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第四节常见工业用钢的性能及用途一、结构钢二、工具钢三、特殊性能钢一、结构钢1.工程构件用钢（1）普通碳素工程构件用钢（2）低合金高强度钢2.机器零件用钢（1）渗碳钢（2）调质钢（3）弹簧钢（4）滚动轴承钢一、结构钢1.工程构件用钢工程构件用钢是应用较广泛的钢种之一，用于国防、化工、石油、电站、车辆、造船、桥梁、建筑等国民经济部门，制造各种重要构件。建筑构件钢桥梁（1）普通碳素工程构件用钢（2）低合金高强度钢高的弹性极限、刚度、可焊性和冷变形性，好的耐大气、水腐蚀性，低的屈强比бs/бb以防脆断。成分要求：C%＜0.25%加入微量的V、Ti、Nb、Zr、Ca、RE性能要求:（1）普通碳素工程构件用钢普碳钢易于冶炼、价格低廉，性能也基本满足了一般工程构件的要求，所以在工程上用量很大。产量约占钢总产量的70%普碳钢含碳量较低；通常以热轧状态供应，一般不经热处理强化，只保证机械性能及工艺性能便可。Q235，既有较高的塑性又有适中的强度，是应用最广泛的一种普碳钢，即可用做较重要的建筑构件、车辆及桥梁等的各种型材，又可用于制做一般的机器零件，也可进行热处理。★Q195、Q215，有较高的延伸率，易于加工，常用作螺钉、农业机械等。★Q235～Q275具有较高的强度和硬度，延伸率也较大，大量用做建筑结构，轧制成各种型材。多边型角钢钢筋螺纹钢螺钉（2）低合金高强度钢低合金高强度钢含有少量合金元素，具有较高强度，1吨低合金高强度钢可顶1.2~2.0吨普碳钢使用，从而可减轻构件重量，提高使用的可靠性并节约钢材。这类钢主要用来制造各种要求强度较高的工程结构，例如船舶、车辆、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。它在建筑、石油、化工、铁道、造船、机车车辆、锅炉容器、农机农具等许多部门得到广泛的应用。万吨远洋轮压力容器南京长江大桥16Mn最具有代表性。16Mn是二十世纪三十年代发展起来的世界上第一种低合金高强度钢，它属于350MPa级别，它是目前我国用量最多，产量最大的一种低合金高强度钢。热处理：高压容器—调质处理；S回；一般工件—热轧状态下使用(或正火)，F＋P；发展趋势：1）微合金化与轧制合理结合，达到更高的强度；2）通过合金化改变基体组织；3）超低碳化。指用于制造各种机器零件、如轴类、齿轮、弹簧和轴承等所用的钢种。★机械性能要求——具有高的强度、塑性和韧性，具有良好的疲劳强度和耐磨性。一般都经过热处理后使用。★工艺性能——具有良好的切削加工性能和热处理工艺性能。机器零件用钢包括：优质碳素结构钢和合金结构钢。2.机器零件用钢（1）渗碳钢（2）调质钢（3）弹簧钢（4）滚动轴承钢（1）渗碳钢渗碳钢常用在受冲击和磨损条件下工作的一些机械零件，如汽车、拖拉机上的变速齿轮、内燃机上的凸轮、活塞销等，要求表面硬、耐磨，而零件心部则要求有较高的韧性和强度以承受冲击。通常尺寸小的、受力小的，采用低碳钢，而尺寸大的、受力大的则采用低碳合金钢。a.渗碳钢的工作条件及对性能的要求为了满足“外硬内韧”的要求，这类钢一般都采用低碳钢(WC0.1~0.25%)，经过滲碳后，零件的表面变为高碳的，而心部仍是低碳的，通过淬火+低温回火后使用。零件表面组织为回火M+碳化物+少量残余A，硬度达HRC58~62，满足耐磨的要求，而心部组织是低碳M，保持较高的韧性，满足承受冲击载荷的要求。对于大尺寸的零件，由于淬透性不足，零件的心部淬不透，仍保持原来的珠光体+铁素体组织；这时由于是低碳的，组织中铁素体占比例很大，因而韧性指标比较高，能满足“外硬内韧”的要求。b.渗碳钢的成分和钢种★低淬透性渗碳钢：WMe＜2%，D水=20～25，如20Cr、20Mn2等，用于小尺寸、小载荷的小齿轮、凸轮、活塞销等；★中淬透性渗碳钢：WMe≤4%，D油=25～60，如20CrMnTi、20CrMn等，用于制造承受中等载荷、有足够冲击韧性和耐磨性的汽车、拖拉机齿轮等零件；★高淬透性渗碳钢：WMe≤7.5%，D油＞100，如18Cr2Ni4WA,用于制造高载荷、高摩擦的飞机、坦克的主轴和主动齿轮；活塞销(20Cr)c.渗碳钢的热处理渗碳+淬火+低温（180~200℃）回火下料→锻造→正火→加工齿形→渗碳→预冷淬火＋低回→磨齿20CrMnTi钢制造齿轮的热处理工艺分析制造工艺路线热处理工艺曲线表层：高M回＋A′＋碳化物；58～64HRC;心部：F＋低M回；35～45HRC;1)正火：使组织均匀化、细化、改善切削加工性能；2)渗碳：在930℃渗碳7小时，渗层厚δ＝1.2～1.6mm；3)预冷至870℃，油淬＋低回：提高齿轮表面的含碳量，为淬火作准备；预冷的目的在于减少淬火变形，滲层中可以析出二次滲碳体，减少残余A量。经淬火和低温回火后获得高齿面硬度、耐磨性和疲劳强度，并保持心部的强度和韧性；20CrMnTi钢经上述处理后可获得高耐磨性滲层，心部有较高的强度和良好的韧性，适宜制造承受高速中载并且抗冲击和耐磨损的零件。如汽车、拖拉机的后桥和变速箱齿轮、离合器轴、伞齿轮和一些重要的轴类零件。（2）调质钢a.调质钢的工作条件及对性能的要求淬火后组织：马氏体+残余奥氏体+碳化物。高温回火后：回火索氏体（M分解，碳化物弥散析出，残余A转变)综合力学性能好，用于受力较复杂的重要结构零件。如汽车后桥半轴、连杆、螺栓以及各种轴类零件。调质钢即淬火+高温回火后使用的优质碳素钢和合金结构钢。汽轮机主轴b.调质钢的成分特点和钢种调质钢的C%=0.30~0.50%，属中碳钢，含碳量在这一范围内可保证钢的综合性能，过低则影响钢的强度指标，过高则韧性显得不足。一般碳素调质钢的含碳量偏上限，对于合金调质钢，随合金元素的增加，含碳量趋于下限。★高淬透性调质钢：典型钢种为40CrNiMoA，WMe为4%～10%，D油=60～100mm，多半为铬镍钢。铬、镍的适当配合，可大大提高淬透性，并能获得比较优良的综合机械性能。用于制造大截面、承受重负荷的重要零件，如汽轮机主轴、压力机曲轴、航空发动机曲轴等。★低淬透性调质钢：典型钢种是40Cr，WMe＜2.5%，D油=30～40mm，广泛用于制造一般尺寸的重要零件，如轴、齿轮、连杆螺栓等。35SiMn、40MnB是为节约铬而发展的代用钢种。★中淬透性调质钢：典型钢种为40CrNi，D油=40～60mm，WMe≈4%，用于制造截面较大、承受较重载荷的零件，如曲轴、连杆等。c.调质钢的热处理预备热处理——正火或退火最终热处理——★淬火+高温回火（调质）S回要求具有良好综合机械性能★表面淬火+低温回火（中碳M体）要求零件具有特别高的强度调质：830℃加热、油淬、得到M，然后在525℃回火，为防止第二类回火脆性，在回火的冷却过程中采用水冷，最终使用状态下的组织为S回，综合力学性能好，耐冲击。下料→锻造→退火→粗机加工→调质→精加工→装配40Cr钢制造拖拉机上的连杆、螺栓工艺路线：退火（或正火）：预备热处理改善锻造组织，消除缺陷，细化晶粒；调整硬度、便于切削加工；为淬火做好组织准备。（3）弹簧钢弹簧是各种机器和仪表中的重要零件。它是利用弹性变形吸收能量以缓和振动和冲击，或依靠弹性储存能量来起驱动作用。故要求制造弹簧的材料具有高的弹性极（即具有高的屈服点或屈强比），高的疲劳极限与足够的塑性和韧性。a.弹簧钢的工作条件及对性能的要求大型热卷弹簧簧弹丝汽车板簧火车螺旋弹簧b.弹簧钢的成分特点和钢种C＝0.45～0.7%加入Si、Mn：提高淬透性和屈强比。但Si会促使钢材表面在加热时脱碳，Mn则使钢易于过热。重要的弹簧加入Cr、V和W：更高的淬透性，不易脱碳和过热，而且有更高的高温强度和韧性。c.弹簧钢的热处理热成形弹簧热卷成形→淬火＋中回→喷丸→成品回火：得到T回组织，具有很高的屈服强度和弹性极限，并有一定的塑性和韧性。喷丸：使表面强化并在表面产生残余压应力，以提高疲劳强度。冷成形弹簧冷拔（或冷拉）后冷卷成型→去应力退火是消除内应力和稳定尺寸的定型处理，即加热到250～300℃，保温一段时间，从炉内取出空冷即可使用。（4）滚动轴承钢a.滚动轴承钢的工作条件及对性能的要求工作时承受很高、很集中的周期性交变载荷，所以常常是接触疲劳破坏。因此要求滚动轴承钢具有高而均匀的硬度，高的弹性极限和接触疲劳强度，足够的韧性和淬透性，一定的抗腐蚀能力。用于制造滚动轴承的钢。滚珠轴承滚针轴承滚柱轴承b.滚动轴承钢的成分特点及钢种★高碳：C＝0.95～1.05%，使硬度高，耐磨性好；★主加元素Cr：0.40～1.65%，提高淬透性和韧性；★辅加元素Si、Mn：能提高淬透性、弹性极限和强度极限。从化学成分看，滚动轴承钢属于工具钢范畴，所以这类钢也经常用于制造各种精密量具、冷冲模具、丝杠、冷轧辊和高精度的轴类等耐磨零件。GCr9SiMn含Mn量WMn≤1.5%含Si量WSi≤1.5%含Cr量WCr≈0.9%滚动轴承钢滚动轴承钢的牌号c.滚动轴承钢的热处理棒材→球化退火→冷镦成形→淬火＋低回→磨削→成品（冷处理）（时效）（时效）★球化退火：为机械加工和淬火作组织准备；★淬火＋低回：获得M回和粒状Fe3C，提高硬度降低内应力★冷处理(-60～-80℃)：使A′进一步转变为M体★时效：消除内应力,稳定组织，稳定尺寸。滚动轴承钢合金结构钢小结0.250.50.91.1典型钢种20CrMnTi40Cr60Si2MnGCr15性能要求表硬里韧好的综合机性高弹性、屈强比高HRC耐磨正火正火完全退火球化退火F+SF+SF+PP球渗碳、淬火+低回M回+A’+KM回+FS回T回M回+A’+K最终HT预备HT淬火+高回淬火+中回淬火+低回渗碳钢调质钢弹簧钢C%→