第七章工業(yè)用鋼

第七章工業(yè)用鋼第1頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月一、鋼的分類和牌號鋼材的分類碳素鋼低碳鋼含碳量≤0.25%中碳鋼含碳量在0.25~0.6%高碳鋼含碳量>0.6%普通碳素鋼(WS≤0.045%,Wp≤0.05%)按鋼的質(zhì)量優(yōu)質(zhì)碳素鋼(WS,Wp

≤0.035%)高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼(WS,Wp

≤0.025%)碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼按用途分合金鋼合金結(jié)構(gòu)鋼：工程工件用鋼、機器零件用鋼合金工具鋼：刃具鋼、模具鋼、量具鋼特殊性能鋼：不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼含碳量（一）鋼的分類第2頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月二、碳素鋼1.碳素結(jié)構(gòu)鋼:

Q

235—A·F沸騰鋼A等級235MPa屈服強度（一）編號及用途第3頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月碳素工具鋼T

12

A高級優(yōu)質(zhì)

Wc=12%0碳素工具鋼第4頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）碳鋼的不足由于碳鋼具有較好的機械性能和工藝性能，并且產(chǎn)量大、價格較低，因此它是機械工程上應(yīng)用十分廣泛的金屬材料。隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展，對材料提出了更高的要求，如更高的強度，抗高溫、高壓、低溫，耐腐蝕、磨損以及其它特殊物理、化學(xué)性能的要求，碳鋼已不能完全滿足要求。淬透性低

一般情況下，碳鋼水淬的最大淬透直徑只有10mm-20mm強度和屈強比較低

如普通碳鋼Q235鋼的σs=235MPa，而低合金結(jié)構(gòu)鋼16Mn的σs=360MPa以上。40鋼的σs/σb僅為0.43,而合金鋼35CrNi3Mo的σs/σb高達(dá)0.74。第5頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月回火穩(wěn)定性差

碳鋼在進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理時，為了保證較高的強度需采用較低的回火溫度，這樣鋼的韌性就偏低；為了保證較好的韌性，采用高的回火溫度時強度又偏低，所以碳鋼的綜合機械性能水平不高不能滿足特殊性能的要求

碳鋼在抗氧化、耐蝕、耐熱、耐低溫、耐磨損以及特殊電磁性等方面往往較差，不能滿足特殊使用性能的需求。第6頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）合金鋼定義碳鋼不能完全滿足科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的發(fā)展要求。為了提高鋼的性能，在鐵碳合金中特意加入合金元素所獲得的鋼種，稱為合金鋼。合金鋼有較好的性能，但也有不少缺點:最主要的是由于含有合金元素，其生產(chǎn)和加工工藝比碳鋼差，也比較復(fù)雜，價格也較昂貴。因此，在應(yīng)用碳鋼能夠滿足要求時，一般不使用合金鋼。第7頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月二、合金鋼按合金元素含量多少，分為

低合金鋼（合金元素總量低于5%）

中合金鋼（合金元素總量為5%-10%）

高合金鋼（合金元素總量高于10%）按用途分類

合金結(jié)構(gòu)鋼

合金工具鋼

特殊性能鋼（一）合金鋼的分類第8頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）鋼中常用的合金元素Ni、Co、Si、Al、N、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Re。結(jié)合中國國情，樹立具有中國特色的合金化思想。合金鋼的性能比碳鋼優(yōu)良，原因是加入合金元素后，鋼的基本組元鐵和碳與加入的合金元素會發(fā)生交互作用，鋼的合金化目的就是希望利用合金元素與改善鋼的組織和性能。第9頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）合金元素在鋼中的作用合金元素與鐵、碳的作用合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響合金元素對鋼的熱處理的影響第10頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月合金元素的存在形式合金元素在鋼中可以兩種形式存在：一是溶解于碳鋼原有的相中，另一種是形成某些碳鋼中所沒有的新相，在高合金鋼中還可能形成金屬間化合物。幾乎所有的合金元素（除Pb外）都可溶入鐵中,形成合金鐵素體或合金奧氏體；合金元素可溶于鐵素體中，由于與鐵的晶格類型和原子半徑不同而造成晶格畸變；另外合金元素易分布于位錯線附近，對位錯線的移動起牽制作用，降低位錯的易動性，從而提高塑變抗力，產(chǎn)生固溶強化效果。

第11頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月溶于基體中形成合金F或合金A第12頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月合金元素與碳的作用在一般的合金化理論中，按與碳親合力的大小，可將合金元素分為碳化物形成元素與非碳化物形成元素兩大類。

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、V、Ti、Nb、Zr。第13頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱強

弱碳化物元素:Fe、Mn。

中強碳化物元素:Cr、Mo、W。

強碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。第14頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月單獨形成特殊碳化物

熔點、硬度、耐磨性最高。穩(wěn)定性最高。TiC、NbC、VC。第15頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響擴大奧氏體區(qū)縮小奧氏體區(qū)改變共晶點和共析點的參數(shù)第16頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月擴大奧氏體區(qū)的合金元素擴大奧氏體區(qū)域的元素有鎳、錳、碳、氮等，這些元素使A1和A3溫度降低，使S點、E點向左下方移動，從而使奧氏體區(qū)域擴大。其中與γ－Fe無限互溶的元素鎳或錳的含量較多時，可使鋼在室溫下以奧氏體單相存在而成為一種奧氏體鋼。如Ni%>9%的不銹鋼和Mn%>13%的ZGMn13耐磨鋼均屬奧氏體鋼。第17頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月縮小奧氏體區(qū)的元素

縮小奧氏體區(qū)的元素有鉻、鉬、硅、鎢等，使A1和A3溫度升高，使S點、E點向左上方移動，從而使奧氏體區(qū)域縮小。由于A1和A3溫度升高了，這類鋼的淬火溫度也相應(yīng)地提高了。第18頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月Cr

元素對奧氏體區(qū)的影響當(dāng)加入的元素超過一定含量后，則奧氏體可能完全消失，此時，鋼在包括室溫在內(nèi)的廣大溫度范圍內(nèi)獲得單相鐵素體，通常稱之為鐵素體鋼。如含17%-28%Cr的Cr17、Cr25、Cr28不銹鋼就是鐵素體不銹鋼。第19頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月

幾乎所有的合金元素改變共晶點和共析點：使S點和E點的成分向左移，使A1線的溫度變化。合金元素對S點成分的影響第20頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月同時由于S點的左移，使共析成分降低，與同樣含碳量的亞共析鋼相比，組織中的珠光體數(shù)量增加，而使鋼得到強化。由于E點的左移，又會使發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的含碳量降低，在C%較低時，使鋼具有萊氏體組織。如在高速鋼中，雖然含碳量只有0.7~0.8%,但是由于E點的左移,在鑄態(tài)下會得到萊氏體組織,成為萊氏體鋼。第21頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月合金元素對熱處理的影響合金元素對加熱轉(zhuǎn)變的影響對奧氏體轉(zhuǎn)變的影響：（1）奧氏體形成速度大大減慢。碳化物形成元素Cr、Mo、W、Ti、V等，與碳有較強的親和力，顯著減慢了碳在奧氏體中擴散速度。（2）奧氏體化時間延長。使穩(wěn)定性高的碳化物完全分解并固溶于奧氏體中，需要延長時間或提高加熱溫度。（3）合金鋼的奧氏體成分均勻化比碳鋼更緩慢。即使在1000℃高溫，合金元素擴散速度也很小，僅是碳擴散速度的千分之幾。

第22頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月對奧氏體晶粒度的影響：（1）強碳化物形成元素Ti、V、Nb等，形成高熔點高穩(wěn)定性碳化物，強烈阻礙奧氏體晶粒長大，起細(xì)化晶粒作用。（2）非碳化物形成元素Ni、Si、Cu、Co等阻礙奧氏體晶粒長大作用很小。第23頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月合金元素對鋼冷卻時組織轉(zhuǎn)變的影響

除Co外,幾乎所有合金元素都增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性,推遲珠光體類型組織的轉(zhuǎn)變,使C曲線右移,即提高鋼的淬透性。加入的合金元素,只有完全溶于奧氏體時,才能提高淬透性。如果未完全溶解,則碳化物會成為珠光體的核心,反而降低鋼的淬透性。除Co、Al外，多數(shù)合金元素降低馬氏體轉(zhuǎn)變溫度，增加殘余奧氏體量。

第24頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第25頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月合金元素對鋼回火時組織轉(zhuǎn)變的影響

產(chǎn)生二次硬化強碳化物形成元素(V、Mo、W等)加入后，在500℃～600℃回火時從馬氏體中析出特殊碳化物，高度彌散分布在馬氏體基體上，并與基體保持共格關(guān)系，阻礙位錯運動，使硬度上升，發(fā)生“二次硬化”現(xiàn)象。第26頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月W、Mo、V等碳化物在550℃時,使鋼達(dá)到最高硬度,產(chǎn)生二次硬化。第27頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月合金元素一般都能提高殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的溫度范圍。

某些高合金鋼(如高速鋼)中的殘余奧氏體十分穩(wěn)定，只有加熱到500℃～600℃時才開始發(fā)生部分分解，使奧氏體穩(wěn)定性下降，在隨后快速冷卻過程中轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使鋼硬度有較大提高，這種現(xiàn)象稱“二次淬火”。第28頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月四、合金結(jié)構(gòu)鋼低合金高強度鋼合金滲碳鋼合金調(diào)質(zhì)鋼彈簧鋼滾動軸承鋼第29頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）低合金高強度鋼(HSLA)1.特點1)在普通碳素結(jié)構(gòu)鋼基礎(chǔ)上加少量合金元素形成的鋼；2)主要用于制造橋梁、船舶、車輛、鍋爐、高壓容器、輸油輸氣管道、大型鋼結(jié)構(gòu)等。3)低碳：由于韌性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過0.20%。4)加入以錳為主的合金元素，Mn1.8%以內(nèi)。5)加入鈮、鈦或釩等輔加元素：少量的鈮、鈦或釩在鋼中形成細(xì)碳化物或碳氮化物，有利于獲得細(xì)小的鐵素體晶粒和提高鋼的強度和韌性。第30頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月2.編號方法牌號:

Q

345

C

質(zhì)量等級345MPa屈服強度第31頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月3.熱處理特點1）這類鋼一般在熱軋空冷狀態(tài)下使用，不需要進(jìn)行專門的熱處理。2）使用狀態(tài)下的顯微組織一般為鐵素體+珠光體(索氏體)。4.常用的鋼種Q345鋼16Mn是我國低合金高強鋼中用量最多、產(chǎn)量最大的鋼種。強度比普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235高約20%～30%，耐大氣腐蝕性能高20%～38%，用于船舶、橋梁、車輛等大型鋼結(jié)構(gòu)。第32頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月第33頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（二）合金鋼的編號方法牌號首部用數(shù)字標(biāo)明碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)。規(guī)定結(jié)構(gòu)鋼以萬分之一為單位的數(shù)字（兩位數(shù)）、工具鋼和特殊性能鋼以千分之一為單位的數(shù)字（一位數(shù)）來表示碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)，而工具鋼的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過1%時，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)不標(biāo)出。在表明碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)數(shù)字之后，用元素的化學(xué)符號表明鋼中主要合金元素，質(zhì)量分?jǐn)?shù)由其后面的數(shù)字標(biāo)明，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)少于1.5%時不標(biāo)數(shù),平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.5%～2.49%、2.5%～3.49%……時,相應(yīng)地標(biāo)以2、3……第34頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月20Mn2

Ti

A等級:高級優(yōu)質(zhì)含鈦量WTi≤1.5%含錳量WMn

2%含碳量WC

20%00第35頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月專用鋼用其用途的漢語拼音字首來標(biāo)明。如:滾珠軸承鋼，在鋼號前標(biāo)以“G”。GCr15表示碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)約1.0%、鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)約1.5%(這是一個特例,鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)以千分之一為單位的數(shù)字表示)的滾珠軸承鋼。

Y40Mn,表示碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.4%、錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)少于1.5%的易切削鋼等等。對于高級優(yōu)質(zhì)鋼，則在鋼的末尾加“A”字表明，例如20Cr2Ni4A等。

第36頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）合金滲碳鋼性能要求1.表面滲碳層硬度高，以保證優(yōu)異的耐磨性和接觸疲勞抗力，同時具有適當(dāng)?shù)乃苄院晚g性。2.心部具有高的韌性和足夠高的強度。心部韌性不足時，在沖擊載荷或過載作用下容易斷裂；強度不足時，則較脆的滲碳層易碎裂、剝落。3.有良好的熱處理工藝性能在高的滲碳溫度（900℃～950℃）下，奧氏體晶粒不易長大，并有良好的淬透性。

第37頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月成分特點1.低碳：碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.10%～0.25%，使零件心部有足夠的塑性和韌性。2.

加入提高淬透性的合金元素：常加入Cr、Ni、Mn、B等。3.

加入阻礙奧氏體晶粒長大的元素：主要加入少量強碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成穩(wěn)定的合金碳化物。第38頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月Wc≤0.25%Wc=0.15～0.25%合金元素:Cr、Mn、

Ni、B、V、W、

Mo、Ti等。表層:M回+Fe3C+A殘心部:F+P表層:M回+Cm+A殘心部:低碳M回

+F碳素滲碳鋼合金滲碳鋼化學(xué)成分熱處理后的組織第39頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月常用鋼種1.低淬透性合金滲碳鋼含合金元素總量＜3%，如15Cr、20Cr、20Mn2。用于力小的耐磨件，如柴油機的活塞銷、凸輪軸。活塞銷(20Cr)2.中淬透性合金滲碳鋼含合金元素總量在4%左右。如20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等載荷的耐磨件，如變速箱齒輪。第40頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月3.高淬透性合金滲碳鋼含合金元素總量在4%～6%。如18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。用于大載荷的耐磨件，如柴油機曲軸。

柴油機曲軸第41頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（四）合金調(diào)質(zhì)鋼性能要求調(diào)質(zhì)件大多承受多種工作載荷，受力情況比較復(fù)雜，要求高的綜合機械性能：有高的強度和良好的塑性、韌性。合金調(diào)質(zhì)鋼還要求有很好的淬透性。但不同零件受力情況不同，對淬透性的要求不一樣。成分特點

1.中碳：碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在0.25%～0.50%之間，以0.4%居多；2.

加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等：這些合金元素除了提高淬透性外，還能形成合金鐵素體，提高鋼的強度。如調(diào)質(zhì)處理后的40Cr鋼的性能比45鋼的性能高很多；第42頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月3.加入防止第二類回火脆性的元素：含Ni、Cr、Mn的合金調(diào)質(zhì)鋼，高溫回火慢冷時易產(chǎn)生第二類回火脆性。在鋼中加入Mo、W可以防止第二類回火脆性，其適宜含量：Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%～0.30%，或W的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.8%～1.2%。第43頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月Wc=0.25～0.6%Wc=0.25～0.5%合金元素:Cr、Mn、Ni、B、Si、V、W、Mo、Ti等。表層:S回碳素調(diào)質(zhì)鋼合金調(diào)質(zhì)鋼化學(xué)成分熱處理后的組織心部:P+F表層:S回心部:S回第44頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月常用鋼種1.40Cr低淬透性合金調(diào)質(zhì)鋼，油淬臨界直徑為30mm～40mm，用于制造一般尺寸的重要零件。

2.

35CrMo中淬透性合金調(diào)質(zhì)鋼，油淬臨界直徑為40mm～60mm,加入鉬不僅可提高淬透性，而且可防止第二類回火脆性。3.

40CrNiMo高淬透性合金調(diào)質(zhì)鋼，油淬臨界直徑為60mm～100mm，鉻鎳鋼中加入適當(dāng)?shù)你f，不但具有好的淬透性，還可消除第二類回火脆性。第45頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月熱處理工藝1.合金調(diào)質(zhì)鋼常規(guī)熱處理后的組織是回火索氏體。對于表面要求耐磨的零件（如齒輪、主軸），再進(jìn)行感應(yīng)加熱表面淬火及低溫回火，表面組織為回火馬氏體。表面硬度可達(dá)55HRC～58HRC。

2.

合金調(diào)質(zhì)鋼淬透調(diào)質(zhì)后的屈服強度約為800MPa,沖擊韌性在800kJ/m2心部硬度可達(dá)22HRC～25HRC。若截面尺寸大而未淬透時，性能顯著降低。第46頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（五）合金彈簧鋼性能要求1.高的彈性極限σe，尤其是高的屈強比σs/σb以保證彈簧有足夠高的彈性變形能力和較大的承載能力。2.高的疲勞強度σr，以防止在震動和交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生疲勞斷裂。3.足夠的塑性和韌性，以免受沖擊時脆斷。4.此外，彈簧鋼還要求有較好的淬透性，不易脫碳和過熱，容易繞卷成形等。一些特殊彈簧鋼還要求耐熱性、耐蝕性等。第47頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月成分特點1.中、高碳高的屈強比要求彈簧鋼的碳含量比調(diào)質(zhì)鋼高，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為0.50%～0.70%。碳含量過高時，塑性、韌性降低，疲勞抗力也下降。2.加入以Si、Mn為主的提高淬透性的元素，Si和Mn同時也提高了屈強比。重要用途的彈簧鋼還必須加入Cr、V、W等元素。3.此外，彈簧的冶金質(zhì)量對疲勞強度有很大的影響，所以彈簧鋼均為優(yōu)質(zhì)鋼或高級優(yōu)質(zhì)鋼。第48頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月碳素彈簧鋼合金彈簧鋼化學(xué)成分熱處理后的組織Wc=0.6～0.9

%Wc=0.5～0.7%合金元素:

Si、Mn、Cr、V、W、Mo等。T回制造尺寸小于Φ8～15mm的小型彈簧。T回制造尺寸在Φ20～25mm左右的彈簧。第49頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月常用鋼號

50CrVA

含Cr、V、W等元素的彈簧鋼。Cr、V復(fù)合合金化，不僅大大提高鋼的淬透性，而且還提高鋼的高溫強度、韌性和熱處理工藝性能。這類鋼可制作在350℃～400℃溫度下承受重載的較大彈簧。彈簧的加工工藝熱成形彈簧用熱軋鋼絲或鋼板制成，然后淬火和中溫（450℃～550℃）回火，獲得回火屈氏體組織，具有很高的屈服強度和彈性極限，并有一定的塑性和韌性，一般用來制作為較大型的彈簧。第50頁，課件共54頁，創(chuàng)作于2023年2月（六）滾動軸承鋼性能要求1.高的硬度強度和耐磨性;2.