第九章 碳钢及合金钢.docx

1、第九章 碳钢及合金钢第九章 碳钢及合金钢(工业用钢)一、教学目的及其要求通过本章学习，使学生熟悉和了解我国的钢材编号规则，掌握各类钢种的牌号，熟悉钢中杂质与合金元素的分布规律及其对钢材性能的影响，熟悉常用钢材的牌号、用途、性能及热处理特点。二、 主要内容1合金元素在钢中的作用2我国的钢材编号方法3常用的结构钢、工具钢、特殊性能钢（不锈钢）的用途、性能及热处理特点三、学时安排4学时四、教学重点1我国的钢材分类及牌号编制方法 2 结构钢、工具钢、不锈钢的用途、性能及热处理特点五、教学难点 1钢的合金化原理。六、教学过程第一节 工业用钢的分类及牌号表示方法钢是经济建设中使用最广、用量最大的金属材料，

2、在现代工农业生产中占有重要地位。 碳钢：含碳量在0.0218%2.11%之间的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢。合金钢：在碳钢的基础上特意地加入一种或几种合金元素，使其使用性能和工艺性能得以提高的铁基的合金称为合金钢。钢中除铁、碳及合金元素外，还有炼钢时随生铁、脱氧剂和燃料带入的硅、锰、硫、磷、氮、氢、氧等元素。钢的分类方法多种多样，其主要方法有如下几种： 一、钢材的品种 为便于采购、订货和管理，我国目前将钢材按外形分为型材、板材、管材、金属制品四大类，共十六大品种： 1型材钢轨、型钢（圆钢、方钢、扁钢、六角钢、工字钢、槽钢、角钢及螺纹钢等）、线材（直径 5-10毫米的圆钢和盘条）等。2板材薄钢板

3、：厚度等于和小于 4毫米的钢板；厚钢板：厚度大于 4毫米的钢板；又可分为中板（厚度大于4mm小于20mm）、厚板（厚度大于20mm小于60mm）、特厚板（厚度大于60mm）；钢带：也叫带钢，实际上是长而窄并成卷供应的薄钢板；电工硅钢薄板：也叫硅钢片或矽钢片。3管材无缝钢管：用热轧、热轧冷拔或挤压等方法生产的管壁无接缝的钢管；焊接钢管：将钢板或钢带卷曲成型，然后焊接制成的钢管。4金属制品：包括钢丝、钢丝绳、钢绞线等。二、钢的分类钢的种类繁多，为了便于生产、使用和研究，可以按照化学成分、冶金质量和用途对钢进行分类。1按化学成分分类。碳钢、合金钢两大类。碳钢：低碳钢（Wc0.25%）、中碳钢（Wc=

4、0.25%0.60%）和高碳钢（Wc0.6%）合金钢：按钢中含合金元素总量（Me%）分为低合金钢（Me10%）。按合金元素的种类可分为锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、硅锰钢等。2按冶金质量分类。按钢中所含有害杂质硫、磷的多少，可分为：普通钢：S%0.055%，P%0.045%优质钢：S%、P%0.040%高级优质钢：S%0.030%，P%0.035%此外，按冶炼时脱氧程度，可将钢分为沸腾钢（脱氧不完全）、镇静钢（脱氧较完全）和半镇静钢三类。3按金相组织分类按钢退火态的金相组织可分为亚共析钢、共析钢、过共析钢三种。按钢正火态的金相组织可分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢等四种。4按成形方法分类

5、。锻钢、铸钢、 热轧钢、 冷轧钢等。 5按用途分类。按钢的用途可分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。实际中给钢的产品命名时，常常把成分、质量和用途几种分类方法结合起来，如碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、高级优质碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢等。三、钢的牌号表示方法钢的牌号简称钢号，是对每一种具体钢产品所取的名称，是人们了解钢的一种共同语言。钢编号的原则主要有两条：一是根据编号可以大致看出该钢的成分；二是根据编号可大致看出该钢的用途。我国钢的牌号表示方法，根据国家标准钢铁产品牌号表示方法（GB221-79）中规定，采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。即：1

6、钢号中化学元素采用国际化学符号表示，例如 Si、Mn、Cr 等,混合稀土元素用“RE”（或“Xt”）表示。2 产品名称、用途、冶炼和浇注方法等，一般采用汉语拼音缩写字母表示。 钢中主要化学元素含量（ %）采用阿拉伯数字表示。 （一）碳钢的牌号表示方法 见第四章（碳钢的分类、用途及牌号表示方法）（二）合金钢的牌号表示方法1合金结构钢两位数字合金元素符号数字质量等级符号“A”（1）当合金元素的平均含量1.5%时，钢号中一般只标出元素符号，而不标明含量；但在特殊情况下易致混淆者，在元素符号后亦可标以数字“1”，例如钢号“12CrMoV”和“12Cr1MoV”，前者铬含量为0.4-0.6%，后者为0.

7、9-1.2%，其余成分全部相同。（2）当合金元素的平均含量1.5%、2.5%、3.5%时，则相应地在元素符号后面标以2、3、4 ；如果为高级优质钢，则在其钢号后加“A”， 以区别于一般优质钢。例如：18Cr2Ni4WA。（3）钢中的钒V、钛Ti、铝Al、硼B、稀土Re等合金元素，均属微合金元素，虽然含量很低，仍应在钢号中标出。例如20MnVB钢中，钒：0.070.12%，硼：0.0010.005%。（4）专门用途的合金结构钢，钢号冠以（或后缀）代表该钢种用途的符号。例如，铆螺专用的30CrMnSi钢，钢号表示为ML30CrMnSi。举例：120CrMnTi：表示平均含碳量为0.20%，主要合金

8、元素Cr、Mn含量均低于1.5%，并含有微量元素Ti的合金结构钢；260Si2Mn：表示平均含碳量为0.60%，主要合金元素Mn含量低于1.5%，Si含量为1.52.5%的合金结构钢。 练习：40Cr、45Mn2 2低合金高强度结构钢 旧的编号方法，基本上和合金结构钢相同。新牌号的编制方法与碳素结构钢相同。如旧牌号的16Mn为新牌号的Q345。3滚动轴承钢“G” Cr 数字 其它元素符号。字母“G”为“滚”字头，表示为滚动轴承钢类，高碳铬轴承钢的含碳量不标出，数字表示平均含铬量的千分之几，如GCr15，平均含铬量为1.5。渗碳轴承钢的钢号表示方法，基本上和合金结构钢相同。4合金工具钢和高速工具

9、钢 数字合金元素符号数字说明：合金工具钢中，当WC1.0%时，含碳量不标出，如Cr12、CrWMn；当WC1.0%时，以千分之几表示，如9SiCr、3Cr2W8V。 对于含铬量低的钢，其含铬量以千分之几表示，并在数字前加“0”，以示区别。如平均Cr =0.6%的低铬工具钢的钢号为 “Cr06”。 高速钢，一般不标出含碳量，只标出合金元素平均含量的百分之几。如“钨18铬4矾”（W18Cr4V，简称18-4-1），“钨6钼5铬4矾2”（W6Mo5Cr4V2，简称6-5-4-2）。 5不锈钢和耐热钢 同合金工具钢。例如：“2Cr13”钢的平均碳含量为0.2%。说明：（1）钢中含碳量0.03%者，钢号

10、前分别冠以“00”表示之， 如00Cr17Ni14Mo2； WC0.08%者，冠以“0”表示之，、0Cr18Ni9。（2）对钢中主要合金元素以百分之几表示；对钛、铌、锆、氮等微量元素则按合金结构钢对微合金元素的表示方法，只标出元素符号，如1Cr18Ni9Ti。第二节 合金元素在钢中的作用一、 碳钢的优缺点 优点：冶炼工艺简单，可热处理强化，压力加工和机械加工性能好，价格低廉。不足之处：（1） 加热时，晶粒易长大；（2） 淬透性低。形状复杂、尺寸大的零件，在淬火时易开裂、淬不透；（3） 回火稳定性差。回火温度高时，强度和硬度显著下降，不能在高温下使用。回火稳定性是指淬火钢在回火时抵抗硬度下降的能

11、力。（4） 强度不够高。碳钢的屈强比在0.6左右，合金钢为0.850.9。碳钢强度低，增加截面积提高构件刚度会使重量增加，构件笨重，不能满足重量轻、体积小、效率高的要求。（5） 不具备特殊性能。化工、仪表等要求耐腐蚀、耐高温、无磁等性能，碳钢不能满足特殊性能的要求。 二、合金元素在钢中的作用 1合金元素在钢中的分布为了使钢获得预期的性能，而有目的地加入钢中的化学元素称为合金元素。按其与碳的亲和力的大小，可将合金元素分为非碳化物形成元素和碳化物形成元素两大类，在钢中主要以固溶体和化合物的形式存在。（1）非碳化物形成元素：包括Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等，在钢中不与碳化合，大多溶入铁素体

12、、奥氏体或马氏体中，产生固溶强化；有的形成其它化合物如Al2O3、AlN、SiO2、Ni3Al等。（2） 碳化物形成元素： Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti等。 形成碳化物的倾向由弱到强这类合金元素在钢中，一是可溶入渗碳体中形成合金渗碳体，如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)3C等，是低合金钢中存在的主要碳化物，比渗碳体的硬度高，且稳定。二是强碳化物形成元素与碳形成特殊碳化物，如TiC、NbC、VC、MoC、WC、Cr3C6等，它们具有高熔点、高硬度、高耐磨性、稳定性好，主要存在于高碳高合金钢中，产生弥散强化，提高钢的强度 、硬度和耐磨性。（3）其它：如稀土元素，钢号中统一用Re表示

13、。2合金元素在钢中的作用 作用机理比较复杂，可归纳以下几个方面： （1）阻碍晶粒奥氏体晶粒长大，细化晶粒；（2）提高淬透性 （Co除外）；（3）提高回火稳定性，防止回火脆性；（4）提高钢的使用性能，使之具有耐热、抗腐蚀、高耐磨等特殊的性能；（5）提高钢的强韧性。金属材料的强化是通过阻碍位错的移动来实现的，主要方法有： 固溶强化，提高强度和硬度。 细晶强化，提高强韧性 位错强化，位错密度增加，提高强度 弥散强化（第二相强化），细小均匀的第二相硬质点分布在基体上，阻碍位错移动面强化。 加工硬化，金属产生塑性变形后位错密度增加，晶料变得细碎，使金属的强度硬度提高。大多数的合金元素较好利用了上述前四种

14、强化机制。如合金钢淬火时，形成马氏体，马氏体中含较高的位错密度，马氏体的形成分割了A的晶粒，使之细小，马氏体中碳的过饱和产生固溶强化，回火时析出的碳化物颗粒又产生弥散强化，等等。第三节 结构钢结构钢按用途分为工程结构钢和机器结构钢两大类。一、 工程结构钢用于制作各种工程构件的钢称为工程结构钢，如制作房屋、桥梁、起重机机械、锅炉、压力容器、钻井架、车辆构件等，所以又称工程构件用钢或建筑工程用钢，包括碳素结构钢和低合金高强度结构钢。1 碳素结构钢见第四章碳钢的分类、编号及用途。2 低合金高强度结构钢用途：在大气和海洋中工作的的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆 、船舶 、输油输气管道、压力容器

15、等。性能特点：强度高，良好的塑性、韧性、冷冲压性能及焊接性能 ，可抵抗大气腐蚀。成分特点：低碳（100mm，主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克中的曲轴、大模数齿轮等。 常用牌号：15、20、20Cr、20CrMnTi、20MnTiB等，通常尺寸小、受力小的零件，采用低碳钢，而尺寸大的、受力大的则采用低碳合金钢。热处理特点：预备热处理，一般是正火，组织为PF，目的是调整硬度，改善组织和切削加工性能；最终热处理，一般是渗碳后直接淬火低温回火。其组织为：表面组织为“M回细小碳化物少量Ar”,心部组织依钢的淬透性及工件尺寸而定，淬透时为低碳M回，未淬透为低碳M回FP。应用举例：下面以

16、应用广泛的20CrMnTi钢为例，分析其热处理工艺规范。20CrMnTi是中淬透性钢，适宜制造承受高速中载并且抗冲击和耐磨损的零件。如汽车、拖拉机的后桥和变速箱齿轮、离合器轴、伞齿轮和一些重要的轴类零件。用20CrMnTi钢制作齿轮的加工工艺路线如下：下料锻造正火机加工齿形滲碳，预冷淬火低温回火磨齿。预备热处理为正火，正火后的组织为（SF），其目的是改善锻造组织；调整硬度（170210HBS）便于机加工。最终热处理为滲碳后预冷到875直接淬火低温回火；预冷的目的在于减少淬火变形，同时在预冷过程中，滲层中可以析出二次滲碳体，在淬火后减少了残余奥氏体量。最终热处理后组织由表面到心部为“M回细小碳化

17、物少量A残M回+少量A残低碳MFP。2调质钢采用调质处理，即淬火+高温回火后使用的优质碳素钢和合金结构钢，统称为调质钢。应用：用于受力较复杂的重要结构零件。如机床主轴、火车发动机曲轴、汽车后桥半轴等轴类零件，以及连杆、螺栓、齿轮等。性能要求：具有良好的综合力学性能，即高的强度、良好塑性和韧性。成分特点：碳含量：中碳Wc：0.250.5，保证热处理后具有足够的强度、良好的塑性和韧性。含碳量太低，强度硬度不足；太高，塑性、韧性降低；为达到两者兼顾，取中碳范围。一般碳素调质钢的淬透性低，含碳量偏上限；合金调质钢淬透性好，随合金元素的增加，含碳量趋于下限，如30CrMnSi、38CrMoAl。合金元素

18、：主加Cr、Ni、Mn、Si、Al等，提高淬透性，调质处理后有良好的综合力学性能；辅加W、Mo元素，防止高温回火脆性，细化晶粒，提高回火稳定性。分类及典型牌号：按淬透性的高低，调质钢大致可以分为三类：低淬透性调质钢。典型钢种45、40Cr，这类钢的油淬临界直径最大为3040mm，广泛用于制造一般尺寸的重要零件，如轴、齿轮、连杆螺栓等。35SiMn、40MnB是为节约铬而发展的代用钢种。中淬透性调质钢。典型钢种40CrNi，这类钢的油淬临界直径最大为4060mm，含有较多的合金元素，用于制造截面较大、承受较重载荷的零件，如曲轴、连杆等。高淬透性调质钢。典型钢种40CrNiMoA，这类钢的油淬临界

19、直径为60100mm，多半为铬镍钢。铬、镍的适当配合，可大大提高淬透性，并能获得比较优良的综合机械性能。用于制造大截面、承受重负荷的重要零件，如汽轮机主轴、压力机曲轴、航空发动机曲轴等。钢种的选择根据零件的工作载荷大小及其尺寸、形状来确定的。载荷大、尺寸大、形状复杂的零件，为保证有足够的淬透性，就要采用合金调质钢。热处理工艺特点：（1）预备热处理：采用完全退火或正火（高淬透性的调质钢正火后应再高温回火），其目的是细化晶粒，改善组织；调整硬度，改善切削加工性能。组织（P+F）。（2）最终热处理： 调质处理，组织为回火索氏体，具有良好的综合机械性能。 调质处理表面淬火、低温回火。对除了要求良好综合

20、机械性能外，还要求表面具有高硬度、高耐磨性的调质件，调质处理后还需进行“表面淬火+低温回火”处理，表面淬火多采用感应加热表面淬火。表面组织为M回，心部为S回。举例：通过实例分析热处理工艺规范（1）用40Cr制作拖拉机上的连杆、螺栓。其工艺路线为：下料锻造退火或正火粗机加工调质精机加工装配。在工艺路线中，预备热处理采用退火（或正火），其目的是改善锻造组织，细化晶粒；调整硬度、便于切削加工；为淬火做好组织准备。调质工艺采用830加热、油淬、得到马氏体组织；然后在525回火水冷，水冷为防止第二类回火脆性，最终使用状态下的组织为回火索氏体，具有良好综合机械性能。（2）45或40Cr钢制造机床主轴或齿轮

21、的生产工艺流程一般为：下料锻造正火机加工调质处理精加工局部表面淬火+低温回火磨削。讨论题：1.有一40Cr钢制机床主轴，心部要求有良好的强韧性（200300HBS），轴颈处要求硬而耐磨（5458HRC），试回答下列问题：（1） 应选择何种预备及最终热处理？（2） 说明各热处理后的组织？分析：40Cr为低淬透性钢，应采用正火作预备热处理，细化晶粒，改善组织及切削加工性能；正火处理后的组织为（P+F）；最终热处理宜选用调质处理，然后对轴颈处进行“表面淬火+低温回火”的热处理，可达到性能要求。调质处理后的组织为回火索氏体；“表面淬火+低温回火”后，心部组织仍为回火索氏体，表面组织则为“M回少量A残”

22、。2某厂用45钢制作一批齿轮，制作过程中因45钢数量有够用，想用20钢代替。试问：这两种钢在制作齿轮的热处下工艺上有何不同，并指出热处理后的组织。分析：45钢为调质钢，制作齿轮时，预备热处理采用正火，组织为（SF），细化组织、改善切削加工性能；最终热处理为调质处理，组织为S回，获得良好综合力学性能；最后齿面再进行“表面淬火低温回火”，齿轮心部组织为S回，齿面组织“M回少量A残”，提高齿面硬度及耐磨性，消除淬火应力。20钢为渗碳钢，预备热处理采用正火，组织为SF；机加工成形后渗碳，再淬火低温回火，齿面组织为“M回细小渗碳体少量A残”，心部为“板条M回SF”。 新的趋势：用低碳和金刚经“淬火+ 低

23、温回火”得到低碳马氏体代替中碳调质钢，可以提高零件的承载能力，减轻重量。在汽车、石油、矿山方面应用效果好。应用实例：（1）汽车螺栓：用15MnVB代替40Cr，承载能力提高4570%；使用寿命延长； （2）用20SiMnMoV代替35CrMo制造石油钻井用的吊环，使吊环质量减轻68公斤。3弹簧钢应用：用于制造汽车、拖拉机和火车的板弹簧或螺旋弹簧。 性能要求：具有高的弹性极限和屈强比，高的疲劳强度和足够的塑性、韧性。成分特点：Wc ：0.450.70% ，多数0.6% 左右，为中、高碳：含碳量过高，塑性和韧性降低，疲劳极限也下降。Me ：Si、Mn、Cr、V、Nb、Mo、W 。主加元素Mn、Si

24、，提高淬透性，提高强度及屈强比；辅加元素 W、Mo、V等，进一步提高淬透性，细化晶粒，提高回火稳定性和耐热性。常用牌号：65Mn 、60Si2Mn、50CrVA热处理工艺： 根据弹簧的加工成形方法不同，弹簧分为热成形弹簧和冷成形弹簧。一般，截面尺寸1015mm的弹簧采用热成形方法；截面尺寸10mm采用冷成形方法。（1）热成型弹簧：淬火+中温回火，组织为T回。这类弹簧多用热轧钢丝或钢板制成。以60Si2Mn制造的汽车板簧为例，工艺路线如下：下料加热压弯成型淬火+中温回火喷丸处理装配成型后采用淬火+中温回火（350500），组织为T回，硬度3952HRC，具有高的弹性极限、屈强比和足够的韧性喷丸处

25、理可进一步提高疲劳强度。如用板簧经喷丸处理，使用寿命提高56倍。（2）冷成型弹簧：去应力退火。这类弹簧是用铅浴索氏体化处理的冷拉钢丝或油淬回火钢丝冷圈成型。成型后不必淬火处理，只需进行一次去应力退火处理（250300保温1小时），目的是消除内应力、稳定尺寸。由于冷拉过程中产生加工硬化，强度大大提高。 4滚动轴承钢用于制作各类滚动轴承的内外套圈、滚动体。常用钢种和牌号： 有两大类（1）高碳铬轴承钢：GCr15、GCr15SiMn。 含碳量：0.951.15，高碳，过共析成分，保证形成足够铬的碳化物强化相，提高强度、硬度及耐磨性。合金元素：主加Cr元素，提高淬透性和接触疲劳抗力，细化晶粒。对大尺寸

26、轴承，加入Si、Mn进一步提高淬透性。 从化学成分看，滚动轴承钢属于工具钢范畴，所以这类钢也经常用于制造各种精密量具、冷冲模具、丝杠、冷轧辊和高精度的轴类等耐磨零件。 （2）高碳无铬轴承钢：为了节铬，加入了Mo、V得到的，常用牌号GMnMoVRE、GSiMnMoV，其性能与GCr15相近。热处理工艺：（1）预备热处理：采用球化退火，获得球状珠光体，改善组织，降低硬度（210HBS），便于切削加工。（2）最终热处理：淬火+低温回火（150180），M回细小粒状碳化物A残，硬度6165HRC。低温回火保持淬火后的高硬度和高耐磨性，消除淬火应力。对精密轴承零件，为了将残余奥氏体降低到最低程度，提高尺寸稳定性，常采用淬火后冷处理，并时效。冷处理后，恢复到室温，立即低温回火。第四节