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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 第一节钢的分类及编号 一 钢的分类1 按化学成分分 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
2、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 T221 2000 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
3、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 7 1 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 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
4、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 50 2 49 2 50 3 49 3 50 4 49 4 50 5 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
5、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
6、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 01 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
7、 表示 如0Cr18 当含碳量 0 03 时 以 00 表示 如00Cr18Ni10 7 铸钢ZG 两位数字ZG表示 铸钢 两位数字表示平均含碳量的万分之几 如ZG25 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 1150 1200 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
8、 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
9、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
10、 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 对Fe Fe3C相图的影响1 对奥氏体相区的影响 Ni Mn Co C N等是扩大奥氏体相区的元素 使A1 A3点下降 A4点上升 当Mn 13 或Ni 9 时 S点降到0 以下 室温下为单相奥氏体组织 称奥氏体钢 锰对奥氏体相区的影响 Cr Mo Si Ti W Al等是缩小奥氏体相区的元素 使A1 A3点上升 A4点下降 当Cr 13 时 奥氏体相区消失 室温下为单相铁素体组织 称铁素体钢 铬对奥氏体相区的影响 2 对E点和S点位置的影响所有合金元素均使E点和S点左移 即这两点的含碳量下降 使碳含量比较低的钢出
11、现过共析组织 如4Cr13 或共晶组织 如W18Cr4V 对钢中相变过程的影响1 对奥氏体化的影响 对奥氏体形成速度的影响 除Ni Co外 都减缓奥氏体化过程 对奥氏体晶粒长大倾向的影响 碳 氮化物形成元素阻碍奥氏体晶粒长大 Mn P促进长大 2 对过冷奥氏体转变的影响 对C曲线和淬透性的影响 除Co外 凡溶入奥氏体的合金元素均使C曲线右移 淬透性提高 常用提高淬透性的元素为Mn Si Cr Ni B 对Ms Mf点的影响 除Co Al外 所有元素都使Ms Mf点下降 合金元素对钢淬透性的影响 淬火碳钢回火时的硬度变化 3 对回火转变的影响 提高耐回火性 淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称
12、耐回火性 合金元素能阻碍马氏体分解及碳化物的析出与聚集 当回火硬度相同时 合金钢比同含碳量碳钢回火温度高 如果同温度回火 合金钢硬度比碳钢高 产生二次硬化含高W Mo Cr V钢淬火后回火时 由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A 转变为M回 使硬度不仅不下降 反而升高的现象称二次硬化 防止第二类回火脆性加W Mo可防止第二类回火脆性 高速钢 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 性能 可焊性 塑性好 3 热处理 不进行专门热
13、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强化作用 另外加Cu P可提高耐蚀性 加RE可提高韧
14、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 1 0 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 Ti V 渗碳淬火后的表层组织 3 热处理特点渗碳件的加工
15、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 3 0 5 C 合金元素作用 提高淬透性 Mn Si Cr N
16、i 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 30 40mm 常用45 40Cr 用于制造较小的齿轮 轴 螺栓等 中淬透性钢 D0油 40 60mm 常用40CrNi 用于制造大中型零件 高淬透性钢 D0油 60mm 常用40CrNiMo 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 6 0 9 C合金弹簧钢为0 45 0 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 250 300 用于 1
