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1、机械制造 林承全 严义章 主编 机械工业出版社 2010.7,祝大家学习进步！ 为学须用毕生力 攀高贵在少年时 愿知识之泉， 经书籍之渠而奔流进你的心田！,国家级“十二五”规划教材 基于工作过程的项目教材,第 2 页,http:/ 2 工程材料及热处理,第 3 页,2.1 合金钢和非合金钢,钢：是指以铁为主要元素，碳的质量分数Wc2.11%并含有少量硅、锰、磷、硫等杂质元素的铁碳合金。根据国家标准GB/T13304-1991规定，钢按化学成分分为非合金钢、低合金钢、合金钢三类。 钢是通过冶炼获得的。其过程如下： （1）铁矿石、焦炭、和溶剂等原材料经高炉冶炼得到生铁。 （2）生铁在高温的炼钢炉中
2、，通过氧化作用降低生铁中的含碳 量和杂质含量而炼成钢。 非合金钢：是指钢中各元素含量低于规定值的铁碳合金，又称为碳钢，不仅价格低廉，工艺性能好、容易加工，而且能满足一般工程结构和机械零件的使用性能要求，是工业生产中最广泛应用的材料。,第 4 页,2.1 合金钢和非合金钢,2.1.1 非合金钢中的常存杂质元素及其影响 炼钢时有一些杂质元素无法除尽，如锰、硅、硫、磷等。其中硫和磷对钢的韧性影响很大，必须严格控制其含量。根据钢中硫和磷的含量不同，钢可以分为普通优质钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。,第 5 页,2.1 合金钢和非合金钢 1.锰的影响 锰是由炼铁原料铁矿石及炼钢时加脱氧剂（锰铁）中带
3、入的，非合金钢中锰的质量分数一般约为0.25%0.80%。（27）锰的脱氧能力较好，能清除钢中的FeO，降低钢的脆性，与硫化合成MnS，可以减轻硫的有害作用。锰还能溶于铁素体形成置换固溶体，产生固溶强化,提高钢的强度和硬度。锰在钢中是一种有益元素。 2.硅的影响 硅是由炼铁原料铁矿石及炼钢时加脱氧剂（硅铁）中带入的，非合金钢中硅的质量分数一般约为0.10%0.35%，硅的脱氧能力比锰强，与钢液中的FeO生成炉渣，清除FeO对钢质量的不良影响，也能溶于铁素体中产生固溶强化，提高钢的强度和硬度，硅在钢中也是一种有益元素。,第 6 页,2.1 合金钢和非合金钢 3.硫的影响 硫是在炼铁时由矿石和燃料
4、带进的，它不溶于铁，而是以化合物FeS的形式存在。FeS与Fe形成低熔点共晶体（熔点为985），分布在奥氏体的晶界上。当钢在10001250进行热加工时，由于晶界处共晶体熔化，将导致钢变脆而开裂，这种现象称为热脆。因此，硫在钢中是一种有害元素，必须严格控制。 4.磷的影响 磷是炼铁时由矿石带进的，在常温下能溶入铁素体，使钢的强度、硬度提高，但使塑性和韧性降低。尤其在低温下会使钢的塑性、韧性急剧下降，导致钢严重变脆。这种现象称为冷脆。在一般钢中，磷是有害元素，应严格控制。 硫和磷虽是钢中的有害元素，但适当提高它在钢中的含量（一般Ws=0.080.35%、Wp=0.05%0.15%），并适当提高钢
5、中含锰量（0.6%1.55%），使其结合成MnS，可以改善钢的切销性能，降价低工件表面粗糙度。（P37）,第 7 页,2.1 合金钢和非合金钢 钢的分类 按化学成分分：非合金（碳素）钢、合金钢两大类。 按用途分：结构钢、工具钢和特殊性能钢三类。 按质量分：普通钢，优质钢和高级优质钢三类。 按脱氧程度分：镇静钢，沸腾钢等。,第 8 页,2.1 合金钢和非合金钢,2.1.2 非合金钢的分类、编号和用途 一、非合金钢的分类 非合金钢的种类很多，常按以下方法分类。 1.按钢中碳的质量分数分类 低碳钢（Wc0.60%）,第 9 页,2.1 合金钢和非合金钢 2.按钢的用途分类 碳素结构钢 主要用于制作机
6、械零件，工程结构件，一般为低、中碳钢。 碳素工具钢 主要用于制作刀具、量具和模具。一般属于高碳钢。 3.按钢的主要质量等级分类 按钢中有害杂质硫、磷含量分为： 普通钢:Ws=0.035%0.050% Wp=0.035%0.045% 优质钢: Ws、Wp均0.035% 高级优质钢: Ws=0.020%0.030% Wp=0.025%0.030% 特级优质钢: Ws0.015%Wp0.025% 此外，钢按冶炼方法不同；可分为转炉钢和电炉钢；钢按冶炼时脱氧程度的不同，可分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢等。,第 10 页,2.1 合金钢和非合金钢 二、非合金钢的编号 （1）碳素结构钢:牌号以
7、“Q+数字+字母+字母”表示。 其中，“Q”字是屈服点“屈”字的汉语拼音字首，数字表示屈服点值。数字后标注的第一个字母A、B、C、D，表示钢材质量等级不同，从A到D含磷、硫量的依次降低，A级质量最差，D级质量最好。 若为沸腾钢在钢号后加“F”；半镇静钢在钢号后加“b”；镇静钢则不加任何字母或加字母Z；TZ表示特种镇静钢。例如：Q235AF即表示屈服点值为235MPa的A级沸腾钢。,第 11 页,（P29）,第 12 页,2.1 合金钢和非合金钢 用途 钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。,第 13 页,不大于,第 14 页,屈服点,断后伸长率,第 15 页,2.1 合金钢和非合金钢 2.优
8、质碳素结构钢:牌号是采用两位数字表示钢中平均碳质量分数的万倍。例如45钢中平均碳的质量分数WC为0.45%；08钢表示钢中平均碳的质量分数WC为0.08%。 这类钢按含锰量不同，分为普通含锰量（0.35-0.8%）和较高含锰量(0.7-1.2%)两组。含锰量较高的一组，在钢号后加“Mn”。若为沸腾钢，则在数字后加“F”，如08F为含碳量为0.08的沸腾钢。 这类钢随钢号的数字增加，含碳量增加，组织中的珠光体量增加，铁素体量减少。因此，钢的强度硬度也随之增加，而塑性指标随之降低。,第 16 页,特性：与碳素结构钢相比，夹杂物较少，质量较好。力学性能根据碳质量分数不同有较差异。 应用：主要用于机械
9、零件，一般都要经过热处理后使用。,第 17 页,2.1 合金钢和非合金钢 典型优质碳素钢的应用： 08F钢，碳质量分数低，塑性好，强度低，轧成薄板，主要用于冷冲压件如家电、汽车和仪表外壳； 20钢，冷塑性变形和焊接性好可用于强度要求不高的零件及渗碳零件，例如机罩、焊接容器，小轴、螺母、垫圈及渗碳齿轮等； 45钢，经调质后可获得良好的综合力学性能，中碳钢主要用于受力较大的机械零件，如齿轮、连杆、轴等； 65钢（65Mn）钢具有较高的强度；可用于制造各种弹簧、机车轮缘、低速车轮等。,第 18 页,2.1 合金钢和非合金钢 用途：较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。,汽车曲轴,第 19 页,2.
10、1 合金钢和非合金钢 3.碳素工具钢 牌号表示方法：用“碳”字汉语拼音字母字首“T”加上数字表示。数字表示钢平均含碳量的千分数。例如T12钢表示Wc=1.2%的碳素工具钢。如果牌号未尾处写上“A”，则表示钢中含硫、磷量较少，为高级优质钢，如末尾处加上“Mn”,则表示含锰量较高。,第 20 页,第 21 页,2.1 合金钢和非合金钢 特性：碳素工具钢（非合金工具钢）的Wc=0.65%1.35%，特点是生产成本低，加工性能优良、强度、硬度较高，耐磨性好，但塑韧性较差。 应用：适用于各种手用工具。此类钢一般以退火状态供应市场。使用时再进行适当的热处理。,第 22 页,碳素工具钢的化学成分和性能（淬火
11、后HRC62),表2.4 碳素工具钢的化学成分和性能（淬火后HRC62),第 23 页,应用（书上37页表2.3）,第 24 页,用途 冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。,第 25 页,2.1 合金钢和非合金钢 4.铸造碳钢 牌号表示方法：用“铸”和“钢”两字汉语拼音字母字首“ZG”后加两组数字表示，第一组数字表示屈服点的最低值，第二组数字表示抗拉强度的最低值。例如ZG200-400，表示s200MPa，b400MPa的铸钢。,第 26 页,第 27 页,2.1 合金钢和非合金钢 特性：铸钢碳的质量分数一般为0.15%0.6%。铸钢的铸造性能比铸铁差，但力学性能比铸铁好 应用：铸钢主要用于制造形
12、状复杂，力学性能要求高，而在工艺上又很难用锻压等方法成形的比较重要的机械零件，例如汽车的变速箱壳，机车车辆的车钩和联轴器等。,第 28 页,工程用铸造碳钢的牌号、化学成分、力学性能及应用举例（摘自GB/T 11352-1995）,第 29 页,2.1.3 常用合金钢,随着现代工业和科学技术的不断发展，在机械制造中，对工件的强度、硬度、韧性、塑性、耐磨性以及其他各种物理化学性能的要求愈来愈高，碳钢已不能完全满足这些要求了。 原因 ： （1）由碳钢制成的零件尺寸不能太大。否则，因淬透性不够而不能满足对强度与塑性、韧性的要求。加入合金元素可增大淬透性。 （2）用碳钢制成的切削刀具不能满足切削红硬性的
13、要求。用合金工具钢、高速钢和硬质合金。 （3）碳钢不能满足特殊性能的要求，如要求耐热、耐低温、抗腐蚀、有强烈磁性或无磁性等等，只有特种的合金钢才能具有这些性能。,第 30 页,2.1.3 常用合金钢 1、合金元素对钢中的基本相的影响 合金钢中常用的合金元素很多，按照其与碳结合的倾向大小，可分 为 非碳化物形成元素（Co、Ni、Si、Cu、B等）；碳化物形成元素（Ti、V、W、Mo、Cr、Mn等）。 合金元素在钢中的存在形式有： 溶解于钢中的基本相（铁素体、奥氏体和渗碳体）、形成特殊碳化物（如VC、TiC、Cr23C6等）,第 31 页,影响： （1）强化铁素体：非碳化物形成元素和大部分的锰基本
14、上都溶解于铁素体（或奥氏体）中而形成合金铁素体（或合金奥氏体），并产生固溶强化的作用，使合金铁素体的强度、硬度升高，塑性和韧性下降（Cr、Ni、Mn含量少时略有上升）。其中，Si、Mn、Ni的强化作用较大。 （2）形成碳化物：碳化物形成元素（除锰外），当含量较低时，主要是溶入Fe3C中而形成合金渗碳体。合金元素的溶入大大地提高了渗碳体的稳定性。当一些强碳化物形成元素（如Cr 、Ti、V、W、Mo等）的含量较高时，它们还会形成新的稳定性较高或很高的特殊碳化物，如Cr23C6、WC、VC、TiC等。这一类特殊碳化物的特点是高熔点、高硬度。是钢中常用的强化相，随碳化物含量增多，钢的硬度、强度提高，塑
15、性、韧性下降。,第 32 页,2、合金元素对FeFe3C相图的影响 （1）对奥氏体相区的影响。合金元素的影响主要表现在扩大或缩小相区。 一些合金元素如Mn、Ni、等将扩大相区使As线下降（P52） 而另一些合金元素如Cr、Mo、V、Ti、Al、等则缩小相区并导致As线上升。（P53） （2）对S、E点的影响。扩大或缩小相区的结果，必然使FeFe3C相图中的S点、E点和C点的成分和温度发生变化。几乎所有的合金元素都使铁碳相图中S点、E点左移，其中以强碳化物形成元素的作用最为显著。,第 33 页,3、合金元素对热处理的影响 合金元素对热处理相变过程的影响主要在于对奥氏体形成速度和奥氏体晶粒长大的影
16、响。（P53） 合金元素对过冷奥氏体转变的影响：最突出的作用是使C曲线向右移（除钴外），增加过冷奥氏体的稳定性，因而，提高了钢的淬透性。常用的元素有：Cr、Mn、SI、NI和B。 不利方面：使回火脆倾性增大，但一些元素如W、Mn能减弱或防止第二类脆性。,第 34 页,合金元素对回火转变过程的影响表现在三个方面： （1）提高钢的回火稳定性 这主要表现为合金元素在回火过程中推迟了马氏体的分解和残余奥氏体的转变，提高了铁素体的再结晶温度，使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度，从而提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。 （2）产生二次硬化 一些合金元素加入钢中，在回火时，钢的硬度并不是随回火温度的升高一直降低的，而是在达到某一温度后，硬度开始增加，并随着回火温度的进一步提高，硬度也进一步增大，直至达到峰值。这种现象称为回火过程的二次硬化。,第 35
