第7章工业用钢 教学提示:钢铁材料通常包括钢和铸铁,即指含碳量小于66%的FeC基合金。其中 含碳量小于211%的合金称为钢。常用的钢材除Fe、C元素外,还含有极少量的由原料 冶炼及加工过程中残留下来的M、Si、P、S等杂质,以及为改善和满足材料使用及工艺 性能加入的合金元素。钢铁材料自身结构特性和成分可调性使得钢铁材料性能具有多样性, 是目前各行各业尤其是机械工业中不可缺少的基础材料。 教学要求:学生根据材料主要用途,能够对工业用钢进行分类;掌握各类零件的工作 条件、性能要求,确定选用可能的钢材,大致制定其加工工艺路线;了解合金钢和碳素钢 在使用性能和工艺性能上的差别;理解合金钢的优势;掌握不锈钢、耐热钢的工作条件和 材料设计原理 7.1概述 钢材种类繁多,性能千差万别,为便于生产使用和硏究,需要对钢进行分类和编号 7.1.1钢材的分类 1.按化学成分 可分为碳素钢和合金钢。碳素钢按含碳量不同又分低碳钢(含碳量小于0.25%),中碳钢 (含碳量为0.25%~0.6%和高碳钢(含碳量大于0.6%)。合金钢按合金元素总量分低合金钢 (合金元素总量小于5%),中合金钢(合金元素总含量为5%~10%)和高合金钢(合金元素总 量大于10%),按所含主要合金元素将合金钢分为锰钢、铬钢、铬锰钛钢等。 2.按供货状态分 般钢供应状态有退火和正火态两种。按正火态组织将钢分为珠光体类、贝氏体类、 马氏体类及奥氏体类钢;按退火态(即平衡态)组织可将钢分为亚共析、共析和过共析钢。 3.按冶金质量分 以钢中的有害杂质硫磷含量不同进行区分有普通质量钢、优质钢和高级优质钢。 4.按使用用途分 有结构钢、工具钢和特殊性能钢三类。 1)结构钢 用于制作工程结构和机器零件。包括工程结构用钢和机器零件用钢。工程结构用钢也 叫工程构件用钢,用于制作大型金属结构(如桥梁、船舶、车辆、锅炉和压力容器),又可
第 7 章 工 业 用 钢 教学提示：钢铁材料通常包括钢和铸铁，即指含碳量小于 6.69%的 Fe-C 基合金。其中 含碳量小于 2.11%的合金称为钢。常用的钢材除 Fe、C 元素外，还含有极少量的由原料、 冶炼及加工过程中残留下来的 Mn、Si、P、S 等杂质，以及为改善和满足材料使用及工艺 性能加入的合金元素。钢铁材料自身结构特性和成分可调性使得钢铁材料性能具有多样性， 是目前各行各业尤其是机械工业中不可缺少的基础材料。 教学要求：学生根据材料主要用途，能够对工业用钢进行分类；掌握各类零件的工作 条件、性能要求，确定选用可能的钢材，大致制定其加工工艺路线；了解合金钢和碳素钢 在使用性能和工艺性能上的差别；理解合金钢的优势；掌握不锈钢、耐热钢的工作条件和 材料设计原理。 7.1 概 述 钢材种类繁多，性能千差万别，为便于生产使用和研究，需要对钢进行分类和编号。 7.1.1 钢材的分类 1. 按化学成分 可分为碳素钢和合金钢。碳素钢按含碳量不同又分低碳钢(含碳量小于 0.25%)，中碳钢 (含碳量为 0.25%～0.6%)和高碳钢(含碳量大于 0.6%)。合金钢按合金元素总量分低合金钢 (合金元素总量小于 5%)，中合金钢(合金元素总含量为 5%～10%)和高合金钢(合金元素总 量大于 10%)，按所含主要合金元素将合金钢分为锰钢、铬钢、铬锰钛钢等。 2. 按供货状态分 一般钢供应状态有退火和正火态两种。按正火态组织将钢分为珠光体类、贝氏体类、 马氏体类及奥氏体类钢；按退火态(即平衡态)组织可将钢分为亚共析、共析和过共析钢。 3. 按冶金质量分 以钢中的有害杂质硫磷含量不同进行区分有普通质量钢、优质钢和高级优质钢。 4. 按使用用途分 有结构钢、工具钢和特殊性能钢三类。 1) 结构钢 用于制作工程结构和机器零件。包括工程结构用钢和机器零件用钢。工程结构用钢也 叫工程构件用钢，用于制作大型金属结构(如桥梁、船舶、车辆、锅炉和压力容器)，又可
第7章工业用 分为建筑用钢、桥梁用钢、船舶用钢及车辆和压力容器用钢等。一般用普通质量的碳素 钢(普碳钢)或普通低合金高强度钢(普低钢)制作。机器零件用钢是用来制造各种机器零件 般用优质或高级优质钢制作,要求不高的普通零件也可用普碳钢或普低钢制作;机器零 件用钢按其工艺过程和用途分主要包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢和轴承钢等,主要由优质 碳素钢和合金钢制作 2)工具钢 用于制造各种加工和测量工具用钢,按用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。 3)特殊性能钢 具有特殊物理化学性能的钢种。可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢、耐寒钢和电工钢等 7.1.2钢的编号 世界各国合金钢编号方法不一样,我国钢材编号采用国际化学符号、数字及汉语拼音 字母并用原则,钢中的合金元素用元素符号表示,如Si、Mn、Cr、Ni等,稀土元素用“RE” 表示其总含量。 钢的牌号应反映其主要成分和用途。我国合金钢是按含碳量、合金元素种类和数量、 质量级别来编号,简单明了。 在牌号首部用数字标明钢的含碳量。为了表明用途,规定结构钢以万分之一为单位的 数字(两位数)、工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字(一位数)来表示含碳量(与碳 钢编号一样),而工具钢含碳量超过1%时,含碳量不标出。在表明含碳量的数字之后,用 元素符号表明钢中主要合金元素,含量由其后数字标明,平均含量少于1.5%时不标数 均含量为1.5%~249%、25%~3.49%…时,相应地标以2、3…。 根据以上编号方法,40Cr钢为结构钢,平均含碳量为040%:主要合金元素为Cr,其 含Cr量在1.5%以下。5 CrNiMo钢为工具钢,平均含碳量为0.5%,含有Cr、Ni、Mo三种 主要合金元素,含量皆在1.5%以下。 CrWMn钢,也为工具钢,平均含碳量大于1.0%,含 有Cr、W、Mn合金元素,合金元素含量都少于1.5% 专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明。例如,滚珠轴承钢钢号前标以“G”字。GCr5 表示含碳量约1.0%、铬约1.5%含铬量以千分之一为单位的数字表示1)的滚珠轴承钢 对于高级优质钢,则在钢号的末尾加“A”字表明,例如20Cr2N4A等。 要比较精确确定钢种类、成分及大致用途,除需要熟悉钢编号方法外,还要对各类钢 的含碳量及所含合金元素特点有所了解。另外,少数特殊用途钢的编号方法有例外,例如 属于特殊性能的耐热钢12 CrlMov,编号方法就与结构钢相同,但这种情况极少。 72工业用钢中合金元素的作用 实验表明,在碳钢中加入一定数量的合金元素进行合金化,可以进一步改善钢的组织 和性能。合金元素是为了改变钢的组织与性能而有意加入的元素。合金元素加入钢中,不 仅与铁、碳两种基本元素发生作用,合金元素之间也相互作用。因此对铁的基本相、相图、 钢的相变均有影响
第 7 章 工业用钢 ·133· ·133· 分为建筑用钢、桥梁用钢、船舶用钢及车辆和压力容器用钢等。一般用普通质量的碳素 钢(普碳钢)或普通低合金高强度钢(普低钢)制作。机器零件用钢是用来制造各种机器零件。 一般用优质或高级优质钢制作，要求不高的普通零件也可用普碳钢或普低钢制作；机器零 件用钢按其工艺过程和用途分主要包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢和轴承钢等，主要由优质 碳素钢和合金钢制作。 2) 工具钢 用于制造各种加工和测量工具用钢，按用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。 3) 特殊性能钢 具有特殊物理化学性能的钢种。可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢、耐寒钢和电工钢等。 7.1.2 钢的编号 世界各国合金钢编号方法不一样，我国钢材编号采用国际化学符号、数字及汉语拼音 字母并用原则，钢中的合金元素用元素符号表示，如 Si、Mn、Cr、Ni 等，稀土元素用“RE” 表示其总含量。 钢的牌号应反映其主要成分和用途。我国合金钢是按含碳量、合金元素种类和数量、 质量级别来编号，简单明了。 在牌号首部用数字标明钢的含碳量。为了表明用途，规定结构钢以万分之一为单位的 数字(两位数)、工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字(一位数)来表示含碳量(与碳 钢编号一样)，而工具钢含碳量超过 1%时，含碳量不标出。在表明含碳量的数字之后，用 元素符号表明钢中主要合金元素，含量由其后数字标明，平均含量少于 1.5%时不标数，平 均含量为 1.5%～2.49%、2.5%～3.49%…时，相应地标以 2、3…。 根据以上编号方法，40Cr 钢为结构钢，平均含碳量为 0.40%；主要合金元素为 Cr，其 含 Cr 量在 1.5%以下。5CrNiMo 钢为工具钢，平均含碳量为 0.5%，含有 Cr、Ni、Mo 三种 主要合金元素，含量皆在 1.5%以下。CrWMn 钢，也为工具钢，平均含碳量大于 1.0%，含 有 Cr、W、Mn 合金元素，合金元素含量都少于 1.5%。 专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明。例如，滚珠轴承钢钢号前标以“G”字。GCrl5 表示含碳量约 1.0%、铬约 1.5%(含铬量以千分之一为单位的数字表示 1)的滚珠轴承钢。 对于高级优质钢，则在钢号的末尾加“A”字表明，例如 20Cr2Ni4A 等。 要比较精确确定钢种类、成分及大致用途，除需要熟悉钢编号方法外，还要对各类钢 的含碳量及所含合金元素特点有所了解。另外，少数特殊用途钢的编号方法有例外，例如 属于特殊性能的耐热钢 12CrlMoV，编号方法就与结构钢相同，但这种情况极少。 7.2 工业用钢中合金元素的作用 实验表明，在碳钢中加入一定数量的合金元素进行合金化，可以进一步改善钢的组织 和性能。合金元素是为了改变钢的组织与性能而有意加入的元素。合金元素加入钢中，不 仅与铁、碳两种基本元素发生作用，合金元素之间也相互作用。因此对铁的基本相、相图、 钢的相变均有影响
134· 金属学与热处理 7.2.1合金元素对钢组成相的影响 钢中的合金元素 钢中常见合金元素有Si、Ni、Cu、Al、Co、Ti、Nb、Zr、V、W、Cr、Mn等。合金 元素加入钢中,主要与铁形成固溶体,或者与碳形成碳化物,少量存在于夹杂物(氧化物、 氮化物等),在高合金钢中还可能形成金属间化合物。其中与碳亲和力较强的元素称为碳化 物形成元素,如Ti、Nb、Zr、V、W、Cr、Mn等。与碳亲和力较小的元素称为非碳化物形 成元素,如Si、Ni、Cu、Al、Co等 2.合金元素对FeC相图的影响 合金元素按对FeC相图的影响分为两类,扩大y相区元素称为奥氏体稳定化元素,包 括Mn、Ni、Co、C、N、Cu等,它们使A3点下降,A4点上升,从而扩大y相区的存在 范围,如图1所示。缩小γ相区元素称为铁素体稳定化元素,主要有Cr、Mo、W、V、 Ti、Al、Si、B、№b、Zr等,它们使A3点上升,A4点下降,从而缩小y相区的存在范围, 如图72所示。 L+δ L+ O+Y Fe (a)与y-Fe无限互溶 (b)与y-Fe有限互溶 图71扩大y相区示意图 L+a a+Y Fe (a)与aFe无限互溶 (b)使Y相区缩小但不封闭 图72缩小y相区示意图 134
·134· 金属学与热处理 ·134· 7.2.1 合金元素对钢组成相的影响 l. 钢中的合金元素 钢中常见合金元素有 Si、Ni、Cu、Al、Co、Ti、Nb、Zr、V、W、Cr、Mn 等。合金 元素加入钢中，主要与铁形成固溶体，或者与碳形成碳化物，少量存在于夹杂物(氧化物、 氮化物等)，在高合金钢中还可能形成金属间化合物。其中与碳亲和力较强的元素称为碳化 物形成元素，如 Ti、Nb、Zr、V、W、Cr、Mn 等。与碳亲和力较小的元素称为非碳化物形 成元素，如 Si、Ni、Cu、Al、Co 等。 2. 合金元素对 Fe-C 相图的影响 合金元素按对 Fe-C 相图的影响分为两类，扩大 γ 相区元素称为奥氏体稳定化元素，包 括 Mn、Ni、Co、C、N、Cu 等，它们使 A3 点下降，A4 点上升，从而扩大 γ 相区的存在 范围，如图 7.1 所示。缩小 γ 相区元素称为铁素体稳定化元素，主要有 Cr、Mo、W、V、 Ti、Al、Si、B、Nb、Zr 等，它们使 A3点上升，A4 点下降，从而缩小 γ 相区的存在范围， 如图 7.2 所示。 (a)与 γ -Fe 无限互溶 (b)与 γ -Fe 有限互溶 图 7.1 扩大 γ 相区示意图 (a)与 α -Fe 无限互溶 (b)使 γ 相区缩小但不封闭 图 7.2 缩小 γ 相区示意图
第7章工业用 γ相区扩大或缩小的结果,相图各特征点位置发生变动,钢的显微组织发生相应变化 合金元素对铁碳相图影响主要分两方面 1)对奥氏体和铁素体存在范围的影响 扩大γ相区元素均扩大铁碳相图中奥氏体存在区域,其中完全扩大γ相区,元素N或 n含量较多时,可使钢在室温下得到单相奥氏体组织,例如1Cr18N9高镍奥氏体不锈钢 和zGMn13高锰耐磨钢等。缩小γ相相区元素均缩小铁碳相图中奥氏体存在区域,其中完 全封闭γ相区元素(如Cr、Ti、W、V、Si等)超过一定含量后,可使钢在包括室温的广大温 度范围内获得单相铁素体组织,例如 ICrI7Ti高铬铁素体不锈钢等。 2)对铁碳相图临界点(S点和E点)的影响 扩大γ相区元素使铁碳合金相图中共析转变温度下降,缩小γ相区元素使其上升。主 要合金元素对共析温度的影响如图7.3所示,对共析点和共晶点成分影响如图74所示,几 乎所有合金元素都使共析含碳量降低,共晶点也有类似的规律,尤以强碳化物形成元素的 作用最强烈。S点及E点左移,使合金钢平衡组织发生变化(不能完全用铁碳相图分析)。例 如,含碳量0.3%的3Crw8V热作模具钢为过共析钢,而含碳量不超过1%的WI8Cr4V高 速钢,在铸态下具有莱氏体组织。 Mo Si w 1100},T 04 Si Mn 02n 500 02 合金元素/% 合金元素/% 图7.3合金元素对共析温度的影响 图74合金元素对共析体含碳量的影响 2.合金钢中的基本相 合金元素加入钢中,可能以两种形式存在:一是溶于固溶体类相中,形成合金铁素体 合金奥氏体、合金马氏体,增加固溶体相稳定性,同时也对这些固溶体类相产生有效的固 溶强化效果,非碳化物形成元素主要存在于固溶体类相中;二是形成合金碳化物或特殊碳 化物。例如置换滲碳体中的铁原子形成合金滲碳体,在高碳高合金钢中,可能形成各种稳 定性更高的合金碳化物以及特殊碳化物,碳化物形成元素易于形成不同类型的碳化物。稳 定性越高的碳化物越难溶于奥氏体,越难聚集长大。随着这些碳化物数量增多,钢的强度 硬度增大,耐磨性增加,塑性和韧性下降。 722合金元素对钢组织转变的影响 1.合金元素对钢加热时组织转变的影响 1)对奥氏体转变的影响 合金钢的奥氏体形成过程基本与碳钢相同,但合金元素影响奥氏体形成速度。一方面
第 7 章 工业用钢 ·135· ·135· γ 相区扩大或缩小的结果，相图各特征点位置发生变动，钢的显微组织发生相应变化。 合金元素对铁碳相图影响主要分两方面： 1) 对奥氏体和铁素体存在范围的影响 扩大 γ 相区元素均扩大铁碳相图中奥氏体存在区域，其中完全扩大 γ 相区，元素 Ni 或 Mn 含量较多时，可使钢在室温下得到单相奥氏体组织，例如 1Cr18Ni9 高镍奥氏体不锈钢 和 ZGMn13 高锰耐磨钢等。缩小 γ 相相区元素均缩小铁碳相图中奥氏体存在区域，其中完 全封闭 γ 相区元素(如 Cr、Ti、W、V、Si 等)超过一定含量后，可使钢在包括室温的广大温 度范围内获得单相铁素体组织，例如 1Crl7Ti 高铬铁素体不锈钢等。 2) 对铁碳相图临界点(S 点和 E 点)的影响 扩大 γ 相区元素使铁碳合金相图中共析转变温度下降，缩小 γ 相区元素使其上升。主 要合金元素对共析温度的影响如图 7.3 所示，对共析点和共晶点成分影响如图 7.4 所示，几 乎所有合金元素都使共析含碳量降低，共晶点也有类似的规律，尤以强碳化物形成元素的 作用最强烈。S 点及 E 点左移，使合金钢平衡组织发生变化(不能完全用铁碳相图分析)。例 如，含碳量 0.3%的 3Cr2W8V 热作模具钢为过共析钢，而含碳量不超过 1%的 W18Cr4V 高 速钢，在铸态下具有莱氏体组织。 图 7.3 合金元素对共析温度的影响 图 7.4 合金元素对共析体含碳量的影响 2. 合金钢中的基本相 合金元素加入钢中，可能以两种形式存在：一是溶于固溶体类相中，形成合金铁素体、 合金奥氏体、合金马氏体，增加固溶体相稳定性，同时也对这些固溶体类相产生有效的固 溶强化效果，非碳化物形成元素主要存在于固溶体类相中；二是形成合金碳化物或特殊碳 化物。例如置换渗碳体中的铁原子形成合金渗碳体，在高碳高合金钢中，可能形成各种稳 定性更高的合金碳化物以及特殊碳化物，碳化物形成元素易于形成不同类型的碳化物。稳 定性越高的碳化物越难溶于奥氏体，越难聚集长大。随着这些碳化物数量增多，钢的强度、 硬度增大，耐磨性增加，塑性和韧性下降。 7.2.2 合金元素对钢组织转变的影响 1. 合金元素对钢加热时组织转变的影响 1) 对奥氏体转变的影响 合金钢的奥氏体形成过程基本与碳钢相同，但合金元素影响奥氏体形成速度。一方面
金属学与热处理 加入合金元素改变碳在钢中扩散速度。例如碳化物形成元素Cr、Mo、W、Ti、V等,由于 它们与碳有较强的亲和力,显著减慢了碳在奥氏体中扩散速度,故奥氏体形成速度大大减 慢。另一方面,奥氏体形成后,要使稳定性高的碳化物完全分解并固溶于奥氏体中,需要 进一步提高加热温度,这类合金元素也将使奥氏体化时间延长。另外合金钢奥氏体成分均 匀化过程还需要合金元素的扩散,而即使在1000℃高温,合金元素扩散速度也很小,仅是 碳扩散速度的千分之几,因此,合金钢的奥氏体成分均匀化比碳钢更缓慢。 2)对奥氏体晶粒度的影响 凡未溶的碳化物等第二相质点均阻碍奥氏体晶粒长大。如强碳化物形成元素Ti、V、 等,形成高熔点高稳定性碳化物,强烈阻碍奥氏体晶粒长大,起细化晶粒作用。而非碳 化物形成元素Ni、Si、Cu、Co等阻碍奥氏体晶粒长大作用很小。 2.合金元素对钢冷却时组织转变的影响 除Co以外,大多数合金元素不同程度延缓珠光体和贝氏体相变,这是由于它们溶入 奥氏体后,增大其稳定性,使C曲线右移。其中碳化物形成元素影响最为显著。如果碳化 物形成元素未能溶入奥氏体,以残存未溶碳化物微粒形式存在,则起相反作用。除Co、Al 外,大多数合金元素不同程度地降低马氏体转变温度,增加残余奥氏体量。 3.合金元素对钢回火时组织转变的影响 碳化物形成元素可阻碍碳的扩散,从而显著提高马氏体的分解温度。合金元素一般都 能提高残余奥氏体转变的温度范围。某些高合金钢(如高速钢)中的残余奥氏体十分稳定, 只有加热到500℃~600℃时才开始发生部分分解,使奥氏体稳定性下降,在随后快速冷却 过程中转变为马氏体,使钢硬度有较大提高,这种现象称“二次淬火”。 强碳化物形成元素(V、Mo、W等)加入后,在500℃~600℃回火时从马氏体中析出特 殊碳化物,高度弥散分布在马氏体基体上,并与基体保持共格关系,阻碍位错运动,使硬 度上升,发生“二次硬化”现象。这对工具钢具有十分重要的意义。 7.3碳素钢 工业使用的钢铁材料中碳素钢占有重要地位。常用的碳素钢含碳量一般都小于1.3%, 强度和韧性较好。与合金钢相比,碳素钢冶炼简便,加工容易,价格便宜,一般可满足使 用性能要求,应用广泛。碳素钢也可按含碳量分低碳、中碳和高碳钢,按冶金质量分普通 碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢,按用途分碳素结构钢和工具钢等。 7.3.1碳素结构钢 碳素结枃钢主要制造各种工程枃件(如桥梁、船舶、建筑用钢)和机器零件(如齿轮、轴、 螺钉、螺母、曲轴、连杆等)。这类钢一般属于低碳和中碳钢,分普通碳素结构钢和优质碳 素结构钢。 1.普通碳素结构钢 这类钢冶炼容易、工艺性好、价廉,而且力学性能上也能满足一般工程结构及普通机 器零件要求,应用很广。仅钢中的S、P和非金属夹杂物含量比优质碳素结构钢多,在相同 136
·136· 金属学与热处理 ·136· 加入合金元素改变碳在钢中扩散速度。例如碳化物形成元素 Cr、Mo、W、Ti、V 等，由于 它们与碳有较强的亲和力，显著减慢了碳在奥氏体中扩散速度，故奥氏体形成速度大大减 慢。另一方面，奥氏体形成后，要使稳定性高的碳化物完全分解并固溶于奥氏体中，需要 进一步提高加热温度，这类合金元素也将使奥氏体化时间延长。另外合金钢奥氏体成分均 匀化过程还需要合金元素的扩散，而即使在 1000℃高温，合金元素扩散速度也很小，仅是 碳扩散速度的千分之几，因此，合金钢的奥氏体成分均匀化比碳钢更缓慢。 2) 对奥氏体晶粒度的影响 凡未溶的碳化物等第二相质点均阻碍奥氏体晶粒长大。如强碳化物形成元素 Ti、V、 Nb 等，形成高熔点高稳定性碳化物，强烈阻碍奥氏体晶粒长大，起细化晶粒作用。而非碳 化物形成元素 Ni、Si、Cu、Co 等阻碍奥氏体晶粒长大作用很小。 2. 合金元素对钢冷却时组织转变的影响 除 Co 以外，大多数合金元素不同程度延缓珠光体和贝氏体相变，这是由于它们溶入 奥氏体后，增大其稳定性，使 C 曲线右移。其中碳化物形成元素影响最为显著。如果碳化 物形成元素未能溶入奥氏体，以残存未溶碳化物微粒形式存在，则起相反作用。除 Co、Al 外，大多数合金元素不同程度地降低马氏体转变温度，增加残余奥氏体量。 3. 合金元素对钢回火时组织转变的影响 碳化物形成元素可阻碍碳的扩散，从而显著提高马氏体的分解温度。合金元素一般都 能提高残余奥氏体转变的温度范围。某些高合金钢(如高速钢)中的残余奥氏体十分稳定， 只有加热到 500℃～600℃时才开始发生部分分解，使奥氏体稳定性下降，在随后快速冷却 过程中转变为马氏体，使钢硬度有较大提高，这种现象称“二次淬火”。 强碳化物形成元素(V、Mo、W 等)加入后，在 500℃～600℃回火时从马氏体中析出特 殊碳化物，高度弥散分布在马氏体基体上，并与基体保持共格关系，阻碍位错运动，使硬 度上升，发生“二次硬化”现象。这对工具钢具有十分重要的意义。 7.3 碳 素 钢 工业使用的钢铁材料中碳素钢占有重要地位。常用的碳素钢含碳量一般都小于 1.3%， 强度和韧性较好。与合金钢相比，碳素钢冶炼简便，加工容易，价格便宜，一般可满足使 用性能要求，应用广泛。碳素钢也可按含碳量分低碳、中碳和高碳钢，按冶金质量分普通 碳素钢、优质碳素钢和高级优质碳素钢，按用途分碳素结构钢和工具钢等。 7.3.1 碳素结构钢 碳素结构钢主要制造各种工程构件(如桥梁、船舶、建筑用钢)和机器零件(如齿轮、轴、 螺钉、螺母、曲轴、连杆等)。这类钢一般属于低碳和中碳钢，分普通碳素结构钢和优质碳 素结构钢。 1. 普通碳素结构钢 这类钢冶炼容易、工艺性好、价廉，而且力学性能上也能满足一般工程结构及普通机 器零件要求，应用很广。仅钢中的 S、P 和非金属夹杂物含量比优质碳素结构钢多，在相同
第7章工业用 含碳量及热处理条件下,其塑性、韧性较低。加工成形后一般不进行热处理,大都在热轧 状态下直接使用,通常轧制成板材、带材及各种型材。根据GB/T700-1988中以Q235· AF为例说明:Q表示屈服点,汉语拼音第一个字母大写:235表示屈服点(屈服强度)值(MPa) A表示质量等级;F表示沸腾钢(脱氧方式) 表7-1和7-2列出碳素结构钢的化学成分及力学性能。Q195、Q215、Q235塑性好, 焊接性好,强度较低,一般轧制成板带和各种型钢,用于工程结枃(如桥梁、建筑构架等 和受力不大的机器零件(如铆钉、螺钉、螺母、轴套及某些农机零件等)。Q275、Q345强度 较高,用于制作受力中等的普通零件(如链轮、拉杆、小轴活塞销、轻轨鱼尾板等)。 表7-1普通碳素钢的牌号及成分(GB/T700-1988) 脱氧方法 牌号等级 s/% Q195 0.06~0.12 025~0.500.30 0.050 0045F、b、Z 0.09~0.15 025~0.550.30 0.050 0.045 F、b、Z 0.045 0.14~0.22 0045F、b、Z 0.30~0.70 0.35~0.80 ≤0.17 0.035 0.18~0.28 040~0.700.30 0045Z 0.045 *注:Q235A、B级沸腾钢含锰量上限为0.60%,F、b、Z依次为沸腾、半镇静、镇静脱氧方法 表7-2普通碳素钢的力学性能(GB/T700-1988) 拉伸试验 等 屈服强度(不小于)o/MPa 延伸率/%) 抗拉 钢材厚度(直径) 钢材厚度(直径ymm 温度/纵向V型 级 强度 中击功 16~40~60~100~> MPa≤16 a3(≥y 60100150150 4060100150150 315~3903332 Q21521520519518515|16535-41031302928 Q235235125215205195185|375~460261252423 Q255255245235225215205410~5102423222120|19 275265255245235 490-610201918171615
第 7 章 工业用钢 ·137· ·137· 含碳量及热处理条件下，其塑性、韧性较低。加工成形后一般不进行热处理，大都在热轧 状态下直接使用，通常轧制成板材、带材及各种型材。根据 GB/T 700—1988 中以 Q235— AF为例说明：Q表示屈服点，汉语拼音第一个字母大写；235表示屈服点(屈服强度)值(MPa)。 A 表示质量等级；F 表示沸腾钢(脱氧方式)。 表 7-1 和 7-2 列出碳素结构钢的化学成分及力学性能。Q195、Q215、Q235 塑性好， 焊接性好，强度较低，一般轧制成板带和各种型钢，用于工程结构(如桥梁、建筑构架等) 和受力不大的机器零件(如铆钉、螺钉、螺母、轴套及某些农机零件等)。Q275、Q345 强度 较高，用于制作受力中等的普通零件(如链轮、拉杆、小轴活塞销、轻轨鱼尾板等)。 表 7-1 普通碳素钢的牌号及成分(GB/T 700—1988) 化学成分 脱氧方法 wSi /% ws 牌号 等级 /% wP/% wC/% wMn /% 不大于 Q195 0.06～0.12 0.25～0.50 0.30 0.050 0.045 F、b、Z A 0.050 Q215 B 0.09～0.15 0.25～0.55 0.30 0.045 0.045 F、b、Z A 0.14～0.22 0.30～0.65 0.050 B 0.12～0.20 0.30～0.70 0.045 0.045 F* 、b、Z C ≤0.18 0.040 0.040 Z Q235 D ≤0.17 0.35～0.80 0.30 0.035 0.035 TZ A 0.050 Q255 B 0.18～0.28 0.40～0.70 0.30 0.045 0.045 Z Q275 0.28～0.38 0.50～0.80 0.35 0.050 0.045 Z *注：Q235A、B 级沸腾钢含锰量上限为 0.60%，F、b、Z 依次为沸腾、半镇静、镇静脱氧方法。 表 7-2 普通碳素钢的力学性能(GB/T 700—1988) 拉伸试验 冲击试验 屈服强度(不小于)σs/MPa 延伸率/(%) 牌号 钢材厚度(直径)/mm 钢材厚度(直径)/mm 等 级 ≤16 16～ 40 40～ 60 60～ 100 100～ 150 ＞ 150 抗拉 强度 /MPa ≤16 16～ 40 40～ 60 60～ 100 100～ 150 ＞ 150 温度 /℃ 纵向 V 型 冲击功 akv(≥)/J Q195 A 195 185 — — — — 315～390 33 32 — — — — — — A — — Q215 B 215 205 195 185 175 165 335～410 31 30 29 28 27 26 20 27 A — — B 20 C 0 Q235 D 235 225 215 205 195 185 375～460 26 25 24 23 22 21 -20 27 A — — Q255 B 255 245 235 225 215 205 410～510 24 23 22 21 20 19 20 27 Q275 — 275 265 255 245 235 225 490～610 20 19 18 17 16 15 — —
138· 金属学与热处理 2.优质碳素结构钢 这类结构钢的含硫、磷量较低(s<0030%、wp<0.035%),非金属夹杂物较少,钢的 品质较高,塑性、韧性都比(普通)碳素结构钢为佳,出厂时既保证化学成分,又保证力学 性能,主要用于制造较重要的机械零件 优质碳素结构钢牌号用两位数字表示平均含碳量为万分之一,如08钢表示平均w 0.08%:45钢表示平均w=045%。这类钢按含Mn量不同,分普通含锰量(M=0.35%~0.8%) 和较高含锰量(wM=0.7%~12%)两组。含锰量较高时,牌号数字后加“Mn”如16Mn、45Mn 等。优质碳素结构钢主要制造各种机器零件,使用前一般都要热处理。O8F塑性好,制造 冷冲压零件。10、20钢冷冲压性与焊接性能良好,用作冲压及焊接件,热处理(如渗碳)后 可以制造轴、销等零件。35、40、45、50钢经热处理后,综合力学性能良好,制造齿轮 轴类、套筒等零件。60、65钢主要用来制造弹簧。 7.32碳素工具钢 碳素工具钢主要用于制造各种刀具、量具、模具。这类钢含碳量较高(.65%1.35%, 一般属于高碳钢。钢号用两位数字表示平均含碳量为千分之一,之前加以“T”(“碳”的 汉语拼音字头)。如T9表示含碳量为0.9%(即千分之九)的碳素工具钢。 碳素工具钢均为优质钢,若含硫、磷量更低,为高级优质钢,则在钢号后面标注“A” 字。例如T12A表示碳质量分数为L2%的高级优质碳素工具钢。 碳素工具钢用来制造各种刃具、量具、模具等。T7、T8硬度高、韧性较高,可制造冲 头、錾子、锤子等工具。T9、T10、T11硬度高、韧性适中,可制造钻头、刨刀、丝锥、手 锯条等刃具及冷作模具等。T12、T13硬度高,韧性较低,耐磨性好可制作锉刀、刮刀等刃 具及量规、样套等量具。碳素工具钢使用前都要进行热处理。 74合金结构钢 用于制造重要工程结构和机器零件的合金结构钢是合金钢中用途最广、用量最大的 类钢。下面分别介绍低合金高强钢、合金调质钢、合金渗碳钢、弹簧钢、滚珠轴承钢的合 金化原则、热处理特点、基本性能和主要用途 741低合金高强度钢 低合金高强钢又称为普低钢,英文缩写HSLA,是一种低碳工程结构用钢,合金元素 含量较少,一般在3%以下,主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气 管道、大型钢结构等。用它来代替普碳钢,大大减轻结构质量,保证使用可靠、耐久。 1.性能要求 1)高强度 屈服强度在300MPa以上,强度高才能减轻结构自重、节约钢材和减少消耗。因此, 在保证塑性和韧性的条件下,应尽量提高其强度
·138· 金属学与热处理 ·138· 2. 优质碳素结构钢 这类结构钢的含硫、磷量较低( wS ＜0.030%、wP ＜0.035%)，非金属夹杂物较少，钢的 品质较高，塑性、韧性都比(普通)碳素结构钢为佳，出厂时既保证化学成分，又保证力学 性能，主要用于制造较重要的机械零件。 优质碳素结构钢牌号用两位数字表示平均含碳量为万分之一，如 08 钢表示平均 wc＝ 0.08%；45 钢表示平均 wc＝0.45%。这类钢按含 Mn 量不同，分普通含锰量(wMn＝0.35%～0.8%) 和较高含锰量(wMn＝0.7%～1.2%)两组。含锰量较高时，牌号数字后加“Mn”如 16Mn、45Mn 等。优质碳素结构钢主要制造各种机器零件，使用前一般都要热处理。08F 塑性好，制造 冷冲压零件。10、20 钢冷冲压性与焊接性能良好，用作冲压及焊接件，热处理(如渗碳)后 可以制造轴、销等零件。35、40、45、50 钢经热处理后，综合力学性能良好，制造齿轮、 轴类、套筒等零件。60、65 钢主要用来制造弹簧。 7.3.2 碳素工具钢 碳素工具钢主要用于制造各种刀具、量具、模具。这类钢含碳量较高(0.65%～1.35%), 一般属于高碳钢。钢号用两位数字表示平均含碳量为千分之一，之前加以“T”(“碳”的 汉语拼音字头)。如 T9 表示含碳量为 0.9%(即千分之九)的碳素工具钢。 碳素工具钢均为优质钢，若含硫、磷量更低，为高级优质钢，则在钢号后面标注“A” 字。例如 T12A 表示碳质量分数为 l.2%的高级优质碳素工具钢。 碳素工具钢用来制造各种刃具、量具、模具等。T7、T8 硬度高、韧性较高，可制造冲 头、錾子、锤子等工具。T9、T10、T11 硬度高、韧性适中，可制造钻头、刨刀、丝锥、手 锯条等刃具及冷作模具等。T12、T13 硬度高，韧性较低，耐磨性好可制作锉刀、刮刀等刃 具及量规、样套等量具。碳素工具钢使用前都要进行热处理。 7.4 合金结构钢 用于制造重要工程结构和机器零件的合金结构钢是合金钢中用途最广、用量最大的一 类钢。下面分别介绍低合金高强钢、合金调质钢、合金渗碳钢、弹簧钢、滚珠轴承钢的合 金化原则、热处理特点、基本性能和主要用途。 7.4.1 低合金高强度钢 低合金高强钢又称为普低钢，英文缩写 HSLA，是一种低碳工程结构用钢，合金元素 含量较少，一般在 3%以下，主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气 管道、大型钢结构等。用它来代替普碳钢，大大减轻结构质量，保证使用可靠、耐久。 1. 性能要求 1) 高强度 屈服强度在 300MPa 以上，强度高才能减轻结构自重、节约钢材和减少消耗。因此， 在保证塑性和韧性的条件下，应尽量提高其强度
第7章工业用 139 2)高韧性 用高强钢制造的大型工程结构一旦发生断裂,往往会带来灾难性的后果,所以许多在 低温下工作的构件必须具有良好的低温韧性(即具有较高的解理断裂抗力或较低的韧脆转 变温度)。而大型的焊接结构,因不可避免地存在有各种缺陷(如焊接冷、热裂纹,必须具 有较高的断裂韧性。 3)良好的焊接性能和冷成形性能 大型结构大都采用焊接制造,焊前往往要冷成形,焊后又不易进行热处理,因此要求 钢具有很好的焊接性能和冷成形性能。 此外,许多大型结构在大气(如桥梁、容器)、海洋(如船舶)中使用,要求有较高的抗腐 蚀能力。 2.合金化特点 这类钢的低含碳量满足工程构件用钢的工艺性能要求,加入以Mn为主的少量合金元 素,达到提高力学性能的目的。主加元素锰资源丰富,有显著强化铁素体效果,还可降低 钢的冷脆温度,使珠光体数量增加,进一步提高强度;在此基础上加入极少量强碳化物元 素如V、T、№b等,阻止晶粒长大,产生第二相强化,不但提高强度,还会消除钢的过热 倾向。如Q235钢、16Mn、15MnV钢的含碳量相当,但往Q235中加约1%Mn实际只相对 多加05%~0.8%)时,就成为16Mn钢,强度却增加约50%,为350MPa,在16Mn基础上 多加V(004%~0.12%),强度又增加至400MPa:且在合金化过程中材料的其他性能也有所 改善,大大提高构件可靠性和紧凑性,减少原材料消耗和能源消耗,其经济效益和社会效 益是可想而知的。 3.钢种及牌号 我国列入行业标准(YB)的低合金高强钢有21种。它们按屈服强度从300MPa~650MPa 分为六级。1994年国家标准公布低合金高强度钢的新牌号,新旧牌号对比见表7-3 表7-3低合金高强度钢的新旧牌号对比表 新牌号 旧牌号 主要特性 合金元素极少,强度不高,但具有良好的 Q259 09MnV、09MnNb、09Mn2、12Mn 塑性 焊接及耐蚀性 Q34512MnV、14MnNb、16M、16MRE、18Nb钢的 具有良好的综合性能和焊接 性能 晶粒细化,强度提高,具有良好的力学性 Q39015MnV、15MnIi、16MnNb 能、工艺性能和焊接性1 Q420 5Mnvn, 14 TIrE 具有良好的综合性能和焊接性能 强度最高,在正火、正火回火或淬火加回 Q460 火状态下有很好的综合力学性能 较低强度级别钢中,16Mn最具有代表性。它是我国低合金高强钢中发展最早、使用最 多、产量最大的钢种。使用状态的组织为细晶粒的铁素体一珠光体,强度比普通碳钢Q235 高20%~30%,耐大气腐蚀性能高20%~38%。用它制造工程结构质量减轻20%~30%
第 7 章 工业用钢 ·139· ·139· 2) 高韧性 用高强钢制造的大型工程结构一旦发生断裂，往往会带来灾难性的后果，所以许多在 低温下工作的构件必须具有良好的低温韧性(即具有较高的解理断裂抗力或较低的韧脆转 变温度)。而大型的焊接结构，因不可避免地存在有各种缺陷(如焊接冷、热裂纹)，必须具 有较高的断裂韧性。 3) 良好的焊接性能和冷成形性能 大型结构大都采用焊接制造，焊前往往要冷成形，焊后又不易进行热处理，因此要求 钢具有很好的焊接性能和冷成形性能。 此外，许多大型结构在大气(如桥梁、容器)、海洋(如船舶)中使用，要求有较高的抗腐 蚀能力。 2. 合金化特点 这类钢的低含碳量满足工程构件用钢的工艺性能要求，加入以 Mn 为主的少量合金元 素，达到提高力学性能的目的。主加元素锰资源丰富，有显著强化铁素体效果，还可降低 钢的冷脆温度，使珠光体数量增加，进一步提高强度；在此基础上加入极少量强碳化物元 素如 V、Ti、Nb 等，阻止晶粒长大，产生第二相强化，不但提高强度，还会消除钢的过热 倾向。如 Q235 钢、16Mn、15MnV 钢的含碳量相当，但往 Q235 中加约 1%Mn(实际只相对 多加 0.5%～0.8%)时，就成为 16Mn 钢，强度却增加约 50%，为 350MPa，在 16Mn 基础上 多加 V(0.04%～0.12%)，强度又增加至 400MPa；且在合金化过程中材料的其他性能也有所 改善，大大提高构件可靠性和紧凑性，减少原材料消耗和能源消耗，其经济效益和社会效 益是可想而知的。 3. 钢种及牌号 我国列入行业标准(YB)的低合金高强钢有 21 种。它们按屈服强度从 300MPa～650MPa 分为六级。1994 年国家标准公布低合金高强度钢的新牌号，新旧牌号对比见表 7-3。 表 7-3 低合金高强度钢的新旧牌号对比表 新牌号 旧牌号 主要特性 Q259 09MnV、09MnNb、09Mn2、12Mn 合金元素极少，强度不高，但具有良好的 塑性、冷弯、焊接及耐蚀性 Q345 12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb 钢的强度高，具有良好的综合性能和焊接 性能 Q390 15MnV、15MnTi、16MnNb 晶粒细化，强度提高，具有良好的力学性 能、工艺性能和焊接性能 Q420 15MnVN，14MnVTiRE 具有良好的综合性能和焊接性能 Q460 — 强度最高，在正火、正火回火或淬火加回 火状态下有很好的综合力学性能 较低强度级别钢中，16Mn 最具有代表性。它是我国低合金高强钢中发展最早、使用最 多、产量最大的钢种。使用状态的组织为细晶粒的铁素体—珠光体，强度比普通碳钢 Q235 高 20%～30%，耐大气腐蚀性能高 20%～38%。用它制造工程结构质量减轻 20%～30%
金属学与热处理 如南京长江大桥、广州电视塔等。15MnVN是具有代表性的中等强度级别的钢种。钢中加 入V、N后,生成钒的碳氮化物,细化晶粒,又有析出强化作用,强度水平可提高一级 韧性和焊接性能也较好,用于制造大型桥梁、锅炉、船舶和焊接结构。 强度级别超过500MPa后,铁素体一珠光体组织难以满足要求,于是发展了低碳贝氏 体型钢。加入Cr、Mo、Mn、B等元素,阻碍珠光体转变,使C曲线的珠光体转变区右移, 而对贝氏转变影响较小,有利于在空冷条件下得到贝氏体组织,获得更高的强度,塑性和 焊接性能也好,多用于高压锅炉、高压容器等。 4.热处理特点 这类钢一般在热轧空冷状态下使用,不需要进行专门的热处理。在有特殊要时,如为 了改善焊接区性能,可进行一次正火处理。 5.发展趋势 低合金高强度钢由于其强度高,韧性好,焊接性能和加工性能优异,合金元素耗量少, 并且不需进行复杂的热处理,已越来越受到重视。目前,这类钢发展趋势是: (1)通过微合金化与合理的轧制工艺结合起来,实行控制轧制和控制冷却,以达到更 高的强度。在钢中加入少量的微合金化元素,如V、Ti、Nb等,通过控制轧制时的再结晶 过程,使钢晶粒细化,达到既提高强度又改善塑性、韧性的最佳效果 (2)通过合金化改变基体组织,提高强度。在钢中加入较多Cr、Mn、Mo、Si、B等, 使钢在热轧空冷的条件下得到贝氏体甚至低碳马氏体组织,在冷却过程中发生自回火过程, 甚至不需要专门进行回火 所、(3)超低碳化。为保证韧性和焊接性能,含碳量进一步降低,甚至降到10数量级,此 时必须采用真空冶炼或真空去气的先进冶炼工艺。 在我国,由于微合金化元素资源十分丰富,所以低合金高强度钢在我国具有极其广阔 的发展前景。 74.2渗碳钢 渗碳钢的使用条件及性能要求 渗碳钢用于制造汽车、拖拉机变速齿轮,内燃机凸轮轴、活塞销等零件。这类零件工 作时遭受强烈摩擦磨损和较大的交变载荷,特别是强烈的冲击载荷,其性能要求: ①有较高的强度和塑性,以抵抗拉伸、弯曲、扭转等变形破坏 ②要求表面有较高的硬度和耐磨性,以抵抗磨损及表面接触疲劳破坏 ③有较高的韧性以承受强烈的冲击作用 ④当外载荷是循环作用时,要求零件有好的抗疲劳破坏能力 2.主要钢种 渗碳钢需要通过渗碳达到表面强化,根据上述的性能要求,这类钢成分上一般是低碳 或低碳合金结构钢。常用的滲碳零件包括齿轮、凸轮、活塞销等表面易于受到磨损破坏的 活动零件。如常用作汽车齿轮的20Cr、20 aNtI等钢材,常见钢种见表7-4
·140· 金属学与热处理 ·140· 如南京长江大桥、广州电视塔等。15MnVN 是具有代表性的中等强度级别的钢种。钢中加 入 V、N 后，生成钒的碳氮化物，细化晶粒，又有析出强化作用，强度水平可提高一级， 韧性和焊接性能也较好，用于制造大型桥梁、锅炉、船舶和焊接结构。 强度级别超过 500MPa 后，铁素体—珠光体组织难以满足要求，于是发展了低碳贝氏 体型钢。加入 Cr、Mo、Mn、B 等元素，阻碍珠光体转变，使 C 曲线的珠光体转变区右移， 而对贝氏转变影响较小，有利于在空冷条件下得到贝氏体组织，获得更高的强度，塑性和 焊接性能也好，多用于高压锅炉、高压容器等。 4. 热处理特点 这类钢一般在热轧空冷状态下使用，不需要进行专门的热处理。在有特殊要时，如为 了改善焊接区性能，可进行一次正火处理。 5. 发展趋势 低合金高强度钢由于其强度高，韧性好，焊接性能和加工性能优异，合金元素耗量少， 并且不需进行复杂的热处理，已越来越受到重视。目前，这类钢发展趋势是： (1) 通过微合金化与合理的轧制工艺结合起来，实行控制轧制和控制冷却，以达到更 高的强度。在钢中加入少量的微合金化元素，如 V、Ti、Nb 等，通过控制轧制时的再结晶 过程，使钢晶粒细化，达到既提高强度又改善塑性、韧性的最佳效果。 (2) 通过合金化改变基体组织，提高强度。在钢中加入较多 Cr、Mn、Mo、Si、B 等， 使钢在热轧空冷的条件下得到贝氏体甚至低碳马氏体组织，在冷却过程中发生自回火过程， 甚至不需要专门进行回火。 (3) 超低碳化。为保证韧性和焊接性能，含碳量进一步降低，甚至降到 10-6 数量级，此 时必须采用真空冶炼或真空去气的先进冶炼工艺。 在我国，由于微合金化元素资源十分丰富，所以低合金高强度钢在我国具有极其广阔 的发展前景。 7.4.2 渗碳钢 1. 渗碳钢的使用条件及性能要求 渗碳钢用于制造汽车、拖拉机变速齿轮，内燃机凸轮轴、活塞销等零件。这类零件工 作时遭受强烈摩擦磨损和较大的交变载荷，特别是强烈的冲击载荷，其性能要求： ① 有较高的强度和塑性，以抵抗拉伸、弯曲、扭转等变形破坏； ② 要求表面有较高的硬度和耐磨性，以抵抗磨损及表面接触疲劳破坏； ③ 有较高的韧性以承受强烈的冲击作用； ④ 当外载荷是循环作用时，要求零件有好的抗疲劳破坏能力。 2. 主要钢种 渗碳钢需要通过渗碳达到表面强化，根据上述的性能要求，这类钢成分上一般是低碳 或低碳合金结构钢。常用的渗碳零件包括齿轮、凸轮、活塞销等表面易于受到磨损破坏的 活动零件。如常用作汽车齿轮的 20Cr、20CrMnTi 等钢材，常见钢种见表 7-4
第7章工业用 表7-4常用合金渗碳钢的牌号、热处理、力学性能及用途(GBT3077-1999 热处理工艺 力学性能(不小于) 牌号第一次第二次淬回火oa1。4y 用途举例 /C /MPa /MPa /%/ 度在 20Cr 00水,油200水,空83554010147 如机床及小汽车齿轮、活塞销等 厚度在30mm以下,承受高速重载以 20 CrMnti8o油870油200水,空10808351055及冲击、摩擦的重要部件。如齿轮 20MnVB860油 200水,空|0808851055重型机床齿轮、轴,汽车后桥主动、 被动齿轮等 大截面、载荷较高、缺口敏感性低的 12C2N4860油780油00水,空108083510|71重要零件,如重型载重车、坦克的齿 截面更大,性能要求更高的零件,如 28C2N4WA950空850空200水,空11758351078大截面的齿轮、传动轴、精密机床上 3.合金化特点 渗碳钢“外硬里韧”的性能要求选择低含碳量并经过滲碳后其表面和整体力学性能均 匀,高的淬透性。渗碳钢中常使用合金元素有Cr、Mn、Ni、Mo、Ti、B等,其中Cr、Ni Mn、B等可提高材料淬透性,也可强化铁素体:而Mo、Ti等碳化物形成元素通过形成细 小弥散的稳定碳化物细化晶粒,提高强度、韧性,如含碳量基本相同的20、20Cr、20 CrMnti 钢,其淬透性依次增加,且强韧性大大加强,用其制造的零件性能也大大提高 4.热处理和组织性能 合金渗碳钢热处理工艺为滲碳后直接淬火,再低温回火。对渗碳时容易过热的20Cr、 20Mn2等需先正火消除过热组织,然后进行淬火和低温回火。热处理后,表面渗碳层的组 织由合金渗碳体与回火马氏体及少量残余奥氏体组成,硬度为60HRC~62HRC。心部组织 与钢的淬透性及零件截面尺寸有关。完全淬透时为低碳回火马氏体,硬度为40HRC 48HRC。多数情况下是屈氏体、回火马氏体和少量铁素体,硬度为25HRC~40HRC。心部 韧性一般都高于700k/m2。 743合金调质钢 1.工作条件及性能要求 调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其他机器上如齿轮、轴类件、连杆、高强 螺栓等重要零件。大多承受多种和较复杂的工作载荷,要求具有高水平的综合力学性能
第 7 章 工业用钢 ·141· ·141· 表 7-4 常用合金渗碳钢的牌号、热处理、力学性能及用途(GB/T 3077—1999) 热处理工艺 力学性能(不小于) 牌 号 第一次 淬火/℃ 第二次淬 火/℃ 回火 /℃ σb /MPa σs /MPa δ /% AKV /J 用途举例 20Cr 880 水，油 800 水，油 200 水，空 835 540 10 47 厚度在 30mm 以下载荷不大的零件， 如机床及小汽车齿轮、活塞销等 20CrMnTi 880 油 870 油 200 水，空 1080 835 10 55 厚度在 30mm 以下，承受高速重载以 及冲击、摩擦的重要部件。如齿轮、 轴、齿轮轴、爪形离合器、蜗杆等 20MnVB 860 油 200 水，空 1080 885 10 55 模数较大、载荷较重中小渗碳件，如 重型机床齿轮、轴，汽车后桥主动、 被动齿轮等 12Cr2Ni4 860 油 780 油 200 水，空 1080 835 10 71 大截面、载荷较高、缺口敏感性低的 重要零件，如重型载重车、坦克的齿 轮等 28Cr2Ni4WA 950 空 850 空 200 水，空 1175 835 10 78 截面更大，性能要求更高的零件，如 大截面的齿轮、传动轴、精密机床上 控制进刀的蜗轮 3. 合金化特点 渗碳钢“外硬里韧”的性能要求选择低含碳量并经过渗碳后其表面和整体力学性能均 匀，高的淬透性。渗碳钢中常使用合金元素有 Cr、Mn、Ni、Mo、Ti、B 等，其中 Cr、Ni、 Mn、B 等可提高材料淬透性，也可强化铁素体；而 Mo、Ti 等碳化物形成元素通过形成细 小弥散的稳定碳化物细化晶粒，提高强度、韧性，如含碳量基本相同的 20、20Cr、20CrMnTi 钢，其淬透性依次增加，且强韧性大大加强，用其制造的零件性能也大大提高。 4. 热处理和组织性能 合金渗碳钢热处理工艺为渗碳后直接淬火，再低温回火。对渗碳时容易过热的 20Cr、 20Mn2 等需先正火消除过热组织，然后进行淬火和低温回火。热处理后，表面渗碳层的组 织由合金渗碳体与回火马氏体及少量残余奥氏体组成，硬度为 60HRC～62HRC。心部组织 与钢的淬透性及零件截面尺寸有关。完全淬透时为低碳回火马氏体，硬度为 40HRC～ 48HRC。多数情况下是屈氏体、回火马氏体和少量铁素体，硬度为 25HRC～40HRC。心部 韧性一般都高于 700kJ/m2 。 7.4.3 合金调质钢 1. 工作条件及性能要求 调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其他机器上如齿轮、轴类件、连杆、高强 螺栓等重要零件。大多承受多种和较复杂的工作载荷，要求具有高水平的综合力学性能