工程結(jié)構(gòu)用鋼

第二節(jié)工程結(jié)構(gòu)用鋼一、概述結(jié)構(gòu)鋼包括工程結(jié)構(gòu)鋼和機械結(jié)構(gòu)鋼。對結(jié)構(gòu)鋼的性能要求主要在兩個方面：使用性能以強韌性為主。工藝性能以可焊性、淬透性為主。合金結(jié)構(gòu)鋼除少量為中高合金鋼外，其余都是低合金鋼。它們通常以鋼棒、鋼管、鋼板、鋼帶、鋼絲、型鋼等不同規(guī)格供貨。

二、碳素結(jié)構(gòu)鋼1、成分：<0.4%C，P、S量較多。2、性能：可焊性、塑性好。3、熱處理：熱軋空冷態(tài)下使用。4、使用狀態(tài)下組織：F+P5、用途：常以熱軋型材使用，約占鋼材總量的70%。用于建筑結(jié)構(gòu)，適合焊接、鉚接、栓接等。熱軋鋼板三、低合金結(jié)構(gòu)鋼（一）低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼1、性能要求:⑴高強度及足夠韌性。⑵良好的焊接性能、耐蝕性及低的冷脆轉(zhuǎn)變溫度。

2、成分特點：低碳(≤0.2%C)、主加Mn①Mn:強化鐵素體,增加珠光體的量,降低脆轉(zhuǎn)溫度。②V、Ti、Nb:起細(xì)化晶粒和彌散強化作用。③Cu、P可提高耐蝕性，RE可提高韌性、疲勞極限。壓力容器南京長江大橋3、熱處理：熱軋空冷后使用4、使用狀態(tài)下組織：F+P5、用途：Q345鋼(16Mn)綜合性能好，用于船舶、橋梁、車輛等大型鋼結(jié)構(gòu)。Q390鋼含V、Ti、Nb，強度高，用于中等壓力的壓力容器。Q460鋼含Mo、B，正火組織為B，強度高，用于石化中溫高壓容器。（二）低合金耐候鋼

低合金耐候鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入少量的銅、鉻、鎳、鉬、磷等合金元素，使其在鋼的表面形成一層連續(xù)致密的保護膜，可耐大氣腐蝕的低合金鋼稱耐候鋼。

我國的低合金耐候鋼有二類：

1）高耐候性結(jié)構(gòu)鋼如09CuPCrNi—B（C＜0.12%），主要用于車輛、建筑、塔架及其他耐候性要求高的工程結(jié)構(gòu)件。

2）焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼如12MnCuCr(C：0.08～0.15%），用于橋梁、建筑及有耐候要求焊接結(jié)構(gòu)件。（三）其他低合金專業(yè)用鋼

某些專業(yè)特定工作條件，國家對低合金結(jié)構(gòu)鋼的成分及工藝進(jìn)行了調(diào)整和補充，發(fā)展了門類眾多、專業(yè)范圍較廣，使用工業(yè)部門較多的低合金工程結(jié)構(gòu)鋼類。許多鋼號已納入國家標(biāo)準(zhǔn)。例如：各種壓力容器、低溫壓力容器、鍋爐、船舶、橋梁、汽車、自行車、農(nóng)機、礦山、石油天然氣管線、鐵道、建筑用鋼筋等低合金工程結(jié)構(gòu)鋼均有標(biāo)準(zhǔn)。

可根據(jù)構(gòu)件或零件的工作條件和使用性能、工藝要求來選擇合適的低合金結(jié)構(gòu)。

另外還有一類低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼，正在不斷發(fā)展中。如：（1）微合金化鋼加入鈦、釩、鈮、氮等微量合金元素，細(xì)化晶粒，實現(xiàn)沉淀硬化。屈服點可達(dá)540MPa以上。（2）貝氏體鋼熱軋狀態(tài)下獲得450-900MPa的屈服點。（3）雙相鋼鐵素體+馬氏體，高的強度和冷成形性。四、工程用鑄造碳鋼用鍛造方法難以生產(chǎn)的、力學(xué)性能要求較高，而使用鑄鐵難以達(dá)到性能要求的復(fù)雜形狀零件常用鑄造碳鋼來制造。牌號：ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570、ZG340-640。第三節(jié)機械結(jié)構(gòu)用鋼一、概述機械結(jié)構(gòu)：指適用于制造機器和機械零件或構(gòu)件的鋼類。屬于優(yōu)質(zhì)的、特殊質(zhì)量的結(jié)構(gòu)鋼。一般要熱處理后使用。包括調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼、表面硬化鋼、彈簧鋼、冷塑成形鋼等，即包括機械結(jié)構(gòu)用的非合金鋼和合金鋼二大類。它們多以鋼棒、鋼管、鋼板、鋼帶、鋼絲等規(guī)格供貨。二、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼是在碳含量WC＝0.05%～0.90%、錳含量WMn＝0.25%～1.2%的鐵碳合金。除了65Mn、70Mn、70～85鋼是特殊質(zhì)量外，其余為優(yōu)質(zhì)的。主要用于機械結(jié)構(gòu)零件與構(gòu)件，稱機械結(jié)構(gòu)非合金鋼類。進(jìn)行熱處理后才能使用。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼主要成分、牌號、性能及用途，見表4-5所列。

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，按主要工藝特點不同也可分為：非合金表面硬化鋼，非合金調(diào)質(zhì)鋼，非合金彈簧鋼，非合金行業(yè)用鋼，非合金冷塑成型鋼，非合金冷鐓鋼等。

冷塑性成形鋼：指在冷塑性變形條件下，能夠獲得符合要求的形狀、尺寸以及較高力學(xué)性能原材料、毛坯件和零件的專用鋼種。高塑性和較小變形抗力。非合金冷塑性成形和低合金冷塑性成形鋼二大類。1.非合金冷塑性成形用鋼（1）非合金冷沖壓用鋼冷沖壓生產(chǎn)工藝在汽車、拖拉機、航空、電器、儀表等行業(yè)中占有極其重要地位。利用沖壓設(shè)備和模具對薄板材料進(jìn)行冷沖壓，可獲得形狀復(fù)雜、尺寸精度高、生產(chǎn)率高的冷沖壓件。沖壓所用的原材料必須具有高塑性的薄板。專用于冷塑成形的非合金鋼對成分、顯微組織與性能有特殊要求。

冷沖壓所用薄鋼板(δ≤4mm)，多采用冷軋?zhí)妓乇′摪?。依?jù)冷沖時的變形程度，可分為普通拉伸(P)、深拉伸(S)、最深拉伸(Z)。使用的鋼號05F~20F、08B、08~50。要求的b與δ符合冷塑性變形要求。希望δ愈高，s愈低，變形能力好，故s／b0.65時具有良好的沖壓性能，當(dāng)板厚≤2mm，還要求做杯突實驗。冷沖壓對顯微組織如晶粒度，游離滲碳體、帶狀組織有一定要求。鋼中成分：C、S、P等元素也會影響沖壓性能。（2）非合金冷鍛用鋼可承受冷鍛成形用的非合金結(jié)構(gòu)鋼。用冷鍛工藝方法生產(chǎn)零件時，它所承受壓縮比較高。因此，要求冷鍛鋼具有很高的塑性、高的表面質(zhì)量(如鋼的表面不允許有肉眼可見的皺紋、折疊、刻痕、裂紋等缺陷)以及冷鍛鋼內(nèi)部不允許有嚴(yán)重地夾雜物、夾層、疏松、縮孔和顯著的偏析。這些表面和內(nèi)部缺陷都將導(dǎo)致在冷鍛時開裂。鋼的顯微組織也對冷鍛性有影響，如粒狀的珠光體較好。當(dāng)碳含量Wc＞0.26%時，應(yīng)進(jìn)行球化退火用于改善鋼的塑性。

常用碳素冷鍛用鋼絲：ML10~ML45。鋼中的其它成分：WSi≤0.20%，WCr≤0.20%，S、P0.035%。碳素冷鍛用鋼絲，牌號前面用“鉚螺”的拼音ML表示。其成分與優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼相比，碳含量相同。但對Mn、Si、Cr、S、P的含量控制較嚴(yán)。2.易切削結(jié)構(gòu)鋼

易切削鋼常加入硫、磷、鉛、鈣、硒、碲等。如Y15Pb采用高效專用自動機床加工的零件，大多用低碳易切削鋼。Y12、Y15用來制造螺栓、螺母、管接頭等不重要標(biāo)準(zhǔn)件；Y20可滲碳處理，制造表面耐磨儀器儀表零件；Y45Ca適于高速加工，制造銑床的齒輪軸和花鍵軸等熱處理零件；隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，用易切鋼制造承受載荷大的齒輪和軸類零件日益增多。三、機械結(jié)構(gòu)用鋼（一）表面硬化鋼用表面淬火、滲碳、滲氮等表面熱處理工藝方法能充分地發(fā)揮該鋼類的表面硬化作用的鋼種。主要包括：非合金和合金滲碳鋼、非合金和合金感應(yīng)加熱表面淬火鋼、合金滲氮鋼三類。

1.滲碳鋼——制造滲碳零件的鋼種（1）性能要求：1）表硬里韌2）良好淬透性和滲碳能力。（2）成分特點：低碳(0.1~0.25%C),加Cr、Mn、Ni、B等元素

①

Cr、Mn、Ni、B：提高淬透性②

Cr、Mn、Ni：強化鐵素體③

W、Mo、Ti、V：細(xì)化晶粒滲碳件滲碳回火爐滲碳淬火后的表層組織（3）熱處理特點滲碳件的加工工藝路線為：下料→鍛造→正火→機加工→滲碳→淬火+低溫回火正火目的為調(diào)整硬度，便于切削加工。淬火溫度:Ac1+30-50℃。（4）使用狀態(tài)下組織心部：M回+F表層：M回+顆粒狀碳化物+A’(少量)；（5）常用鋼號及用途低淬透性鋼：20、20Cr。用于受力小的耐磨件，如柴油機的活塞銷、凸輪軸等。中淬透性鋼：20CrMnTi。用于中等載荷的耐磨件，如變速箱齒輪。高淬透性鋼：18Cr2Ni4WA。用于大載荷的耐磨件，如柴油機曲軸。

柴油機凸輪軸柴油機曲軸活塞銷(20Cr)2.感應(yīng)加熱表面淬火鋼

感應(yīng)加熱表面淬火最合適的鋼種是非合金中碳結(jié)構(gòu)鋼和中碳的合金結(jié)構(gòu)鋼。碳含量過高，會增加表面淬火后淬硬層的脆性，降低心部的塑性和韌性，并增加表面淬火的開裂傾向。若碳含量過低。會降低表面淬硬層的硬度和耐磨性。碳含量過高、過低均不能滿足工件對表層與心部的不同組織和性能要求。該類鋼主要用于低速、沖擊小的不重要的齒輪。常見的鋼種：

(1)非合金中碳結(jié)構(gòu)鋼：Wc＝0.25%～0.6%。

常用鋼號：40、45等。

(2)中碳的合金結(jié)構(gòu)鋼：Wc＝0.25%～0.45%，加Cr、Mn、B等增加淬透性。

常用：40Cr、40MnB等。上述二種類型的感應(yīng)加熱表面淬火鋼種屬于調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼范疇。3.合金滲氮結(jié)構(gòu)鋼

為滲氮后的鋼件表層具有高硬度和耐磨性，心部具有足夠強度、塑性和韌性，滲氮鋼中須含有Al、V、Mo、Cr、W、Mn等與N形成合金氮化物和提高鋼淬透性元素。該類鋼經(jīng)常在調(diào)質(zhì)后滲氮，要求該鋼類的碳含量是中碳的：Wc＝0.25%～0.6%。

常用的滲氮鋼均是調(diào)質(zhì)鋼，如38CrMoAlA、35CrMo。

（二）調(diào)質(zhì)鋼——調(diào)質(zhì)后使用的鋼種。

1、成分特點中碳(0.3~0.5%C)，合金元素作用為：①提高淬透性：Mn、Si、Cr、Ni、B②強化鐵素體：Mn、Si、Cr、Ni③細(xì)化晶粒：Ti、V④防止第二類回火脆性：W、Mo回火索氏體2、熱處理及組織特點調(diào)質(zhì)件的加工工藝路線為：下料→鍛造→退火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→裝配調(diào)質(zhì)目的:獲得良好綜合力學(xué)性能使用狀態(tài)下的組織為：S回為提高表面耐磨性，調(diào)質(zhì)后可進(jìn)行表面淬火或氮化。(表面淬火+低溫回火)→裝配①為表面淬火作組織準(zhǔn)備；②獲得最終心部組織。表面：

M回；心部：S回圓錐齒輪柴油機凸輪軸3、性能：良好的綜合力學(xué)性能。4、常用鋼號及用途常用鋼號為45、40Cr、40CrNi。用于制造較小的齒輪、軸、螺栓等零件。制造大截面重載荷零件，如曲軸等用高淬透性的40CrNiMo等。（三）彈簧鋼——制造彈簧或類似性能零件的鋼種。1、性能要求(彈簧是儲存能量或緩和沖擊的零件)高的σs、σs/σb、σ-1；足夠的韌性2、成分特點：中高碳碳素彈簧鋼為0.6~0.9%C；合金彈簧鋼為0.45~0.7%C合金元素作用：①

提高淬透性、強化鐵素體：Mn、Si、Cr②

提高s/b：Si③

細(xì)化晶粒：V3、熱處理及組織特點⑴冷成型彈簧：冷拔→冷成型→定型處理（250~300℃）。用于<φ10mm彈簧。⑵熱成型彈簧：熱成型→淬火+中溫回火使用狀態(tài)下的組織：T回。用于大截面彈簧（>φ10mm）熱卷大彈簧彈簧絲板簧噴丸處理示意圖4、彈簧的表面質(zhì)量彈簧的表面質(zhì)量對其壽命影響很大。提高表面質(zhì)量的方法：①防止表面脫碳；②避免表面缺陷；③進(jìn)行噴丸處理，使表面產(chǎn)生壓應(yīng)力。汽車板簧大型熱卷彈簧5、常用鋼號及用途常用鋼號為65Mn、60Si2Mn用于制造較大截面彈簧。

制造大截面、大載荷、耐熱的彈簧用50CrV。

（四）其它機械結(jié)構(gòu)用鋼1.非調(diào)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼為節(jié)省能源、簡化工藝，通過鍛造時控制終鍛溫度和鍛后的冷卻速度，獲得很高的強韌性能的鋼，稱非調(diào)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼。它的基本原理就是在中碳鋼的基礎(chǔ)上加入微量的合金元素(V、Ti、Nb、N等)，在熱加工后冷卻時，從鐵素體中析出彌散的沉淀化合物質(zhì)點，形成沉淀強化，同時又有細(xì)化晶粒的作用。該鋼類的主要缺點是塑性、韌性低一些。我國的非調(diào)質(zhì)合金鋼有二種，YF35MnV、YF40MnV。2.低碳馬氏體鋼低碳馬氏體又稱板條馬氏體。有高強度的同時還有良好塑性、韌性，綜合力學(xué)性能達(dá)中碳合金調(diào)質(zhì)鋼熱處理后水平。如：20SiMn2MoVA鋼可用于石油鉆機吊環(huán)、吊卡等，可減重42.3%。3.冷塑性成形用的合金結(jié)構(gòu)鋼（1）冷沖壓用合金結(jié)構(gòu)鋼冷沖壓用的低合金結(jié)構(gòu)鋼與冷沖壓用的非合金結(jié)構(gòu)鋼的要求類同。主要選用沖壓用的熱軋鋼板。它的成分、組織、夾雜物、帶狀組織以及表面缺陷均影響鋼的沖壓性能。冷沖壓用的熱軋鋼板的部分成分。

常用鋼號：09MnREL、16MnL。（2）冷鍛用合金結(jié)構(gòu)鋼主要用于重要的受力件。

常用鋼號：ML15Cr、ML40Cr、MLMnVB、ML35CrMo。

4.超高強度鋼

強度極限高于1471MPa，同時兼有適當(dāng)韌性的鋼為超高強度鋼。按成分和使用性能可分為三大類：

（1）低合金超高強度鋼WC＝0.27%～0.45%，Me總量W合金元素＜5%、最終熱處理為淬火、低溫回火后使用的鋼種。如40CrMnSiMoVA(b＝2000MPa飛機起落架)