工業用鋼
工業用鋼包括碳素鋼(簡稱碳鋼)和合金鋼兩大類。
在工業用鋼中,除 Fe 和 C 元素外,還含有其他元素,包括雜質元素和合金元素。
雜質元素:泛指鋼冶煉後殘留在鋼中的元素。
合金元素:指為提高鋼的性能特意添加到鋼中的元素。
碳鋼是為 0.0218%~2.11% 的鐵碳合金,具有較好的性能,產量大、價格低,應用十分廣泛,但淬透性、回火抗力差、屈強比低。
合金鋼是在碳鋼的基礦上添加合金元素的鐵基合金,總體性能優於碳鋼,但加工困難、價格昂貴。選材時,如果碳鋼能夠滿足要求,一般不使用合金鋼。
鋼的分類和編號
鋼的分類
按化學成分分類
![](https://file.ursprung.io/5s4sk5r4oz5ibjvcm3.png)
按用途分類
![](https://file.ursprung.io/7t45087hufs37ezbi8.png)
按金相組織分類
![](https://file.ursprung.io/n6uxmj7tcvhyph9cj0.png)
按質量分類
![](https://file.ursprung.io/31byrdryxsqkj2aepu.png)
注: 高級優質鋼在其編號後加註“A” 特級優質鋼在其編號後加註“E”
鋼的編號
普通碳素結構鋼——用“符號 Q+數字”表示
- 例:Q235
- Q 為屈服點的漢語拼音字頭
- 235 表示該鋼的屈服強度值不小於 235MPa
優質碳素結構鋼——用“2 數字”表示
- 例:45
- 45 表示的萬分之幾,即該鋼的平均為 0.45%
合金結構鋼——用“2 數字+元素符號+數字”表示
- 例:36Mn2Si
- 36 表示的萬分之幾,即該鋼的平均為 0.36%
- Mn2 表示該鋼含有錳元素,平均為 2%(百分之幾)
- Si 表示該鋼含有矽元素,平均小於 1.5%
碳素工具鋼——用“T+數字”表示
- 例:T12A
- T 為“碳素工具鋼”的漢語拼音字頭
- 12 表示的千分之幾,即該鋼的平均為 1.2%
- A 表示該鋼為高級優質鋼
合金工具鋼——用“1 數字+元素符號+數字”表示
- 例:9Mn2V
- 9 表示的千分之幾(當>1.0%,則不予標出)
- Mn2 表示該鋼含有錳元素,平均為 2%(百分之幾)
- V 表示該鋼含有釩元素,平均小於 1.5%
滾動軸承鋼——用“G+數字”表示
- 例:GCr15
- G 為“滾動軸承鋼”的漢語拼音字頭
- Cr15 表示該鋼含有鉻元素,平均為 1.5%(Cr 千分之幾,其餘百分之幾)
不銹鋼——用“數字+元素符號+數字”表示
- 例:1Cr18Ni9Ti
- 1 表示平均的千分之幾
- Cr18 表示該鋼含有鉻元素,平均為 18%
- Ni9 表示該鋼含有鎳元素,平均為 9%
- Ti 表示該鋼含有鈦元素,平均小於 1.5%
高速工具鋼——用“元素符號+數字”表示,不標出含碳量
- 例:W18Cr4V
- W18 表示該鋼含有鎢元素,平均為 18%
- Cr4 表示該鋼含有鉻元素,平均為 4%
- V 表示該鋼含有釩元素,平均小於 1.5%
鋼中的雜質及合金元素
雜質元素對鋼性能的影響
錳(Mn)
- Mn 能溶入鐵素體中起固溶強化作用,提高鋼的硬度和強度。
矽(Si)
- Si 能溶入鐵素體中起固溶強化作用,提高鋼的硬度和強度。
硫(S)
- S 通常是有害元素,會引起鋼的“熱脆”。
磷(P)
- P 通常是有害元素,會引起鋼的“冷脆”。
氮(N)
- 過量 N 會使鋼的塑性、韌性顯著降低,出現“時效脆化”。
氧(O)
- 氧通常是有害元素,在鋼中成為非金屬夾雜物而降低鋼的性能。
氫(H)
- 氫是鋼中的有害元素,產生“氫脆”和造成“白點”(微裂紋)。
合金元素在鋼中的作用
合金元素在鋼中的兩種存在形式:溶入鐵素體和形成碳化物。
合金元素對鋼中基本相的影響
溶入鐵素體——非碳化物形成元素
- Ni、Si、Al、Co、Cu、N、B 等非碳化物形成元素主要溶入鐵素體中,起固溶強化作用,提高鋼的硬度和強度。Ni 還能提高鋼的韌性。
形成碳化物——碳化物形成元素
Ti、Zr、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn 等在碳化物形成元素在鋼中與 C 作用形成碳化物。
鋼中的碳化物通常能夠提高鋼的強度、硬度和耐磨性。
碳化物形成元素與碳的親和力的大小:Ti, Zr, V, Nb, W, Mo, Cr, Mn, >Fe 依次減弱
合金元素對鐵碳相圖的影響
鋼中加入合金元素後,Fe-相圖將發生變化,這些元素或者擴大奧氏體區域,或者縮小奧氏體區域。
擴大奧氏體區的元素
- Ni、Mn、C、N 等元素擴大奧氏體區域,使和溫度降低、S 點和 E 點向左下方移動。
縮小奧氏體區的元素
- Cr、Mo、Si、W 等元素縮小奧氏體區域,使和溫度升高、S 點和 E 點向左上方移動。
![Mn 的占比對γ區的影響](https://file.ursprung.io/wqgvtiwpohi7xqed1n.jpg)
Mn 的占比對γ區的影響
![Cr 的占比對γ區的影響](https://file.ursprung.io/z2a855rd7px2afupjc.jpg)
Cr 的占比對γ區的影響
合金元素對鋼的熱處理的影響
對奧氏體化的影響
除 Ni、Co 外,大多數合金元素都延緩鋼的奧氏體化過程。
它們阻礙 C 和 Me 的擴散,因此合金鋼的 A 化溫度較高、時間較長。
對奧氏體晶粒度的影響
除 Mn 外,幾乎所有合金元素都細化晶粒。
尤其以碳化物形成元素的細化晶粒效果最顯著,它們形成的碳化物分布在 A 中時,能夠阻礙晶界的遷移,從而阻止晶粒長大。
對鋼的淬透性的影響
- 除 Co 外,大多數合金元素只要溶入奧氏體中,都提高淬透性。
對鋼的回火穩定性的影響
回火穩定性:淬火鋼在回火過程中抵抗硬度下降的能力。又稱回火抗力。
大多數合金元素因為能夠阻礙 M 的分解,從而提高回火抗力。
鋼結構
工程組件用鋼
工程組件用鋼是國防、化工、石油、電站、車輛、船舶、橋梁、建築等國民經濟部門製造各種重要組件的金屬材料。
工程組件用鋼的性能要求
- 高的彈性極限和高的剛度,低的屈強比。
- 良好的焊接性和冷變形性。
- 良好的耐大氣、水腐蝕性。
工程組件用鋼的成分特點
低含碳量:<0.25%。
含微量合金元素:V、Ti、Nb、Zr、Ca、RE(稀土元素)等。
工程組件用鋼分類
普通碳素結構鋼
- 化學成分特點:低碳:0.10~0.20%
- 典型鋼號:Q235
- 熱處理特點:一般不進行熱處理強化,只保證力學性能和工藝性能
- 使用狀態:熱軋態,組織:F+P(少量)
- 應用:建築鋼筋
低合金高強度鋼(普通低合金結構鋼)
- 化學成分特點:低碳:0.10~0.20%,錳含量:1.2~1.6%
- 典型鋼號:16Mn
- 相當於是在 Q235 的基礦上多添加了 0.6~0.8% 的 Mn
- 熱處理特點——一般不進行熱處理強化,只保證力學性能和工藝性能
- 使用狀態:熱軋態或正火態,組織:F+P(少量)。
- 應用:橋梁鋼構、船用鋼板等。
機器零件用鋼
機器零件用鋼是製造各種機器零件,如齒輪、軸、彈簧、軸承等的金屬材料。
機器零件用鋼的性能要求
- 高的強度和塑性、韌性。
- 良好的疲勞強度、耐磨性。
- 良好的切削加工性能和熱處理性能。
機器零件用鋼的成分特點
除 C 元素外,通常含有能夠提高淬透性和細化晶粒的合金元素:Cr、Ni、Mn、Si、Mo、Ti、V、W 等。
機器零件用鋼分類
滲碳鋼
- 化學成分特點:低碳:0.1~0.25%;合金元素:Cr、Mn、Ni、Mo、Ti、W、V、B 等。
- 滲碳後,表層為 1.0% 左右的高碳成分,保證高硬度、高耐磨性;心部保持原始成分,熱處理後具有良好的韌性和足夠的強度。
- 典型鋼號:20CrMnTi
- 在 20 號鋼的基礎上,通過添加合金元素 Cr、Mn、Ti 而形成
- 熱處理特點:滲碳()→ 淬火()→ 低溫回火(,2h)。
- 組織和性能
- 表層:高碳,硬度:HRC56~62。
- 心部:低碳(淬透時),硬度:HRC30~45。
- 應用:重載齒輪、凸輪、活塞銷等。
調質鋼
- 化學成分特點:中碳:0.30~0.50%;合金元素:Cr、Ni、Mn、Mo、W、V、Ti、B 等。熱處理後可滿足綜合力學性能的要求。
- 典型鋼號:40Cr
- 在 40 號鋼的基礎上,通過添加合金元素 Cr 而形成
- 熱處理特點:調質處理:淬火()→ 高溫回火()。
- 組織:,硬度:HRC25~35。
- 應用:各種軸類零件、汽車後橋半軸、連桿、螺栓等。
彈簧鋼
- 化學成分特點:中、高碳:0.45~0.70%;合金元素:Si、Mn、Cr、V 等。
- 典型鋼號:
- 熱成形彈簧(彈簧用鋼的尺寸較大):60Si2Mn(在 60 號鋼的基礎上,通過添加合金元素 Si、Mn 等元素而形成)
- 冷成形彈簧(彈簧用鋼絲的直徑一般小於 10mm):50CrVA。
- 熱處理特點
- 熱成形彈簧:淬火()→ 中溫回火()。
- 冷成形彈簧:卷繞→ 去應力退火()。
- 組織:,硬度:HRC35~45。
- 應用:
- 60Si2Mn —— 汽車減振板彈簧、懸擺彈簧。
- 50CrVA —— 汽車發動機氣閥彈簧。
滾動軸承鋼
- 化學成分特點:高碳:0.95~1.15%;合金元素:Cr(主要)、Si、Mn 等。
- 典型鋼號:GCr15
- 熱處理特點:
- 預備熱處理:球化退火,以降低硬度,改善切削加工性,並獲得 P 粒。
- 最終熱處理:淬火(840°C)→ 低溫回火(150~160°C)。
- 組織:硬度:>HRC61。
- 應用:滾動軸承的滾珠、軸承套等。
工具鋼
刃具鋼
刃具鋼是製造各種車刀、銑刀、鑽頭等切削工具的金屬材料。
刃具鋼的性能要求
- 高的硬度和耐磨性。HRC>60。
高的熱硬性(紅硬性)。
- 熱硬性:刃具在高溫下保持高硬度的能力。
足夠的塑性和韌性。
刃具鋼的成分特點
高碳:以保證高的硬度,並形成足夠多的碳化物以提高耐磨性。
合金元素:
- 提高淬透性的元素 Cr、Ni、Mn、Si 等;
- 提高熱硬性的元素 W、Mo、V、Co 等。
刃具鋼分類
碳素工具鋼
化學成分特點
- 高碳:0.65~1.35%。
- 高的含碳量保證高硬度及形成足夠的碳化物,提高耐磨性。
- 高碳:0.65~1.35%。
典型鋼號
- T7、T8、T10、T12。
熱處理特點:
- 預備熱處理:
- 球化退火(T8、T10、T12);
- 完全退火(T7)。
- 最終熱處理:淬火(780°C)→ 低溫回火(180°C)(除 T7 外,溫度以上)。
- 預備熱處理:
組織和性能:
- 組織:
- 硬度:>HRC60。
應用:
- T7、T8 —— 木工工具、刃具(切削軟金屬)及錘子、沖頭等沖擊負荷工具。
- T9~T11 —— 手用鋸條、要求不高的刀具、鑽頭等。
- T12、T13 —— 耐磨性最高,韌性最低,銼刀、量具等。
低合金工具鋼
化學成分特點
- 高碳:0.75~1.5%;合金元素:Cr、Mn、Si、W、V 等。
- 高的含碳量保證高硬度及形成足夠的碳化物,提高耐磨性和熱硬性。
- 高碳:0.75~1.5%;合金元素:Cr、Mn、Si、W、V 等。
典型鋼號
- 9SiCr
熱處理特點
- 預備熱處理:球化退火
- 最終熱處理:淬火(830~860°C)→ 低溫回火(180~200°C)。
組織和性能
- 組織:
- 硬度:HRC61~63。
應用
- 丝錐、板牙、鑽頭、鉸刀等。
高速鋼
在高速切削過程中,刀具的刃部溫度可達 600℃以上,低合金鋼刃具已不能滿足這種要求。
化學成分特點
- 高碳:0.70~1.6%;合金元素:W、Mo、Cr、V、Co 等。
- 高的含碳量形成足夠的碳化物,保證淬硬性;W 提高熱硬性。
- 高碳:0.70~1.6%;合金元素:W、Mo、Cr、V、Co 等。
典型鋼號
- W18Cr4V
熱處理特點
- 鍛造(使大塊的碳化物破碎)→ 等溫退火(等同於球化退火)→ 淬火(1280°C)→ 回火(560°C,3 次)(消除 A',得 M,消除二次應力)。
組織和性能
- 組織:
- 硬度:>HRC62。
應用
- 高速車刀、拉刀、鑽頭等。
![W18Cr4V 鋼的鑄態組織(組織中含有大量“魚骨”狀碳化物)](https://file.ursprung.io/4uxjnyvp7ewociwsg7.jpg)
W18Cr4V 鋼的鑄態組織(組織中含有大量“魚骨”狀碳化物)
![W18Cr4V 鋼的退火組織(碳化物基本上呈顆粒狀)](https://file.ursprung.io/pvmazxs6apghgc4zeb.jpg)
W18Cr4V 鋼的退火組織(碳化物基本上呈顆粒狀)
![W18Cr4V 鋼的淬火組織 (M+k+A')](https://file.ursprung.io/mruz5if94lmfbkuink.jpg)
W18Cr4V 鋼的淬火組織 (M+k+A')
![W18Cr4V 鋼的回火組織 (M 回+k+A'(少量))](https://file.ursprung.io/w3qev3ia55yckz1d2c.jpg)
W18Cr4V 鋼的回火組織 (M 回+k+A'(少量))
模具鋼
模具鋼是製造各種衝模、擠壓模、鍛模等模具的金屬材料。
根據模具的工作條件,模具鋼分為冷作模具鋼和熱作模具鋼兩類。
模具鋼的性能要求
保持尺寸精度(或尺寸穩定性)是量具最基本的性能要求。
高的硬度和耐磨性。HRC58~60。
高的組織穩定性。儘量減少殘余奧氏體量。
良好的耐腐蝕性。
模具鋼的成分特點
冷作模具鋼
- 高碳:以保證高的硬度,並形成足夠多的碳化物以提高耐磨性。
- 合金元素:Cr、Mo、V、W 等,提高淬透性、細化晶粒。
熱作模具鋼
- 中碳:以保證良好的綜合力學性能。
- 合金元素:Cr、Ni、Mn、W、Mo、V 等。
- Cr、Ni、Mn、Mo 提高淬透性;
- Cr、Mo 提高回火抗力;
- Cr、W、Mo 縮小區,提高溫度,提高抗冷熱蠕變性能。
模具鋼分類
冷作模具鋼(在冷態下變形的模具)
化學成分特點
- 高碳:1.4~2.3%;合金元素:Cr、Mo、V、W 等。
- 高的含碳量保證形成足夠的碳化物,提高硬度及耐磨性。
- 高碳:1.4~2.3%;合金元素:Cr、Mo、V、W 等。
典型鋼號
- 碳素工具鋼、低合金工具鋼、高碳高鉻的 Cr12 型模具鋼。
- Cr12MoV(Cr12 型模具鋼)
- 碳素工具鋼、低合金工具鋼、高碳高鉻的 Cr12 型模具鋼。
熱處理特點
- 預備熱處理:球化退火(850~870°C)
- 最終熱處理:淬火(980~1030°C)→ 低溫回火(160~180°C)。
組織和性能
- 組織:
- 硬度:HRC61~63。
應用
- 冷沖模、冷擠壓模、拉絲模等。
量具鋼
量具鋼是製造計量工件尺寸的工具的金屬材料。
量具鋼的性能要求
保持尺寸精度(或尺寸穩定性)是量具最基本的性能要求。
高的硬度和耐磨性。HRC58~64。
高的組織穩定性。盡量減少殘余奧氏體量。
良好的耐腐蝕性。
量具鋼的成分特點
高碳:以保證高的硬度,並形成足夠多的碳化物以提高耐磨性。
合金元素:Cr、Mn、W 等,提高淬透性、耐磨性。
量具鋼分類
量具鋼
化學成分特點
- 高碳:0.9~1.5%;合金元素:Cr、Mn、W 等。
- 高的含碳量保證形成足夠的合金碳化物提高硬度及耐磨性。
- 高碳:0.9~1.5%;合金元素:Cr、Mn、W 等。
典型鋼號
- 低合金工具鋼:CrWMn、GCr15
- 碳素工具鋼:T10、T12
熱處理特點
- 球化退火→淬火→冷處理 (淬火後繼續冷至-70~-80°C,減少 A')→長時間低溫回火(提高鋼的組織穩定性)→人工時效 (低溫回火後在 120~130°C 長時間保溫,進一步穩定尺寸)
組織和性能
- 組織:
- 硬度:HRC58~64。
應用
- 游標卡尺、千分尺、直尺、塞尺、塊規等。
特殊鋼
不鏽鋼
不鏽鋼是能抵抗大氣或酸等化學介質腐蝕的鋼種。
不鏽鋼又稱不銹耐酸鋼。
金屬腐蝕的形式:
化學腐蝕
- 是金屬與介質直接發生化學作用的結果,如氧化。
電化學腐蝕
- 是金屬在電解質中由於形成原電池而引起的腐蝕。
電化學腐蝕是金屬腐蝕的主要形式。
合金中的原電池
在合金中,由於組成合金的相不同,而不同相的電極電位有高有低,因此就會形成無數個原電池。
例如:鋼中的珠光體,由 F 和組成,F 的電極電位低,為陽極,的電極電位高,為陰極,如果鋼的表面覆蓋了酸性介質(如酸雨),則作為陽極的 F(鋼的基體)就會被腐蝕掉,從而造成鋼的腐蝕。
防止金屬電化學腐蝕的措施
- 室溫下獲得單相組織
- 例如:加入>24%Ni,室溫下可獲得單相奧氏體組織。
- 提高金屬基體的電極電位
- 例如:加入>13%Cr,F 的電極電位從-0.56V 跃增至 0.2V。
- 金屬表面形成鈍化膜
- 例如:加入 Cr、Al、Si 可在金屬的表面形成致密的氧化膜,將金屬與介質分隔開。
不銹鋼分類
馬氏體不銹鋼
化學成分特點
- 碳含量:0.1~0.45%;鉻含量:12~14%(提高 F)
典型鋼號
- Cr13 型:1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13
- 隨 C%的增加,強度、硬度增大,但耐腐蝕性降低。
- Cr13 型:1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13
熱處理特點及組織
- 預備熱處理:完全退火或高溫回火。
- 最終熱處理:淬火(1000~1100°C)→ 回火。
- 對 1Cr13、2Cr13:高溫回火(600~700°C),組織:。
- 對 3Cr13、4Cr13:低溫回火(200~300°C),組織:。
應用
- 1Cr13、2Cr13:汽輪機葉片、水壓機閥、鍋爐管附件等耐蝕結構鋼。
- 3Cr13、4Cr13:醫用手術刀、耐蝕彈簧等耐蝕工具鋼。
鐵素體不銹鋼
化學成分特點
- 高鉻低碳:碳含量:<0.15,鉻含量:12~30%。
典型鋼號
- Cr17 型:1Cr17
- 隨 Cr%的增加,基體電極電位提高,並在室溫獲得單相 F。
- Cr17 型:1Cr17
熱處理特點及組織
- 鐵素體不銹鋼在加熱、冷卻時不發生組織轉變,組織始終為 F,因此不能通過熱處理進行強化。
- 鐵素體不銹鋼可採用冷塑性變形,通過加工硬化提高強度。
應用
- 硝酸、氮肥、磷酸工業中的耐蝕零件(強度低)。
奧氏體不銹鋼
化學成分特點
- 低碳:<0.15%;合金元素:Cr%:18%、Ni%:8~11% (Ni 擴大奧氏體區域,室溫下就能得到亞穩的單相奧氏體)。
典型鋼號
- 18-8 型:1Cr18Ni9Ti
- Ti 的作用:防止晶間腐蝕
- 18-8 型:1Cr18Ni9Ti
熱處理特點及組織
- 固溶處理:1050~1150°C 水冷。獲得單相 A。
- 穩定化處理:850~900°C、2~4h 空冷。形成 TiC,防止晶界形成 Cr23C6,晶界貧 Cr 引起晶間腐蝕。
- 去應力處理:300~350°C。
應用
- 應用廣泛,主要用於製造各類耐蝕的結構零件,如硝酸槽等。
晶間腐蝕
沿晶界發生的腐蝕稱為晶間腐蝕。
產生晶間腐蝕的原因(晶界貧鉻理論)
Cr 的碳化物 Cr23C6 沿晶界析出,導致晶界附近基體貧鉻(即降低),使耐蝕性顯著下降。
防止晶間腐蝕的措施
- 加入 Ti Ti 與 C 的親和力遠大於 Cr 與 C 的親和力,Ti 將優先與 C 形成 TiC,從而可避免 Cr23C6 的形成,從而防止晶間腐蝕。
- 降低 降低可減少 Cr23C6 的形成。
耐熱鋼
耐熱鋼是指在高溫下具有一定強度和抗氧化、耐腐蝕能力的鋼種。
耐熱性的兩層涵義
- 熱穩定性
表現為金屬在高溫下的抗氧化能力,即高溫抗氧化性。
- 熱強性
表現為金屬在高溫下具有高的強度,即高溫強度。
蠕變
金屬在高溫下工作時,隨時間的延長發生極其緩慢的塑性變形的現象。
蠕變發生時,工作應力小於金屬的屈服強度,這在常溫下是不可能發生塑性變形的。
耐熱鋼種類
珠光體耐熱鋼
- 典型鋼號:12Cr1MoV,工作溫度:350~550°C
- 熱處理:正火(950~1050°C)→ 高溫回火(600~750°C)。
- 組織:P+F
- 應用:鍋爐管等。
馬氏體耐熱鋼
- 典型鋼號:1Cr13、2Cr13,工作溫度:550~600°C
- 熱處理:淬火(>1000°C)→ 高溫回火(600~700°C)。
- 組織:
- 應用:內燃機葉片、排氣閥等。
奧氏體耐熱鋼
- 典型鋼號:1Cr18Ni9Ti,工作溫度:600~700°C
- 熱處理:固溶處理(1050~1150°C 水冷)。
- 組織:A
- 應用:汽輪機葉片、內燃機排氣閥等。