常见工业用钢的性能及用途

常见工业用钢的性能及用途

一、结构钢

结构钢按用途分为工程构件用钢和机器零件用钢两大类。

1．工程构件用钢

工程构件用钢是应用较广泛的钢种之一，用于国防、化工、石油、电站、车辆、造船、桥梁、建筑等国民经济部门，制造各种重要构件。此类钢的发展历程大体经历如下几个阶段：

①．最初，钢构件以铆接为主，设计依据是抗拉强度，很少考虑屈服强度、韧性和可焊性。一般含碳量较高，约为0.3%。

②．当焊接技术普遍应用后，要求钢的可焊性好，同时要保证一定的强度，故钢的含碳量降低，含锰量增加。

③．针对焊接件出现脆性断裂，在钢中加入晶粒细化剂（如AlN），使钢的性能得到改善，屈服应力由225MPa提高到300 MPa，脆性转化温度降至0℃以下，从而提高了焊接件抗脆性断裂的能力。

④．在保持低碳、高锰、细晶的条件下，利用析出强化相进一步提高钢的屈服强度，通常加入Nb、V、Ti等合金元素。

⑤．利用微合金化技术，对钢进行控制轧制，降低终轧温度，可使钢的屈服强度达到450~500MPa，脆性转化温度下降到‐80℃。

工程构件用钢的成分要求为：在含碳量小于0.25%的碳钢中，加入微量的V、Ti、Nb、Zr、Ca、RE等元素。其性能要求为：高的弹性极限、刚度、可焊性和冷变形性，好的耐大气、水腐蚀性，低的屈强比бs/бb以防脆断。工程构件用钢包括普通碳素构件用钢和普通低合金构件用钢。

（1）普通碳素工程构件用钢

普通碳素工程构件用钢简称普碳钢，产量约占钢总产量的70%，其中大部分用作机器零件。由于普碳钢易于冶炼、价格低廉，性能也基本满足了一般工程构件的要求，所以在工程上用量很大。

为了满足工艺性能和使用性能的要求，含碳量一般均较低。普碳钢通常以热轧状态供应，一般不经热处理强化，只保证机械性能及工艺性能便可。其中的Q195、Q215有较高的延伸率，易于加工，常用做螺钉、炉体部件、农业机械等。Q235～Q275具有较高的强度和硬度，延伸率也较大，大量用做建筑结构，轧制成工字钢、槽钢、角钢、钢板、钢管及其它各种型材。而Q235钢J既有较高的塑性又有适中的强度，成为应用最广泛的一种普通碳素构件用钢，即可用做较重要的建筑构件、车辆及桥梁等的各种型材，又可用于制做一般的机器零件，也可进行热处理。

此外尚有一些专门用钢，如造船钢、桥梁钢、压力容器钢等。它们除严格要求规定的化学成分和机械性能外，还规定某些特殊的性能检验和质量检验项目，例如低温冲击韧性、时效敏感性、气体、夹杂和断口等。专门用钢一律为镇静钢。

（2）低合金高强度钢

低合金高强度钢是一种含有少量合金元素，具有较高强度的构件用钢，由于强度高，所以1吨低合金高强度钢可顶1.2~2.0吨普碳钢使用，从而可减轻构件重量，提高使用的可靠性并节约钢材。这类钢主要用来制造各种要求强度较高的工程结构，例如船舶、车辆、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。它在建筑、石油、化工、铁道、造船、机车车辆、锅炉容器、农机农具等许多部门得到广泛的应用。

常用低合金高强度钢按其屈服强度的高低分为6个级别（300MPa、350 MPa、400 MPa、450 MPa、500 MPa、550~650 MPa），如表7-1所示。

在较低级别的钢中，16Mn最具有代表性。16Mn是二十世纪三十年代发展起来的世界上第一种低合金高强度钢，它属于350 MPa级别，它是目前我国用量最多，产量最大的一种低合金高强度钢。与300MPa级别的12Mn钢相比，由于C%和Mn %均稍有增加，所以强度指标也提高了。在这类钢中，还有16Mn的派生钢种，16MnRe、16MnCu等，Re的主要作用是提高塑性和韧性，提高疲劳强度，降低冷脆转变温度，Cu的主要作用是通过钝化提高耐蚀性。这类钢多用于船舶、车辆、桥梁等大型钢结构。

对400MPa级的15MnV、15MnTi等其含碳量与16Mn相当，但由于加入钒、铌、钛，能细化晶粒、产生第二相强化，使屈服强度提高，主要用于大型结构、中压容器等。

对450MPa级的15MnVN、14MnVTiRe等，由于钒、氮起细化晶粒和第二相强化作用，稀土又起净化晶界作用，提高塑、韧性，因此强化效果比15MnV、15MnTi还好。

300~450MPa级的普低钢均是在热轧状态下或在正火状态使用，组织为铁素体+珠光体（少量）。

钢中加入钼和微量硼，可推迟奥氏体冷却时的铁素体析出，而对贝氏体转变则影响不大，因此在正火后得到贝氏体组织，屈服强度达500MPa级，这类钢如18MnMoNb、14MnMoVBRe，由于焊接性好，广泛用于石油化工、中温高压容器等。

对于14CrMnMoVB，正火后得到贝氏体组织，然后再高温回火，以稳定组织，消除内应力，提高塑性和韧性。这种钢适于制造400~500℃的锅炉、高压容器等。

（3）工程结构用钢的发展趋势

低合金高强度钢由于其强度高，韧性和加工性能优异，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：

a）通过微合金化与合理的轧制工艺结合起来，实行控制轧制，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，使钢的晶粒细化，达到既提高强度又改善塑韧性的最佳效果。

b）通过合金化改变基体组织，提高强度。在钢中加入较多的其它元素，如Cr、Mn、Mo、Si、B

等，使钢在热轧空冷的条件下即可得到贝氏体组织，甚至马氏体组织。这种马氏体在冷却过程中可发生自回火过程，甚至不需要专门进行回火。

c）超低碳化。为了保证韧性和焊接性能，含碳量进一步降低，甚至降到PPM级，此时必须采用真空冶炼，或真空去气的先进冶炼工艺。

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。

2．机器零件用钢

指用于制造各种机器零件、如轴类零件、齿轮、弹簧和轴承等所用的钢种，也称为机器制造用钢。

机器零件用钢对机械性能的要求是多方面的，不但要求钢材具有高的强度、塑性和韧性，而且要求钢材具有良好的疲劳强度和耐磨性。机器零件用钢一般都经过热处理后使用。此外，机器零件用钢还要求具有良好的工艺性能，主要指切削加工性能和热处理工艺性能。机器零件用钢包括优质碳素结构钢和合金结构钢。

按用途不同，分为渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、耐磨钢等。

（1）渗碳钢

a）渗碳钢的工作条件及对性能的要求

渗碳钢常用在受冲击和磨损条件下工作的一些机械零件，如汽车、拖拉机上的变速齿轮、内燃机上的凸轮、活塞销等，要求表面硬、耐磨，而零件心部则要求有较高的韧性和强度以承受冲击。通常尺寸小的、受力小的，采用低碳钢，而尺寸大的、受力大的则采用低碳合金钢。

b）渗碳钢的成分和钢种

常用的渗碳钢钢号、热处理工艺、力学性能及用途见表7-2。

为了满足“外硬内韧”的要求，这类钢一般都采用低碳钢，含碳量为0.1~0.25%，经过滲碳后，零件的表面变为高碳的，而心部仍是低碳的，通过淬火+低温回火后使用。零件表面组织为回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体，硬度达HRC58~62，满足耐磨的要求，而心部的组织是低碳马氏体，保持较高的韧性，满足承受冲击载荷的要求。对于大尺寸的零件，由于淬透性不足，零件的心部淬不透，仍保持原来的珠光体+铁素体组织；这时由于是低碳的，组织中铁素体占比