碳素钢与合金钢 (2)-3

上海第二工业大学机电工程学院关于碳素钢与合金钢(2)机械制造基础第1页

，共28页

，编辑于2022年

，星期五1

钢的分类与编号1.1

钢的分类碳素钢（碳钢）:含碳量在0.0218％～2.11％的铁碳合金。合金钢:在碳钢基础上添加适量合金后形成。2/4/2023

第2页,共28页,编辑于2022年,星期五2普通质量钢

(ω

s=0.035%-0.050%,

ω

p=0.035％-0.045％)优质质量钢

(ω

s

≤0.035%,ω

p

≤0.035％)高级优质钢

(ω

s=0.020％

-0.030%,

ωp

＝0.025％

-0.030％)特级优质钢

(ω

s

≤0.015%,

ωp

≤0.025％)低碳钢

ωc

≤0.25%中碳钢0.25<ωc＜0.60%

高碳钢ωc

≥0.60%低合金钢ωMe≤5%中合金钢5%<ωMe＜

10%

高合金钢ωMe≥

10%按化学成份分碳素钢合金钢沸腾钢（标F）镇静钢（标Z,可省略）半镇静钢（标b）特殊镇静钢（标TZ）2/4/2023

按钢的质量分按钢脱氧程度分第3页,共28页,编辑于2022年,星期五3{金高强度结构钢)优质碳素结构钢铸钢(0.15<ωc＜0.60%)合金结构钢（合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢,滚动轴承钢(低合构钢合金结构钢普通碳素结机器零件用钢碳素工具钢（刃具、模具和量具用钢）合金刃具钢

合金模具钢

合金量具钢不锈钢

耐热钢

耐磨钢2/4/2023

工程结构用钢特殊性能钢合金工具钢按用途分工具钢结构钢第4页,共28页,编辑于2022年,星期五4硅:能溶于铁素体，使铁素体强化，提高钢的强度和硬度。硅来自炼钢时的生铁和脱氧剂硅铁。作为杂质存在时，硅的质量分数不超过0.5%，多在ωSi=0.10-0.40%。硅在钢中是有益元素，含量不多而作为杂质元素存在时，对钢的性能影响不大。锰:能溶于铁素体，使铁素体强化，也能溶于渗碳体，提高渗碳体硬度，对钢有一定的强化作用。锰来自炼钢时的生铁和脱氧剂锰铁。锰在钢中作为杂质元素存在时，其含量小于0.8%，是一种有益元素。硫:来自于炼钢时的生铁和燃料。硫在固态下不溶于铁，以FeS形式存在。FeS与Fe形成低熔点（985℃)共晶体Fe+FeS，且分布在奥氏体晶界上。当钢在1000~1200℃进行压力加工时，由于低熔点共晶体熔化，显著减弱晶粒之间的联系，出现晶界开裂，称此种现象为热脆。因此，钢中硫的含量必须严格控制。炼钢时增加锰可消除硫所形成的热脆。Mn与S形成高熔点（1620℃)的MnS，呈颗粒状分布在晶粒内，MnS在高温时有一定塑性，可避免钢的热脆产生。2钢中常存杂质元素及影响2/4/2023

第5页,共28页,编辑于2022年,星期五52/4/2023硫虽然产生热脆，但对改善钢的切削加工性有利。如在硫的质量分数较高(ωs=0.08~0.45%)的钢中适当提高锰的质量分数(ωMn=0.7~1.55%)可形成较多的MnS，切削过程中MnS能起断屑作用，可改善钢的切削加工性，依此特性开发出的钢称为易切削钢。这些钢主要用于标准件的生产中。磷:炼钢时由生铁带入的杂质。磷能全部溶于铁素体，可提高铁素体的强度、硬度，但急剧降低钢在室温下的塑性和韧性，使钢变脆，称此现象为冷脆。故磷是一种有害元素，须严格控制其在钢中的含量。磷的有害作用在一定条件下可实现转化，如在易切钢中，把磷的含量提高到ωP=0.05~0.15%，使铁素体脆化，可改善钢的切削加工性。其它元素（O、H、N）的作用:这些元素在钢中基本上是有害的。[O]使钢的强度、塑性降低；[H]可使钢中出现白点和氢脆；[N]可使钢产生兰脆。第6页,共28页,编辑于2022年,星期五6➢强化铁素体绝大多数合金元素都可或多或少地溶于铁素体中,形成合金铁素体。合金元素的溶入,一是引起铁素体晶格畸变,二是易于分布在晶体缺陷处,使位错移动困难,提高钢的塑性变形抗力。固溶的结果,使铁素体的强度、硬度提高塑性、韧性有下降趋势。对常见的硅、锰、铬、镍而言,其含量必须控制在一定范围,才能取得预期强化效果。➢形成合金碳化物钒、铌、锆、钛为强碳化物形成元素,铬、钼、钨为中碳化物形成元素,锰为弱碳化物形成元素。第7页,共28页,编辑于2022年,星期五在炼钢过程中有目的地加入的一些元素,称为合金元素。常用的合金元素有锰(ωMn＞1%）、硅(ωSi＞0.5%）、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铝、钴、硼、稀土（RE）等。合金元素的加入,改变了钢的组织结构和力学性能,同时也改变了钢的相变点和合金状态图。2.1合金元素在钢中的存在形式2

合金元素在钢中的作用2/4/2023

7合金碳化物有合金渗碳体和特殊碳化物两类。合金渗碳体比渗碳体略为稳定,硬度也较高,是一般低合金钢中碳化物的主要存在形式。特殊渗碳体是与渗碳体完全不同的合金碳化物,通常由中强或强碳化物形成元素与碳所形成。特殊碳化物,特别是间隙相碳化物,比合金碳化物有更高的熔点、硬度与耐磨性,并且更为稳定,不易分解。合金碳化物的种类、性能和在钢中的分布形态直接影响到钢的性能及热处理时的相变。如当钢中存在弥散分布的特殊碳化物时,将显著提高钢的强度、硬度与耐磨性,而不降低韧性,这有利于提高钢的使用性能。2/4/2023

第8页,共28页,编辑于2022年,星期五82/4/20232.2合金元素对Fe-Fe3C相图的影响钢中加入合金元素后,对铁碳合金相图的相区、相变温度、共析成分等都有影响。➢对临界温度的影响降低临界温度A1、A3Ni、Mn、Cu、Co、N等元素加入后可使钢的A1、A3温度点降低,GS线向左下方移动,奥氏体区扩大,这类元素大都具有面心立方晶格,当这些元素在钢中的质量分数足够高时,将使A3降至室温以下,此时钢为单相奥氏体组织,即奥氏体钢。该类钢具有特殊的性能,如ZGMn13具有高耐磨性,1Cr18Ni9奥氏体钢具有耐蚀、耐高温,并具有抗磁、无冷脆等特性。提高临界温度A1、A3Al、Si、Cr、W、Mo、V、Ti等元素的加入可使钢的A1、A3温度升高,使铁素体相区扩大,当钢中这些元素含量足够高时,钢的组织在高温及室温时均为单相铁素体。第9页,共28页,编辑于2022年,星期五9➢改变Fe-Fe3C相图中S、E点位置E点是钢与铸铁的分界点。碳质量分数超过此点的钢,将出现莱氏体组织。几乎所有的合金元素均能使E点左移。其中强碳化物形成元素如W、Ti、V、Nb的作用最为强烈。对高合金钢W18Cr4V(ωC=0.7%-0.8%),Cr12MoV(ωC=1.4%-1.7%)等,因E点的左移使其铸态组织中出现了菜氏体,故此两钢均称为菜氏体钢。在大多数情况下,几乎所有的合金元素也都使S点左移。如ωC=0.4%的碳钢本属亚共析钢,但在加入12%铬后就成了共析钢。4Cr13、3Cr2W8V等钢的ωC也都小于0.77%,也因S点的左移,都已属过共析钢。在退火或正火处理时,碳质量分数相同的合金钢组织中比碳钢具有更多的珠光体故其硬度和强度较高2/4/2023

第10页,共28页,编辑于2022年,星期五10➢对奥氏体化的影响绝大多数合金元素（尤其是碳化物形成元素）对非奥氏体组织转变为奥氏体时的形核与长大、残余碳化物的溶解、奥氏体成分均匀化有不同程度的阻碍与延缓作用,由此大多数合金钢在热处理时一般要有较高的加热温度和较长的保温时间。➢对奥氏体晶粒度的影响钛、钒、锆、铌等强碳化物形成元素可强烈阻止奥氏体晶粒长大,有细化晶粒作用,钨、铬、钼等元素的作用中等,镍、硅、铜等非碳化物元素的作用微弱,可不予考虑。锰、磷等则提高奥氏体晶粒的长大倾向,故含Mn钢（如65Mn、60Si2Mn）加热时要严格控制加热温度和保温时间,否则将会得到粗大的晶粒而降低钢的强韧性—即出现过热缺陷。2.3.2对钢冷却时过冷奥氏体转变的影响除钴外,大多数合金元素溶入奥氏体后都降低原子扩散速度,使奥氏体稳定性增加,C曲线右移。由于C曲线右移,钢的临界冷却速度降低,增大了钢的淬透性。除钴、铝外,固溶于奥氏体中的合金元素均可使马氏体转变时的Ms、Mf降低,增加钢淬火后的残留奥氏体量,某些高碳合金钢（如W18Cr4V)残留奥氏体量高达30%-40%。为消除残留奥氏体的不利影响,淬火后必须进行冷处理和回火处理来消除之。2.3

合金元素对钢的热处理的影响2.3.1对奥氏体加热转变的影响2/4/2023

第11页,共28页,编辑于2022年,星期五112/4/20232.3.3对淬火钢回火转变的影响➢提高钢的回火稳定性钢在回火时抵抗硬度下降的能力，称为回火稳定性。淬火时溶于马氏体的合金元素回火时有阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大的作用，使硬度降低过程变缓，提高钢的回火稳定性。要得到相同的回火硬度，合金钢的回火温度要比相同碳质量分数的碳钢高，回火时间也长。当回火温度相同时，合金钢的强度、硬度要比碳钢高。➢产生二次硬化效应含有较多量中强或强碳化物形成元素，如钨、钼、铬、钒等的钢，在500-600℃回火时会从马氏体中析出特殊碳化物，析出的碳化物高度弥散分布在马氏体基体上，如W2C.Mo2C.VC等。这些碳化物硬度极高、热稳定性高且不易长大，此时钢的硬度与强度不但不降低，反而会明显升高（甚至会比淬火钢硬度还高），此即为二次硬化现象。由于特殊碳化物的析出，使残余奥氏体中碳及合金元素的浓度降低，提高Ms温度，随后冷却时会有部分残余奥氏体转变为马氏体，这两者均致产生二次硬化作用。二次硬化现象对需要较高红硬性的工具钢（如高速钢）具有重要意义。➢产生高温回火脆性含有铬、锰、镍等元素的合金钢，淬火后在450-650℃高温范围内回火并缓慢冷却后，会出现冲击韧性急剧下降的现象，此即为回火脆性。回火脆性分为可逆和不可逆两种情况，产生原因一般为锑（Pb）、锡（Sn）、磷等杂质元素在原奥氏体晶界上的偏聚，钢中镍、铬等合金元素有促进杂质偏聚的作用，而且本身也向晶界偏聚。减少钢中杂质元素的质量分数，或者加入能抑制晶界偏聚的元素，可解决或减轻高温回火脆性倾向。第12页,共28页,编辑于2022年,星期五12Q195

Q215Q235Q255

Q275133.1工程结构用结构钢3.1.1碳素结构钢制作强度较高的零件,如小轴、销子、连杆和农机零件。3

结构钢质量等级A.B、C、D牌号

:Q+数字—质量等级·脱氧程度符号（屈服强度235MPa

,A级沸腾钢）塑性好,钢板、钢筋、型钢、螺钉、螺帽。2/4/2023

为“屈服

”字拼音首字母F、b、Z（P49,表5.4.1）例:Q235—A·F屈服强度数值重要焊接结构件优质普通质量第13页,共28页,编辑于2022年,星期五例:Q390A屈服强度390MPa,A级低合金高强度结构钢。结合我国资源条件发展起来的钢种，属低碳结构钢，合金元素总量在3%以下，以Mn为主。新产品同时保证力学性能与化学成分。与碳素结构钢相比，低合金高强度结构钢有较高强度、足够塑性、韧性，良好的焊接工艺性，较好的耐腐蚀性和较低的冷脆转变温度。质量等级A、B、C.D、E为“屈服

”字拼音首字母 3.1.2低合金高强度牌号

:Q

+

数字—质量等级·脱氧程度符号屈服强度数

值F

、b、Z

、TZ2/4/2023

（P50,表5.4.2）结构钢第14页,共28页,编辑于2022年,星期五1408F,10F—塑性好,焊接性能好,主要用于制造冲压件和焊接件。轧成薄板,钢带和冷冲压件。15,20,25—冷冲压件,焊接件,适于渗碳处理。35,40,45,50,55—齿轮、轴类、连杆、销类件,适于调质处理,具有良好的综合力学性能。60、65,70—主要用于制造弹簧等弹性零件及耐磨零件。经淬火+中温回火后可获得高的比例极限。3.2

机械零件用结构钢例:08F，30A，45，15MnF表沸腾钢，0.30%C，后有“A”表高级优质钢）牌号

:用两位数字表示+

锰的化学元素符号3.2.1优质碳素结构钢若钢中锰的含量超

过0.7%平均碳质量分数

的万分数2/4/2023

（P51,表5.4.3）第15页,共28页,编辑于2022年,星期五15例:20CrMnTiC=0.2%，Cr1.5%，40CrC=0.4%，Cr1.5%60Si2MnC=0.6%，Si1.5%、163.2.2合金结构钢合金元素含量少于1.5％时不标数字

1.5％-2.49％标22.5％-3.49％标3……类推合金渗碳钢ω

c=0.10％-0.25%合金调质钢ωc=0.25％-0.50%

合金弹簧钢ωc=0.50％

-0.70%牌号

:两位数字+合金元素符号1和其百分含量+类推（P53,表5.4.4）（P54,表5.4.5）2/4/2023

平均碳质量分数的万分数Mn1.5%,Ti1.5%第16页,共28页,编辑于2022年,星期五Mn

1.5%如:GCr9GCr15滚动轴承钢的纯度要求极高，硫、磷含量限制极严(ωs＜0.020%,ωp＜0.027％)。因硫、磷形成非金属夹杂物，降低接触疲劳抗力。故它是一种高级优质钢(但在牌号后不加“A”字)。合金钢--易切削结构钢在钢中加入一种或几种元素，利用其本身或与其它元素形成一种对切削加工有利的夹杂物来改善钢的切削加工性能。材料被切削加工的难易程度，一般以硬度的高低来考虑。对切削性能来说，最好的硬度值为(170-220)HBS。硫和铅是最广泛应用的易切削添加元素，钙和磷也较为常用。常用钢种有Y15Pb、Y12.Y40Mn。2/4/2023（P56,表5.4.6）为Cr含量的千分数3.2.3滚动轴承钢牌号

:G

+

Cr

+

数字为“滚动轴承

”字拼音首字母第17页,共28页,编辑于2022年,星期五17主要用于制造形状复杂，需要一定强度，塑性和韧性的零件。如重型机械机架，齿轮，轧辊，机座，缸体，阀体等。例:ZG200-400，机座，箱体ZG230-450，外壳、轴承盖、阀体ZG270-500，机架、轴承座、连杆、箱体、缸体等为“铸钢

”字拼音首字母3.2.4铸造碳钢屈服强

度数值抗拉强

度数值2/4/2023

牌号:

ZG

+

数字-数字（P56,表5.4.7）第18页,共28页,编辑于2022年,星期五18例:T10A，T9，T12Mn，(A表示高级优质碳素工具钢）T7，T8:强度，韧性较高，用于制作冲头、凿子、榔头。T9，T10，T11:强度，韧性适中，用于制作钻头。T10A，T12A:刨刀、丝锥、手锯及冷作模具。4.1.1碳素工具钢(ωc=0.65-1.35％）,（P58,表5.5.1）平均碳质量分数

的千分数4

工具钢若钢中锰的含量超

过0.4%4.1

刃具钢牌号:T+数字+

锰的化学元素符号为“碳

”字拼音首

字母2/4/2023

第19页,共28页,编辑于2022年,丝锥板牙星期五19合金元素含量少于1.5％时不标数1.5％-2.49％标22.5

％-3.49％标33.5％-4.49％标4……类推牌号

:一位数字（或没有数字）

+合金元素符号1和其百分含量+类推一位数字表示碳质量分数的千分数

没有数字表示碳质量分数大于1%2/4/2023

(

ωc

=0.75-1.45％）

，

（P59，表5.5.2）例:9SiCrωc=0.9%，ωcr0.9%，ωsi1.5%4.1.2低合金刃具钢第20页,共28页,编辑于2022年,星期五20成分特点:①高C（0.7%-1.5%）②加入Cr提高淬透性③加入W，Mo提高热硬性④加入V提高耐磨性性能特点:①高硬度（HRC＞60）②高耐磨性③高热硬性④足够塑性和韧性典型钢号及其应用:①W18Cr4V车刀、铣刀、刨刀、钻头、拉刀。②W6Mo5Cr4V2丝锥、铰刀、钻头等。一种合金元素含量很高的刃具钢,它在600℃时,仍能使硬度保持在HRC60以上,从而保证其切削性能和耐磨性。高速钢刀具的切削速度可比碳素工具钢和合金工具钢刀具增加1-3倍,耐用性增加7-14倍。由此,其在机械制造业中应用广泛。4.1.3高速钢(ωc=0.70-1.60％）,（P60,表5.5.3）第21页,共28页,编辑于2022年,星期五2/4/2023机铰刀手铰刀21第22页

，共28页

，编辑于2022年

，星期五

2/4/2023

高速钢铣刀22热处理:等温或球化退火＋1280℃淬火＋560℃-580℃回火(三次)高速钢钻头合金元素含量少于1.5％时不标数1.5％-2.49％标22.5％-3.49％标33.5％-4.49％标4

……类推牌号

:一位数字（或没有数字）+合金元素符号1和其百分含量+类推一位数字表示碳质量分数的千分数

没有数字表示碳质量分数大于1%Cr12MoVωc1.0%,ωcr=11%-13%,ωMo1.5%23第23页,共28页,编辑于2022年,星期五4.2.1冷作模具钢（P61,表5.5.4）4.2

模具钢2/4/2023

合金元素含量少于1.5％时不标数1.5％-2.49％标22.5％-3.49％标33.5％-4.49％标4

……类推牌号

:一位数字（或没有数字）

+合金元素符号1和其百分含量+类推一位数字表示碳质量分数的千分数没有数字表示碳质量分数大于1

%3Cr2W8Vωc=0.3%,ωcr=1.5%-2.49%,ωMo7.5-9.0%24第24页,共28页,编辑于2022年,星期五4.2.2热作模具钢(ωc=0.4%-0.6％）,（P62,表5.5.5）2/4/2023

碳素工具钢T10A和T12A经淬火和低温回火后能获得高硬度和耐磨性,但长时间使用和存放会引起尺寸变化,故不能用来制造精密量具。合金工具钢9Mn2V、CrWMn和GCr15淬透性好,用油淬造成的内应力比水淬的碳钢小,低温回火后残余内应力也较小；同时合金元素使马氏体分解温度提高,因而组织稳定性提高,使用过程中尺寸变化倾向比碳素工具钢小。精度要求高、形状复杂的量具可用合金工具钢制造。量具钢的最终热处理淬火、低温回火以获得高硬度和高耐磨性。对高精度量具,为保证尺寸稳定,在淬火与回火之间进行一次冷处理（-80~-70℃),以消除淬火后组织中存在的大部分残余奥氏体。对精度要求特别高的量具,在淬火、回火后还需进行时效处理,时效温度120~130℃,时间24~36h,以进一步稳定组织,消除内应力。量具精磨后再进行8h左右时效处理,以消除精磨中产生的内应力。第25页,共28页,编辑于2022年,星期五用于制造游标卡尺、千分尺、量块、塞规等测量工具

。

因使用过程中与工件接触

，

受到磨损与碰撞

，

故要求工作部分应有高硬度（HRC58~64）

和高耐磨性以及高的尺寸稳