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1、10.1 工业用钢概述 10.2 碳钢 10.3 合金钢的基础知识 10.4 合金结构钢 10.5 合金工具钢 10.6 特殊性能钢,10.7 铸铁与铸钢 10.8 铝及铝合金 10.9 铜及铜合金 10.10 钛及钛合金 10.11 轴承合金 10.12 新型金属材料,第十章 材料概论,一、 钢中常见杂质元素1、锰：溶于铁素体和渗碳体、增加珠光体量，强化钢。 2、硅：硅溶于铁素体，强化钢。 3、硫：形成低熔点（985）硫化铁与铁的共晶物分布于奥氏体晶界，引起热脆。 4、磷：偏聚于铁素体晶界，引起冷脆。,10.1 工业用钢概述,二、钢的分类 1、按成分分：低C钢：C：0.25% 碳素钢 中C钢
2、：C：0.300.60%高C钢：C：0.6% 合金钢：元素种类 Mn钢、Cr钢、B钢SiMn钢、CrNi钢等低合金钢（M：5% ) 合金含量 中合金钢（M：5-10%）高合金钢（M：10%）,2、按钢冶金质量分： 普通钢：S：0.05% P0.045% 优质钢：S：0.030% P0.035% 高级优质钢：S：0.020% P0.030% 特级优质钢：S0.015% P：0.025%,3、按用途分： 结构钢：工程构件用钢：建筑工程、桥架、船舶、车辆机器零件用钢：调质钢、渗C钢、弹簧钢、轴承钢 工具钢：刀具、量具、模具用钢 特殊钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢4、按冶炼方法分： 沸腾钢：浇注前部分脱O
3、 镇静钢：浇注前完全脱O 半镇静钢：浇注前上二者之间 特殊镇静钢:浇注前彻底脱O,10.2 碳钢 碳钢在钢铁材料中占有重要的地位。一般含C2.11%为钢 常用C钢的质量分数一般都小于1.3% 碳钢应用很广泛： 1.3%C钢强、韧性均较好 比合金钢冶炼简便、加工容易 价格低,三、牌号及用途,1、普通碳素结构钢 牌号表示方法亦例： Q + 数字 + 字母 + 字母（屈服强度MPa）（质量等级A、B、 （脱氧方法：C、D依次提高）,Q235Ab,F-沸腾钢 b-半沸腾钢 Z镇静钢TZ-特殊镇静钢,用途：Q195、Q215、Q235A、Q235B等钢塑性较好，有一定的强度，通常轧制成钢筋、钢板、钢管等
4、，可用于桥梁、建筑物等构件也可用做普通螺钉、螺帽、铆钉等 Q235C、Q235D可用重要的焊接件。 Q235、Q275强度较高，可轧制成型钢，钢板作构件用，这类钢主要保证机械性能。一般情况下，在热轧状态下使用，不再进行热处理,2、优质碳素结构钢供应时，同时保证钢的化学成分和机械性能 牌号： 正常含Mn量：以平均含碳量的两位数字表示，以含C量的万分之一为单位如45钢，含C：0.45%；除08钢外，相邻钢号间隔数为5；10；1565钢。 含Mn量较高：C：0.150.60时Mn：0.71.0%。C：0.60%时Mn：0.91.4%。以含C量的两位数的字后面加以“Mn”或“锰” 如：15Mn 45M
5、n 65Mn,用途：主要用来制造各种机器零件10、20钢冲压性、焊接性好，可作冲压件、焊接件，经过热处理（如渗C），也可制造轴，销等零件 3550钢，综合机械性能好，可制造齿轮、轴类、套筒等 60、65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 含C量：0.651.35%之间 牌号：以平均含C量的千分数的表示（0.10 %为单位）前加“T”或“碳” 如T9钢，含C量：0.9% 碳素工具钢都是优质钢，若为高级优质钢，钢号后加“A”，如T12A，含C%为1.2的高级优质碳素工具钢T7、T8-T13,用途：制造各种刃具、量具、模具等，使用前都要进行热处理 T7、T8硬度高
6、，韧性较好，可制造冲头、子、锤子等 T9、T10、T11硬度高，韧性适中，可制造钻头、刨刀、丝锥、手锯条等 T12、T13硬度高，韧性较低，可制作锉刀、刮刀等刀具及量规等,一、概论碳钢在使用过程中不足： 淬透性低：一般情况下，C钢最大淬透直径只有1520mm 强度和屈强比（s/b）较低：强度的有效利用率低45 s=355MPa, b=600MPa 45Cr s=835MPa, b=1030MPa,10.3 合金钢的基础知识,回火稳定性差,不能满足特殊性能要求抗氧化、耐蚀、耐热、耐低温、耐磨损以及特殊电磁性等方面较差,二、合金钢分类,主要合金元素,按合金元素含量分,高合金钢 中合金钢 低合金钢,
7、Cr钢、CrNi钢、 Mn钢、SiMn钢,W18Cr4V,20Cr2Ni4,40Cr, 20Mn2,按用途分：,合金结构钢 合金工具钢,按室温组织分：,P钢 B钢 M钢 A钢 双相钢,铣刀,卡尺,P,M,B,三、合金钢牌号表示方法 1）低合金高强度结构钢 Q + 数字 + 字母（屈服强度MPa) （质量等级A、B、C、D、E依次提高）,南京长江大桥,2）合金结构钢数字 + 元素符号 + 数字 + 字母,其它如:20 CrMnTi、38CrMoAlA、65Mn2Si,柴油机凸轮轴,例外：滚动轴承钢以G（滚）打头，含碳量不标，含Cr量为千分数,如: GCr15SiMn、GCr15,滚珠轴承,3）合
8、金工具钢 数字 + 元素符号 + 数字 + + 字母,C%1%不标 Me%1.5%不标 A：高级优质钢 例外：高速钢含碳量不标出,刃 具,如：5CrMnMo、CrWMn 、Cr12,四.合金元素对钢的组织和性能的影响,合金元素与铁和碳的作用,合金元素对Fe-Fe3C相图的影响,合金元素对钢的热处理的影响,元素周期表,一)合金元素与铁和碳的作用,1.溶于基体中形成合金,2.与碳作用形成特殊碳化物,3.形成特殊金属间化合物,4.形成非碳化物和非晶相,1.溶于基体中形成合金F或合金A,铁基置换固溶体 Ni、Co、Mn、Cr、V等元素可与Fe形成无限固溶体。其中Ni、Co和Mn形成以-Fe为基的无限固
9、溶体，Cr和V形成以-Fe为基的无限固溶体 Mo和W只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如-Fe(Mo)和-Fe(W)等 Ti、Nb、Ta只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体；Zr、Hf、Pb在Fe具有很小的溶解度,形成铁基间隙固溶体 对-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙 对-Fe，间隙原子优先占据的位置是八面体或四面体间隙 间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按B、C、N、O、H的顺序而增加,2.与碳作用形成碳化物,Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Ta、Nb、Zr、Hf,弱碳化物元素: Fe、Mn,中强碳化物元素: Cr、Mo、W,强碳化物元素: V、Ti、Nb、Zr、Hf
10、,熔点、硬度、耐磨性最高 稳定性最高,VC, TiC,、族金属的碳化物与氮化物具有简单的点阵结构，如TiC、VC、TiN、TaC等 、金属的碳化物与氮化物具有复杂的点阵结构，如Cr7C3、Cr23C6、W2C、Mo2C、(W、Mo、Fe)6C等 在钢中，铁的碳化物与合金碳化物相比，是最不稳定的。渗碳体中Fe的原子可以被若干合金元素的原子所取代。如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)23C等,3形成金属间化合物 （1）金属化合物的类型通常分为正常价化合物、电子化合物及间隙化合物三类。金属间化合物通常仅指电子化合物 （2）在奥氏体不锈钢、马氏体时效钢及许多高温合金中较为重要的金属间化合物是(Cr46
11、Fe54)、(TiFe2)、(Cr21Mo17Fe62)、 (Co7Mo6)、 P(Cr18Ni40Mo42)、R(Cr18Co51Mo31)、 Ni3(Al,Ti)、Ni3(Al,Nb)、(TiAl3)、(TiAl)、 NiAl、NiTi、FeAl、2(Ti3Al)等。,4形成非碳化合物及非晶体相 （1）钢中的非金属相有：FeO、MnO、TiO2、SiO2、Al2O3、Cr2O3、MgOAl2O3、MnOAl2O3、MnS、FeS、2MnOSiO2、CaOSiO2等。非金属夹杂物一般都是有害的 （2）AlN和一些稀土氧化物弥散质点可用来强化钢或其它有色金属合金 （3）在特殊条件下（如快速冷却
12、凝固），可使某些金属或合金形成非晶体相结构。钢中非晶体相的作用目前仍缺乏较详细的实验和理论依据,二)合金元素对Fe-Fe3C相图的影响,扩大奥氏体相区 缩小奥氏体相区 改变共晶点和共析点的参数,A3线温度下降 A4线温度上升,1.扩大奥氏体区的合金元素,Mn、Ni、Co等元素，足够量的Ni或Mn，可完全使体心立方的相从相图上消失，开启奥氏体区，相保持到室温 C、N、Cu、Zn、Au等部分扩大奥氏体区,Mn对A相区的影响,Cr 元素对奥氏体区的影响,A3线温度上升 A4线温度下降,2.缩小奥氏体区的合金元素,Si、Al 和强碳化物形成元素Cr、W、Mo、V、Ti 、P及Be 等封闭相区(无限扩大
13、相区) B、Nb、Zr、Ta 等部分扩大F区,3.改变共晶点和共析点参数的元素,几乎所有的合金元素,作用: 使S点和E点的成分向左移使A1线的温度变化,合金元素对 S 点成分的影响,合金元素对A1线的影响,三)合金元素对钢的热处理的影响,加热时对奥氏体形成的影响 对过冷奥氏体转变的影响 对回火转变的影响,1.合金元素对加热时奥氏体形成的影响,除Mn 元素外,所有合金元素的加入,均使奥氏体的形成速度减慢,强碳化物形成元素能强烈的阻止奥氏体晶粒长大( Ti、V、Zr、Nb 等),非碳化物形成元素能轻微的阻止奥氏体晶粒长大( Si、Ni、Cu、Co 等),2.合金元素对过冷奥氏体转变的影响,除 Co
14、 元素外, 所有的合金元素均使 钢的 TTT 曲线向右移,除 Co、Al 元素外, 所有的合金元素都使马氏体转变温度下降,提高钢的淬透性, 常用的元素有Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。,3.合金元素对回火转变的影响,回火抗力的增加,二次硬化的产生,产生回火脆性,HRC,T/ ,碳钢,合金钢,一）合金元素使回火抗力的增加,二）产生二次硬化,W、Mo、V 等碳化物在550时,使钢达到最高硬度,三）Cr-Ni 钢的回火脆性示意图,预防措施：在500600 快速冷却加入合金元素W、Mo,五.合金元素在钢中的作用,1.主加元素: 对提高钢的性能起主要作用 Si、Mn、 Ni、 Cr、B,2.辅加元素
15、: 配合主加元素进一步提高钢的性能,弥补主加元素的不足与缺陷W、Mo、V、Ti、Nb,力学性能,使用性能,耐腐蚀性、耐热性,强度,塑性,韧性,耐腐蚀性,热强性,抗氧化性,耐热性,工艺性能,铸造性能,锻压性能,焊接性能,热处理性能,切削性能,10.4 合金结构钢 ( Alloy Constructional Steel ),普通低合金钢 合金渗碳钢 合金调质钢 弹簧钢 滚动轴承钢 易切削钢,一.普通低合金钢 ( common low alloyed steel ),1、用途：桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道等。2、性能要求高强度、高韧性、良好焊接性能和冷成型性、低的塑脆转化温度、良好地耐蚀性等,减重，可靠,一.普通低合金钢,3、成分特点低碳：0.2合金元素：主要Mn; 辅加 Nb、Ti、V、Cu等 4、热处理特点：热轧空冷状态，一般不需热处理,5、普通低合金钢常用钢种,
