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1、1材料科学概论第2讲 钢铁材料与应用材料科学与工程学院材料科学与工程学院22.3.1 绪论二、钢的分类和编号方法1、钢的分类按用途分类可满足使用者的要求；按金相组织和化学成分分类可便于检验和研究工作；按冶金方法分类有利于钢铁企业的管理按用途分类：结构钢（包括工程构件用钢和机器零件用钢）、工具钢和特殊性能钢。按化学成分分类：碳钢和合金钢3刃具钢模具钢量具钢冷作模具钢热作模具钢工具钢特殊性能用钢不锈钢耐热钢耐磨钢按用途分工程构件用钢机器零件用钢渗碳钢（0.10.25%C）调质钢（0.30.5%C）弹簧钢（0.50.9%C）滚动轴承钢（0.91.1%C）结构钢建筑、桥梁、船舶、车辆4我国钢材的编号是
2、采用汉语拼音字母、 化学元素符号和 阿拉伯数字相结合的方法。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.2、钢的编号方法5名称符号位置名称符号位置碳素结构钢Q头桥梁用钢q尾低合金高强度钢Q头锅炉用钢g尾易切削钢Y头焊接气瓶用钢HP尾碳素工具钢T头车辆车轴用钢LZ头(滚珠)轴承钢G头机车车轴用钢JZ头焊接用钢H头沸腾钢F尾铆螺钢ML头半镇静钢b尾船用钢国际符号镇静钢Z尾汽车大梁用钢L尾特殊镇静钢TZ尾压力容器用钢R尾质量等级A.B.C.D.E尾常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（ GB/T 2212000）62、钢的
3、编号方法结构钢的编号工具钢的编号特殊性能钢的编号碳素结构钢合金结构钢合金工具钢碳素工具钢普通优质7沸腾钢质量等级、（A级）235为屈服强度（MPa）钢的屈服点Q 235 A F质量等级：A级、B级、C级、D级S%、P% 下降，质量提高F沸腾钢、Z镇静钢、b半镇静钢（1）普通碳素结构钢屈服强度第一个字母Q 、屈服强度数值、质量等级、脱氧方法符号。结构钢的编号规则8（2）优质碳素结构钢以平均含碳量的万分之几表示：10 、 45、 30Mn 平均Wc0.40%40钢40Mn钢WMn0.7 1.0%平均Wc0.40%（3）合金结构钢按含碳量、合金元素化学符号及含量的顺序表示，含碳量以万分之几表示，合金
4、元素平均含量以百分之几表示：45Cr、 45Mn2、 20MnVB 合金元素平均含量小于 1.5时，仅标明元素名称而不注明含量。920 Mn2 Ti A等级:高级优质含钛量WTi1.5 %含锰量WMn 2 %含碳量WC 20 %00合金结构钢的编号举例10符号T( 碳 )标识，其后以含碳量的千分之几表示：T8、 T10、 T8Mn （4）碳素工具钢（5）合金工具钢含碳量以 千分之几表示，当钢中的w(C)1.0 时，不再标出含C量；其合金元素的表示方法与合金结构钢相同：5CrMnMo、 Cr12MoV 特殊性能钢编号与合金工具钢相同工具钢的编号规则11合金工具钢的编号举例Cr 12 Mo VWV
5、1.5 %含钼量WMo1.5 %含铬量WCr=12 %含碳量WC1.0 %12刃具钢模具钢量具钢冷作模具钢热作模具钢工具钢特殊性能用钢不锈钢耐热钢耐磨钢按用途分工程构件用钢机器零件用钢渗碳钢（0.10.25%C）调质钢（0.30.5%C）弹簧钢（0.50.9%C）滚动轴承钢（0.91.1%C）结构钢建筑、桥梁、船舶、车辆132.3.2 工程构件用钢工程构件的工作特点：基本上长期承受静载荷，偶尔有动载荷性能要求： 构件用钢要有较高的强度，一定的塑性和抗过载能力；特殊要求： 在寒冷地区使用的构件，要求有较低的韧脆转变温度和良好的韧性；由于工程构件需要进行焊接或冷压力加工，因此要求构件用钢要有良好的
6、焊接性和冷变形性能；工程构件长期使用于露天和野外，桥梁、船舶、石油钻井平台还长期与海水接触，因而还要求构件用钢要有良好的耐大气腐蚀性和耐海水腐蚀性能。14大型结构骨架工程构件用钢15工程构件用钢16工程构件用钢172.3.3 机器零件用钢机器零件用钢是机械制造业中广泛使用并且用量较大的钢种。工作载荷：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、冲击、震动、摩擦等力的作用，有时是几种力同时作用。工作应力：拉应力、压应力、剪切应力等加载方式：逐渐加载，突然加载（冲击）应力大小：恒定、交变182.3.3 机器零件用钢性能要求以力学性能为主工艺性能为辅机器零件用钢属于结构钢，有优质碳素结构钢和合金结构钢；调质钢渗碳
7、钢弹簧钢滚动轴承钢按其用途、热处理特点分为：192.3.3 机器零件用钢(1) 调质钢经过调质处理，即淬火并经高温回火( 500650 )后使用的结构钢。一般调质钢的力学性能范围大致为：抗拉强度8001200MPa，屈服强度7001000 MPa，延伸率8%15%、冲击韧度 aK60120 J/cm ，韧脆转变温度低于-40。成分:中碳（0.250.5），辅以合金化性能:良好的综合力学性能和淬透性，是应用最为广泛的机器零件用钢。20制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上受力状况比较复杂的的各种重要零件。如齿轮、轴类件、连杆、高强度螺栓等圆锥齿轮用途:机器零件用钢-调质钢调质件（冷却轮）破碎机主轴2
8、1(2) 渗碳钢、氮化钢2.3.3 机器零件用钢有些机器零件，在工作时受到周期性变化的扭转力和弯曲力的作用，同时还与其他零件之间有相对的摩擦和磨损，并有很高的接触应力。这些机器零件要求有高的屈服强度、一定的冲击韧性、高的弯曲疲劳和接触疲劳强度及高的耐磨性 。对这类零件通常采用表面强化的方法来满足力学性能要求，如表面渗碳、碳氮共渗、氮化、表面淬火等。22渗碳钢低碳 （0.10-0.25%）合金元素 Cr、Mn、Ni、Mo-主要提高钢的淬透性；Mo、Ti和V可阻止奥氏体晶粒长大。成分 表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧 良好的热处理性能,如淬透性性能渗碳 淬火+低温回火
9、(180200)热处理2.3.3 机器零件用钢 -渗碳钢、氮化钢渗碳件232.3.3 机器零件用钢 -渗碳钢、氮化钢氮化钢氮化处理是提高零件疲劳强度和耐磨性的有效方法。对一些要求疲劳强度高、耐磨性好、尺寸精确的机器零件，如镗床、磨床的主轴、主轴套筒、蜗杆，柴油机曲轴等，常常采用氮化处理。38CrMoAl等气体氮化、盐浴氮化、固体氮化、离子氮化242.3.3 机器零件用钢 -弹簧钢(3)弹簧钢高弹性极限、疲劳强度，高屈服强度和抗拉强度中、高碳。主加合金元素硅、锰，以提高淬透性和弹性极限。成分:性能:扭转弹簧大型热卷弹簧弹簧丝专门用来制造各种弹簧和弹性元件或类似性能要求的结构零件的主要材料25弹簧
10、钢的牌号弹簧钢的牌号6565 Mn60 Si 2 Mn50 Cr V A50 Cr Mn A55 Si Mn Mo V Nb26轴承： 利用光滑的金属滚珠或滚柱以及润滑的内圈和外圈金属面来减小摩擦2.3.3 机器零件用钢 -轴承钢(4) 轴承钢272.3.3 机器零件用钢 -轴承钢(4) 轴承钢性能要求: 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;滚珠轴承 滚针轴承滚柱轴承28成分:高碳, Wc = 0.951.15%主加Cr, 0.41.65 %辅加Si、Mn优质钢材牌号: G Cr15含Cr量WCr1.5 %滚动轴承钢29常用钢包括：碳素工具钢、低合金工具钢、高合金工具钢
11、（高速钢等） 成分特点：高碳2.3.4 工模具用钢 性能要求：硬度与耐磨性高于被加工材料，能耐热、耐冲击且具有较长的使用寿命工具钢：用于制造刃具、模具、量具等各类工具用钢。30刃具是切削加工的工具，包括手用和机用的车刀、铣刀、刨刀、钻头、丝锥和板牙等。2.3.4 工模具用钢 刃具钢锉刀手锤9SiCr板牙钻头 车刀铣刀312.3.4 工模具用钢 模具钢模具是用于进行压力加工的工具，根据其工作条件及用途不同，常分为冷作模具和 热作模具两类。汽车冲压模具曲轴模具32量具 是度量工件尺寸形状的工具，是计量的基准，如卡尺、块规、塞规及千分尺等。卡尺量规千分尺2.3.4 工模具用钢 模具钢钢种 碳素工具钢
12、、低合金工具钢332.3.5 不锈钢不锈钢 通常是不锈钢（耐大气、蒸汽和水等弱腐蚀介质腐蚀的钢）和耐酸钢（耐酸、碱、盐等强腐蚀介质腐蚀的钢）的统称，全称不锈耐酸钢。医用镊子不锈钢离心泵化工容器广泛用于化工、石油、卫生、食品、建筑、航空、原子能等行业。34金属腐蚀的机理 :金属与介质 ( 干燥气体和非电解质溶液 ) 发生化学反应而产生的腐蚀。例如:高温氧化、脱碳等。金属与介质 ( 电解质溶液,即酸、碱、盐溶液 )发生电化学反应而产生的腐蚀。1)化学腐蚀:2)电化学腐蚀:35电化学腐蚀过程示意图36珠光体电化学腐蚀示意图珠光体电化学腐蚀示意图371）形成钝化膜:加入合金元素Cr、Al、Si 等,
13、成Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜2）提高电极电位:加入合金元素Cr、Ni、Si等,提高金属基体的电极电位不锈钢耐蚀机理不锈钢耐蚀机理3）使钢在室温下组织为单相:加入合金元素Mn、Ni、Co等能扩大区,可在室温获得奥氏体钢。加入合金元素Cr、Mo、W、V、Ti、Si 等能扩大区,可在室温获得铁素体钢。384）化学成分特点:* 低碳: 耐蚀性要求愈高,碳含量愈低。* 合金元素:主加Cr。辅加Ni、Mo、Cu、Ti、Nb、Mn 等。常用不锈钢*铁素体型不锈钢*马氏体型不锈钢*奥氏体型不锈钢392.4 钢材的选用原则材料选用的一般原则 力学性能: 根据零件的工作条件、损坏 (或失效)形式 ,
14、 选择满足力学性能的材料。工艺性: 对零件加工生产有直接影响。经济性: 考虑性价比。40强度弹性极限e，屈服强度s、0.2，抗拉强度b硬度布氏硬度 HBS、洛氏硬度 HRC、维氏硬度 HV塑性延伸率 、断面收缩率 韧性 k弹性模量（E）与构件刚度疲劳强度冲击疲劳断裂韧性一、力学性能与钢材选用常用力学性能指标:41分析零件的工作条件导电性、磁性、热膨胀性、比重、外观等特殊功能1、温度（如低温、高温、常温或变温）2、介质情况（如有无腐蚀或摩擦作用）。环境状况1、载荷的类型（如静载、动载、循环载荷或单调载荷等），2、载荷的作用形式（如拉伸、压缩、弯曲或扭转等），3、载荷的大小以及分布特点（如均布载荷
15、或集中载荷）。受力状况42铸造性能包括金属的流动性、收缩性、结晶组织等锻造性能用金属的塑性和变形抗力综合衡量焊接性衡量标准是焊后产生裂纹的难易。主要依据是含碳量，合金元素的影响用“碳当量”判断切削加工性衡量指标是切削时刀具的耐用度及被加工零件的表面粗糙度工艺性能 包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能及热处理性能等。二、工艺性能与钢材选用43材料的价格在产品的总成本中占有较大的份额（30-70%）。（1）选择更为廉价的材料是降低产品成本的重要手段之一；（2）提高材料的利用程度，降低制造过程中的材料消耗量（我国钢材利用率平均为65%，而美国达到80%）。产品成本分析图产品消费的总成本购置价格使用成本可变成本（生产成本）制造厂利润固定成本基本材料成本日常开支行政费批发与零售费研究与开发费维修费维护费保险费折旧费三、经济性和灵活性
