碳钢及合金钢

3.1

碳钢

3.2

合金钢

3.3

铸钢与铸铁

3.4

有色金属及其合金第3章金属材料重点要求1.合金钢的编号方法，会辩认各种钢号；2.合金结构钢的成分，热处理及组织，性能及用途。３.工具钢的性能，成分，热处理目的和方法，组织；一般要求１.特殊性能钢；２.时效处理、热硬性等概念。3.1.1碳钢的成分和分类

碳钢的牌号及用途3.1碳钢3.1.1碳钢的成分和分类１.成分——w(C)≤2.11%Mn、Si→固溶强化S→热脆P→冷脆O、N、H→强度、塑性、韧性↓２.分类1〕按C含量分低C钢w(C)≤0.25%中C钢0.25%＜w(C)≤0.6%高C钢w(C)＞0.6%2〕按质量分〔S、P含量〕——普通碳素钢；优质碳素钢；高级优质碳素钢。3〕按用途分——碳素结构钢、碳素工具钢。3.1.2碳钢的牌号及用途1．碳素结构钢2．优质碳素结构钢3．碳素工具钢1．碳素结构钢牌号——如Q215B，表示s≥215MPa〔厚度≤16mm〕，B级质量。表3-1碳素结构钢的牌号和化学成分(GB/T700-1988)牌号等级化学成分脱氧方法w(C)%w(Mn)%w(Si)%w(S)%w(P)%不大于Q195－0.06-0.120.25-0.500.300.0500.045F,b,ZQ215A/B0.09-0.150.25-0.550.300.050/0.0450.045F,b,Z

Q235

A0.14-0.220.30-0.650.300.0500.045F,b,ZB0.12-0.200.30-0.700.300.0450.045F,b,ZC

0.180.35-0.800.300.0400.040ZD

0.170.35-0.800.300.0350.035TZQ255A/B0.18-0.280.40-0.700.300.050/0.0450.045ZQ275－0.28-0.380.50-0.800.350.0500.045ZGB/T700-1988标准GB700-79标准化学成分和力学性能均须保证A类钢——保证力学性能，B类钢——保证化学成分，C类钢——保证化学成分及力学性能。Q195A1；B1Q215A2；C2Q235A3；C3Q255A4；C4Q275C5碳素结构钢新、老标准钢号对照表3-2碳素结构钢的机械性能(GB/T700-1988)牌号等级拉伸试验冲击试验屈服点

s

，MPa抗拉

强度

b/MPa伸长率

s

,

%温度℃V型冲击功(纵向)J钢材厚度(直径)，mm钢材厚度(直径),

mm

16>40~60>100~150>150

16>40~60>100~150>150不小于不小于不小于Q195－195－－－315-39033－－－－－Q215A/B215195175165335-41031292726－/20－/27Q235A/BC/D235215195185375-46026242221－/200/-20－/27Q255A/B255235215205410-51024222019－/20－/27Q275－275255235225490-61020181615－－用途钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。热处理：热轧空冷组织：S＋F多边型角钢螺钉、铆钉钢筋、螺纹钢建筑构件钢桥梁2．优质碳素结构钢牌号——如45钢，含C量为45/10000=0.45%。表3-4优质碳素钢的化学成分和性能钢号化学成分，%

s

，MPa≥CMnSiSP08F10203540455060650.05-0.110.07-0.130.17-0.230.32-0.390.37-0.440.42-0.500.47-0.550.57-0.650.62-0.700.25-0.500.35-0.650.35-0.650.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.80

0.030.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.37<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035175205245315335355375400420(摘自GB/T699-1999)用途较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。汽车曲轴热处理：

渗碳、淬火、回火等。3．碳素工具钢牌号——如T12A钢，含C量为12/1000=1.2%，

A表示高级优质，w(S)

0.020%，w(P)

0.030%。钢号C%Mn%Si%S%

P%

退火后HBS,

水冷淬火温度，℃T7T8T8MnT9T10MnT10T12T130.65-0.740.75-0.840.80-0.900.85-0.940.95-1.040.95-1.041.15-1.241.25-1.35

0.40

0.400.40-0.60

0.400.40-0.60

0.40

0.40

0.40

0.35

0.35

0.35

0.35

0.35

0.35

0.35

0.350.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.03518718718719219207207217800-820780-800780-800760-780760-780760-780760-780760-780表3-4碳素工具钢的化学成分和性能（淬火后HRC≥62)(摘自GB/T1298-1986)用途冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。螺纹量规热处理：淬火+低温回火组织：回火M＋粒状Fe3C

+A'3.2.1概论3.2.2合金结构钢3.2.3合金工具钢3.2.4特殊性能钢3.2合金钢3.2.1概论１.合金钢的分类〔按用途分类〕合金结构钢——低合金结构钢、渗C钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢等。合金工具钢——刃具、模具、量具钢。特殊性能钢——不锈钢、耐热钢、耐磨钢。２.合金钢的编号结构钢——如60Si2Mn，w(C)=0.6%，w(Si)=2%，w(Mn)＜1.5%工具钢、特殊性能钢——如9SiCr，w(C)=0.9%，w(Si)、w(Cr)均＜1.5% 而CrWMn中，w(C)＞1.0%专用钢——如，滚动轴承钢GCr15，w(C)=1.0%，w(Cr)=1.5%高级优质钢——如，20Cr2Ni4A3.2.2合金结构钢1．低合金结构钢2．渗碳钢3．调质钢4．弹簧钢5．滚动轴承钢1．低合金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）成分——w(C)＜0.2%，主加元素Mn，附加V、Ti、Nb。性能——强度、韧性高，焊接、冷成形性能好。热处理、组织——热轧空冷，S＋F高压容器桥梁船舶车辆应用2．渗碳钢成分——w(C)=0.1～0.25%,韧性好。合金元素提高淬透性、耐磨性,细化晶粒。性能——渗层硬度高，耐磨，抗接触疲劳；心部韧性高、强度大。渗C钢的牌号（摘自GB/T3077-1999）（渗C:930℃，回火：200℃）p172主要化学成分,%预备处理／淬火,℃CMnCr，Ni0.17~0.24

0.17~0.240.50~0.80

1.30~1.600.70~1.00

880／800水,油880水,油0.17~0.230.17~0.23

0.90~1.200.80~1.10

0.90~1.201.00~1.30

850油880

／870油钢号20Cr

20MnV20CrMn20CrMnTi

淬透性低中高18Cr2Ni4WA

20Cr2Ni4A0.13~0.19

0.17~0.23W0.8~1.2

0.30~0.601.35~1.65

4.0~4.51.25~1.65

3.25~3.75950

／850空

880／780

油机械性能

bMPa

sMPa835

785540

5909301080

735835

1180

1180835

1080aKU2J47

554755

78

63热处理:组织——表层：回火M+碳化物+A′；心部：低C的回火M〔+T+F〕应用——耐磨件 20Cr，小轴、活塞销、小齿轮。 20CrMnTi，汽车齿轮。 18Cr2Ni4WA，如曲轴、连杆。渗碳→淬火→低温回火3．调质钢成分——w(C)=0.25～0.50%，合金元素消除回火脆性,提高回火抗力,强化F。性能——综合机械性能高调质钢的牌号（摘自GB/T3077－1999）淬透性钢号主

要

成

分,%淬火

℃回火

℃CMnSi

Cr低450.42~

0.500.50~

0.800.17~

0.37830~

840水580~

640空40Cr0.37~

0.450.50~

0.80Cr0.8

~1.10850油500

水，油中高35CrMo0.32~

0.400.40~

0.70Cr0.8

~1.10850油550

水，油38CrMoAlA0.35~

0.42Al0.7

~1.1Cr1.35

~1.65940

水，油640

水，油40CrMnMo0.37~

0.450.90~

1.20Cr0.9

~1.20850油600

水，油机械性能

bMPa

sMPaaKU2J

600

3553940MnB0.37~

0.441.10~

1.400.20~

0.40850油500

水，油9807854798078547980835639808357198078563热处理组织——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。调质，可附加外表淬火或氮化(38CrMoAl)。汽车曲轴4．弹簧钢成分——中、高碳，w(C)=0.45～0.70%，Si,Mn为主要元素，提高淬透性和屈强比。性能——σe

、σs、屈强比和疲劳抗力高，塑性大，耐震动、冲击。钢号主

要

成

分,%淬火

油

℃回火

℃机械性能

CMnSi,Cr

bMPa

sMPa

10

%akkJ/m2650.62~

0.700.50~

0.800.17~

0.37840

油50010008009450850.82~

0.900.50~

0.800.17~

0.37820

油48011501000660065Mn0.62~

0.700.90~

1.200.17~

0.37830

油5401000800880060Si2Mn0.56~

0.640.60~

0.901.50~

2.00870

油48013001200580050CrVA0.46~

0.540.50~

0.80Cr0.8

~1.10850

油50013001150

59800〔摘自GB/T1222－1985〕汽车板簧火车螺旋弹簧应用： 65Mn、60Si2Mn：汽车，拖拉机，机车的板簧和螺旋弹簧。

50CrVA：阀门弹簧，高速柴油机气门弹簧。常用的两类合金弹簧钢：

①以Si、Mn为主要合金元素：65Mn、60Si2Mn

②含Cr、V、W等合金元素：50CrVA，适合在350－400℃重载弹簧。

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T5．滚动轴承钢性能——高接触疲劳强度、高硬度和耐磨性，韧性、淬透性好。成分特点：①高碳:保证高硬度、耐磨性和高强度，一般0.95～1.10％含碳量。②Cr为根本合金元素:提高淬透性，并形成细小弥散分布的碳化物，提高钢的耐磨性，特别是疲劳强度。③参加Si、Mn、V等合金元素:Si、Mn进一步提高淬透性，可制造大型轴承。V局部溶于A中，局部形成VC，可以提高耐磨性并防止过热。④高的冶金质量：钢中非金属夹杂和不均匀的碳化物对接触疲劳强度影响很大，一般采用电炉冶炼并真空除气处理，在热处理中必须保证碳化物的弥散分布。我国轴承钢分两类：铬轴承钢：GCr15添加Mn、Si、Mo、V的轴承钢：GMnMoVRE〔节约Cr〕钢号主要化学成分，w/%热处理规范及性能CCrSiMn淬火℃回火℃回火后HRCGCr40.95~1.050.35~0.00.15~0.300.15~0.30800~820150~17062~66GCr150.95~1.051.40~1.650.15~0.350.25~0.45820~840150~16062~66GCr15SiMn0.95~1.051.40~1.650.45~0.750.95~1.25820~840170~200>62GMnMoVRE0.95~1.050.15~0.401.10~1.40770~810170

5

62GSiMoMnV0.95~1.100.45~0.650.75~1.05780~820175~200

62〔摘自GB/T18254－2002〕应用

GCr15：中小型轴承，冷冲模，量具，丝锥。热处理:球化退火+淬火+低温回火冷处理，时效〔120～140℃,10～20h〕：稳定尺寸，去应力。组织——回火M＋细碳化物＋少量A'1．合金刃具钢2．合金模具钢3．量具用钢3.2.3合金工具钢1．合金刃具钢〔１〕性能要求高硬度——机加工刀具HRC＞60高耐磨性——刀具寿命和生产率↑ 组织要求——硬而细小的碳化物，均匀分布在强而韧的钢基体中。高的热硬性〔红硬性〕——高温下保持高硬度的能力，与回火稳定性有关。足够的韧性——以承受冲击载荷〔２〕低合金刃具钢成分——w(C)=0.9~1.5%，合金元素＜5%。性能——HRC＞60，使用温度200~300℃。钢号主要化学成分，w/%热处理及性能CMnSiCr淬火℃回火℃回火后HRC9SiCr0.85~0.950.30~0.601.20~1.600.95~1.25860~880油180~20060~62CrWMn0.90~1.050.80~1.10W1.2~1.600.90~1.20820~840油140~16062~65〔摘自GB/T1299－2000〕热处理——球化退火〔+机加工〕+淬火+低温回火最终组织——回火M+合金碳化物+少量A'应用

——如9SiCr，做板牙、丝锥等。板牙丝锥〔３〕高速钢成分特点：①高碳，w(C)=0.7~1.2%，一方面保证能与WCrV等形成足量的碳化物，另一方面还要有一定的碳溶于奥氏体中保证M的硬度；②参加Cr、W、Mo、V等合金元素，Cr提高淬透性和抗氧化脱碳，W、Mo保证红硬性，V形成VC，弥散分布，提高硬度和耐磨性；性能：高硬度、耐磨性——VC等弥散硬化 高热硬性——600℃时HRC≈62，W2C等提高热硬性。 高淬透性——尺寸不大时可空冷淬火，Cr等元素提高淬透性。钢号主要化学成分，w，%热处理及性能CWVCrMo淬火℃回火℃回火后HRCW18Cr4V0.70~0.8017.5~19.01.00~1.403.80~4.401270~1285油550~570

三次≥63W6Mo5Cr4V20.80~0.905.50~6.751.75~2.203.80~4.404.75~5.501210~1230油540~560

三次≥63热处理〔锻造+〕球化退火〔+机加工〕→淬火+回火锻造目的——成型；使铸态粗大碳化物破碎、细化、分布均匀。淬火，1280℃——增加A、M中合金含量，提高热硬性。淬火组织〔左图〕：M+碳化物+A'最终组织〔右图〕：回火M+粒状碳化物+少量A'回火，560℃，三次——W2C、VC弥散硬化，二次淬火根本消除A'。应用——高速车刀、钻头、铣刀等。2．合金模具钢〔１〕冷模具钢——冷冲、冷镦、冷挤压模等。性能——高硬度、耐磨性，足够的韧性和疲劳抗力，热处理变形小。应用小型模具——9Mn2V、9SiCr、CrWMn等。大型模具——Cr12、Cr12MoV等，热处理变形小。成分特点：①高碳〔>1.0％〕，保证高硬度和耐磨性；②参加Cr、W、Mo、V等合金元素，形成难熔碳化物，提高耐磨性。如Cr12型钢中Cr含量达12％，形成M7C3型碳化物，极大的提高耐磨性，且Cr还显著提高钢的淬透性。最终热处理——淬火+低温回火最终组织——回火M+碳化物+少量A'〔２〕热模具钢——热锻、热挤压、压铸模等。性能——耐热性、热疲劳抗力高。应用中小型模具——5CrMnMo等。大型模具——3Cr2W8V等，淬透性好。H13钢〔4Cr5MoV1Si〕最终热处理——淬火+高温回火最终组织——回火T

或回火S3．量具用钢——卡尺、千分尺、塞规等性能——高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性。应用

简单量具——T10A、T12A等。

高精度量具——GCr15、CrWMn等。最终热处理——淬火+〔-70～-80℃〕冷处理+低温回火+时效处理时效处理：120～130℃，保温几～几十小时，使M、A'稳定，消除内应力。最终组织——回火M+碳化物+少量A'1．不锈钢2．耐热钢3．耐磨钢3.2.4特殊性能钢1.不锈钢钢的抗腐蚀措施形成单相组织。参加Cr，降低两相的电极电位差。参加Cr、Al等，生成致密的外表氧化膜。常用不锈钢F型——如1Cr17，化工设备、食品工业。M型——如1Cr13用于汽轮机叶片；3Cr13做手术器具及刀具。A型——如1Cr18Ni9Ti用于化工、食品、医疗行业。

A-F型——如1Cr21Ni5Ti成分特点：1.含碳量：耐蚀性要求越高，含碳量应越低。一般C≤0.1％〔防止晶间形成碳化物，晶界周围贫铬〕2.参加主要耐蚀元素Cr；提高钢基体的电极电位〔Cr≥12％〕，并在氧化介质中极易形成钝化膜。3.参加镍：形成单相奥氏体，显著提高耐蚀性。4.参加钼、铜：提高在非氧化介质中的钝化能力。5.参加钛、铌：优先形成碳化物，防止晶间腐蚀。不锈钢的成分、热处理、性能钢号主

要

化

学

成

分,%淬火

℃回火

℃CCrNiTi类别机械性能

bMPa

sMPa

5

%HRC

HB1Cr13

0.1512~

14950~

1000水,油700~

7504Cr130.36~

0.4512~

141050~

1100油200~

300M型540345680400254159501Cr17

0.1216~

18780~

850正火0Cr18Ni9

0.0717~

198~

121010~

1150水F型A型A-F型45020552020522401831871Cr18Ni9Ti

0.1217~

199~

12

0.5

~0.8920~

1150水520205401871Cr21Ni5Ti0.09~

0.1420~

224.8~

5.8

0.35

~0.8950~

1100水,空60035020奥氏体不锈钢常用的热处理工艺：1.水韧处理将钢加热至1050℃－1150℃，使碳化物充分溶解，然后水冷，获得单相奥氏体组织，提高耐蚀性。2.稳定化处理固溶处理后，将钢加热至850℃－880℃，使钢中Cr的碳化物完全溶解，而Ti等的碳化物不完全溶解，然后缓慢冷却，让溶于奥氏体的C与Ti以TiC形式析出，防止晶间腐蚀。〔用于含Ti或Nb的钢〕3.消除应力退火将钢加热至300℃－350℃消除冷加工应力，加热至850℃以上消除焊接剩余应力。２.耐热钢抗氧化性：金属在高温下的抗氧化能力热强性：热强性是指钢在高温下的强度用途：锅炉、燃气轮机等类别钢号主

要

化

学

成

分,%淬火

℃回火

℃CCrNiTiM型1Cr13

0.1512~

14950~

1000油700~

7501Cr11MoV0.11~

0.1810~

11.5Mo0.5

~0.71050~

1100空720~

740A型1Cr18Ni9Ti

0.1217~

198~

11

0.5

~0.8920~

1150水机械性能

bMPa

sMPa540345490685520205

5

%2040HB159159187３.耐磨钢ZGMn13成分特点：高碳，保证硬度和耐磨性〔但不超过1.4％保证韧性〕；高锰，保证完全获得奥氏体组织；一定的硅，改善钢水的流动性，并起固溶强化的作用。热处理：水韧处理加热至1000℃～1100℃，保温使碳化物全部溶解，水冷，在室温下得到单相A组织，硬度低，韧性高。性能：工件在工作中受到冲击变形时，表层产生加工硬化，及M转变，硬度显著提高，心部保持高韧性。用途：履带、铁道岔道小结重点要求1.合金钢的编号方法，会辩认各种钢号；2.合金结构钢的成分，热处理及组织，性能及用途。３.工具钢的性能，成分，热处理目的和方法，组织；一般要求１.特殊性能钢；２.时效处理、热硬性等概念。作业3P21~22 week12,Nov162.

3)，7)~9)，21)3.

2)，5)P21~22 week12,Nov182.

4)~6)，10)，12)3.

1)，3)，4)，6)，7)作业3a2.27)除〔〕、〔〕外，几乎所有的合金元素都使Ms、Mf点下降，因此淬火后相同C质量分数的合金钢与C钢相比，剩余A〔 〕,使钢的硬度〔 〕。CoAl增多下降3.26)所有的合金元素都能提高钢的淬透性。〔 〕No 28)合金元素对钢的强化效果主要是固溶强化。〔 〕No作业2f参考答案

P145.26)直径为10

mm

的共析钢小试样加热Ac１+

30℃，用图1-3所示的