《工程材料与制造技术基础任云鹏第5章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程材料与制造技术基础任云鹏第5章（56页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、主讲：任 云 鹏 Email: renyp 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 钢的综述 结构钢 工具钢 特殊性能钢 铸铁 工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。 碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。 合金钢是指为了提高钢的性能， 在碳钢中加入一定量合金元素 所获得的铁基合金。 5.1.1、钢材生产简介 5.1 钢的综述 1、钢的制取 铁的冶炼：还原铁矿石得到生铁（2.11%） 钢的冶炼：氧化生铁或碳钢，使其碳含量降低到一定范围；同时也可降 低杂质（Mn、Si、S、P）含量或加入合金元素。 脱氧处理程度：镇静钢（脱氧完全）和沸腾钢（脱氧不完全） 2、钢的型材加工 浇铸、锻造、轧
2、制、挤压、拉拔 3、钢的质量 杂质Si、Mn、S、P的影响 气体氢的影响：白点，导致材料突然断裂。 非金属夹杂物的影响：降低材料塑性，成为裂纹源。 Si硅是有益的元素： 可消除FeO对钢的不良影响； 强化铁素体：固溶强化。作为杂质 其含量应小于0.4%。 Mn锰是有益的元素： 可清除钢中的FeO，改善钢的品质。 强化铁素体：固溶强化。 最高含量可达1.2%。 u钢钢中基本元素为为：Fe 、C； u主要杂质杂质 元素有：Si、Mn、S、P。 杂质杂质 Si、Mn、S、P对钢对钢 性能的影响 硫是有害元素： 常以FeS形式存在。易与Fe在 晶界上形成低熔点共晶产物 (985)，热加工时 (1150
3、1200)，由于其熔化 而导致开裂，称热脆性。 钢中的硫应控制在0.045%以 下。 Mn可消除硫的有害作用, FeS + Mn Fe + MnS， MnS熔点高(1600)。 磷是有害元素： l能全部溶入铁素体中，使钢在 常温下硬度提高，塑性、韧性 急剧下降，称冷脆性。 lP一般控制在0.045%以下。 比利时阿尔伯特运河钢桥因高磷产生冷 脆性于1938年冬发生断裂坠入河中 5.1.2钢的分类、编号和成分 1.钢的分类 1）按化学成分 中碳钢 0.250.6%C 高碳钢 0.6%C 低碳钢 0.25%C 低合金钢 合金元素总量 5% 中合金钢 5% 合金元素总量 10% 高合金钢 合金元素总
4、量 10% 碳素钢 合金钢 钢 类 碳 素 钢合 金 钢 SPSP 普通钢0.0550.0450.0450.045 优 质 钢0.040.040.0350.035 高级优质钢0.0300.0350.0250.025 特级优质钢0.0200.0250.0150.025 2）按质量 u钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。 u分为普通质量钢、优质钢 、高级优质钢 和特级优质钢 . u根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下： 3）按用途 工程结构钢 建筑、桥梁、船舶、车辆 渗碳钢 调质钢 弹簧钢 轴承钢 铸钢 机器结构钢 结 构 钢 刃具钢 模具钢 量具钢 工 具 钢 不锈钢 耐热钢 耐磨钢 特 殊
5、 性 能 钢 2、钢的编号 u编号原则：根据编号可大致看出钢的成分和用途。 u编号方法：汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相 结合。 采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方 法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第 一个字母。 碳钢的编号方法 1）碳素结构钢 牌号：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。 脱氧程度: 沸腾钢F；镇静钢Z；半镇静钢B；特殊镇 静钢TZ。 例如：碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。 2）优质碳素
6、结构钢 牌号：两位数字（表示钢平均含碳量的万分之几）。 例如：45钢平均含碳量为万分之四十五（即0.45%）的 优质碳素结构钢。 含Mn量为0.71.0%时，在两位数字后加元素符号“Mn”， 如40Mn。 高级优质钢在钢号后加字母A，如20A。 3）碳素工具钢 牌号组成：T+数字（表示平均含碳量的千分数） 如T8其平均含碳量为千分之八(0.8%C)。 碳素工具钢都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后加 “A”或“Mn”，例如：T8Mn，T10A 丝锥 锉刀 4）工程用铸造碳钢 牌号组成：ZG + 数字-数字 ZG表示“铸钢”； 两位数字分别表示屈服强度和 抗拉强度，单位为MPa 例如：ZG20
7、0-400 铸钢件 2.5吨大齿轮铸件 合金钢的编号方法 1）低合金高强度钢 牌号：与碳素结构钢编号一致 低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没 有表示脱氧方法的符号。如Q345C。 根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉 伯数字（表示平均含碳量的万分之几）和化学元素符号，按 顺序表示，如16Mn。 说明：通常情况下，屈服强度值小 300MPa时为碳素结构钢，大于 300MPa时为低合金高强度钢。 热连轧钢板热连轧钢板 2) 合金结构钢 牌号：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
8、号，不标含 量。 高级优质钢在牌号后加字母“ A”，如60Si2MnA。 易切削钢在牌号前加“ Y”, 如Y40Mn，表示平均含碳量为 0.4%，平均含锰量小于1.5%的易切削钢。 滚动轴承钢在钢号前加“G”，铬含量以千分之几来表示。如 “GCr15SiMn”的平均含铬量为1.5%，Si、Mn的含量小于1.5% 的滚动轴承钢。 3） 合金工具钢 牌号：含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+ u当含碳量小于1.00%时，含碳量用一位数字标明，这一位数字 表示平均含碳量的千分之几，如8MnSi。 u当含碳量大于1.00%时，不标含碳量。 当合金元素的平均含量小于 1.50%时，只标元素符号， 不标
9、含量。 铣刀 4）特殊性能钢 牌号：数字（含碳量的千分之几）+合金元素符号+该元素 百分含量+ 含碳量的表示方法为 ：当平均含碳量不大 于0.03%及0.08%时 ，钢号前分别冠以00 及0表示。 例如：2Cr13 涡轮叶片 3、各类钢的成分特点 l简单了解，见表5-3 5.1.3 碳钢和合金钢的特点 1、碳钢钢的特点 碳钢是含碳量小于2.11%的铁碳合金。常用碳钢为含碳量都小 于1.4%，并含有硅、锰、硫、磷等杂质的金属材料。 强度、硬度取决于含碳量，可通过热处 理进一步提高。 l 低碳钢： 强度、硬度低，塑性、韧性好，适于冷、热加工与焊接 。 l 中碳钢：综合性能相对较 好，可制作齿轮、主
10、轴及连杆等重要机械 零件。 l 高碳钢： 耐磨性好、硬度中等，可制作刃、模、量具等易磨损的零 件。 淬透性低、回火稳定性差且易开裂。 高、低温性能差、易被腐蚀 成型工艺及热处理工艺简单，成本低、价格便宜。 2、合金钢的特点 为了改善钢的某些性能，特意加入一种或几种合金元素所 炼成的钢。 合金钢的性能特点： 具有较高的强度和塑性一般都要淬火和回火。 淬硬性主要取决于含碳量-具有较高的淬透性。 具有较高的热硬性及其它性能，如抗腐蚀性、磁性等。 成本高，成型工艺和热处理工艺复杂。 3、合金元素在钢中的作用 合金元素可分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素 非碳化物形成元素：Ni、Co、Al、Si等。
11、碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti等。 1）强化钢材 固溶强化：非碳化物形成元素 第二相强化和细晶强化：碳化物形成元素 增大钢的淬透性： Mn、Ni、Cr、Mo、B 提高钢的回火稳定性：Si、 Mo、W、V 2）使钢具备特殊性能 耐蚀钢、奥氏体不锈钢、热稳定钢、热强钢 3）合金元素对钢的工艺性能的影响 合金元素使钢的铸造性能下降（熔点较高的合金元 素使液态金属黏度增加）。 合金元素使钢的锻造性能下降。 合金元素对焊接性能的影响通过碳当量(应小于 0.4%)来判断。 合金元素使钢的切削性能下降。 结构钢按用途可分为： 工程结构钢和机器结构钢。 对结构钢的性能要求为： 使用
12、性能以强韧性为主。 工艺性能以可焊性、淬透性 好为主。 5.2 结构钢 1、普通碳素钢 成分：2.11%，并含有较多硅、锰、硫、磷 等元素的多元铁基合金。 p性能 优点： 结晶温度范围窄，熔点低、流动性好、 具有良好的铸造性能。生产设备 和工艺简单 ， 成本低。 缺点：强度、塑性、韧性都比钢差。 应用最广泛的材料之一。 5.5 铸铁 例如，机床床身 、内燃机的汽缸 体、缸套、活塞 环及轴瓦、曲轴 等都可用铸铁制 造。 铸铁曲轴 内燃机汽缸 铸铁的石墨化： u铸铁中碳原子析出，并形成石墨的 过程称为石墨化。 uFe3C是亚稳相，在一定条件下将发 生分解： Fe3C3Fe+C（石墨） 在铁碳合金中
13、，C是以两种形式存在 的，一种是化合形式的Fe3C，一种是 游离状态的石墨。 u铸铁的石墨化条件： （1）长时间 保温 （2）加入促进石墨化元素时。如：Si 共晶白口铸铁 F基体球墨铸铁 存在两个铁碳相图： Fe-Fe3C和Fe-G双重相图 u共晶反应生成奥氏体和石墨 u奥氏体中析出石墨 u共析反应析出铁素体和石墨 L+G L+Fe3 C 铸铁铸铁 的分类类： 根据石墨化程度和碳在铸铁中的存在形式可以分为：白口铸 铁、灰口铸铁。 u白口铸铁：C绝大多数都是以Fe3C的形式存在的。断口是 银白色。有较大的硬脆性，一般不用作机器零件。 u灰口铸铁：C的存在形式主要为石墨，断口为灰黑色。灰 铸铁是铸
14、造性能最好、应用最广泛的铸铁材料。 u灰口铸铁有根据石墨的存在形式分为：灰铸铁铸铁 、蠕墨铸铸 铁铁、球墨铸铁铸铁 和可锻铸铁锻铸铁 。 灰铸铁齿轮箱灰铸铁齿轮箱 5.5.1 灰铸铁 基体组织有铁铁素体、珠光体和片状石墨三种。 性能：强度、弹性模量较低，塑性、韧性接近零。抗压压强 度大，具有减振和自润润滑作用。制造承受压力和震动的零 件，如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体。 不适于锻造、冲压，焊接性能差，铸造性能好，切削性能 好。 灰铸铁的牌号和用途：表5-19 HT+三位数字：灰铸铁+最低抗拉强度 如HT100 、HT200 影响铸铁组织 和性能的因素： n化学成分： C和Si：含量越高
15、，析出石墨越多、越粗大。Si是促进进石 墨化的元素，如含量过低，石墨难以形成。 C和Si的含量越高，铸造性能越好。 Mn和S：S阻碍石墨化，增加铸铁的热脆性，降低铸造性 能。Mn可与S形成MnS，降低S的有害作用。 P不影响石墨化，但会增加铸铁的冷脆性。 n冷却速度：冷却速度快抑制石墨析出，速度慢，石墨可顺 利析出。 孕育铸铁：向低碳（2.73.3%）、低硅（12%）的 铁水中加入少量孕育剂再浇注的铸铁。 n外来弥散质点增加石墨结晶晶核： 石墨易于析出，切细小、均匀，获得珠光体组织。 n冷却速度对孕育铸铁的组织性能影响较小。 孕育剂： n硅铁 n硅钙铁 灰铸铁选 用：表5-19 5.5.2 蠕墨铸铁 u铁水加入变质剂 后，石墨呈蠕虫状，长宽比为210。 u与灰铸铁相比，石墨端部变圆，应力集中小，力学性 能明显提高。 u蠕墨铸铁常用于制造承受热循环载荷的零件和结构复 杂、强度要求高的铸件。如钢锭模、玻璃模具、柴油 机汽缸、汽缸盖、排气阀、液压阀的阀体、耐压泵的 泵体等。 蠕墨铸铁的显微组织 蠕墨铸铁中的石墨 珠光体基体 铁素体基体 蠕墨铸铁制作的零件 5.5.3. 可锻铸铁 石墨呈团絮状的灰口铸铁，是由白口铸铁经石墨化退火获得 的。 u具有比灰铸铁更好的韧性、
