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1、第二章 常用工程材料,【本章要点】常用工程材料的牌号、成分、性能、用途及热处理,重点是要抓住其各自的特点,加深理解,记住牌号,学会选用。,一、钢铁材料分类 钢铁材料,第一节 工程材料的分类,二、非铁金属及其合金分类 非铁金属及其合金,三、非金属材料分类 非金属材料,第二节 钢,一、铁碳合金 碳的质量分数wC在0.0218%2.11%范围内的铁碳合金称为 钢,在2.11%6.69%范围内的铁碳合金称为铸铁。,1.铁碳合金的基本组织 钢铁材料的性能与其内部组织结构有关。,图2-1 金属的晶体结构 a)晶格、晶粒、晶界 b)面心立方晶格、晶胞 c)体心立方晶格、晶胞,Fe3C3Fe+G(石墨),Fe
2、3C的这一分解,在铸铁中具有重要的实际意义。,(4)珠光体 当碳的质量分数为0.77%的奥氏体冷却到稍低于727 时,在固态下就会同时析出铁素体与渗碳体。,图2-2 FeFe3C合金状态图,2.铁碳合金状态图 状态图是研究铁碳合金成分、温度、组织三者之间关系的图形, 它是研究钢和铸铁组织和性能的基础,是选择钢铁材料的依据,对 制订铸、锻、焊、热处理等热加工工艺有着重要的指导意义。,表2-1 FeFe3C合金状态图的特性点及含义,表2-2 FeFe3C合金状态图的特性线,3.铁碳合金的分类 根据铁碳合金状态图可知,不同成分的铁碳合金,具有不同的组织,从而具有不同的性能。,1)共析钢。wC=0.7
3、7%,室温组织全部是珠光体。,2)亚共析钢。wC0.77%,室温组织由铁素体与珠光体组成。,3)过共析钢。wC0.77%,室温组织由珠光体与渗碳体组成。 (3)白口铸铁 wC为2.11%6.69%的铁碳合金。,1)共晶白口铸铁。wC=4.3%,室温组织全部是低温莱氏体。,2)亚共晶白口铸铁。wC4.3%,室温组织由珠光体与低温莱氏体组成。,3)过共晶白口铸铁。wC4.3%,室温组织由板条状渗碳体与低温莱 氏体组成。,二、工业用钢,1.非合金钢(碳素钢) 碳的质量分数小于2.11%的铁碳合金,称为非合金钢。,2.低合金钢,为提高结构钢的承载能力,在铁碳合金中加入少量合金元素而形 成的低合金高强度
4、钢,称为低合金钢。,3.合金钢 为了满足某种性能要求,炼钢时特意加入一定数量的合金元素如Si 、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti等,这种钢称为合金钢。,4.分类 对种类品种繁多的钢进行科学地分类,不仅关系到钢产品生产、使用、外贸、科研、统计等工作,对我们现在学习和将来合理选用钢材也具有重要的意义。,三、工业用钢的编号方法 为便于对钢铁及合金产品有关生产、使用、统计、管理、 信息交流等,国家对钢铁及合金编号作了统一标准。,1.非合金钢 非合金钢(碳素钢)的编号方法见表2-3。,表2-3 非合金钢(碳素钢)的编号方法(GB/T 6991999),表2-3 非合金钢(碳素钢)的编号方法(GB/T
5、 6991999),2.低合金钢 用屈服点“屈”的汉语拼音字母的字头Q、屈服点的数值及质量 等级(A、B、C、D、E)三个部分按顺序排列,如Q295(A、B)、Q3 45(A、B、C、D、E)、Q390(A、B、C、D、E)、Q420(A、B、C 、D、E)、Q460(C、D、E)。,3.合金钢 合金钢的编号方法见表2-4,具体牌号、成分、性能和用途可参阅国家有关标准。,表2-4 合金钢的编号方法(GB/T 30771999),表2-4 合金钢的编号方法(GB/T 30771999),四、非合金钢的牌号、成分、性能、用途,1.碳素结构钢 碳素结构钢的牌号、化学成分和性能见表2-5。,表2-5
6、碳素结构钢的牌号、成分和性能(GB/T 133041991引用GB 7001988),2.优质碳素结构钢 优质碳素结构钢的牌号、化学成分和性能见表2-6。,表2-6 优质碳素结构钢的牌号、成分和性能(GB/T 6991999),表2-6 优质碳素结构钢的牌号、成分和性能(GB/T 6991999),3.优质碳素结构钢的用途,15、20、25钢属于渗碳钢。此类钢强度、硬度较低,但塑性和韧 性较高,焊接性及冷冲压性好,可以制造各种受力不大,要求高韧性 的零件及冷冲压件和焊接件。例如,经渗碳、淬火和低温回火处 理,表面硬度可以有很大程度地提高,耐磨性好,并且心部仍具有一 定的强度和韧性,可用来制作一
7、些要求表面耐磨并能承受冲击载 荷的零件。,械零件,如轴、连杆、螺栓等结构零件。其中最有代表性的是45 钢。,60、65、70属于弹簧钢,经淬火加中温回火可获得高的非比例伸 长应力p0.01,俗称弹性极限,主要用于制造弹簧、弹簧夹头等弹 性零件。,4.碳素工具钢 碳素工具钢的牌号、化学成分、性能和用途见表2-7。,30、35、40、45、50、55钢属于调质钢,经淬火加高温回火,具有 良好的综合力学性能。主要用于要求强度、塑性和韧性较高的机,表2-7 碳素工具钢的牌号、化学成分 、性能和用途(GB 12981986),表2-7 碳素工具钢的牌号、化学成分 、性能和用途(GB 12981986),
8、五、钢中常存杂质元素及合金元素对钢性能的影响 钢中由原料、燃料和脱氧剂带入的难以除尽的元素称为杂 质。,1.杂质元素对钢性能的影响 钢中常存的杂质元素有硅、锰、硫、磷等。,Mn+SMnS,形成的MnS熔点为1600使钢在高温下具有良好的压力加工性能 。,S+FeFeS 而FeS的熔点为1190,又可以和Fe形成低熔点的共晶体(985)分 布在钢的晶界上。,2.合金元素对钢性能的影响简介 (1)合金元素与铁的作用 一部分元素如Mn、Ni、Co、N、B等可以溶入铁素体形成合金铁素体而使钢的性能得到强化。,六、各类牌号合金钢的用途简介,1.合金结构钢 合金结构钢按用途不同可分工程结构用钢和机械制造用
9、钢两大类 。,Q345(16Mn)可减轻结构件的质量、并且经久耐用、可靠。在同 样的承载条件下,Q345至少可使结构件的质量减轻20%,是应用最 广泛的一种低合金结构钢。低合金结构钢还有Q295、Q390、Q420、Q460等。,(2)合金渗碳钢 合金渗碳钢适于制造在高速、重载、强烈冲击及 剧烈磨损条件下工作的机械零件。,1)55Si2Mn用于直径为2025mm的弹簧,工作温度低于230。,2)60Si2MnA用于直径为2530mm的弹簧,工作温度低于230。,3)50CrVA用于直径为3050mm的弹簧,工作温度低于210。,4)55SiMnMoV用于直径小于75mm的弹簧,重型汽车、越野汽
10、车大截面板簧。,5)60Si2CrVA用于直径小于50mm的弹簧,工作温度低于250。 (6)滚动轴承钢 滚动轴承钢具有高且均匀的硬度、耐磨性、耐压 强度以及疲劳极限,碳的质量分数较高在0.95%1.15%之间,同时 对P、S及非金属夹杂物含量、纤维组织中碳化物的分布状况要求 严格控制。,1)GCr9用于制造直径小于20mm的滚球、滚柱及滚针。,2)GCr15用于壁厚小于20mm、外径小于250mm的套圈;直径为,2550mm的钢球;直径小于22mm的滚子。,3)GCr15SiMn用于壁厚大于12mm、外径大于250mm的套圈;直 径大于50mm的钢球;直径大于22mm的滚子。,4)GSiMn
11、MoV(RE)代替GCr15SiMn钢制造汽车、拖拉机、轧钢机 上的大型轴承。,2.合金工具钢 (1)合金刃具钢 合金刃具钢由一般刃具钢和高速钢组成。,1)低合金刃具钢。在工作中承受很大的切削力、摩擦热、切削热 的作用,要求具备高硬度(60HRC)、高耐磨性、高热硬性,此外还 必须具有足够的强度与韧性,以防脆断或崩刃。,9Mn2V用于制造冷加工模具、各种变形量小的量规、样板、丝 锥、板牙、铰刀、磨床主轴、车床丝杠等。,9SiMn常用于制造板牙、丝锥、铰刀、搓丝板、冷冲模、冷轧 辊等。,CrWMn用于制造淬火后变形小的长铰刀、丝锥、拉力、丝杠,、冷冲模具等。,2)高速钢。高速钢特点是高碳高合金,
12、碳的质量分数在0.7%1.5% 之间,合金元素总量10%,一般包括W、Cr、V等能够形成碳化物 的合金元素。具有高硬度、高耐磨性和高强度,热硬性较高。高 速钢有钨系、钨钼系、超硬系。 钨系。,1)冷作模具钢。冷作模具钢主要用于制作各种使金属成型的模具, 包括冷冲模、冷挤压模、拉丝模、冷镦模等。,对于尺寸大或耐磨性要求很高、要求淬火变形小的模具,须采用 高碳高铬合金模具钢,如Cr12、Cr12MoV钢。,2)热作模具钢 热作模具包括热锻模、热挤压模、压铸模三类,均 为高温成型模具。热作模具钢的化学成分与合金调质钢相似,一 般碳的质量分数0.5%,个别可达0.6%0.7%,并含有Cr、Mn、Ni
13、、Si等合金元素,属于亚共析钢。常用的热作模具钢有: 中型和小型锻模用钢,如5CrMnMo和5SiMnMoV。,(1)不锈钢 不锈钢是指在大气或其他介质中不易锈蚀的钢,有铁 素体型不锈钢(1Cr17、1Cr17Mo、1Cr25Ti)、奥氏体型不锈钢(铬 的质量分数18%,镍的质量分数8%,简称188型)、马氏体型不 锈钢(Cr13型)和奥氏体-铁素体型不锈钢等。,3.特殊性能钢,ZGMn13是常用的耐磨钢,其碳的质量分数为1.0%1.3%,锰的质量 分数为11%14%。高含锰量使钢件热处理后可获得单相奥氏体 组织,此时的塑性和韧性很高,硬度不高(170220HBW),但当钢件 受到强烈冲击、强
14、大压力与剧烈摩擦作用时,其表面因塑性变形 产生显著的加工硬化,硬度提高至50HRC以上,从而获得高耐磨性,。由于此钢极易加工硬化,这使得切削加工困难,因此多采用铸造 方法成型。,七、钢材,1.钢材的分类 按加工方法分类,2.钢材的具体类别、品种、用途 钢材的类别、品种和用途见表2-8。,表2-8 钢材的类别、品种和用途,表2-8 钢材的类别、品种和用途,第三节 铸 铁 铸铁是碳的质量分数大于2.11%(通常wC为2.8% 3.5%)的铁碳合金。,一、铸铁的分类,1.按碳存在的形式分类 (1)白口铸铁 碳全部以Fe3C形式存在,只有微量碳溶于铁素体中,因断口呈银白色而得此名。,2.按石墨的形态分
15、类 铸铁中石墨的形成过程称为石墨化。,二、灰铸铁 灰铸铁通常是指具有片状石墨的铸铁,它在机械制造业中占 有重要地位,其产量占有各类铸铁总产量的80%以上。,1.灰铸铁的组织 灰铸铁的显微组织是由金属基体与片状石墨所组成,如图2-3所示, 相当于在钢的基体上嵌入了大量的石墨片。,2.灰铸铁的性能 (1)力学性能 由于灰铸铁是以钢为基体,其间分布的石墨就相当 于钢基体上的孔洞和裂纹,粗大的片状石墨严重地割裂了基体,破,坏了基体的连续性,并且石墨片的尖角处会导致应力集中,所以灰 铸铁的抗拉强度、疲劳强度较低,通常b约为120250MPa,塑性和 韧性接近于零。,3.灰铸铁的热处理 片状石墨对灰铸铁基
16、体的破坏程度是影响灰铸铁力学性能的决定 因素,而热处理不能改变石墨的形态及其分布情况。,(1)灰铸铁的牌号 灰铸铁的牌号以“灰铁”的汉语拼音字首 “HT”后加三位数字来表示。,1)铁素体基体灰铸铁牌号为HT100,适用于制造载荷很小的不重要 件或薄件,例如防护罩、支架、重锤、小手柄等。,2)铁素体-珠光体基体灰铸铁牌号为HT150,用于承受中等载荷的零 件,如机座、箱体、床身、阀体、法兰、泵体等。,4.灰铸铁的牌号及用途,飞轮、活塞、齿轮箱、中等压力阀体、联轴器等。,4)孕育铸铁牌号为HT300、HT350,用于承受高载荷、耐磨和高气 密性等重要零件,如重型机床的床身、机座、活塞环、机架等。 (3)灰铸铁牌号的选择 在实际生产中选择灰铸铁牌号时要考虑铸 件的壁厚,因为灰铸铁的性能与其壁厚有关。,3)珠光体基体灰铸铁牌号为HT200、HT250,用于承受较大载荷和 要求一定的气密性或耐蚀性等较重要零件,如气缸、机床床身、,表2-9 灰铸铁的类别、牌号、性能及用途,表
