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1、第六章 工业用钢,工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。,碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。,本次目的(第12周星期2第3-4节),了解钢的类型,钢的成分,第一节 钢的分类及编号,一、钢的分类1、按化学成分分,思考题,你骑的自行车用了那些钢？,2、按质量分钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢.根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：,3、按冶炼方法分,4、按金相组织分,电弧炉炼钢,5、按用途分,二、钢的编号我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和
2、阿拉伯数字相结合的方法。采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母.,常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T 2212000）,1、碳素结构钢和低合金高强度钢Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa；质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。,脱氧方法符号:沸腾钢F；镇静钢Z；半镇静钢b；特殊镇静钢TZ。如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。,钢板,低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱氧方法的
3、符号。如Q345C。根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字（表示平均含碳量的万分之几）和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。,*说明：通常情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。,热连轧钢板,2、优质碳素结构钢牌号用两位数字表示。这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。如45钢平均含碳量为万分之四十五（即0.45%）的优质碳素结构钢。,钢带,*说明：含Mn量为0.71.0%时，在两位数字后加元素符号“Mn”，如40Mn。,对于沸腾钢和半镇静钢,在钢号后分别加字母F和b，如08F、10b。高级优质钢在钢号后加字母A，如20A。,钢管
4、,3、合金结构钢和合金弹簧钢两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素符号+该元素百分含量数字+当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量；,当合金元素的平均含量为1.502.49%、2.50 3.49%、3.504.49%、4.505.49%、时，在相应的合金元素符号后标2、3、4、5 等数字。如20CrNi3。高级优质钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。特级优质钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。,不锈钢制管板式换热器,所有合金钢的合金元素量标法相同,4、工具钢 碳素工具钢T+数字T表示“碳素工具钢”；数字表示平均含碳量的千分之几.如T8其平均含碳量为千分之
5、八(0.8%C)。*说明：碳素工具钢都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后加“A”，如T8A。,丝锥,锉刀,合金工具钢含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+当含碳量小于1.00%时，含碳量用一位数字标明，这一位数字表示平均含碳量的千分之几，如8MnSi.当含碳量大于1.00%时，不标含碳量。,*高速钢不标含碳量，如W6Mo5Cr4V2(含0.85%C).*含铬量小于1%时，在含铬量(以千分之一为单位)前加数字“0”，如Cr06。,铣刀,5、轴承钢G+Cr+铬含量(不标含碳量)“G”表示“滚动轴承钢”。*铬含量以千分之一为单位.如“GCr15”的平均含铬量为1.5%。渗碳轴承钢牌号的表示方法与合
6、金结构钢相同，仅在牌号头部加字母“G”，如“G20CrNiMo”。,6、不锈钢和耐热钢含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+含碳量以千分之一为单位。,含碳量的表示方法为：当平均含碳量1.00%时，用两位数字表示，如11Cr17(平均含碳量为1.10%)；,涡轮叶片,当1.0%平均含碳量0.1%时，用一位数字表示,如2Cr13（平均含碳量为0.20%）当0.1%含碳量上限 0.03%时，以“0”表示，如0Cr18Ni9（含碳量上限为0.08%）当0.03%含碳量上限0.01%时（超低碳），以“03”表示，如03Cr19Ni10(含碳量上限为0.03%）,当含碳量上限0.01%时(极低碳)，以“0
7、1”表示，如01Cr19Ni11（含碳量上限为0.01%）。,汽轮机叶片,*珠光体耐热钢含碳量的标注同结构钢。如15CrMo注：旧标准含碳量表示方法为：当含碳量0.08%时，以“0”表示，如0Cr18.当含碳量0.03%时，以“00”表示，如00Cr18Ni10.,第二节钢中的杂质及合金元素,1、Mn:0.8%时为杂质,是有益元素。作用为：强化铁素体；消除硫的有害作用。,一、杂质元素对性能的影响,钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S。是由原料带入或脱氧残留的元素。,强化铁素体；增加钢液流动性。3、S：是有害元素。常以FeS形式存在。易与Fe在晶界上形成低熔点共晶(985)，热加工时(11501
8、200)，由于其熔化而导致开裂，称热脆性.钢中的硫应控制在0.045%以下.,2、Si：0.5%时为杂质，是有益元素。作用为：,合金晶界的低熔点硫化物共晶,Mn可消除硫的有害作用,FeS+Mn Fe+MnS，MnS熔点高(1600)。4、P：也是有害元素。能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆性。P一般控制在0.045%以下.,5、气体元素 N：室温下N在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和N在常温放置过程中以FeN、Fe4N形式析出使钢变脆,称时效脆化.加Ti、V、Al等元素可使N固定，消除时效倾向。O：氧在钢中以氧化物的形式存在，其与基体结合力弱，不易变形，易成为疲
9、劳裂纹源.,H：常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢中以原子态溶解时，降低韧性，引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。,对钢中基本相的影响1、溶于铁素体,起固溶强化作用非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元素都溶于铁素体，形成合金铁素体.Si、Mn对强度、硬度提高显著。Cr、Ni在适当范围内提高韧性。,二、合金元素在钢中的作用,对铁素体冲击韧性影响,2、形成碳化物，起强化相作用合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为：Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。,Ti、Nb、V为强碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性高，如
10、TiC、VC等。,钢中碳化物,W、Mo、Cr为中碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较高，如W2C等。Mn、Fe为弱碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较低，如Fe3C等。,内容回顾,1、钢的分类及用途2、钢中的杂质及合金元素,作业,预习第3-4节,下次课回答如下问题:何谓工具钢何谓结构钢,本课目的(第13周星期2第3-4节),理解结构钢和工具钢的成分和性能,第三节 结构钢,对结构钢的性能要求为：使用性能以强韧性为主。工艺性能以可焊性、淬透性为主。合金结构钢除少量为中高合金钢外，都是低合金钢.,铜陵长江公路大桥,1、成分：0.4%C,P、S量及非金属夹杂较多.2、性
11、能：可焊性、塑性好。3、热处理：不进行专门热处理，热轧空冷态下使用。4、使用状态下组织：F+P,一、碳素结构钢,5、用途常以热轧板、带、棒及型钢使用，用量约占钢材总量的70%。用于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。,1、性能要求 高强度及足够韧性。良好的焊接性能。良好的耐蚀性及低 的韧脆转变温度。2、成分特点 低碳：0.2%C.合金元素：主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等。,二、低合金高强度结构钢,3、热处理：大多数热轧空冷后使用。少数可用正火+高温回火处理。4、使用状态下组织：F+P,低合金高强钢合金元素细化晶粒作用,Mn的作用是强化铁素体；增加珠光体的量。V、Ti、Nb等起细化晶粒和弥散
12、强化作用。另外加Cu、P可提高耐蚀性；加RE可提高韧性、疲劳极限，降低冷脆转变温度。,5、用途：Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的压力容器。Q460钢含Mo、B，正火组织为贝氏体，强度高,用于石化中温高压容器.,南京长江大桥,制造渗碳零件的钢种。1、性能要求 表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧。良好的热处理性能,如淬透性和渗碳能力。,三、渗碳钢,2、成分特点 低碳：0.10.25%C 合金元素作用：提高淬透性：Cr、Mn、Ni、B 强化铁素体：Cr、Mn、Ni 细化晶粒：W、Mo、T
13、i、V,渗碳淬火后的表层组织,3、热处理特点渗碳件的加工工艺路线为：下料锻造正火机加工渗碳淬火+低温回火正火目的为调整硬度，便于切削加工。淬火温度一般为 Ac1+30-50。4、使用状态下组织心部：M回+F表层：M回+颗粒状碳化物+A(少量)；,5、常用钢号及用途低淬透性钢：20、20Cr。,用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。,中淬透性钢：20CrMnTi。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。高淬透性钢：18Cr2Ni4WA.用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。,调质件（螺杆）,调质后使用的钢种。1、性能要求 良好的综合力学性能.良好的淬透性。,四、调质钢,2、成分特点 中碳：0.
14、30.5%C 合金元素作用：提高淬透性:Mn、Si、Cr、Ni、B 强化铁素体:Mn、Si、Cr、Ni 细化晶粒:Ti、V 防止第二类回火脆性:W、Mo,3、热处理及组织特点调质件的加工工艺路线为：下料锻造退火粗加工调质精加工装配调质目的：获得良好综合力学性能使用状态下的组织为：S回,为提高表面耐磨性，调质后可进行表面淬火或氮化。,回火索氏体,调质处理车间,柴油机凸轮轴,4、常用钢号及用途低淬透性钢：D0油3040mm,常用 45、40Cr,用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等。中淬透性钢：D0油4060mm，常用40CrNi，用于制造大中型零件。,高淬透性钢：D0油60mm,常用40CrNiMo,
15、用于制造大截面重载荷零件，如曲轴等。,制造弹簧或类似性能零件的钢种。1、性能要求弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件。高的s，s/b；高的-1；足够的韧性 高的淬透性。,五、弹簧钢,2、成分特点 中高碳：碳素弹簧钢为0.60.9%C合金弹簧钢为0.450.7%C 合金元素作用：提高淬透性、强化铁素体：Mn、Si、Cr提高s/b：Si 细化晶粒：V,3、热处理及组织特点 冷成型弹簧：冷拔 冷成型定型处理(250300)。用于10mm),4、弹簧的表面质量弹簧的表面质量对其寿命影响很大。提高表面质量的方法:防止表面脱碳；,避免表面缺陷；进行喷丸处理，使表 面产生压应力。,板簧喷丸处理示意图,
16、5、常用钢号及用途Si、Mn弹簧钢，如65Mn、60Si2Mn，用于制造较大截面弹簧。Cr、V弹簧钢，如50CrV，用于大截面、大载荷、耐热的弹簧。,载荷(频率达数万次/分)和摩擦。高而均匀的硬度和耐磨性。高的b和接触疲劳强度。足够的韧性、淬透性和耐蚀性.,六、滚动轴承钢,用于制造轴承套和滚动体的专用钢种。1、性能要求轴承工作时,承受接触应力(达30003500MPa)、周期性交变,2、成分特点 高碳：0.951.10%C 合金元素：以Cr为主,加入Mn、Si。Cr、Mn、Si的主要作用是提高淬透性,Cr还提高耐磨性（形成合金渗碳体）和耐蚀性。当1.65%Cr时,会因A增加而使硬度和稳定性下降
17、。,3、热处理和组织特点滚动轴承钢是过共析钢。热处理：球化退火+淬火+低温回火 组织：,M回+颗粒状碳化物+A(少量)淬火后进行冷处理(-60-80),可以减少A、稳定尺寸.,轴承生产车间,4、常用钢号及用途应用最广的是GCr15，大量用于大中型轴承；大型轴承用GCr15SiMn。这类钢还可用于制造模具、量具等.,向心球轴承,是指在冲击载荷作用下发生冲击硬化的高锰钢.只有ZGMn13一个钢号.1、成分特点 高碳：1.01.3%C 以保持高耐磨性。高锰：1114%Mn 以保证形成奥氏体组织.,七、耐磨钢,2、热处理及组织铸态组织为奥氏体+碳化物,性能硬而脆.热处理采用水韧处理。即将钢加热到110
18、0，使碳化物溶入奥氏体，并进行水淬。室温组织为过饱和单相奥氏体。,3、使用及用途水韧处理后，韧性高，硬度低.使用时必须伴随着压力和冲击作用。在压力及冲击作用下，表面奥氏体迅速加工硬化，形成马氏体并析出碳化物，使表面硬度提高到HB500550，获得高耐磨性。而心部仍为奥氏体组织,具有高耐冲击能力。,高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件。如拖拉机的履带板、球磨机衬板、破碎,机牙板、挖掘机铲齿和铁路辙岔等.,第四节 工具钢,按用途分为:刃具钢模具钢量具钢,思考题,菜刀是用什么钢制作的?你认为菜刀用钢要具有什么性能才行?,用来制造各种切削刀具的钢种。,一、刃具钢,切削加工,性能要求1、高硬度(H
19、RC60),主要取决于含碳量。2、高耐磨性 靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。3、高热硬性 即高温下保持高硬度的能力。4、足够的韧性 以防止脆断和崩刃。,切削加工的基本形式,碳素工具钢共有七个牌号：T7T13 1、成分特点：,高碳(0.651.35%C)随含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韧性下降。,2、热处理及组织 热处理：正火+球化退火+淬火+低温回火球化退火目的：降低硬度,便于加工;为淬火作组织准备。使用状态下的组织：M回+颗粒状碳化物+A(少量),3、用途由于碳工钢热硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。T7T9：制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、锤
20、子等。,T10T11：制造低速切削工具，如钻头、丝锥、车刀等。T12T13：制造耐磨工具，如锉刀、锯条等。,1、成分特点：高碳：0.751.5%C 合金元素作用 提高淬透性:Cr、Mn、Si 提高耐回火性：Si 提高耐磨性、细化晶粒:W、V,低合金工具钢由碳素工具钢基础上加入少量合金元素(35)形成。,2、热处理及组织同碳素工具钢，只是淬火介质为油(碳素工具钢为水)。使用状态下的组织为：M回+颗粒状碳化物+A(少量)3、常用钢号及用途应用最多的是9SiCr。用于制造形状复杂、要求变形小的低速刃具，如丝锥、板牙等.,1、性能特点:高热硬性(600)、高淬透性 2、成分特点 高碳:0.701.5%
21、C 合金元素作用提高淬透性：Cr提高热硬性、耐磨性:W、Mo、V,高速钢（俗称风钢）制造高速切削刃具用钢。,W18Cr4V钢的铸态组织,3、加工与热处理加工工艺路线：下料锻造退火机加工淬火回火磨削,高速钢是莱氏体钢，其铸态组织为亚共晶组织，由鱼骨状莱氏体与树枝状M+T组成，脆性大且无法热处理改善。,退火目的：降低硬度，便于切加工；为淬火作组织准备。退火后组织：S+颗粒状碳化物,锻造目的：打碎粗大的鱼骨状碳化物，使其均匀分布于基体中。,W18Cr4V钢的退火组织,淬火目的:获得高合金元素含量的马氏体。因此淬火温度高(1200)。,淬火后组织：M+未溶碳化物(10%)+A(20%),的碳化物，产生
22、二次硬化。碳及合金元素含量下降，Ms点上升，回火冷却时，A转变为M。每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。,回火目的：主要为减少A。消除内应力、稳定组织。常用560三次回火.回火时的组织变化：析出W、Mo、V,高速钢硬度与回火温度关系,W18Cr4V钢热处理工艺示意图,W18Cr4V钢淬火、回火后的组织,4、使用状态下组织 M回+颗粒状碳化物+A（少量）,不同状态下W18Cr4V的组织,5、常用钢号及用途常用钢号为W18Cr4V(18-4-1)和W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)。用于高速切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀、钻头等。,汽车冲压模具,用以制造冷热模具的钢种.冷作模具钢制造金属冷成
23、型模具钢种.1、性能要求 高硬度和耐磨性。足够的强度和韧性。良好的工艺性能（淬透性、切削加工性等）,二、模具钢,2、常用钢种 小尺寸、形状简单、受力不大的模具,可用碳素工具钢和低合金工具钢制造。截面、受力大的冷模具用Cr12型冷作模具钢制造.,成分特点：高碳(1.42.3%C)；高铬(11.513%Cr)合金元素作用：Cr 提高淬透性；Mo、V 提高耐磨性，细化晶粒。,加工及热处理：Cr12型模具钢也是莱氏体钢，需进行锻造、退火,目的同高速钢.,常用钢号为Cr12和Cr12MoV。用于制造冷冲模、挤压模等。,最终热处理为:淬火+低温回火,使用状态下的组织:M回+颗粒状碳化物+A(少量),热作模
24、具钢制造使加热金属或液态金属成型模具钢种.1、性能要求 高温下良好的 综合力学性能。抗热疲劳性能。高的淬透性和良好的导热性。,2、常用钢种 热锻模钢 5CrNiMo、5CrMnMo前者用于大型热锻模，后者用于中小型热锻模.成分特点、合金元素作用及热处理同调质钢。使用状态下的组织:S回,压铸模钢典型钢号是3Cr2W8V,为过共析钢.中碳(0.30.4%C),合金元素作用同高速钢。W、Cr提高抗热疲劳性能.淬火+回火后组织：M回+颗粒状碳化物+A(少量),汽车四缸压铸模,制造各种量具用钢。如千分尺、卡尺、块规、塞规等。,三、量具钢,1、性能要求量具在使用过程中与被测零件接触，承受摩擦和冲击。高硬度
25、和耐磨性。高的尺寸稳定性。足够的韧性。,2、量具用钢 低碳钢渗碳、中碳钢表面淬火 碳素工具钢、低合金工具钢 两者用于尺寸小、形状简单、精度要求不高的量具。,滚动轴承钢、冷作模具钢。用于制造精密量具.不锈钢用于制造接触腐蚀介质的量具。,3、量具钢的热处理特点 淬火前预备热处理采用球化退火或调质处理。,下限温度淬火及冷处理。目的是减少A。长时间低温时效，以消除内应力，降低马氏体的正方度。,量规,第五节 特殊性能钢,特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢。本节只介绍不锈钢和耐热钢。,化学腐蚀是指金属在非电解质中的腐蚀。电化学腐蚀是指金属在电解质溶液中的腐蚀，是有电流参与作用的腐蚀。,一、不锈钢,在
26、腐蚀介质中具有耐蚀性能的钢。金属的腐蚀金属的腐蚀分化学腐蚀和电化学腐蚀。,不同组织、成分、应力区域之间都可构成微电池。,防止电化学腐蚀的措施：获得均匀的单相组织。提高合金的电极电位。使表面形成致密的钝化膜。,工业发达国家每年金属腐蚀造成的直接经济损失占GNP的4%左右。中国每年腐蚀的损失至少到400亿元以上.,不锈钢中合金元素的作用1、低碳：碳高，则降低耐蚀性。2、Cr：是提高耐蚀性的主要元素 形成稳定致密的Cr2O3氧化膜.Cr含量大于13%时，形成单相铁素体组织。提高基体电极电位(n/8规律)3、Ni：获得单相奥氏体组织。4、Mo：耐有机酸腐蚀。5、Ti,Nb:防止奥氏体钢晶间腐蚀.,晶间
27、腐蚀是沿晶粒周界发生腐蚀的现象，危害很大.它是由于Cr23C6析出于晶界，使晶界附近Cr含量降到12%以下，在介质作用下发生强烈腐蚀。加 Ti、Nb则先于Cr与C形成不易溶于奥氏体的碳化物,避免晶界贫Cr。,常用不锈钢1、马氏体不锈钢主要是Cr13型不锈钢 钢号为1Cr134Cr13随含碳量提高，强度、硬度提高，耐蚀性下降.1Cr13、2Cr13热处理:淬火+高温回火使用状态下的组织:S回,不锈钢棒,1Cr13、2Cr13具有耐大气、蒸汽腐蚀能力及良好的综合力学性能。,用于要求塑韧性较高的耐蚀件，如汽轮机叶片等.,3Cr13、4Cr13热处理：淬火+低温回火。使用状态下的组织：M回。具有较高强
28、度、硬度。用于要求耐蚀、耐磨件，医疗器械、量具等。,医疗器械,不锈钢刀,2、铁素体不锈钢典型钢号如0Cr13、1Cr17等。成分：高铬低碳,无相变，不能进行热处理强化。组织：单相铁素体,钢中相,性能特点耐酸蚀，抗氧化能力强，塑性好。但有脆化倾向：475脆化：加热到450550停留，产生脆化.,再加热到600快冷可消除。相脆化：在600 800长期加热时，析出硬而脆的相。,用途广泛用于硝酸和氮肥工业的耐蚀件。,合成氨厂,3、奥氏体不锈钢主要是18-8（18Cr-8Ni）型不锈钢。性能特点：具有良好的耐蚀性，冷热加工性及,可焊性。高的塑韧性,无磁性。热处理：采用固溶处理。即加热到1100使碳化物溶
29、解后水冷。组织为单相奥氏体。,不锈钢带,常用钢种为1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti广泛用于化工设备及管道.,性能要求1、高的抗氧化性：指钢在高温下对氧化作用的抗力。钢中加入Cr、Si、Al可形成致密稳定的氧化膜，阻碍氧进一步扩散，提高抗氧化性。,二、耐热钢,气轮机叶片,2、高的热强性热强性是指金属在高温下的强度.指标为蠕变强度和持久强度。蠕变指金属在高温低于s的应力下所发生的极其缓慢的塑性变形.,常用耐热钢1、珠光体耐热钢常用钢号为15CrMo、12Cr1MoV，是低合金钢。合金元素作用：Cr提高抗氧化性；Mo提高热强性(T再);V弥散强化。,2、马氏体耐热钢常用钢号为1Cr13、1Cr11MoV、4Cr9Si2 合金元素作用：Cr、Si提高抗氧化性;Mo提高热强性(T再);V弥散强化。热处理：调质。组织：S回。,汽轮机叶片,用途：1Cr13、1Cr11MoV用于550以下汽轮机叶片；4Cr9Si2是汽车阀门用钢。,
