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1、,第五章 常用金属材料,工业用钢的概述 工程结构钢 机械结构用钢 工具钢 铸铁及有色金属,第一节 工业用钢的概述,按化学成 分分类,碳素钢,合金钢,低碳钢(c0.25),中碳钢(c0.250.60),高碳钢(c0.60%,合金元素 总含量,低合金钢(Me5),中合金钢(Me5 10 ),高合金钢(Me 10),合金元素 种类分：,锰钢、铬钢、铬镍钢、 硅锰钢,按质量 分类,按用途,分类,结构钢,工具钢,工程用钢,普通钢(P0.45， S0.50%） 优质钢(s、 p均 0035) 高级优质钢(s、 p均 0025) 建筑工程用钢,桥梁工程用钢 船舶工程用钢 车辆工程用钢,如调质钢、渗碳钢、弹
2、簧钢、轴承钢、耐磨钢,机器用钢: 刃具钢 模具钢 量具钢 不锈钢,特殊钢 耐热钢,钢号的表示方法,一、普通结构钢 分为碳素结构钢和低合金钢 碳素结构钢 牌号: Q 345 C. F 沸腾钢 质量等级 345 MPa 屈服强度,二、优质碳素结构钢 钢号用两位数字表示，表示平均含碳量的万 分之几。 例如：45钢 注意：含Mn量较高，需将Mn元素标出。 例如：50Mn 沸腾钢、半镇静钢及专门用途钢，应在 钢号后面特别标出。 例如：20锅,三、碳素工具钢 在钢号前加“碳”或“T”表示碳素工具钢， 其后跟表示碳质量分数的千分之几的数字。 例如：T8 注意：含Mn量较高， 在钢号后将Mn元素标出。 例如：
3、T8Mn 如为高级或优质碳素工具钢 (s、 p均 0035) ，在钢号后加 “高”或“A”。 例如：T10A钢,四、合金钢 碳质量分数合金元素种类及数量质量级别 结构钢：两位数（万分之一）,工具钢,特殊性能钢 一位数（千分之一）,合金元素的质量分数 小于1.5%时不予标出,钢铁及合金的统一数字代号体系, ,第25位数字代表 不同分类内的编组 和同一编组内不同 牌号的区别顺序号 第一位数字，代表各类 型钢铁及合金细分类 大写拉丁字母，代表不同的钢铁及合金类型,金属材料的失效分析,失效的定义：由于某种原因而丧失其规定功能， 即发生了失效。,失效的类型：,过量变形失效 断裂失效 表面损伤失效 物理性
4、能降级,失效的原因：设计、材料、加工和安装,失效分析方法,失效零件,失效类型 变形 断裂 磨损,力学分析 应力分析,失效分析技术 机械性能测试 化学分析 金相分析 断口分析 无损探伤 应力分析,失效原因,工艺,材料,设计,装配使用,主要抗力指标,改进设计,改进工艺,加强管理,抗力指标 与内部因 素关系,指标与寿命关系,服役条件,第二节 工程结构用钢,结构钢按用途分为工程构件用钢和机器 零件用钢两大类。 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。,工作条件与性能要求,承受长期静载荷，特定温度和介质环
5、境 具有较高的屈服强度和抗拉强度，且塑、 韧性好 良好的加工工艺性能 化学成分：低碳钢和低合金钢,碳素结构钢,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%80，其中大 部分用作钢结构，少量用作机器零件。 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。 普碳钢分为Q195、Q215、Q235、Q255 和Q275等五类。,低合金结构钢,碳素结构钢合金元素（3%） 强度提高2030 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
6、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、 550650 MPa。,Q460钢含Mo、B，正火组织 为B，强度高，用于石化中温 高压容器。,压力容器,南京长江大桥,Q345钢(16Mn)综合性能好， 用于船舶、桥梁、车辆等大 型钢结构。,Q390钢含V、Ti、Nb，强度 高，用于中等压力的容器。,万吨远洋轮,低合金结构用钢的发展趋势,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
7、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。 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。 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。,第三节 机械结构用钢,调质钢：采用调质处理，即淬火+高温回火后使用的优质 碳素钢和合金结构钢，统称为调质钢。 a）调质钢的工作条件及对性能的要求 用于受力较复杂的重要结构零件。如汽车后桥半
8、轴、 连杆、螺栓以及各种轴类零件。 良好的综合力学性能 b）调质钢的成分特点和钢种 调质钢的含碳量在0.300.50%之间，属中碳钢， 含碳量在这一范围内可保证钢的综合性能，含碳量过 低，则影响钢的强度指标，含碳量过高则韧性显得不 足。一般碳素调质钢的含碳量偏上限，对于合金调质 钢，随合金元素的增加，含碳量趋于下限。,耐磨件,弹簧等,中温回火 350500 T回=F针+Fe3C粒,调质件,高合金钢,高温回火 500650 S回=F多+Fe3C球 高温软化 650A1 P回=F多+Fe3C粒,用途,组 织 M回=0.3%C+,名 称 温度() 低温回火 150250,M回=碳化物以极细小的片状分
9、布在马氏体的基体上。 淬火 + 高温回火 = 调质处理,Wc = 0.250.6 %,Wc = 0.250.5 % 合金元素: Cr、Mn、 Ni、B、Si、V、 W、Mo、Ti等。,表层: S回,碳素调质钢,合金调质钢,化 学 成 分,热 处 理 后 的 组 织,心部: P + F,表层: S回,心部: S回,典型合金调质钢种介绍,低淬透性调质钢 钢含合金元素总量3 %。,圆 锥 齿 轮,柴油机凸轮轴,40Cr、40MnB等。 中淬透性调质钢 钢含合金元素总量在 4 %左右。 38 CrSi、35 CrMo 等。 常用于制造齿轮、 轴、连杆等零件。,高淬透性调质钢 钢含合金元素总量在4 %
10、10 %。 制造大截面重载荷零件，如航空发 动机中的涡轮轴、压气机轴等。 如：38 Cr Mo Al A、40 Cr Mn Mo、 25 Cr2 Ni4 W A等。,40Cr钢制造连杆螺栓的 热处理工艺曲线,渗碳钢：经渗碳处理后使用的钢种,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。,对渗碳钢的性能要求:表硬里韧 对渗碳钢的含碳量的要求: 低碳 渗碳钢的热处理特点: 渗碳 淬火 + 低温
11、回火(180200),Wc 0.25 %,Wc = 0.150.25 % 合金元素:Cr、Mn、 Ni、B、V、W、 Mo、Ti等。 表层:M回+Fe3C+A残 心部:低碳M回+F,碳素渗碳钢,合金渗碳钢,化 学 成 分,热,处 表层:M回+Fe3C+A残,理 后 心部:F+P 的 组 织,合金渗碳钢的牌号,20 Mn2 Ti A,等级:高级优质 含钛量WTi1.5 % 含锰量WMn 2 % 含碳量WC 0.2 %,典型合金渗碳钢种介绍,低淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量2 % 15Cr、20Cr、20Mn2。用 于受力小的耐磨件，如柴 油机的活塞销、凸轮轴等。 中淬透性合金渗碳钢 钢含合金
12、元素总量在25% 左右。 20 CrMn、 20CrMnTi、 20Mn2TiB。用于中等载荷 的耐磨件，如变速箱齿轮。,柴油机凸轮轴,活塞销( 20Cr ),高淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量大于5 %。 18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。 用于大载荷的耐磨件， 如柴油机曲轴。,柴油机曲轴,20 CrMnTi 钢制造齿轮的 热处理工艺曲线,弹簧钢,弹簧钢的工作条件 弹簧是各种机器和仪表中的重要零件。它是利用弹性 变形吸收能量以缓和振动和冲击，或依靠弹性储存能 量来起驱动作用。 性能的要求 具有高的屈服点或屈强比 高的疲劳强度 足够的塑性和韧性 耐热性和耐蚀性,耐磨件,弹簧等,中温回
13、火 350500 T回=F针+Fe3C粒,调质件,高合金钢,高温回火 500650 S回=F多+Fe3C球 高温软化 650A1 P回=F多+Fe3C粒,用途,组 织 M回=0.3%C+,名 称 温度() 低温回火 150250,M回=碳化物以极细小的片状分布在马氏体的基体上。 淬火 + 高温回火 = 调质处理,弹簧钢的成分特点和钢种,（1）碳素弹簧钢含碳量一般为0.60.9%，合 金弹簧钢的含碳量为0.450.7%。含碳量过高， 塑性和韧性降低，疲劳极限也下降。,（2）可加入的合金元素有锰、硅、铬、矾和 钨等。加入硅、锰主要是提高淬透性，同时也 提高屈强比，其中硅的作用更为突出。硅、锰 元素
14、的不足之处是硅会促使钢材表面在加热时 脱碳，锰则使钢易于过热。因此，重要用途的 弹簧钢必须加入铬、矾、钨等。它们不仅使钢 材有更高的淬透性，不易脱碳和过热，而且有 更高的高温强度和韧性。 热处理特点：淬火中温回火,碳素弹簧钢,合金弹簧钢,化 学 成 分,热 处 理 后 的 组 织,Wc = 0.60.9 %,Wc = 0.50.7 % 合金元素: Si、Mn、 Cr、V、W、Mo等。,T回 制造尺寸小于 815mm的 小型弹簧。,T回 制造尺寸在2025 mm左右的弹簧。,合金弹簧钢的牌号,65 65 Mn 60 Si 2 Mn 50 Cr V A 50 Cr Mn A 55 Si Mn Mo
15、 V Nb,热成型弹簧,用于生产尺寸大于8mm的大型弹簧， 常用热轧钢丝在热态下成型，然后淬火 中温回火。 组织为回火托氏体。,冷成形弹簧生产工艺特点,用于生产尺寸小于8mm的小型弹簧, 常用弹簧钢丝(片)冷绕成形,其制造方法有: 组织冷成型+200300去应力退火。 60、75、85、65 Mn。 退火组织冷成型+淬火+中温回火。 55Si2Mn、60Si2MnA、50CrVA。,汽车板簧,大型热卷弹簧,热卷大弹簧,弹簧丝,滚动轴承钢：用于制造滚动轴承的钢。,1、滚动轴承钢的工作条件 工作时接触面积很小，不仅有滚动 摩擦，而且有滑动摩擦，承受很高、 很集中的周期性交变载荷，所以常 常是接触疲劳破坏。,2、性能要求: 高的硬度强度和耐磨性; 高的接触疲劳强度; 足够的韧性和耐蚀性; 高的纯净度;,3、化学成分特点:,滚 动 轴 承 钢 是 一
