3-2-1 非合金钢与合金钢（课件）《机械基础》同步精品课堂（高教版·第三版）

3-2-1 机械工程材料-非合金钢与合金钢 机械基础 同步精品课堂 高等教育出版社（第三版） 1 杂质元素对钢材性能的影响 1、硅（有益元素）对钢材性能的影响 硅是作为脱氧剂带进钢中的。硅的脱氧作用比锰要强，可以防止形成FeO，从而改善钢的质量；硅能溶于铁素体中，并使铁素体强化，从而提高钢的强度、硬度和弹性，但同时也降低了钢的塑性和韧性。一般来说，钢中的硅是有益元素，而且硅的质量分数一般不超过0.5%。 2、锰（有益元素）的影响 杂质元素对钢性能的影响 （1）带入方式：炼钢时用锰铁脱氧后残留在钢中的杂质元素。 （2）作用： ①锰具有一定的脱氧能力，能把钢中的FeO还原成Fe，改善钢的质量； ②锰还能与硫化合成MnS，以减轻硫的有害作用，降低钢的脆性，改善钢的热加工性能； ③锰还能大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，并使铁素体强化，提高钢的强度和硬度。 （3）含量：WMn=0.25%-0.80%，最高达1.2%。 杂质元素对钢性能的影响 3、硫（有害杂质元素）的影响 （1）带入方式：在炼钢时由矿石和燃料带进钢中的，而且在炼钢时难以除尽。在固态下硫不溶于铁，而以FeS的形式存在。FeS与Fe能形成低熔点的共晶体（Fe+FeS），其熔点为985℃，且分布在晶界上。 （2）作用或影响： ①在易切削钢中适当提高硫的质量分数，可提高钢材的切削加工性； ②钢材在1000-1200℃进行热压力加工时，产生热脆现象, Ws≦0.05%； ③硫对钢的焊接性有不良的影响，容易导致焊缝产生热裂、气孔和疏松。 杂质元素对钢性能的影响 4、磷（有害元素）的影响 （1）带入方式：由矿石带入钢中。磷在钢中能全部溶于铁素体中，提高铁素体的强度和硬度。但在室温下却使钢的塑性和韧性急剧下降，产生低温脆性，即冷脆。 （2）作用或影响 ①在易切削钢中适当提高磷的质量分数，脆化铁素体，改善钢材的切削加工性； ②钢中加入适量的磷还可以提高钢材的耐大气腐蚀性能，尤其是在钢中含有适量的铜元素时，其耐大气腐蚀性能更为显著； ③钢中的磷的质量分数即使只有千分之几，也会因析出脆性化合物Fe3P而使钢的脆性增加，特别是在低温时更为显著，因此要限制磷的质量分数。 非合金钢的分类 按碳含量Wc 低碳钢： <0.25% 中碳钢： 0.25~0.60% 高碳钢： >0.60% 按质量等级和性能或使用特性 普通质量非合金钢：Q235 优质非合金钢：30-85 按用途 非合金钢分类 碳素结构钢： 碳素工具钢： 特殊质量非合金钢：T7、T8、T10、T12 Wc<0.70% Wc>0.70% 非合金钢的分类 (一) 普通质量非合金钢 1、定义： 2、常见的钢种: 在生产过程中对质量控制无特殊规定的一般用途的非合金钢。 A ：一般用途的碳素结构钢 B ：碳素钢筋钢 C ：铁道用一般碳素钢（轻轨和垫板用碳素钢） 铁轨 D：一般钢板桩型钢 非合金钢的分类 (二) 特殊质量非合金钢 1、定义： 2、常见的钢种 在生产过程中需要特别严格控制质量和性能（例控制淬透性和纯洁度）的非合金钢。 A： 航空、兵器等专用的非合金结构钢 B ：核能用的特殊非合金钢 C： 特殊焊条用的非合金钢 D： 碳素弹簧钢 E ：特殊盘条钢、钢丝 (三)优质非合金钢 1、定义： 2、常见的钢种： 除普通质量非合金钢和特殊质量非合金钢以外的非合金钢（需要特别控制质量）。 A：机械结构用优质碳素钢 B：工程结构用碳素钢 C：造船用碳素钢 D：锅炉和压力容器用碳素钢 E：铁道用优质碳素钢 非合金钢的分类 www.themegallery.com 非合金钢的牌号及用途 一、普通质量非合金钢 Q ××× A F(b) 屈服点 屈服点s的值(Mpa) 质量等级：A、B、C、D 脱氧 方法 沸腾钢 F 半镇静钢 b 镇静钢 Z(省略不写) 特殊镇静钢 TZ （低---------高) 1、牌号 非合金钢的牌号及用途 表示屈服点为275MPa、质量为B级的镇静碳素结构钢。 例： Q235AF 表示屈服点为235MPa、质量为A级的沸腾碳素结构钢。 Q275B 表示屈服点为215MPa、质量为B级的沸腾碳素结构钢。 Q215BF www.themegallery.com 非合金钢的牌号及用途 Q195、 Q215、 Q235 Q255、Q275 一般用于受力不大的零件，如螺钉、螺母、垫圈等。 用于受力中等的零件，如轴、链轮、拉杆等。 2、应用 二、优质非合金钢 ×× Mn (F或b) 表示含碳量0.xx% 表示含Mn量较高，为0.7%-1.20% F沸腾钢，b半镇静钢 1、牌号 非合金钢的牌号及用途 www.themegallery.com ———表示Wc为0.65%、含锰量较高（WMn=0.7%~1.0%)的优质碳素结构钢。 —— 表示平均碳质量分数为0.45%的优质碳素结构钢。 例： 45 ———表示Wc为0.08%的优质碳素结构钢，属沸腾钢。 08F 65Mn 非合金钢的牌号及用途 非合金钢的牌号及用途 2、应用 弹簧钢：弹性件和耐磨件，小尺寸弹簧、低速车轮等弹性和耐磨零件。 调质钢：机床齿轮、机床主轴、曲轴、连杆等负荷大的重要零件。 渗碳钢：冷 冲 压件、焊接件和标准件、渗碳件等耐磨零件。 低碳钢：冷 冲 压件，如汽车和仪表外壳、容器、罩子等薄件。 40 45 50 55 60 65 70 25 30 35 40 45 50 10 20 25 08 10 应 用 牌号 非合金钢的牌号及用途 三、专用优质非合金钢 （一）易切削结构钢 Y ×× 易切削 钢中平均碳的质量分数的万分数,即0. ×× % 例：Y12 表示平均碳质量分数为0.12%的易切削钢。 非合金钢的牌号及用途 （二）锅炉用钢 例： 20g 22g 16Mng 表示平均碳质量分数为0.20%的锅炉用钢。 ×× g 钢中平均碳的质量分数的万分数,即0. ×× %% 锅炉 表示平均碳质量分数为0.22%的锅炉用钢。 表示平均碳质量分数为0.16%,含Mn量较高的锅炉用钢。 非合金钢的牌号及用途 （三）工程用铸造碳钢 ZG X X X - X X X ZG310-570 —— 表示最小屈服点为310MPa、最小抗拉强度为 570MPa的铸造碳钢。 铸钢 最小屈服点 (MPa) 最小抗拉强度 (MPa) 非合金钢的牌号及用途 其他常用优质非合金钢号 名称 符号 位置 举例 钢轨钢 U 头 U20 船用钢 C 尾 35C 桥梁钢 q 尾 20q 矿用钢 K 尾 45K 非合金钢的牌号及用途 四、特殊质量非合金钢(优质碳素工具钢） T ×× A 钢中平均碳的质量分数的千分数 例： T8 表示平均碳质量分数为0.8%的优质碳素工具钢。 碳 高级 T12A 表示平均碳质量分数为1.2%的高级优质碳素工具钢。 注意：数字只有一位时，表示含碳量为0.X% 非合金钢的牌号及用途 T7、T8、 T10、 T12、 T13A 承受振动、冲击的工具，如冲头、大锤、木工工具。 用于需要较高耐磨性和一定韧性的工具，如手工锯条、剪金属用剪刀。 不受振动和冲击的耐磨工具，如丝锥、板牙、锉刀、铰刀、量具等。 特殊质量非合金钢应用 丝锥 板牙 锉刀 量具 合金元素在钢中的作用 合金元素：指为了改善钢的某些性能或使之具有某些特殊性能，在炼钢时有意加入的元素。 一、合金元素在钢中的存在形式及作用 合金元素的存在形式：一种形式是溶入铁素体中形成合金铁素体； 另一种形式是与碳化合形成合金碳化物。 低合金钢与合金钢 低合金钢与合金钢 一、低合金钢和合金钢的分类 (一)低合金钢的分类 低合金钢的分类是按其主要质量等级和主要性能或使用特性分类的。 1．低合金钢按主要质量等级分类 低合金钢按主要质量等级分类，可分为普通质量低合金钢、优质低合金钢和特殊质量低合金钢。 2．低合金钢按主要性能及使用特性分类 低合金钢按主要性能及使用特性分类，可分为可焊接的低合金高强度结构钢、低合金耐候钢、低合金钢筋钢、铁道用低合金钢、矿用低合金钢和其它低合金钢。 (二)合金钢的分类 合金钢的分类是按其主要质量等级和主要性能或使用特性分类的。 1．合金钢按主要质量等级分类：优质合金钢和特殊质量合金钢。 2．合金钢按主要性能及使用特性分类 合金钢按主要性能及使用特性分类，可分为工程结构用合金钢(如一般工程结构用合金钢、合金钢筋钢、高锰耐磨钢等)；机械结构用合金钢(如调质处理合金结构钢、表面硬化合金结构钢、合金弹簧钢等)；不锈、耐蚀和耐热钢(如不锈钢、抗氧化钢和热强钢等)；工具钢(如合金工具钢、高速工具钢)；轴承钢(如高碳铬轴承钢、不锈轴承钢等)；特殊物理性能钢，如软磁钢、永磁钢、无磁钢（如0Cr16Ni14钢）等；其它，如铁道用合金钢等。 低合金钢与合金钢 低合金钢与合金钢 二、低合金钢和合金钢的牌号 (一)低合金高强度结构钢的牌号 低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服强度的汉语拼音首位字母、屈服强度数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）三部分按顺序组成。例如，Q390A表示ReL≥390MPa，质量为A级的低合金高强度结构钢。如果是专用结构钢一般则在低合金高强度结构钢牌号表示方法的基础上附加钢产品的用途符号，如Q345R表示压力容器用钢、Q390G表示锅炉用钢、Q420Q表示桥梁用钢等。 低合金钢与合金钢 1．合金结构钢的牌号 例如，60Si2Mn表示wC =0.60%、 wSi =2%、 wMn＜1.5%的合金结构钢；09Mn2表示wC =0.09%、 wMn 2%的合金结构钢。钢中钒、钛、铝、硼、稀土等合金元素，虽然含量很低，仍然需要在钢中标出，如40MnVB钢、25MnTiBRE钢等。 低合金钢与合金钢 2．合金工具钢的牌号 合金工具钢的牌号编写方法大致与合金结构钢相同，但碳的质量分数的表示方法有所不同。当合金工具钢中wC ＜1.0%时，牌号前的“数字”以千分之几(一位数)表示钢的碳的质量分数；当合金工具钢中wC ≥1.0%时，为了避免与合金结构钢相混淆，牌号前不标出碳的质量分数的数字。例如，9Mn2V表示wC =0.9%， wMn=2%，wV＜1.5%的合金工具钢；CrWMn表示钢中wC ≥1.0%，wCr＜1.5%， wW＜1.5%， wMn＜1.5%的合金工具钢；高速钢的wC =0.7～1.5%，但在高速钢的牌号中不标出碳的质量分数值，如W18Cr4V钢等。 低合金钢与合金钢 3．高碳铬轴承钢的牌号 高碳铬轴承钢牌号前面冠以汉语拼音字母“G”，其后为铬元素符号Cr，铬的质量分数以千分之几表示，其余合金元素与合金结构钢牌号规定相同，如GCr04钢、GCr15钢、GCr15SiMn钢等。 4．不锈钢和耐热钢的牌号 不锈钢和耐热钢的牌号表示方法与合金结构钢基本相同，只是当wC≥0.04%时，推荐取两位小数， 如10Cr17Mn9Ni4N钢；在wC ≤0.03%时，推荐取3位小数，如022Cr17Ni7N钢等。 低合金钢与合金钢 一、低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢的合金元素以锰为主，此外，还有硅、钒、钛、铝、铌、铬、镍、氮、稀土等元素，一般钢中合金元素的总的质量分数不超过3%。 低合金高强度结构钢具有良好的使用价值和经济价值，广泛用于制造桥梁、车辆、船舶、建筑钢筋等。 常用低合金高强度结构有：Q345、Q390、Q420、Q460 Q500、Q550、Q620、Q690。 低合金钢与合金钢 二、低合金耐候钢 我国目前使用的耐候钢分为焊接结构用耐候钢和高耐候性结构钢两大类。 焊接结构用耐候钢的牌号是由“Q+数字+NH”组成。其中“Q”是“屈”字汉语拼音字母的字首，数字表示钢的最低屈服强度数值，字母“NH”是“耐候”二字汉语拼音字母的字首，牌号后缀质量等级代号（C、D、E），如Q355NHC表示ReL≥355MPa，质量等级为C级的焊接结构用耐候钢。焊接结构用耐候钢适用于桥梁、建筑及其他要求耐候性的钢结构。 高耐候性结构钢的牌号是由“Q+数字+GNH”组成。高耐候性结构钢适用于机车车辆、建筑、塔架和其他要求高耐候性的钢结构，并可根据不同需要制成螺栓连接、铆接和焊接结构件。 低合金钢与合金钢 三、低合金专业用钢 汽车用低合金钢是用量较大的专业用钢，它主要用于制造汽车大梁、轮辋、托架及车壳等结构件，如汽车大梁用钢370L钢、420L钢。 低合金钢筋钢主要是指用于制作建筑钢筋结构的钢，如钢筋混凝土用余热处理钢筋（20MnSi钢）和预应力混凝土用热处理钢筋（如40Si2Mn钢、48Si2Mn钢）。 铁道用低合金钢主要有重轨（如U70Mn钢、U71Mn钢、等）、轻轨（如50SiMnP钢、36CuCrP等）和异型钢（09CuPRE钢、09V钢等）。 矿用低合金钢主要用于制作矿用结构件，如高强度圆环链用钢（如20MnV钢、20MnSiV钢等）、巷道支护用钢（如16MnK钢、20MnVK钢等） 合金钢 一、工程结构用合金钢 工程结构用合金钢主要用于制造工程结构，如建筑工程钢筋结构、压力容器、承受冲击的耐磨铸钢件等。工程结构用合金钢按其用途又可分为一般工程用合金钢、压力容器用合金钢、合金钢筋钢、地质石油钻探用钢、高锰耐磨钢等。 常用的高锰耐磨钢有ZGMn13-1、ZGMn13-2、ZGMn13-3、ZGMn13-4和ZGMn13-5等，其中1、2、3、4、5表示品种代号，适用范围分别是低冲击件、普通件、复杂件和高冲击件等。高锰耐磨钢的wC=1.0%～1.3%，wMn=11%～14%。 合金钢 二、常用机械结构用合金钢 机械结构用合金钢属于特殊质量合金钢，机械结构用合金钢按其用途和热处理特点分类，可分为合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和超高强度钢等。 (一)合金渗碳钢 用于制造渗碳零件的合金钢称为合金渗碳钢。合金渗碳钢的wC=0.10%～0.25%，主要加入的合金元素是Cr、Ni、Mn、B、W、Mo、V、Ti等。 常用合金渗碳钢有20Cr 钢、20CrMnTi 钢20MnVB 钢、20CrMnMo 钢等。 合金钢 (二)合金调质钢 合金调质钢是在中碳钢(如30、35、40、45、50钢等)的基础上加入一种或数种合金元素，以提高淬透性和耐回火性，使之在调质处理后具有良好的综合力学性能的合金钢。 合金调质钢的wC=0.25%～0.50%，常加入的合金元素有Mn、Si、Cr、B、Mo等。 合金调质钢常用来制造负荷较大的重要零件，如发动机轴、连杆及传动齿轮等。 常用合金调质钢的牌号有40Cr钢 、40MnB钢 、40CrNi钢 、40CrMnMo钢等。 合金钢 (三)合金弹簧钢 合金弹簧钢是制造重要弹簧和弹性元件的专用合金钢。 合金弹簧钢的wC=0.45%～0.70%，常加入的合金元素有Mn、Si、Cr、V、Mo、W、B等。 弹簧按加工成形方法分类，可分为冷成形弹簧和热成形弹簧。 冷成形弹簧是指弹簧直径小于10mm的弹簧（如钟表弹簧、仪表弹簧、阀门弹簧等）。 热成形弹簧是指弹簧直径大于10mm的弹簧，其热成形后进行淬火和中温回火。热成形弹簧通常采用55Si2Mn钢、60Si2Mn钢、50CrVA钢来制造。 合金钢 三、高碳铬轴承钢 高碳铬轴承钢属于特殊质量合金钢，它主要用于制造滚动轴承的滚动体和内圈、外圈，其次也用于制作量具、模具、低合金刃具等。 高碳铬轴承钢的wC=0.95%～1.10%，钢中wCr=0.4%～1.65%，目的在于增加钢的淬透性，并使碳化物呈均匀而细密状态分布，以提高高碳铬轴承钢的耐磨性。对于大型滚动轴承，还需加入Si、Mn等合金元素进一步提高高碳铬轴承钢的淬透性。最常用的高碳铬轴承钢是GCr15钢、GCr15SiMn等。 合金钢 四、合金工具钢与高速钢 合金工具钢按用途分类，可分为量具刃具用钢、冷作模具钢、热作模具钢等。 (一)制作冷作模具、量具及刃具用的合金工具钢 制作量具及刃具用的合金工具钢主要用于制造金属切削刀具(刃具)、量具和冷冲模等。制作冷作模具、量具及刃具用的合金工具钢的碳的质量分数较高，wC=0.95%～1.10%，主要加入的合金元素有Mn、Si、Cr、V、Mo、W等. 常用的制作量具及刃具用的合金工具钢是9SiCr钢、9Cr2钢、CrWMn钢、Cr2钢和9Mn2V钢等。 常用的制作冷作模具的合金工具钢主要有Cr12MoV钢、Cr12钢、CrWMn钢等。 合金钢 五、不锈钢与耐热钢 （一）不锈钢 不锈钢属于特殊质量合金钢。不锈钢是指以不锈、耐蚀性为主要特性，且铬含量至少为10.5%，碳的质量分数最大不超过1.2%的钢。 按不锈钢使用时的组织特征进行分类，可分为奥氏体型不锈钢（如12Cr18Ni9 钢）、铁素体型不锈钢（如10Cr17 钢）、马氏体型不锈钢（如12Cr13 钢）、奥氏体-铁素体型不锈钢（如022Cr19Ni5Mo3Si2N 钢）和沉淀硬化型不锈钢（如05Cr17Ni4Cu4Nb 钢）五类。 合金钢 （二）耐热钢 耐热钢属于特殊质量合金钢，是指在高温下具有良好的化学稳定性或较高强度的钢。 钢的耐热性包括钢在高温下具有抗氧化性(热稳定性)和高温热强性(蠕变强度)两个方面。 高温抗氧化性是指钢在高温下对氧化作用的抗力；热强性是指钢在高温下对机械载荷作用的抗力。 耐热钢按用途进行分类，可分为抗氧化钢、热强钢和汽阀钢；按金相组织进行分类，可分为奥氏体型、铁素体型、马氏体型、沉淀硬化型和珠光体型耐热钢。 感谢观看 $$