第七章工业用钢.ppt

1、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0.250.6% 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,二、碳素钢,1.碳素结构钢: Q 235 A F,（一）编号及用途,碳素工具钢,T 12 A,（二）碳钢的不足,由于碳钢具有较好的机械性能

2、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s=235MPa，而低合金结构钢16Mn的s=360MPa以上。40钢的s /b仅为0.43, 而合金钢35CrNi3Mo的s /b高达0.74。,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

3、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。,（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。,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

4、%） 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,（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。,（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,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

5、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。,溶于基体中形成合金F或合金A,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、

6、V、Ti、Nb、Zr。,Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr,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。,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。,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,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%

7、9%的不锈钢和Mn%13%的ZGMn13耐磨钢均属奥氏体钢。,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。,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。,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,同时

8、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0.70.8%,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。,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

9、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。,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。,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C

10、o、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。,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500600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。,W、Mo、V 等碳化物在550时,使钢达到最高硬度, 产生二次硬化。,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500600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

11、淬火”。,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,（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，Mn 1.8 %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。,2.编 号 方 法,牌号: Q 345 C,3.热处理特点 1）这类

12、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。,（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

13、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、3,20 Mn2 Ti A,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。,（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

14、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。,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。,Wc 0.25 %,Wc = 0.150.25 %,合金元素:Cr、Mn、 Ni、B

15、、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,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20 CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。,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,（四）合金调质钢,性能要求 调质件大

16、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；,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%

17、0.30%，或W的质量分数为0.8%1.2%。,Wc = 0.250.6 %,Wc = 0.250.5 %,合金元素: Cr、Mn、 Ni、B、Si、V、 W、Mo、Ti等。,表层: S回,心部: P + F,表层: S回,心部: S回,常用钢种,1.40Cr 低淬透性合金调质钢，油淬临界直径为30 mm40 mm，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40 mm60 mm,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60 mm100 mm，铬镍钢中加入适当的钼，不但具有好的淬透性，还可

18、消除第二类回火脆性。,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55 HRC58 HRC。 2.合金调质钢淬透调质后的屈服强度约为800 MPa, 冲击韧性在800 kJ/m2心部硬度可达22 HRC25 HRC。若截面尺寸大而未淬透时，性能显著降低。,（五）合金弹簧钢,性能要求 1.高的弹性极限e，尤其是高的屈强比s /b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r，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

19、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。,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。,碳素弹簧钢,合金弹簧钢,化学成分,热处理后的组织,Wc = 0.60.9 %,Wc = 0.50.7 %,合金元素: Si、

20、Mn、 Cr、V、W、Mo等。,T回,制造尺寸小于 815mm的 小型弹簧。,T回,制造尺寸在2025 mm左右的弹簧。,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。,（六）滚动轴承钢,性能要求 1.高的硬度强度和耐磨性; 2.高的接触疲劳强度; 3.足够的韧性和耐蚀性; 4.高的纯净度; 成分特点 1.高碳, Wc = 0.91.1%，以