第六章 金属材料应用和热处理

10MnPNbRE wRE=0.02～0.2% wNb=0.015～0.05% wP=0.06～0.12% wMn=0.8～1.2% wC≤0.14%
09MnV，09MnNb，09Mn2，12Mn 16Mn，16MnRE，12MnV，14MnNb， 09MnCuPTi，10MnSiCu，18Nb 10MnPNbRE，15MnV，15MnTi，16MnNb 15MnVNb，14MnVTiRE 14MnMoVBRE，14CrMnMoVB
为了增加淬透性，调质钢中常加入Cr、Mn、Si、Ni和微量B。 此外，Mn、Si、Ni固溶于铁素体中还可起到固溶强化作用。为获得 细化的铁素体晶粒，必须防止加热时奥氏体晶粒过分长大，所以常 加入中、强碳化物形成元素W、Mo、V、Ti、Nb等细化奥氏体晶粒。
表6-2常用调质钢的热处理工艺及力学性能
力 学 性 能 钢种 热处理工艺
表6-3常用的渗碳钢热处理工艺及力学性能
钢种 20Cr 20MnV 20CrMnTi 20MnTiBRE 12CrNi3A
18Cr2Ni4WA
热处理工艺 880℃油淬，200℃回火 880℃油淬，200℃回火 870℃油淬，200℃回火 850℃油淬，200℃回火 860℃油淬,780油淬,200℃回火 850℃油淬，200℃回火
低压锅炉、容器、油罐、 船舶等
Q345(A～E) 牌 号 Q390(A～E) Q420(A～E) Q460(C、D、E)
船舶、车辆、桥梁、压 力容器、大型结构件、 起重机等
船舶、车辆、高压容器、 电站设备化工设备， 锅炉等
钢的编号和用途
• 案例：
南京长江大桥
Q345钢(16Mn、12MnV等)，综 合性能好，用于船舶、桥梁、 车辆等大型钢结构。 Q390钢（15MnV、16MnNb等) 含V、Ti、Nb，强度高，用于 中等压力的压力容器。 Q460钢含Mo、B，正火组织为 贝氏体，强度高,用于石化中
牌号 Q195 Q215
ss
0.045 235 0.040 0.035 0.045 0.045 255 275 410-510 490-610 24 20 375-460 26
Q235
Q255 Q275
⑵优质碳素结构钢： • 牌号用两位数字表示：08、10、15、20、25、30、35、40、45、50、 55、 60、65。 • 这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几，高级优质钢在钢号后加字母A。 如45钢—平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。 如50A钢—平均含碳量为0.5%的高级优质碳素结构钢。 齿 轮 加 工 方钢
活塞销(20Cr)
• 制造渗碳零件，具有表面硬而耐 磨；较高韧性和强度的性能。 • 低碳：含碳0.1~0.25%，个别钢 种可到0.3%。 • 用途：制造齿轮、凸轮轴、活塞
柴油机凸轮轴
销，曲轴等。
低碳是保证心部得到低碳马氏体，具有足够的强韧性。为了增加淬透性加入Cr、 Mn、Ni、Si、B；为了获得本质细晶粒钢加入少量W、Mo、Ti、V、Nb等中、强碳化 物元素，防止渗碳温度下奥氏体晶粒粗化，以便实现渗碳直淬工艺，同时还可形成合 金碳化物增加渗层耐磨性。
所有合 金钢的 合金元 素量标 法相同
不锈钢制管板式换热器
表6-1低合金高强度结构钢新旧标准对照及用途
标 准 代 号 意 义 举 例 新标准（GB/T1591—1994） 旧标准（GB1591—88） 用途
Q390D
质量等级 s s = 420MPa 屈服点中“屈” 字的汉语拼音第一 个字母
Q295(A、B)

脱氧方法符号: 沸腾钢— F；半镇静钢— b；镇静钢— Z； 特殊镇静钢— TZ。

如: Q215-A.F、Q235-B
(镇静钢不标脱氧方法)
常以冷、热轧板、带、棒及型钢使用，用量约占钢材总量的
70%。

用于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。
冷轧钢板 热轧钢板
按GB/T700-1998规定碳素工程结构钢按屈服强度等级分 为五级，即Q195、Q215、Q235 、Q255 、Q275。其中Q195 与 Q275未分等级，Q215与Q255只有A、B两个等级，Q235分A、B、 C、D四个等级。等级的划分主要以有害元素硫、磷含量来划 分。
力 学 性 能 s0.2/MPa ≥550 ≥600 ≥850 ≥1079 ≥685 ≥834 sb/MPa ≥850 ≥800 ≥1100 ≥1373 ≥930 ≥1175 d/% ≥10 ≥10 ≥10 ≥10 ≥11 ≥11 /% ≥40 ≥40 ≥45 ≥45 ≥50 ≥45 ak/（J/cm） ≥60 ≥70 ≥70 ≥59 ≥71 ≥98
螺纹钢
圆钢
工程结构钢包括碳素工程结构钢和低合金高强度结构钢。 1、碳素工程结构钢 碳素工程结构钢又可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。 ⑴普通碳素结构钢
• Q ＋最低屈服强度值 ＋ 质量等级符号
＋ 脱氧方法符号
• Q表示“屈服强度”，屈服强度值单位是MPa； • 质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下 降，质量提高。
60Si2Mn：平均碳含量为0.60%，平均Si含量为2.0%，Mn含量小于 1.5%的合金结构钢。
• 当合金元素的平均含量为1.50~2.49%、2.50~ 3.49%、3.50~4.49%、 4.50~5.49%、……时，在相应的合金元素符号后标2、3、4、5 ……等数
字。如20CrNi3。
• 高级优质钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。 • 特级优质钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。
2、低合金高强度结构钢 在碳素工程结构钢的基础上加入少量（质量分数少于3%） 合金元素可获得低合金高强度钢。为了提高韧性和塑性，含碳 量一般较低，wC=0.1%~0.2%。
加入Mn、Si可强化铁素体，其加入量wMn=0.8%~1.7%， wSi=0.2%~0.6%，Mn的加入量还降低韧脆转变温度。加入 V(钒)、Nb(铌)、Ti(钛)、N(氮)等微合金化，依靠沉淀强化和 细晶强化来提高钢的强度、塑性。加入Cu、P可提高抗大气腐 蚀能力。
≥45 ≥60 ≥60 ≥60 ≥90 ≥100 ≥39
45 40Cr 40CrMn 35SiMn 38CrMoAl 40CrNiMo 40SiNiCr MoV
830～840℃水淬，580～640℃回火(空) 850℃油淬，500℃回火(水、油） 840℃油淬，520℃回火(水、油） 900℃水淬，590℃回火(水、油） 940℃水、油淬，640℃回火(水、油） 850℃油淬，600℃回火(水、油） 927℃正火，870℃淬油,300℃两次回火
1、调质钢 淬火+高温回火=调质，调质是淬火加高温回火的双重热处 理，其目的是使工件具有良好的综合机械性能。 调制钢就是适宜通过调质处理获得良好综合力学性能的中 碳结构钢和合金结构钢。 曲轴 齿轮
调质件（螺杆）
• 调质后使用的钢种，具有良好的综 合力学性能。
• 中碳：含碳0.3~0.5%
• 用途：制造齿轮、螺栓、曲轴、连 杆、轴等
钢中加入推迟先共析铁素体和珠光体转变作用强烈，推迟贝氏体转变作用较弱的合金元 素Mo、B，再加入Mn、Cr等元素进一步推迟先共析铁素体和珠光体转变，并使贝氏体 转变开始点BS下降，在轧后空冷或正火状态下，可获得下贝氏体。下贝氏体具有优良的 强韧性，更低的韧脆转折温度。
3 低碳马氏体钢 对于淬透性好的低合金高强度结构钢，如Mn-Si-Mo-V-Nb系低碳马氏体钢可采用锻后直 接淬火、自回火工艺，所获得的低碳马氏体具有高强度、高韧性和高疲劳极限，可达到 合金调质钢的水平。
通常： 100-150 ℃ 温区恒温或加热保温的热处理叫时效； 150-250 ℃ 加热保温叫低温回火； 350-500 ℃加热保温叫中温回火； 500-650 ℃加热保温叫高温回火。
2、渗碳钢 渗碳：是对金属表面处理的一种，采用渗碳的多为低 碳钢或低合金钢。具体方法是将工件置入具有活性渗碳介 质中，加热到900--950℃的单相奥氏体区，保温足够时间 后，使渗碳介质中分解出的活性碳原子渗入钢件表层，从 而获得表层高碳，心部仍保持原有成分。 渗碳钢：适宜进行渗碳处理并经淬火和低温回火处理 后使零件表面硬度和耐磨性显著提高而心部保持适当强度 和良好韧性的结构钢。
S ≤0.045 ≤0.035 ≤0.025 ≤0.015
高级优质钢 特级优质钢
3、按脱氧程度分
沸腾钢 F ：只用 Si、Mn 脱氧，脱氧不充分，浇注时C与
O反应放出大量CO气体，发生沸腾。成材率 高，但不致密。 镇静钢 Z ：加 Al 脱氧，脱氧充分，组织致密，成材率低。 半镇静钢 b ：介于前两者之间。 特殊镇静钢 TZ ：采用特殊脱氧工艺冶炼，脱氧完全。
合金结构钢编号 •两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素符号+该元素百 分含量数字+„„ •当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量。 20CrMnTi：平均碳含量为0.20%，Cr、Mn、Ti含量分别小于1.5%的合 金结构钢； 40Cr：平均碳含量为0.40%，Cr含量小于1.5%的合金结构钢；
• 第一节 工业用钢 • 第二节 铸铁 • 第三节 非铁金属及合金 • 第四节 金属热处理
第一节 工业用钢
一、钢的分类 1、按化学成分 低碳钢 碳素钢 中碳钢 0.25%C 0.25~0.6%C
高碳钢
0.6%C
5% 10%
低合金钢 合金元素总量 合金钢 高合金钢 合金元素总量
中合金钢 合金元素总量 5~10%
4、按用途分
工程结构钢 建筑、桥梁、船舶、车辆 结 构 钢 调 质 钢 渗 碳 钢 弹 簧 钢 滚动轴承钢
机械制造结构钢
刃具钢 模具钢 量具钢
工 具 钢
特殊性能钢 不锈钢 耐热钢
二、工程结构钢 工程结构钢是用来制造各种工程结构的一大类钢种， 如制造桥梁、船体、高压容器、管道和建筑构件等。要求 钢材有较高的屈服强度，优良的塑性、韧性，较低的韧脆 转变温度和较高的抗大气腐蚀能力。此外还应有优良的工 艺性能，如良好的焊接性和冷成型性。工程结构钢包括碳 素工程结构钢和低合金高强度钢。