工程材料及其热处理教学模块课件.ppt
常用碳钢、合金钢、铸铁、有色金属等 材料的分类、成分、组织、牌号、性能 和应用；,常见化学元素对钢的组织、性能及热处 理影响，变形铝合金的强化手段和热处 理特点。,检索分析、查阅参考文献、 项目教学与工学交替。,课题一 非合金钢（碳钢）,教 学 重 点,常用碳钢的牌号、性能和应用。,教 学 难 点,根据碳钢的牌号能分析它的 成分、性能特点和大致应用范围。,本课题重点与难点,改善钢的质量； 提高钢的强度和硬度； 减轻硫的危害； 是有益元素，一般WMn0.25%0.80%。,3.1.1 常存杂质元素对碳钢性能的影响,1、锰的影响,2、硅的影响,消除FeO对钢的不良影响； 产生固溶强化； 是钢中有益元素，一般Wsi0.4%。,使钢的强度、硬度增加，但塑性和韧性显著降低； 使钢低温时脆性严重（冷脆）； 是有害元素，应严格控制磷含量。,3.1.1 常存杂质元素对碳钢性能的影响,3、磷的影响,4、硫的影响,与铁形成化合物FeS，使钢变脆（热脆）； 是钢中有害元素，应严格控制硫含量。,分为低碳钢(Wc0.25%)、中碳钢(0.25Wc0.60%)和高碳钢(Wc0.60%)。,3.1.2 碳钢的分类,1、按含碳量分类,2、按质量分类,1）普通质量碳钢（Ws0.045%、Wp0.045%） 不需要特别控制质量的钢种，包括一般碳素结构钢、碳素钢筋钢、铁道用一般碳素钢等。 2）优质碳钢 需要特别严格控制质量的碳钢。主要包括：机械结构用优质碳钢、工程结构用优质碳钢、冲压薄板的低碳结构钢、锅炉和压力容器用碳钢、优质铸造碳钢等。,3.1.2 碳钢的分类,3、按用途分类,1）碳素结构钢 主要用于制造各种工程构件和机器零件。一般属于低碳钢和中碳钢。 2）碳素工具钢 主要用于制造各种刃具、量具、模具等。一般属于高碳钢。 此外，钢按冶炼时脱氧方法不同，分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢等,3.1.3 碳钢的牌号和应用,1、碳素结构钢,牌号：由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四部分顺序组成。 质量等级有：A表示Ws0.050%、Wp0.045%；B表示Ws0.045%、Wp0.045%；C表示Ws0.040%、Wp0.040%；D表示Ws0.035%、Wp0.035%。 脱氧方法有F（沸腾钢）、b（半镇静钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）四种，通常Z和TZ可省略。 例：Q235AF。,3.1.3 碳钢的牌号和应用,2、优质碳素结构钢,牌号：用两位数字表示钢平均含碳量的万分数。 例：45钢。 又分为普通含锰量（WMn0.7%）和较高含锰量（WMn =0.7%1.2%）两类。含锰量较高的钢在两位数字后面加“Mn”字。 例：65Mn钢。 脱氧方法表示法同碳素结构钢。 高级优质钢，加“A”；特级优质钢，加“E”。,3.1.3 碳钢的牌号和应用,3、碳素工具钢,牌号：用“碳”的汉语拼音字首“T”加数字（钢的平均Wc的千分数）表示。 例：T12。 碳素工具钢含碳量高，硫、磷杂质含量较少，一般经淬火，低温回火后硬度比较高，耐磨性好，但塑性较低。主要用于要求不很高的刃具、量具和模具。,3.1.3 碳钢的牌号和应用,4、铸钢,牌号：用“ZG” 表示。 牌号有两种表示方法： 以强度表示时,在“ZG”后面有两组数字，第一组数字表示该牌号屈服点的最低值，第二组数字表示其抗拉强度的最低值，两组数字间用“” 隔开。 例： ZG230450。 以化学成分表示铸钢牌号时，在“ZG”后面的数字表示铸钢平均碳含量的万分数。平均碳含量1时不标出,平均碳含量0.1时,其第一位数字为“0”。在含碳量后面排列各主要合金元素符号,每个元素符号后面用整数标出含量的百分数。 例：ZG15Cr1MolV。,课题二 低合金钢和合金钢,教 学 重 点,常用低合金钢、合金结构 的牌号、性能及用途。,教 学 难 点,合金元素对钢性能的影响、低合 金钢，合金结构钢牌号与应用之 间的一般关系。,本课题重点与难点,1、合金元素在钢中的存在形式及作用,3.2.1 合金元素在钢中的作用,1）合金元素与铁作用形成固溶体,合金元素可以溶入-Fe或-Fe中，形成含合金元素的铁素体或奥氏体。合金元素的溶入，将导致铁素体或奥氏体的晶格畸变，产生固溶强化。硅、锰、镍等元素对铁素体的强化效果显著。,2）合金元素与碳作用形成合金碳化物,大多数合金元素能与碳作用形成合金碳化物，熔点高、硬度高、不易分解，呈颗粒状分布在晶界上，可细化晶粒，提高钢的强度和硬度。,2、合金元素对钢热处理的影响,3.2.1 合金元素在钢中的作用,1）合金元素对加热时奥氏体化的影响,大多数合金元素能减慢碳的扩散速度，加之合金碳化物稳定、难溶解，显著减慢碳及合金元素的扩散速度，故减慢了奥氏体化过程。 大多数低合金钢和合金钢，需更高的加热温度、更长的保温时间。 大多数合金元素（除锰、磷外）形成的碳化物，在高温下较稳定，且分布在奥氏体的晶界上，能有效阻止奥氏体晶粒的长大，起到细化奥氏体晶粒的作用。,3.2.1 合金元素在钢中的作用,2）合金元素对冷却时奥氏体转变的影响,增加过冷奥氏体的稳定性，固溶于奥氏体中的合金元素（除钴以外），均程度不同地增加过冷奥氏体的稳定性（C曲线右移），使钢的淬透性增加， 降低马氏体点（Ms），除钴、铝以外，大多数合金元素均会降低马氏体点，使合金钢淬火后的残余奥氏体量增加。,3.2.1 合金元素在钢中的作用,3）合金元素对回火转变的影响,1）提高钢的耐回火性（回火稳定性）,3.2.1 合金元素在钢中的作用,2）产生二次硬化,3.2.2 低合金钢和合金钢的分类及牌号,1、低合金钢的分类及牌号,1）低合金钢的分类,（1）按主要质量等级分类,普通质量低合金钢,优质低合金钢,特殊质量低合金钢,（2）按主要性能和使用特性分类,分为可焊接的低合金高强度结构钢、低合金耐候钢、低合金钢筋钢、铁道用低合金钢、矿用低合金钢、其他低合金钢等。,3.2.2 低合金钢和合金钢的分类及牌号,2）低合金钢的牌号,（1）低合金高强度结构钢 表示方法与碳素结构钢相同。例：Q345。 （2）易切削结构钢 以“易”字的汉语拼音字首“Y”为首，其后数字表示平均碳含量的万分数，钢中含锰量较高时标出“Mn”。例：Y40Mn。,3.2.2 低合金钢和合金钢的分类及牌号,2、合金钢的分类及牌号,1）合金钢的分类,（1）按主要质量等级分类,优质合金钢,特殊质量合金钢,（2）按主要性能和使用特性分类,分为工程结构用合金钢、机械结构用合金钢、轴承钢、工具钢、不锈、耐蚀和耐热钢、特殊物理性能钢等。,3.2.2 低合金钢和合金钢的分类及牌号,2）合金钢的牌号,（1）机械结构用合金钢和工程结构合金钢 (1)调质处理合金结构钢、表面硬化合金结构钢、合金弹簧结构钢。 两位数字 + 元素符号 + 数字 （+A） (碳含量的万分数)(所含合金元素)(该元素含量的百万分数)(硫磷含量少钢质量高) 例：18Cr2Ni4WA。 (2)高锰耐磨钢。 ZG + Mn + 数字 (铸钢汉语拼音字首) (锰) (平均含锰量的百分数) 例：ZGMn13-1。,3.2.2 低合金钢和合金钢的分类及牌号,（2）轴承钢 GCr+××（+元素符号+数字） (G：“滚”汉语拼音字首；Cr:铬；××：平均含铬量千分数；元素符号：若还有其他元素；数字：含量百分数。） 例：GCr15SiMn。 （3）合金工具钢 表示方法与合金弹簧钢类似，差别在于：若钢中的WC1%时，牌号前的数字表示平均含碳量的千分之几；若钢中的WC1%时，牌号前不标出含碳量。 例：9Mn2V。,3.2.2 低合金钢和合金钢的分类及牌号,（4）高速工具钢 表示方法与合金工具钢类似，主要差别是无论钢中的含碳量多少，均不在牌号前标出数字。例：W18Cr4V。 （5）不锈钢和耐热钢 表示方法与合金工具钢类似，只是当WC0.03%或WC0.08%时，其牌号前的数字分别用“00”或“0”代替。 例：3Cr13；00Cr17Ni14Mo2。,3.2.3 低合金钢,1、常用低合金高强度结构钢,1）低合金高强度结构钢的成分和性能特点,成分特点：在低碳钢（Wc0.2%）的基础上加入少量的锰、硅、钛、钒、铌等合金元素而制成的钢。 性能特点：强度高，塑性、韧性好，焊接性好、冷成形性好、耐蚀性好、冷脆转变温度低、成本低。,2）常用的低低合金高强度结构钢,低合金高强度结构钢的强度比低碳钢高出10%30%，代替碳素结构钢，可大大减轻机件或结构件的重量。例：南京长江大桥的桥梁采用Q345比用Q235节省钢材15%以上。 广泛用于船舶、车辆、桥梁、压力容器等工程结构件及低温下工作的构件等。,3.2.3 低合金钢,2、其它低合金结构钢简介,1）易切削结构钢,2）低合金耐候性钢,3）汽车用低合金钢,4）低合金钢筋钢,5）铁道用低合金钢,6）矿用低合金钢,3.2.4 合金钢,1、常用机械结构和工程结构用合金钢,1）合金调质钢,(1）用途及性能要求 用途：汽车、机床等机器中重要的零件。 性能要求：良好的综合力学性能。 (2）成分、性能和热处理特点 成分、性能：Wc0.250.50，保证良好的综合力学性能。加入Cr、Mn、Si、Ni、B等提高淬透性、强化铁素体、细化晶粒、提高耐回火性等。 热处理：调质处理 (3）常用合金调质钢 分低淬透性合金调质钢（如40Cr）、中淬透性合金调质钢（如35CrMo、38CrMoAl）、高淬透性合金调质钢（如40CrNiMo、40CrMnMo）三类。,3.2.4 合金钢,2）合金渗碳钢,(1）用途及性能要求 用途：汽车发动机、变速箱中的齿轮、内燃机凸轮、活塞销等机械零件。 性能要求：零件表面高的硬度、高的耐磨性和耐疲劳性能，心部高的韧性和足够的强度。 (2）成分、性能和热处理特点 成分、性能：Wc0.10.25,以保证零件心部有良好的塑性和韧性。加入Cr、Mn、Ni、Ti、V、W、Mo、B等以提高钢的淬透性，细化晶粒，在渗碳层获得均匀细小的耐磨碳化物。热处理：渗碳后淬火、低温回火。 (3）常用合金渗碳钢 分低淬透性合金渗碳钢（如20Cr、20MnV）、中淬透性合金渗碳钢（如20CrMnTi）、高淬透性合金渗碳钢（如18Cr2Ni4WA）三类。,3.2.4 合金钢,3）合金弹簧钢,(1）用途及性能要求 用途：机械和仪表中各种弹性元件。 性能要求：高的弹性极限和屈强比、较高的疲劳强度、足够的塑性和韧性。 (2）成分、性能和热处理特点 成分、性能：Wc0.50.7% ,保证高的弹性极限。加入Mn、Si、Cr、Mo、W、V、B等以提高钢的淬透性、细化晶粒、耐回火性、强化铁素体、提高弹性和屈强比等。 冷成形弹簧：去应力退火或淬火加中温回火。 热成形弹簧：淬火、中温回火 (3）常用合金弹簧钢 分硅锰系合金弹簧钢（如60Si2Mn）、硅铬系合金弹簧钢、铬锰系合金弹簧钢和铬钒系合金弹簧钢（如50CrVA）。,3.2.4 合金钢,4）高锰耐磨钢,(1）用途及性能要求 用途：制造受强烈冲击和巨大压力，并要求耐磨的零件。 性能要求：受到强烈摩擦、巨大压力和冲击时，表面高的硬度和耐磨性，心部良好的韧性和塑性，较高的抗冲能力。 (2）成分、性能和热处理特点 成分、性能：Wc0.901.50，WMn1114，铸态组织为奥氏体和大量的碳化物，性能硬而脆。 热处理：水韧处理，强度、硬度（180230HBS）不高，塑性、韧性好。 (3）常用高锰耐磨钢 ZGMn13-1等。,3.2.4 合金钢,2、轴承钢,1）用途及性能要求 用途：制造各种滚动轴承的元件，如滚珠、滚柱和内外套圈等。 性能要求：很高的强度、硬度、耐磨性，很高的接触疲劳强度，一定的韧性和耐润滑剂腐蚀的能力。 2）成分、性能和热处理特点 成分、性能：Wc0.951.15，保证高硬度、高耐磨性。加入Cr、Si、Mn、Mo、V等合金元素，提高钢的淬透性、耐磨性和接触疲劳强度。 热处理：球化退火、淬火和低温回火。 3）常用轴承钢 高碳铬轴承钢（GCr15应用最广）和无铬轴承钢。,3.2.4 合金钢,3、不锈钢与耐热钢,通常将具有抵抗大气或其他介质腐蚀的钢称为不锈钢。 成分特点：低碳，加入大量的Cr、Ni等合金元素。 作用是提高铁素体的电极电位；使钢获得单相组织；在钢的表面形成一层致密的氧化膜。,1）马氏体不锈钢,2）铁素体型不锈钢,3）奥氏体-铁素体型不锈钢,4）奥氏体型不锈钢,5）沉淀硬化型不锈钢,3.2.4 合金钢,耐热钢,耐热钢是指具有高温抗氧化性和热强性的钢。 成分特点：低碳，加入Cr、Al、Si（形成致密保护膜）、Ti、V、Mo、W（增加高温强度）。 分为抗氧化钢和热强钢两类。 抗氧化钢主要用于长期在高温下不起氧化皮、强度要求不高的零件，如炉底板。 热强钢主要用要求有高温强度又有较好抗氧化性的零件，如柴油机排气阀、汽轮机叶片等。,
