模块八工业用钢.ppt

,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,金属材料与,热处理（第二版）,2015,年月出版,Heat Treatment,大连理工大学出版社,主编：王书田,“十二五”职业教育国家规划教材,高职高专焊接技术及自动化类课程规划教材,模块八 工业用钢,钢是以铁、碳为主要成分并含有其他元素的多元合金，它的含碳量通常小于,2.11%,，是现代机械制造工业中应用最广泛的金属材料。,钢的种类很多，钢的分类最为繁杂。为了便于管理、选用、熟悉和比较，根据某些特性，从不同角度出发，把钢划分为若干具有共同特点的类别，这些类别的名称，最常见的有以下几种：,工业用钢的分类,1,、按用途分类,按用途分类是主要的分类方法，我国钢的标准一般都是按用途分类编制的。按用途可划分为：结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。,结构钢,：用于制造各种机器零件及钢制构件的钢种。结构钢可分为工程构件用钢和机器制造用钢。,工程构件用钢：属于这类钢的有普通碳素钢、普通低合金钢，这类钢很大一部分是做成型钢、钢筋、角钢、钢板等，广泛用于建筑、铁路、车辆、造船、桥梁、石油、化工、电站、国防等国民经济部门。,机器制造用钢：属于这类钢有调质钢、渗碳钢、弹簧钢、轴承钢等,。,工业用钢的分类,工具钢,：制造各种工具的钢种。根据工具的用途，工具钢又可分为刃具钢、模具钢和量具钢。,刃具钢：属于这类钢的有碳素刃具钢、合金刃具钢和高速钢。,模具钢：有冷变形模具钢和热变形模具钢。,量具钢：用于制造各种测量工具的钢。,特殊性能钢,：具有某种特殊物理或化学性能的钢种。特殊性能钢可分为不锈耐酸钢、耐热钢,(,氧化钢和热强钢）、耐磨钢、电工钢。,工业用钢的分类,2,、按化学成分分类,按合金元素种类分为碳钢、铬钢、锰钢、硼钢、硅锰钢、铬镍钢等,按合金元素含量,划分,按碳量分：低碳钢（含碳量,0.25%,）；中碳钢（含碳量,0.25%0.6%,）；高碳钢（含碳量,0.6%,）,按合金元素分：低合金钢（元素总含量,5,）；中合金钢（元素总含量为,5,10,）；高合金钢（元素总含量,10,）,。,工业用钢的分类,3,、按金相组织分类,按平衡状态或退火状态的组织分类可以分为亚共析钢、共析钢、过共析钢和莱氏体钢。,按正火组织分类可以分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢。,按加热、冷却和室温时的金相组织分类,铁素体钢：加热和冷却时，始终保持铁素体组织。,奥氏体钢：加热和冷却时，始终保持奥氏体组织。,复相钢：如半铁素体钢或半马氏体钢。,工业用钢的分类,4,、,按质量分类,：根据钢中所含硫、磷量杂质的多少，工业用钢分为普通钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。,普通钢：在碳素结构钢中，,A,级含硫量,0.050,、含磷量,0.045,；,B,级含硫量、磷量均,0.045%,；,C,级含硫、磷量均,0.040,；,D,级含硫、磷量均,0.035,。低合金结构钢：含硫、磷量均,0.045,优质钢：在结构钢中，含硫、磷量均,0.035,，在工具钢中，含硫量,0.030,，含磷量,0.035,%,高级优质钢：在结构钢中，含硫、磷量均,0.025,，在碳素工具钢中，含硫量,0.020,，含磷量,0.030,%,在合金工具钢中，含硫、磷量均,0.035,%,特级优质钢：含硫、磷量均,0.015,工业用钢的分类,除此之外，还有其他分类方法：,按脱氧制度分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢,按工艺特点分为铸钢、渗碳钢、氮化钢、易切钢,按冶炼炉衬分为酸性钢、碱性钢,按冶炼设备分为转炉钢、电炉钢；电炉钢又可分为电弧炉钢、感应炉钢、真空炉钢等等；,上述分类方法，主要是为了方便和实际需要，因此同一种钢，可以根据其不同特点，划分为不同类型。例如：轴承钢，按用途特点可以归于结构钢；按成分分类是高碳铬钢，按质量分类属于高级优质钢；按退火组织分类是过共析钢。,钢产品的牌号表示方法,根据中国国家标准（,GB/T 221-2008,）规定，钢铁产品牌号的命名，采用汉语拼音字母、化学元素符号及阿拉伯数字相结合的方法。,采用汉语拼音字母表示产品名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表产品名称的汉语拼音中选取第一个字母。当和另一个产品所选用的字母重复时，可改用第二个字母或第三个字母，或同时选取两个汉字中的第一个拼音字母,为了便于现代化的数据处理设备进行存储和检索，我国还规定了钢铁及合金牌号统一数字代号体系。凡列入国家标准和行业标准的钢铁及合金产品应同时列入产品牌号和统一数字代号，相互对照，两种表示方法均有效。,钢产品的牌号表示方法,1,碳素结构钢和低合金结构钢,这类钢分为通用钢和专用钢两类。,通用结构钢采用代表屈服点的拼音字母,Q,，屈服点数值（单位为,MPa),和规定的质量等级、脱氧方法等符号表示，按顺序组成牌号。,例如,：碳素结构钢牌号表示为,Q235AF,、,Q235BZ,；低合金高强度结构钢牌号表示为,Q345C,、,Q345D,。,钢产品的牌号表示方法,碳素,结构钢的牌号组成中，表示镇静钢的符号,Z,和表示特殊镇静钢的符号,TZ,可以省略,低合金高强度结构钢分为镇静钢和特殊镇静钢，在牌号的组成中没有表示脱氧方法的符号。,专用结构钢一般采用代表钢屈服点的符号,Q,、屈服点数值和规定的代表产品用途的符号等表示，,例如,：压力容器用钢牌号表示为,Q345R,，焊接气瓶用钢牌号表示为,Q295HP,；锅炉用钢牌号表示为,Q390g,；桥梁用钢表示为,Q420q,等。,耐候钢是抗大气腐蚀用的低合金高强度结构钢，其牌号表示为,Q340NH,，,Q340GNH,。,钢产品的牌号表示方法,2,优质碳素结构钢和优质碳素弹簧钢,优质碳素结构钢采用阿拉伯数字或阿拉伯数字和规定的符号表示，以两位阿拉伯数字表示平均含碳量（以万分之几计）。,沸腾钢和半镇静钢，在牌号尾部分别加符号,F,和,b,。例如：平均含碳量为,0.08,的沸腾钢，其牌号表示为,08F,；平均含碳量为,0.10,的半镇静钢，其牌号表示为,10b,。镇静钢一般不标符号。例如：平均含碳量为,0.45,的镇静钢，其牌号表示为,45,。,较高含锰量的优质碳素结构钢，在表示平均含碳量的阿拉伯数字后加锰元素符号。例如：平均含碳量为,0.50,，含锰量为,0.70,1.00,的钢，其牌号表示为,50Mn,。,钢产品的牌号表示方法,高级优质碳素结构钢，在牌号后加符号,A,。例如：平均含碳量为,0.20,的高级优质碳素结构钢，其牌号表示为,20A,。,特级优质碳素结构钢，在牌号后加符号,E,。例如：平均含碳量为,0.45,的特级优质碳素结构钢，其牌号表示为,45E,。,优质碳素弹簧钢的牌号表示方法与优质碳素结构钢相同。,专用优质碳素结构钢，采用阿拉伯数字（平均含碳量）和规定的代表产品用途的符号表示。例如：平均含碳量为,0.20,的锅炉用钢，其牌号表示为,20g,。,钢产品的牌号表示方法,3,易切削钢,易切削钢采用规定的符号和表示平均含碳量（以万分之几计）的阿拉伯数字表示。,加硫易切削钢和加硫、磷易切削钢，在符号,Y,和阿拉伯数字后不加易切削元素符号。例如：平均含碳量为,0.15,的易切削钢，其牌号表示为,Y15,。,较高含锰量的加硫或加硫磷易切削钢，在符号“,Y”,和阿拉伯数字后加锰元素符号。例如：平均含碳量为,0.40%,，含锰量为,1.20,1.55,的易切削钢，其牌号表示为,Y40Mn,含钙、铅等易切削元素的易切削钢，在符号,Y,和阿拉伯数字后加易切削元素符号。例如：平均含碳量为,0.15,，含铅量为,0.15,0.35,的易切削钢，其牌号表示为,Y15Pb,；平均含碳量为,0.45,，含钙量为,0.002,0.006,的易切削钢，其牌号表示为,Y45Ca,。,钢产品的牌号表示方法,4,合金结构钢和合金弹簧钢,合金结构钢牌号采用阿拉伯数字和规定的合金元素符号表示。用两位阿拉伯数字表示平均含碳量（以万分之几计），放在牌号头部。,合金元素含量表示方法为：平均含量小于,1.50,时，牌号中仅标明元素，一般不标明含量，平均合金含量为,1.50,2.49,、,2.50,3.49,、,3.50,4.49,、,4.50,5.49,时，在合金元素后相应写成,2,、,3,、,4,、,5,。,例如,：碳、铬、锰、硅的平均含量分别为,0.30,、,0.95,、,0.85,、,1.05,的合金结构钢，其牌号表示为,30CrMnSi,；碳、铬、镍的平均含量分别为,0.20,、,0.75,、,2.95,的合金结构钢，其牌号表示为,20CrNi3,。,钢产品的牌号表示方法,高级优质合金结构钢，在牌号尾部加符号,A,表示。例如,30CrMnSiA,。特级优质合金结构钢，在牌号尾部加符号,E,表示，例如：,30CrMnSiE,。,专用合金结构钢，在牌号头部（或尾部）加规定的代表产品用途的符号表示。例如：碳、铬、锰、硅的平均含量分别为,0.30,、,0.95,、,0.85,、,1.05,的铆螺钢，其牌号表示为,ML30CrMnSi,。,合金弹簧钢的表示方法与合金结构钢相同。例如：碳、硅、锰的平均含量分别为,0.60,、,1.75,、,0.75,的弹簧钢，其牌号表示为,60Si2Mn,。高级优质弹簧钢，在牌号尾部加符号,A,。,钢产品的牌号表示方法,5,非调质机械结构钢,非调质机械结构钢，在牌号的头部分别加符号“,F”,表示热锻用非调质机械结构钢，加符号“,YF”,表示易切削非调质机械结构钢。后面的牌号表示方法与合金结构钢相同。例如：平均含碳量为,0.35,，含钒量为,0.0600.13,的易切削非调质机械结构钢，其牌号表示为“,YF35V”,；平均含碳量为,0.45,，含钒量为,0.06,0.13,的热锻用非调质机械结构钢，其牌号表示为“,F45 V”,。,钢产品的牌号表示方法,6,工具钢,工具钢分为碳素工具钢、合金工具钢、高速工具钢三类。,（,1,）碳素工具钢,采用规定的符号和阿拉伯数字表示。阿拉伯数字表示平均含碳量的以千分之几。,普通含锰量碳素工具钢，在表示工具钢符号,T,后为阿拉伯数字。例如：平均含碳量为,0.90,的碳素工具钢，其牌号表示为,T9,。,较高含锰量碳素工具钢，在表示工具钢符号,T,和阿拉伯数字后加锰元素符号。例如：平均含碳量为,0.80,、含锰量为,0.40,0.60,的碳素工具钢，其牌号表示为“,T8Mn”,。,高级优质碳素工具钢，在牌号尾部加符号,A,。例如：平均含碳量为,1.0,的高级优质碳素工具钢，其牌号表示为,T10A,。,钢产品的牌号表示方法,（,2,）合金工具钢,表示方法与合金结构钢相同。但一般不标明含碳量数字，若平均含碳量,1.00%,，用一位阿拉伯数字表示含碳量的千分之几。例如：平均含碳量为,1.60,，含铬量为,11.75,，含钼量为,0.50,，含钒量为,0.22,的合金工具钢，其牌号表示为,Cr12MoV,；平均含碳量为,0.90,，含硅量为,1.40,，含铬量为,1.10,的合金工具钢，其牌号表示为,9SiCr,。,钢产品的牌号表示方法,（,3,）高速工具钢,无论含碳量是多少均不标出。平均含碳量为,0.85,，含钨量为,6.00,，含钼量为,5.00,，含铬量为,4.00,，含钒量为,2.00,的高速工具钢，其牌号表示为,W6Mo5Cr4V2,。,（,4,）低铬（平均含铬量小于,1,）合金工具钢,在含铬量（以千分之几计）前加数字“,0,。例如：平均含铬量为,0.60,的合金工具钢，基牌号表示为“,Cr06”,。,钢产品的牌号表示方法,（,5,）塑料模具钢,在牌号头部加符号“,SM”,，牌号表示方法与优质碳素结构钢和合金工具钢相同。例如：平均含碳量为,0.45,的碳素塑料模具钢，其牌号表示为“,SM45”,；平均含碳量为,0.34,，含铬量为,1.70,，含钼量为,0.42,的合金塑料模具钢，其牌号表示为“,SM3Cr2Mo”,。,钢产品的牌号表示方法,7,轴承钢,分为高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、高碳铬不锈轴承钢、高温轴承钢等,（,1,）高碳铬轴承钢,在牌号头部加符号,G,，但不标明含碳量。铬含量以千分之几计，其他合金元素按合金结构钢的合金含量表示。例如：平均含铬量为,1.50,的轴承钢，其牌号表示为,GCrl5,。,（,2,）渗碳轴承钢,采用合金结构钢的牌号表示方法，仅在牌号头部加符号,G,。例如：平均含碳量为,0.20,，含铬量为,0.35,0.65,，含镍量为,0.40,0.70,，含铝量为,0.10,0.35,的渗碳轴承钢，其牌号表示为,G20CrNiMo,。,高级优质渗碳轴承钢，在牌号尾部加,A,，例如：,G20CrNiMoA,。,钢产品的牌号表示方法,（,3,）高碳铬不锈轴承钢和高温轴承钢,采用不锈钢和耐热钢的牌号表示方法，牌号头部不加符号,G,。例如，平均含碳量为,0.90,，含碳量为,0.18,的高碳铬不锈轴承钢，其牌号表示为,9Cr18,；平均含碳量为,1.02,，含铬量为,14,，含钼量为,4,的高温轴承钢，其牌号表示为,l0Cr14Mo4,。,钢产品的牌号表示方法,8,不锈钢和耐热钢,不锈钢和耐热钢牌号采用规定的合金元素符号和阿拉伯数字表示。易切削不锈钢和耐热钢在牌号头部加,Y,。,含碳量：,用两位或三位阿拉伯数字表示碳含量最佳控制值（以万分之几或十万分之几计）。只规定碳含量上限者，当碳含量上限不大于,0.10,时，以其上限的,3/4,表示碳含量；当碳含量上限大于,0.10,时，以其上限的,4/5,表示碳含量。,例如：,碳含量上限为,0.08,，碳含量以,06,表示；碳含量上限为,0.15,，碳含量以,12,表示。,钢产品的牌号表示方法,对,碳含量不大于,0.030,，用三位阿拉伯数字表示碳含量最佳控制值（以十万分之几计）。,例如,：碳含量上限为,0.030,时，其牌号中的碳含量以,022,表示。,规定上、下限者，以平均碳含量,X100,表示。,例如,：碳含量为,0.16,0.25,时，其牌号中的碳含量以,20,表示。,合金元素含量：合金元素含量表示方法同合金结构钢。钢中有意加入的铌、钛、锆、氮等含量很低的合金元素，也应在牌号中标出。,钢产品的牌号表示方法,9,焊接用钢,焊接用钢包括焊接用碳素钢、焊接用合金钢和焊接用不锈钢等，其牌号表示方法是在各类焊接用钢牌号头部加符号,H,。例如：,H08,、,H08Mn2Si,、,HlCr19Ni9,。,高级优质焊接用钢，在牌号尾部加符号,A,。,例如,：,H08A,、,H08Mn2SiA,。,合金元素的作用,为改善和提高钢的某些性能或使之获得某些特殊性能而有目的在冶炼过程中加入的元素称为合金元素。非有目的加入的元素通常称为杂质元素。,钢中常用的合金元素有铬,(Cr),、镍,(Ni),、钼,(Mo),、钨（,W,）、钒（,V,）、钛（,Ti,）、铌,(Nb),、锆,(Zr),、钴,(Co),、硅,(Si),、锰,(Mn),、铝,(Al),、铜,(Cu),、硼,(B),、稀土,(RE),等。,磷,(P),、硫,(S),、氮,(N),等在某些情况下也起到合金元素的作用。,不同国家常使用的合金元素与各国的资源条件有很大的关系。,合金元素的作用,一、合金元素的分类,1,根据与铁的作用分类,铁在加热和冷却过程中会产生多晶型性转变。钢中的合金元素对,-Fe,、,-Fe,和,-Fe,的相对稳定性以及多型性转变温度,A,3,和,A,4,均有极大的影响。合金元素溶入,-Fe,中形成以,-Fe,为基的固溶体，溶于,-Fe,形成以,-Fe,为基的固溶体。对于那些在,-Fe,中有较大的溶解度，并稳定,-Fe,固溶体的合金元素，称为,奥氏体形成元素,；在,-Fe,有较大的溶解度，使,-Fe,不稳定的合金元素，称为,铁素体形成元素,。,在纯铁加热和冷却过程中产生的多晶型性转变是在恒定温度下进行的。加入合金元素后，这个转变就成为在一个温度范围内进行，这样，,相或者,相在这个温度范围内就会与,相在平衡状态下同时存在。,合金元素的作用,根据合金元素加入后形成的相平衡图类型，可将合金元素分为两类，每类分为两组。,（,1,）扩大,相区的奥氏体形成元素,：这类合金元素能够扩大与铁形成合金的,相区域。合金元素含量越多，,A,3,和,A,4,的距离越大，即,A,3,点下降而,A,4,上升。根据扩大,相区的情况又可分为两组。,开启,相区元素,：如镍、钴、锰、铂、铱等元素与,-Fe,可以无限固溶，使,相区存在的温度范围变宽，使,和,相区缩小。,扩大,相区元素,：如碳、氮、铜、锌、金、氢等元素，它们虽然使,相区扩大、但与,-Fe,是有限固溶，碳、氮形成间隙固溶体，铜形成置换固溶体。这些元素也是属于奥氏体形成元素。,合金元素的作用,（,2,）缩小,相区的铁素体形成元素,：这类合金元素能够缩小与铁形成合金的,相区域。合金元素含量越多，,A3,和,A4,的距离越近，即,A,3,点上升而,A,4,下降。根据扩大,相区的情况又可分为两组。,封闭,相区元素,：这类元素使,A,3,升高，,A,4,下降，在一定浓度处汇合,相区为,相区所封闭，在相图上形成,圈。属于这类元素有钒、铬、钛、钨、钼、铝、磷、锡、锑、砷等。其中钒、铬与,-Fe,无限固溶，其余都与,-Fe,有限溶解。,缩小,相区,：这类元素与封闭,相区相似，但由于出现了金属间化合物，破坏了,圈。这类元素有硼、锆、铌、钽、硫、铈等。,合金元素的作用,2,根据与碳的作用分类,根据合金元素加入钢中与碳发生作用情况，可以将合金元素分为两类。,（,1,）,非碳化物形成元素,：这一类元素包括,Ni,、,Si,、,Co,、,A1,、,Cu,等，以溶入,-Fe,或,-Fe,中的形式存在，有的可形成非金属夹杂物和金属间化合物。另外，,Si,的含量高时，可使渗碳体分解，使碳游离并以石墨状态存在，所以，,Si,也称为,石墨化元素,。,（,2,）,碳化物形成元素,：这一类元素包括,Ti,、,Nb,、,Zr,、,V,、,Mo,、,W,、,Cr,、,Mn,等，它们中的一部分可以溶入奥氏体和铁素体中，另一部分与碳形成碳化物，各元素在这两者之间的分配，决定于它们形成碳化物的强弱程度及含量。,合金元素的作用,2,根据与碳的作用分类,合金元素与碳的亲和力越大，形成碳化物的趋势就越强，这种碳化物也就越稳定，越不易分解。合金元素形成碳化物的稳定程度由强到弱的排列次序为：,Ti,、,Zr,、,V,、,Nb,、,W,、,Mo,、,Cr,、,Mn,、,Fe,。,其中的,Ti,、,Zr,、,V,、,Nb,为强碳化物形成元素，它们和碳有极强的化合力，只要有足够的碳，在适当的条件下，就能形成它们自己特殊的碳化物，仅在缺少碳的情况下，才以原子状态溶入固溶体中。,中强碳化物形成元素为,W,、,Mo,、,Cr,，当其含量较少时，多半溶于渗碳体中，形成合金渗族体，当其含量较高时，则可能形成新的特殊碳化物。,Mn,为弱碳化物形成元素，除少量可溶于渗碳体中形成合金渗碳体外，几乎都溶解于铁素体和奥氏体中。,合金元素的作用,根据碳原子半径,r,C,与金属原子半径,r,M,的比值，可以将碳化物分为两类：,当,r,C,/r,M,0.59,时，形成间隙化合物，如,Cr,23,C,6,、,Cr,7,C,3,、,Mn,3,C,、,Fe,3,C,、,M,6,C,（如,Fe,3,Mo,3,C,、,Fe,3,W,3,C,）等。,当,r,C,/r,M,0.59,时，形成间隙相，或称之为特殊碳化物，如,WC,、,VC,、,TiC,、,W,2,C,、,Mo,2,C,等，与间隙化合物相比，它们的熔点、硬度高，很稳定，热处理时不易分解，不易溶于奥氏体中。,合金元素还可以溶入碳化物中形成多元碳化物，如,Fe,4,Mo,2,C,、,Fe,21,Mo,2,C,6,、,Fe,21,W,2,C,6,等，其中,Fe,、,W,或,Fe,、,Mo,的比例常有变化，而且还能溶解其他金属，故常以,M,6,C,、,M,23,C,6,表示。,合金元素溶于渗碳体中即为合金渗碳体，如（,FeCr,）,3,C,、（,FeMn),3,C,等，常以,(FeM),3,C,表示。,合金元素的作用,二、合金元素对铁碳相图的影响,Fe-C,相图是研究铁碳合金的相变以及对碳钢进行热处理时选择加热温度的重要依据。合金元素对钢的作用非常复杂，特别是多种元素同时加入钢中时更是如此，由于超过三元的相图现在还无法建立，就是三元相图也很复杂，因此，合金元素对钢的作用就转化为对,Fe-C,相图的相区、温度临界点、成分点的影响的研究，需要说明的是，这些影响只能是定性的，到现在为止还无法定量。,合金元素的作用,1,对奥氏体相区的影响,凡是扩大,相区的元素均使,A,1,、,A,3,线下降，这样，如果使,相区扩展到室温以下，就可能在室温得到奥氏体钢，如含锰为,13%,的,ZGMn13,就是奥氏体钢。,凡是缩小,相区的元素均使,A,1,、,A,3,线上升。这样，如果使,相区缩小到很小区域，就可能得到铁素体钢，如含铬为,17%,的,1Cr17,就是铁素体钢。,合金元素的作用,2,对温度临界点的影响,凡是扩大,相区的元素均使温度临界点,A1,、,A3,、,Acm,线下降，凡是缩小,相区的元素均使温度临界点,A1,、,A3,、,Acm,线上升。从而改变奥氏体化的临界温度。,3,对成分点位置的影响,大多数合金元素均使,Fe-C,相图中的成分点,S,点、,E,点左移，这意味着合金钢中碳的质量分数不足,0.77,时会成为共析钢或过共析钢而析出二次渗碳体；钢中碳的质量分数不足,2.11%,时，就会相应地出现共晶莱氏体，成为莱氏体钢。,如含碳为,0.4,的,4Cr13,钢已不是亚共析钢而是过共析钢，含碳为,0.70.8,的,W18Cr4V,高速钢，在铸态组织中已出现了莱氏体，因此，不是共析钢或过共析钢而是莱氏体钢。,合金元素的作用,三、合金元素对钢热处理的影响,1,合金元素对钢加热的影响,合金钢加热进行奥氏体化是为了获得成分均匀的奥氏体，希望有尽可能多的合金元素溶入奥氏体中，只有溶入奥氏体，合金元素才能发挥其提高淬透性的作用。,除了少数元素之外，大多数元素均减慢奥氏体的形成过程，奥氏体成分均匀化的时间要比碳钢长得多。因此，为了使奥氏体成分均匀化，必须将合金钢加热到更高的温度和保温更长的时间。,合金钢加热也希望获得细小晶粒的奥氏体组织，因为奥氏体的晶粒大小决定着冷却转变生成物的实际晶粒大小。合金元素除,Mn,、,P,、,C,、,N,之外都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，但作用的强弱程度有所不同。一些强碳化物形成元素，如,Ti,、,V,、,Zr,、,Nb,都有强烈阻止奥氏体晶粒长大的作用，所以含有这些元素的合金钢即使在高温下加热，也易于获得细晶粒组织。,合金元素的作用,2,合金元素对钢冷却的影响,合金元素对钢冷却的影响表现在对过冷奥氏体分解,C-,曲线的影响上，除了,Co,之外，其他的合金元素均使,C-,曲线右移，提高了过冷奥氏体的稳定性，也就是提高了钢的淬透性，其中有些元素还使,C-,曲线的形状发生变化。,（,1,）对珠光体转变的影响：除了,Co,和,Al,外，只要加热时合金元素能够溶入奥氏体，都会或多或少地推迟奥氏体向珠光体的转变。因此。合金钢的退火和正火工艺比碳素钢的加热温度要高，保温时间要长，冷却速度要慢。,（,2,）合金元素对贝氏体转变的影响：,Cr,、,Mn,、,Ni,等元素对贝氏体转变有较大的推迟作用。,Si,对贝氏体转变也有着强烈地阻滞作用。强碳化物形成元素,W,、,Mo,、,V,、,Ti,对贝氏体转变有一定的延缓作用,。,（,3,）合金元素对马氏体转变的影响 除,Co,、,Al,之外，大多数固溶于奥氏体的合金元素均使,Ms,温度降低，其中碳的作用最强烈，依次是,Mn,、,Cr,、,Ni,、,Mo,、,W,、,Si,。,合金元素的作用,3,合金元素对钢淬火后回火的影响,合金元素主要提高了钢的回火稳定性，使回火过程的转变速度减慢，并把转变温度推向更高的温度。,（,1,）对马氏体分解的影响,:,碳化物形成元素,V,、,Nb,、,Cr,、,Mo,、,W,等使马氏体分解减慢。在碳钢中，碳从马氏体中的析出温度约在,250300,左右，而在含碳化物形成元素的钢中，可将这一过程推移到更高的温度（,400500,），其中,V,、,Nb,的作用比,Cr,、,W,、,Mo,更强烈。非碳化物形成元素对这一过程影响不大，但,Si,可以显著减慢马氏体的分解速度。,（,2,）对残余奥氏体转变的影响,:,合金元素大都使残余奥氏体的分解温度向高温方向推移，其中,Cr,、,Mn,的作用最显著。在含有较多的,W,、,Mo,、,V,等元素的高合金钢中，残余奥氏体在回火过程中析出碳化物，在冷却过程中转变为马氏体。回火之后，淬火钢的硬度不但不降低，反而有所升高，这种现象称为,二次硬化,。,合金元素的作用,（,3,）对碳化物的形成、聚集和长大的影响：,随着回火温度的升高，合金元素能够进行明显地扩散时，开始在,相和渗碳体间重新分配，碳化物形成元素向渗碳体中富集，置换,Fe,原子，形成合金渗碳体。非碳化物形成元素将离开渗碳体。与此同时，将发生合金渗碳体的聚集长大，,Ni,对其聚集长大没有影响，而,Si,和,V,、,W,、,Mo,、,Cr,则对其聚集长大过程起阻碍作用。在含有,Ti,、,Nb,、,Zr,、,V,、,Mo,强碳化物形成元素较多的钢中，在回火时可能析出细小弥散的特殊碳化物，使钢的强度、硬度显著提高，产生二次硬化。,（,4,）对铁素体回复再结晶的影响：,大部分合金元素均延缓铁素体的回复与再结晶过程，其中,Co,、,Mo,、,W,、,Cr,、,V,显著提高,相的再结晶温度，,Si,、,Mn,的影响次之，,Ni,的影响不大。合金元素可以显著地提高再结晶,温度,合金元素的作用,（,5,）对回火脆性的影响,：,第,一类回火脆性不可能用热处理和加入合金元素的方法消除，但,Si,、,Mn,等元素可将脆化温度提高至,350370,，从而避开在正常温度回火产生的第一类回火脆性。,Ni,、,Cr,、,Mn,增加第二类回火脆性的脆向，而,Mo,和,W,则有抑制和减轻回火脆性的倾向。,合金元素的作用,四、合金元素对钢性能的影响,钢中加入合金元素的主要目的是为了使钢具有更优异的性能，对于结构材料来说，首先是提高其力学性能，即既要有高的强度，又要保证材料具有足够的韧性。钢材除了具有优良的力学性能之外，还应具有良好的工艺性能（如铸造性能、冷成型性能、压力加工性能、切削性能、焊接性能及热处理工艺性能等），若钢材的工艺性能不能满足要求，尽管力学性能优异，也很难被接受。,合金元素加入钢中主要是通过,固溶强化、晶界强化、第二相强化、位错强化,等来提高钢的强度。,合金元素的作用,四、合金元素对钢性能的影响,1,、通过加入合金元素的固溶方法来强化钢，使钢具有高的强度，根据固溶强化的规律，随着溶质原子的增多，强度、硬度上升，而塑性、韧性下降，强化效果越大，则塑性韧性下降得越多，使材料的可靠性受到较大的损害，因此为了使钢既具有较高的强度，又有适当的塑性，对溶质浓度应当加以控制。,2,、细化晶粒不但可以提高钢的强度，而且可以提高钢的塑性和韧性，这一点是其他强化方式所不具备的。为此，可向钢中加入,Al,、,Ti,、,V,、,Zr,、,Nb,等元素，形成难溶的第二相粒子，这些粒子越弥散细小，数量越多，则对奥氏体化时晶界迁移的阻力越大，从而细化奥氏体晶粒。奥氏体晶粒越细小，则冷却转变后得到的铁素体、马氏体等的尺寸越小。,合金元素的作用,3,、第二相粒子可以有效地阻碍位错运动。第二相粒子越细小，粒子越弥散，其间距越小，则强化效果越好。合金元素的作用主要是为造成均匀弥散分布的第二相粒子提供必要的成分条件。,第二相粒子对钢的塑性有危害作用。而均匀弥散分布的细小球状粒子可改善钢的塑性，可采用控制碳化物尺寸、数量、形状及分布，减少钢中夹杂物，将片状珠光体改变为粒状珠光体的方法改善钢的塑性。,4,、金属中的位错密度越高，金属的强度越高。这种用增加位错密度提高金属强度的方法称为位错强化。钢中的相变，尤其是马氏体转变，不论是在母相还是在新相中，均能形成大量的位错。合金元素的作用是在塑性变形时使位错易于增殖，加入合金元素细化晶粒，提高钢的淬透性，造成弥散分布的第二相和形成固溶体等，都是增加位错密度十分有效的方法。这也是马氏体能够提高钢的强度的一个重要原因。,工程结构钢,工程结构钢是指专门用来制造工程结构件的一大类钢种，它广泛应用于国防、化工、石油、电站、车辆等领域，如用于制造船体、建筑钢结构件、油井或矿井架、高压容器、输送管道、桥梁等，在钢总产量中占,90%,左右。工程结构钢包括碳素结构钢和低合金高强度结构钢。,工程结构钢,一、工程结构钢的基本要求,工程结构钢大多用于制造工程结构件，其主要性能要求为足够的强度和良好的焊接性能、成形工艺性及一定的耐蚀性。,1.,足够的强度和韧性,工程结构钢要求有足够的强度，工程结构件就能承受较大的载荷，减轻整个金属结构件的质量。,2.,良好的焊接性和成形工艺性,焊接是构成金属结构的常用方法，因此要求有优良的焊接性。金属结构件成形时，常需要塑性变形，如剪切、冲孔、热弯、深冲等，因此还要求有良好的冷、热加工性和成形性等工艺性能。,3.,良好的耐腐蚀性,主要指钢在各类气候条件下的抗腐蚀能力。,工程结构钢,二,、碳素结构钢,1.,性能特点,碳素结构钢一般是含碳量低于,0.25%,的低碳结构钢，它含有害元素及非金属夹杂物较多，但由于冶炼容易、工艺性能好、价格低廉，而且力学性能也能满足一般使用要求，因此，常用于制造普通的工程结构件及普通零件。,碳素结构钢在热轧状态下供应，可制成钢板或各种型钢如槽钢、角钢、扁钢、圆钢、工字钢、钢筋等。,2.,牌号的表示方法,碳素结构钢牌号的表示方法,:Q+,数字,+,（质量等级）,+,（脱氧方法）,+,（专门用途）符号。,例如,Q235-AF,表示,A,级沸腾钢。对于专门用途的碳素结构钢，例如桥梁钢、船用钢等，在钢号最后附加表示用途的字母。例如,Q345R,表示为压力容器用钢，,Q345q,为桥梁的专业用钢。,工程结构钢,3.,常用碳素结构钢的特性及用途,常用钢可分为,Q195,、,Q215,、,Q235,和,Q275,四个牌号,Q195,、,Q215(AB),具有高的塑性、韧性和焊接性能，良好的压力加工性能，但强度低 用于制造铁钉和各种薄板，如黑铁皮、白铁皮（镀锌薄钢板）、马口铁（镀锡薄钢板），也可用作冲压板材或焊接结构件,Q235(ABCD),具有良好的塑性、韧性、焊接性能、冷冲压性能，以及一定的强度和好的冷弯性 可以满足钢结构的要求，应用最广、最 多，常轧制成各种型钢、钢板、钢筋、棒材等，用来制造各种钢结构以及机器零件，如拉杆、螺栓、连杆、焊接件等,Q275,具有较高的强度、较好的塑性和切削加工性能、一定的焊接性 能。小型零件可以淬火强化。用于制造强度要求较高的零件，如齿 轮、轴、链轮、键、螺栓、螺母、农机用型钢、链条等,工程结构钢,三、低合金高强度结构钢,低合金高强度结构钢是指在碳素结构钢的基础上，通过添加一种或多种少量合金元素（低于,3%,），使钢的强度明显高于碳素结构钢的一类工程结构用钢。,目前工业上广泛使用的低合金高强度结构钢的使用状态多为热轧或正火，冶金厂都是轧制成钢板、型钢和钢管供制造厂家选用。一般要经过塑性变形和焊接加工，除厚板、高强度钢焊接件外，一般不进行热处理。,低合金高强度结构钢主要用于各类工程结构中承载大、自重轻、高强度的工程结构件。,工程结构钢,1.,成分特点：,含碳量较低，多数为,0.1%,0.2%,。一般以稍高含量的,Mn,（,0.8%,1.8%,）和适当含量的,Si,来固溶强化，附加,V,、,Ti,、,Nb,等合金元素产生细晶强化和沉淀强化。加入少量的,Cr,、,Ni,及,Al,，可以提高钢的耐大气腐蚀性，尤其是在钢中同时含,Cu,、,P,时，效果更佳。,工程结构钢,2.,性能特点,（,1,）高的强度和良好的塑性,（,2,）良好的焊接性能,（,3,）良好的低温韧性：,低合金高强度结构钢的脆性转变温度约为,-40,，而碳素结构钢在,-20,左右，因而 低合金高强度结构钢适宜制造在寒冷地区使用的构件。,（,4,）良好的耐蚀性：,由于低合金高强度结构钢构件的截面尺寸较小，又常在室外使用，故要求比普通碳素结构钢有更高的抵抗大气、海水、土壤腐蚀的能力。在低合金高强度结构钢中加入少量的,Cu,、,P,及,Al,等，可使耐蚀性明显提高。,工程结构钢,3.,常用牌号和用途,这类钢按屈服强度可分为,Q345,、,Q390,、,Q420,、,Q460,、,Q500,、,Q550,、,Q620,、,Q690,等牌号。,低合金高强度结构钢按用途还可分为结构钢、耐腐蚀钢、低温钢、耐磨钢、钢筋钢、钢轨钢及其他专用钢,按显微组织可分为铁素体,-,珠光体钢、微珠光体钢、针状铁素体钢、低碳回火马氏体钢、低碳贝氏体钢和双相钢。,工程结构钢,Q345,、,Q390,钢综合力学性能好，焊接性、冷、热加工性能和耐蚀性能均好，,C,、,D,、,E,级钢具有良好的低温韧性用于船舶、锅炉、压力容器、石油储罐、桥梁、电站设备、起重运输机械及其他较高载荷的焊接结构件,Q420,钢强度高，特别是在正火或正火加回火状态有较高的综合力学性能。用于大型船舶，桥梁，电站设备，中、高压锅炉，高压容器，机车车辆，起重机械，矿山机械及其他大型焊接结构件,Q460,钢经正火或淬火,+,回火后有很高的综合力学性能，冶炼时用,Al,脱氧，质量等级为,C,、,D,、,E,级，可保证钢的良好韧性，用于各种大型工程结构及要求强度高、载荷大的轻型结构,机器零件用钢,机械制造结构钢又称为机器零件用钢，主要用于制造各种机械零件，如各种类型的轴、齿轮、轴承、弹簧、连杆、紧固件等。它们要求有良好的服役性能，有足够高的强度、塑性、韧性和疲劳极限等。,根据钢的生产工艺和用途，应用较多的有渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢等,根据化学成分，又分为碳素钢和合金钢两类。,机器零件用钢与工程结构钢相比，硫、磷等有害杂质限制在较低范围内，钢的质量等级都是优质和高级优质。另外，为了更好地发挥钢的性能，一般均应进行热处理。,机器零件用钢,二、渗碳钢,1.,工作条件和性能要求,工作条件：,渗碳钢用来制造齿轮、凸轮、活塞销等。这些零件往往在滑动、滚动等相对运动的工况下工作，工件之间有摩擦，同时还承受了一定交变弯曲应力和接触疲劳应力，有时还有一定的冲击力。这些零件常见的失效形式有过量磨损、表面剥落，甚至断裂等。,性能要求：,表面具有高硬度、高耐磨性、高接触疲劳抗力，而心部应具有良好的综合力学性能。,用渗碳钢制造的零件，通过渗碳淬火工艺，使表面有高的弯曲和疲劳极限及耐磨性，而心部又有高的强度和韧性。实际上，经过渗碳处理后的钢是一种很好的复合材料，表层相当于高碳钢，而心部是低碳钢。,机器零件用钢,2.,化学成分,渗碳钢中碳的含量决定了渗碳零件心部的强度和韧性，从而影响到零件整体的性能。,一般,渗碳钢的碳含量为,0.12%,0.25%,，个别钢种可达到,0.28%,。低的碳含量可保证心部在淬火时得到强韧性好的板条马氏体组织。,渗碳钢中常用的合金元素,Mn,、,Cr,、,Ni,的主要作用是提高渗碳钢的淬透性，使较大尺寸的零件在淬火时心部能得到大量板条马氏体组织，以获得较高的强度和良好的韧性。根据零件承受负荷大小的不同情况，心部需要的显微组织也有所差别。,Mo,、,W,、,V,、,Ti,等合金元素可以阻止奧氏体晶粒在高温渗碳时长大，能细化晶粒。,机器零件用钢,3.,常用渗碳钢及热处理,常用渗碳钢：,渗碳钢都是低碳钢或低碳合金钢。常用渗碳钢按淬透性大小可分为低淬透性钢、中淬透性钢和高淬透性钢三类。,低淬透性钢的典型代表是,20,和,20Cr,钢。由于渗碳时晶粒容易长大，所以不宜采用渗碳后直接淬火工艺。淬透性低，正火、退火后硬度低，切削性能不良，用于制造截面较小、载荷小的零件等,。,机器零件用钢,中,淬透性钢的典型代表是,20CrMnTi,钢。由于多元复合合金元素的作用，其淬透性好，渗碳淬火后具有较高的耐磨性和高的强韧性，特别是低温冲击韧性比较好,;,钢的渗