第6章__工业用钢北大

机械工程材料第6章工业用钢1.理解并掌握工业用钢的分类和编号方法，基本能由钢号推断出它属于哪一类钢种、大概化学成分和主要用途。2.了解钢中常存杂质元素及合金元素对钢性能影响。3.掌握常用结构钢（重点渗碳钢和调质钢）、工具钢（重点高速钢）的工作条件、性能特点、化学成分、常规热处理、典型钢种及其主要用途。4.熟悉特殊性能钢的基本知识。5.结合实例，初步具备合理选择材料、正确确定加工方法、妥善安排加工工艺路线的能力。机械工程材料特点：强度、塑性、韧性较好，又具有良好的工艺性能和较低的价格，因而得到广泛应用（80%）。工业用钢只要指：①碳钢：含碳量低于2.11%的铁碳合金。②合金钢：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而得到的钢种。机械工程材料主要内容•6.1钢的分类及编号•6.2钢中常存杂质与合金元素•6.3结构钢•6.4工具钢•6.5特殊性能钢机械工程材料6.1.1钢的分类1.按化学成分分6.1钢的分类及编号钢合金钢按合金元素种类分锰钢铬钢硼钢铬镍钢硅锰钢按合金元素含量分低合金钢（wMe≤5%）中合金钢（5%wMe≤10%）高合金钢（wMe10%）碳钢低碳钢（wC≤0.25%）中碳钢（0.25%wC≤0.60%）高碳钢（wC0.60%）机械工程材料2．按冶金质量分3．按使用加工方法分钢优质钢（wS≤0.035%、wP≤0.035%）高级优质钢A（wS≤0.030%、wP≤0.030%）特级优质钢E（wS≤0.020%、wP≤0.025%）钢压力加工用钢UP切削加工用钢UC热压力加工用钢UHP顶锻用钢UF冷拔坯料用钢UCD机械工程材料4．按用途分钢工具钢刃具钢模具钢量具钢特殊钢不锈钢耐热钢耐磨钢结构钢建筑工程用钢桥梁工程用钢船舶工程用钢车辆工程用钢工程用钢调质钢渗碳钢弹簧钢轴承钢机器用钢机械工程材料6.1.2钢的编号1.碳钢的编号Q+屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号。（1）碳素结构钢—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。—质量等级A、B、C、D，P、S含量依次下降，质量提高。镇静钢—脱氧完全钢。组织致密，成分均匀，力学性能好。如Q235-A·F沸腾钢—脱氧不完全钢。凝固前产生大量CO气泡，引起沸腾。其成分组织不均匀，强度较低，不适于制造重要零件。机械工程材料（2）优质碳素结构钢牌号用两位数字，表示钢中平均含碳量万分之几。如45钢—平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。*说明：①含Mn量为0.7-1.0%时，在两位数字后加元素符号“Mn”，如60Mn。②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。③高级优质钢在钢号后加字母A，如20A。机械工程材料（3）碳素工具钢锉刀板牙丝锥牌号由T+数字组成，其数字表示平均含碳量的千分之几。如T8—其平均含碳量为0.8%。*说明：碳素工具钢都是优质以上质量的钢。高级优质钢在钢号后加“A”，如T8A。机械工程材料（4）铸钢牌号由ZG+×××+×××组成。ZG表示铸钢，其后数字分别表示最低屈服强度和抗拉强度。如ZG200-400，表示屈服点σs（或σ0.2）≥200Mpa且抗拉强度σb≥400MPa的铸造碳钢。铸钢主要用于制作受力不大且要求一定韧性的各种机械零件，如机座、变速箱壳等。机械工程材料2.合金钢的编号牌号由Q+屈服强度值+质量等级符号三部分组成。（1）低合金高强结构钢如Q345C。*说明：σs300MPa时为碳素结构钢;σs300MPa时为低合金高强度钢。机械工程材料（2）合金结构钢牌号由两位数字+元素符号+数字组成。合金元素平均含量的百分数，小于1.5％时，不标数字。钢中碳含量的万分数。若为易切削钢，则在牌号前标Y，如Y40Mn。若为高级优质钢，则在牌号后加字母A，如60Si2MnA。如40Cr表示平均含碳量为0.4％且铬含量小于1.5％合金结构钢。若为滚动轴承钢，则在牌号前标G，注意数字表示铬含量的数。例如，GCrl5—表示平均含铬量为1.5％的滚动轴承钢。机械工程材料（3）合金工具钢NOTE：高速钢含碳量无论多少均不标注。牌号由数字+元素符号+数字组成。合金元素的平均含量的百分数，小于1.5％时，不标数字。用一位数字表示平均含碳量的千分数，超过1.0％时不标。例如9SiCr—表示平均含碳量为0.9％且平均含硅量、含铬量均＜1.5％的合金工具钢。如Crl2MoV—表示平均含碳量不小于1.0％、铬平均含量为12％且钼和钒平均含量均小于1.5％的合金工具钢。机械工程材料（4）特殊性能钢其牌号表示方法与合金工具钢牌号表示方法原则相同。合金元素的平均含量的百分数，小于1.5％时，不标数字。用一位数字表示平均含碳量的千分数，wc≤0.08％时，用“0”表示；如0Cr18Ni9。wc≤0.03％时，用“00”表示，如00Cr18Ni11。由数字+元素符号+数字例如，3Crl3钢表示平均含碳量为0.3％，平均含铬量为13％的特殊性能钢。机械工程材料6.2钢中常存杂质与合金元素1.Mn来源：炼钢时由锰铁脱氧而残留在钢中。Mn→F起固溶强化作用，引起钢的强度和硬度↑；Mn+S→MnS，降低硫的有害作用，改善钢的热加工性能。2.Si一般认为，锰和硅为钢中的有益元素。来源：炼钢时用硅铁脱氧而残留在钢中。Si→F起固溶强化作用，引起钢的强度↑。6.2.1钢中常存杂质对其性能影响机械工程材料3.S来源：炼钢时由矿石和燃料带到钢中。以FeS的形式存在，FeS+Fe→低熔点共晶体；在压力加工时熔化→导致钢材沿晶界开裂—“热脆”。措施：钢中要限硫含量：≤0.05%。Mn与S形成MnS(1620℃）,粒状分布在晶内。钢中的MnS夹杂合金晶界的低熔点硫化物共晶机械工程材料比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆性，于1938年冬发生断裂坠入河中。4.P来源：炼钢时由矿石和燃料带到钢中。钢中控制P含量：≤0.045%。P→F，导致钢材强、硬度↑，塑、韧性↓，特别是使钢在低温时脆性急剧增加—冷脆。*应用：P多，脆性大，可制作炮弹钢（增加杀伤力）、易切削钢（改善切削加工性）。激光制导炮弹机械工程材料5.气体元素①N：以FeN、TiN形式存在，使钢的塑性下降，脆性增大,俗称蓝脆。②O：以氧化物的形式存在，使强度、塑性、疲劳强度下降，易成为疲劳裂纹源。钢中TiN夹杂钢中氧化物夹杂机械工程材料③H：以原子态溶解于钢中，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，俗称白点。钢中白点钢的氢脆断口机械工程材料1.合金元素在钢中的存在形式1）合金铁素体合金元素溶于铁素体，形成合金铁素体，起固溶强化作用。其中，Si、Mn、Ni强化效果较显著；Cr、W、Mo相对较弱。6.2.2合金元素在钢中的作用合金元素对铁素体性能的影响机械工程材料2）合金渗碳体弱碳化物形成元素或较低含量中强碳化物形成元素，能置换渗碳体中铁原子，形成合金渗碳体。如(FeMn)3C、Mn3C等。3）特殊碳化物强碳化物形成元素或较高含量的中强碳化物形成元素，能够与碳化合，形成特殊碳化物，如VC、TiC等。NOTE：合金渗碳体和特殊碳化物具有较高的熔点和稳定性，当它们弥散分布在钢中时，可大大提高钢的强度、硬度和耐磨性，且不降低韧性，这对提高工件的使用性能极为有利。机械工程材料合金元素溶入奥氏体后，A区的温度范围就会扩大（A3下降，A4上升）或缩小（A3上升，A4下降）。因此，相应地使Fe-Fe3C相图中的A相区也就扩大或缩小。2.合金元素对Fe-Fe3C相图的影响1）改变了A区的范围A4A4EESSA3wC/%wC/%(a)Fe-C-Cr系(b)Fe-C-Mn系图6-6合金元素对Fe-Fe3C相图中奥氏体影响合金元素对Fe-Fe3C相图中奥氏体影响机械工程材料2）改变S点、E点位置凡能扩大奥氏体区的元素，均使S、E点向左下方移动；凡能缩小奥氏体区的元素，均使S、E点向左上方移动。因此，大多数合金元素均使S点、E点左移。S点向左移动，意味着减低了共析点的含碳量，使含碳量相同的碳钢与合金钢具有不同的显微组织。E点左移，使莱氏体含碳量降低，如W18Cr4V中wC2.11%，但在铸态组织中也出现合金莱氏体，俗称莱氏体钢。机械工程材料3）可能形成单相A钢或单相F钢①可能形成单相A钢Ni、Mn等扩大A区，使A1、A3点↓，S、E点↙。当Mn13%或Ni9%时，S点降到室温以下，得到稳定单相A，俗称奥氏体钢，如含wMn13%的ZGMn13。锰元素对奥氏体区的影响机械工程材料②可能形成单相F钢Cr、W、Mo等缩小A区，使A1、A3点↑，S、E点↖。铬元素对奥氏体区的影响当Cr13%时，A相区可能完全消失，钢在室温时组织为单相F，俗称F钢，如含wCr17%的1Cr17。机械工程材料3.合金元素对钢性能的影响1）合金元素改善钢的热处理性能①细化奥氏体晶粒所有合金元素都阻碍钢在加热时奥氏体晶粒长大，从而使钢热处理后组织细化。②提高淬透性除Co以外的合金元素均固溶于奥氏体，增加奥氏体的稳定性，减慢过冷奥氏体的分解速度，降低钢在淬火时的临界冷却速度，从而提高淬透性。机械工程材料③提高回火抗力（回火稳定性）回火抗力：淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力。硬度下降越慢，则回火抗力越高。这是因为合金元素推迟了马氏体的分解，抵抗硬度下降，因而提高了回火抗力。与同等含碳量的碳钢相比，在同一温度回火，合金钢有较高的强度和硬度。而回火至同一硬度，合金钢的回火温度高，保温时间长，内应力消除比较彻底，因而其塑性和韧性比碳钢好。机械工程材料④产生二次硬化二次硬化：淬火钢在较高温度回火时硬度不降低反而升高现象。原因：当钢中Cr、W、Mo、V等碳化物形成元素的含量超过一定量时，在400°C以上会形成细小弥散分布的特殊碳化物，从而使硬度升高。机械工程材料⑤防止回火脆性回火脆性：淬火钢回火后出现韧性下降的现象，如图所示。⑴第一类回火脆性：在250~400°C出现冲击韧性下降现象。目前，尚无有效方法消除，只能避免在此温度范围回火。⑵第二类回火脆性：在500~600°C回火后缓慢冷却时出现的冲击韧性下降现象。防止第二类回火脆性措施：ⅰ对较小零件可用回火后快冷方法；ⅱ对大型零件可选用含W、Mo的合金钢制造。机械工程材料2）合金元素提高钢的使用性能（1）合金元素使钢的性能得到强化由塑性变形理论知：塑性变形是位错在滑移面上运动的结果。钢中的溶质原子、第二相粒子及晶界等都阻碍位错运动，因而会产生固溶强化、第二相强化及细晶强化，从而使钢的强度、硬度升高。①固溶强化合金元素溶入钢后形成的合金铁素体，引起晶格畸变，增加位错运动阻力，产生固溶强化。机械工程材料②第二相强化合金渗碳体和特殊碳化物在钢中加热形成奥氏体时，难以溶于奥氏体，也难以聚集长大。当它们以细小质点分布在钢中时，会阻碍位错运动，从而有效地提高钢的强度和硬度。③细晶强化大多数合金元素都能细化铁素体和奥氏体晶粒及马氏体针条，且晶粒越细小，位错运动阻力越大，强化效果越显著。机械工程材料（2）合金元素使钢获得特殊性能合金元素加入钢中可以使钢形成稳定的单相组织或形成致密的氧化膜和金属间化合物，从而使钢获得耐腐蚀、耐热等特殊性能。NOTE：细晶强化不仅可以提高钢的强度和硬度，而且还能同时提高钢的塑性和韧性，这是其它强化方法不可能做到的。机械工程材料6.3.1碳素结构钢特点：含碳量低，硫磷含量高，其塑性高、可焊性好。热处理：一般不用热处理，常轧制成棒、板、型钢或以钢锭供应；在某些场合可进行正火、调质、渗碳等处理，以提高其使用性能。碳素结构钢牌号、化学成分、力学性能如表6-1、表6-2所示。6.3结构钢碳素结构钢是目前产量最大、使用最多的钢种，约占钢材70%。机械工程材料常用普通碳素结构钢的牌号、化学成分)牌号统一代号a等级厚度/mm脱氧方法化学成分（质量分数）%，不大于CSiMnPSQ195U11952——F、Z0.120.300.500.0350.040Q215U12152A—F、Z0.150.351.200.0450.050U12