常用工程材料 最终版课件

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1、,2.1 碳钢 一、碳钢中的常存杂质元素及其作用 （1）硅和锰有益元素 作用：脱氧剂，形成MnS，固溶强化， 减少FeO的影响。 （2）硫和磷有害元素 危害：形成低熔点的FeS，使钢产生热脆；使钢产生冷脆。,硅（Si）,（1）可清除钢中的FeO，脱氧能力比Mn强。 它与钢液中的FeO能结成密度较小的硅酸盐以炉渣的形式被除去。从而消除FeO对钢的不良影响。 （2）硅能溶入铁素体中，使铁素体强化，从而提高钢的强度和硬度，但降低塑性和韧性。当含硅量不多时，其对钢的性能影响不大。 （3）总起来说，硅也是一种有益的元素。作为杂质其含量应小于0.4%。,锰（Mn）,（1）可清除钢中的FeO，改善钢的品质。

2、 锰从FeO中夺取氧形成MnO进入炉渣，从而把钢中的FeO还原成铁，改善钢的质量 。 （2）减轻硫的有害作用，降低钢的脆性，改善钢的热加工性能。（MnS在高温时有一定塑性，切削加工中MnS能起断屑作用，因此改善了钢的切削加工性，这类钢称作易切削钢) （3）在室温下锰能大部分溶入铁素体中形成含锰铁素体的置换固溶体，使铁素体强化，提高钢的强度和硬度。 （4）锰在碳钢中的质量分数一般为0.25%0.80%，最高可达1.2%。总起来说，锰是一种有益的元素。,2. 硫（S）、磷（ P）,是有害元素 S是在炼钢时由矿石和燃料带入钢中的 热脆 P是由矿石带入钢中的冷脆 衡量钢的质量的主要指标为含S、 P量。

3、S一般控制在0.05%以下,P一般钢的含磷量控制在0.045%以下。,P,s,（1）硫：可与铁生成FeS， FeS与Fe能形成低熔点（985）的共晶体，且分布在晶界上。当钢材在10001200 进行热压力加工时，由于共晶体熔化，从而导致热加工时开裂。这种金属在高温时出现脆裂的现象，称为“热脆”。 （2）磷：在钢中能全部溶于铁素体中，提高铁素体的强度和硬度。但在室温下却使钢的塑性和韧性急剧下降（Fe3P而使钢的脆性增加 ），产生低温脆性，这种现象称为冷脆。,磷的有害作用在一定条件下可以转化，例如钢中加入适量的磷还可以提高钢材的耐大气腐蚀性能。 在炮弹钢中加入较多磷，可增大钢的脆性，使炮弹在爆炸时

4、碎片增多，从而增加了杀伤力。,二、碳钢的分类、牌号和用途 （一）碳钢的分类 1.按碳的含量分类 2.按质量分类,3.按用途分类 （1）碳素结构钢 主要用于建筑、桥 梁等工程结构和各种机械零件（如齿轮、轴、螺柱、弹簧等）。 （2）碳素工具钢 主要用于种类刀具、量具和模具。如丝锥、板牙、刮刀、锯条、冲模等。 （3）专用钢 包括锅炉钢、船用钢、易切削钢等。,4.按钢液脱氧程度分类 （1）沸腾钢（F） 脱氧不完全，组织 不致密，成分不均匀，性能较差。 （2）镇静钢（Z）脱氧完全，组织致 密，成分较均匀，性能较好。 （3）半镇静钢（b） 脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间。,（二）碳钢的牌号、性能及主要用途

5、 1.普通碳素结构钢(GB/T7001988) 表示方法：用Q、屈服数值、质量等级和脱氧 方法组成。 牌号Q235D示例说明：Q钢的屈服点“屈”字汉语拼音字头； 235最低屈服点值235MPa; D表示质量等级为D 级。有时牌号后面还要分别附加下列符号： F沸腾钢；b 半镇静钢； Z镇静钢；TZ特殊镇静钢。 由于D级质量钢均为特殊镇静钢，故“TZ”符号 可以省略。如Q235DTZ可写为Q235-D。符号“Z”有时亦可省略。,常用碳素结构钢： Q195、Q215、Q235A、Q235B 塑性较好，有一定的强度，通常轧制成钢筋、钢板、钢管等，可用于做桥梁、建筑物等构件，也可用做普通螺钉、螺帽、铆钉

6、等。 Q235C、Q235D可用于重要的焊接件。 Q255、Q275 强度较高，可轧制成型钢、钢板作构件用。 这类钢常在热轧状态下使用，不再进行热处理。 但对某些零件，也可以进行正火、调质、渗碳等处 理，以提高其使用性能。,常用碳素结构钢 钢板钢筋建筑构件 螺钉铆钉钢桥梁,2.优质碳素结构钢 表示方法：用两位数字表示平均含碳量 的万分数，较高含锰量再加Mn。 如：45钢，碳的平均含量为万分之四十 五，即0.45%。 含锰较高的优质碳素结构钢要标出Mn，例如：45Mn。 优质碳素结构钢主要用来制造各种机器 零件。,常用优质碳素结构钢： 螺栓 齿轮 曲轴弹簧,常用优质碳素结构钢： 08F 塑性好，

7、可制造冷冲压零件； 10、20钢 冷冲压性与焊接性能良好， 可用作冲压件及焊接件，经过热处理（如渗 碳）也可以制造轴、销等零件； 35、40、45、50钢 经热处理后，可获得良好的综合机械性能，用来制造齿轮、轴类、套筒等零件； 60、65钢 主要用来制造弹簧。 优质碳素结构钢使用前一般都要经过热处理。,3.碳素工具钢 碳素工具钢的碳质量分数在0.65%1.35%之 间。 表示方法：用“T”加表示平均含碳量千分数的 数字，较高质量再加“A”。 如T8，表示平均碳含量为0.80%的碳素工具钢。 碳素工具钢均为优质钢，若含硫、磷更低，则 为高级优质钢，在钢号后标注“A”字。例如，T12A 表示碳质量

8、分数为1.2%的高级优质碳素工具钢。 碳素工具钢用来制造各种刃具、量具、模具 等。,常用碳素工具钢： T7、T8 硬度较高、韧性较高，可制造冲头、凿子、锤子等工具。 T9、T10、T11硬度高，韧性适中，可制造钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具等。 T12、T13 硬度很高，韧性较低，可制 作锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。 碳素工具钢使用前都要进行热处理。,常用碳素工具钢： 锉刀 量规 钻头,4.铸钢 表示方法：ZG （1）力学性能用最小屈服数值、最 小抗拉强度表示 ZG200400表示最小屈服强度200MPa、 最小抗拉强度400MPa的铸钢。 （2）化学成分用两位数字表示平均含

9、碳量的万分数和化学元素符号及含量百分数表示。 ZG45表示平均含碳量为0.45的铸钢。,铸钢主要用于制造形状复杂，需要一定强度、塑性和 韧性的零件，例如机车车辆、船舶、重型机械的齿轮、轴，以及轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等。 外壳 轧辊 重型机械齿轮,合金钢的编号、性能和主要用途 牌号首部用数字标明碳质量分数。规定结构钢 以万分之一为单位的数字（两位数）、工具钢和特 殊性能钢以千分之一为单位的数字（一位数）来表 示碳质量分数，而工具钢的碳质量分数超过1%，碳质量分数不标出。 在表明碳质量分数数字之后，用元素的化学符 号表明钢中主要合金元素，质量分数由其后面的数 字标明，平均质量分数少于1.5%

10、时不标数，平均质量分数为1.5%2.49%、2.5%3.49%时，相应地标以2、3。 合金结构钢40Cr，平均碳质量分数为0.40%， 主要合金元素Cr的质量分数在1.5%以下。,合金工具钢5CrMnMo，平均碳质量分数为 0.5%，主要合金元素Cr、Mn、Mo的质量分数 均在1.5%以下。 专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明。 如：滚珠轴承钢，在钢号前标以“G”。 GCr15表示碳质量分数约1.0%、铬质量分数约 1.5%（这是一个特例，铬质量分数以千分之一 为单位的数字表示）的滚珠轴承钢。 Y40Mn，表示碳质量分数为0.4%、锰质量分数少于1.5%的易切削钢等等。 对于高级优质钢，则在钢

11、的末尾加“A”字 表明，例如20Cr2Ni4A等。,（一） 合金结构钢 用于制造重要工程结构和机器零件的合 金钢称为合金结构钢。主要有低合金高强度 结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹 簧钢、滚珠轴承钢。 1.低合金结构钢 A . 用途 主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。,容器 船舶 车辆桥梁 储气罐,B. 成分特点 （1）低碳：由于韧性、焊接性和冷成形 性能的要求高，其碳质量分数不超过0.20%。 （2） 加入以锰为主的合金元素。 （3） 加入铌、钛或钒等辅加元素：少量 的铌、钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮化物， 有利于获得细小的铁素体晶粒和提高钢的

12、强度 和韧性。 此外，加入少量铜（0.4%）和磷（0.1%左右）等，可提高抗腐蚀性能。加入少量稀土元素，可以脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能。,（1）合金调质钢 . 用途 合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和 其它机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。 齿轮曲轴 汽车万向节连杆,. 性能要求 调质件大多承受多种工作载荷，受力情况比较复杂，要 求高的综合机械性能，即具有高的强度和良好的塑性、韧性。 合金调质钢还要求有很好的淬透性。但不同零件受力情况不同，对淬透性的要求不一样。 . 成分特点 中碳：碳质量分数一般在0.25%0.50%之间，以0.4%居多； 加入提高淬

13、透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等：这些合金 元素除了提高淬透性外，还能形成合金铁素体，提高钢的强度。如调质处理后的40Cr钢的性能比45钢的性能高很多； 加入防止第二类回火脆性的元素：含Ni、Cr、Mn的合 金调质钢，高温回火慢冷时易产生第二类回火脆性。在钢中加 入Mo、W可以防止第二类回火脆性，其适宜含量：Mo的质量 分数为0.15%0.30%，或W的质量分数为0.8%1.2%。,d. 常用低合金高强度结构钢 Q345 （16Mn） 是我国低合金高强钢中用量最多、产量最大的钢种。使用状态的组织为细晶粒的铁素体珠光体，强度比普通碳素结构钢Q235约高20%30%，耐大气腐蚀性能高20%38%

14、。 Q420 （15MnVN） 中等级别强度钢中使用最多 的钢种。强度较高，且韧性、焊接性及低温韧性也较 好，被广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶等大型结构。强度级别超过500 MPa后，铁素体和珠光体组织难以满足要求，于是发展了低碳贝氏体钢。加入Cr、Mo、Mn、B等元素，有利于空冷条件下得到贝氏体组织，使强度更高，塑性、焊接性能也较好，多用于高压锅炉、高压容器等。,e. 钢种及牌号 40Cr 低淬透性合金调质钢，油淬临界 直径为30 mm40 mm，用于制造一般尺寸 的重要零件。 35CrMo 中淬透性合金调质钢，油淬临 界直径为40 mm60 mm，加入钼不仅可提 高淬透性，而且可防止第二类回

15、火脆性。 40CrNiMo 高淬透性合金调质钢，油淬 临界直径为60 mm100 mm，铬镍钢中加入适当的钼，不但具有好的淬透性，还可消除第二类回火脆性。,f. 热处理和组织性能 合金调质钢的最终热处理是淬火加高温回火。合金调质钢淬透性较高，一般都用油淬，淬透性特别大时甚至可以空冷，这能减少热处理缺陷。合金调质钢的最终性能决定于回火温度。 一般采用500 650 回火。通过选择回 火温度，可以获得所要求的性能。为防止第 二类回火脆性，回火后快冷（水冷或油冷），有利于韧性的提高。,40Cr钢经不同温度回火后的机械性能 （直径12，油淬）,合金调质钢常规热处理后的组织是回火 索氏体。对于表面要求耐

16、磨的零件（如齿 轮、主轴），再进行感应加热表面淬火及 低温回火，表面组织为回火马氏体。表面 硬度可达55 HRC58 HRC。 合金调质钢淬透调质后的屈服强度约为800 MPa， 冲击韧性在800 kJ/m2，心部硬度可达22 HRC25 HRC。若截面尺寸大而未淬透时，性能显著降低。,（2）合金渗碳钢 a. 用途 主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮， 内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。这类零 件在工作中遭受强烈的摩擦磨损，同时又承受较 大的交变载荷，特别是冲击载荷。 拨叉变速齿轮,b. 性能要求 表面渗碳层硬度高，以保证优异的耐 磨性和接触疲劳抗力，同时具有适当的塑性 和韧性。 心部具有高的韧性