金属材料碳钢与合金钢

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1、1,2、冷却时的转变, 等温转变曲线及产物 （共析钢为例）,650,600,550,350,P,S,T,B上,B下,M,M+A,AP,AS,AT,AB上,AB下,AM,过冷A,过冷A,过冷A,过冷A,过冷A,A,2, 用C曲线定性说明连续冷却转变产物,根据与C曲线交点位置判断转变产物,P,均匀A,细A,等温退火,P,P,退火,(炉冷),正火,(空冷),S,淬火,(油冷),T+M+A,等温淬火,B下,M+A,分级淬火,M+A,淬火,(水冷),M回,150-250,T回,350-500,S回,500-650,?,?,?,?,P,T+S回,S,T+B下+M+A,3,第三章 金属材料,3.1 碳钢 3

2、.2 合金钢 3.3 铸钢与铸铁 3.4 有色金属及其合金,黑色金属,有色金属,4,3.1 碳钢,3.1.1 碳钢的成分和分类,1、碳钢的成分（2.11%C）,主要元素：Fe、C 杂质元素：Mn、Si、S、P、H、O、N,2、碳钢的分类 （1）按碳质量分数,5,（2）按质量,（3）按用途,6,（4）按冶炼方法,7,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；半镇静钢b；特殊镇静钢TZ。,3.1.2 碳钢的牌号和用途,1

3、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）,8,钢号：用平均碳质量分数的万分数的数字表示，例如：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

4、类、套筒等,60、65钢主要用来制造弹簧,10,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,11,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

5、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,12,3.2 合金钢,3.2.1 概论,合金钢?,碳钢的不足： 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。,13,1. 改善钢的热处理工艺性能 1)细化奥氏体晶粒 加入Ti、V、Nb、Zr、Al 等，形成细小的碳化物颗粒 2) 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 3) 提高钢的回火抗力，产生二次硬化

6、 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 4) 防止第二类回火脆性(W、Mo),合金元素在钢中的有益作用,14,2. 提高钢的力学性能 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

7、,15,3. 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 提高钢的抗冲击磨损性能 提高钢的耐低温性能,16,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,1合金钢的分类,17,18,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

8、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； 2.5 含量3.49，标3； 3.5%含量4.49，标4；,19,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。,20,3.2.2 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。,21,汽车,桥梁,储气罐,1低合金高强度结构钢（HSLA） High Strength Low Alloye

9、d,(1)用途,容器,船舶,22,高强度 s300MPa 高韧性 =15%20%, kv600800kJ/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,23,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,24,较低强度：16Mn（Q345） 中等强度：15MnVN（Q420） 高等级管线钢

10、，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,南京长江大桥,25,芜湖长江大桥14MnNb,武汉长江大桥,26,2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,27,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,28,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

11、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,29,低淬透性：20Cr 中淬透性：20CrMnTi中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮 高淬透性：18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A飞机坦克曲轴,热处理工艺：渗碳+直接淬火低温回火。 表面组织：合金渗碳体M回火少量A； 心部组织：完全淬透时，低碳M回火 多数情况下， T + M回火 +少量F。,(5) 热处理及组织,(4) 代表性钢种,渗碳淬火后的表层组织,30,例：20CrMnTi钢制汽车变速齿轮工艺路线 下料锻造正火机加工渗碳淬火低温回火精磨喷丸成品,31,3合金调质钢,(1)

12、用途 重要零件：如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。,连杆,齿轮,曲轴,汽车万向节,高的综合机械性能高的强度和良好的塑性、韧性 。 很好的淬透性。,(2)性能要求,32,加入提高淬透性的元素 Cr、Mn、Ni、Si 除了提高淬透性外，还能形成合金铁素体，提高钢的强度。,中碳 0.250.50，以0.4居多。,加人防止第二类回火脆性的元素 Mo、W,(3)成分特点,33,低淬透性： 40Cr，广泛用于一般尺寸的重要零件 中淬透性：35CrMo，截面较大零件如曲轴、连杆 高淬透性： 40CrNiMo，大截面重载荷零件如汽轮机主轴,淬火+高温回火，回火后快冷(水冷或油冷) 组织：S回 要求耐磨性，调质后表

13、面淬火+低温回火或进行专门的化学热处理。,(5) 热处理及组织,(4) 代表性钢种,回火索氏体,34,40Cr钢经不同温度回火后的机械性能 (直径D=12mm, 油淬),35,例1：40Cr 钢制汽车连杆螺栓工艺路线 下料锻造退火机加工调质精加工成品,例2：40Cr 钢制内燃机曲轴工艺路线 下料锻造退火机加工调质半精加工轴颈处感应淬火低温回火精磨成品 最终组织 表层：中碳M回A残 心部： S回 性能：表硬，心韧,36,4、合金弹簧钢,(1)用途 制造各种弹簧和弹性元件。,37,高的弹性极限e，高的屈强比s b 高的疲劳强度r，高的表面质量 足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆断 较好的淬透性，不易

14、脱碳和过热，容易绕卷成型。,(2)性能要求,38,加入以Si、Mn为主的提高淬透性的元素 同时也提高了屈强比， 其中Si作用大。但Si在加热时促进表面脱碳，Mn则使钢易于过热。因此，重要用途的合金弹簧钢须加入Cr、V、W等元素。 合金弹簧钢均为优质钢或高级优质钢,中、高碳 0.5%0.7%,(3)成分特点,39,以Si、Mn为主要合金元素 60Si2Mn 汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧。 含Cr、V、W等元素 50CrVA 350 400 承受重载的较大弹簧,热成型弹簧： 热轧钢丝或钢板制成， 淬火+中温回火(450550) 组织：回火T回,(4) 代表性钢种,(5) 加工、热处理及性能,大型

15、热卷弹簧,40,(1)用途 制造滚动轴承的滚动体(滚珠、滚柱、滚针)、内外套圈,5滚珠轴承钢,41,轴承元件的工况复杂苛刻，性能要求很严，主要有： 高的接触疲劳强度 高的硬度和耐磨性 62HRC64HRC 足够的韧性和淬透性 要求在大气和润滑介质中有一定的耐蚀能力和良好的尺寸稳定性,(2)性能要求,圆柱滚子轴承,自动调 心球轴承,滚针轴承,42,高碳 0.95%1.10%，保证高硬度、高耐磨性和高强度 铬为基本合金元素 0.401.65，铬提高淬透性；形成合金渗碳体，提高耐磨性和疲劳强度 加入硅、锰、钒等 Si、Mn进一步提高淬透性，便于制造大型轴承；V部分溶于奥氏体中，部分形成碳化物VC，提高钢的耐磨性并防止过热。 高的冶金质量 夹杂物往往是接触疲劳破坏的发源点,(3)成分特点,43,过共析钢，球化退火+淬火低温回火 球化退火 目的：降低钢的硬度，以利于切削加工 组织准备，获得细的球状P和细粒状碳化物,GCrl5 除轴承外也常制造冷冲模、量具、丝锥等。,(4) 代表性钢种,(5) 热处理及组织,44,淬火和低温回火 820840 ， 150160。 组织：极细的M回+均匀分布的粒状碳化物+少量A残。 稳定尺寸，淬火后可立即 “冷处理”(-60 -50 )，并在回火和磨削加工后，进