象。第26页，共54页，2023年，2月20日，星期三W、Mo、V等碳化物在550℃时,使钢达到最高硬度,产生二次硬化。第27页，共54页，2023年，2月20日，星期三合金元素一般都能提高残余奥氏体转变的温度范围。

某些高合金钢(如高速钢)中的残余奥氏体十分稳定，只有加热到500℃～600℃时才开始发生部分分解，使奥氏体稳定性下降，在随后快速冷却过程中转变为马氏体，使钢硬度有较大提高，这种现象称“二次淬火”。第28页，共54页，2023年，2月20日，星期三四、合金结构钢低合金高强度钢合金渗碳钢合金调质钢弹簧钢滚动轴承钢第29页，共54页，2023年，2月20日，星期三（一）低合金高强度钢(HSLA)1.特点1)在普通碳素结构钢基础上加少量合金元素形成的钢；2)主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。3)低碳：由于韧性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳质量分数不超过0.20%。4)加入以锰为主的合金元素，Mn1.8%以内。5)加入铌、钛或钒等辅加元素：少量的铌、钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮化物，有利于获得细小的铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性。第30页，共54页，2023年，2月20日，星期三2.编号方法牌号:

Q

345

C

质量等级345MPa屈服强度第31页，共54页，2023年，2月20日，星期三3.热处理特点1）这类钢一般在热轧空冷状态下使用，不需要进行专门的热处理。2）使用状态下的显微组织一般为铁素体+珠光体(索氏体)。4.常用的钢种Q345钢16Mn是我国低合金高强钢中用量最多、产量最大的钢种。强度比普通碳素结构钢Q235高约20%～30%，耐大气腐蚀性能高20%～38%，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。第32页，共54页，2023年，2月20日，星期三第33页，共54页，2023年，2月20日，星期三（二）合金钢的编号方法牌号首部用数字标明碳质量分数。规定结构钢以万分之一为单位的数字（两位数）、工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字（一位数）来表示碳质量分数，而工具钢的碳质量分数超过1%时，碳质量分数不标出。在表明碳质量分数数字之后，用元素的化学符号表明钢中主要合金元素，质量分数由其后面的数字标明，平均质量分数少于1.5%时不标数,平均质量分数为1.5%～2.49%、2.5%～3.49%……时,相应地标以2、3……第34页，共54页，2023年，2月20日，星期三20Mn2

Ti

A等级:高级优质含钛量WTi≤1.5%含锰量WMn2%含碳量WC20%00第35页，共54页，2023年，2月20日，星期三专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明。如:滚珠轴承钢，在钢号前标以“G”。GCr15表示碳质量分数约1.0%、铬质量分数约1.5%(这是一个特例,铬质量分数以千分之一为单位的数字表示)的滚珠轴承钢。

Y40Mn,表示碳质量分数为0.4%、锰质量分数少于1.5%的易切削钢等等。对于高级优质钢，则在钢的末尾加“A”字表明，例如20Cr2Ni4A等。

第36页，共54页，2023年，2月20日，星期三（三）合金渗碳钢性能要求1.表面渗碳层硬度高，以保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力，同时具有适当的塑性和韧性。2.心部具有高的韧性和足够高的强度。心部韧性不足时，在冲击载荷或过载作用下容易断裂；强度不足时，则较脆的渗碳层易碎裂、剥落。3.有良好的热处理工艺性能在高的渗碳温度（900℃～950℃）下，奥氏体晶粒不易长大，并有良好的淬透性。

第37页，共54页，2023年，2月20日，星期三成分特点1.低碳：碳质量分数一般为0.10%～0.25%，使零件心部有足够的塑性和韧性。2.

加入提高淬透性的合金元素：常加入Cr、Ni、Mn、B等。3.

加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素：主要加入少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。第38页，共54页，2023年，2月20日，星期三Wc≤0.25%Wc=0.15～0.25%合金元素:Cr、Mn、

Ni、B、V、W、

Mo、Ti等。表层:M回+Fe3C+A残心部:F+P表层:M回+Cm+A残心部:低碳M回

+F碳素渗碳钢合金渗碳钢化学成分热处理后的组织第39页，共54页，2023年，2月20日，星期三常用钢种1.低淬透性合金渗碳钢含合金元素总量＜3%，如15Cr、20Cr、20Mn2。用于力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴。活塞销(20Cr)2.中淬透性合金渗碳钢含合金元素总量在4%左右。如20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。第40页，共54页，2023年，2月20日，星期三3.高淬透性合金渗碳钢含合金元素总量在4%～6%。如18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。

柴油机曲轴第41页，共54页，2023年，2月20日，星期三（四）合金调质钢性能要求调质件大多承受多种工作载荷，受力情况比较复杂，要求高的综合机械性能：有高的强度和良好的塑性、韧性。合金调质钢还要求有很好的淬透性。但不同零件受力情况不同，对淬透性的要求不一样。成分特点

1.中碳：碳质量分数一般在0.25%～0.50%之间，以0.4%居多；2.

加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等：这些合金元素除了提高淬透性外，还能形成合金铁素体，提高钢的强度。如调质处理后的40Cr钢的性能比45钢的性能高很多；第42页，共54页，2023年，2月20日，星期三3.加入防止第二类回火脆性的元素：含Ni、Cr、Mn的合金调质钢，高温回火慢冷时易产生第二类回火脆性。在钢中加入Mo、W可以防止第二类回火脆性，其适宜含量：Mo的质量分数为0.15%～0.30%，或W的质量分数为0.8%～1.2%。第43页，共54页，2023年，2月20日，星期三Wc=0.25～0.6%Wc=0.25～0.5%合金元素:

Cr、Mn、Ni、B、Si、V、W、Mo、Ti等。表层:S回碳素调质钢合金调质钢化学成分热处理后的组织心部:P+F表层:S回心部:S回第44页，共54页，2023年，2月20日，星期三常用钢种1.40Cr低淬透性合金调质钢，油淬临界直径为30mm～40mm，用于制造一般尺寸的重要零件。

2.

35CrMo中淬透性合金调质钢，油淬临界直径为40mm～60mm,加入钼不仅可提高淬透性，而且可防止第二类回火脆性。3.

40CrNiMo高淬透性合金调质钢，油淬临界直径为60mm～100mm，铬镍钢中加入适当的钼，不但具有好的淬透性，还可消除第二类回火脆性。第45页，共54页，2023年，2月20日，星期三热处理工艺1.合金调质钢常规热处理后的组织是回火索氏体。对于表面要求耐磨的零件（如齿轮、主轴），再进行感应加热表面淬火及低温回火，表面组织为回火马氏体。表面硬度可达55HRC～58HRC。

2.

合金调质钢淬透调质后的屈服强度约为800MPa,冲击韧性在800kJ/m2心部硬度可达22HRC～25HRC。若截面尺寸大而未淬透时，性能显著降低。第46页，共54页，2023年，2月20日，星期三（五）合金弹簧钢性能要求1.高的弹性极限σe，尤其是高的屈强比σs/σb以保证弹簧有足够高的弹性变形能力和较大的承载能力。2.高的疲劳强度σr，以防止在震动和交变应力作用下产生疲劳断裂。3.足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆断。4.此外，弹簧钢还要求有较好的淬透性，不易脱碳和过热，容易绕卷成形等。一些特殊弹簧钢还要求耐热性、耐蚀性等。第47页，共54页，2023年，2月20日，星期三成分特点1.中、高碳高的屈强比要求弹簧钢的碳含量比调质钢高，碳的质量分数一般为0.50%～0.70%。碳含量过高时，塑性、韧性降低，疲劳抗力也下降。2.加入以Si、Mn为主的提高淬透性的元素，Si和Mn同时也提高了屈强比。重要用途的弹簧钢还必须加入Cr、V、W等元素。3.此外，弹簧的冶金质量对疲劳强度有很大的影响，所以弹簧钢均为优质钢或高级优质钢。第48页，共54页，2023年，2月20日，星期三碳素弹簧钢合金弹簧钢化学成分热处理后的组织Wc=0.6～0.9

%Wc=0.5～0.7%合金元素:

Si、Mn、Cr、V、W、Mo等。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。第49页，共54页，2023年，2月20日，星期三常用钢号

50CrVA

含Cr、V、W等元素的弹簧钢。Cr、V复合合金化，不仅大大提高钢的淬透性，而且还提高钢的高温强度、韧性和热处理工艺性能。这类钢可制作在350℃～400℃温度下承受重载的较大弹簧。弹簧的加工工艺热成形弹簧用热轧钢丝或钢板制成，然后淬火和中温（450℃～550℃）回火，获得回火屈氏体组织，具有很高的屈服强度和弹性极限，并有一定的塑性和韧性，一般用来制作为较大型的弹簧。第50页，共54页，2023年，2月20日，星期三（六）滚动轴承钢性能要求1.高的硬度强度和耐磨性