結(jié)構(gòu)鋼中碳及合金元素的作用

1、 結(jié)構(gòu)鋼中碳及合金元素的作用1. 結(jié)構(gòu)鋼中碳及合金元素的作用（1）碳  其主要作用是保證鋼的硬度、強(qiáng)度與韌性。例如，普通低碳鋼中的低碳就是為了保證鋼的良好韌性、優(yōu)秀的加工工藝性能（焊接與壓力加工工藝性），調(diào)質(zhì)鋼中的中碳是為了保證經(jīng)熱處理后該鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，滲碳鋼中的低碳是為保證工件心部具有良好的韌性（而表面層的高硬度則由滲碳+相應(yīng)的熱處理工藝來(lái)保證），彈簧鋼中的中、高碳是為保證鋼的高強(qiáng)度（彈性極限、疲勞強(qiáng)度）。特例：滾動(dòng)軸承鋼中的高碳則是為了保證該鋼的高硬度、高耐磨性，這又與工具鋼相同。 （2）合金元素  其主要作用可概括為：主加元素（Cr、Mn、Ni、

2、Si） 提高淬透性、強(qiáng)化鐵素體；輔加元素（W、Mo、V、Ti） 細(xì)化晶粒、進(jìn)一步提高淬透性。例如，在調(diào)質(zhì)鋼中主加元素的作用就是提高淬透性、強(qiáng)化鐵素體（微量的合金元素B也具有此作用），這樣可確保工件在較大截面上均可獲得馬氏體組織、從而使回火后該鋼具有良好的綜合力學(xué)性能，而輔加元素的作用則起到在淬火加熱時(shí)可阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大（即細(xì)化晶粒）、進(jìn)一步提高鋼的淬透性，同時(shí)W、Mo又具有防止第二類回火脆性的作用；彈簧鋼中主加元素的作用除具有提高淬透性、強(qiáng)化鐵素體外，還可提高鋼的彈性極限、屈服強(qiáng)度的作用。特例：滾動(dòng)軸承鋼中r 的主要作用是增加鋼的淬透性、同時(shí)又起著細(xì)化晶粒、提高耐磨性的作用，而對(duì)大型軸承而言

3、，還須在該鋼中加入i 、n等以使淬透性進(jìn)一步提高；低合金結(jié)構(gòu)鋼中主加元案為n 、Cr，因?yàn)樵撲撘话悴唤?jīng)過(guò)淬火處理，故其作用應(yīng)主要為固溶強(qiáng)化、細(xì)化晶粒、降低韌一脆轉(zhuǎn)折溫度的作用，而輔加元素、i 、 l 等元素也起著細(xì)化晶粒沉淀強(qiáng)化的作用。2.工具鋼中碳及合金元素的作用（1）碳  其主要作用是保證高硬度與高耐磨性。特例：熱作模具鋼中含有中碳（0.3%0.的碳），主要是為了保證較高的韌性及熱疲勞抗力 （2）合金元素  其主要作用可概括為：  主加元素（、W、V） 使鋼具有高硬度和高耐磨性；  輔加元素（r 、n、Si 、Ni） 減少工具在熱處理時(shí)的變

4、形，增加鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性。    例如：低合金刃具鋼、冷作模具鋼中合金元素的作用基本如此；高速鋼中合金元素主要作用應(yīng)分別牢記：W （o）提高紅硬性，r 提高淬透性， 提高耐磨性。特例：熱作模具鋼中合金元素作用除與調(diào)質(zhì)鋼相似外，同時(shí)還具有：r 、i 提高鋼的高溫強(qiáng)度和熱疲勞抗力，W、Mo 、等產(chǎn)生二次硬化，使之在較高溫度下保持相當(dāng)高的硬度3.特殊性能鋼中碳及合金元素的作用（1）碳  通過(guò)降低鋼的含碳量，有利于保證鋼的耐蝕性與耐熱性。一般不銹鋼、耐熱鋼中含碳量大多0.2 %。因?yàn)殡S含碳量的增加，一方面可使鋼的強(qiáng)度、硬度增加；另一方面，第二相碳化物的數(shù)量

5、亦隨之增加，它易產(chǎn)生晶間腐蝕（不銹鋼中）或易使碳化物聚集長(zhǎng)大、發(fā)生石墨化等（耐熱鋼中），故應(yīng)使含碳量與合金元素相匹配。特例：耐磨鋼ZGMn13中含碳量為1.11.3%。（2）合金元素  其主要作用可概括為：在不銹鋼中，、i、（、N 代替部分Ni）提高耐蝕性（通過(guò)提高基體電極電位，形成單相組織等），Mo、Cu 提高鋼在非氧化性介質(zhì)中的耐蝕性，i 、Nb能形成穩(wěn)定碳化物、防止晶間腐蝕。在耐熱鋼中，r、Si 、Al提高鋼的抗氧化性， 提高鋼的組織穩(wěn)定性、固溶強(qiáng)化效果， o 提高高溫強(qiáng)度、固溶強(qiáng)化效果，V 、N 、等能形成強(qiáng)碳化物而起到彌散強(qiáng)化、提高高溫強(qiáng)度作用， 、 等元素可提高晶界強(qiáng)度作

6、用，而Ni（）可以擴(kuò)大奧氏體相區(qū)、使之形成單相奧氏體，從而提高鋼的高溫性能等。5.4 如何識(shí)別鋼種類別？. 根據(jù)碳含量表示法作初步分析結(jié)構(gòu)鋼中的碳含量用兩位數(shù)字，表示含碳量的萬(wàn)分之幾；工具鋼中的碳含量用一位數(shù)字，表示含碳量的千分之幾；特殊性能鋼中的碳含量亦用一位數(shù)字來(lái)表示含碳量的千分之幾。. 依據(jù)所含的合金元素進(jìn)一步細(xì)分低合金結(jié)構(gòu)鋼、滲碳鋼、珠光體耐熱鋼的含碳量都是萬(wàn)分之幾，要區(qū)分它們只有通過(guò)合金化特點(diǎn)進(jìn)一步判斷。低合金結(jié)構(gòu)鋼中，合金元素的總含量一般均<3%，主要含Mn、V、Ti或 N等；滲碳鋼中合金元素的作用：主加元素Cr、Mn、Ni、Si用以提高淬透性、強(qiáng)化鐵素體，輔加元素W、Mo、

7、V、Ti用以細(xì)化晶粒、進(jìn)一步提高淬透性；而珠光體耐熱鋼則主要含Cr、W、V等合金元素，用以提高耐熱性、高溫強(qiáng)度等。由于用途與性能要求不同，在結(jié)構(gòu)鋼中主加元素所起的主要作用而在工具鋼中就變?yōu)檩o加元素起輔助作用了，而特殊性能鋼中合金元素總含量大多>10%即為高合金鋼。根據(jù)這些特點(diǎn)，我們就能識(shí)別一般鋼種類型。常用鋼號(hào)表示方法說(shuō)明及舉例詳見(jiàn)表54所示。表54  中國(guó)常用鋼號(hào)表示方法說(shuō)明及舉例5.5 鑄鐵的分類與組織特征    鑄鐵的分類與組織特征見(jiàn)表5-5示。表55  鑄鐵的分類、組織特征與用途鑄鐵名稱典型牌號(hào)石墨形態(tài)組織特征用途灰鑄鐵HT200

8、HT350片狀F+G片，P+G片F(xiàn)+P+G片床身、機(jī)座機(jī)身、車床卡盤(pán)、齒輪可鍛鑄鐵KTH350-10KTZ450-06團(tuán)絮狀F+G團(tuán)P+G團(tuán)汽車、拖拉機(jī)的前后輪殼、制動(dòng)器、冷暖器接頭球墨鑄鐵QT600-3QT800-2球狀F+G球，P+G球F+P+G球軸瓦、傳動(dòng)軸、飛輪曲軸、連桿、球磨機(jī)齒輪蠕墨鑄鐵RuT420RuT300蠕蟲(chóng)狀F+G蠕蟲(chóng)F+P+G蠕蟲(chóng)活塞環(huán)、制動(dòng)盤(pán)、泵體、變速器箱體、排氣管5.6  常用鑄鐵的熱處理及應(yīng)用特點(diǎn)1. 常用鑄鐵的熱處理特點(diǎn)（見(jiàn)表5-6）表5-6    各類鑄鐵的熱處理特點(diǎn)    類型種類高溫退火

9、低溫退火去應(yīng)力退火正火調(diào)質(zhì)等溫淬火表面強(qiáng)化灰鑄鐵850950×500650×××表面淬火可鍛鑄鐵9501000××××××球墨鑄鐵900950720760900950（840860）        注：×表示不能；表示可以。  2. 常用鑄鐵的應(yīng)用特點(diǎn)（見(jiàn)表5-7）表5-7    從各類鑄鐵性能的相對(duì)比較看鑄鐵的應(yīng)用鑄鐵類別性能白口鑄鐵灰鑄鐵蠕墨鑄鐵可鍛鑄鐵球墨鑄鐵抗拉強(qiáng)度&#

10、215;-伸長(zhǎng)率×-沖擊韌度×-磨粒磨損×-×-黏著磨損-減振性能×鑄造工藝性能-切削加工性能×        注：表中“”優(yōu)，“”良，“-”一般，“”差。        合金鋼碳鋼中特意加入一些合金元素的鋼，常用的合金元素鉻Cr、錳Mn、硅Si、鋁Al、硼B(yǎng)、鎢W、鉬Mo、釩V、鈦Ti、鈮Nb鋯Zr和稀土元素Re等。合金鋼分三大類：1、合金結(jié)構(gòu)鋼；2、合金工具鋼；3、特殊性能鋼（一）合金結(jié)構(gòu)鋼合

11、金結(jié)構(gòu)鋼是在碳鋼的基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)丶尤胍环N或樹(shù)種合金元素，如Cr、Mn、Si、Ni、Mo、V、Ti等，使之具有好的強(qiáng)度，足夠地韌性和好的淬透性，好地回火穩(wěn)定性，奧氏體穩(wěn)定性。合金結(jié)構(gòu)鋼分類：1、普通低合金結(jié)構(gòu)鋼（含碳量低）：含碳量在0.100.25之間的并含有少量多元合金元素（Si、Mn、Cu、Ni、Nb、Re）的低碳結(jié)構(gòu)鋼，主要用于焊接鉚合結(jié)構(gòu)。如：16Mn、09M2、16MnCu、15MnTi、15MnV、10MnSiCu等。2、機(jī)械制造結(jié)構(gòu)鋼：a、滲碳鋼：含碳量0.150.25之間，主要有15、20、20Cr、20 Cr MnTi、20 Cr Mn Mo、20 Mo B、25 MnTiB、1

12、2 CrNi3A、20Cr2Ni4A、18 Cr2 Ni4WA。經(jīng)滲碳淬火及低溫回火，用于表面耐磨的受力件，如齒輪花鍵軸等。b、調(diào)質(zhì)鋼：含碳量在0.250.5之間，主要用于淬火加高溫回火（調(diào)質(zhì)），高強(qiáng)度高韌性零件，也有為到達(dá)更高的強(qiáng)度采用淬火加中溫或低溫回火的。常用材料40、45、45Mn2、40Cr、35 Cr Mo、40 CrMn Mo、40MnB、40 MnVB、40 Cr Ni Mo A、38 Cr MoAlA。注意：防止二類回火脆性的回火冷卻方法和次數(shù)、c、彈簧鋼：含碳量在0.600.70之間，經(jīng)淬火和中溫回火的彈性零件，常用材料65、65Mn、60Si2Mn、70Si3MnA、50

13、CrVA、60Si2CrVA、65 Si2MnWA、55 SiMnMoVNb、55 SiMnMoV。d、軸承鋼：含碳量在0.951.10之間，經(jīng)淬火加低溫回火使用的軸承件，主要有GCr9、GCr15、GCr15SiMn、GMnMoVRe、GSiMnV、GSiMnMoV。合金鋼編號(hào)方法：合金元素含量小于1.5時(shí)，只標(biāo)元素，不標(biāo)明含量（數(shù)值），如果平均含量等于或大于1.5、2.5、3.5則相應(yīng)也以2、3、4等表示。若含硫、磷量較低（S0.02   P0.03）的高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，在鋼號(hào)后加“A”或“高”。工具鋼的編號(hào)方法：1、合金工具含碳量：平均含量C1，不標(biāo)出，C<1時(shí)以千分

14、之幾表示，合金以百分表示，同結(jié)構(gòu)鋼如：9Mn2V、CrMn；2、碳素工具鋼前帶T，后數(shù)為含碳千分之幾，含量大小于1均標(biāo)出，如：T9、T12；3、高速鋼含碳量不標(biāo)出，合金百分?jǐn)?shù)標(biāo)出，如：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。（二）普通低合金結(jié)構(gòu)鋼是一種低碳結(jié)構(gòu)用鋼，含碳量小于0.2，以16Mn應(yīng)用最廣泛，s=3235公斤/2，Q345，較A3的2426公斤/2高30，>20。且與普結(jié)鋼有更低的冷淬臨界溫度。一般規(guī)定要求在-40。C時(shí)的ak不低于室溫的50。可焊性好，0。C以上時(shí)一般不用預(yù)熱，因加入Mn、Si等元素，主要是起到對(duì)鐵素體的固溶強(qiáng)化及細(xì)化晶粒等作用，為了提高耐蝕性能，還加入了適量

15、的銅（0.20.5）和磷（0.050.10）。低碳結(jié)構(gòu)鋼大多在正火狀態(tài)下使用，他們?cè)谡馉顟B(tài)下的組織應(yīng)為鐵素體+索氏體。（三）滲碳鋼為得到高的表面硬度和耐磨性，而心部要求有較高的強(qiáng)度和適當(dāng)?shù)捻g性ak值，在結(jié)構(gòu)鋼中加入一定量的合金元素，如Cr、Mn、Ni、Mo、W、Ti、B等，其中Cr、Mn、Ni所起的主要作用是增加合金滲碳鋼淬透性，并使淬火和低溫回火后表面和心部組織得到強(qiáng)化，其余如Mo、W、Ti、B等合金元素在合金滲碳鋼中含量一般是少的，B的含量是極微量的，僅為0.0010.004。Mo、W、Ti所起的作用是形成穩(wěn)定的合金碳化物，阻礙A晶粒長(zhǎng)大，并使鋼在淬火和低溫回火后表層和心部組織強(qiáng)化，特別

16、是增加表層的耐磨性，微量的B能強(qiáng)烈的增加合金滲碳鋼的淬透性。心部為低碳淬火組織，保證了高的ak和足夠的強(qiáng)度b，表層含碳0.851.05，經(jīng)淬火后硬度高達(dá)HRC>60，有良好的耐磨性。如齒輪常用材料：20 Cr MnTi（原18 Cr MnTi），鍛造后950970正火，硬度為HB170210，加工性能良好，930940滲碳6-8小時(shí)，預(yù)冷870880時(shí)油淬后160200低溫回火，2-3小時(shí)，強(qiáng)度、韌性、塑性都有升高，表面硬度HRC5860，心部硬度HRC3545，表面得到回火馬氏體，殘A和碳化物，心部為鐵素體+Pt低碳回火M，b100公斤/2，50，ak80公斤米/2，200回火強(qiáng)度最高

17、。（四）調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼主要用于受力情況復(fù)雜的重要零部件，最為良好的機(jī)械性能，既強(qiáng)又韌，調(diào)質(zhì)鋼的含碳量一般在0.250.50之間，碳素調(diào)質(zhì)鋼的含碳量應(yīng)控制在0.50以下，而合金調(diào)質(zhì)鋼的含碳量0.25以上。合金調(diào)質(zhì)鋼中主要的合金元素又Cr、Ni、Mn、Si，主要作用是增加淬透性，調(diào)質(zhì)后內(nèi)部組織為回火索式體（實(shí)際上這些元素大多溶入鐵素體中，使鐵素體得到強(qiáng)化，與滲碳鋼心部組織相似），其余Mo、V、B等元素，他們?cè)诤辖鹫{(diào)質(zhì)鋼中很少，B的含量極微（與合金滲碳鋼相同），Mo所起的主要作用是防止二類回火脆性現(xiàn)象（與合金滲碳鋼有區(qū)別），而V所起的主要做用是阻礙高溫A晶粒長(zhǎng)大，Al是加速鋼的氮化，細(xì)化晶粒（為什么？

18、）。微量的B能強(qiáng)烈的使C行曲線向右移動(dòng)，從而顯著增加鋼的淬透性。即滯后開(kāi)始轉(zhuǎn)變時(shí)間，對(duì)對(duì)結(jié)束時(shí)間影響不大。注意：1、調(diào)質(zhì)回火后，要使得回火索氏體不允許有塊狀鐵素體出現(xiàn)，否則會(huì)降低強(qiáng)度和韌性；2、回火保溫后要注意二類回火脆性，可以用水冷或油冷，甚至再去應(yīng)力回火，對(duì)于大截面件內(nèi)部快速冷卻越過(guò)500650是困難的，普遍加入抑制二類回火脆性的合金元素，最有效的是Mo和W，Mo在鋼中的含量0.30.4；W0.81.2。3、調(diào)質(zhì)鋼也可在中低溫回火下使用，金相為回火屈式體或回火馬氏體，用于高強(qiáng)度的工具耐磨件。（五）彈簧鋼含碳0.60.9    高的s/bSi、Mn作為主合金，強(qiáng)

19、化鐵素體，Si、Mn熱處理易于石墨化加入少量W、V、Cr碳化物形成元素來(lái)防止。D<10的冷彈簧，只需250300去應(yīng)力處理。D>10或熱成形彈簧，淬火加中溫回火，獲回火屈氏體T，中溫回火溫度350520淬火溫度一般不超過(guò)900，防止過(guò)熱（錳）和脫碳（Si有促進(jìn)脫碳作用），表面噴丸強(qiáng)化，表層增加殘余壓應(yīng)力，壽命提高56倍。（六）軸承鋼鍛造球化退火HB<210加工，淬火850以下160回火保溫2-3小時(shí)，HRC6165。（七）工具鋼1、高硬度：只有工具的硬度大于被加工材料的硬度，才能進(jìn)行切削，硬度一般都在HRC60以上（6065），含碳量在0.61.5范圍；2、高的耐磨性；3、高

20、的熱硬性，熱硬的高低與回火穩(wěn)定性有關(guān)，保證刀刃溫度高達(dá)600硬度不降低，經(jīng)常加入提高回火穩(wěn)定性的元素，如V、W、Ti、Cr、Mo、Si。4、碳素工具鋼，熱硬性差，做手工工具用，T7T13，做手錘銼刀，鑿子等。5、低合金工具鋼，合金元素總量不超過(guò)35，如9SiCr。制作板牙，SiCr的加入特別是Cr能大大的提高淬透性，Cr能顯著細(xì)化碳化物的晶粒，并使之分布均勻，使刀具不崩刃，硅能提高回火穩(wěn)定性，使鋼在250300回火時(shí)保持HRC60以上的硬度，但應(yīng)注意的是硅使鋼的熱處理時(shí)易脫碳，但淬火溫度860870，如果高到880以上時(shí)，A晶粒變大顯著，淬火M針粗大，強(qiáng)度、韌性、塑性變壞，另外又會(huì)使殘余A量增

21、加，使強(qiáng)度、硬度、耐磨性下降。6、加熱后在170180左右的硝鹽中等溫淬火，使其發(fā)生下貝氏體轉(zhuǎn)變，比用油淬得到更好的韌性，滿意的硬度HRC60以上，并可減少變形。淬火后180200低溫回火，消除內(nèi)應(yīng)力，改善機(jī)械性能，保證硬度。高速鋼：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2    工作溫度600無(wú)明顯變化。碳：元素   一方面要保證能與W、Cr、V形成足夠的碳化物。l 另一方面要有一定的碳量溶于奧氏體，淬火后形成富碳馬氏體，保證高硬度。l鎢：元素，是提高回火穩(wěn)定性和熱硬性的一個(gè)主要元素，W與C形成WC，可阻止A晶粒的長(zhǎng)大，并增加鋼的耐磨性。鉻：主要使C曲線右移，即提高淬透性，同時(shí)提高回火