工程材料与机械制造基础第六章课件

《工程材料与机械制造基础第六章课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程材料与机械制造基础第六章课件（167页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1. 理解并掌握工业用钢的分类和编号方法，基本能由钢号推断出它属于哪一类钢种、大概化学成分和主要用途。 2. 了解钢中常存杂质元素及合金元素对钢性能影响。 3. 掌握常用结构钢（重点渗碳钢和调质钢）、工具钢（重点高速钢）的工作条件、性能特点、化学成分、常规热处理、典型钢种及其主要用途。 4. 熟悉特殊性能钢的基本知识。 5. 结合实例，初步具备合理选择材料、正确确定加工方法、妥善安排加工工艺路线的能力。,第6章 工业用钢,特点：强度、塑性、韧性较好，又具有良好的工艺性能和 较低的价格，因而得到广泛应用（80%）。,工业用钢只要指：,碳钢：含碳量低于2.11%的铁碳合金。,合金钢：为了提高钢的性

2、能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素而得到的钢种。,一、钢的分类及编号,1.钢的分类 按化学成分分,按质量分 钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。 分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。 根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：,按金相组织分,电弧炉炼钢,按用途分,2 钢的编号,1.碳钢的编号,Q+屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号。,（1）碳素结构钢,脱氧方法符号: 沸腾钢F；镇静钢Z；半镇静钢b；特殊镇静钢TZ。,质量等级A、B、C、D，P、S含量依次下降，质量提高。,镇静钢脱氧完全钢。组织致密，成分均匀，力学性能好。,如Q235-AF,沸腾钢脱氧不完全钢。凝固前产生大量

3、CO气泡，引起沸腾。其成分组织不均匀，强度较低，不适于制造重要零件。,Q195、Q215、Q235A、Q235B等钢塑性较好，有一定强度，通常轧制成钢筋、钢板、钢管等，可用于桥梁、建筑物等构件，也可用做普通螺钉、螺帽、铆钉及垫圈等。 Q235C、Q235D可用于重要焊接结构，如锅炉、容器等。 Q255、Q275强度较高，可轧制成型钢、钢板等，用于承受中等载荷的零件，如转轴、链轮及螺纹钢筋等。,常用牌号及用途：,（2）优质碳素结构钢,牌号用两位数字，表示钢中平均含碳量万分之几。,如45钢平均含碳量为0.45%的优质碳素结构钢。,*说明：,含Mn量为0.7-1.0%时，在两位数字后加元素符号“Mn

4、”，如60Mn。,对于沸腾钢和半镇静钢, 在钢号后分别加字母F和b，如08F、10b。,高级优质钢在钢号后加字母A，如20A。,08F、10F、15F、15、20、25等属于低碳钢，强度、硬度低，塑性、韧性好，具有良好的锻压性能和焊接性能。 08F、10F主要用于制造冲压件和焊接件，如壳、盖、罩等；15F主要用于钣金件。 15、20钢属于渗碳钢，常用于制造齿轮、销钉、小轴、螺钉、螺母等。其中，20钢用量最大。,常用牌号及用途：,齿轮,曲轴,常用牌号及用途：,30、35、40、45、50及55等属于中碳钢，经调质处理后，可获得良好综合机械性能，且具有良好的切削加工性。 主要用于制造轴类、齿轮等零

5、件，如曲轴、传动轴、连杆等。其中，45钢应用最广泛。,60、65、70、75等属于高碳钢，经淬火、中温回火后具有较高的强度、弹性、硬度和耐磨性，但塑性韧性较差，其焊接性、可切削加工性及冷变形塑性低。 主要用于制造弹簧、轧辊、凸轮等耐磨工件与钢丝绳等。其中，65钢是最常用的弹簧钢。,（3）碳素工具钢,锉刀,板牙,丝锥,牌号由T + 数字组成，其数字表示平均含碳量的千分之几。,如T8其平均含碳量为 0.8%。,*说明：碳素工具钢都是优质以上质量的钢。 高级优质钢在钢号后加“A”，如T8A。,（4） 铸钢,牌号由ZG +组成。,ZG表示铸钢，其后数字分别表示最低屈服强度和抗拉强度。,如ZG200-4

6、00，表示屈服点s（或0.2）200Mpa且抗拉强度b400MPa的铸造碳钢。 铸钢主要用于制作受力不大且要求一定韧性的各种机械零件，如机座、变速箱壳等。,2.合金钢的编号,牌号由Q+屈服强度值+质量等级符号三部分组成。,（1）低合金高强结构钢 如Q345C。,*说明： s300MPa时为低合金高强度钢。,（2）合金结构钢,牌号由两位数字+元素符号+数字组成。,合金元素平均含量的百分数， 小于1.5时，不标数字。,钢中碳含量的万分数。,若为易切削钢，则在牌号前标Y，如Y40Mn。,若为高级优质钢，则在牌号后加字母A，如60Si2MnA。,如40Cr表示平均含碳量为0.4且铬含量小于1.5合金结

7、构钢。,若为滚动轴承钢，则在牌号前标G，注意数字表示铬含量的数。 例如，GCrl5表示平均含铬量为1.5的滚动轴承钢。,（3）合金工具钢,NOTE：高速钢含碳量无论多少均不标注。,牌号由数字+元素符号+数字组成。,合金元素的平均含量的百分数， 小于1.5时，不标数字。,用一位数字表示平均含碳量的千分数，超过1.0时不标。,例如9SiCr表示平均含碳量为0.9且平均含硅量、含铬量均1.5的合金工具钢。,如Crl2MoV表示平均含碳量不小于1.0、铬平均含量为12且钼和钒平均含量均小于1.5的合金工具钢。,（4）特殊性能钢,其牌号表示方法与合金工具钢牌号表示方法原则相同。,合金元素的平均含量的百分

8、数， 小于1.5时，不标数字。,用一位数字表示平均含碳量的千分数， wc0.08时，用“0”表示；如0Cr18Ni9。 wc 0.03时，用“00”表示，如00Cr18Ni11。,由数字+元素符号+数字,例如，3Crl3钢表示平均含碳量为0.3，平均含铬量为13的特殊性能钢。,二 钢中常存杂质与合金元素,（1）Mn和Si,来源：炼钢时由锰铁脱氧而残留在钢中。 MnF起固溶强化作用，引起钢的强度和硬度；Mn+SMnS，降低硫的有害作用，改善钢的热加工性能。,2.Si,一般认为，锰和硅为钢中的有益元素。,来源：炼钢时用硅铁脱氧而残留在钢中。 SiF起固溶强化作用，引起钢的强度。,1 钢中常存杂质对

9、其性能影响,（3） S,来源：炼钢时由矿石和燃料带到钢中。,以FeS的形式存在，FeS+Fe低熔点共晶体；在压力加工时熔化导致钢材沿晶界开裂“热脆”。,措施：钢中要限硫含量：0.05% 。Mn与S形成MnS(1620）,粒状分布在晶内。,钢中的MnS夹杂,合金晶界的低熔点硫化物共晶,比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆性，于1938年冬发生断裂坠入河中。,(4)P,来源：炼钢时由矿石和燃料带到钢中。,钢中控制P含量：0.045%。,PF，导致钢材强、硬度，塑、韧性，特别是使钢在低温时脆性急剧增加冷脆。,*应用：P多，脆性大，可制作炮弹钢（增加杀伤力）、易切削钢（改善切削加工性）。,激 光 制

10、导 炮 弹,(5)气体元素,N：以FeN、TiN形式存在，使钢的塑性下降，脆性增大, 俗称蓝脆。,O：以氧化物的形式存在，使强度、塑性、疲劳强度下降，易成为疲劳裂纹源。,钢中TiN夹杂,钢中氧化物夹杂,H：,以原子态溶解于钢中，降低韧性，引起氢脆。,当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，俗称白点。,钢中白点,钢的氢脆断口,（1）合金元素在钢中的存在形式 a）合金铁素体 合金元素溶于铁素体，形成合金铁素体，起固溶强化作用。 其中，Si、Mn、Ni强化效果较显著；Cr、W、Mo相对较弱。,2 合金元素在钢中的作用,合金元素对铁素体性能的影响,b）合金渗碳体 弱碳化物

11、形成元素或较低含量中强碳化物形成元素，能置换渗碳体中铁原子，形成合金渗碳体。如(FeMn)3C、Mn3C等。,c）特殊碳化物,强碳化物形成元素或较高含量的中强碳化物形成元素，能够与 碳化合，形成特殊碳化物，如VC、TiC等。 NOTE：合金渗碳体和特殊碳化物具有较高的熔点和稳定性，当它们弥散分布在钢中时，可大大提高钢的强度、硬度和耐磨性，且不降低韧性，这对提高工件的使用性能极为有利。,(2)合金元素对钢性能的影响 a）合金元素改善钢的热处理性能 细化奥氏体晶粒 所有合金元素都阻碍钢在加热时奥氏体晶粒长大，从而使钢热处理后组织细化。 提高淬透性 除Co以外的合金元素均固溶于奥氏体，增加奥氏体的稳

12、定性，减慢过冷奥氏体的分解速度，降低钢在淬火时的临界冷却速度，从而提高淬透性。,提高回火抗力（回火稳定性） 回火抗力：淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力。硬度下降越慢，则回火抗力越高。 这是因为合金元素推迟了马氏体的分解，抵抗硬度下降，因而提高了回火抗力。,与同等含碳量的碳钢相比，在同一温度回火，合金钢有较高的强度和硬度。 而回火至同一硬度，合金钢的回火温度高，保温时间长，内应力消除比较彻底，因而其塑性和韧性比碳钢好。,产生二次硬化 二次硬化：淬火钢在较高温度回火时硬度不降低反而升高现象。 原因：当钢中Cr、W、Mo、V等碳化物形成元素的含量超过一定量时，在400C以上会形成细小弥散分布的特

13、殊碳化物，从而使硬度升高。,防止回火脆性 回火脆性：淬火钢回火后出现韧性下降的现象，如图所示。 第一类回火脆性：在250400C出现冲击韧性下降现象。 目前，尚无有效方法消除，只能避免在此温度范围回火。 第二类回火脆性：在500600C回火后缓慢冷却时出现的冲击韧性下降现象。 防止第二类回火脆性措施： 对较小零件可用回火后快冷方法； 对大型零件可选用含W、Mo的合金钢制造。,b）合金元素提高钢的使用性能 1）合金元素使钢的性能得到强化 由塑性变形理论知：塑性变形是位错在滑移面上运动的结果。,钢中的溶质原子、第二相粒子及晶界等都阻碍位错运动，因而会产生固溶强化、第二相强化及细晶强化，从而使钢的强

14、度、硬度升高。,固溶强化 合金元素溶入钢后形成的合金铁素体，引起晶格畸变，增加位错运动阻力，产生固溶强化。,第二相强化 合金渗碳体和特殊碳化物在钢中加热形成奥氏体时，难以溶于奥氏体，也难以聚集长大。当它们以细小质点分布在钢中时，会阻碍位错运动，从而有效地提高钢的强度和硬度。 细晶强化 大多数合金元素都能细化铁素体和奥氏体晶粒及马氏体针条，且晶粒越细小，位错运动阻力越大，强化效果越显著。,2）合金元素使钢获得特殊性能 合金元素加入钢中可以使钢形成稳定的单相组织或形成致密的氧化膜和金属间化合物，从而使钢获得耐腐蚀、耐热等特殊性能。,NOTE：细晶强化不仅可以提高钢的强度和硬度，而且还能同时提高钢的

15、塑性和韧性，这是其它强化方法不可能做到的。,1 碳素结构钢 （1）成分：0.4%C，P、S 量较多。 （2）性能：可焊性、塑性好。 （3）热处理：热轧空冷态下使用。 （4）使用状态下组织：F+P,（5）用途：常以热轧型材使 用，约占钢材总量的70%。 用于建筑结构，适合焊接、 铆接、栓接等。,热轧钢板,三 结构钢,（1）性能特点,2 低合金高强度结构钢,a） 高强度，可减轻结构重量，节约钢材。 （比采用普通碳结构钢节约15%钢材） b) 足够的塑性、韧性及良好的焊接性能。 c) 良好的耐蚀性及低的韧脆转变温度。,在碳素结构钢基础上加入少量的合金元素而得到的钢种，其含wS、wP均0.045。 主

16、要用来制造强度要求较高的工程结构，如桥梁、船舶、压力容器、机车车辆、房屋、输油管道、锅炉等。,南京长江大桥,(2)成分特点 a) 低碳： wC0.2%，以保证良好塑性、韧性和焊接性能。 b) 合金元素： Mn：强化铁素体； 降低冷脆转变温度； 增加珠光体的量，提高强度。 V、Ti、Nb等主要起细晶强化作用。 Re可提高韧性、疲劳极限，降低冷脆转变温度。,(3)热处理 大多数在热轧空冷状态下使用，其组织为F+S。 (4)常用牌号及用途 Q345钢综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆及建筑结构等。 Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力压力容器。 Q460钢含Mo、B，正火组织为贝氏体，强度高，用于石化中温高压容器、大型船舶及重要桥梁。,船舶,桥梁,储气罐,车辆,(1)性能特点 a) 表硬里韧。 b) 具有高的淬透性和渗碳能力。 (2)成分特点 a) 低碳：0.100.25%。 b) 合金元素： 提高淬透性：Cr、Mn、Ni、B 细化晶粒：W、Mo、Ti、V,3 渗碳钢,指经渗碳、淬火、低温回火后使用