第三篇 常用工程材料,金属材料 陶瓷材料 高分子材料 （自学） 复合材料 （自学） 功能材料概述（自学）,第一章 金属材料,钢铁材料 有色金属材料,钢铁材料,碳钢 合金钢 铸铁,§1、钢铁材料,一、碳钢 （一）碳钢中的杂质 锰 ——有益；0.25～0.80% 脱氧剂： 降低FeO→↓脆性， 脱硫剂： Mn+S→MnS(降低S的有害作用) ↑热加工性能 固溶强化，使性能更优 Si ——有益 脱氧→↓脆性 固溶强化,磷 ——有害 Fe3P 室温下100℃，脆性大→ 硫 —— 有害 985℃时， 产生的共晶体（Fe+FeS）→ 加入Mn→MnS（除硫） O、N、H O ——↓机械性能 ，强度、塑性降低，有害元素 N ——产生兰脆，有害元素 若钢中存在Al、V、Ti↑→兰脆消失→强度，硬度提高 H —— 氢脆、白点，有害元素,冷脆,热脆,（二）碳钢的分类,碳含量 ：（0.1～1.3％） 低碳钢：C%0.55% 质量 （S、P杂质含量） 普碳钢：S≤0.055％；P ≤0.045％ 优质碳素钢： S≤0.045％；P ≤0.040％ 高级优质碳素钢： S≤0.030％；P ≤0.035％ 按用途 ： 碳素结构钢 碳素工具钢 铸钢,（三）碳钢的牌号及应用,普通碳素结构钢 牌号：碳素结构钢分为五类20种 主要依据钢材的屈服强度数值进行划分 Q——代表钢的屈服点字母 XXX——厚度（或直径）不大于16mm的钢的屈服强度数值 然后以钢的质量等级和脱氧方法进行细分。
质量等级符号——有害元素（S、P）含量 A（S≤0.050％；P ≤0.045％） B （S≤0.045％；P ≤0.045％） C （S≤0.040％；P ≤0.040％） D （S≤0.035％；P ≤0.035％） 表示脱氧方法的符号 F（沸腾）、b（半镇静）、Z（镇静）、TZ（特殊镇静）,例如,Q235A﹒F表示屈服强度为235MPa的质量等级为A级的沸腾钢碳素结构钢新旧牌号对照和用途,优质碳素结构钢 钢号：用平均碳含量的万分数的数字表示 08F （F表沸腾钢）——0.08％ 20A（后有“A”表高级优质钢）——0.20％ 15Mn （表含Mn量高）——0.15％ 应用：制作各种机器零件，一般进行热处理 08F 塑性好，冷冲压件 10，20 冷冲压件，焊接件，渗碳处理 35，45，40，50 齿轮、轴类 60，65 弹簧,碳素工具钢 0.65～1.35C%， 钢号：用平均碳含量的千分数的数字和T一起表示 如：T10A （1.0%C，A表示高级优质碳素工具钢）, T9 （0.9%C）, T12 （ 1.2%C,） 应用：用以制作刃具、量具、模具 T7，T8，强度，韧性较高，可制作冲头、凿子、榔头 T9、T10、T11，强度，韧性适中，可制作钻头、刨刀、丝锥、手锯及冷作模具。
T12，T13， 硬度很高，韧性低，可制作锉刀、刮刀、量规 铸钢 钢号：“ ZG”加平均碳含量万分数表示 如：ZG25 （ 0.25%C）， ZG45 （0.45%C） 应用：形状复杂，需要一定强度、塑性和韧性的零件二、合金钢(Alloyed Steel),合金钢的分类 按合金元素含量 低合金钢：合金元素总含量碳含量 5％ 中合金钢：合金元素总含量5％ ～10％ 高合金钢：合金元素总含量 ﹥10％ 按用途 合金结构钢 （低合金高强度钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、合金轴承钢） 合金工具钢 （合金刃具钢、合金模具钢、合金量具钢） 特殊性能钢 （不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等）,合金钢的牌号 碳含量 合金结构钢 碳含量用万分数的两位数字表示 如40Cr，C%～0.4% 合金工具钢，特殊性能钢 碳含量大于1.0%时，不标注其含量 Cr12MoV， C％﹥1.0％ 碳含量小于1.0%时，用千分数表示： 如5CrMnMo，C％～0.5% 合金含量 用百分数表示： 如20Cr3MoWVA, 其中Cr%～3%, 合金含量小于1.5%不标： 如5CrMnMo, 其中Cr,Mn,Mo1.5%； 质量等级符号： A——表示高级优质,课堂讨论：合金钢,从以下几个方面讨论归纳： 性能特点: 成分特点与合金化原则： 典型钢号及其应用 ： 热处理特点及使用态组织: 例： 低合金高强钢 合金刃具钢,（一）合金结构钢 低合金高强度钢 合金渗碳钢 合金调质钢 合金弹簧钢 合金轴承钢 （二）合金工具钢 合金刃具钢 合金模具钢 （三）特殊性能钢 不锈钢 高温合金,例1：低合金高强钢 性能特点: ①高强度:σs＞300MN/m2 （300-650 MN/m2 ） ②高韧性：低温韧性（低温工作），断裂韧性（焊接结构） ③良好焊接性能和冷成形性能 ④较高耐腐蚀性（大气、海洋等环境） ⑤低的冷脆转变温度。
成分特点与合金化原则： ①低C:＜0.2% ②主加元素：以Mn、Si为主，Mn和Si固溶强化 ③辅加元素：V,Nb,Ti 等元素细化组织 Cu抗腐蚀,典型钢号及其应用 用途：建筑结构 按σs 分6级（300、350、400、450、500、600 MN/m2 ） ①低强度级别 / 16Mn ：一般工程结构 ②中等强度级别 / 15MnVNi ：大型桥梁，锅炉，船舶，焊接结构 ③高强度级别（500 MN/m2 ）/ 18MnMoNb：高压锅炉，高压容器,压力容器,南京长江大桥,热处理特点及使用态组织: 一般供应状态(热轧空冷 )下直接使用,不需热处理焊接结构可进行一次正火,改善焊区性能 使用态组织 P细＋F B下 （500 MN/m2 ） 发展趋势 ①提高强度（达800 MN/m2）： 合金化：加入多种合金元素（Cr、Mn、Mo、Ni、Si、B） 热处理：淬火＋高温回火（S’） ②保证韧性与焊接性能： 超低碳化（0.02-0.04％C） 控制轧制——5微米超细晶粒 ③发展专用钢,例2：合金刃具钢 性能特点 ①高硬度:HRC＞60 ②高耐磨性 ③高热硬性 ④足够塑性和韧性 成分特点与合金化原则： 低合金刃具钢 ①高C:0.9 %～1.1 % ②加入Cr,Mn,Si提高淬透性，Si提高回火稳定性 ③加入W,V提高硬度、耐磨性，细化晶粒 高速钢 ①高C:0.7 %～1.5% ②加入Cr（4％）提高淬透性 ③加入W,Mo保证高的热硬性 ④加入V提高耐磨性，,典型钢号及其应用 用途：车刀、铣刀、钻头等金属切削刀具 ①低合金刃具钢（250-300oC） Si-Cr系:9SiCr如,板牙,丝锥,冷冲模, 木工工具,低速切削刃具 Cr-W-Mn系:CrWMn 如拉刀,冲模,样板,量规 ②高速钢——高速切削刃具（ ≤ 600oC） W系:W18Cr4V热硬性突出，降低热处理脱碳、过热倾向 W-Mo系:W6Mo5Cr4V2热塑性、韧性突出,热处理特点及使用态组织 ①低合金刃具钢 正火——球化退火——机加工——淬火＋低温回火 ②高速钢 锻造（莱氏体碎化）——球化退火——(预热)淬火(1220-1280oC)——回火(550-570oC，三次) 使用态组织 ：M‘＋粒状合金ｋ＋ 少量A,高速钢刀具,例3、特殊性能钢――不锈钢 抗腐蚀原理 ａ. 金属腐蚀的方法(化学腐蚀、电化学腐蚀) ｂ. 金属腐蚀破坏的方式: ①均匀腐蚀 ②晶间腐蚀 ③点腐蚀 ④应力腐蚀 ⑤腐蚀疲劳 c.金属抗腐蚀的原理： ①单相组织→原电池形成可能性↓，金属电极电位↑→抗腐蚀 ②↓电极电位差、↑阳极电极电位 ③表面保护膜→钝化,不锈钢的合金化原则： ①含C量尽可能低； 一般0.1-0.2％， 刃具和轴承0.85-0.95％（同时↑ Cr ） ②加入Cr→n/8定律 含量＞12.5%电极电位跃升(如M不锈钢)； ③含Cr量＞12.7%→单相F(如F不锈钢)； ④加入Ni →单相A或F+A(如A不锈钢)； ⑤加入Ti、Nb→ 晶界腐蚀↓ 常用不锈钢： 按照不锈钢在高温（900－1100℃）加热并在空气中冷却后的基本组织，不锈钢可以分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体－铁素体不锈钢和沉淀硬化不锈钢。
固溶处理：1050℃保温，碳化物全部溶入A中，快速冷却，防止K析出，获得单一A 稳定化处理（Ti,Nb）：T: (Cr,Fe)23 C6溶解，Ti C, NbC化合不分解，防止(Cr,Fe)23 C6析出产生晶间腐蚀作业：汇总总结（每位同学）,20CrMnTi， 35CrMo， 50CrVA,各是什么钢？含碳量？ 各例举一种同类别的钢 主加元素作用 辅加元素作用 各例举一种典型应用！ 其典型的使用态组织是什么？ 说明最终热处理工艺,GCr15， 9SiCr，CrWMn,各是什么钢？含碳量？ 主加元素作用 辅加元素作用 各例举一种典型应用！ 其典型的使用态组织是什么？ 说明最终热处理工艺,W18Cr4V, 3Cr2W8V, 5CrMnMo,各是什么钢？含碳量 主加元素作用 辅加元素作用 各例举一种典型应用！ 其典型的使用态组织是什么？ 说明最终热处理工艺,3Cr13, 1Cr17, 0Cr18Ni9,各是什么钢？含碳量 其典型的使用态组织是什么？ 关键性能比较,3、合金模具钢（自学） 性能特点 冷模具钢 ①高硬度:HRC58-62 ②高耐磨性 ③足够韧性与疲劳抗力 ④热处理变形小 热模具钢 ①高的热硬性/高温耐磨性 ②高的抗氧化性 ③高的热强性 ④足够高的韧性/热疲劳抗力 成分特点与合金化原则： 冷模具钢 ①高C:1.1 % ②Cr,Mo, W,V 提高耐磨性 热模具钢 ①中C:0.3 %～0.6% ②Cr、Ni、Mn、Si提高淬透性 ③Mo、W、V二次硬化 ④ Mo防止回火脆性，,典型钢号及其应用 ①冷模具： 一般——低合金刃具钢，如Cr-W-Mn系:CrWMn 大型——Cr12型钢， Cr12MoV 冷挤压模——6Cr4Mo3Ni2WV(基体钢)， Ni18Co9Mo5TiAl(马氏体时效钢) ②热锻模： 韧性高，热硬性不高：5CrMnMo、5CrNiMo 热强度高：3Cr2W8V 热处理特点与使用态组织 ①冷模具： 低合金刃具钢：正火——球化退火——淬火＋低温回火 Cr12型钢：950-1000℃淬火＋150-180℃低温回火 或：1100-1150℃淬火＋510-520℃多次回火 使用态组织： M’＋合金ｋ＋ 少量A’ ②热模具： 热锻模：淬火＋550oC高温回火——S’-T’组织 热压模：淬火＋600oC多次回火——M'＋粒状ｋ,合金渗碳钢（0.1-0.25%C） 性能特点 ①表面硬度高,耐磨,抗接触疲劳，且有适当塑性，韧性 ②心部高韧性和足够强度 ③良好的热处理工艺性能 →渗碳处理 成分特点与合金化原则： ①低C：0.1%～0.25% ②加入提高淬透性元素：Cr，Ni，Mn，B ③加入Mo、W、V、Nb、Ti等阻碍A晶粒长大和形成ｋ(碳化物)提高耐磨性 ④Ni增加渗层塑、韧性,典型钢号及其应用 用途：变速齿轮、凸轮轴、活塞销 低淬透性（800-1000MN/m2）: 20Cr 冲击载荷小的耐磨件,如小轴,活塞销,小齿轮. 中淬透性（1000-1200MN/m2） : 20CrMnTi 有良好的力学性能和工艺性能,适合高速中载有冲击的耐磨件,如汽车、拖拉机重要齿轮,连轴器,十字销头. 高淬透性（1200MN/m2）: 18Cr2Ni4WA 重载大截面重要耐磨件,如柴油机曲轴,连杆,热处理特点及使用态组织： 表层：ｋ＋M ’ ＋A’ （HRC60-62） 心部：(ak700kJ/m2) ①淬透，低C的M′ （HRC40-48） ②未淬透，T＋M'＋F(少量) （HRC25-40）,渗碳处理 性能特点：表硬里韧 含碳量特点：低碳 热处理特点：渗碳→淬火+低温回火（180～200℃）,合金调质钢(0.3-0.5%C) 性能特点 高水平综合机械性能, 能满足多种和较复杂的工作条件 成分特点与合金化原则：。