碳鋼合金鋼教材

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3.1.1碳鋼的成分和分類3.1.2

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

→固溶強化S→熱脆P→冷脆O、N、H→強度、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）按質量分（S、P含量）——普通碳素鋼；優(yōu)質碳素鋼；高級優(yōu)質碳素鋼。3）按用途分——碳素結構鋼、碳素工具鋼。3.1.2碳鋼的牌號及用途1．碳素結構鋼2．優(yōu)質碳素結構鋼3．碳素工具鋼1．碳素結構鋼

牌號——如Q215B，表示

s

≥215MPa（厚度≤16mm），B級質量。表3-1碳素結構鋼的牌號和化學成分(GB/T700-1988)牌號等級化學成分脫氧方法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標準GB700-79標準化學成分和力學性能均須保證A類鋼——保證力學性能，B類鋼——保證化學成分，C類鋼——保證化學成分及力學性能。Q195A1；B1Q215A2；C2Q235A3；C3Q255A4；C4Q275C5碳素結構鋼新、老標準鋼號對照表3-2碳素結構鋼的機械性能(GB/T700-1988)牌號等級拉伸試驗沖擊試驗屈服點

s

，MPa抗拉

強度

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、螺紋鋼建筑構件鋼橋梁2．優(yōu)質碳素結構鋼牌號——如45鋼，含C量為45/10000=0.45%。表3-4優(yōu)質碳素鋼的化學成分和性能鋼號化學成分，%

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，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合金結構鋼

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）

合金結構鋼——低合金結構鋼、滲C鋼、調質鋼、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.合金鋼的編號結構鋼——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，滾動軸承鋼GCr15，w(C)=1.0%，w(Cr)=1.5%高級優(yōu)質鋼——如，20Cr2Ni4A3.2.2合金結構鋼1．低合金結構鋼2．滲碳鋼3．調質鋼4．彈簧鋼5．滾動軸承鋼1．低合金結構鋼鋼號舊鋼號主要化學成分，%機械性能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常用低合金結構鋼的牌號、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——強度、韌性高，焊接、冷成形性能好。(摘自GB/T1591-1994)熱處理、組織——熱軋空冷，S＋F高壓容器橋梁船舶車輛應用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,細化晶粒。性能——滲層硬度高，耐磨，抗接觸疲勞；心部韌性高、強度大。滲C鋼的牌號（摘自GB/T3077-1999）（滲C:930℃，回火：200℃）p172主要化學成分,%預備處理／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．調質鋼成分——w(C)=0.25～0.50%，合金元素消除回火脆性,提高回火抗力,強化F。性能——綜合機械性能高調質鋼的牌號（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，如汽輪機主軸和葉輪。

調質，可附加表面淬火或氮化(38CrMoAl)。

汽車曲軸4．彈簧鋼成分——w(C)=0.45～0.70%，Si,Mn為主要元素，提高屈強比。性能——σe

、σs、屈強比和疲勞抗力高，塑性大，耐震動、沖擊。鋼號主

要

成

分,%淬火

油

℃回火

℃機械性能

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用

65Mn、60Si2Mn：汽車，拖拉機，機車的板簧和螺旋彈簧。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→去應力→噴丸組織——回火T5．滾動軸承鋼成分——w(C)=0.95～1.10%，主加元素是Cr，形成細小的碳化物。性能——高接觸疲勞強度、高硬度和耐磨性，韌性、淬透性好。鋼號主要化學成分，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，時效（120～140℃,10～20h）：穩(wěn)定尺寸，去應力。組織——回火M＋細碳化物＋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——機加工刀具HRC＞60高耐磨性——刀具壽命和生產率↑

組織要求——硬而細小的碳化物，均勻分布在強而韌的鋼基體中。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。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（+機加工）+淬火+低溫回火最終組織——回火M+合金碳化物+少量A'應用

——如9SiCr，做板牙、絲錐等。板牙絲錐（３）高速鋼成分——w(C)=0.7~1.2%，合金元素＞10%。性能

高硬度、耐磨性——VC等彌散硬化

高熱硬性——600℃時HRC≈62，W2C等提高熱硬性。

高淬透性——尺寸不大時可空冷淬火，Cr等元素提高淬透性。鋼號主要化學成分，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（+機加工）

→淬火+回火鍛造目的——成型；使鑄態(tài)粗大碳化物破碎、細化、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，二次淬火基本消除A'。應用

——高速車刀、鉆頭、銑刀等。刃具鋼熱硬性比較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。應用小型模具——9Mn2V、9SiCr、CrWMn等。

大型模具——Cr12、Cr12MoV等，熱處理變形小。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。應用

中小型模具——5CrMnMo等。

大型模具——3Cr2W8V等，淬透性好。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+時效處理

時效處理：120～130℃，保溫幾～幾十小時，使M、A'穩(wěn)定，消除內應力。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。加入Cr，降低兩相的電極電位差。加入Cr、Al等，生成致密的表面氧化膜。常用不銹鋼F型——如1Cr17，化工設備、食品工業(yè)。M型——如1Cr13用于汽輪機葉片；3Cr13做手術器具及刀具。A型——如1Cr18Ni9Ti用于化工、食品、醫(yī)療行業(yè)。不銹鋼的成分、熱處理、性能鋼號主

要

化

學

成

分,%淬火

℃回火

℃CCrNiTi類別機械性能

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60035020２.耐熱鋼抗氧化性：金屬在高溫下的抗氧化能力熱強性：熱強性是指鋼在高溫下的強度用途：鍋爐、燃氣輪機等類別鋼號主

要

化

學

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水機械性能

bMPa

sMPa540345490685520205

5

%2040HB159159187３.耐磨鋼ZGMn13熱處理：1000℃～1100℃，保溫，水冷→A，硬度低，韌性高。性能：工件在工作中受到?jīng)_擊變形時，表層產生加工硬化，及M轉變，硬度顯著提高，心部保持高韌性。用途：履帶、鐵道岔道小結重點要求1.合金鋼的編號方法，會辯認各種鋼號；2.合金結構鋼的成分，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)3a作業(yè)2f參考答案

P9-112.27)除（）、（）外，幾乎所有的合金元素