第七章工業(yè)用鋼.ppt

1、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0.250.6% 高碳鋼 含碳量 0.6%,普通碳素鋼(WS 0.045%, Wp 0.05%) 按鋼的質量 優(yōu)質碳素鋼 (WS, Wp 0.035%) 高級優(yōu)質碳素鋼(WS, Wp 0.025%),碳素結構鋼 碳素工具鋼,按用途分,合金鋼,合金結構鋼：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,二、碳素鋼,1.碳素結構鋼: Q 235 A F,（一）編號及用途,碳素工具鋼,T 12 A,（二）碳鋼的不足,由于碳鋼具有較好的機械性能

2、和工藝性能，并且產量大、價格較低，因此它是機械工程上應用十分廣泛的金屬材料。 隨著科學技術和工業(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s=235MPa，而低合金結構鋼16Mn的s=360MPa以上。40鋼的s /b僅為0.43, 而合金鋼35CrNi3Mo的s /b高達0.74。,回火穩(wěn)定性差 碳鋼在進行調質處理時，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

3、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。,（三）合金鋼定義,碳鋼不能完全滿足科學技術和工業(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，其生產和加工工藝比碳鋼差，也比較復雜，價格也較昂貴。因此，在應用碳鋼能夠滿足要求時，一般不使用合金鋼。,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

4、%） 高合金鋼（合金元素總量高于10%） 按用途分類 合金結構鋼 合金工具鋼 特殊性能鋼,（一）合金鋼的分類,（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。,（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,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

5、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，產生固溶強化效果。,溶于基體中形成合金F或合金A,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、

6、V、Ti、Nb、Zr。,Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr,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。,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。,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,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%

7、9%的不銹鋼和Mn%13%的ZGMn13耐磨鋼均屬奧氏體鋼。,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地提高了。,Cr 元素對奧氏體區(qū)的影響,當加入的元素超過一定含量后，則奧氏體可能完全消失，此時，鋼在包括室溫在內的廣大溫度范圍內獲得單相鐵素體，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。,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,同時

8、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0.70.8%,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。,合金元素對熱處理的影響,合金元素對加熱轉變的影響 對奧氏體轉變的影響： （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

9、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。,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。,合金元素對鋼冷卻時組織轉變的影響,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C

10、o、Al外，多數合金元素降低馬氏體轉變溫度，增加殘余奧氏體量。,合金元素對鋼回火時組織轉變的影響,產生二次硬化 強碳化物形成元素(V、Mo、W等)加入后，在500600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系，阻礙位錯運動，使硬度上升，發(fā)生“二次硬化”現象。,W、Mo、V 等碳化物在550時,使鋼達到最高硬度, 產生二次硬化。,合金元素一般都能提高殘余奧氏體轉變的溫度范圍。 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500600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變?yōu)轳R氏體，使鋼硬度有較大提高，這種現象稱“二次

11、淬火”。,四、合金結構鋼,低合金高強度鋼 合金滲碳鋼 合金調質鋼 彈簧鋼 滾動軸承鋼,（一）低合金高強度鋼( HSLA ),1.特點 1)在普通碳素結構鋼基礎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、大型鋼結構等。 3 )低碳：由于韌性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳質量分數不超過0.20%。 4 )加入以錳為主的合金元素，Mn 1.8 %以內。 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碳化物或碳氮化物，有利于獲得細小的鐵素體晶粒和提高鋼的強度和韌性。,2.編 號 方 法,牌號: Q 345 C,3.熱處理特點 1）這類

12、鋼一般在熱軋空冷狀態(tài)下使用，不需要進行專門的熱處理。 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、產量最大的鋼種。 強度比普通碳素結構鋼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 型鋼結構。,（二）合金鋼的編號方法,牌號首部用數字標明碳質量分數。 規(guī)定結構鋼以萬分之一為單位的數字（兩 位數）、工具鋼和特殊性能鋼以千分之一為單位的數字（一位數）來表示碳質量分數，而工具鋼的碳質量分數超過1%時，碳質量分數不標出。 在表明碳質量分數數字之后，用元素的化學符號表明鋼中主要合金元素，質量

13、分數由其后面的數字標明，平均質量分數少于1.5%時不標數, 平均質量分數為1.5%2.49%、2.5%3.49%時,相應地標以2、3,20 Mn2 Ti A,專用鋼用其用途的漢語拼音字首來標明。 如:滾珠軸承鋼，在鋼號前標以“G”。 GCr15表示碳質量分數約1.0%、鉻質量分數約1.5%(這是一個特例, 鉻質量分數以千分之一為單位的數字表示)的滾珠軸承鋼。 Y40Mn,表示碳質量分數為0.4%、錳質量分數少于1.5%的易切削鋼等等。 對于高級優(yōu)質鋼，則在鋼的末尾加“A”字表明，例如20Cr2Ni4A等。,（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

14、具有適當的塑性和韌性。 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。,成分特點 1.低碳：碳質量分數一般為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。,Wc 0.25 %,Wc = 0.150.25 %,合金元素:Cr、Mn、 Ni、B

15、、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,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20 CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等載荷的耐磨件，如變速箱齒輪。,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,（四）合金調質鋼,性能要求 調質件大

16、多承受多種工作載荷，受力情況比較復雜，要求高的綜合機械性能：有高的強度和良好的塑性、韌性。合金調質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：碳質量分數一般在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。如調質處理后的40Cr鋼的性能比45鋼的性能高很多；,3.加入防止第二類回火脆性的元素：含Ni、Cr、Mn的合金調質鋼，高溫回火慢冷時易產生第二類回火脆性。在鋼中加入Mo、W可以防止第二類回火脆性，其適宜含量：Mo的質量分數為0.15%

17、0.30%，或W的質量分數為0.8%1.2%。,Wc = 0.250.6 %,Wc = 0.250.5 %,合金元素: Cr、Mn、 Ni、B、Si、V、 W、Mo、Ti等。,表層: S回,心部: P + F,表層: S回,心部: S回,常用鋼種,1.40Cr 低淬透性合金調質鋼，油淬臨界直徑為30 mm40 mm，用于制造一般尺寸的重要零件。 2.35CrMo 中淬透性合金調質鋼，油淬臨界直徑為40 mm60 mm,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 高淬透性合金調質鋼，油淬臨界直徑為60 mm100 mm，鉻鎳鋼中加入適當的鉬，不但具有好的淬透性，還可

18、消除第二類回火脆性。,熱處理工藝,1.合金調質鋼常規(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），再進行感應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55 HRC58 HRC。 2.合金調質鋼淬透調質后的屈服強度約為800 MPa, 沖擊韌性在800 kJ/m2心部硬度可達22 HRC25 HRC。若截面尺寸大而未淬透時，性能顯著降低。,（五）合金彈簧鋼,性能要求 1.高的彈性極限e，尤其是高的屈強比s /b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r，以防止在震動和交變應力作用下產生疲勞斷裂。 3.足夠的塑性和韌性，以免受沖擊時

19、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。,成分特點 1.中、高碳 高的屈強比要求彈簧鋼的碳含量比調質鋼高，碳的質量分數一般為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，彈簧的冶金質量對疲勞強度有很大的影響，所以彈簧鋼均為優(yōu)質鋼或高級優(yōu)質鋼。,碳素彈簧鋼,合金彈簧鋼,化學成分,熱處理后的組織,Wc = 0.60.9 %,Wc = 0.50.7 %,合金元素: Si、

20、Mn、 Cr、V、W、Mo等。,T回,制造尺寸小于 815mm的 小型彈簧。,T回,制造尺寸在2025 mm左右的彈簧。,常用鋼號 50CrVA 含Cr、V、W等元素的彈簧鋼。Cr、V復合合金化，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。,（六）滾動軸承鋼,性能要求 1.高的硬度強度和耐磨性; 2.高的接觸疲勞強度; 3.足夠的韌性和耐蝕性; 4.高的純凈度; 成分特點 1.高碳, Wc = 0.91.1%，以