結構鋼中碳及合金元素的作用

1、 結構鋼中碳及合金元素的作用1. 結構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），調質鋼中的中碳是為了保證經熱處理后該鋼具有良好的綜合力學性能，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+相應的熱處理工藝來保證），彈簧鋼中的中、高碳是為保證鋼的高強度（彈性極限、疲勞強度）。特例：滾動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、強化鐵素體；輔加元素（W、Mo、V、Ti） 細化晶粒、進一步提高淬透性。例如，在調質鋼中主加元素的作用就是提高淬透性、強化鐵素體（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性能，而輔加元素的作用則起到在淬火加熱時可阻止奧氏體晶粒長大（即細化晶粒）、進一步提高鋼的淬透性，同時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、強化鐵素體外，還可提高鋼的彈性極限、屈服強度的作用。特例：滾動軸承鋼中r 的主要作用是增加鋼的淬透性、同時又起著細化晶粒、提高耐磨性的作用，而對大型軸承而言

3、，還須在該鋼中加入i 、n等以使淬透性進一步提高；低合金結構鋼中主加元案為n 、Cr，因為該鋼一般不經過淬火處理，故其作用應主要為固溶強化、細化晶粒、降低韌一脆轉折溫度的作用，而輔加元素、i 、 l 等元素也起著細化晶粒沉淀強化的作用。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質鋼相似外，同時還具有：r 、i 提高鋼的高溫強度和熱疲勞抗力，W、Mo 、等產生二次硬化，使之在較高溫度下保持相當高的硬度3.特殊性能鋼中碳及合金元素的作用（1）碳  通過降低鋼的含碳量，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 %。因為隨含碳量的增加，一方面可使鋼的強度、硬度增加；另一方面，第二相碳化物的數(shù)量

5、亦隨之增加，它易產生晶間腐蝕（不銹鋼中）或易使碳化物聚集長大、發(fā)生石墨化等（耐熱鋼中），故應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、固溶強化效果， o 提高高溫強度、固溶強化效果，V 、N 、等能形成強碳化物而起到彌散強化、提高高溫強度作用， 、 等元素可提高晶界強度作

6、用，而Ni（）可以擴大奧氏體相區(qū)、使之形成單相奧氏體，從而提高鋼的高溫性能等。5.4 如何識別鋼種類別？. 根據(jù)碳含量表示法作初步分析結構鋼中的碳含量用兩位數(shù)字，表示含碳量的萬分之幾；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)字來表示含碳量的千分之幾。. 依據(jù)所含的合金元素進一步細分低合金結構鋼、滲碳鋼、珠光體耐熱鋼的含碳量都是萬分之幾，要區(qū)分它們只有通過合金化特點進一步判斷。低合金結構鋼中，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、強化鐵素體，輔加元素W、Mo、

7、V、Ti用以細化晶粒、進一步提高淬透性；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、高溫強度等。由于用途與性能要求不同，在結構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，我們就能識別一般鋼種類型。常用鋼號表示方法說明及舉例詳見表54所示。表54  中國常用鋼號表示方法說明及舉例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、機座機身、車床卡盤、齒輪可鍛鑄鐵KTH350-10KTZ450-06團絮狀F+G團P+G團汽車、拖拉機的前后輪殼、制動器、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、傳動軸、飛輪曲軸、連桿、球磨機齒輪蠕墨鑄鐵RuT420RuT300蠕蟲狀F+G蠕蟲F+P+G蠕蟲活塞環(huán)、制動盤、泵體、變速器箱體、排氣管5.6  常用鑄鐵的熱處理及應用特點1. 常用鑄鐵的熱處理特點（見表5-6）表5-6    各類鑄鐵的熱處理特點    類型種類高溫退火

9、低溫退火去應力退火正火調質等溫淬火表面強化灰鑄鐵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. 常用鑄鐵的應用特點（見表5-7）表5-7    從各類鑄鐵性能的相對比較看鑄鐵的應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度&#

10、215;-伸長率×-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、合金結構鋼；2、合金工具鋼；3、特殊性能鋼（一）合金結構鋼合

11、金結構鋼是在碳鋼的基礎上適當?shù)丶尤胍环N或樹種合金元素，如Cr、Mn、Si、Ni、Mo、V、Ti等，使之具有好的強度，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。合金結構鋼分類：1、普通低合金結構鋼（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）的低碳結構鋼，主要用于焊接鉚合結構。如：16Mn、09M2、16MnCu、15MnTi、15MnV、10MnSiCu等。2、機械制造結構鋼：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、調質鋼：含碳量在0.250.5之間，主要用于淬火加高溫回火（調質），高強度高韌性零件，也有為到達更高的強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。合金鋼編號方法：合金元素含量小于1.5時，只標元素，不標明含量（數(shù)值），如果平均含量等于或大于1.5、2.5、3.5則相應也以2、3、4等表示。若含硫、磷量較低（S0.02   P0.03）的高級優(yōu)質鋼，在鋼號后加“A”或“高”。工具鋼的編號方法：1、合金工具含碳量：平均含量C1，不標出，C<1時以千分

14、之幾表示，合金以百分表示，同結構鋼如：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均標出，如：T9、T12；3、高速鋼含碳量不標出，合金百分數(shù)標出，如：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。（二）普通低合金結構鋼是一種低碳結構用鋼，含碳量小于0.2，以16Mn應用最廣泛，s=3235公斤/2，Q345，較A3的2426公斤/2高30，>20。且與普結鋼有更低的冷淬臨界溫度。一般規(guī)定要求在-40。C時的ak不低于室溫的50?？珊感院?，0。C以上時一般不用預熱，因加入Mn、Si等元素，主要是起到對鐵素體的固溶強化及細化晶粒等作用，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）。低碳結構鋼大多在正火狀態(tài)下使用，他們在正火狀態(tài)下的組織應為鐵素體+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度和適當?shù)捻g性ak值，在結構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晶粒長大，并使鋼在淬火和低溫回火后表層和心部組織強化，特別

16、是增加表層的耐磨性，微量的B能強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和足夠的強度b，表層含碳0.851.05，經淬火后硬度高達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，預冷870880時油淬后160200低溫回火，2-3小時，強度、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回火強度最高

17、。（四）調質鋼調質鋼主要用于受力情況復雜的重要零部件，最為良好的機械性能，既強又韌，調質鋼的含碳量一般在0.250.50之間，碳素調質鋼的含碳量應控制在0.50以下，而合金調質鋼的含碳量0.25以上。合金調質鋼中主要的合金元素又Cr、Ni、Mn、Si，主要作用是增加淬透性，調質后內部組織為回火索式體（實際上這些元素大多溶入鐵素體中，使鐵素體得到強化，與滲碳鋼心部組織相似），其余Mo、V、B等元素，他們在合金調質鋼中很少，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晶粒長大，Al是加速鋼的氮化，細化晶粒（為什么？

18、）。微量的B能強烈的使C行曲線向右移動，從而顯著增加鋼的淬透性。即滯后開始轉變時間，對對結束時間影響不大。注意：1、調質回火后，要使得回火索氏體不允許有塊狀鐵素體出現(xiàn)，否則會降低強度和韌性；2、回火保溫后要注意二類回火脆性，可以用水冷或油冷，甚至再去應力回火，對于大截面件內部快速冷卻越過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、調質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

19、化鐵素體，Si、Mn熱處理易于石墨化加入少量W、V、Cr碳化物形成元素來防止。D<10的冷彈簧，只需250300去應力處理。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900，防止過熱（錳）和脫碳（Si有促進脫碳作用），表面噴丸強化，表層增加殘余壓應力，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，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，保證刀刃溫度高達600硬度不降低，經常加入提高回火穩(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回火時保持HRC60以上的硬度，但應注意的是硅使鋼的熱處理時易脫碳，但淬火溫度860870，如果高到880以上時，A晶粒變大顯著，淬火M針粗大，強度、韌性、塑性變壞，另外又會使殘余A量增

21、加，使強度、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，消除內應力，改善機械性能，保證硬度。高速鋼：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2    工作溫度600無明顯變化。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主要元素，W與C形成WC，可阻止A晶粒的長大，并增加鋼的耐磨性。鉻：主要使C曲線右移，即提高淬透性，同時提高回火