金属学与造船材料课件

船舶工程学院金属学与造船材料(8)船舶工程学院金属学与造船材料(8)钢的编号方法，会辩认各种钢号；如：20CrMoTi、40Cr、60Si2Mn、GCr15SiMn、Cr12MoVA、9Mn2V、0Cr18Ni9Ti2.各种典型钢种的成分，热处理及组织，性能及用途。如低合金结构钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等重点要求:钢的编号方法，会辩认各种钢号；重点要求:在化学成分上特别添加合金元素（常用M来表示）用以保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁基合金。

M<5％时，称为低合金钢；

M5~10％，称为中合金钢；

M>10％,称为高合金钢；不过这种划分并没有严格的规定。一、基本概念合金钢——在碳素钢的基础上，为了改善钢的性能，在冶炼时有目的地加入一种或数种合金元素的钢。第6章船用合金钢在化学成分上特别添加合金元素（常用M来表示）用以保证一定的生合金元素：为了改善和提高钢的力学性能和使钢获得某些特殊的物理、化学性能而专门加入的元素。

在实际使用的钢中，除碳外尚存在少量的其它元素，如一般含量的硅、锰、磷、硫以及氧、氮、氢等，这些非特意加入的元素称为常存或残余元素。

常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、铜、硼、稀土元素等。磷、硫、氮等在某些情况下也起合金元素的作用。合金元素对钢组织性能的影响合金元素：为了改善和提高钢的力学性能和使钢获得某些特殊的物理合金元素在钢中的存在形式：1.溶入铁素体，奥氏体和马氏体中，以固溶体的形式存在2.形成强化相，如溶入渗碳体形成合金渗碳体，形成特殊碳化物或金属间化合物3.形成非金属夹杂物，如合金元素与O、N、S作用形成氧化物、氮化物和硫化物等4.在钢中以游离态存在合金元素在钢中的存在形式：1.溶入铁素体，奥氏体和马氏体中铁族金属——Co,Ni,Mn。难熔金属——W,Mo,Nb,V,Cr.轻金属——Ti,Al,Mg,Li稀土金属——La，Ce和Nd等贵金属元素——Au,Ag

按M与C的亲和力的大小分为：合金元素M的分类碳化物形成元素：Ti,Zr,V,Nb,Cr,Mo,W,Mn非碳化物形成元素：Cu,Ni,Co,Si,Al铁族金属——Co,Ni,Mn。按M与C的亲和力的大小分为奥氏体形成元素：在γ-Fe中有较大的溶解度,且能稳定γ相；如Mn,Ni,Co,C,N,Cu；铁素体形成元素：在α-Fe中有较大的溶解度，且能稳定α相。如：V，Nb,Ti

等。按照与铁相互作用的特点分类：奥氏体形成元素：按照与铁相互作用的特点分类：

按照M对合金相图影响:扩大γ相区

使A3降低，A4升高。一般为奥氏体形成元素开启γ相区Mn,Ni,Co与γ-Fe无限互溶扩大γ相区有C，N，Cu等按照M对合金相图影响:扩大γ相区开启γ相区Mn,缩小γ相区

使A3升高，A4降低。一般为铁素体形成元素封闭γ相区使相图中γ区缩小到一个很小的面积形成γ圈,其结果使δ相区与α相区连成一片。如V,Cr,Si,A1,Ti,Mo,W,P,Sn,As,Sb缩小γ相区：

Zr,Nb,Ta,B,S,Ce等。缩小γ相区封闭γ相区缩小γ相区：

Zr,Nb,Ta,B合金元素对钢的热处理的影响1.对C曲线和淬透性的影响大多数合金元素使C曲线右移，提高了淬透性，因此可采用冷却能力较低的淬火剂，以减少变形和开裂倾向。①非碳化物和弱碳化物形成元素使C曲线右移。②中强和强碳化物形成元素不仅使C曲线右移，提高淬透性，而且能改变C曲线形状。合金元素对钢的热处理的影响1.对C曲线和淬透性的影响大多数2.对Ms点的影响除Co和Al外，其他合金元素溶入奥氏体都使Ms下降，Ms降低将使淬火钢冷至室温后残余奥氏体数量增多。3.对奥氏体化的影响大多数合金元素都减缓钢的奥氏体化过程，因此，热处理时应提高加热温度或延长保温时间。4.细化晶粒所有的合金元素都阻止奥氏体晶粒长大而细化晶粒，因此合金钢组织较细，力学性能好，在热处理时不易产生过热缺陷。2.对Ms点的影响除Co和Al外，其他合金元素溶入奥氏体都

形成合金铁素体合金元素溶于铁素体中，会造成晶格畸变，会降低位错的易动性，产生固溶强化的效果。硅、锰可显著提高铁素体的硬度和强度，但含量过小时，对韧性影响不大铬、镍这两个元素含量适当时，可提高铁素体的硬度和强度，也可提高韧性合金结构钢中的铬、硅、锰、镍等应控制在一定含量范围内合金元素对钢中基本相的影响形成合金铁素体合金元素溶于铁素体中，会造成晶格畸变，会降低

形成碳化物合金钢中碳化物的状况对钢的性能影响很大。不同的合金元素，形成碳化物的倾向则不同。Mn：弱碳化物形成元素，溶于铁素体而形成合金铁素体。铬、钼、钨：中强碳化物形成元素，既能形成合金渗碳体，又能形成特殊碳化物。如Cr7C3、Cr27C6、MoC、WC等，它们的熔点、硬度、耐磨性比渗碳体高。铌、钒、钛：强碳化物形成元素，优先形成特殊碳化物，如VC、NbC、TiC等，他们的熔点、硬度和耐磨性最高。形成碳化物合金钢中碳化物的状况对钢的性能影响很大。不同的合金钢分类按合金元素含量按钢的金相组织微合金钢0.001-0.1%低合金钢1-5%中合金钢5-10%高合金钢>10%铁素体钢奥氏体钢马氏体钢珠光体钢

贝氏体钢合金钢分类按合金元素含量按钢的金相组织微合金钢0.001第6章合金钢分类按S、P含量普通合金钢S≤0.050%P≤0.045%优质合金钢S≤0.035%P≤0.035%高级优质合金钢S≤0.025%P≤0.025%特级优质合金钢S≤0.015%P≤0.020%合金结构钢

合金工具钢

特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、超强钢按用途第6章合金钢分类按S、P含量普通合金钢S≤0.050%合金结构钢优质碳素结构钢+合金元素在碳素结构钢中添加Cr、Ni、Mn、Si、Mo、W、V、Ti等合金元素，使其具有较高强度、韧性、淬透性1．低合金结构钢2.合金渗碳钢3．合金调质钢4．合金弹簧钢5．滚动轴承钢

机械制造用钢合金结构钢优质碳素结构钢+合金元素在碳素结构钢中添加Cr、N牌号标准（GB/T3077-1999）G数字+化学元素+数字合金元素含量的百分之几，＜1.5%不标出，滚动轴承钢Cr含量的千分数合金结构钢：两位数字，平均含C量的万分之几合金工具钢：含C量的千分之几特殊性能钢：含C量的千分之几合金元素高级优质钢号后加注“A”，特级优质合金钢加注“E”.合金钢的牌号滚动轴承钢牌号标准（GB/T3077-1999）G数字+40Cr

铬，平均含量<1.5%，只标出元素符号，不标明含量

平均碳含量为0.40%，用万分之四十的数字表示38CrMoAlA表示高级优质钢

铬钼铝，平均含量<1.5%，只标出元素符号，不标明含量

平均碳含量为0.38%，用万分之38数字表示

平均碳含量为0.37%，用万分之37数字表示

镍，平均含量3%

铬，平均含量<1.5%，只标出元素符号，不标明含量37CrNi340Cr铬，平均含量<1.5%，只标出元素符号，不标明含GCr15SiMn

平均Cr含量1.5%

滚动轴承钢Si、Mn平均含量<1.5%，只标出元素符号，不标明含量9Mn2V

平均Mn含量2%C含量0.9%，合金工具钢V平均含量<1.5%，只标出元素符号，不标明含量GCr15SiMn平均Cr含量1.5%滚动轴承钢Si牌号标准（GB/T1598-2008，GB/T221-2008）：Q345D钢材屈服强度“屈”字汉语拼音首位字母屈服强度等级345-690MPaA、B、C、D分别表示质量等级必要时，可在牌号后添加产品用途、特性和工艺方法一、低合金结构钢牌号标准（GB/T1598-2008，GB/T221-2

1.用途

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。

桥梁船舶车辆

容器储气罐低合金高强度结构钢（低合金高强钢）

1.用途

桥梁

2.成分特点

(1)低碳：碳质量分数不超过0.20%，韧性、焊接性和冷成形性能要求高。(2)锰为主要的合金元素。固溶强化F，细化P，增加P的含量，提高钢的强度。(3)铌、钛、钒：形成细碳化物或碳氮化合物，获得细小铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性(4)少量铜（≤0.4%）和磷（0.1%左右），可提高抗腐蚀性能。2.成分特点

(2)锰为主要的合金元素

3.性能要求

(1)高强度：一般屈服强度在300MPa以上。

(2)高韧性：要求延伸率为15%～20%，室温冲击韧性大于600kJ/m2～800kJ/m2。对于大型焊接构件，还要求有较高的断裂韧性。

(3)良好的焊接性能和冷成型性能。

(4)低的冷脆转变温度。

(5)良好的耐蚀性。低合金高强度结构钢（低合金高强钢）3.性能要求

低合金高强度结构钢（低合金高强钢）冷脆实例1954年冬天，英国3万2千吨的"世界协和"号油船，在爱尔兰寒风凛冽的海面上航行，突然船体中部发生断裂，船很快就沉没了。后来，又发生了几起类似的沉船事件。经研究发现，沉船是由于外界温度太低，金属材料变脆后断裂所致。这种材料的变脆现象因为是在低温下产生的，所以称之为"冷脆"。冷脆实例1954年冬天，英国3万2千吨的"世界协和"号油船，冷脆实例利用脆化现象，人们发明了"低温粉碎技术"。例如，用低温来粉碎废钢铁。我们知道，炼钢时，要大量使用废钢，电炉炼钢时，废钢占原料总量的60－80%。废钢在投入冶炼前，先要进行破碎，以加快熔化速度。由于废钢的尺寸、厚薄、轻重相差悬殊，所以废钢的粉碎一直是个难题。传统的电弧切割法，速度慢，效率低。采用低温粉碎技术，将废钢浸泡在液氮(-196℃)中，或用气氮冷却(-100℃）后，废钢就变得像玻璃那样易碎。冷脆实例利用脆化现象，人们发明了"低温粉碎技术"。例如，用低

4.常用低合金高强度结构钢

●Q345

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%。

●Q420

强度较高，且韧性、焊接性及低温韧性也较好，被广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶等大型结构。

4.常用低合金高强度结构钢钢号旧钢号主要化学成分，%机械性能CMnSi，

s

，MPa

b

，MPa

5，%Q29509MnNb

12Mn

0.160.80

~1.500.5529557023Q34516Mn

16MnRe0.18

~0.201.00

~1.600.5534563021~22Q39016MnNb

15MnTi

0.201.00

~1.600.5539065019~20Q42014MnVTiRe

15MnVN

0.201.00

~1.700.5542068018~19Q46014MnMoV

18MnMoNb

0.201.00

~1.700.5546072017常用低合金结构钢的牌号、成分、性能（厚度(直径)16mm，AKV≥34J）含碳量都比较低一般规定δ>5%为塑性材料，δ<5%为脆性材料。钢号旧钢号主要化学成分，%机械性能CMnSi，5.热处理特点

一般在热轧退火或正火状态下使用，不需要进行专门的热处理。使用状态下的显微组织一般为铁素体+索氏体。5.热处理特点

船用合金结构钢1、常用船舶低合金结构钢根据GB/T1591-88“造船用结构钢技术条件”规定，我国用于造船的低合金钢有四种，其化学成分和机械性能如下表所示。我国常用船舶低合金结构钢的化学成分(GB1591-88)船用合金结构钢1、常用船舶低合金结构钢根据GB/T1591我国常用船舶低合金结构钢的机械性能(GB1591-88)我国常用船舶低合金结构钢的机械性能(GB1591-88)2、船用低合金高强度结构钢目前已定型的钢种有901、902、903、904、921、923、402、929等。其中901、902、903、904、921、923属于低合金高强度钢（M不超过5%，屈服强度比普通碳钢高50%以上），402、929是中合金钢。从用途上分，901、902、903主要用于水面舰艇，其它则用于潜艇。2、船用低合金高强度结构钢目前已定型的钢种有901、902、船用低合金高强度结构钢的化学成分(901、902、903、904)船用低合金高强度结构钢的化学成分(901、902、903、9船用低合金高强度结构钢的机械性能(901、902、903、904)船用低合金高强度结构钢的机械性能(901、902、903、9921、922、923为高Ni、Cr的高强度钢（921为钢板和球扁钢，922为厚板，923为薄板），钢板均以调质状态供应，921球扁钢以热轧状态供应（在船厂中加工成型并进行调质处理）。船用低合金高强度结构钢的化学成分(921、922、923)921、922、923为高Ni、Cr的高强度钢（921为钢板船用低合金高强度结构钢的机械性能(921、922、923)船用低合金高强度结构钢的机械性能(921、922、923)402、929为高Ni合金钢，它们的屈服极限分别为80kgf/mm2和100kgf/mm2。船用中合金高强度结构钢的化学成分(402、929)402、929为高Ni合金钢，它们的屈服极限分别为80kgf船用中合金高强度结构钢的机械性能(402、929)船用中合金高强度结构钢的机械性能(402、929)1.用途

主要用于制造柴油机上的凸轮、活塞销和汽车、拖拉机上的变速齿轮。这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。

拨叉变速齿轮活塞销活塞销(20Cr)二、合金渗碳钢

1.用途

拨叉凸轮机构：接触表面受到强烈的摩擦磨损。凸轮机构：

2.性能要求

(1)表面硬度高、耐磨

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

在冲击载荷或过载作用下不易断裂。

(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。

2.性能要求

3.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：

Cr、Ni、Mn、B等。

(3)加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素：

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。

3.成分特点

①低淬透性钢：15Cr、20Cr、20Mn2。钢含合金元素总量＜3%，用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。活塞销(20Cr)②中淬透性钢：20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。钢含合金元素总量在4%左右。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。柴油机凸轮轴4.用途及牌号

①低淬透性钢：15Cr、20Cr、20Mn2。钢含合金元素总③高淬透性钢：18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。钢含合金元素总量在4%～6%。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。柴油机曲轴③高淬透性钢：18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。钢含

5.热处理和组织性能

渗碳后预冷淬火，再低温回火。

表面组织：合金渗碳体+回火马氏体（高碳）+少量残余奥氏体，硬度为60HRC～62HRC。

心部组织与钢的淬透性及零件截面尺寸有关。完全淬透时为回火马氏体（低碳），硬度为40HRC～48HRC；多数情况下是回火马氏体（低碳）+屈氏体+少量铁素体，硬度为25HRC～40HRC。心部韧性一般都高于700kJ/m2。

5.热处理和组织性能

心部组织与钢的淬应用举例：用20CrMnTi制造汽车变速齿轮。

技术要求：渗碳层厚度1.2~1.6mm,碳浓度1.0%,齿轮硬度HRC58~60,心部硬度HRC30~45

工艺路线：

坯料→锻造→正火→加工齿形（铣、插）→渗碳→预冷淬火→低温回火→喷丸→磨齿→成品。应用举例：正火：低碳合金钢，改善切削加工性能，HRC170~210。渗碳：920℃，6~8h，深度达1.2~1.6mm。

渗碳后预冷到870~880℃，油淬，经200℃2~3h

回火，表层硬度可达HRC58~60，心部硬度

HRC30~45，达到“外硬内韧”。

齿面经喷丸处理，可消除氧化皮，且使齿面表层产生残余压应力，有利于提高疲劳强度。正火：低碳合金钢，改善切削加工性能，HRC170~210。1、

调质：

淬火+高温回火，获得S回组织

具有较高的强度和较高的塑、韧性配合（良好的综合机械性能）

对于调质零件，淬透性对机械性能影响很大。三、合金调质钢1、

调质：三、合金调质钢调质钢属于中碳钢，含碳量0.27~0.50%（含碳量过低强度不足，过高韧性不足）。要获得具有良好综合机械性能的S回，必须先淬透获得M，添加Cr、Ni、Mn、Si、B提高淬透性。添加Mo、W，防止高温回火脆性（第二类回火脆），快速冷却法仅适用于小型零件，而对大截面尺寸零件难以奏效添加少量V细化晶粒，防止奥氏体晶粒长大，Al氮化元素2、

成分特点：调质钢属于中碳钢，含碳量0.27~0.50%（含碳量过低强度3、

常用调质钢

40Cr、40CrMo、42CrMo、

40CrNiMo、35CrMo、40CrMnMo、

38CrMoAl、30CrMnSi、40MnVB、

40CrMn、30CrNi3

3、

常用调质钢

40Cr、40CrMo、42CrMo、组织——表层：回火S应用

40Cr，一般尺寸重要零件，如齿轮、主轴。

35CrMo，较大截面零件，如曲轴、连杆。

40CrNiMo，大截面重载零件，如汽轮机主轴和叶轮。汽车曲轴热处理：调质，可附加表面淬火或氮化(38CrMoAl)。组织——表层：回火S应用汽车曲轴热处理：调质，可附加表面应用举例：用40Cr制作发动机连杆螺丝

发动机连杆螺丝，承受冲击性载荷（拉应力），且周期性变化，一旦发生断裂，会引起严重事故，要求有足够的强度、冲击韧性、抗疲劳。

加工工艺路线：坯料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→成品

应用举例：用40Cr制作发动机连杆螺丝

退火或正火：改善锻造组织，细化晶粒。有利于机械加工调质：组织为回火索氏体，不允许有块铁素体出现，硬度HRC30-38。高温回火后，水冷，防止第二类回火脆性。退火或正火：改善锻造组织，细化晶粒。有利于机械加工用途

广泛用于制造船舶、汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如机床齿轮、主轴、汽车发动机曲轴、连杆、螺栓等。

连杆曲轴机床齿轮用途

连杆1、对弹簧钢的要求四、合金弹簧钢性能要求：(1)高的屈服强度，疲劳强度和高的屈强比；(2)一定的塑性和韧性；(3)保证组织性能均匀，要求材料淬透性好；(4)另外在高温或腐蚀介质下工作时，材料应有好的环境稳定性。零件的主要作用：间断吸收冲击能量，缓和机械振动及冲击作用以及周期性贮存能量。1、对弹簧钢的要求四、合金弹簧钢性能要求：零件的主要作用：间2、成分特点含碳量高：碳钢0.60~0.75%C

合金钢：0.46~0.70%C

添加Si、Mn、Cr、V等合金元素，提高淬透性，回火稳定性，细化晶粒，改善机械性能。3、热处理特点

淬火+中温回火，获得回火屈氏体，бs/бb↑2、成分特点3、热处理特点4、常用弹簧钢a、锰弹簧钢60Mn、65Mn

优点：淬透性较高，强度较高，脱碳倾向较小，成本低。

缺点：过热敏感，回火脆性，бs/бb较低，存在淬火裂纹，适于制作小尺寸弹簧。

4、常用弹簧钢a、锰弹簧钢60Mn、65Mnb、硅锰弹簧钢55Si2Mn、60Si2Mn

优点：淬透型好，бs/бb高，回火稳定性好，是优良的弹簧钢；添加W、Mo、V、Nb等元素可进一步提高性能。缺点：脱碳倾向大。适用于汽车、机床板簧等。c、其它弹簧钢60Si2CrA、60Si2CrVAb、硅锰弹簧钢55Si2Mn、60Si2Mn

汽车板簧火车螺旋弹簧热处理：热轧弹簧：热成型→淬火+中温回火→喷丸冷轧弹簧：淬火+中温回火→冷成型→去应力→喷丸组织——回火T汽车板簧火车螺旋弹簧热处理：热轧弹簧：热成型→淬火+

五、滚珠轴承钢

1.用途

主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等，属专用结构钢。也用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。

滚珠滚珠轴承五、滚珠轴承钢

滚珠2.性能要求