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1、,工程材料与机械制造基础,海洋科学与技术学院 贾 非,Dalian University of Technology,第六章 常用金属材料,10:10,主 要 内 容,工业用钢碳素钢合金钢 铸铁铸铁的石墨化常用铸铁 有色金属及其合金铝及其合金铜及其合金钛及钛合金轴承合金,10:10,工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。,碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。 合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。,钢的分类及编号,一、钢的分类 1、按化学成分分,2、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
2、. 根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：,3、按冶炼方法分,4、按金相组织分,电弧炉炼钢,5、按用途分,二、钢的编号 我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、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.,常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T 2212000）,1、碳素结构钢和低合金高强度钢 Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号 Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa； 质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。,脱氧方
3、法符号: 沸腾钢F；镇静钢Z；半镇静钢b；特殊镇静钢TZ。 如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。,钢板,低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱氧方法的符号。如Q345C。 根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字（表示平均含碳量的万分之几）和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。,*说明：通常情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。,热连轧钢板,2、优质碳素结构钢 牌号用两位数字表示。 这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。 如45钢平均含碳量为万分之四十五（即0.45%）的优质碳素结构钢。,钢带
4、,*说明： 含Mn量为0.71.0%时，在两位数字后加元素符号“Mn”，如40Mn。, 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。,钢管,3、合金结构钢和合金弹簧钢 两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素符号+该元素百分含量数字+ 当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量；,当合金元素的平均含量为1.502.49%、2.50 3.49%、3.504.49%、4.505.49%、时，在相应的合金元素符号后标2、3、4、5 等数字。如20CrNi3。 高级优质钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。 特级
5、优质钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。,不锈钢制管板式换热器,所有合金钢的合金元素量标法相同,4、工具钢 碳素工具钢 T + 数字 T表示“碳素工具钢”； 数字表示平均含碳量的千分之几. 如T8其平均含碳量为千分之八(0.8%C)。 *说明：碳素工具钢都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后加“A”，如T8A。,丝锥,锉刀, 合金工具钢 含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+ 当含碳量小于1.00%时，含碳量用一位数字标明，这一位数字表示平均含碳量的千分之几，如8MnSi. 当含碳量大于1.00%时，不标含碳量。,* 高速钢不标含碳量，如W6Mo5Cr4V2(含0.85%C). * 含铬
6、量小于1%时，在含铬量(以千分之一为单位)前加数字“0”，如Cr06。,铣刀,5、轴承钢 G+Cr+铬含量(不标含碳量) “G”表示“滚动轴承钢”。 * 铬含量以千分之一为单位. 如“GCr15”的平均含铬量为1.5%。 渗碳轴承钢牌号的表示方法与合金结构钢相同，仅在牌号头部加字母“G”，如“G20CrNiMo”。,6、不锈钢和耐热钢 含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+ 含碳量以千分之一为单位。,含碳量的表示方法为： 当平均含碳量1.00%时，用两位数字表示，如11Cr17(平均含碳量为1.10%)；,涡轮叶片, 当1.0%平均含碳量0.1%时，用一位数字表示,如2Cr13（平均含碳量为0
7、.20%） 当0.1%含碳量上限 0.03%时，以“0”表示，如0Cr18Ni9（含碳量上限为0.08%） 当0.03%含碳量上限0.01%时（超低碳），以“03”表示，如03Cr19Ni10(含碳量上限为0.03%）, 当含碳量上限0. 01%时(极低碳)，以“01”表示，如01Cr19Ni11（含碳量上限为0.01%）。,汽轮机叶片,* 珠光体耐热钢含碳量的标注同结构钢。如15CrMo 注：旧标准含碳量表示方法为： 当含碳量0.08%时，以“0”表示，如0Cr18. 当含碳量0.03%时，以“00”表示，如00Cr18Ni10.,7、铸钢 ZG + 两位数字 ZG表示“铸钢”； 两位数字表
8、示平均含碳量的万分之几, 如ZG25.,钢中的杂质及合金元素,1、Mn: 0.8%时为杂质, 是有益元素。作用为： 强化铁素体； 消除硫的有害作用。,一、杂质元素对性能的影响,钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S。是由原料带入或脱氧残留的元素。, 强化铁素体； 增加钢液流动性。 3、S：是有害元素。 常以FeS形式存在。易与Fe在晶界上形成低熔点共晶(985)，热加工时(11501200)，由于其熔化而导致开裂，称热脆性. 钢中的硫应控制在0.045%以下.,2、Si：0.5%时为杂质，是有益元素。作用为：,合金晶界的低熔点硫化物共晶,Mn可消除硫的有害作用, FeS + Mn Fe + Mn
9、S， MnS熔点高(1600)。 4、P：也是有害元素。 能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆性。 P一般控制在0.045%以下.,5、气体元素 N：室温下N在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和N在常温放置过程中以FeN、Fe4N形式析出使钢变脆, 称时效脆化. 加Ti、V、Al等元素可使N固定，消除时效倾向。 O：氧在钢中以氧化物的形式存在，其与基体结合力弱，不易变形，易成为疲劳裂纹源., H：常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢中以原子态溶解时，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，称白点或发裂。, 对钢中
10、基本相的影响 1、溶于铁素体, 起固溶强化作用 非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元素都溶于铁素体，形成合金铁素体. Si、Mn对强度、硬度提高显著。Cr、Ni在适当范围内提高韧性。,二、合金元素在钢中的作用,对铁素体冲击韧性影响,2、形成碳化物，起强化相作用 合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为：Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。, Ti、Nb、V为强碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性高，如TiC、VC等。,钢中碳化物, W、Mo、Cr为中碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较高，如W2C等。 Mn、Fe为弱碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、
11、硬度、耐磨性较低，如Fe3C等。,当Mn13%或Ni9%时，S点降到0以下，室温下为单相奥氏体组织，称奥氏体钢。,锰对奥氏体相区的影响, 对Fe - Fe3C相图的影响 1、对奥氏体相区的影响 Ni、Mn、Co、C、N等是扩大奥氏体相区的元素，使A1、A3点下降。, Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等是缩小奥氏体相区的元素，使A1、A3点上升，A4点下降。 当Cr13%时，奥氏体相区消失，室温下为单相铁素体组织，称铁素体钢.,铬对奥氏体相区的影响,2、对E点和S点位置的影响 所有合金元素均使E点和S点左移，即这两点的含碳量下降，使碳含量比较低的钢出现过共析组织（如4Cr13）或共晶组织（如W1
12、8Cr4V）。, 对钢中相变过程的影响 1、对奥氏体化的影响 对奥氏体形成速度的影响：除Ni、Co外，都减缓奥氏体化过程。 对奥氏体晶粒长大倾向的影响：,碳、氮化物形成元素阻碍奥氏体晶粒长大。 Mn、P促进长大。,2、对过冷奥氏体转变的影响 对C曲线和淬透性的影响：除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素均使C曲线右移，淬透性提高。 常用提高淬透性的元素为Mn、Si、Cr、Ni、B。, 对Ms、Mf点的影响：除Co、 Al外,所有元素都 使Ms、Mf点下降。,合金元素对钢淬透性的影响,淬火碳钢 回火 时的 硬度变化,3、对回火转变的影响 提高耐回火性：淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称耐回火性。
13、合金元素能阻碍马氏体分解及碳化物的析出与聚集。,当回火硬度相同时，合金钢比同含碳量碳钢回火温度高。如果同温度回火，合金钢硬度比碳钢高。, 产生二次硬化 含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A转变为M回,使硬度不仅不下降，反而升高的现象称二次硬化。 防止第二类回火脆性 加W、Mo可防止第二类回火脆性。,高速钢,结构钢,对结构钢的性能要求为： 使用性能以强韧性为主。 工艺性能以可焊性、淬透性为主。 合金结构钢除少量为中高合金钢外，都是低合金钢.,铜陵长江公路大桥,1、成分：0.4%C, P、S量及非金属夹杂较多. 2、性能：可焊性、塑性好。 3、热处理：不
14、进行专门热处理，热轧空冷态下使用。 4、使用状态下组织：F+P,一、碳素结构钢,5、用途 常以热轧板、带、棒及型钢使用，用量约占钢材总量的70%。 用于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。,热轧钢板,螺纹钢,黄河小浪底枢纽工程,1、性能要求 高强度及足够韧性。 良好的焊接性能。 良好的耐蚀性及低的韧脆转变温度。 2、成分特点 低碳：0.2%C. 合金元素：主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等。,二、低合金高强度结构钢,3、热处理：大多数热轧空冷后使用。少数可用正火+高温回火处理。 4、使用状态下组织：F+P,低合金高强钢合金元素细化晶粒作用, Mn的作用是强化铁素体；增加珠光体的量。 V、Ti、
15、Nb等起细化晶粒和弥散强化作用。 另外加Cu、P可提高耐蚀性；加RE可提高韧性、疲劳极限，降低冷脆转变温度。,5、用途： Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。 Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的压力容器。 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.,南京长江大桥,制造渗碳零件的钢种。 1、性能要求 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,如淬透性和渗碳能力。,三、渗碳钢,2、成分特点 低碳：0.10.25%C 合金元素作用： 提高淬透性：Cr、Mn、Ni、B 强化铁素体：Cr
16、、Mn、Ni 细化晶粒：W、Mo、Ti、V,3、热处理特点 渗碳件的加工工艺路线为：下料锻造正火机加工渗碳淬火+低温回火 正火目的为调整硬度，便于切削加工。 淬火温度一般为Ac1+30-50。 4、使用状态下组织 心部：M回+F 表层：M回+颗粒状碳化物+A(少量)；,渗碳淬火后的表层组织,5、常用钢号及用途 低淬透性钢：20、20Cr。,柴油机凸轮轴,活塞销(20Cr),用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。,中淬透性钢：20CrMnTi。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。 高淬透性钢：18Cr2Ni4WA.用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。,调质件（螺杆）,调质后使用的钢种。 1、性能要求 良好的综合力学性能. 良好的淬透性。,四、调质钢,
