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第六章 常用钢材及选用 第一节 钢的分类与编号 第二节 钢中常存杂质元素的影响 第三节 合金元素在钢中的作用 第四节 结构钢 第五节 工具钢 第六节 特殊性能钢 第一节 钢的分类与编号 一、钢的分类 1、按化学成分分类 （1）碳素钢（新国标称为非合金钢） 低碳钢（ωC＜0.25%； 中碳钢（ωC=0.25%～0.6%）； 高碳钢（ωC＞0.6%） （2）合金钢 低合金钢（ωMe＜5%） 中合金钢（ωMe=5%--10%） 高合金钢（ωMe＞10%） 按钢中主要合金元素种类不同，又可分为锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、铬锰钢等。 2、按钢的冶金质量和钢中有害杂质元素硫、磷的质量分数的分类： 普通质量钢（ωS=0.35%，ωP=0.035%--0.045%）。 优质钢（ωS、ωP均≤0.035%）。 高级优质钢（ωS=0.020%--0.030%，ωP=0.025%-0.03%) 特级优质钢（ωS≤0.015%；ωP≤0.025%）。 3、按用途分类 （1）结构钢 工程结构用钢：碳素结构钢、低合金高强度结构钢。 机器零件用钢：渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。 （2）工具钢：根据用途不同，可分为刃具钢、模具钢和量具钢。 （3）特殊性能钢：如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。 二、钢的编号 1、碳钢的编号方法 （1）碳素结构钢 Q ＋屈服点数值＋质量等级符号＋脱氧方法符号 （2）优质碳素结构钢 两位数字 （4）铸造碳钢 ZG ＋数字1＋数字2 （1）低合金高强度结构钢 （3）滚动轴承钢 例如GCr15钢，就是平均铬的质量分数ωCr=1.5%的滚动轴承钢。 第二节 钢中常存杂质元素的影响 一、硅的影响 来源：冶炼过程中的脱氧剂。 作用：能溶于铁素体，使铁素体强化，从而提高钢的强度。 硅作为杂质元素时，其硅的质量分数一般不超过0.5%。 二、锰的影响 来源：冶炼过程中的脱氧剂。 作用：溶于铁素体，对钢有一定强化作用；能与硫化合成MnS，因而减少硫对钢的有害影响，改善钢的热加工性能。 锰在钢中作为杂质元素时，ωMn＜1%，他是一种有益元素。 三、硫的影响 来源：由生铁和燃料带入的杂质。 作用：产生“热脆”；但对改善钢材的切削加工性能有利。 如硫的质量分数较高的钢（ωS=0.08%～0.45%）中适当提高锰的质量分数（ωMn=0.70%～1.55%），可形成较多的MnS，可改善钢的切削加工性。 四、磷的影响 来源：生铁 作用：全部溶于铁素体，提高了铁素体的强度、硬度；导致“冷脆”。 磷的有害作用在一定条件也可以转化，例如易切削钢，把磷的质量分数提高到ωP=0.05%—0.15%，使铁素体脆化，从而改善钢的切削加工性能。 在炮弹钢（ωC=0.60%--0.90%，ωMn=0.60%—1.0%）中加入较多磷，可使钢的脆性增大，炮弹爆炸时碎片增多，增加杀伤力。 第三节 合金元素在钢中的作用 一、合金元素在钢中存在形式 1、形成合金铁素体 绝大多数合金元素都可或多或少地溶于铁素体中，形成合金铁素体。 合金元素溶于铁素体后，产生固溶强化，使铁素体的强度、硬度提高，但塑性、韧性都有下降趋势。 2、形成合金碳化物 （1）合金渗碳体： 合金元素在钢中的质量分数不大（ωMe=0.5%--3%）时，常常形成金渗碳体，如(Fe、Mn)3C，(Fe、Cr)3C、(Fe、Mo)3C等。 （2）特殊碳化物 强碳化物形成元素，即使质量分数较少，但只要钢中有足够的碳，就倾向于形成特殊碳化物，如WC、MO2C、VC、TiC等。 中强碳化物形成元素，只有当其质量分数较高（＞5%）时，才倾向于形成特殊碳化物，如Cr23C6、Cr7C3、Fe3W3C等。 二、合金元素对铁碳合金相图的影响 1、改变了奥氏体区的范围 （1）扩大奥氏体相区 具有面心立方晶格，如铜、锰、镍等 合金元素会使得奥氏体相区扩大。 （2）缩小奥氏体相区 ：这类元素有铝、铬、钨、钼、钒、硅、钛等。 2、改变S、E点在铁碳合金相图中位置 大多数合金元素均能使S点、E点左移。 三、合金元素对钢的热处理影响 1、合金元素对奥氏体形成的影响 （1）对奥氏体形成速度的影响 合金元素会影响奥氏体的形成速度，主要原因是合金元素的加入而改变了碳在钢中的扩散速度。 （2）合金元素（除锰外）阻止奥氏体晶粒长大 碳化物形成元素容易形成稳定的特殊碳化物，弥散分布在奥氏体晶界上，机械地阻碍奥氏体晶粒长大。因此，除锰钢外，合金钢在加热时不易过热。 2、合金元素对钢冷却转变的影响 （1）合金元素对过冷奥氏体等温转变的影响 除钴外，大多数合金元素溶入奥氏体后使C曲线右移，增大了钢的淬透性。 （2）合金元素对过冷奥氏体向马氏体转变的影响 除钴、锰外，大多数合金元素溶入奥氏体后，使马氏体转变温度Ms和Mf降低。 合金元素对C曲线的影响 a）非碳化物形成元素 b）碳化物形成元素 3、合金元素对淬火钢回火转变的影响 （1）提高淬火钢回火稳定性（耐回火性） 由于合金元素在回火过程中阻碍马氏体分解及碳化物的析出，从而提高了钢的回火稳定性。 Mo对钢回火硬度的影响 （3）回火时产生第二类回火脆性 含有铬、锰、镍等元素的合金钢淬火后，在脆化温度（450--650℃）区回火时出现回火脆性，称为第二类回火脆性。 第四节 结构钢 一、工程结构用结构钢 1、碳素结构钢 这类钢应确保力学性能，一般在供应状态下使用，但也可根据需要在使用前对其进行热加工或热处理。 碳素结构钢的牌号和化学成分 碳素结构钢的力学性能和应用举例 2、低合金高强度结构钢 产品同时保证力学性能与化学成分。 （1）性能特点 在确保良好的塑性、韧性条件下具有高的强度；具有良好的焊接性能，较好的耐大气腐蚀性能，良好的加工工艺性能，还具有比碳素结构钢更低的韧脆转变温度（一般为-30℃右）。 （2）成分特点 1）低碳：此类钢的碳含量一般均较低，大多数为ωC=0.16%-0.20%。 2）锰为主加元素，并辅加钒、钛、铌、硅、铝、铬、镍等。 3）钢种及牌号：可按屈服点分295、345、390、420、430 MPa五个强度等级，其中295-390 MPa级的应用最广。 低合金高强度结构钢大多数是在热轧、正火或正火加回火状态下使用，其组织为铁素体+少量珠光体。 低合金高强度结构钢力学性能和应用举例 二、机器零件用结构钢 1、优质碳素结构钢 既保证化学成分，又保证力学性能，而且比碳素结构钢规定严格，其中ωS、ωP均≤0.035%，一般都是热处理后使用 。 2、合金结构钢 合金结构钢是在优质碳素结构钢的基础上加入一些合金元素而形成的钢种。合金元素加入量不大(大多数ωMe＜5%)，所以，合金结构钢属低、中合金钢 。 （1）合金渗碳钢 1）用途：合金渗碳钢主要用来制造性能要求较高或截面尺寸较大，且在承受较强烈的冲击作用和磨损条件下工作的渗碳零件。 2）性能特点：合金渗碳钢的渗碳层具有优异的耐磨性、抗疲劳性及适当的塑性和韧性，未渗碳的心部具有足够的强度及优良的韧性；良好的热处理工艺性能 。 3）成分特点：合金渗碳钢中碳的质量分数一般在ωC=0.10%-0.25%之间 ，常用的合金元素有铬、镍、锰、硼、钛、钒、钼等。 4）热处理：一般在渗碳后进行淬火+低温回火（180～200℃）。大多数合金渗碳钢采用渗碳后直接淬火再低温回火。 5）钢种及牌号：合金渗碳钢可按淬透性分为低淬透性、中淬透性及高淬透性钢三类。 （2）合金调质钢 1）用途： 合金调质钢主要用来制造一些重要零件，如机床的主轴、汽车底盘的半轴，柴油机连杆螺栓。 2）成分特点： 合金调质钢的碳质量分数一般在ωC=0.25%—0.50%之间，合金调质钢的主加元素有铬、镍、锰、硅、硼等，辅加元素有钼、钨、钒、铝、钛等。 3）性能特点： 具有良好的综合力学性能。 4）热处理： ①预备热处理： 珠光体类钢可在AC3以上进行正火或退火。马氏体钢则先在AC3以上进行一次空冷淬火，然后再在AC1以下进行高温回火。 ②最终热处理： 一般采用淬火后进行500—650℃的高温回火。 5）钢种和牌号：综合力学性能高于碳素调质钢。 40Cr，一般尺寸重要零件，如齿轮、主轴。 35CrMo，较大截面零件，如曲轴、连杆。 40CrNiMo，大截面重载零件，如汽轮机主轴和叶轮。 （3）合金弹簧钢 1）用途 主要用于制造弹性元件，如在汽车、拖拉机、坦克、机车车辆上制作减震板簧和螺旋弹簧，大炮的缓冲弹簧、钟表的发条等。 2）化学成分 合金弹簧钢的碳的质量分数一般为ωC=0.5%—0.7%，常加入以硅、锰为主的提高淬透性的元素；辅加元素钨、钒、铬 。 3）热处理 ①热成形弹簧钢：弹簧丝直径或弹簧钢板厚度大于10-15mm的螺旋弹簧或板弹簧。 热成型 → 淬火 + 中温回火 → 喷丸 ②冷成形弹簧钢：对于钢丝直径小于8—10mm的弹簧，常用冷拔弹簧钢丝冷绕而成。 淬火 + 中温回火 → 冷成型 → 去应力 → 喷丸 组织 —— 回火T 常用弹簧钢的牌号、成分、热处理、力学性能 （摘自GB/T1222--1984）及用途 （4）滚动轴承钢 1）用途 主要用来制造各种滚动轴承元件，如轴承内外圈、滚动体（滚珠、滚柱、滚针）。也可做其他用途，如形状复杂的工具、冷冲模具、精密量具以及要求硬度高、耐磨性高的结构零件。 2）化学成分 一般轴承用钢是高碳铬钢，其碳的质量分数为 ωc=0.95%-1.15%，铬的质量分数为ωcr=0.4%--1.65%，大型轴承还需加入硅、锰等元素，以便进一步提高钢的淬透性 3）热处理 预备热处理为球化处理；最终热处理为淬火与低温回火。 轴承钢淬火、回火后组织：极细M0+细小碳化物+少量A残 4）钢种及牌号 GCr15：中小型轴承，冷冲模，量具，丝锥。 常用滚动轴承钢牌号、成分、热处理及用途 三、其他结构钢 1、易切削结构钢 在碳钢中加入某一种或几种能改善切削加工性能的元素，使其成为切削加工性良好的钢。 目前主要易削添加元素有硫、铅、磷及微量的钙等 牌号:以字母“Y”为首，后面数字为平均碳的质量分数的万倍，对锰的质量分数较高的，其后标出“Mn”;对添加易削元素Pb、Ca等，应在其后标出相应的元素符号。 易切削结构钢可进行最终热处理，但一般不进行预备热处理，以免损害其切削加工性。 常用易切削结构钢的牌号、化学成分、力学性能及用途 (摘自GB8371-88) 2、冷冲压钢 用来制造各种冷态下成形的冲压零件用钢，称为冷冲压钢。 （1）化学成分 冷冲压钢的ωc=0.2%-0.3%，对冲压变形量大，轮廓形状复杂的零件，则多采用ωc=0.05%-0.08%的钢。锰的质量分数也不宜过高；硫和磷质量分数＜0.035%；硅质量分数越低越好。 （2）钢板组织 目前生产中以冷轧深冲薄板应用最广，其金相组织主要是F+极少量的非金属夹杂物等。 这类钢有：08F钢、加铝的镇静钢（08A1为专用钢种， ωA1=0.02%-0.07%）、10、15、20钢等。 3、铸造碳钢 有些机械零件，例如水压机横梁、轧钢机机架、重载大齿轮等，因形状复杂，难以用锻压方法成形，用铸铁又无法满足性能要求，此时可采用铸钢件。 铸造碳钢中碳的质量分数一般为ωc=0.15%--0.60%。 一般工程用铸造碳钢件的牌号、成分和力学性能（GB11352--89） 第五节 工具钢 一、刃具钢 1、性能要求 （1）高的硬度 一般要求硬度大于60HRC。 （2）高的耐磨性 （3）高的热硬性（红硬性） 热硬性是指刃具在高温下保持高硬度的能力。 （4）一定的韧性和塑性 2、刃具钢的种类 （1）碳素工具钢 1）成分与钢种：这类钢的碳质量分数为ωc=0. 65%-1.35%，分优质碳素工具钢与高级优质碳素工具钢两类。牌号后加“A”的属高级优质（ωs≤0.020%，ωp≤0.030%；对平炉冶炼的钢ωs≤0.025%）。 2）热处理：预处理为球化退火，组织为F+细小粒状Fe3C，硬度≤217HBW。作为刃具，最终热处理为淬火（一般为760—780℃）+低温回火（180℃），组织为回火M+粒状Fe3C +少量A残。 碳素工具钢的牌号、成分（GB1298--86）及用途 （2）合金工具钢 1）成分与钢种：这类钢的碳质量分数为ωc=0.75%--1.45%，加入的合金元素主要有铬、硅、锰、钨等。 2）热处理：预备热处理采用球化退火，最终热处理采用淬火（油淬、马氏体分级淬火或贝氏体等温淬火）、低温回火，组织为M回+粒状合金碳化物+少量A残，硬度一般为60-65HRC，使用温度一般低于300℃。 （3）高速工具钢 1）化学成分：一般碳的质量分数为ωc=0.70%--1.60%，合金元素总量ωMe＞10%，加入合金元素有钨、钼、铬、钒、钴、铝等。 2）锻造及热处理特点： （锻造 +）球化退火（+ 机加工） → 淬火+ 回火 锻造目的 —— 成型；使铸态粗大碳化物破碎、细化、分布均匀 淬火，1280 ℃ —— 增加A、M中合金含量，提高热硬性。 二、模具钢 1、冷作模具钢 （1）对冷作模具钢的性能要求 1）高的硬度和耐磨性 2）低合金工具钢： CrWMn、9CrWMn、9Mn2V9SiCr、Cr2、9Cr2等——小型模具 3）高碳高铬模具钢： Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1 ——大型模具 4）高碳中铬模具钢：Cr5Mo1V、Cr4W2MoV ——载荷大、生产批量大、形状复杂、变形要求小的模具 5）基体钢： 基体钢--含有高速工具钢淬火组织中除过剩碳化物外的基体化学成分的钢种。 6Cr4W3Mo2VNb、5Cr4Mo3VA1（为冷热兼用模具钢）——形状复杂、受冲击载荷较大或尺寸较大的冷作模具 最终热处理 —— 淬火 + 低温回火 最终组织 —— 回火M + 碳化物 + 少量 A ' 2、热作模具钢 （1）性能要求 1）综合力学性能好；2）淬透性好；3）抗热疲劳性好 （2）常用钢种 1）热锻模具钢 5CrNiMo —— 形状复杂的受冲击载荷重的大型及特大型的锻模（最小边长≥400mm） 5CrMnMo——中型锻模（最小边长≤300—400mm） 2）压铸模钢 3Cr2W8V、4Cr5MoSiV及4Cr5MoSiV1 3、塑料模具钢 3Cr2Mo——广泛应用于中型模具 除此以外，可用作塑料模具的钢主要还有： （1）碳素工具钢：T7～T12、T7A～T12A——尺寸较小、形状简单的塑料模 （2）碳素结构钢及合金结构钢：45钢、40Cr——小型、复杂的塑料模具 （3）合金工具钢：9Mn2V、CrWMn、Cr2——中、大型塑料模具 Cr12、Cr12MoV——尺寸较大、形状复杂的模具 常用热作模具钢的牌号、成分及用途 （GB/T 1299—2000） 三、量具钢 1、性能要求 要求工作部分应有高硬度（58—64HRC）和高耐磨性、高的尺寸稳定性及足够的韧性。 2、常用量具钢 最终热处理 —— 淬火 +（ -70～-80℃ ）冷处理 + 低温回火 + 时效处理 时效处理：120～130℃，保温几～几十小时，使M、 A残稳定，消除内应力。 最终组织 —— 回火M + 碳化物 + 少量A残 第六节 特殊性能钢 一、不锈钢 在腐蚀性介质中具有抗腐蚀性能的钢，一般称为不锈钢。 1、金属腐蚀 （1）腐蚀概念 金属表面受到外部介质作用逐渐破坏的现象称为腐蚀或锈蚀。大部分金属的腐蚀都属于电化学腐蚀。 （2）提高钢的耐蚀性途径 1）提高电极电位：加入的合金元素有铬、镍、硅等。例如当ωCr＞ 11.7%，电极电位由-0.56V跃增为+0.20V； 2）使钢在室温下呈单相组织：加入Cr、Ni等； 3）形成氧化膜（又称钝化膜）：加入Cr、Al等。 三、耐磨钢 概念：耐磨钢是指在巨大压力和强烈冲击载荷作用下才能发生硬化的高锰钢。 用途：制造球磨机的衬板、破碎机的颚板、控掘机的斗齿、拖拉机和坦克的履带板、铁路道叉、防弹钢板等。 成分：ωC=0.9%--1.5%，ωMn=11%--14%。 牌号：
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