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《工程材料及应用》第七章钢概述碳钢是机械工业中的一种重要的工程材料，冶炼容易、价格低廉、具有较好的力学性能和工艺性能，能满足一般机械零件和工具的要求，因此在工业生产中得到了广泛的应用；合金钢是在碳钢基础上，有目的地加入了某些合金元素，使得材料的力学性能和淬透性、热硬性、耐蚀性等进一步提高。钢的种类繁多，常用的分类方法有：（参阅《教材》P139)1、按用途划分：结构钢、工具钢、特殊性能钢；2、按冶炼质量划分：普通钢、优质钢、高级优质钢、特级优质钢；3、按含碳量划分：低碳钢、中碳钢、高碳钢；4、按合金元素的含量划分：低合金钢、中合金钢、高合金钢；5、按冶炼方法划分：平炉钢、转炉钢、电炉钢；6、按脱氧方法划分：沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢。《工程材料及应用》第七章钢钢材的编号/牌号1、普通碳素结构钢和低合金高强度钢编号方法为：Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号其中:Q表示“屈服强度”,强度值单位是MPa；质量等级符号为A、B、C、D、E，其S、P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。*一般屈服强度值小于290MPa为碳素结构钢，大于290MPa为低合金高强度钢。例如：Q235AF、Q460EZ2、优质碳素结构钢编号方法为：两位数字+脱氧方法符号其中:两位数字表示钢中含碳量的万分数。例如：45、08F3、碳素工具钢编号方法为：T+数字其中:T表示“碳素工具钢”；数字表示钢中含碳量的千分数。碳素工具钢分为优质和高级优质两类，若为高级优质钢则编号后面加“A”。例如：T8A、T12《工程材料及应用》第七章钢4、合金结构钢编号方法为：两位数字+合金元素+数字其中:两位数字表示含碳量的万分数；合金元素+数字表示钢中所含合金元素及其百分含量。注：牌号后面加A表示高级优质钢，加E表示特级优质钢。例如：60Si2Mn、40CrA、12Cr2Ni45、合金工具钢编号方法为：一位数字+合金元素+数字其中:一位数字表示含碳量的千分数；合金元素+数字表示钢中所含合金元素及其百分含量。注：若钢中含碳量超过1%，则不标出含量例如：9SiCr、CrWMn6、特殊性能钢编号方法与合金结构钢相同例如：12Cr13、06Cr19Ni10《工程材料及应用》第七章钢第一节常存杂质元素对钢性能的影响钢在冶炼过程中，不可避免地要带入少量的锰、硅、硫、磷等杂质元素，它们对钢的性能有一定的影响。1、锰（Mn）：有益元素（1）冶炼时作脱氧剂（脱氧时加入锰铁)；（2）溶于铁素体中，形成置换固溶体，一定的强化作用；（3）减少硫对钢的影响，改善钢的热加工性能。2、硅（Si）：有益元素（1）冶炼时作脱氧剂（脱氧时加入锰铁和硅铁)；（2）溶于铁素体中，具有一定的强化作用；3、硫（S）：有害元素硫在钢中以FeS形式存在，FeS与Fe形成低熔点共晶物（985℃），分布在晶界上，热加工时共晶物熔化，导致钢材沿晶界开裂（热脆），应严格控制硫在钢中的含量。消除：加入一定量的Mn。【Mn+FeS→MnS+Fe，MnS熔点为1620℃】《工程材料及应用》第七章钢4、磷（P）：有害元素磷溶于钢中，使钢的强度、硬度提高，但塑性、韧性显著下降，且在低温下尤为严重（冷脆），应严格限制磷在钢中的含量。在钢中加入磷元素，可提高钢的切削性能，如：易切削钢（Y12，Y15）含P约0.1%；亦可提高钢的耐大气腐蚀性（金属表面形成保护膜），如：耐候钢09CuPCrNi-A，适用于车辆、建筑等。5、氧（0)：冶炼脱氧后，钢中仍然有一些氧化物存在（如Fe304、Fe0等），氧化物作为杂质在钢中存在，会降低碳钢的性能，比较贵重的合金往往采用真空或惰气保护冶炼。6、氮（N）：N由炉气进入钢中，N在奥氏体中溶解度较大，而在铁素体中溶解度小。当钢材由高温快速冷却时，N来不及析出，溶于F中，在200-250℃加热时以氮化物形式析出，使钢的强度、硬度提高，但韧性显著下降，此时钢的表面呈蓝色（蓝脆）。7、氢（H）：H来源于空气和水份，可能导致钢的低应力脆断（氢脆/白点）。所以，钢材在生产和使用时必须严格控制杂质元素的含量（尤其是S、P），对于要求较高的构件，还须进行检验（如金相试验，力学实验等）。《工程材料及应用》第七章钢第二节合金元素在钢中的作用在钢中有目的地加入合金元素，通过合金元素与Fe、C组元的相互作用，会改变钢的组织和性能，同时也会对铁碳相图和热处理工艺产生影响。一、合金元素对钢中的基本相（F、Fe3C）的影响1、非碳化物形成元素(Ni、Si、Al、Co、Cu)：不与碳化合，而是溶入F中，形成合金铁素体。（由于固溶强化作用，合金F较F的σ、HRC更高）2、弱碳化物形成元素（Mn）：形成合金铁素体或合金渗碳体。3、中碳化物形成元素（Cr、W、Mo）：形成合金渗碳体[如(Fe,Cr)3C]，含量较多时形成特殊碳化物。（合金Fe3C较Fe3C的稳定性、σ、HRC更高）。4、强碳化物形成元素（V、Nb、Ti）：形成特殊碳化物，稳定性、强度、硬度进一步提高。注：A、合金渗碳体和合金碳化物主要以第二相强化的方式来提高材料的力学性能，故合金钢一般都需要进行热处理，且碳化物的类型、大小、数量、分布等对钢的性能有很重要的影响。B、合金元素的加入，一般会使钢的强度、硬度提高，但合金元素加入较多时，钢的塑性和韧性会下降。（参阅《教材》P141，图7-1、7-2）《工程材料及应用》第七章钢二、合金元素对铁碳相图的影响1、改变奥氏体区的范围（1）扩大A区：Mn、Ni元素等若含量较高，可将A区扩大到室温下，室温下得到单相A组织（A体钢），如06Cr19Ni10。（2）缩小A区：Cr、W、Mo元素等若含量较高，可将A区缩小以至消失，室温下得到单相F组织（F体钢），如06Cr13。2、改变S、E点的位置加入合金元素，一般会使铁碳相图上的S、E点左移。如高速钢W18Cr4V，含碳量0.7-0.8%，组织中出现Ld’。Mn对奥氏体相区的影响Cr对奥氏体相区的影响合金元素对铁碳相图中S点的影响《工程材料及应用》第七章钢三、合金元素对钢热处理的影响1、合金元素对钢加热转变的影响（1）除Ni、Co外，加入合金元素均减缓A体形成过程，合金钢的热处理需要更高的温度和更长的时间。（2）除Mn外，加入合金元素均阻碍A体晶粒长大，淬火后易得到细小的M组织。2、合金元素对钢冷却转变的影响（1）除Co外，加入合金元素会使材料的C曲线右移，淬透性提高。（2）除Co、AL外，加入合金元素会降低Ms、Mf点，使残余A量增多。《工程材料及应用》第七章钢3、合金元素对淬火钢回火转变的影响（1）增加耐回火性(回火稳定性)。合金元素的加入，一般会延缓M组织的分解转变，使合金钢在相同温度回火后，强度、硬度下降较少，淬火内应力消除更充分。（2）回火时产生二次硬化现象。如果钢中含有W、Mo、V等强碳化物形成元素，在500~600℃回火时，析出的碳化物分布在M基体上，阻碍位错运动，使钢的硬度反而有所提高。二次硬化现象对需要红硬性的工具钢具有重要意义。（3）产生第Ⅱ类回火脆性。一般碳钢在300℃左右回火时，出现韧性下降的现象，称为第Ⅰ类回火脆性；而合金钢在500~650℃回火后缓冷，则会出现第Ⅱ类回火脆性，解决办法是：A、回火后快速冷却；B在合金钢中加入W(1%)或Mo(0.5%)元素。《工程材料及应用》第七章钢第三节结构钢结构钢主要用于各种工程结构和机械结构。工程结构用钢通常只承受静载荷作用，大都采用普通结构钢材料，一般不进行热处理；机械结构用钢往往需要承受动载荷作用，大都采用优质或高级优质的结构钢，一般需要进行适当的热处理，以充分发挥钢材的性能潜力。一、碳素结构钢1、成分：含碳量0.4%，S、P含量较多。2、性能：工艺性较好，可以满足一般工程结构或普通机械零件的要求。3、热处理：一般不进行热处理，在热轧或空冷态下使用。参阅《教材》P147，表7-1、7-2《工程材料及应用》第七章钢二、低合金高强度结构钢1、成分：含碳量较低C%≤0.2%；加入少量的Mn、Si等元素（固溶强化、相图中S点左移，珠光体含量增加）2、热处理:正火或热轧状态下使用，一般不专门进行热处理。3、组织：F+P4、性能特点：（1）较高的强度，良好的塑性、韧性；（2）良好的焊接性能；（3）较好的耐蚀性能；5、应用：低合金高强钢的成本与普通碳钢相近，但性能更好，因此广泛应用于桥梁、船舶、压力容器、农业机械等领域。（参阅《教材》P149）南京长江大桥采用Q345钢鸟巢采用Q460EZ钢《工程材料及应用》第七章钢三、渗碳用钢渗碳钢一般用于制造承受强烈摩擦、较大冲击以载荷及交变应力作用的零件，如汽车齿轮、凸轮轴等，这类零件要求材料具有“内韧外硬”的性能。1、成分：①低碳0.1~0.25%（如20Cr、20CrMnTi，保证心部的韧塑性）②加入提高淬透性的元素：Cr、Ni、Mn、B③加入阻碍A长大的元素：W、Mo、V、Ti2、热处理：正火——渗碳——淬火+低温回火3、组织和性能：表层：高碳回火M+K，硬度高、耐磨性好心部：低碳回火M，强韧性较好4、应用：（参阅《教材》P151，渗碳钢的分类及用途）《工程材料及应用》第七章钢四、调质用钢调质钢一般用于制作承受复杂载荷作用，要求具有较好综合力学性能的零件，如传动轴、连杆、重要齿轮、高强度螺栓等。1、成分：①中碳0.3~0.5%（如40Cr、35CrMo，保证强韧性）②加入提高淬透性的元素：Mn、Cr、Ni③加入阻碍A长大的元素：W、Mo、V、Ti2、热处理：正火/退火——调质（淬火+高温回火）3、组织和性能：获得回火S组织，具有良好的综合力学性能4、应用：（参阅《教材》P158，调质钢的分类及用途）《工程材料及应用》第七章钢五、弹簧用钢弹簧钢一般用于制作各种弹性元件，要求具有较高的弹性极限和疲劳强度，如螺旋弹簧、汽车板簧、钟表发条等。1、成分：①中高碳钢0.6~0.9%（如65Mn、60Si2Mn）②加入Mn、Si、Cr等元素，提高淬透性和回火稳定性2、热处理：淬火+中温回火3、组织和性能：获得回火T组织，具有较高的弹性极限和疲劳强度。4、应用：（参阅《教材》P159，弹簧钢的分类及用途）汽车板簧火车弹簧《工程材料及应用》第七章钢六、滚动轴承钢滚动轴承钢是用于制造各类滚动轴承的内/外圈及滚动体（滚珠、滚柱、滚针）等的专用钢种。1、成分：①高碳0.9~1.15%（保证高强度、硬度）②主加元素为Cr，提高淬透性和接触疲劳强度2、热处理：球化退火——淬火+低温回火3、组织和性能：获得回火M组织，具有高强度、硬度和耐磨性4、应用（参阅《教材》P162，常用轴承钢的牌号、性能及用途）《工程材料及应用》第七章钢第四节工具钢工具钢是指用于制作刃具、模具、量具等工具的钢，因此工具钢可以分为刃具钢、模具钢和量具钢三类。工具钢一般要求具有较高的强度、硬度和耐磨性，同时保持足够的塑性和韧性。一、刃具钢刃具在工作时承受很大的切削作用力，刀刃与切屑之间强烈的摩擦使刀刃磨损并发热，同时刃具还承受一定的冲击作用。因此要求刃具钢具有以下性能：1、高的硬度与耐磨性；2、高的红硬性（也称为热硬性，指刀刃在高温下保持高硬度的能力）；3、足够的强度与韧性。参阅《教材》P166常用的刃具钢有：碳素工具钢、低合金刃具钢及高速钢等。《工程材料及应用》第七章钢1、碳素工具钢碳素工具钢生产成本低，但淬透性、热硬性较差，主要用于制造较小尺寸的手工工具和低速切削刃具。（1）成分：高碳（0.65~1.35%）例如:T8、T12随着含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韧性下降。（2）热处理：（正火）——球化退火——淬火+低温回火（3）组织和性能：M回+粒状K（4）性能及用途：（参阅《教材》P167，碳素工具钢牌号、性能及用途）《工程材料及应用》第七章钢2、低合金刃具钢低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量的合金元素（≤3~5%）形成的，淬透性提高，用于制造形状复杂、要求变形小的低速刃具。（1）成分：高碳（0.75~1.5%）例如：9SiCr加入Cr、Mn、Si，提