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1、金属材料,6.1 工业用钢概述,钢的应用范围之广，用量之大，到目前为止还没有哪种金属材料能与之相比。钢的总产量是衡量一个国家工业水平的重要指标。,一. 钢中杂质,Si 作为脱氧剂加入，固溶强化作用强,Mn 作为脱氧剂和脱硫剂加入，消除热脆,P 矿石中代入，产生冷脆,（易切削钢、炮弹钢、薄壁铸件特意加入）,S 炼铁过程中由焦碳带入，产生热脆,（自动切削车床用的易切削钢 含S =0.15%）,N 产生时效脆化,O 形成非金属夹杂,H 产生氢脆,二. 钢的分类与编号,1. 钢的分类,2.钢的编号,普通碳素结构钢：,优质碳素结构钢：,Q235-A,45，60,碳素工具钢：,T8, T10A,普通低合金
2、结构钢（普低钢）:,Q345C 新国标 16Mn 、15MnVTi 旧国标,合金结构钢：,40Cr，20CrMnTi，5Cr2Ni4WA,合金工具钢：,9Cr2， W6Mo5Cr4V2,特殊性能钢：,1Cr17，1Cr18Ni9， 0Cr18Ni9Ti,特意加入：Mn、 Si、 Cr 、Ni、Mo、 W、V、 Ti、 Nb 、Zr 、Al、B 、Re等,6.2 合金元素在钢中的作用,1. 合金元素对钢中基本相的影响,非碳化物形成元素 - Ni、 Si、 Al、Co，溶于F体而产生固溶强化,中强碳化物形成元素 Mn、 Cr 、Mo 、W， 与碳结合形成合金 渗碳体 Mn (FeMn)3C Cr
3、(Fe Cr) 3C,强碳化物形成元素 V、 Ti、Nb 、Zr ， 与碳结合形成碳化物。 Cr7C3、 Cr 23C6 、 MoC WC、VC 、 NbC、TiC,2 合金元素对铁碳相图的影响,扩大奥氏体区域：Ni 、Mn 、C、 N （ Mn 13%、 Ni 9%时，室温时是奥氏体）,缩小奥氏体区域：Cr 、Mo 、Si 、W （ Cr 13%时， 室温时是 铁素体）,3 . 合金元素对热处理及性能的影响,1） 对钢在加热时转变的影响,大多数元素（钴、镍除外） 减慢奥氏体形成的速度；,Ti 、Nb、V、 Al 强烈阻碍奥氏体晶粒长大，细化晶粒；,W、Mo 、Cr 起一定阻碍作用；,Mn、B
4、 促进奥氏体晶粒长大，使晶粒粗化。,所以，合金钢热处理时，要相应提高温度或保温时间。,2）对钢冷却转变的影响,除Co外，绝大多数元素都使C曲线右移，提高钢的淬透性；,除Co、Al外，绝大多数元素都使MS 下降，增加了Ar的数量。,3）对回火转变的影响,（1）提高回火稳定性 既淬火钢在回火时抵抗软化的能力,所以，对于同一回火温度，合金钢具有更高的强度和硬度。 若要求同一回火硬度，则合金钢可在更高的温度回火，因而其塑 性、韧性就更好。,Cr、 Mo、 W 、V 、Ti、Si提高钢的耐回火性较强,（2）产生二次硬化,当含Mo、 W 、V 、Ti量较高的淬火钢，在500 600C回火时，其硬度并不降低
5、，反而升高的现象。,（3）回火脆性,第一类回火脆性（低温回火脆性）：250 350C回火时出现， 无法消除，所以避开。,第二类回火脆性（高温回火脆性）：500-600范围内回火后缓冷 时出现的脆性, 主要发生在含Cr、Ni、Si、Mn等合金元素的 结构钢中。,快冷可避免； 或 对大件可加Mo、W、Nb,6.3 结构钢,工程用钢 普通质量，承受静载荷； 机器用钢 优质钢，承受动载荷，需要热处理。,1.普通碳素结构钢（普碳钢）：,常用牌号： Q175 ，Q195, Q215, Q235，Q255, Q275,Q195钢作各种薄板如黑、白铁皮即镀锌钢板，马口铁即镀锡钢板,应用范围：多为工程结构件，如
6、建筑结构、桥梁、高压电线塔、 钻井架、车辆构件等; 少为普通零件，如铆钉，螺钉，螺母和不重要的渗碳件。,专用构件用钢，如桥梁用钢Q235q和16q; 锅炉用钢，如20g，22 g 等； 船舶用钢如C10，C20等。,2.普通低合金构件用钢 (普低钢),从成分上看为低碳低合金钢，是为了适应大型工程结构（如大 型桥梁，压力容器及船舶等）以减轻结构重量，提高可靠性及节约 材料的需要而发展起来的。,老标准：16Mn, 15MnVTi 等 新标准：Q295，Q345，Q390，Q420，Q460,低碳量：很好地塑性、韧性，满足了轧制，焊接要求,锰：资源丰富，显著强化F，还降低钢的冷脆温度,强碳化物元素如
7、V，Ti，Nb：提高强度，消除钢的过热倾向,如Q235钢，16Mn，15 MnV钢的含碳量相当，但往Q235中加入约1 % Mn（实际只相对多加了0.50.8%）时，就成为16Mn钢， 而其强度却增加近50%，为350MPa； 在16Mn的基础上再多加钒(0.040.12)%，强度又增加至400MPa；且在合金化过程中材料的其他性能也有所改善，大大提高了构件的可靠性和紧凑性，减少了原材料消耗和能源消耗，其经济效益和社会效益是可想而知的。 （南京长江大桥用16Mn钢）,3 .优质结构钢,优质碳素结构钢 + 优质合金结构钢，制造重要的零件， 如齿轮，轴，轴承，弹簧。 有45，40Cr，20CrMn
8、Ti 等,机器零件要加工成各种各样的形状尺寸，更为重要的是其工作时常常要受到各种各样的动静载荷的作用，因此保证其强度，塑性和韧性的有机统一就成为选材的主要矛盾，即零件用钢首先要考虑满足零件的使用性能的需求。,优质碳素结构钢: 08F-用量很大的冷冲压零件,如汽车外壳,仪器仪表外壳; 1025钢-低碳钢,做冲压件、焊接件、渗碳零件,如齿轮,销轴 3055钢-中碳钢，调质处理，做齿轮，轴； 6070钢-高碳钢，制造弹簧、钢丝绳,1） 渗碳钢,(1) 渗碳钢的工作条件及性能要求,在渗碳热处理后才使用。工作时，除要求较高强度可靠性外， 还常常受到较大的表面磨擦和冲击作用，故其性能要求：,a. 有一定的
9、强度和塑性，以抵抗拉伸，弯曲，扭转等变形破坏；,b. 要求表面有较高的硬度和耐磨性，以抵抗磨损及表面接触疲劳破 坏 外硬,c. 有较高的韧性以承受强烈的冲击作用 里韧,d. 当外载是循环作用时，要求零件有好的抗疲劳破坏能力。,(2) 主要钢种,低碳成分,尺寸小，受力小低碳钢；尺寸大，受力大-低碳合金钢,a.低淬透性合金渗碳钢：20Cr,20Mn2（合金总量2%）， D（水）=2035mm，适于冲击较小的耐磨件，如小轴， 活塞销，滑块，小齿轮,b.中淬透性合金渗碳钢： 20CrMnTi,20CrMn（合金总量4%）， D（油）=2560mm，适于中等动载荷的耐磨件，如汽车 变速齿轮，连轴节，齿轮
10、轴，花键轴套,c.高淬透性合金渗碳钢：18Cr2Ni4WA（王牌钢，空冷）， 20Cr2Ni4A（合金总量7.5%），D（油）100mm， 适于中等动载荷的耐磨件，如重载和强烈磨损的大型重要 零件，内燃机车的主动牵引齿轮，柴油机曲轴,(3)渗碳钢的合金化及加工工艺,其中：Cr、Ni、Mn、B等提高材料的淬透性，且可强化铁素体； Mo、Ti形成细小弥散碳化物而细化晶粒，提高强度，韧性，,合金化目标是提高零件的淬透性，从而可以强化组织。,使用的合金元素主要有Cr、Mn、Ni、Mo、Ti、B,以载重汽车变速箱中间轴的三档齿轮为例：20CrMnTi， 表面(58 60)HRC，心部(30 35)HRC
11、 ，渗碳层1.2 1.6mm。 其加工工艺流程为：,下料 - 锻造 - 正火 - 机械加工齿形 - 渗碳（930C）- 淬火 （830C）- 低温回火（200C）- 磨削精加工 - 装配,其中预备热处理-正火后的组织为 F + S，目的是改善锻造组织， 并得到合适的硬度（HB170210），以利于机械加工；,齿轮最终热处理后得到的组织为： 表面至心部由 M回 + 碳化物颗粒 + Ar 逐渐变为 M回 + Ar， 完全淬透时心部组织为低碳 M回 + F，未淬透时则为 F + S。,2)调质钢,经过淬火 + 高温回火处理后使用的结构钢，组织为S回， 有良好的综合机械性能，即高强韧性的统一。,(1)
12、 调质钢工作条件及性能要求,许多机器设备上的重要零件，如机床主轴，汽车拖拉机后桥半 轴，曲轴，连杆，高强螺栓等都使用调质钢，工作时常承受较大的 弯矩，还可能同时传递扭矩；且受力是交变的，因此还常发生疲劳 破坏；在启动工作或刹车时有较大冲击；有些轴类零件与轴承配合 时还会有摩擦磨损；当然工艺上保证零件获得整体均匀的组织也是 必须的，因此其性能要求：,高的屈服强度及疲劳极限； 良好的韧性塑性； 局部表面有一定耐磨性； 较好的淬透性。,(2) 常用调质钢及其合金化,经调质处理后，低碳（或低碳合金）钢韧性很好， 但强度过低；而高碳（或高碳合金）钢则有较高强度，但韧性差。 只有中碳（含碳0.30.5%）
13、或中碳合金钢在调质处理后能够达到 强韧性的最佳配合。,含碳量： 中碳，为0.3% 0.5%,主加合金元素Mn、Cr、Ni、Si ,提高钢的淬透性，保证零件 整体具有良好的综合机械性能,辅加合金元素W、Mo、V、Ti ,细化晶粒，提高回火稳定性和 钢的强韧性，W、Mo 还可抑制第二类回火脆性的发生。,a.低淬透性合金调质钢：45，40Cr,40MnB（合金总量2.5%）， D（油）=3040mm，适于中等截面受力件，如柴油机连 杆，曲轴， 小齿轮，螺栓,b.中淬透性合金调质钢： 38CrSi, 35CrMo，D（油）=4060mm， 适于大截面受重载零件，如内燃机曲轴， 变速箱主动轴,c.高淬透
14、性合金调质钢：40CrNiMnMoA，38CrMoAlA， 40CrMnMoA，D（油）=60100mm， 适于更大截面，更大载荷的重要零件，如汽轮机主轴， 叶 轮，航空发动机等,（3）调质钢的热处理及加工工艺,调质钢零件的热处理主要是毛坯料的预备热处理（为退火或正 火）以及粗加工件的调质处理。,如某型号车床主轴为多阶梯中小尺寸轴，工作时承受交变弯曲 和扭转应力，有时有冲击作用，花键等部分常有磕碰或相对滑动， 其属于中速中载有滚动轴承的工作轴，可选45钢或40Cr 钢。其加 工工艺路线为：,下料 - 锻造 正火 - 粗加工 - 调质 - 铣键槽 - 局部感应淬火+低温回火 - 磨削精加工 -
15、装配,正火处理 可改善锻造组织缺陷，得到细小S，硬度 HB220，适合机械加工。,调质 得S回，使零件整体综合机械性能大大提高；,局部硬化采用表面感应淬火及低温回火 得到表面组织为M回， 使耐磨性提高；心部的组织性能则保持调质状态不变。,3） 弹簧钢 a. 弹簧的使用条件及性能要求 在机器设备中这类零件的主要作用是：间断吸收冲击能量，缓和机械振动及冲击作用以及周期性贮存能量。常用零件如汽车叠板弹簧，仪表弹簧，汽阀弹簧等。 基于上述工作条件，弹簧的主要失效形式为疲劳断裂和由于发生塑性变形而失去弹性。因此其性能要求为： (1) 高的屈服强度，疲劳强度和高的屈强比； (2) 一定的塑性和韧性； (3
16、) 保证组织性能均匀，要求材料淬透性好； (4) 在高温或腐蚀介质下工作时，材料应有好的环境稳定性。,b. 常用弹簧钢及其合金化 分为：碳素弹簧钢和合金弹簧钢。由于这类零件性能以强度要求为主，故其成分特点是： (1) 含碳量较高，一般为(0.50.9)%，碳素弹簧钢取上限，但碳量不宜过高，否则材料变脆； (2) 以Si、Mn为主要合金化元素，作用是提高淬透性，强化铁素体F，并提高回火稳定性（间接提高强度） (3) 以Cr、W、V为辅加合金元素，克服Si、Mn钢的不足（如易过热，有石墨化倾向）。 c. 弹簧钢的热处理及加工工艺 冷成形弹簧：对小型弹簧（如丝径小于810mm的螺旋弹簧或钢带），一般在热处理强化后冷拔或冷卷成形艺；而在冷成
