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1、船舶工程学院船舶工程学院金属学与造船材料金属学与造船材料(8)(8)1.1.钢的编号方法，会辩认各种钢号；钢的编号方法，会辩认各种钢号；如：如：20CrMoTi20CrMoTi、40Cr40Cr、60Si2Mn60Si2Mn、GCr15SiMnGCr15SiMn、Cr12MoVACr12MoVA、9Mn2V9Mn2V、0Cr18Ni9Ti0Cr18Ni9Ti2.2.各种典型钢种的成分，热处理及组织，性能及各种典型钢种的成分，热处理及组织，性能及用途。用途。如如低合金结构钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动低合金结构钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等轴承钢等重点要求重点要求:在化学成分上特别添
2、加合金元素在化学成分上特别添加合金元素（常用（常用M来表示）来表示）用以保证一定的生用以保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁基合金。产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁基合金。M 5 M 10 M 10,称为高合金钢；称为高合金钢；不过这种划分并没有严格的规定。一、基本概念一、基本概念合金钢合金钢在碳素钢的基础上，为了改善钢的性能，在冶炼时有目的地加入一种或数种合金元素的钢。合金元素：为了改善和提高钢的力学性能和使钢获得某些特殊的合金元素：为了改善和提高钢的力学性能和使钢获得某些特殊的物理、化学性能而专门加入的元素。物理、化学性能而专门加入的元素。在实际使用的钢中，除碳外尚存在
3、少量的其它元素，如一般含在实际使用的钢中，除碳外尚存在少量的其它元素，如一般含量的硅、锰、磷、硫以及氧、氮、氢等，这些非特意加入的元素称量的硅、锰、磷、硫以及氧、氮、氢等，这些非特意加入的元素称为常存或残余元素。为常存或残余元素。常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、铜、硼、稀土元素等。磷、硫、氮等在某些情况下也起合金元素的铜、硼、稀土元素等。磷、硫、氮等在某些情况下也起合金元素的作用。作用。合金元素在钢中的存在形式：合金元素在钢中的存在形式：1.1.溶入铁素体，奥氏体和马氏体中，以固溶体的形式存在溶入铁素体，奥氏体和马
4、氏体中，以固溶体的形式存在2.2.形成强化相，如溶入渗碳体形成合金渗碳体，形成特殊碳形成强化相，如溶入渗碳体形成合金渗碳体，形成特殊碳化物或金属间化合物化物或金属间化合物3.3.形成非金属夹杂物，如合金元素与形成非金属夹杂物，如合金元素与O O、N N、S S作用形成氧化物、作用形成氧化物、氮化物和硫化物等氮化物和硫化物等4.4.在钢中以游离态存在在钢中以游离态存在铁族金属铁族金属Co,Ni,MnCo,Ni,Mn。难熔金属难熔金属W,Mo,Nb,V,Cr.W,Mo,Nb,V,Cr.轻金属轻金属Ti,Al,Mg,LiTi,Al,Mg,Li稀土金属稀土金属LaLa，CeCe和和NdNd等等贵金属元
5、素贵金属元素Au,AgAu,Ag 按按MM与与C C的亲和力的大小分为：的亲和力的大小分为：合金元素合金元素MM的分类的分类碳化物形成元素：碳化物形成元素：Ti,Zr,V,Nb,Cr,Mo,W,MnTi,Zr,V,Nb,Cr,Mo,W,Mn非碳化物形成元素：非碳化物形成元素：Cu,Ni,Co,Si,AlCu,Ni,Co,Si,Al奥氏体形成元素：奥氏体形成元素：在在-Fe-Fe中有较大的溶解度中有较大的溶解度,且能稳定且能稳定 相；如相；如 Mn,Ni,Co,C,N,CuMn,Ni,Co,C,N,Cu；铁素体形成元素：铁素体形成元素：在在-Fe-Fe中有较大的溶解度，且能稳定中有较大的溶解度，
6、且能稳定 相。如：相。如：V V，Nb,TiNb,Ti 等。等。按照与铁相互作用的特点分类：按照与铁相互作用的特点分类：按照按照MM对合金相图影响对合金相图影响:扩大扩大相区相区 使使A3A3降低，降低，A4A4升高。一般为奥氏体形成元素升高。一般为奥氏体形成元素开启开启相区相区 Mn,Ni,Co Mn,Ni,Co 与与-Fe-Fe无限互溶无限互溶扩大扩大相区相区 有有C C，N N，CuCu等等缩小缩小相区相区 使使A3A3升高，升高，A4A4降低。一般为铁素体形成元素降低。一般为铁素体形成元素封闭封闭相区相区 使相图中使相图中区缩小到一个很小的面积形成区缩小到一个很小的面积形成圈圈,其结其
7、结果使果使相区与相区与相区连成一片。相区连成一片。如如V,Cr,Si,A1,Ti,Mo,W,P,Sn,As,SbV,Cr,Si,A1,Ti,Mo,W,P,Sn,As,Sb合金元素对钢的热处理的影响合金元素对钢的热处理的影响1.1.对对C C曲线和淬透性的影响曲线和淬透性的影响 大多数合金元素使大多数合金元素使C C曲线右移，提高了淬透性，因此可采用冷却曲线右移，提高了淬透性，因此可采用冷却能力较低的淬火剂，以减少变形和开裂倾向。能力较低的淬火剂，以减少变形和开裂倾向。非碳化物和弱碳化物形成元素使非碳化物和弱碳化物形成元素使C C曲线右移。曲线右移。中强和强碳化物形成元素不仅使中强和强碳化物形成
8、元素不仅使C C曲线右移，提高淬透性，而且能改曲线右移，提高淬透性，而且能改变变C C曲线形状。曲线形状。2.2.对对MsMs点的影响点的影响 除除CoCo和和AlAl外，其他合金元素溶入奥氏体都使外，其他合金元素溶入奥氏体都使MsMs下降，下降，MsMs降低将使淬火降低将使淬火钢冷至室温后残余奥氏体数量增多。钢冷至室温后残余奥氏体数量增多。3.3.对奥氏体化的影响对奥氏体化的影响 大多数合金元素都减缓钢的奥氏体化过程，因此，热处理时应提高加大多数合金元素都减缓钢的奥氏体化过程，因此，热处理时应提高加热温度或延长保温时间。热温度或延长保温时间。4.4.细化晶粒细化晶粒所有的合金元素都阻止奥氏体
9、晶粒长大而细化晶粒，因此合金钢组织所有的合金元素都阻止奥氏体晶粒长大而细化晶粒，因此合金钢组织较细，力学性能好，在热处理时不易产生过热缺陷。较细，力学性能好，在热处理时不易产生过热缺陷。l 形成合金铁素体形成合金铁素体合金元素溶于铁素体中，会造成晶格畸变，会降低位错的易动性，产生合金元素溶于铁素体中，会造成晶格畸变，会降低位错的易动性，产生固溶强化的效果。固溶强化的效果。1.1.硅、锰可显著提高铁素体的硬度和强度，但含量过小时，对韧性影硅、锰可显著提高铁素体的硬度和强度，但含量过小时，对韧性影响不大响不大2.2.铬、镍这两个元素含量适当时，可提高铁素体的硬度和强度，也可铬、镍这两个元素含量适当
10、时，可提高铁素体的硬度和强度，也可提高韧性提高韧性3.3.合金结构钢中的铬、硅、锰、镍等应控制在一定含量范围内合金结构钢中的铬、硅、锰、镍等应控制在一定含量范围内合金元素对钢中基本相的影响合金元素对钢中基本相的影响l 形成碳化物形成碳化物 合金钢中碳化物的状况对钢的性能影响很大。不同的合金元素，形成合金钢中碳化物的状况对钢的性能影响很大。不同的合金元素，形成碳化物的倾向则不同。碳化物的倾向则不同。1.1.MnMn：弱碳化物形成元素，溶于铁素体而形成合金铁素体。：弱碳化物形成元素，溶于铁素体而形成合金铁素体。2.2.铬、钼、钨：中强碳化物形成元素，既能形成合金渗碳体，又能形成铬、钼、钨：中强碳化
11、物形成元素，既能形成合金渗碳体，又能形成特殊碳化物。如特殊碳化物。如Cr7C3Cr7C3、Cr27C6 Cr27C6、MoCMoC、WCWC等，它们的熔点、硬度、等，它们的熔点、硬度、耐磨性比渗碳体高。耐磨性比渗碳体高。3.3.铌、钒、钛：强碳化物形成元素，优先形成特殊碳化物，如铌、钒、钛：强碳化物形成元素，优先形成特殊碳化物，如VCVC、NbCNbC、TiCTiC等，他们的熔点、硬度和耐磨性最高。等，他们的熔点、硬度和耐磨性最高。分类分类按合金元素含量按合金元素含量按钢的金相组织按钢的金相组织微合金钢微合金钢 0.001-0.1%0.001-0.1%低合金钢低合金钢 1-5%1-5%中合金钢
12、中合金钢 5-10%5-10%高合金钢高合金钢 10%10%铁素体钢铁素体钢 奥氏体钢奥氏体钢 马氏体钢马氏体钢珠光体钢珠光体钢 贝氏体钢贝氏体钢分类分类按按S S、P P含量含量普通合金钢普通合金钢 S0.050%P0.045%S0.050%P0.045%优质合金钢优质合金钢 S0.035%P0.035%S0.035%P0.035%高级优质合金钢高级优质合金钢 S0.025%P0.025%S0.025%P0.025%特级优质合金钢特级优质合金钢 S0.015%P0.020%S0.015%P0.020%合金结构钢合金结构钢合金工具钢合金工具钢特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、超强钢特殊性能钢：不锈钢
13、、耐热钢、超强钢按用途按用途优质碳素结构钢优质碳素结构钢+合金元素合金元素在碳素结构钢中添加在碳素结构钢中添加CrCr、NiNi、MnMn、SiSi、MoMo、W W、V V、Ti Ti 等合金等合金元素，使其具有较高强度、韧性、淬透性元素，使其具有较高强度、韧性、淬透性1 1低合金结构钢低合金结构钢2.2.合金渗碳钢合金渗碳钢3 3合金调质钢合金调质钢4 4合金弹簧钢合金弹簧钢5 5滚动轴承钢滚动轴承钢 机械制造用钢机械制造用钢牌号标准（牌号标准（GB/T 3077-1999GB/T 3077-1999）G G 数字数字 +化学元素化学元素 +数字数字合金元素含量的百分之几，合金元素含量的百
14、分之几，1.5%1.5%不标出，滚动轴不标出，滚动轴承钢承钢CrCr含量的千分数含量的千分数 合金结构钢：两位数字，平均含合金结构钢：两位数字，平均含C C量的万分之几量的万分之几合金工具钢：含合金工具钢：含C C量的千分之几量的千分之几特殊性能钢：含特殊性能钢：含C C量的千分之几量的千分之几合金元素合金元素高级优质钢号后加注高级优质钢号后加注“A”“A”，特级优质合金钢加注，特级优质合金钢加注“E”.“E”.滚动轴承钢滚动轴承钢40 Cr 铬，平均含量1.5%，只标出元素符号，不标明含量 平均碳含量为0.40%，用万分之四十的数字表示38 CrMoAl A表示高级优质钢 铬钼铝，平均含量1
15、.5%，只标出元素符号，不标明含量 平均碳含量为0.38%，用万分之38数字表示 平均碳含量为0.37%，用万分之37数字表示 镍，平均含量3%铬，平均含量1.5%，只标出元素符号，不标明含量37 CrNi3G Cr15SiMn 平均Cr含量1.5%滚动轴承钢 Si、Mn平均含量1.5%，只标出元素符号，不标明含量9 Mn2 V 平均Mn含量2%C含量0.9%，合金工具钢 V平均含量5%为塑性材料，5%为脆性材料。5.5.热处理特点热处理特点 一般在一般在热轧热轧退火或正火状态下使用，不需要退火或正火状态下使用，不需要进行专门的热处理。使用状态下的显微组织一般进行专门的热处理。使用状态下的显微
16、组织一般为铁素体为铁素体+索氏体。索氏体。船用合金结构钢1 1、常用船舶低合金结构钢、常用船舶低合金结构钢根据根据GB/T 1591-88“GB/T 1591-88“造船用结构钢技术条件造船用结构钢技术条件”规定，我国用于造船的规定，我国用于造船的低合金钢有四种，其化学成分和机械性能如下表所示。低合金钢有四种，其化学成分和机械性能如下表所示。我国常用船舶低合金结构钢的化学成分我国常用船舶低合金结构钢的化学成分(GB1591-88)(GB1591-88)我国常用船舶低合金结构钢的机械性能我国常用船舶低合金结构钢的机械性能(GB1591-88)(GB1591-88)2 2、船用低合金高强度结构钢、船用低合金高强度结构钢目前已定型的钢种有目前已定型的钢种有901901、902902、903903、904904、921921、923923、402402、929929等。其中等。其中901901、902902、903903、904904、921921、923923属于低合金高强属于低合金高强度钢（度钢（MM不超过不超过5%5%，屈服强度比普通碳钢高，屈服强度比普通碳钢高50%50%以上），以上）
