第7章工业用 含碳量及热处理条件下,其塑性、韧性较低。加工成形后一般不进行热处理,大都在热轧 状态下直接使用,通常轧制成板材、带材及各种型材。根据GB/T700-1988中以Q235· AF为例说明:Q表示屈服点,汉语拼音第一个字母大写:235表示屈服点(屈服强度)值(MPa) A表示质量等级;F表示沸腾钢(脱氧方式) 表7-1和7-2列出碳素结构钢的化学成分及力学性能。Q195、Q215、Q235塑性好, 焊接性好,强度较低,一般轧制成板带和各种型钢,用于工程结枃(如桥梁、建筑构架等 和受力不大的机器零件(如铆钉、螺钉、螺母、轴套及某些农机零件等)。Q275、Q345强度 较高,用于制作受力中等的普通零件(如链轮、拉杆、小轴活塞销、轻轨鱼尾板等)。 表7-1普通碳素钢的牌号及成分(GB/T700-1988) 脱氧方法 牌号等级 s/% Q195 0.06~0.12 025~0.500.30 0.050 0045F、b、Z 0.09~0.15 025~0.550.30 0.050 0.045 F、b、Z 0.045 0.14~0.22 0045F、b、Z 0.30~0.70 0.35~0.80 ≤0.17 0.035 0.18~0.28 040~0.700.30 0045Z 0.045 *注:Q235A、B级沸腾钢含锰量上限为0.60%,F、b、Z依次为沸腾、半镇静、镇静脱氧方法 表7-2普通碳素钢的力学性能(GB/T700-1988) 拉伸试验 等 屈服强度(不小于)o/MPa 延伸率/%) 抗拉 钢材厚度(直径) 钢材厚度(直径ymm 温度/纵向V型 级 强度 中击功 16~40~60~100~> MPa≤16 a3(≥y 60100150150 4060100150150 315~3903332 Q21521520519518515|16535-41031302928 Q235235125215205195185|375~460261252423 Q255255245235225215205410~5102423222120|19 275265255245235 490-610201918171615
第 7 章 工业用钢 ·137· ·137· 含碳量及热处理条件下，其塑性、韧性较低。加工成形后一般不进行热处理，大都在热轧 状态下直接使用，通常轧制成板材、带材及各种型材。根据 GB/T 700—1988 中以 Q235— AF为例说明：Q表示屈服点，汉语拼音第一个字母大写；235表示屈服点(屈服强度)值(MPa)。 A 表示质量等级；F 表示沸腾钢(脱氧方式)。 表 7-1 和 7-2 列出碳素结构钢的化学成分及力学性能。Q195、Q215、Q235 塑性好， 焊接性好，强度较低，一般轧制成板带和各种型钢，用于工程结构(如桥梁、建筑构架等) 和受力不大的机器零件(如铆钉、螺钉、螺母、轴套及某些农机零件等)。Q275、Q345 强度 较高，用于制作受力中等的普通零件(如链轮、拉杆、小轴活塞销、轻轨鱼尾板等)。 表 7-1 普通碳素钢的牌号及成分(GB/T 700—1988) 化学成分 脱氧方法 wSi /% ws 牌号 等级 /% wP/% wC/% wMn /% 不大于 Q195 0.06～0.12 0.25～0.50 0.30 0.050 0.045 F、b、Z A 0.050 Q215 B 0.09～0.15 0.25～0.55 0.30 0.045 0.045 F、b、Z A 0.14～0.22 0.30～0.65 0.050 B 0.12～0.20 0.30～0.70 0.045 0.045 F* 、b、Z C ≤0.18 0.040 0.040 Z Q235 D ≤0.17 0.35～0.80 0.30 0.035 0.035 TZ A 0.050 Q255 B 0.18～0.28 0.40～0.70 0.30 0.045 0.045 Z Q275 0.28～0.38 0.50～0.80 0.35 0.050 0.045 Z *注：Q235A、B 级沸腾钢含锰量上限为 0.60%，F、b、Z 依次为沸腾、半镇静、镇静脱氧方法。 表 7-2 普通碳素钢的力学性能(GB/T 700—1988) 拉伸试验 冲击试验 屈服强度(不小于)σs/MPa 延伸率/(%) 牌号 钢材厚度(直径)/mm 钢材厚度(直径)/mm 等 级 ≤16 16～ 40 40～ 60 60～ 100 100～ 150 ＞ 150 抗拉 强度 /MPa ≤16 16～ 40 40～ 60 60～ 100 100～ 150 ＞ 150 温度 /℃ 纵向 V 型 冲击功 akv(≥)/J Q195 A 195 185 — — — — 315～390 33 32 — — — — — — A — — Q215 B 215 205 195 185 175 165 335～410 31 30 29 28 27 26 20 27 A — — B 20 C 0 Q235 D 235 225 215 205 195 185 375～460 26 25 24 23 22 21 -20 27 A — — Q255 B 255 245 235 225 215 205 410～510 24 23 22 21 20 19 20 27 Q275 — 275 265 255 245 235 225 490～610 20 19 18 17 16 15 — —
138· 金属学与热处理 2.优质碳素结构钢 这类结构钢的含硫、磷量较低(s<0030%、wp<0.035%),非金属夹杂物较少,钢的 品质较高,塑性、韧性都比(普通)碳素结构钢为佳,出厂时既保证化学成分,又保证力学 性能,主要用于制造较重要的机械零件 优质碳素结构钢牌号用两位数字表示平均含碳量为万分之一,如08钢表示平均w 0.08%:45钢表示平均w=045%。这类钢按含Mn量不同,分普通含锰量(M=0.35%~0.8%) 和较高含锰量(wM=0.7%~12%)两组。含锰量较高时,牌号数字后加“Mn”如16Mn、45Mn 等。优质碳素结构钢主要制造各种机器零件,使用前一般都要热处理。O8F塑性好,制造 冷冲压零件。10、20钢冷冲压性与焊接性能良好,用作冲压及焊接件,热处理(如渗碳)后 可以制造轴、销等零件。35、40、45、50钢经热处理后,综合力学性能良好,制造齿轮 轴类、套筒等零件。60、65钢主要用来制造弹簧。 7.32碳素工具钢 碳素工具钢主要用于制造各种刀具、量具、模具。这类钢含碳量较高(.65%1.35%, 一般属于高碳钢。钢号用两位数字表示平均含碳量为千分之一,之前加以“T”(“碳”的 汉语拼音字头)。如T9表示含碳量为0.9%(即千分之九)的碳素工具钢。 碳素工具钢均为优质钢,若含硫、磷量更低,为高级优质钢,则在钢号后面标注“A” 字。例如T12A表示碳质量分数为L2%的高级优质碳素工具钢。 碳素工具钢用来制造各种刃具、量具、模具等。T7、T8硬度高、韧性较高,可制造冲 头、錾子、锤子等工具。T9、T10、T11硬度高、韧性适中,可制造钻头、刨刀、丝锥、手 锯条等刃具及冷作模具等。T12、T13硬度高,韧性较低,耐磨性好可制作锉刀、刮刀等刃 具及量规、样套等量具。碳素工具钢使用前都要进行热处理。 74合金结构钢 用于制造重要工程结构和机器零件的合金结构钢是合金钢中用途最广、用量最大的 类钢。下面分别介绍低合金高强钢、合金调质钢、合金渗碳钢、弹簧钢、滚珠轴承钢的合 金化原则、热处理特点、基本性能和主要用途 741低合金高强度钢 低合金高强钢又称为普低钢,英文缩写HSLA,是一种低碳工程结构用钢,合金元素 含量较少,一般在3%以下,主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气 管道、大型钢结构等。用它来代替普碳钢,大大减轻结构质量,保证使用可靠、耐久。 1.性能要求 1)高强度 屈服强度在300MPa以上,强度高才能减轻结构自重、节约钢材和减少消耗。因此, 在保证塑性和韧性的条件下,应尽量提高其强度
·138· 金属学与热处理 ·138· 2. 优质碳素结构钢 这类结构钢的含硫、磷量较低( wS ＜0.030%、wP ＜0.035%)，非金属夹杂物较少，钢的 品质较高，塑性、韧性都比(普通)碳素结构钢为佳，出厂时既保证化学成分，又保证力学 性能，主要用于制造较重要的机械零件。 优质碳素结构钢牌号用两位数字表示平均含碳量为万分之一，如 08 钢表示平均 wc＝ 0.08%；45 钢表示平均 wc＝0.45%。这类钢按含 Mn 量不同，分普通含锰量(wMn＝0.35%～0.8%) 和较高含锰量(wMn＝0.7%～1.2%)两组。含锰量较高时，牌号数字后加“Mn”如 16Mn、45Mn 等。优质碳素结构钢主要制造各种机器零件，使用前一般都要热处理。08F 塑性好，制造 冷冲压零件。10、20 钢冷冲压性与焊接性能良好，用作冲压及焊接件，热处理(如渗碳)后 可以制造轴、销等零件。35、40、45、50 钢经热处理后，综合力学性能良好，制造齿轮、 轴类、套筒等零件。60、65 钢主要用来制造弹簧。 7.3.2 碳素工具钢 碳素工具钢主要用于制造各种刀具、量具、模具。这类钢含碳量较高(0.65%～1.35%), 一般属于高碳钢。钢号用两位数字表示平均含碳量为千分之一，之前加以“T”(“碳”的 汉语拼音字头)。如 T9 表示含碳量为 0.9%(即千分之九)的碳素工具钢。 碳素工具钢均为优质钢，若含硫、磷量更低，为高级优质钢，则在钢号后面标注“A” 字。例如 T12A 表示碳质量分数为 l.2%的高级优质碳素工具钢。 碳素工具钢用来制造各种刃具、量具、模具等。T7、T8 硬度高、韧性较高，可制造冲 头、錾子、锤子等工具。T9、T10、T11 硬度高、韧性适中，可制造钻头、刨刀、丝锥、手 锯条等刃具及冷作模具等。T12、T13 硬度高，韧性较低，耐磨性好可制作锉刀、刮刀等刃 具及量规、样套等量具。碳素工具钢使用前都要进行热处理。 7.4 合金结构钢 用于制造重要工程结构和机器零件的合金结构钢是合金钢中用途最广、用量最大的一 类钢。下面分别介绍低合金高强钢、合金调质钢、合金渗碳钢、弹簧钢、滚珠轴承钢的合 金化原则、热处理特点、基本性能和主要用途。 7.4.1 低合金高强度钢 低合金高强钢又称为普低钢，英文缩写 HSLA，是一种低碳工程结构用钢，合金元素 含量较少，一般在 3%以下，主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气 管道、大型钢结构等。用它来代替普碳钢，大大减轻结构质量，保证使用可靠、耐久。 1. 性能要求 1) 高强度 屈服强度在 300MPa 以上，强度高才能减轻结构自重、节约钢材和减少消耗。因此， 在保证塑性和韧性的条件下，应尽量提高其强度
第7章工业用 139 2)高韧性 用高强钢制造的大型工程结构一旦发生断裂,往往会带来灾难性的后果,所以许多在 低温下工作的构件必须具有良好的低温韧性(即具有较高的解理断裂抗力或较低的韧脆转 变温度)。而大型的焊接结构,因不可避免地存在有各种缺陷(如焊接冷、热裂纹,必须具 有较高的断裂韧性。 3)良好的焊接性能和冷成形性能 大型结构大都采用焊接制造,焊前往往要冷成形,焊后又不易进行热处理,因此要求 钢具有很好的焊接性能和冷成形性能。 此外,许多大型结构在大气(如桥梁、容器)、海洋(如船舶)中使用,要求有较高的抗腐 蚀能力。 2.合金化特点 这类钢的低含碳量满足工程构件用钢的工艺性能要求,加入以Mn为主的少量合金元 素,达到提高力学性能的目的。主加元素锰资源丰富,有显著强化铁素体效果,还可降低 钢的冷脆温度,使珠光体数量增加,进一步提高强度;在此基础上加入极少量强碳化物元 素如V、T、№b等,阻止晶粒长大,产生第二相强化,不但提高强度,还会消除钢的过热 倾向。如Q235钢、16Mn、15MnV钢的含碳量相当,但往Q235中加约1%Mn实际只相对 多加05%~0.8%)时,就成为16Mn钢,强度却增加约50%,为350MPa,在16Mn基础上 多加V(004%~0.12%),强度又增加至400MPa:且在合金化过程中材料的其他性能也有所 改善,大大提高构件可靠性和紧凑性,减少原材料消耗和能源消耗,其经济效益和社会效 益是可想而知的。 3.钢种及牌号 我国列入行业标准(YB)的低合金高强钢有21种。它们按屈服强度从300MPa~650MPa 分为六级。1994年国家标准公布低合金高强度钢的新牌号,新旧牌号对比见表7-3 表7-3低合金高强度钢的新旧牌号对比表 新牌号 旧牌号 主要特性 合金元素极少,强度不高,但具有良好的 Q259 09MnV、09MnNb、09Mn2、12Mn 塑性 焊接及耐蚀性 Q34512MnV、14MnNb、16M、16MRE、18Nb钢的 具有良好的综合性能和焊接 性能 晶粒细化,强度提高,具有良好的力学性 Q39015MnV、15MnIi、16MnNb 能、工艺性能和焊接性1 Q420 5Mnvn, 14 TIrE 具有良好的综合性能和焊接性能 强度最高,在正火、正火回火或淬火加回 Q460 火状态下有很好的综合力学性能 较低强度级别钢中,16Mn最具有代表性。它是我国低合金高强钢中发展最早、使用最 多、产量最大的钢种。使用状态的组织为细晶粒的铁素体一珠光体,强度比普通碳钢Q235 高20%~30%,耐大气腐蚀性能高20%~38%。用它制造工程结构质量减轻20%~30%
第 7 章 工业用钢 ·139· ·139· 2) 高韧性 用高强钢制造的大型工程结构一旦发生断裂，往往会带来灾难性的后果，所以许多在 低温下工作的构件必须具有良好的低温韧性(即具有较高的解理断裂抗力或较低的韧脆转 变温度)。而大型的焊接结构，因不可避免地存在有各种缺陷(如焊接冷、热裂纹)，必须具 有较高的断裂韧性。 3) 良好的焊接性能和冷成形性能 大型结构大都采用焊接制造，焊前往往要冷成形，焊后又不易进行热处理，因此要求 钢具有很好的焊接性能和冷成形性能。 此外，许多大型结构在大气(如桥梁、容器)、海洋(如船舶)中使用，要求有较高的抗腐 蚀能力。 2. 合金化特点 这类钢的低含碳量满足工程构件用钢的工艺性能要求，加入以 Mn 为主的少量合金元 素，达到提高力学性能的目的。主加元素锰资源丰富，有显著强化铁素体效果，还可降低 钢的冷脆温度，使珠光体数量增加，进一步提高强度；在此基础上加入极少量强碳化物元 素如 V、Ti、Nb 等，阻止晶粒长大，产生第二相强化，不但提高强度，还会消除钢的过热 倾向。如 Q235 钢、16Mn、15MnV 钢的含碳量相当，但往 Q235 中加约 1%Mn(实际只相对 多加 0.5%～0.8%)时，就成为 16Mn 钢，强度却增加约 50%，为 350MPa，在 16Mn 基础上 多加 V(0.04%～0.12%)，强度又增加至 400MPa；且在合金化过程中材料的其他性能也有所 改善，大大提高构件可靠性和紧凑性，减少原材料消耗和能源消耗，其经济效益和社会效 益是可想而知的。 3. 钢种及牌号 我国列入行业标准(YB)的低合金高强钢有 21 种。它们按屈服强度从 300MPa～650MPa 分为六级。1994 年国家标准公布低合金高强度钢的新牌号，新旧牌号对比见表 7-3。 表 7-3 低合金高强度钢的新旧牌号对比表 新牌号 旧牌号 主要特性 Q259 09MnV、09MnNb、09Mn2、12Mn 合金元素极少，强度不高，但具有良好的 塑性、冷弯、焊接及耐蚀性 Q345 12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18Nb 钢的强度高，具有良好的综合性能和焊接 性能 Q390 15MnV、15MnTi、16MnNb 晶粒细化，强度提高，具有良好的力学性 能、工艺性能和焊接性能 Q420 15MnVN，14MnVTiRE 具有良好的综合性能和焊接性能 Q460 — 强度最高，在正火、正火回火或淬火加回 火状态下有很好的综合力学性能 较低强度级别钢中，16Mn 最具有代表性。它是我国低合金高强钢中发展最早、使用最 多、产量最大的钢种。使用状态的组织为细晶粒的铁素体—珠光体，强度比普通碳钢 Q235 高 20%～30%，耐大气腐蚀性能高 20%～38%。用它制造工程结构质量减轻 20%～30%
金属学与热处理 如南京长江大桥、广州电视塔等。15MnVN是具有代表性的中等强度级别的钢种。钢中加 入V、N后,生成钒的碳氮化物,细化晶粒,又有析出强化作用,强度水平可提高一级 韧性和焊接性能也较好,用于制造大型桥梁、锅炉、船舶和焊接结构。 强度级别超过500MPa后,铁素体一珠光体组织难以满足要求,于是发展了低碳贝氏 体型钢。加入Cr、Mo、Mn、B等元素,阻碍珠光体转变,使C曲线的珠光体转变区右移, 而对贝氏转变影响较小,有利于在空冷条件下得到贝氏体组织,获得更高的强度,塑性和 焊接性能也好,多用于高压锅炉、高压容器等。 4.热处理特点 这类钢一般在热轧空冷状态下使用,不需要进行专门的热处理。在有特殊要时,如为 了改善焊接区性能,可进行一次正火处理。 5.发展趋势 低合金高强度钢由于其强度高,韧性好,焊接性能和加工性能优异,合金元素耗量少, 并且不需进行复杂的热处理,已越来越受到重视。目前,这类钢发展趋势是: (1)通过微合金化与合理的轧制工艺结合起来,实行控制轧制和控制冷却,以达到更 高的强度。在钢中加入少量的微合金化元素,如V、Ti、Nb等,通过控制轧制时的再结晶 过程,使钢晶粒细化,达到既提高强度又改善塑性、韧性的最佳效果 (2)通过合金化改变基体组织,提高强度。在钢中加入较多Cr、Mn、Mo、Si、B等, 使钢在热轧空冷的条件下得到贝氏体甚至低碳马氏体组织,在冷却过程中发生自回火过程, 甚至不需要专门进行回火 所、(3)超低碳化。为保证韧性和焊接性能,含碳量进一步降低,甚至降到10数量级,此 时必须采用真空冶炼或真空去气的先进冶炼工艺。 在我国,由于微合金化元素资源十分丰富,所以低合金高强度钢在我国具有极其广阔 的发展前景。 74.2渗碳钢 渗碳钢的使用条件及性能要求 渗碳钢用于制造汽车、拖拉机变速齿轮,内燃机凸轮轴、活塞销等零件。这类零件工 作时遭受强烈摩擦磨损和较大的交变载荷,特别是强烈的冲击载荷,其性能要求: ①有较高的强度和塑性,以抵抗拉伸、弯曲、扭转等变形破坏 ②要求表面有较高的硬度和耐磨性,以抵抗磨损及表面接触疲劳破坏 ③有较高的韧性以承受强烈的冲击作用 ④当外载荷是循环作用时,要求零件有好的抗疲劳破坏能力 2.主要钢种 渗碳钢需要通过渗碳达到表面强化,根据上述的性能要求,这类钢成分上一般是低碳 或低碳合金结构钢。常用的滲碳零件包括齿轮、凸轮、活塞销等表面易于受到磨损破坏的 活动零件。如常用作汽车齿轮的20Cr、20 aNtI等钢材,常见钢种见表7-4
·140· 金属学与热处理 ·140· 如南京长江大桥、广州电视塔等。15MnVN 是具有代表性的中等强度级别的钢种。钢中加 入 V、N 后，生成钒的碳氮化物，细化晶粒，又有析出强化作用，强度水平可提高一级， 韧性和焊接性能也较好，用于制造大型桥梁、锅炉、船舶和焊接结构。 强度级别超过 500MPa 后，铁素体—珠光体组织难以满足要求，于是发展了低碳贝氏 体型钢。加入 Cr、Mo、Mn、B 等元素，阻碍珠光体转变，使 C 曲线的珠光体转变区右移， 而对贝氏转变影响较小，有利于在空冷条件下得到贝氏体组织，获得更高的强度，塑性和 焊接性能也好，多用于高压锅炉、高压容器等。 4. 热处理特点 这类钢一般在热轧空冷状态下使用，不需要进行专门的热处理。在有特殊要时，如为 了改善焊接区性能，可进行一次正火处理。 5. 发展趋势 低合金高强度钢由于其强度高，韧性好，焊接性能和加工性能优异，合金元素耗量少， 并且不需进行复杂的热处理，已越来越受到重视。目前，这类钢发展趋势是： (1) 通过微合金化与合理的轧制工艺结合起来，实行控制轧制和控制冷却，以达到更 高的强度。在钢中加入少量的微合金化元素，如 V、Ti、Nb 等，通过控制轧制时的再结晶 过程，使钢晶粒细化，达到既提高强度又改善塑性、韧性的最佳效果。 (2) 通过合金化改变基体组织，提高强度。在钢中加入较多 Cr、Mn、Mo、Si、B 等， 使钢在热轧空冷的条件下得到贝氏体甚至低碳马氏体组织，在冷却过程中发生自回火过程， 甚至不需要专门进行回火。 (3) 超低碳化。为保证韧性和焊接性能，含碳量进一步降低，甚至降到 10-6 数量级，此 时必须采用真空冶炼或真空去气的先进冶炼工艺。 在我国，由于微合金化元素资源十分丰富，所以低合金高强度钢在我国具有极其广阔 的发展前景。 7.4.2 渗碳钢 1. 渗碳钢的使用条件及性能要求 渗碳钢用于制造汽车、拖拉机变速齿轮，内燃机凸轮轴、活塞销等零件。这类零件工 作时遭受强烈摩擦磨损和较大的交变载荷，特别是强烈的冲击载荷，其性能要求： ① 有较高的强度和塑性，以抵抗拉伸、弯曲、扭转等变形破坏； ② 要求表面有较高的硬度和耐磨性，以抵抗磨损及表面接触疲劳破坏； ③ 有较高的韧性以承受强烈的冲击作用； ④ 当外载荷是循环作用时，要求零件有好的抗疲劳破坏能力。 2. 主要钢种 渗碳钢需要通过渗碳达到表面强化，根据上述的性能要求，这类钢成分上一般是低碳 或低碳合金结构钢。常用的渗碳零件包括齿轮、凸轮、活塞销等表面易于受到磨损破坏的 活动零件。如常用作汽车齿轮的 20Cr、20CrMnTi 等钢材，常见钢种见表 7-4