钢材及其机械性能

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1、钢材及其热处理培训（一） 钢材及其机械性能 什么是钢材 什么特性使得钢材如此实用并重要 钢材的这些特性如何衡量目标问题： 钢是含碳量在0.0218%-2.11%之间的铁碳合金 钢的一些可利用特性： 硬度和强度 展延性和柔韧性 热传导 电传导 磁性 金属光泽什么是钢 1. 按品质分类 2. 按化学成份分类 3. 按成形方法分 4. 按金相组织分类 5. 按用途分类 6. 综合分类 7. 按冶炼方法分类 8. 按钢材外形钢的分类(1)普通钢（P0.045%，S0.055%）(2)优质钢（P、 S 均0.035%）(3)高级优质钢（P0.035%， S0.030%）(1)碳素钢：(2)合金钢：(1)

2、锻钢；(2)铸钢；(3)热轧钢；(4)冷拉钢。(1)建筑及工程用钢(2)结构钢(3)工具钢(4)特殊性能钢(5) 专业用钢(1)正火状态 (2)退火状态(3)无相变或部分发生相变的(1)普通钢(2)优质钢（包括高级优质钢）(1)按炉种分a.平炉钢b.转炉钢c.电炉钢(2)按脱氧程度和浇注制度分a.沸腾钢；b.半镇静钢；c.镇静 钢；d.特殊镇静钢。型材、板材、管材、金属制品在ASTM、SAE、AISI标准中，碳素钢和合金钢牌号的表示方法基本相同。大都采用四位阿 拉伯数字表示，间或在中间或末尾加入字母。例如：1005，94B15，3140等。 -四位数字中的前两位数字表示钢种类型极其主要合金元素

3、含量 -后两位数字表示钢的平均含碳量为万分之几的数值 -举例：SAE4118 41=铬钼合金钢 18=碳含量钢的牌号（1 美标）1.碳素结构钢 钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音”Q”、屈服点数值（单位为MPa）在标准中现含有Q195、 Q215、Q235、Q255、Q275五个牌号，它们的主要区别在于化学成分（主要是碳含量）和力 学性能不同。 2.优质碳素结构钢 钢的牌号采用阿拉伯数字或阿拉伯数字和化学元素符号表示。以二位阿拉伯数字表示平均 含碳量（以万分之几计），例如：“45”、“65Mn”。 3.低合金高强度结构钢 钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音”Q”、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、

4、D、E）三 部分按顺序排列组成，例如：Q390A、Q420E。 4.合金结构钢 钢的牌号采用阿拉伯数字和化学元素符号表示。采用二位阿拉伯数字表示平均碳含量（以 万分之几计），放在牌号头部。合金元素含量表示方法为：当平均合金元素含量低于1.5% 时，牌号中仅标明元素，一般不标明含量；当平均合金元素含量为1.50-2.49%, 2.50- 3.49% % 时，相应地在合金元素符号后面加上 。例如：碳、铬、锰、硅的平均含量分别 为0.35%、1.25%、0.95%、1.25%的合金结构钢，其牌号表示为35CrMnSi；碳、铬、镍的平 均含量分别为0.12%、0.75%、2.95%的合金结构钢，牌号表

5、示为12CrNi3。钢的牌号（2 国标） C 元素的影响 - 决定最大可获得硬度 0.2% 典型的渗碳与碳氮 共渗用 0.30.4% 典型直接淬火 ，渗氮与感应淬火 0.51.0% 典型直接淬火化学元素对钢性能的影响 （1）1、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接 性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显 著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。硅显著提高钢的抗冲击性和回火稳定性

6、。 3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.300.50%。在碳素钢中加入0.80% 以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的 热加工性能，含锰1114%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。 4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能 变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些，对相图转变无明显影响。 5、硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成 裂纹。硫对焊接性能

7、也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。在钢 中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。 6、铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。 7、镍(Ni)：镍能显著提高钢的淬透性和低温韧性。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用 。 8、钼(Mo)：碳化物形成元素，钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，还可以抑制合金钢由于回火而引 起的脆性，在工具钢中可提高红硬性。 9、钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒，钢中钛含量超过0.065wt%

8、会降低机械加 工性。 10、钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物， 在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。 11、铝(Al)：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，钢中铝含量不易超过 0.08wt%, 以防止产生冰糖状断口的脆断！ 12、硼(B)：钢中加入微量的硼（0.0005-0.003%）就可改善钢的淬透性。化学元素对钢性能的影响 （2）钢的机械性能 指在外力（载荷）作用时表现出来的性能，包括强度、塑 性、硬度、韧性及疲劳强度等。 拉伸试验 硬度试验 冲击试验 疲劳试验钢的机械性能的度量金属材料的强度指标根

9、据其变形特点分下列 几个： 一 强度 弹性极限（e） 表示材料保持弹性变形 , 不产生永久变形的最大应力, 是弹性零件 的设计依据。 屈服点（s） 表示金属开始发生明显塑 性变形的抗力, 铸铁等材料没有明显的屈服 现象, 则用条件屈服点（0.2 ）来表示: 产生0.2%残余应变时的应力值。 强度极限(抗拉强度b ) 表示金属受拉 时所能承受的最大应力。二 塑性 断裂前材料产生永久变形的能力 称为塑性, 用伸长率和断面收缩率来表示。 伸长率（） 在拉伸试验中, 试样拉断 后, 标距的伸长与原始标距的百分比称为伸 长率。 断面收缩率（） 试样拉断后, 缩颈处 截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比

10、 称为断面收缩率。 钢的机械性能的度量-拉伸试验（1）比例极限及弹性模量E 应力 应变 曲线上o a段，按一般工程精度要求 ，可视为直线，在a点以下，应力与 应变成正比。对应于a点的应力，称 为比例极限，用E表示比例常数，则 有这就是虎克定律，其中比例常数E表 示产生单位应变时所需的 应力，是 反映材料对弹性变形抵抗能力的一 个性能指标，称为抗拉弹性模量，简 称弹性模量。不同材料，其比例极 限和弹性模量E也不同。例如，低碳 钢中的普通碳素钢A3比例极限约 200MPa，弹性模量约200GPa。钢的机械性能的度量-拉伸试验（2）钢的机械性能的度量-拉伸试验（3）弹性极限 屈服点强度极限或抗拉强度

11、伸长率截面收缩率 实验设备及测量仪器 1、万能材料试验机 2、游标卡尺 试样的制备 （1E0552）钢的机械性能的度量-拉伸试验（4）WE-600B型液压式万能试验机 一些典型材料的拉伸曲线示意图 总的来说，碳含量越高，抗拉强度越高钢的机械性能的度量-拉伸试验（5）硬度是衡量金属材料软硬程 度的一项重要的性能指标， 它既可理解为是材料抵抗弹 性变形、塑性变形或破坏的 能力，也可表述为材料抵抗 残余变形和反破坏的能力。 硬度不是一个简单的物理概 念，而是材料弹性、塑性、 强度和韧性等力学性能的综 合指标。硬度试验根据其测试方法的不 同可分为：静压法（如布氏硬度、洛氏 硬度、维氏硬度等）、划痕法（

12、如莫氏硬度）回跳法（如肖氏硬度）显微硬度高温硬度钢的机械性能的度量硬度试验（1）TS(MPa)=3.55 x HB (HB175)注：TS=抗拉强度，HB=布氏硬度3000kg、10mm球，公式 为粗略关系，只适用于钢材。布氏硬度试验一般采用直径10毫米 的球形钢压头，用一定的负荷（试 验力）压入被测材料表面。布氏硬 度值是以试验力除以压痕球形表面 积所得的商，单位为N/mm2(MPa)。常见的试验力可高达3,000千克力 (29千牛顿)；对于软的材料则可用 较小的负荷。如果试验材料很硬， 则以碳化钨球压头代替钢压头。保 持负荷一定时间后，卸除试验力， 测量材料表面留下的压痕之直径。钢的机械性

13、能的度量硬度试验（2）采用淬硬度钢球压头时标 HBS ；采用碳化钨压头时标 HBW 洛式硬度（HR-）是以压痕塑性变形深 度来确定硬度值指标。以0.002毫米作为 一个硬度单位。当HB450或者试样过 小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛 氏硬度计量。它是用一个顶角120的金 刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢 球，在一定载荷下压入被测材料表面， 由压痕的深度求出材料的硬度。根据试 验材料硬度的不同，分三种不同的标度 来表示： HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器 求得的硬度，用于硬度极高的材料(如 硬质合金等)。 HRB：是采用100kg载荷和直径1.59mm 淬硬的钢球，求得的

14、硬度，用于硬度较 低的材料(如退火钢、铸铁等)。 HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入 器求得的硬度，用于硬度很高的材料( 如淬火钢等)。钢的机械性能的度量硬度试验（3）维氏硬度(HV) 以120kg以 内的载荷和顶角为136的 金刚石方形锥压入器压入 材料表面，用材料压痕凹 坑的表面积除以载荷值。努氏硬度（HK）钢的机械性能的度量硬度试验（4）Charpy impact test 用以测定金属 材料抗缺口敏感性(韧性)的试验 。制备有一定形状和尺寸的金属 试样，使其具有U形缺口或V形 缺口，在夏比冲击试验机上处于 简支梁状态，以试验机举起的摆 锤作一次冲击，使试样沿缺口冲 断，用折断时摆锤重新升起高度 差计算试样的吸收功，即为Aku 和Akv。可在不同温度下作冲击 试验。吸收功值(焦耳)大，表示 材料韧性好，对结构中的缺口或 其他的应力集中情况不敏感。对 重要结构的材料近年来趋向于采 用更能反映缺口效应的V形缺口 试样做冲击试验。钢的机械性能的度量冲击试验 材料、零件和构件在循 环加载下，在某点或某 些点产生局部的永久性 损伤，并在一定循环次 数后形成裂纹、或使裂 纹进一步扩展直到完全 断裂的现象。钢的机械性能的度量疲劳性能