1、机 械 工 程 材 料/教 师：徐家文 电 话：88036521/材料科学与工程学院/2/第六章 工业用钢/工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类/碳素钢是指含碳量低于2/11%的铁碳合金。 合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金/3/第一节 钢的分类及编号 第二节钢中的杂质及合金元素 第三节 结构钢 第四节 工具钢 第五节 特殊性能钢/主要内容/4/6-1 钢的分类及编号/一、钢的分类 1、按化学成分分/5/2、按质量分 钢的质量是以***、硫的含量来划分的。 分普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢/ 根据现行标准，各质量等级钢的***、硫含量如下/

2、6/3、按冶炼方法分/沸腾钢：脱氧不充分，浇注时C与O反应/镇静钢/脱氧充分，***致密，成材率低/半镇静钢：介于前两者之间/发生沸腾。这种钢成材率高，但不致密/按脱氧程度分/特殊镇静钢/7/4、按金相***分/亚共析钢共 析 钢过共析钢/按退火***分/电弧炉炼钢/8/5、按用途分/9/二、钢的编号 我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和***数字相结合的方法。 采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母/10/常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T 2212000/11/1、碳素结构钢和低合金高强度钢

3、 Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号 质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高/脱氧方法符号/ 沸腾钢F；镇静钢Z；半镇静钢b；特殊镇静钢TZ。 举例：如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ/12/低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱氧方法的符号。如Q345C。 根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位***数字 (表示平均含碳量的万分之几) 和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn/说明/ 通常情况下/ 屈服强度值小于300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢/热连轧钢板/13/2、优质

4、碳素结构钢和弹簧钢 牌号用两位数字表示。 这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。 如45钢平均含碳量为万分之四十五(即0/45%) 的优质碳素结构钢/14/钢带/说 明 含Mn量为0/71/0%时，在两位数字后加元素符号“Mn”，如40Mn/对于沸腾钢和半镇静钢/ 在钢号后分别加字母F和b，如08F、10b。 高级优质钢在钢号后加字母A，如20A/15/3、合金结构钢和合金弹簧钢 两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素符号+该元素百分含量数字+ 当合金元素的平均含量小于1/50%时，只标元素符号，不标含量/钢管/16/当合金元素的平均含量为1/502/49%、2/50 3/49%、3/

5、504/49%、4/505/49%、时，在相应的合金元素符号后标2、3、4、5 等数字。如20CrNi3。 高级优质钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。 特级优质钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE/不锈钢制管板式换热器/所有合金钢的合金元素量标法相同/17/4、工具钢 碳素工具钢：T + 数字 T表示“碳素工具钢” ； 数字表示平均含碳量的千分之几。 如T8其平均含碳量为千分之八(0/8%C)。 * 说明：碳素工具钢都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后加“A”，如T8A/丝锥/锉刀/18/合金工具钢 含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+ 当含碳量小于1/00%时，含碳量用一位数字

6、标明，这一位数字表示平均含碳量的千分之几，如8MnSi/ 当含碳量大于1/00%时，不标含碳量/高速钢不标含碳量，如W6Mo5Cr4V2(含0/85%C)/ * 含铬量小于1%时，在含铬量(以千分之一为单位)前加数字“0”，如Cr06/铣刀/19/5、轴承钢 G+Cr +铬含量(不标含碳量) “G”表示“滚动轴承钢”。 * 铬含量以千分之一为单位/ 如“GCr15”的平均含铬量为1/5%。 渗碳轴承钢牌号的表示方法与合金结构钢相同，仅在牌号头部加字母“G”，如“G20CrNiMo/20/6、不锈钢和耐热钢 含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+ 含碳量以千分之一为单位/含碳量的表示方法为： 当

7、平均含碳量1/00%时，用两位数字表示，如11Cr17(平均含碳量为1/10/涡轮叶片/21/当1/0%平均含碳量0/1%时/ 用一位数字表示/如2Cr13（平均含碳量为0/20%） 当0/1%含碳量上限 0/03%时/ 以“0”表示，如0Cr18Ni9（含碳量上限为0/08%） 当0/03%含碳量上限0/01%时（超低碳）/ 以“03”表示，如03Cr19Ni10(含碳量上限为0/03/当含碳量上限0/ 01%时(极低碳)，以“01”表示，如01Cr19Ni11（含碳量上限为0/01/汽轮机叶片/22/珠光体耐热钢含碳量的标注同结构钢。如15CrMo 注：旧标准含碳量表示方法为： 当含碳量0

8、/08%时，以“0”表示，如0Cr18。 当含碳量0/03%时，以“00”表示，如00Cr18Ni10/23/7、铸钢 ZG + 两位数字 ZG表示“铸钢”； 两位数字表示平均含碳量的万分之几/ 如ZG25/24/6-2 钢中的杂质及合金元素/1、Mn/ 0/8%时为杂质/ 是有益元素。作用为： 强化铁素体； 消除硫的有害作用/一、杂质元素对性能的影响/钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S及气体元素。是由原料带入或脱氧残留的元素/25/强化铁素体； 增加钢液流动性/2、Si：0/5%时，是有益元素。作用为/合金晶界的低熔点硫化物共晶/常以FeS形式存在。易与Fe在晶界上形成低熔点共晶(985)

9、，热加工时(11501200)，由于其熔化而导致开裂，称热脆性。 钢中的硫应控制在0/045%以下/3、S：有害元素/26/Mn可消除硫的有害作用/ FeS + Mn Fe + MnS， MnS熔点高(1600)。 4、P：有害元素。 能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆性。 P一般控制在0/045%以下/27/5、气体元素 N：室温下N在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和N在常温放置过程中以FeN、Fe4N形式析出使钢变脆/ 称时效脆化。 加Ti、V、Al等元素可使N固定，消除时效倾向。 O：氧在钢中以氧化物的形式存在，其与基体结合力弱，不易变形，易成为疲劳裂纹源

10、/28/H：常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢中以原子态溶解时，降低韧性，引起氢脆。 当氢在***处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂/29/一) 对钢中基本相的影响 1、溶于铁素体/ 起固溶强化作用/二、合金元素在钢中的作用/对铁素体冲击韧性影响/非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元素都溶于铁素体，形成合金铁素体。 Si、Mn对强度、硬度提高显著。Cr、Ni在适当范围内提高韧性/30/2、形成碳化物，起强化相作用 合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为： Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe/Ti、Nb、V为强碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔

11、点、硬度、耐磨性高，如TiC、VC等/钢中碳化物/31/W、Mo、Cr为中碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较高，如W2C等。 Mn、Fe为弱碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较低，如Fe3C等/32/1、对奥氏体相区的影响 Ni、Mn、Co、C、N 等是扩大奥氏体相区的元素，使A1、A3线下降，A4线上升/当Mn13%或Ni9%时，S点降到0以下，室温下为单相奥氏体***，称奥氏体钢/锰对奥氏体相区的影响/二）对Fe - Fe3C相图的影响/33/Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等是缩小奥氏体相区的元素，使A1、A3线上升，A4线下降/铬对奥氏体相区的影响/当C

12、r13%时，奥氏体相区消失，室温下为单相铁素体***，称铁素体钢/34/2、对E点和S点位置的影响 所有合金元素均使E点和S点左移，使碳含量比较低的钢出现过共析***(如4Cr13）或共晶***（如W18Cr4V/35/1、对奥氏体化的影响 对奥氏体形成速度的影响：除Ni、Co外/都减缓奥氏体化过程/ 对奥氏体晶粒长大倾向的影响/碳、氮化物形成元素阻碍奥氏体晶粒长大。 Mn、P促进长大/三） 对钢中相变过程的影响/36/2、对过冷奥氏体转变的影响 对C曲线和淬透性的影响：除Co 、Al外，凡溶入奥氏体的合金元素均使C曲线右移，淬透性提高。 常用提高淬透性的元素为Mn、Si、Cr、Ni、B/对Ms、M

13、f点的影响：除Co、 Al外，所有元素都 使Ms、Mf点下降/合金元素对钢淬透性的影响/37/淬火碳钢 回火 时的 硬度变化/3、对回火转变的影响 提高耐回火性：淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称耐回火性。 合金元素能阻碍马氏体分解及碳化物的析出与***/当回火硬度相同时，合金钢比同含碳量碳钢回火温度高。如果同温度回火，合金钢硬度比碳钢高/38/产生二次硬化 含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火***时A转变为M回/使硬度不仅不下降，反而升高的现象称二次硬化。 防止第二类回火脆性 加W、Mo可防止第二类回火脆性/高速钢/39/6-3 结构钢/使用性能以强韧性

14、为主。 工艺性能以可焊性、淬透性为主。 合金结构钢除少量为中高合金钢外，都是低合金钢/铜陵长江公路大桥/40/1、成分：0/4%C/ P、S量及非金属夹杂较多。 2、性能：可焊性、塑性好。 3、热处理：不进行专门热处理，热轧空冷态下使用。 4、使用状态下***：F+P/一、碳素结构钢/41/5、用途 常以热轧板、带、棒及型钢使用，用量约占钢材总量的70%。 用于建筑结构，适合***、铆接、栓接等/热轧钢板/黄河小浪底枢纽工程/42/1、性能要求 高强度及足够韧性。 良好的***性能。 良好的耐蚀性及低 的韧脆转变温度。 2、成分特点 低碳：0/2%C。 合金元素：主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等

15、/二、低合金高强度结构钢/43/3、热处理：大多数热轧空冷后使用。少数可用正火+高温回火处理。 4、使用状态下***：F+P/低合金高强钢合金元素细化晶粒作用/Mn的作用是强化铁素体；增加珠光体的量。 V、Ti、Nb等起细化晶粒和弥散强化作用。 另外加Cu、P可提高耐蚀性；加RE可提高韧性、疲劳极限，降低冷脆转变温度/44/5、用途 Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。 Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的压力容器。 Q460钢含Mo、B，正火***为贝氏体，强度高/用于石化中温高压容器/南京长江大桥/45/1、性能要求 表***有高硬度、高耐磨性，心部

16、具有足够的韧性和强度，即表硬里韧。 良好的热处理性能/如淬透性和渗碳能力/三、渗碳钢/46/低碳：0/10/25%C 合金元素作用： Cr、Mn、Ni、B提高淬透性； Cr、Mn、Ni强化铁素体； W、Mo、Ti、V细化晶粒/2、成分特点/47/渗碳淬火后的表层***/3、热处理特点 渗碳件的加工工艺路线为：下料锻造正火机加工渗碳淬火+低温回火/正火目的为调整硬度，改善***，消除应力。 淬火温度一般为 Ac1+30-50。 4、使用状态下*** 心部：M回+F 表层：M回+颗粒状碳化物 +A (少量/48/5、常用钢号及用途 低淬透性钢：20、20Cr/用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴

17、等/49/中淬透性钢：20CrMnTi。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。 高淬透性钢：18Cr2Ni4WA/用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴/50/调质件（螺杆/1、性能要求 良好的综合力学性能。 良好的淬透性/四、调质钢/51/中碳：0/30/5%C 合金元素作用： 提高淬透性/ Mn、Si、Cr、Ni、B 强化铁素体/ Mn、Si、Cr、Ni 细化晶粒/ Ti、V 防止第二类回火脆性/ W、Mo/调质件（***轮/***主轴/2、成分特点/52/调质件的加工工艺路线为：下料锻造退火粗加工调质精加工装配 调质目的：获得良好综合力学性能 使用状态下的***为：S回/为提高表面耐磨性，调质后可进

18、行表面淬火或氮化/3、热处理及***特点/53/柴油机凸轮轴/4、常用钢号及用途 低淬透性钢： D0油3040mm/ 常用 45、40Cr/ 用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等。 中淬透性钢： D0油4060mm，常用40CrNi，用于制造大中型零件/54/高淬透性钢： D0油60mm/ 常用40CrNiMo/ 用于制造大截面重载荷零件，如曲轴等/合金结构钢曲轴/单缸汽车曲轴/55/制造弹簧或类似性能零件的钢种。 1、性能要求 弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件。 高的s，s/b； 高的-1；足够的韧性 高的淬透性/五、弹簧钢/56/2、成分特点 中高碳： 碳素弹簧钢为0/60/9%C 合金

19、弹簧钢为0/450/7%C 合金元素作用： 提高淬透性、强化铁素体：Mn、Si、Cr 提高s/b：Si 细化晶粒：V/57/3、热处理及***特点 冷成型弹簧：冷拔 冷成型定型处理(250300)。 用于10mm/58/提高表面质量的方法/ 防止表面脱碳/避免表面***； 进行喷丸处理，使表面产生压应力/板簧喷丸处理示意图/4、弹簧的表面质量/59/Si、Mn弹簧钢65Mn、60Si2Mn，用于制造较大截面弹簧。 Cr、V弹簧钢50CrV，用于大截面、大载荷、耐热的弹簧/大型热卷弹簧/5、常用钢号及用途/60/高而均匀的硬度和耐磨性。 高的b和接触疲劳强度。 足够的韧性、淬透性和耐蚀性/六、滚动轴

20、承钢/1、性能要求/圆柱滚子轴承/原因：轴承工作承受接触应力(达3000 3500MPa)、周期***变载荷(频率达数万次/分)和摩擦/61/2、成分特点 高碳：0/951/10%C 合金元素：以Cr为主/加入Mn、Si/推力球轴承/滚针轴承/Cr、Mn、Si的主要作用是提高淬透性 Cr还提高耐磨性（形成合金渗碳体）和耐蚀性。 当1/65%Cr时，会因A增加而使硬度和稳定性下降/62/3 、热处理和***特点 热处理：？+球化退火+淬火+低温回火 滚动轴承钢是过共析钢。 ***/M回+颗粒状碳化物+A(少量) 淬火后进行冷处理 (-60 -80)/ 可以减少A、稳定尺寸/63/应用最广的是GCr15

21、，大量用于大中型轴承； 大型轴承用GCr15SiMn。 这类钢还可用于制造模具、量具等/4、常用钢号及用途/64/1、成分特点 高碳：1/01/3%C 以保持高耐磨性。 高锰：1114%Mn 以保证形成奥氏体***/七、耐磨钢高锰钢（ZGMn13/65/铸态***为奥氏体+碳化物/ 性能硬而脆。 热处理采用水韧处理。即将钢加热到1100，使碳化物溶入奥氏体，并进行水淬。 室温***为过饱和单相奥氏体/2、热处理及***/66/水韧处理后，韧性高，硬度低，使用时必须伴随着压力和冲击作用。 在压力及冲击作用下，表面形成马氏体并析出碳化物，获得高耐磨性。而心部仍为奥氏体***，具有高耐冲击能力/3、使用及用途

22、/67/高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件。如拖拉机的履带板、球磨机衬板、破碎/机牙板、挖掘机铲齿和铁路辙岔等/68/6-4 工具钢/按用途分为/ 刃具钢 模具钢 量具钢/69/一、刃具钢/性能要求/1、高硬度 (60HRC)/主要取决于含碳量。 2、高耐磨性 靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。 3、高热硬性 即高温下保持高硬度的能力。 4、足够的韧性 以防止脆断和崩刃/70/共有七个牌号：T7T13 1、成分特点/高碳(0/651/35%C) 随含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韧性下降/碳素工具钢/71/2、热处理及*** 热处理：正火+球化退火+淬火+低温回火 使用状态下

23、的***： M回+颗粒状碳化物+A (少量/72/3、用途 由于碳工钢热硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。 T7T9：制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、锤子等/73/T10T11：制造低速切削工具，如钻头、丝锥、车刀等。 T12T13：制造耐磨工具，如锉刀、锯条等/74/低合金工具钢 由碳素工具钢基础上加入少量合金元素(35)形成。 1、成分特点： 高碳：0/751/5%C 合金元素作用/提高淬透性/ Cr、Mn、Si 提高耐回火性：Si 提高耐磨性、细化晶粒/ W、V/75/2、热处理及*** 同碳素工具钢/ 只是淬火介质为油(碳素工具钢为水)。 使用状态下的***为

24、/ M回+颗粒状碳化物+ A (少量) 3、常用钢号及用途 应用最多的是9SiCr。用于制造形状复杂、要求变形小的低速刃具，如丝锥、板牙等/76/高速钢（俗称风钢） 制造高速切削刃具用钢。 1、性能特点/ 高热硬性(600)、高淬透性 2、成分特点 高碳/ 0/701/5%C 合金元素作用 提高淬透性：Cr 提高热硬性、耐磨性/ W、Mo、V/77/W18Cr4V钢的铸态***/3、加工与热处理 加工工艺路线：下料锻造退火机加工淬火回火磨削/高速钢是莱氏体钢，其铸态***为亚共晶***，由鱼骨状莱氏体与树枝状M+T组成，脆性大且无法热处理改善/78/退火目的： 降低硬度，便于切削加工； 为淬火作***

25、准备。 退火后的***： S+颗粒状碳化物/锻造目的：打碎粗大的鱼骨状共晶碳化物，使其均匀地分布于基体中/W18Cr4V钢的退火***/79/淬火目的/ 获得高合金元素含量的马氏体。因此淬火温度高(1200/淬火后***： M+未溶碳化物(10%)+A (20/80/回火时的***变化： 析出W、Mo、V的碳化物，产生二次硬化。 回火***时，A转变为M，且每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火/回火目的：主要为减少A。消除内应力、稳定***。 常用560三次回火/高速钢硬度与回火温度关系/81/W18Cr4V钢热处理工艺示意图/82/W18Cr4V钢淬火、回火后的***/4、使用状态下*** M回+颗粒状碳

26、化物+A（少量/83/不同状态下W18Cr4V的***/84/5、常用钢号及用途 常用钢号为W18Cr4V(18-4-1)和W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)。 用于高速切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀、钻头等/高速钢铣刀/85/汽车冲压模具/冷作模具钢 制造金属冷成型模具钢种。 1、性能要求 高硬度和耐磨性。 足够的强度和韧性。 良好的工艺性能（淬透性、切削加工性等/二、模具钢/86/2、常用钢种 小尺寸、形状简单、受力不大的模具/ 可用碳素工具钢和低合金工具钢制造。 截面、受力大的冷模具用Cr12型冷作模具钢制造/Cr12成分特点/ 高碳(1/42/3%C)/ 高铬(11/513%Cr) 合

27、金元素作用： Cr 提高淬透性；Mo、V 提高耐磨性，细化晶粒/87/Cr12加工及热处理/ Cr12型模具钢也是莱氏体钢，需进行锻造、退火/ 目的同高速钢。 最终热处理为/ 淬火+低温回火 使用状态下的***/ M回+颗粒状碳化物+A(少量/常用钢号为Cr12和Cr12MoV，用于制造冷冲模、挤压模等/88/热作模具钢 制造使加热金属或液态金属成型模具钢种/ 1、性能要求 高温下良好的综合力学性能。 抗热疲劳性能。 高的淬透性和良好的导热性/89/2、常用钢种 热锻模钢 5CrNiMo、5CrMnMo 前者用于大型热锻模，后者用于中小型热锻模。 成分特点、合金元素作用及热处理同调质钢。 使用状

28、态下的***/ S回/90/压铸模钢 典型钢号是3Cr2W8V/ 为过共析钢。 中碳(0/30/4%C)/ 合金元素作用同高速钢。W、Cr提高抗热疲劳性能。 淬火+回火后***：M回+颗粒状碳化物+A(少量/型板压铸模/91/制造各种量具用钢。如千分尺、卡尺、块规、塞规等/三、量具钢/92/1、性能要求 量具在使用过程中与被测零件接触，承受摩擦和冲击。 高硬度和耐磨性。 高的尺寸稳定性。 足够的韧性/93/2、量具用钢 低碳钢渗碳、 中碳钢表面淬火 碳素工具钢、低合金工具钢 两者用于尺寸小、形状简单、精度要求不高的量具/滚动轴承钢、冷作模具钢。用于制造精密量具/ 不锈钢用于制造接触腐蚀介质的量具/

29、94/3、量具钢的热处理特点/淬火前预备热处理采用球化退火或调质处理。 下限温度淬火及冷处理，目的是减少A。 长时间低温时效，以消除内应力，降低马氏体的正方度/卡尺/95/6-5 特殊性能钢/特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢。本节只介绍不锈钢和耐热钢/96/化工管道的腐蚀/电化学腐蚀是指金属在电解质溶液中的腐蚀，是有电流参与作用的腐蚀/一、不锈钢/电化学腐蚀/防止电化学腐蚀的措施： 获得均匀的单相***。 提高合金的电极电位。 使表面形成致密的钝化膜/97/不锈钢中合金元素的作用 1、低碳：碳高，则降低耐蚀性。 2、Cr：是提高耐蚀性的主要元素 形成稳定致密的Cr2O3氧化膜/Cr含量大

30、于13%时，形成单相铁素体***。 提高基体电极电位。 3、Ni：获得单相奥氏体***。 4、Mo：耐有机酸腐蚀。 5、Ti/ Nb/ 防止奥氏体钢晶间腐蚀/98/加 Ti、Nb则先于Cr与C形成不易溶于奥氏体的碳化物/ 避免晶界贫Cr/晶间腐蚀/晶 间 腐 蚀/它是由于Cr23C6析出于晶界，使晶界附近Cr含量降到12%以下，在介质作用下发生强烈腐蚀/99/晶间腐蚀破坏/100/1、马氏体不锈钢 主要是Cr13型不锈钢，钢号为1Cr134Cr13。 随含碳量提高，强度、硬度提高，耐蚀性下降。 1Cr13、2Cr13 热处理/ 淬火+高温回火 使用状态下的***/ S回/常用不锈钢/101/1Cr13、2Cr13具有耐大气、蒸汽腐蚀能力及良好的综合力学性能/用于要求