钢及其热处理

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1、钢及其热处理的基本知识1钢1.1 定义钢含碳量wcW2.1%的铁碳合金1.2 钢的分类按冶炼方法分；按化学成分分；按用途分；按金相组织分；按品质分；按制造加工形式分1.2.1 按冶炼方法分1）沸腾钢：脱氧不完全的钢，浇注时在钢锭模里产生沸腾。此钢材用以轧制普通碳素钢 的型钢和钢板。2）镇静钢：脱氧完全的钢，浇注时在钢液镇静，没有沸腾现象。一般合金钢和优质碳素 钢都是镇静钢。3）半镇静钢：脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，浇注时沸腾现象较沸腾钢弱。它的生 产较难控制，故目前在钢的生产中所占比重不大。1.2.2 按化学成分分1.2.2.1 碳素钢是指含碳量低于2%,并含有少量锰（Mn）、硅（Si）、

2、硫（S）、磷（P）、氧（O）等杂质 元素的铁碳合金。按含碳量不同可分为：1）工业纯铁含碳量wcW0.02%低碳钢0.02% VwcW0.25%中碳钢0.25% VwcW0.60%高碳钢0.60% wc2%1.2.2.2 合金钢是指在碳素钢的基础上，为了改善钢的性能，在冶炼时特意加入一些合金元素（如铬（Cr）、 镍（Ni）、硅（Si）、锰（Mn）、钼（Mo）、钨（W）、钒（V）、钛（Ti）、铌（Nb）而 炼成的钢。按合金元素的总含量，可分为：1）低合金钢一一合金元素总质量分数5%2）中合金钢合金元素总质量分数5%10%3）高合金钢一一合金元素总质量分数三10%各种主要合金元素的主要作用如下：Al

3、 （铝）：细化晶粒和脱氧；提高高温抗氧化性；固溶强化作用C （碳）：含量增加，钢的硬度和强度提高，但塑性和韧性下降Cr （铬）：提高淬透性；增加高碳钢的耐磨性；是不锈耐酸钢及耐热钢的主要合金元素， 但含量高时易产生脆性Cu （铜）：时效强化；在不锈钢中可提高对酸的抗腐蚀性及对应力腐蚀的稳定性Mn （锰）：细化珠光体组织以改善力学性能；明显提高钢的淬透性；但有增加晶粒粗化 和回火脆性的不良倾向Mo （钼）：提高钢的淬透性；降低回火脆性；提高抗有机酸及还原性介质腐蚀能力N （氮）：表面渗氮，提高硬度及耐磨性，增加抗蚀性Ni （镍）：提高塑性及韧性；改善耐腐蚀性；提高热强性，是热强钢及不锈耐酸钢的主

4、 要合金元素之一P （磷）：固溶强化及冷作硬化作用很好；但降低冷冲压性能；增加回火脆性及冷脆敏 感性S （硫）：改善切削性；产生热脆现象，恶化钢的质量；影响焊接性能Si （硅）：常用的脱氧剂；固溶强化作用；提高淬透性；对改善综合力学性能有利，提 高弹性极限，增加自然条件下的耐蚀性；含量较高时，降低焊接性，且易导致冷脆Ti （钛）：固溶强化作用强，但降低固溶体的韧性；改善回火稳定性；提高耐热钢的抗 氧化性和热强性，改善钢的焊接性1.2.3 按用途分1）结构钢I、碳素结构钢：包括Q195、Q215、Q235、Q255、Q275 等。C 含量 0.06%0.38%, Mn 含量0.25%0.80%,

5、 Si含量0.30%0.35%。多用于热轧制成钢板、钢带、型钢、榜钢等。II、优质碳素结构钢：简称碳结钢。如08F、20钢、45钢、80钢、15Mn、65Mn C 含量0.05%0.90%, Mn含量0.25%1.20%, Si含量0.17%0.37% （沸腾钢除外，其要求为 Si含量0.07%）。这类钢的组织均匀致密，质量好，但淬透性较差，因而不适于制造对性 能要求较高的、截面尺寸较大的或形状较复杂的零件。碳结钢的性能主要取决于含碳量,含 碳量越高，钢的强度、硬度越高，塑性、韧性越低。按含碳量不同，可分为低碳碳结钢、中 碳碳结钢、高碳碳结钢。III、低合金高强度结构钢：包括Q295、Q345

6、、Q395、Q420、Q460等。是指含有Mn、V、 Nb、Ti等少量合金元素、用于工程和一般结构的钢种。W、合金结构钢简称合结钢，是在碳素结构钢的基础上，适当加入一种或数种合金元素而制成的钢种。合 结钢根据其含碳量、使用时的热处理工艺和用途的不同，大致可分为：渗碳钢：主要为低碳合结钢，用这类钢制成的零部件，大都经过表面化学处理（渗碳或 氰化）、淬火并低温回火，可以获得很硬的表面层（HRC60左右），而心部仍具有很好的韧 性，使零部件既耐磨，又能承受较高交变载荷或冲击载荷。如 20Cr。调质钢：属于中碳合结钢。所制成的零部件经淬火及高温回火（或中温回火）后，可以 获得很好的强度和良好的韧性，即

7、具有良好的综合力学性能。如 40Cr。氮化钢：含铝的中碳合结钢，所制成的零部件需先经过调质或表面淬火处理，获得所需 的力学性能，再经过最终切削加工，然后进行氮化处理，以进一步增加其表面硬度和耐磨性。 如 38CrMoAl。结构钢除了上述4类以外，还有易切削结构钢、保证淬透性结构钢、焊接结构用耐候钢2）弹簧钢 用于制造弹簧和其他弹性元件的钢种。弹簧钢具有很高的屈服强度，高的疲劳强度，一定的韧性和塑性。其含碳量在 0.46%0.90%，此外还含有硅、锰、铬、钒、钨、钼等元素。如 常用的 65Mn。3）滚动轴承钢 简称轴承钢，主要用于制造滚动轴承内、外套圈和滚动体（滚针、滚珠和滚柱）。高碳铬轴承钢是

8、最常用的一种轴承钢，如常用的 GCr15。4）工具钢一、碳素工具钢：冷、热加工性能好、耐磨性好、价格较低；淬透性低、耐热性差。二、合金工具钢：淬透性和回火稳定性高，热处理开裂倾向小，耐磨性与热硬性较高。三、高速工具钢：红硬性好。5）不锈钢 即不锈耐酸钢。铬、镍的含量较高。6）耐热钢 指高温下有良好的化学稳定性和较高的强度、能较好适应高温条件的特殊合金钢。1.3 钢铁产品的命名符号及牌号1.3.1 命名符号常用命名符号举例名称碳素工具钢滚珠轴承钢焊接用钢铆螺钢铸钢沸腾钢半镇静钢咼级特级米用符号TGHMLZGFbAE位置牌号头牌号头牌号头牌号头牌号头牌号尾牌号尾牌号尾牌号尾1.3.2 牌号表示例如

9、：1）碳素结构钢，如 Q235Bb ：Q：钢材屈服强度“屈”字的拼音首位字母235 :屈服强度值（MPa）B：质量等级：A、B、C、Db：脱氧方法（b表示半镇静钢，F表示沸腾钢，Z表示镇静钢（可省略）2）优质碳素结构钢，如 20A：20：含碳量万分之 20（ 0.2%）A：高级优质（无符号时表示优质）3）碳素工具钢，如 T8MnA：T :碳素工具钢8：含碳量千分之 8（ 0.8%）Mn：含量较高（0.40%0.60% ）时标出A：高级优质（无符号时表示优质）4）合金结构钢，如 25Cr2MoVA：25：含碳量万分之 25（ 0.25%）Cr2MoV：以百分之几表示A：咼级优质钢5）弹簧钢，如

10、65Mn：65：含碳量万分之 65（ 0.65%）Mn：以百分之几表示（见注）6）滚动轴承钢，如 GCr15：G：滚动轴承钢Cr15:含铬量千分之15 （1.5%）7）合金工具钢，如 4CrW2Si：4：含碳量（三1%时不予标出，W1%时数字为千分之几）CrW2Si： 般以百分之几表示8）铆螺钢，如 ML10：ML：铆螺钢10： 10钢（含碳0.1%）注：1、合金含量1.5%者，在牌号中只标出元素符号，不注其含量。 2、平均含量1.5%者，合金元素含量以四舍五入的整数表示。2 钢的热处理2.1 定义 热处理是指金属或合金在固态范围内，通过一定的加热、保温和冷却方法，以改善金属或 合金的内部组织

11、，而得到所需性能的一种工艺操作。2.2 钢常见的热处理组织羽卜竹杞备占崗浑咸和酱碳菱分别为A153U.:mE14931C,J心心JBJiU.o.)m,Z1-K9/C.0.：0%Cm-1 i rti.05 UITo?-.c? ?：；夕二0 5-.C?- T.3Z,0.02CQ-0JFf wcsr.xr.图 1 铁碳合金相图铁素体：碳在a-Fe中的间隙固溶体，其最大含碳量为0.0218%。铁素体强度、硬度低， 塑性和韧性好，其硬度HB=80100。铁素体的金相特征为明亮的多边形晶粒。符号表示为F。渗碳体：铁与碳所形成的具有复杂晶格的金属化合物。符号表示为FegC。渗碳体硬而脆， 硬度高达HB800

12、,强度很低，塑性、韧性几乎为零。金相显微镜下观察可呈片状、粒状、 网状或板状。珠光体：是铁素体和渗碳体相间排列的片层状组织（两者的机械混合物）。片状珠光体的 硬度HB=190255,抗拉强度高。符号表示为P。奥氏体：碳在Y-Fe中的间隙固溶体。奥氏体塑性很好，强度和硬度比铁素体高，其硬度 为HB170220。符号表示为y或A。马氏体：碳在 a-Fe 中的过饱和固溶体。淬火后得到马氏体组织。马氏体是各种组织中硬 度最高的，马氏体的硬度随着含碳量的增加而提高。按金相形态把马氏体分为板条马氏体和 针状（片状）马氏体。板条马氏体在形态上由一束束平行的板条组成，板条马氏体又称为低 碳马氏体；针状马氏体在

13、金相显微镜下呈针状或竹叶状，针状马氏体又称为高碳马氏体。高 碳马氏体硬度高而脆，低碳马氏体则有较高的韧性。回火马氏体：淬火钢通过低温回火（150C250C ）得到回火马氏体。低碳钢低温回火后 得到板条马氏体，高碳钢低温回火后得到针状马氏体。一般地，回火马氏体越细，零部件的 综合性能越好。例如，对于针状马氏体，隐针马氏体（又叫隐晶马氏体）是最好的。回火马 氏体的硬度可达 HRC5064。回火屈氏体：淬火钢经300C450C回火后获得的组织为回火屈氏体。回火屈氏体是a相 和弥散分布的渗碳体的混合物，在显微镜下呈暗黑色。回火屈氏体具有很高的弹性极限和屈 服强度，同时具有一定的韧性。因此，弹簧的淬火+

14、回火组织通常为回火屈氏体组织。回火索氏体：淬火钢在500C650C回火后获得的组织为回火索氏体。回火索氏体是铁素 体加基体上均匀分布的细粒状渗碳体的混合物。回火索氏体具有较高的韧性、塑性，同时保 持较高强度。调质件一般应获得回火索氏体组织。网状碳化物：过剩碳化物在晶粒边界上析出索形成的网络，即碳化物不均匀度，网状碳化 物增加钢的脆性，降低韧性。脱碳：热加工或热处理时，钢材表面由于受炉气作用，失去全部或部分碳量，称为脱碳。 脱碳分为全脱碳与半脱碳。钢材表面脱碳会大大降低表面硬度和耐磨性，并使轴承钢和弹簧 钢的疲劳极限降低。过烧组织：过烧，就是加热温度过高使晶界局部熔化。存在过烧组织的钢材只能报废

15、。过热组织：加热温度过高使奥氏体晶粒粗大，冷却后形成魏氏组织或粗晶组织，使钢的冲 击韧度下降。过热组织可以采用完全退火或正火进行补救。2.3 钢的常见热处理2.3.1 退火 退火是将工件加热到一定温度（温度范围根据不同的退火方法而定），经保温后缓慢冷却 （一般为随炉冷却），以获得接近平衡组织的热处理。退火一般为预先热处理或中间热处理。 根据工艺路线的不同，退火可分为球化退火、均匀化退火、去氢退火、再结晶退火、去应力 退火等。退火的目的：1）消除或改善坯料制备时所造成的各种组织缺陷；2）获得有利于切削加工的组织和硬度；3）改善组织中相的形态分布，细化晶粒，为最终热处理做好组织准备；4）消除或降低内应力，以见效后续加工引起的变形、开裂倾向；5）消除冷作硬化，软化金属，以利于冷塑性变形