6章 结构钢 6.1 程结构钢 n 工程结构钢是指专门用来制造工程结构件的一大 类钢种。它广泛用于国防、化工、石油、电站、 车辆、造船等领域，如桥梁、船舶、屋架、锅炉 及压力容器等。在钢总产量中，工程结构钢占 90%。 6.1.1 工程结构钢的性能要求 n 弹性模量大，以保证构件有更好的刚度； n 有足够的抗塑性变形及抗破断的能力，即σ 和 s σ较高，而δ和ψ较好； b n 缺口敏感性及冷脆倾向性较小等。 n 具有一定的耐大气腐蚀及海水腐蚀性能。 n 除此之外，工程结构钢还必须保证良好的加工工 艺 （良好的冷变形性和可焊性）性能。 6.1.2 工程结构钢的化学成分特点 ① 低碳。保证良好的塑性、韧性和焊接性 ② 主加合金元素主要是Mn。Mn的点阵类型和原子尺 寸与α-Fe相差较大，因而Mn的固溶强化效果较 大。 ③ 辅加合金元素Al、V、Ti、Nb等 ④ 应加入一定量的Cu和P，以改善腐蚀性能 ⑤ 加入微量稀土元素可以脱硫去气，净化钢材，并 改善夹杂物的形态与分布 6.1.3 碳素结构钢 n 这类钢大部分用作钢结构，少量用作机器零件。 由于其易于冶炼，工艺性能好，价格低廉，在力 学性能上一般能 足普通工程构件及机器零件的 要求，所以工程上用量很大，约占钢总产量的70 ％~80 ％。它通常均轧制成钢板或各种型材供应， 一般不经热处理强化。 n 根据国标GB700-88，将碳素结构钢分为Q195、 Q215、Q235、Q255、Q275等五类。 碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能和用途 6.1.4 低合金结构钢 n 低合金结构钢又称低合金高强度结构钢，它是在 碳素结构钢的基础上，加入少量合金元素（一般 w 3% ）发展起来的具有较高强度的工程结构钢。 Me 这类钢比碳素结构钢的强度提高20 ％-30 ％以上， 节约钢材20 ％以上，从而可减轻构件自重量、提 高使用可靠性等，目前已广泛用于建筑、石油、 化工、铁道、造船等许多部门。 低合金高强度结构钢的化学成分和力学性能 低合金高强度结构钢的特性及用途 牌号 主要用途 特性 GB/T1591-1994 GB1591-88 Q295 09MnV、 钢中只有极少量的合金 主要适用于制造汽车、机 09MnNb、09Mn2、元素，强度不高，但有 车车辆，建筑结构、桥梁、 12Mn 良好的塑性，冷弯，焊 船舶、油罐、容器、冷变 接及耐蚀性能 形钢、低温用钢、冲压件 等 Q345 12MnV、 钢的强度较高，具有良 用于建筑结构，桥梁、压 14MnNb、16Mn、好的综合性能和焊接性 力容器、化工容器、重型 16MnRE、18Nb 能 机械、车辆、锅炉等 Q390 15MnV、15MnTi、钢中加入V 、Nb 、Ti 使 适用于制造中高压锅炉， 16MnNb 晶粒细化，提高强度。 高压容器、车辆、起重机 具有良好的力学性能， 械设备、汽车、大型焊接 工艺性能和焊接性能 结构等 Q420 15MnVN、 具有良好的综合性能和 适用于制造大吨位船舶， 14MnVTiRE 焊接性能 高压容器，桥梁、电站设 备等 Q460 强度高，在正火、正火 适用于制造各种大型工程 回火或淬火加回火的状 结构及要求强度高，载荷 态下有很高的综合力学 大的轻型结构中的部件 性能 6.1.4 提高低合金结构钢性能的途径 n 1.发展微合金化低碳高强度钢 n 微合金化高强度钢成分特点是低碳，高锰并加入微量合金元素V、Ti、 Nb、Zr、Cr、Ni、Mo及稀土元素等。常用C质量分数为0.12 ％-0.14 ％，甚至降至0.03 ％-0.05 ％，降低碳含量主要为了保证塑性、韧性 和可焊性等。 n 微量合金元素复合（0.01 ％-0.1 ％之间)加入对钢的组织、性能的影 响主要表现在：改变钢的相变温度、相变时间，从而影响相变产物的 组织和性能；细晶强化；沉淀强化；改变钢中夹杂物的形态、大小、 数量和分布；可严格控制珠光体的体积分数，从而获得少珠光体钢、 无珠光体钢(如针状铁素体)乃至无间隙固溶钢等新型微合金化钢种。 但是必须与控制轧制、控制冷却和控制沉淀相结合，才能发 其强韧 化作用。 2. 发展新型低合金高强度钢 n （1 ）低碳贝氏体型钢 其主要特点是使大截面的构件在热轧空冷 （正火）条件下，能获得单一的贝氏体组织。这些钢种主要用于锅 炉和石油工业中的中温压力容器。 n （2 ）低碳索氏体型钢 采用低碳低合金钢淬火得到低碳M，然后进 行高温回火以获得低碳回火索氏体组织，从而保证钢具有良好的综 合力学性能和焊接性能。我国在发展这类钢中也做了不少工作，并 成功地应用于导弹、火箭等国防工业中。 n （3 ）针状铁素体型钢 此类钢合金化的主要特点是：采用低C （w(C) ＝0.04 ％-0.08 ％)；主要用Mn、Mo、Nb进行合金化；对V、Si、N及S 含量加以适当限制。通过控制轧制后冷却时形成非平衡的针状铁素 体提供大量位错亚结构，为以后碳化物的弥散析出创造条件；利用 Nb (C、N)为强化相，使之在轧制后冷却过程中从铁素体中弥散析出 以造成弥散强化；采用控制轧制细化晶粒等。 6.2 渗碳钢 n 渗碳钢通常是指经渗碳淬火、低温回火处理后使 用的钢种，它一般为低碳的优质碳素结构钢与合 金钢。 变速齿轮 6.2.1 渗碳钢组织性能的特点 n 经渗碳后，齿轮具有从表面至心部由高碳(wc0.8 ％-1.1％) 至低碳(wc0.10 ％-0.25 ％)连续过渡的化学成分，经淬火 及低温回火后，表面组织为回火马氏体和细粒状碳化物及 少量残余奥氏体，具有高硬度、高耐磨性和高接触疲劳强 度。齿轮的心部仍为低碳成分、其组织为低碳马氏体(淬 透的条件下)或低碳马氏体加铁素体(未淬透)，具有较高 的强韧性。此外，在表层形成有利的残余压应力，这将显 著提高钢的弯曲疲劳强度，提高齿轮的疲劳寿命。 6.2.2 渗碳钢的化学成分特点 n （1 ）低碳，碳含量在0.12%-0.25%范围内，以保证工件心 部有足够的塑性和韧性。但含碳量过低，心部强度难以保 证，表面渗层容易剥落；含碳量过高，心部的塑性和韧性 降低，表层压应力减小，弯曲疲劳强度下降。 n （2 ）加入合金元素Cr、Mn、Ni、Si、B等以提高淬透性。 Ni对渗碳层和心部的韧性非常有利。 n （3 ）加入少量阻碍奥氏体晶粒长大的合金元素。由于通 常的渗碳温度高达930℃左右，对于用Mn、Si脱氧的钢， 奥氏体晶粒会发生急剧长大。常加入少量强碳化物形成元 素V、Ti、Mo、W等阻止奥氏体的晶粒长大，同时还可增加 渗碳层硬度，进一 提高耐磨性。 6.2.3 典型渗碳钢及其应用 1．低淬透性渗碳钢 n 这类钢水淬临界直径为20-35 mm ，其抗拉强度通常为 σb=800-1000MPa。典型钢种是15、20、20Cr、20Mn2等。 2．中淬透性渗碳钢 n 这类钢油淬临界直径为25-60 mm ，其抗拉强度通常为 σb=1000-1200 MPa 。典型钢种是20CrMnTi、20Mn2TiB、 20MnVB、20SiMnVB等。 3．高淬透性合金渗碳钢 n 这类钢油淬临界直径约为100 mm以上,其抗拉强度通常为 σb ＞1200 MPa。典型钢种是12Cr2Ni4A 、15CrMn2SiMo 、 18Cr2Ni4WA 、20Cr2Ni4A等。 6.2.4 渗碳钢的热处理特点 n 渗碳、淬火、低温回火 n 现以20CrMnTi钢为例，分析其制作汽车变速齿轮时热处理 工艺在加工路线上的安排。热处理工艺曲线CrMnTi钢齿轮的热处理工艺曲线CrMnTi钢制造汽车变速齿轮的加工工艺路线是：锻造 正火 加工齿形 局部镀铜 渗碳 预冷淬火、低温回 火 喷丸 精磨。 n 齿轮毛坯锻造后正火，目的是降低锻造应力、细化晶粒、 均匀化学成分、改善切削加工性能。正火后硬度为170- 210HBS，削加工性能良好。 n 20CrMnTi钢的渗碳温度为920℃左右，经渗碳预冷到840- 860℃直接油淬。预冷的目的是减少淬火时残余奥氏体的 量，防止淬火后的变形。预冷淬火后表层为细针状马氏体 +残余奥氏体+碳化物，心部组织为低碳马氏体。淬火后经 200℃低温回火，表面层具有很高的硬度 （58-60HRC ）和 耐磨性，心部具有高强度和足够的冲击韧性。 n 淬火回火后采用喷丸处理，可进一 提高表面的疲劳强度。 6.3 调质钢 n 调质钢一般是指经调质处理 （淬火加高温回火） 后使用的中碳钢或中碳合金钢。 连 杆 轴 6.3.1 调质钢组织性能的特点 n 调质钢经调质 （淬火和高温回火）后得到回火索氏体组 织，回火索氏体组织有以下特点： （1 ）因在铁素体基体上均匀分布的粒状碳化物的弥散强化 作用与溶入基体中的碳和合金元素的固溶强化作用，钢具 有较高的屈服强度和疲劳强度。 （2 ）因组织均匀，减小了裂纹在局部薄弱区域形成的可能 性，使钢的塑性和韧性良好。 （3 ）因淬火马氏体转变而来的铁素体晶粒细小，钢的塑 转变温度低。 6.3.2 调质钢的化学成分特点 n （1 ）中碳，碳含量一般在0.3%-0.5%范围内，以0.4%居多。 n （2 ）加入Cr、Mn、Si、Ni、B等合金元素以提高淬透性。 n （3 ）加入少量抑制回火 性的合金元素。通常在这类钢 中加入Mo、W来防止回火 性。 6.3.3 典型调质钢及其应用 1．低淬透性调质钢 40、45等碳素钢水淬临界直径为8-17 mm，而40Cr、 40CrV、40MnB、40MnVB等合金钢油淬临界直径为20-40 mm ， 最典型的是40Cr，可用于制造一般尺寸的重要零件。 2．中淬透性调质钢 油淬临界直径为40-60 mm ，典型牌号有40CrMn、40CrNi、 35CrMo、38CrMoAl等。常用于制造截面较大、承受较高载荷 的机器零件，如曲轴、连杆等。 3．高淬透性调质钢 油淬临界直径为60-100 mm ，典型牌号有40CrMnMo、 40CrNiMoA、25Cr2Ni4WA等。主要用于制造大截面、重载荷的 重要机器零件，如汽轮机、叶轮、航空发动机曲轴等。 6.3.4 调质钢的热处理特点 n 现以40Cr钢制作拖拉机连杆螺栓为例，说明热处理工艺 的选用和在加工路线上的安排。 拖拉机连杆螺栓 n 连杆螺栓的加工工艺路线是：锻造 退火 （或正火） 机 械加工 （粗加工） 调质处理 机械加工 （精加工） 装 配。 n 退火 （或正火）作为预先热处理，其重要目的是为了改善 锻造组织，细化晶粒、改善切削加工性能。 n 调质处理：淬火：加热温度840 ±10℃，油冷，获得马氏 体组织。 n 回火：加热温度520 ±10℃，水冷 （防止 二类回火 性）。 n 经调质处理后组织为回火索氏体，不允许有块状铁素体出 现，否则会降低强度和韧性，其硬度大约为263-322HBS。 6.4 弹簧钢 n 弹簧是各种机械和仪表中的重要零件，按其使用 场合和结构外形的不同，可分为板弹簧和螺旋弹 簧两大类。用于制造弹簧类零件的钢种称为弹簧 钢。 6.4.1 弹簧钢组织性能的特点 n 弹簧钢一般为较高含碳量的碳素钢和合金钢，经淬火和中 温回火得到回火屈氏体的最终组织。这样的组织给钢提供 了高的弹性极限、屈服强度及疲劳强度。 n 弹簧钢应具有高的弹性极限σe （亦可考虑为屈服强度 σ0.2 ）；弹簧一般都在交变应力作用下工作，因此弹簧 钢应有高的疲劳强度；弹簧钢还应具有良好的工艺性能， 具有一定的塑性以利于成形，过热敏感性小、不易脱碳等。 另外，一此在高温、易蚀条件下工作的弹簧，还应有良好 的耐热性和耐蚀性。 n 弹簧大体上可以分为热成形弹簧与冷成形弹簧两大类。 6.4.2 弹簧钢的化学成分特点 （1 ）中、高碳，以保证高的弹性极限与疲劳极限。碳素弹 簧钢的碳含量一般为0.8%-0.9% ，合金弹簧钢的碳含量为 0.5%-0.7%。 （2 ）加入Si、Mn为主的合金元素。目的是提高淬透性、强 化铁素体 （因为Si、Mn固溶强化效果最好）、提高钢的回 火稳定性，使其在相同的回火温度下具有较高的硬度和强 度。其中Si的作用最大，但Si含量高时增大C石墨化的倾 向，且在加热时易于脱碳；Mn则易于使钢过热。 （3 ）加入Cr、W、V，Nb克服硅锰弹簧钢的不足。因为Cr、W、 V、Nb为碳化物形成元素，它们可以防止过热 （细化晶粒） 和脱碳。 6.4.3 典型弹簧钢及应用 1．碳素弹簧钢 碳素弹簧钢的淬透性差，当直径大于12-15mm时在油中即 不能淬透。因此碳素弹簧钢只用于制造直径较小、不太重要的 弹簧。多用冷成形法制造。 n 2．合金弹簧钢 一类是以合金元素Si、Mn合金化的弹簧钢， 表性的钢种 为65Mn和60Si2Mn等。它们的淬透性显著高于碳素弹簧钢 可用于制造截面尺寸较大的弹簧。Si、Mn的复合合金化， 其性能又高于单用Mn的好，这类钢主要用于汽车、拖拉机 和机车上的板簧和螺旋弹簧等。 n 另一类是含Cr、W、V等合金元素的弹簧钢， 表性的钢种 为50CrVA。Cr和V的复合加入，不仅提高弹簧钢的淬透 性，而且有较高的高温强度、韧性和较好的热处理工艺性 能。因此，这类钢可用于制造350-400℃下承受重载的大 型弹簧，如阀门弹簧、高速柴油机的汽门弹簧等。 6.4.4 弹簧钢的热处理特点 弹簧大体上可以分为冷成形弹簧热成形弹簧两大类。 n 冷成形弹簧是通过冷变形或热处理，使钢材具备一定性能 之后，再用冷成形方法制成一定形状的弹簧。冷成形的弹 簧在冷成形之后要进行200-400℃的低温回火。 n 热成形弹簧钢的热处理是淬火和中温回火，获得回火屈氏 体。回火后硬度大约在39-52HRC，螺旋弹簧回火后硬度一 般为45-50HRC，汽车板弹簧回火后硬度一般为40-47HRC。 n 弹簧在热处理后通常还要进行喷丸处理，使表面强化以提 高疲劳强度。 6.5 滚动轴承钢 用于制造滚动轴承的钢称为滚动轴承钢，它 主要用来制造滚动轴承的套圈和滚动体等，也可 用于制造精密量具、冷冲模等多种工具和耐磨件。 滚珠 滚珠轴承 6.5.1 滚动轴承钢的性能要求 n （1）高的接触疲劳强度和屈服强度。 n （2 ）高而均匀的硬度和耐磨性。 n （3 ）适当的韧性和耐蚀性。 6.5.2 滚动轴承钢的化学成分特点 （1）高碳。为了保证轴承钢有高的硬度和耐磨性， 轴承钢的碳含量很高，一般为0.95%-1.15% ，属于 过共析钢。 （2 ）加入主加合金元素Cr，以增加钢的淬透性，提 高耐蚀性。Cr含量通常为0.40%-1.65%。当Cr含量 高于1.65%以后，则会使残余奥氏体增加，使钢的 硬度和尺寸稳定性降低，同时还会增加碳化物的 不均匀性，降低钢的韧性。 （3 ）加入Si、Mn等合金元素以进一 提高淬透性。 （4 ）降低S、P含量，提高冶金质量。由于轴承钢的 接触疲劳性能对钢材的微小缺陷十分敏感，所以 夹杂物的种类、尺寸和形态、大小和分布都对轴 承钢的性能有重要影响。通常要求wS ＜0.02%， wP ≤0.027%。 6.5.3 典型滚动轴承钢及应用 滚动轴承钢的化学成分、热处理及用途 1．铬轴承钢 n 铬轴承钢的典型 表是GCr15，使用量占轴承钢的绝大部分。 由于淬透性不是很高，因此多用于制造中小型轴承。 2．添加Mn、Si、Mo、V的轴承钢 n 这类轴承钢是在铬轴承钢中加入Mn、Si以提高淬透性结构钢，如 GCr15SiMn钢等，主要用于制造大型轴承；为了节约Cr，可 以加入Mo、V，得到不含铬的轴承钢，如GSiMnMoV、 GSiMnMoVRE钢等，其性能与铬轴承钢相比，具有较好的淬 透性、物理性能和锻造性能，但易脱碳且耐蚀性较差。 6.5.4 滚动轴承钢的热处理特点 滚动轴承钢制造滚动轴承的一般生产工艺路线是： n 轧制、锻造 球化退火 机械加工 淬火加低温 回火 磨削加工 成品。 1．球化退火 由于滚动轴承钢是过共析钢，并且对碳化物的形状 和分布要求较高，因此其预先热处理通常采用球化退火。 球化退火的目的是降低钢的硬度，退火后硬度一般为207- 229HBS，这样可改善切削加工性能，更重要的是获得细球 状珠光体和均匀分布的细粒状碳化物，为最终热处理作组 织准备。球化退火工艺一般为将钢材加热到790-800℃， 在710-720℃保温3-4h。 2．淬火加低温回火 n 轴承钢的最终热处理是淬火加低温回火。淬火温度要求 十分严格，对GCr15钢，淬火加热温度为820-840℃。马 氏体中的碳含量在0.45%-0.5% 时，轴承钢既具有高硬 度，又有良好的韧性，还具有最高的接触疲劳寿命。 GCr15钢的淬火组织为隐晶马氏体上分布细小均匀分布的 粒状碳化物（7%-9% ）和少量残余奥氏体。淬火后应立即 回火，以消除内应力，提高韧性、稳定组织和尺寸；回 火温度一般为150-160℃，保温时间为2-4h。为使回火性 能均匀一致，回火温度也要严格控制，最好在油中进行。 轴承钢经淬火及回火后的组织为极细的回火马氏体、 均匀分布的细粒状碳化物以及少量的残余奥氏体， 硬度为62-66HRC。 a)冲击韧度的影响 b)对疲劳强度的影响 淬火温度对GCr15冲击韧度和弯曲疲劳强度的影响(150℃回火) n 必须指出的是，轴承在淬火及回火后的磨削加工过程中， 还会产生磨削应力，因此通常还要进行一次附加回火 （回 火温度为120-150 ℃，回火时间为2-3h ）以稳定组织和尺 寸。对于精密轴承，为了保证能长期存放和使用中不变 形，在淬火后要立即进行“冷处理”，以使钢中未转变的残 余奥氏体进一 发生转变；再在磨削加工后进行附加回火 （回火温度为120-150℃，回火时间为5-10h ）。

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