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1、张 弛 chizhang 电话：62782361,各种工具、结构及合金钢,第三章 碳钢,第二部分 各种工具、结构及合金钢,第四章 高强度低合金钢,第五章 机械制造用结构钢,第六章 超高强度钢,第七章 工具钢,第八章 耐热钢,第三章 碳钢 3.1 概述 3.2 碳和常存元素 3.3 强度分级,第四章 高强度低合金钢 4.1 概述 4.2 合金化 4.3 分类,第五章 机械制造用结构钢 5.1 概述 5.2 调质钢 5.3 渗碳钢 5.4 弹簧钢,3 碳钢,碳钢: 以铁碳合金为基础, 含有少量Mn, Si, S, P,称为常存元素,也可能含有Cu、Cr、Ni、Mo、V、Ti等，视原料情况不同。,气
2、体元素：N、H、O， 取决于冶炼方法和工艺,碳钢,3.1 概述,3 碳钢,碳钢的机械性能主要决定于含碳量，即主要决定于显微组织。 0.1%碳 25HB,含碳量对热轧碳钢机械性能的影响,碳对碳钢机械性能的影响,3.2 碳和常存元素,3 碳钢,Mn：来源于炼钢过程中锰铁的脱氧和脱硫后的残余，钢中一般必须含有一定的锰。碳钢中一般为0.25-0.5%或0.3-0.6%。,Mn大部分固溶在铁素体中，固溶强化，增大过冷奥氏体的稳定性。 含碳量高，提高Mn量，利于淬火。 0.3-0.5%c，Mn提到0.5-0.8%,增加淬透性,锰对碳钢机械性能的影响,3.2 碳和常存元素,少部分和渗碳体结合，影响不大。,3
3、 碳钢,Si：强脱氧元素，仅次于Al，0.35%。 形成SiO2，造渣或夹杂。,Si在钢中不形成碳化物，也不溶于渗碳体，基本全部固溶于铁素体中。 固溶强化，对强度稍有贡献。,硅对碳钢机械性能的影响,3.2 碳和常存元素,3 碳钢,S：来自原料中的杂质。室温下基本不溶于铁素体,高温形成Fe-FeS-FeO共晶，分布在奥氏体晶界，低熔点共晶溶化。 “热脆”。,硫对碳钢机械性能的影响,3.2 碳和常存元素,Fe-S二元相图,3 碳钢,S和Mn形成MnS，熔点1620，消除热脆。 但形成夹杂。,硫对碳钢机械性能的影响,3.2 碳和常存元素,有害元素， 碳钢中0.05%，优质碳钢0.035%, 特殊优质
4、钢0.025%。,MnS夹杂导致切屑易断，减小切削力，减轻刀具磨损。易切削钢含硫量0.08-0.15%，最高0.33%。,3 碳钢,磷对碳钢机械性能的影响,3.2 碳和常存元素,P：来自原料中的杂质，碳钢中限定0.045%。 室温下铁素体中最大溶解度为0.7%。,钢中的碳剧烈降低铁素体中磷的溶解度。,磷在钢液凝固过程中极易偏析，在晶界形成富磷区域，造成钢在低温和室温脆性，“冷脆”。,易切削钢含P量0.08-0.15%改善切削性能； 建筑用钢中加入0.1-0.15%，提高抗大气腐蚀能力,3 碳钢,氮对碳钢机械性能的影响,3.2 碳和常存元素,N：炼钢过程中来自大气。,铁素体中溶解的过饱和N在20
5、0-250时效析出，析出Fe4N，形成“蓝脆”,（钢在300形成表面蓝色的薄氧化膜）,加入Al或Ti，使N形成氮化物形式析出。,3 碳钢,氢对碳钢机械性能的影响,3.2 碳和常存元素,H：炼钢过程中来自潮湿空气。,固溶于铁素体形成“氢脆”,钢材产生“白点”，显著降低塑性和韧性。,3 碳钢,铜对碳钢机械性能的影响,3.2 碳和常存元素,武钢原料中含有铜。,热轧形成表面鱼鳞状开裂： 选择氧化形成富铜层，溶解的铜沿晶界向内扩散，造成热变形脆裂。,含铜0.2-0.4%抗大气腐蚀。耐候钢,Fe-Cu相图,3 碳钢,3.3 强度分级,按屈服强度s分为5个级别:,Q195, Q215 ,Q235, Q255
6、, Q275 如Q235: C Mn Si S P s (Mpa) b (Mpa) 0.14 0.22 0.30 0.65 0.30 0.05 0.045 235 375 460,4 高强度低合金钢,“高强度”是对应于普通碳结构钢而言，其屈服强度规定不小于235MN/m2，抗拉强度规定为375460 MN/m2； “低合金”是指钢中合金元素一般总含量不超过5 %。其英文简写成HSLA Steels。,高强度低合金钢,4.1 概述,4 高强度低合金钢,HSLA发展的几个阶段：,发展阶段,4.1 概述,1.单一加1.5%锰的低碳钢，含碳量最高为0.25%。这种钢的强度级别(屈服强度)只能达到345
7、 MN/m2.,2. 微合金化：加入钒、铌和钛，不仅有细化晶粒作用，而且因为能够形成碳化物在铁素体中沉淀，而产生弥散强化作用，这样就可以把钢的含碳量降低到0.15%以下。,3.微合金化与控制轧制工艺相结合：可更充分发挥合金元素的作用，发挥组织对性能影响的潜力，从而获得高强度、足够的韧性和其他综合性能优异的钢种。,4 高强度低合金钢,性能要求,4.1 概述,1. 较高强度：,2良好塑性15 例：16Mn: b: 345Mpa, :20,3. 良好冷加工、焊接性等,4 高强度低合金钢,固溶强化,4.2 合金化,1固溶强化：,Mn： 3/4 溶入Fe中，1/4溶入Fe3C中， Si：全部溶入Fe中，
8、 1Mn使s提高35 Mpa， 1Si 使s提高85 Mpa 。,4 高强度低合金钢,细化晶粒,4.2 合金化,2.细化晶粒：Hall-Petch公式,s = o + Ky*d -1/2 如晶粒从8级细化到15级，s提高200290 MPa,4 高强度低合金钢,弥散强化,4.2 合金化,3. 弥散强化：,0.1%V使s提高5080 Mpa， 0.01%Ti (Nb) 使s提高3050 Mpa， 当钒钛或钒铌复合加入时强化效果更佳。,4 高强度低合金钢,4.2 合金化,由于钒、钛、铌在钢中有优先形成碳化物的特性，以及它们在铁素体中溶解度的剧烈变化，所以在冷却时形成铁素体阶段，首先在铁素体与奥氏体
9、的相界面上靠铁素体一侧析出各自的碳化物；析出碳化物处，碳浓度下降，使铁素体转变驱动力增加，随后铁素体相向前生长， 相界继续向奥氏体内迁移，又沉淀出新的碳化物，如此重复，构成列状沉淀，这个析出过程被称为“相间沉淀”。,相间沉淀,弥散强化,碳化物的相间沉淀的示意图,多边形铁素体基体， 铜在位错线上的析出,660，700等温20分钟出现相间沉淀,Nb的碳化物的相间沉淀,4 高强度低合金钢,4.2 合金化,获得弥散强化所需要的钒、钛、铌等合金元素含量非常微少， 譬如钒0.050.12%， 钛0.030.15%， 铌0.030.10%， 所以这种合金化常被称为“微合金化”。,弥散强化,4 高强度低合金钢
10、,4.2 合金化,K-S取向关系： 111110, 试验证明，能够起弥散强化作用的碳化物粒子应当是超显微的，它们的直径不过是1020nm，间距不过50nm，其形态如图所示,弥散强化,4 高强度低合金钢,4.3 分类,1建筑结构钢：应用于建筑、桥梁、车辆，有295、345、390、440 MPa级,按用途分类,2钢筋钢：对比第1类有特殊要求，如高强度、冷加工、焊接性能等，有16Mn、20MnSi、20MnTi、45SiMnV等。,3耐候钢：许多建筑结构和铁路车辆结构要求有良好的耐大气腐蚀性能，成功地应用的元素是 铜和磷，如09CuTi、08CuPV就是我国研制的耐大气腐蚀钢，已经成批量地应用于铁
11、路车辆制造，和一些近海设施。,4 高强度低合金钢,4.3 分类,4.低温钢：耐-60 -196低温, 明显特点是低碳或超低碳(0.06%)，另外加入少量钒、钛、铌、铝等细化晶粒元素，以保持钢的低温韧性。,按用途分类,5工程机械用钢： 工程机械如推土机、挖掘机、起重运输机等。 抗拉强度从690至1080 MPa，添加铬、镍、锰以及钼、钒等元素。,4 高强度低合金钢,4.3 分类,一、铁素体珠光体钢 钢中锰的作用一方面是使铁素体固溶强化，另方面是用锰增大钢的奥氏体过冷能力，导致实际晶粒细化。,按组织分类,4 高强度低合金钢,4.3 分类,一、铁素体珠光体钢 16Mn： 一般是在热轧状态下使用， s
12、: 295 345Mpa, : 21 加入Ti、Nb： 15MnV, 15MnTi，16MnNb s: 390Mpa, 15MnVN: s: 440Mpa, 由于形成V(CN) 强度极限 建筑、桥梁,按组织分类,4 高强度低合金钢,4.3 分类,二贝氏体钢 以Mo系或Mo-B为基础，加入Mn, Cr V, Ti, Nb在空冷条件下获得贝氏体。,按组织分类,1合金元素作用：Mo使C曲线右移，且推 迟贝氏体转变弱。 2. 微量B：联合Mo，使C曲线进一步右移 3. Mn、Cr等使贝氏体转变温度降低，可获得更多的下贝氏体，且使淬透性提高.,4 高强度低合金钢,4.3 分类,二贝氏体钢,按组织分类,C
13、曲线如图：,4 高强度低合金钢,4.3 分类,二贝氏体钢,按组织分类,典型钢种： 14MnMoV, 14MnMoVB, 14CrMnMoVB,(1) 成分：C： 0.10.2； Mn： 0.61.0 Mo：0.40.6； B： 0.0010.005 Cr：0. 40.7 (2) 性能：s ： 440 980 MPa b ： 540 1180 MPa,5 机械制造用结构钢,分类：调质钢、渗碳钢、弹簧钢、氮化钢、 易削钢等 用途：轴、齿轮、连杆、弹簧、紧固件等,分类及用途,5.1 概述,5 机械制造用结构钢,承受拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、 震动、摩擦等力作用,受力条件,5.1 概述,5 机械制
14、造用结构钢,1强度水平： 中碳回火索氏体钢： 1350 MPa M时效钢：1850 2250 MPa 高碳冷拔钢丝：2930 3900 MPa,强度与脆性,5.1 概述,2强化方法,3脆性断裂： 韧脆转化温度,4疲劳断裂: 长时承受交变循环应力,5 机械制造用结构钢,零件淬火后获得马氏体层深度的特性, 一般用顶端淬透性曲线表示淬透性,淬透性,5.1 概述,淬透性要求: 某些汽车上的轴，承受弯曲及扭转力，表面受到最大的张应力及切应力，,所以只要求在淬火后轴的1/2半径处 达到80%的马氏体即可；有些重要的销钉或螺栓，在工作时整个截面上受到大的剪切力或张应力，因此要求零件在整个截面上淬成马氏体。,
15、5 机械制造用结构钢,1. 高强度 2. 良好韧性 3. 高淬透性,性能要求,5.2 调质钢,5 机械制造用结构钢,1 C%：中碳 2 合金化： 提高淬透性：Mn、Cr、Ni、B 防止高温回火脆性：Mo,成分及合金化,5.2 调质钢,5 机械制造用结构钢,按淬透性大小分级 1. 40Cr, 40MnB 2. 35CrMo, 40CrNi 3. 40MnMoB 4. 40CrNiMo, 40CrMnMo,典型钢种,5.2 调质钢,5 机械制造用结构钢,典型钢种,5.2 调质钢,C Mn Si Cr Mo 40Cr 0.370.45 0.500.80 0.17.37 0.80 1.10 35CrMo 0.320.40 0.400.70 0.17.37 0.80 1.10 0.15 0.25 40CrNiMo 0.360.44 0.500.80 0.17.37 0.60 0.90 0.15 0.25 Ni: 1.251.75,5 机械制造用结构钢,例1. 40Cr的调质处理 1. 淬火: 850奥氏体化, 油淬获得M 2. 回火: 500高温回火, 获得回火索氏体 性能 : b 980MPa,s 784MPa, ak: 60J/cm2,热处理工艺,5
