碳鋼及合金鋼

3.1

碳鋼

3.2

合金鋼

3.3

鑄鋼與鑄鐵

3.4

有色金屬及其合金第3章金屬材料重點(diǎn)要求1.合金鋼的編號方法，會(huì)辯認(rèn)各種鋼號；2.合金結(jié)構(gòu)鋼的成分，熱處理及組織，性能及用途。３.工具鋼的性能，成分，熱處理目的和方法，組織；一般要求１.特殊性能鋼；２.時(shí)效處理、熱硬性等概念。3.1.1碳鋼的成分和分類

碳鋼的牌號及用途3.1碳鋼3.1.1碳鋼的成分和分類１.成分——w(C)≤2.11%Mn、Si→固溶強(qiáng)化S→熱脆P→冷脆O、N、H→強(qiáng)度、塑性、韌性↓２.分類1〕按C含量分低C鋼w(C)≤0.25%中C鋼0.25%＜w(C)≤0.6%高C鋼w(C)＞0.6%2〕按質(zhì)量分〔S、P含量〕——普通碳素鋼；優(yōu)質(zhì)碳素鋼；高級優(yōu)質(zhì)碳素鋼。3〕按用途分——碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼。3.1.2碳鋼的牌號及用途1．碳素結(jié)構(gòu)鋼2．優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼3．碳素工具鋼1．碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號——如Q215B，表示s≥215MPa〔厚度≤16mm〕，B級質(zhì)量。表3-1碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號和化學(xué)成分(GB/T700-1988)牌號等級化學(xué)成分脫氧方法w(C)%w(Mn)%w(Si)%w(S)%w(P)%不大于Q195－0.06-0.120.25-0.500.300.0500.045F,b,ZQ215A/B0.09-0.150.25-0.550.300.050/0.0450.045F,b,Z

Q235

A0.14-0.220.30-0.650.300.0500.045F,b,ZB0.12-0.200.30-0.700.300.0450.045F,b,ZC

0.180.35-0.800.300.0400.040ZD

0.170.35-0.800.300.0350.035TZQ255A/B0.18-0.280.40-0.700.300.050/0.0450.045ZQ275－0.28-0.380.50-0.800.350.0500.045ZGB/T700-1988標(biāo)準(zhǔn)GB700-79標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分和力學(xué)性能均須保證A類鋼——保證力學(xué)性能，B類鋼——保證化學(xué)成分，C類鋼——保證化學(xué)成分及力學(xué)性能。Q195A1；B1Q215A2；C2Q235A3；C3Q255A4；C4Q275C5碳素結(jié)構(gòu)鋼新、老標(biāo)準(zhǔn)鋼號對照表3-2碳素結(jié)構(gòu)鋼的機(jī)械性能(GB/T700-1988)牌號等級拉伸試驗(yàn)沖擊試驗(yàn)屈服點(diǎn)

s

，MPa抗拉

強(qiáng)度

b/MPa伸長率

s

,

%溫度℃V型沖擊功(縱向)J鋼材厚度(直徑)，mm鋼材厚度(直徑),

mm

16>40~60>100~150>150

16>40~60>100~150>150不小于不小于不小于Q195－195－－－315-39033－－－－－Q215A/B215195175165335-41031292726－/20－/27Q235A/BC/D235215195185375-46026242221－/200/-20－/27Q255A/B255235215205410-51024222019－/20－/27Q275－275255235225490-61020181615－－用途鋼板、鋼筋、型鋼等，作橋梁、建筑等構(gòu)件。熱處理：熱軋空冷組織：S＋F多邊型角鋼螺釘、鉚釘鋼筋、螺紋鋼建筑構(gòu)件鋼橋梁2．優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號——如45鋼，含C量為45/10000=0.45%。表3-4優(yōu)質(zhì)碳素鋼的化學(xué)成分和性能鋼號化學(xué)成分，%

s

，MPa≥CMnSiSP08F10203540455060650.05-0.110.07-0.130.17-0.230.32-0.390.37-0.440.42-0.500.47-0.550.57-0.650.62-0.700.25-0.500.35-0.650.35-0.650.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.80

0.030.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.37<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035175205245315335355375400420(摘自GB/T699-1999)用途較重要的零件，如齒輪、軸、連桿、彈簧等。汽車曲軸熱處理：

滲碳、淬火、回火等。3．碳素工具鋼牌號——如T12A鋼，含C量為12/1000=1.2%，

A表示高級優(yōu)質(zhì)，w(S)

0.020%，w(P)

0.030%。鋼號C%Mn%Si%S%

P%

退火后HBS,

水冷淬火溫度，℃T7T8T8MnT9T10MnT10T12T130.65-0.740.75-0.840.80-0.900.85-0.940.95-1.040.95-1.041.15-1.241.25-1.35

0.40

0.400.40-0.60

0.400.40-0.60

0.40

0.40

0.40

0.35

0.35

0.35

0.35

0.35

0.35

0.35

0.350.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.03518718718719219207207217800-820780-800780-800760-780760-780760-780760-780760-780表3-4碳素工具鋼的化學(xué)成分和性能（淬火后HRC≥62)(摘自GB/T1298-1986)用途沖頭、鑿子、鉆頭、銼刀、量規(guī)等。螺紋量規(guī)熱處理：淬火+低溫回火組織：回火M＋粒狀Fe3C

+A'3.2.1概論3.2.2合金結(jié)構(gòu)鋼3.2.3合金工具鋼3.2.4特殊性能鋼3.2合金鋼3.2.1概論１.合金鋼的分類〔按用途分類〕合金結(jié)構(gòu)鋼——低合金結(jié)構(gòu)鋼、滲C鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼等。合金工具鋼——刃具、模具、量具鋼。特殊性能鋼——不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼。２.合金鋼的編號結(jié)構(gòu)鋼——如60Si2Mn，w(C)=0.6%，w(Si)=2%，w(Mn)＜1.5%工具鋼、特殊性能鋼——如9SiCr，w(C)=0.9%，w(Si)、w(Cr)均＜1.5% 而CrWMn中，w(C)＞1.0%專用鋼——如，滾動(dòng)軸承鋼GCr15，w(C)=1.0%，w(Cr)=1.5%高級優(yōu)質(zhì)鋼——如，20Cr2Ni4A3.2.2合金結(jié)構(gòu)鋼1．低合金結(jié)構(gòu)鋼2．滲碳鋼3．調(diào)質(zhì)鋼4．彈簧鋼5．滾動(dòng)軸承鋼1．低合金結(jié)構(gòu)鋼鋼號舊鋼號主要化學(xué)成分，%機(jī)械性能CMnSi，

s

，MPa

b

，MPa

5，%Q29509MnNb

12Mn

0.160.80

~1.500.5529557023Q34516Mn

16MnRe0.18

~0.201.00

~1.600.5534563021~22Q39016MnNb

15MnTi

0.201.00

~1.600.5539065019~20Q42014MnVTiRe

15MnVN

0.201.00

~1.700.5542068018~19Q46014MnMoV

18MnMoNb

0.201.00

~1.700.5546072017常用低合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號、成分、性能（厚度(直徑)16mm，AKV≥34J）成分——w(C)＜0.2%，主加元素Mn，附加V、Ti、Nb。性能——強(qiáng)度、韌性高，焊接、冷成形性能好。熱處理、組織——熱軋空冷，S＋F高壓容器橋梁船舶車輛應(yīng)用2．滲碳鋼成分——w(C)=0.1～0.25%,韌性好。合金元素提高淬透性、耐磨性,細(xì)化晶粒。性能——滲層硬度高，耐磨，抗接觸疲勞；心部韌性高、強(qiáng)度大。滲C鋼的牌號（摘自GB/T3077-1999）（滲C:930℃，回火：200℃）p172主要化學(xué)成分,%預(yù)備處理／淬火,℃CMnCr，Ni0.17~0.24

0.17~0.240.50~0.80

1.30~1.600.70~1.00

880／800水,油880水,油0.17~0.230.17~0.23

0.90~1.200.80~1.10

0.90~1.201.00~1.30

850油880

／870油鋼號20Cr

20MnV20CrMn20CrMnTi

淬透性低中高18Cr2Ni4WA

20Cr2Ni4A0.13~0.19

0.17~0.23W0.8~1.2

0.30~0.601.35~1.65

4.0~4.51.25~1.65

3.25~3.75950

／850空

880／780

油機(jī)械性能

bMPa

sMPa835

785540

5909301080

735835

1180

1180835

1080aKU2J47

554755

78

63熱處理:組織——表層：回火M+碳化物+A′；心部：低C的回火M〔+T+F〕應(yīng)用——耐磨件 20Cr，小軸、活塞銷、小齒輪。 20CrMnTi，汽車齒輪。 18Cr2Ni4WA，如曲軸、連桿。滲碳→淬火→低溫回火3．調(diào)質(zhì)鋼成分——w(C)=0.25～0.50%，合金元素消除回火脆性,提高回火抗力,強(qiáng)化F。性能——綜合機(jī)械性能高調(diào)質(zhì)鋼的牌號（摘自GB/T3077－1999）淬透性鋼號主

要

成

分,%淬火

℃回火

℃CMnSi

Cr低450.42~

0.500.50~

0.800.17~

0.37830~

840水580~

640空40Cr0.37~

0.450.50~

0.80Cr0.8

~1.10850油500

水，油中高35CrMo0.32~

0.400.40~

0.70Cr0.8

~1.10850油550

水，油38CrMoAlA0.35~

0.42Al0.7

~1.1Cr1.35

~1.65940

水，油640

水，油40CrMnMo0.37~

0.450.90~

1.20Cr0.9

~1.20850油600

水，油機(jī)械性能

bMPa

sMPaaKU2J

600

3553940MnB0.37~

0.441.10~

1.400.20~

0.40850油500

水，油9807854798078547980835639808357198078563熱處理組織——表層：回火S應(yīng)用 40Cr，一般尺寸重要零件，如齒輪、主軸。 35CrMo，較大截面零件，如曲軸、連桿。 40CrNiMo，大截面重載零件，如汽輪機(jī)主軸和葉輪。調(diào)質(zhì)，可附加外表淬火或氮化(38CrMoAl)。汽車曲軸4．彈簧鋼成分——中、高碳，w(C)=0.45～0.70%，Si,Mn為主要元素，提高淬透性和屈強(qiáng)比。性能——σe

、σs、屈強(qiáng)比和疲勞抗力高，塑性大，耐震動(dòng)、沖擊。鋼號主

要

成

分,%淬火

油

℃回火

℃機(jī)械性能

CMnSi,Cr

bMPa

sMPa

10

%akkJ/m2650.62~

0.700.50~

0.800.17~

0.37840

油50010008009450850.82~

0.900.50~

0.800.17~

0.37820

油48011501000660065Mn0.62~

0.700.90~

1.200.17~

0.37830

油5401000800880060Si2Mn0.56~

0.640.60~

0.901.50~

2.00870

油48013001200580050CrVA0.46~

0.540.50~

0.80Cr0.8

~1.10850

油50013001150

59800〔摘自GB/T1222－1985〕汽車板簧火車螺旋彈簧應(yīng)用： 65Mn、60Si2Mn：汽車，拖拉機(jī)，機(jī)車的板簧和螺旋彈簧。

50CrVA：閥門彈簧，高速柴油機(jī)氣門彈簧。常用的兩類合金彈簧鋼：

①以Si、Mn為主要合金元素：65Mn、60Si2Mn

②含Cr、V、W等合金元素：50CrVA，適合在350－400℃重載彈簧。

熱處理：

熱軋彈簧：熱成型→淬火+中溫回火→噴丸

冷軋彈簧：淬火+中溫回火→冷成型→去應(yīng)力→噴丸組織——回火T5．滾動(dòng)軸承鋼性能——高接觸疲勞強(qiáng)度、高硬度和耐磨性，韌性、淬透性好。成分特點(diǎn)：①高碳:保證高硬度、耐磨性和高強(qiáng)度，一般0.95～1.10％含碳量。②Cr為根本合金元素:提高淬透性，并形成細(xì)小彌散分布的碳化物，提高鋼的耐磨性，特別是疲勞強(qiáng)度。③參加Si、Mn、V等合金元素:Si、Mn進(jìn)一步提高淬透性，可制造大型軸承。V局部溶于A中，局部形成VC，可以提高耐磨性并防止過熱。④高的冶金質(zhì)量：鋼中非金屬夾雜和不均勻的碳化物對接觸疲勞強(qiáng)度影響很大，一般采用電爐冶煉并真空除氣處理，在熱處理中必須保證碳化物的彌散分布。我國軸承鋼分兩類：鉻軸承鋼：GCr15添加Mn、Si、Mo、V的軸承鋼：GMnMoVRE〔節(jié)約Cr〕鋼號主要化學(xué)成分，w/%熱處理規(guī)范及性能CCrSiMn淬火℃回火℃回火后HRCGCr40.95~1.050.35~0.00.15~0.300.15~0.30800~820150~17062~66GCr150.95~1.051.40~1.650.15~0.350.25~0.45820~840150~16062~66GCr15SiMn0.95~1.051.40~1.650.45~0.750.95~1.25820~840170~200>62GMnMoVRE0.95~1.050.15~0.401.10~1.40770~810170

5

62GSiMoMnV0.95~1.100.45~0.650.75~1.05780~820175~200

62〔摘自GB/T18254－2002〕應(yīng)用

GCr15：中小型軸承，冷沖模，量具，絲錐。熱處理:球化退火+淬火+低溫回火冷處理，時(shí)效〔120～140℃,10～20h〕：穩(wěn)定尺寸，去應(yīng)力。組織——回火M＋細(xì)碳化物＋少量A'1．合金刃具鋼2．合金模具鋼3．量具用鋼3.2.3合金工具鋼1．合金刃具鋼〔１〕性能要求高硬度——機(jī)加工刀具HRC＞60高耐磨性——刀具壽命和生產(chǎn)率↑ 組織要求——硬而細(xì)小的碳化物，均勻分布在強(qiáng)而韌的鋼基體中。高的熱硬性〔紅硬性〕——高溫下保持高硬度的能力，與回火穩(wěn)定性有關(guān)。足夠的韌性——以承受沖擊載荷〔２〕低合金刃具鋼成分——w(C)=0.9~1.5%，合金元素＜5%。性能——HRC＞60，使用溫度200~300℃。鋼號主要化學(xué)成分，w/%熱處理及性能CMnSiCr淬火℃回火℃回火后HRC9SiCr0.85~0.950.30~0.601.20~1.600.95~1.25860~880油180~20060~62CrWMn0.90~1.050.80~1.10W1.2~1.600.90~1.20820~840油140~16062~65〔摘自GB/T1299－2000〕熱處理——球化退火〔+機(jī)加工〕+淬火+低溫回火最終組織——回火M+合金碳化物+少量A'應(yīng)用

——如9SiCr，做板牙、絲錐等。板牙絲錐〔３〕高速鋼成分特點(diǎn)：①高碳，w(C)=0.7~1.2%，一方面保證能與WCrV等形成足量的碳化物，另一方面還要有一定的碳溶于奧氏體中保證M的硬度；②參加Cr、W、Mo、V等合金元素，Cr提高淬透性和抗氧化脫碳，W、Mo保證紅硬性，V形成VC，彌散分布，提高硬度和耐磨性；性能：高硬度、耐磨性——VC等彌散硬化 高熱硬性——600℃時(shí)HRC≈62，W2C等提高熱硬性。 高淬透性——尺寸不大時(shí)可空冷淬火，Cr等元素提高淬透性。鋼號主要化學(xué)成分，w，%熱處理及性能CWVCrMo淬火℃回火℃回火后HRCW18Cr4V0.70~0.8017.5~19.01.00~1.403.80~4.401270~1285油550~570

三次≥63W6Mo5Cr4V20.80~0.905.50~6.751.75~2.203.80~4.404.75~5.501210~1230油540~560

三次≥63熱處理〔鍛造+〕球化退火〔+機(jī)加工〕→淬火+回火鍛造目的——成型；使鑄態(tài)粗大碳化物破碎、細(xì)化、分布均勻。淬火，1280℃——增加A、M中合金含量，提高熱硬性。淬火組織〔左圖〕：M+碳化物+A'最終組織〔右圖〕：回火M+粒狀碳化物+少量A'回火，560℃，三次——W2C、VC彌散硬化，二次淬火根本消除A'。應(yīng)用——高速車刀、鉆頭、銑刀等。2．合金模具鋼〔１〕冷模具鋼——冷沖、冷鐓、冷擠壓模等。性能——高硬度、耐磨性，足夠的韌性和疲勞抗力，熱處理變形小。應(yīng)用小型模具——9Mn2V、9SiCr、CrWMn等。大型模具——Cr12、Cr12MoV等，熱處理變形小。成分特點(diǎn)：①高碳〔>1.0％〕，保證高硬度和耐磨性；②參加Cr、W、Mo、V等合金元素，形成難熔碳化物，提高耐磨性。如Cr12型鋼中Cr含量達(dá)12％，形成M7C3型碳化物，極大的提高耐磨性，且Cr還顯著提高鋼的淬透性。最終熱處理——淬火+低溫回火最終組織——回火M+碳化物+少量A'〔２〕熱模具鋼——熱鍛、熱擠壓、壓鑄模等。性能——耐熱性、熱疲勞抗力高。應(yīng)用中小型模具——5CrMnMo等。大型模具——3Cr2W8V等，淬透性好。H13鋼〔4Cr5MoV1Si〕最終熱處理——淬火+高溫回火最終組織——回火T

或回火S3．量具用鋼——卡尺、千分尺、塞規(guī)等性能——高的硬度和耐磨性、良好的尺寸穩(wěn)定性。應(yīng)用

簡單量具——T10A、T12A等。

高精度量具——GCr15、CrWMn等。最終熱處理——淬火+〔-70～-80℃〕冷處理+低溫回火+時(shí)效處理時(shí)效處理：120～130℃，保溫幾～幾十小時(shí)，使M、A'穩(wěn)定，消除內(nèi)應(yīng)力。最終組織——回火M+碳化物+少量A'1．不銹鋼2．耐熱鋼3．耐磨鋼3.2.4特殊性能鋼1.不銹鋼鋼的抗腐蝕措施形成單相組織。參加Cr，降低兩相的電極電位差。參加Cr、Al等，生成致密的外表氧化膜。常用不銹鋼F型——如1Cr17，化工設(shè)備、食品工業(yè)。M型——如1Cr13用于汽輪機(jī)葉片；3Cr13做手術(shù)器具及刀具。A型——如1Cr18Ni9Ti用于化工、食品、醫(yī)療行業(yè)。

A-F型——如1Cr21Ni5Ti成分特點(diǎn)：1.含碳量：耐蝕性要求越高，含碳量應(yīng)越低。一般C≤0.1％〔防止晶間形成碳化物，晶界周圍貧鉻〕2.參加主要耐蝕元素Cr；提高鋼基體的電極電位〔Cr≥12％〕，并在氧化介質(zhì)中極易形成鈍化膜。3.參加鎳：形成單相奧氏體，顯著提高耐蝕性。4.參加鉬、銅：提高在非氧化介質(zhì)中的鈍化能力。5.參加鈦、鈮：優(yōu)先形成碳化物，防止晶間腐蝕。不銹鋼的成分、熱處理、性能鋼號主

要

化

學(xué)

成

分,%淬火

℃回火

℃CCrNiTi類別機(jī)械性能

bMPa

sMPa

5

%HRC

HB1Cr13

0.1512~

14950~

1000水,油700~

7504Cr130.36~

0.4512~

141050~

1100油200~

300M型540345680400254159501Cr17

0.1216~

18780~

850正火0Cr18Ni9

0.0717~

198~

121010~

1150水F型A型A-F型45020552020522401831871Cr18Ni9Ti

0.1217~

199~

12

0.5

~0.8920~

1150水520205401871Cr21Ni5Ti0.09~

0.1420~

224.8~

5.8

0.35

~0.8950~

1100水,空60035020奧氏體不銹鋼常用的熱處理工藝：1.水韌處理將鋼加熱至1050℃－1150℃，使碳化物充分溶解，然后水冷，獲得單相奧氏體組織，提高耐蝕性。2.穩(wěn)定化處理固溶處理后，將鋼加熱至850℃－880℃，使鋼中Cr的碳化物完全溶解，而Ti等的碳化物不完全溶解，然后緩慢冷卻，讓溶于奧氏體的C與Ti以TiC形式析出，防止晶間腐蝕?！灿糜诤琓i或Nb的鋼〕3.消除應(yīng)力退火將鋼加熱至300℃－350℃消除冷加工應(yīng)力，加熱至850℃以上消除焊接剩余應(yīng)力。２.耐熱鋼抗氧化性：金屬在高溫下的抗氧化能力熱強(qiáng)性：熱強(qiáng)性是指鋼在高溫下的強(qiáng)度用途：鍋爐、燃?xì)廨啓C(jī)等類別鋼號主

要

化

學(xué)

成

分,%淬火

℃回火

℃CCrNiTiM型1Cr13

0.1512~

14950~

1000油700~

7501Cr11MoV0.11~

0.1810~

11.5Mo0.5

~0.71050~

1100空720~

740A型1Cr18Ni9Ti

0.1217~

198~

11

0.5

~0.8920~

1150水機(jī)械性能

bMPa

sMPa540345490685520205

5

%2040HB159159187３.耐磨鋼ZGMn13成分特點(diǎn)：高碳，保證硬度和耐磨性〔但不超過1.4％保證韌性〕；高錳，保證完全獲得奧氏體組織；一定的硅，改善鋼水的流動(dòng)性，并起固溶強(qiáng)化的作用。熱處理：水韌處理加熱至1000℃～1100℃，保溫使碳化物全部溶解，水冷，在室溫下得到單相A組織，硬度低，韌性高。性能：工件在工作中受到?jīng)_擊變形時(shí)，表層產(chǎn)生加工硬化，及M轉(zhuǎn)變，硬度顯著提高，心部保持高韌性。用途：履帶、鐵道岔道小結(jié)重點(diǎn)要求1.合金鋼的編號方法，會(huì)辯認(rèn)各種鋼號；2.合金結(jié)構(gòu)鋼的成分，熱處理及組織，性能及用途。３.工具鋼的性能，成分，熱處理目的和方法，組織；一般要求１.特殊性能鋼；２.時(shí)效處理、熱硬性等概念。作業(yè)3P21~22 week12,Nov162.

3)，7)~9)，21)3.

2)，5)P21~22 week12,Nov182.

4)~6)，10)，12)3.

1)，3)，4)，6)，7)作業(yè)3a2.27)除〔〕、〔〕外，幾乎所有的合金元素都使Ms、Mf點(diǎn)下降，因此淬火后相同C質(zhì)量分?jǐn)?shù)的合金鋼與C鋼相比，剩余A〔 〕,使鋼的硬度〔 〕。CoAl增多下降3.26)所有的合金元素都能提高鋼的淬透性。〔 〕No 28)合金元素對鋼的強(qiáng)化效果主要是固溶強(qiáng)化?！? 〕No作業(yè)2f參考答案

P145.26)直徑為10

mm

的共析鋼小試樣加熱Ac１+

30℃，用圖1-3所示的