金属材料--碳钢与合金钢

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1、1,第三章 金属材料,3.1 碳钢 3.2 合金钢 3.3 铸铁 3.4 有色金属及其合金,黑色金属,有色金属,2,3.1 碳钢,3.1.1 碳钢的成分,1、碳钢的成分（2.11%C）,主要元素：Fe、C 杂质元素：Si、 Mn、 S、P、O、 H、 N,杂质元素：,合金元素：,因冶炼等原因，钢中不 可避免地存在的一些元素。,为改善钢的性能，冶炼 时有目的地加入钢中的元素。,3,不管是杂质元素、还是合金元素，,都会对钢的组织和性能产生影响。,3.1.2 化学成分对碳钢性能的影响,4,1、Si的作用,来 源,有益作用,有害影响,炼钢时加入的脱氧剂。,能消除FeO夹杂对钢的不良影响，少量能溶入F中

2、起固溶强化作用，提高钢的强度、硬度及弹性。,过多会造成塑性下降，冲击性能变差。,有益元素,5,2、Mn的作用,来 源,有益作用,有害影响,炼钢时加入的脱氧剂。,能与S化合形成MnS，减轻S的有害影响；少量能溶入F 中起固溶强化作用。,过多会造成塑性下降。,有益元素,6,3、S的作用,来 源,有益作用,有害影响,炼钢原料和燃料。,在钢中形成FeS , FeS与Fe形成低熔点（985）共晶体 分布在晶界上，使得对钢进行热加工时容易脆化开裂，这种现象称为热脆。,有害元素,7,4、P的作用,来 源,有益作用,有害影响,炼钢原料和燃料。,引起钢的塑性和韧性急剧下降，尤其在低温时脆性更大，这种现象称为冷脆

3、。,有害元素,少量能溶入F中，使强度、硬度显著提高。,8,氧、氢、氮的作用,有害元素 高温时溶入钢液，固态钢中溶解度极小，冷却时来不及逸出在钢中形成高压细微气孔 使钢的塑性、韧度、疲劳强度急剧降低，严重时会造成裂纹、脆断。,9,杂质元素总结：,元素有益与有害是相对的：,硅、锰虽有益，但也不是多多益善；,硫、磷虽有害，应该严格控制含量。,氧、氢、氮有害，应该严格控制含量。,10,3.1 碳钢,3.1.3 碳钢的分类,（1）按碳含量分类,碳钢种类繁多，为方便选用， 需根据一定标准将碳钢分类、编号。,塑性好，多用作冲压、焊接和渗碳工件,强度和韧度高，多用要求良好韧度的各种机构零件,硬度高，多用作工具

4、、模具和量具等,11,（2）按质量（按硫和磷的含量来分）,（3）按用途,12,（4）按冶炼方法,13,3.1.4 碳钢的牌号和用途,1碳素结构钢,螺纹钢,热轧状态使用，不进行热处理；可焊性、塑性好；用于制造各种工程构件（如桥梁、船舶、建筑构件等）,14,QAF,屈服点,屈服点s的值,质量等级：A、B、C、D、E,脱氧方法,沸腾钢F,半镇静钢b,镇静钢Z,特殊镇静钢TZ,牌号：用“Q+数字”表示， Q275 、Q235AF、Q235C “Q”为屈服点，数字表示屈服强度的数值。 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。 脱氧方法符号: 沸腾钢F；镇静钢Z；半镇静

5、钢b；特殊镇静钢TZ。,15,例：,Q235AF,表示屈服点为235MPa、质量为A级的碳素结构钢，是沸腾钢。,Q285B,表示屈服点为285MPa、质量为B级的碳素结构钢，是镇静钢，省略Z。,16,碳素结构钢,成 分,热 处 理,性 能,典型牌号,含碳量较低，Wc0.30%,正火，使用时不进行热处理。,较高的强度，良好的塑性与韧性；并具有良好的焊接性。,Q235,17,如表3-1（P28）,Q195、Q215、Q235、Q255、275,一般桥梁、建筑结构，普通机械零件，如螺钉、螺母等。,可用于受力较大的机械零件，如链轮、拉杆等。,应 用,18,钢号：用平均碳质量分数的万分数的数字表示，例如

6、：20 钢表示碳质量分数为0.2(万分之二十) 若钢中锰含量较高，则在这类钢号后附加符号“Mn”，如15Mn、45Mn等。 优质碳素结构钢使用前一般都要经过热处理。主要用来制造各种机器零件（齿轮、轴、连杆等）。,2、优质碳素结构钢,08F ：冷冲压零件； 10、20钢：冷冲压性与焊接性能良好，可用作冲压件及焊接件，经过热处理（如渗碳）也可以制造轴、销等零件；,曲轴,螺栓,35、40、45、50钢，良好的综合机械性能，用来制造齿轮、轴类、套筒等,60、65钢主要用来制造弹簧,20,碳质量分数在0.65%1.35%之间 钢号：用“T +数字”表示。“T”(“碳”的汉语拼音字头)；数字表示平均碳质量

7、分数的千分数。 例如，T9表示碳质量分数为0.9(即千分之九) 的碳素工具钢。 碳素工具钢均为优质钢，若含硫、磷更低，则为高级优质钢，则在钢号后标注“A”字。例如，T12A表示碳质量分数为1.2%的高级优质碳素工具钢。 制造各种工具（刃具、量具、模具等）。,3碳素工具钢,21,碳素工具钢,成 分,热 处 理,性 能,典型牌号,Wc=0.65-1.40%，高碳钢,必须经淬火回火处理。,高的硬度、强度，良好的耐磨性，一定的塑性与韧性。,T8、T10、T12A,各类手工工具和简单模具,低速工具。,22,T7、T8、 T10、 T12、T13A,承受振动、冲击的工具，如冲头、大锤、木工工具。,用于需要

8、较高耐磨性和一定韧性的工具，如手工锯条、剪金属用剪刀。,不受振动和冲击的耐磨工具，如丝锥、锉刀、绞刀、板牙、量具等。,应 用,23,碳素工具钢的牌号、成分、硬度和用途,24,量规,钻头,锉刀,T7、T8 硬度较高、韧性较高，可制造承受冲击的工具如冲头、凿子、锤子等。 T9、T10、T11硬度高，韧性适中，可制造钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具等。 T12、T13 硬度很高，韧性较低，可制作耐磨工具如锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。,木工凿,手锤,25,4、碳素铸钢：,ZG+两组数字（分别表示最小屈服点和最小抗拉强度）。,例：,ZG310-570, 表示最小屈服点为310MPa、最小

9、抗拉强度为570MPa的铸造碳钢。,26,铸造碳钢,成 分,热 处 理,性 能,典型牌号,Wc=0.20-0.60%，低中碳,铸造成形，经热处理后使用。,较高的硬度、强度和塑性、韧性，即综合力学性能较好。,ZG200-400,27,ZG200-400、ZG270-500、ZG310-570,用于受力不大，要求良好塑性和焊接性的零件，如机座、变速箱壳体。,用于受力较大的复杂零件，如轧钢机机架、轴承座、连杆、曲轴、缸体。,强度和耐磨性较好，但韧性、焊接性降低。用于重载齿轮、制动轮。,应 用,28,工程用铸造碳钢的牌号、成分、力学性能和用途,29,3.2 合金钢,3.2.1 概论,合金钢?,碳钢的不

10、足： 淬透性低 15mm20mm 强度和屈强度比较低 Q235与16Mn 回火稳定性差 不能满足特殊性能的要求 为了提高钢的性能，在铁碳合金中特意加入合金元素所获得的钢，称为合金钢。,30,1. 提高钢的机械性能 1) 产生固溶强化 Cr, Ni, Mn, Si 等合金元素固溶于铁素体中，形成合金铁素体，提高钢的强度 2) 产生第二相强化 Mn, Cr, Mo, W, V 等合金元素形成合金渗碳体或特殊碳化物, 提高钢的强度 3) 产生细晶强化 Ti, V, Nb, Zr, Al 等合金元素形成C化物、N化物，阻止奥氏体晶粒长大，从而细化热处理后的组织，提高钢的强度、韧性,合金元素在钢中的有益

11、作用,31,2. 稳定组织、细化晶粒 合金碳化物比渗碳体更稳定，弥散分布不易聚集长大。除锰、磷外几乎所有金属元素都能抑制奥氏体晶粒长大。 因此，合金元素能有效稳定组织、细化晶粒。,合金元素在钢中的有益作用,32,3. 改善钢的热处理工艺性能 1) 提高钢的淬透性 除Co 以外，其他合金元素都能使钢”C” 曲线向右移动 2) 提高钢的回火抗力，产生二次硬化 合金元素固溶于马氏体中，使马氏体回火时分解的难度增大，延缓硬度下降 W、Cr、V、Mo 等，回火时会形成特殊碳化物，使硬度重新升高二次硬化,合金元素在钢中的有益作用,33,回火稳定性:随着回火温度的提高，淬火合金钢的硬度下降比非合金钢慢的现象

12、 二次硬化:在高合金钢种，W、Mo、V等强碳化物形成元素在500600回火时，会形成细小弥散的特殊碳化物，使钢回火后硬度有所回升；同时淬火后残余奥氏体在回火冷却过程中部分转变为马氏体，使钢回火后硬度显著提高；这两种现象都称为“二次硬化” 热硬性:高的回火稳定性和二次硬化使合金钢在较高温度（500600）回火时，仍保持高硬度（60HRC），这种性能称热硬性。 热硬性对高速切削刀具及热变形模具等非常重要。 回火脆性: 回火脆性主要在含Co、Ni、Mn、Si的调质钢中出现，而Mo和W可降低这种回火脆性。,34,4. 使钢具有特殊性能 提高钢的抗腐蚀性能 提高钢的抗高温氧化性能 提高钢的高温强度 提高

13、钢的抗冲击磨损性能 提高钢的耐低温性能,35,按合金元素质量分数多少： 低合金钢(10) 按所含的主要合金元素：铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢 按显微组织：珠光体、马氏体、铁素体、奥氏体、莱氏体钢 按用途：结构钢、工具钢和特殊性能钢,二合金钢的分类,36,37,编号原则：数字+元素符号+数字,2合金钢的编号,例：16Mn 40Cr 60Si2Mn 9SiCr,碳质量分数： 结构钢以万分之一为单位的两位数子； 工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的一位数子； 工具钢的碳含量大于1时不标出。,钢中主要合金元素,合金元素的质量分数，百分之几； 1.5，只标出元素，不标出含量； 1.5含量2.49%，标2；

14、 2.5 含量3.49，标3； 3.5%含量4.49，标4；,38,滚珠轴承钢在钢号前标以“G” ，如GCr15，1C，1.5Cr (注意：铬含量以千分之一为单位) 易切削钢(Y), Y40Mn,专用钢，以用途的汉语拼音字首来标明,高级优质钢，钢的末尾加“A”字表明： 如20Cr2Ni4A等。,39,3.2.2 合金结构钢,制造重要工程结构和机器零件，是合金钢中用途最广，用量最大的一类钢。,40,汽车,桥梁,储气罐,1低合金高强度结构钢（HSLA） High Strength Low Alloyed,(1)用途,容器,船舶,41,高强度 s300MPa 高韧性 =15%20%, kv60080

15、0kJ/m2，高的断裂韧性 良好的焊接性能和冷成型性能 低的冷脆转变温度 良好的耐蚀性,(2)性能要求,比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆性于1938年冬发生断裂坠入河中,42,低碳 0.20，韧性、焊接性和冷成形要求 加入以Mn为主的合金元素 Mn：固溶强化，细化晶粒 加入铌、钛或钒等辅加元素 细晶强化及第二相强化 少量铜和磷等，可提高抗腐蚀性 少量稀土元素，脱硫、去气，净化，韧性和工艺性能,(3)成分特点,43,较低强度：16Mn（Q345） 中等强度：15MnNb（Q420） 高等级管线钢，X70、X80,热轧 空冷 正火 F+S,(5) 热处理及组织,(4) 代表性钢种,九江长江大桥

16、,南京长江大桥,44,芜湖长江大桥14MnNb,武汉长江大桥,45,2合金渗碳钢,(1)用途 变速齿轮、凸轮轴、活塞销等机器零件 摩擦磨损、冲击载荷,增压柴油机曲轴,46,表面硬度高 耐磨性和接触疲劳抗力 心部高韧性和足够高的强度 避免断裂和碎裂、剥落 良好的热处理工艺性能 高的渗碳温度(900950)下，奥氏体晶粒不易长大 有良好的淬透性,(2)性能要求,47,低碳 0.100.25，保证心部有足够的塑性和韧性。 加入提高淬透性的合金元素 Cr、Ni、Mn、B等，提高心部的强度和韧性。 加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素 Ti、V、W、Mo等，合金碳化物。阻止渗碳时奥氏体晶粒长大，提高耐磨性。,(3)成分特点,48,低淬透性：20Cr 中淬透性：20CrMnTi中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮