工程材料与机械制造基础-6-常用金属材料课件.ppt
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1、,工程材料与机械制造基础,海洋科学与技术学院 贾 非,Dalian University of Technology,第六章 常用金属材料,06:28,主 要 内 容,工业用钢 碳素钢 合金钢 铸铁 铸铁的石墨化 常用铸铁 有色金属及其合金 铝及其合金 铜及其合金 钛及钛合金 轴承合金,06:28,工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。,碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。 合金钢是指为了提高钢的性能,在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。,钢的分类及编号,一、钢的分类 1、按化学成分分,2、按质量分 钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。 分为普通质量钢、优质钢、高级优
2、质钢和特级优质钢. 根据现行标准,各质量等级钢的磷、硫含量如下:,3、按冶炼方法分,4、按金相组织分,电弧炉炼钢,5、按用途分,二、钢的编号 我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。 采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时,一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母.,常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号(GB/T 2212000),1、碳素结构钢和低合金高强度钢 Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号 Q表示“屈服强度”;屈服强度值单位是MPa; 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
3、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。 如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。,钢板,低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢,其牌号中没有表示脱氧方法的符号。如Q345C。 根据需要,低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字(表示平均含碳量的万分之几)和化学元素符号,按顺序表示,如16Mn。,*说明:通常情况下,屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢,大于300MPa时为低合金高强度钢。,热连轧钢板,2、优质碳素结构钢 牌号用两位数字表示。 这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。 如45钢平均含碳量为万分之四十五(即0.45%)的优质碳
4、素结构钢。,钢带,*说明: 含Mn量为0.71.0%时,在两位数字后加元素符号“Mn”,如40Mn。, 对于沸腾钢和半镇静钢, 在钢号后分别加字母F和b,如08F、10b。 高级优质钢在钢号后加字母A,如20A。,钢管,3、合金结构钢和合金弹簧钢 两位数字(表示平均含碳量的万分之几)+合金元素符号+该元素百分含量数字+ 当合金元素的平均含量小于1.50%时,只标元素符号,不标含量;,当合金元素的平均含量为1.502.49%、2.50 3.49%、3.504.49%、4.505.49%、时,在相应的合金元素符号后标2、3、4、5 等数字。如20CrNi3。 高级优质钢在牌号后加字母A,如60Si
5、2MnA。 特级优质钢在牌号后加字母E,如30CrMnSiE。,不锈钢制管板式换热器,所有合金钢的合金元素量标法相同,4、工具钢 碳素工具钢 T + 数字 T表示“碳素工具钢”; 数字表示平均含碳量的千分之几. 如T8其平均含碳量为千分之八(0.8%C)。 *说明:碳素工具钢都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后加“A”,如T8A。,丝锥,锉刀, 合金工具钢 含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+ 当含碳量小于1.00%时,含碳量用一位数字标明,这一位数字表示平均含碳量的千分之几,如8MnSi. 当含碳量大于1.00%时,不标含碳量。,* 高速钢不标含碳量,如W6Mo5Cr4V2(含0.85%
6、C). * 含铬量小于1%时,在含铬量(以千分之一为单位)前加数字“0”,如Cr06。,铣刀,5、轴承钢 G+Cr+铬含量(不标含碳量) “G”表示“滚动轴承钢”。 * 铬含量以千分之一为单位. 如“GCr15”的平均含铬量为1.5%。 渗碳轴承钢牌号的表示方法与合金结构钢相同,仅在牌号头部加字母“G”,如“G20CrNiMo”。,6、不锈钢和耐热钢 含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+ 含碳量以千分之一为单位。,含碳量的表示方法为: 当平均含碳量1.00%时,用两位数字表示,如11Cr17(平均含碳量为1.10%);,涡轮叶片, 当1.0%平均含碳量0.1%时,用一位数字表示,如2Cr13
7、(平均含碳量为0.20%) 当0.1%含碳量上限 0.03%时,以“0”表示,如0Cr18Ni9(含碳量上限为0.08%) 当0.03%含碳量上限0.01%时(超低碳),以“03”表示,如03Cr19Ni10(含碳量上限为0.03%), 当含碳量上限0. 01%时(极低碳),以“01”表示,如01Cr19Ni11(含碳量上限为0.01%)。,汽轮机叶片,* 珠光体耐热钢含碳量的标注同结构钢。如15CrMo 注:旧标准含碳量表示方法为: 当含碳量0.08%时,以“0”表示,如0Cr18. 当含碳量0.03%时,以“00”表示,如00Cr18Ni10.,7、铸钢 ZG + 两位数字 ZG表示“铸钢
8、”; 两位数字表示平均含碳量的万分之几, 如ZG25.,钢中的杂质及合金元素,1、Mn: 0.8%时为杂质, 是有益元素。作用为: 强化铁素体; 消除硫的有害作用。,一、杂质元素对性能的影响,钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S。是由原料带入或脱氧残留的元素。, 强化铁素体; 增加钢液流动性。 3、S:是有害元素。 常以FeS形式存在。易与Fe在晶界上形成低熔点共晶(985),热加工时(11501200),由于其熔化而导致开裂,称热脆性. 钢中的硫应控制在0.045%以下.,2、Si:0.5%时为杂质,是有益元素。作用为:,合金晶界的低熔点硫化物共晶,Mn可消除硫的有害作用, FeS + Mn
9、 Fe + MnS, MnS熔点高(1600)。 4、P:也是有害元素。 能全部溶入铁素体中,使钢在常温下硬度提高,塑性、韧性急剧下降,称冷脆性。 P一般控制在0.045%以下.,5、气体元素 N:室温下N在铁素体中溶解度很低,钢中过饱和N在常温放置过程中以FeN、Fe4N形式析出使钢变脆, 称时效脆化. 加Ti、V、Al等元素可使N固定,消除时效倾向。 O:氧在钢中以氧化物的形式存在,其与基体结合力弱,不易变形,易成为疲劳裂纹源., H:常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢中以原子态溶解时,降低韧性,引起氢脆。 当氢在缺陷处以分子态析出时,会产生很高内压,形成微裂纹,其内壁为白色,称白点或
10、发裂。, 对钢中基本相的影响 1、溶于铁素体, 起固溶强化作用 非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元素都溶于铁素体,形成合金铁素体. Si、Mn对强度、硬度提高显著。Cr、Ni在适当范围内提高韧性。,二、合金元素在钢中的作用,对铁素体冲击韧性影响,2、形成碳化物,起强化相作用 合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为: Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。, Ti、Nb、V为强碳化物形成元素,碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性高,如TiC、VC等。,钢中碳化物, W、Mo、Cr为中碳化物形成元素,碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较高,如W2C等。 Mn、Fe为弱碳化物形成元素,碳化
11、物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较低,如Fe3C等。,当Mn13%或Ni9%时,S点降到0以下,室温下为单相奥氏体组织,称奥氏体钢。,锰对奥氏体相区的影响, 对Fe - Fe3C相图的影响 1、对奥氏体相区的影响 Ni、Mn、Co、C、N等是扩大奥氏体相区的元素,使A1、A3点下降。, Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等是缩小奥氏体相区的元素,使A1、A3点上升,A4点下降。 当Cr13%时,奥氏体相区消失,室温下为单相铁素体组织,称铁素体钢.,铬对奥氏体相区的影响,2、对E点和S点位置的影响 所有合金元素均使E点和S点左移,即这两点的含碳量下降,使碳含量比较低的钢出现过共析组织(如4Cr13)
12、或共晶组织(如W18Cr4V)。, 对钢中相变过程的影响 1、对奥氏体化的影响 对奥氏体形成速度的影响:除Ni、Co外,都减缓奥氏体化过程。 对奥氏体晶粒长大倾向的影响:,碳、氮化物形成元素阻碍奥氏体晶粒长大。 Mn、P促进长大。,2、对过冷奥氏体转变的影响 对C曲线和淬透性的影响:除Co外,凡溶入奥氏体的合金元素均使C曲线右移,淬透性提高。 常用提高淬透性的元素为Mn、Si、Cr、Ni、B。, 对Ms、Mf点的影响:除Co、 Al外,所有元素都 使Ms、Mf点下降。,合金元素对钢淬透性的影响,淬火碳钢 回火 时的 硬度变化,3、对回火转变的影响 提高耐回火性:淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的
13、能力称耐回火性。 合金元素能阻碍马氏体分解及碳化物的析出与聚集。,当回火硬度相同时,合金钢比同含碳量碳钢回火温度高。如果同温度回火,合金钢硬度比碳钢高。, 产生二次硬化 含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时,由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A转变为M回,使硬度不仅不下降,反而升高的现象称二次硬化。 防止第二类回火脆性 加W、Mo可防止第二类回火脆性。,高速钢,结构钢,对结构钢的性能要求为: 使用性能以强韧性为主。 工艺性能以可焊性、淬透性为主。 合金结构钢除少量为中高合金钢外,都是低合金钢.,铜陵长江公路大桥,1、成分:0.4%C, P、S量及非金属夹杂较多. 2、性能:可焊性、塑性好
14、。 3、热处理:不进行专门热处理,热轧空冷态下使用。 4、使用状态下组织:F+P,一、碳素结构钢,5、用途 常以热轧板、带、棒及型钢使用,用量约占钢材总量的70%。 用于建筑结构,适合焊接、铆接、栓接等。,热轧钢板,螺纹钢,黄河小浪底枢纽工程,1、性能要求 高强度及足够韧性。 良好的焊接性能。 良好的耐蚀性及低 的韧脆转变温度。 2、成分特点 低碳:0.2%C. 合金元素:主要是Mn,还有少量V、Ti、Nb等。,二、低合金高强度结构钢,3、热处理:大多数热轧空冷后使用。少数可用正火+高温回火处理。 4、使用状态下组织:F+P,低合金高强钢合金元素细化晶粒作用, Mn的作用是强化铁素体;增加珠光
15、体的量。 V、Ti、Nb等起细化晶粒和弥散强化作用。 另外加Cu、P可提高耐蚀性;加RE可提高韧性、疲劳极限,降低冷脆转变温度。,5、用途: Q345钢(16Mn)综合性能好,用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。 Q390钢含V、Ti、Nb,强度高,用于中等压力的压力容器。 Q460钢含Mo、B,正火组织为贝氏体,强度高,用于石化中温高压容器.,南京长江大桥,制造渗碳零件的钢种。 1、性能要求 表面具有高硬度、高耐磨性,心部具有足够的韧性和强度,即表硬里韧。 良好的热处理性能,如淬透性和渗碳能力。,三、渗碳钢,2、成分特点 低碳:0.10.25%C 合金元素作用: 提高淬透性: Cr、Mn、Ni
16、、B 强化铁素体: Cr、Mn、Ni 细化晶粒: W、Mo、Ti、V,3、热处理特点 渗碳件的加工工艺路线为:下料锻造正火机加工渗碳淬火+低温回火 正火目的为调整硬度,便于切削加工。 淬火温度一般为 Ac1+30-50。 4、使用状态下组织 心部:M回+F 表层:M回+颗粒状碳化物+A(少量);,渗碳淬火后的表层组织,5、常用钢号及用途 低淬透性钢:20、20Cr。,柴油机凸轮轴,活塞销(20Cr),用于受力小的耐磨件,如柴油机的活塞销、凸轮轴等。,中淬透性钢:20CrMnTi。用于中等载荷的耐磨件,如变速箱齿轮。 高淬透性钢:18Cr2Ni4WA.用于大载荷的耐磨件,如柴油机曲轴。,调质件(
17、螺杆),调质后使用的钢种。 1、性能要求 良好的综合力学性能. 良好的淬透性。,四、调质钢,2、成分特点 中碳:0.30.5%C 合金元素作用: 提高淬透性: Mn、Si、Cr、Ni、B 强化铁素体: Mn、Si、Cr、Ni 细化晶粒: Ti、V 防止第二类回火脆性: W、Mo,3、热处理及组织特点 调质件的加工工艺路线为:下料锻造退火粗加工调质精加工装配 调质目的:获得良好综合力学性能 使用状态下的组织为:S回,为提高表面耐磨性,调质后可进行表面淬火或氮化。,回火索氏体,调质处理车间,柴油机凸轮轴,4、常用钢号及用途 低淬透性钢: D0油3040mm, 常用 45、40Cr, 用于制造较小的
18、齿轮、轴、螺栓等。 中淬透性钢: D0油4060mm,常用40CrNi,用于制造大中型零件。,高淬透性钢:D0油60mm, 常用40CrNiMo, 用于制造大截面重载荷零件,如曲轴等。,制造弹簧或类似性能零件的钢种。 1、性能要求 弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件。 高的s,s/b; 高的-1;足够的韧性 高的淬透性。,五、弹簧钢,2、成分特点 中高碳: 碳素弹簧钢为0.60.9%C 合金弹簧钢为0.450.7%C 合金元素作用: 提高淬透性、强化铁素体:Mn、Si、Cr 提高s/b:Si 细化晶粒:V,3、热处理及组织特点 冷成型弹簧:冷拔 冷成型定型处理(250300)。 用于1
19、0mm),4、弹簧的表面质量 弹簧的表面质量对其寿命影响很大。 提高表面质量的方法: 防止表面脱碳;, 避免表面缺陷; 进行喷丸处理,使表 面产生压应力。,板簧喷丸处理示意图,5、常用钢号及用途 Si、Mn弹簧钢,如65Mn、60Si2Mn,用于制造较大截面弹簧。 Cr、V弹簧钢,如50CrV,用于大截面、大载荷、耐热的弹簧。,载荷(频率达数万次/分)和摩擦。 高而均匀的硬度和耐磨性。 高的b和接触疲劳强度。 足够的韧性、淬透性和耐蚀性.,六、滚动轴承钢,用于制造轴承套和滚动体的专用钢种。 1、性能要求 轴承工作时, 承受接触应力(达30003500MPa)、周期性交变,圆柱滚子轴承,自动调心
20、球轴承,2、成分特点 高碳:0.951.10%C 合金元素:以Cr为主,加入Mn、Si。 Cr、Mn、Si的主要作用是提高淬透性。,Cr还提高耐磨性(形成合金渗碳体)和耐蚀性。 当1.65%Cr时,会因A增加而使硬度和稳定性下降。,3 、热处理和组织特点 滚动轴承钢是过共析钢。 热处理: 球化退火+淬火+低温回火 组织:,M回+颗粒状碳化物+A(少量) 淬火后进行冷处理(-60 -80), 可以减少A、稳定尺寸.,轴承生产车间,4、常用钢号及用途 应用最广的是GCr15,大量用于大中型轴承; 大型轴承用GCr15SiMn。 这类钢还可用于制造模具、量具等.,向心球轴承,是指在冲击载荷作用下发生
21、冲击硬化的高锰钢. 只有ZGMn13一个钢号. 1、成分特点 高碳:1.01.3%C 以保持高耐磨性。 高锰:1114%Mn 以保证形成奥氏体组织.,七、耐磨钢,高锰钢铸件,高锰钢,2、热处理及组织 铸态组织为奥氏体+碳化物, 性能硬而脆. 热处理采用水韧处理。即将钢加热到1100,使碳化物溶入奥氏体,并进行水淬。 室温组织为过饱和单相奥氏体。,3、使用及用途 水韧处理后,韧性高,硬度低.使用时必须伴随着压力和冲击作用。 在压力及冲击作用下,表面奥氏体迅速加工硬化,形成马氏体并析出碳化物,使表面硬度提高到HB500550,获得高耐磨性。而心部仍为奥氏体组织,具有高耐冲击能力。,高锰钢广泛用于既
22、要求耐磨又要求耐冲击的零件。如拖拉机的履带板、球磨机衬板、破碎,机牙板、挖掘机铲齿和铁路辙岔等.,履带,球磨机衬板,挖掘机铲齿,铁路辙岔,破碎机牙板,工具钢,按用途分为: 刃具钢 模具钢 量具钢,用来制造各种切削刀具的钢种。,一、刃具钢,切削加工, 性能要求 1、高硬度 (HRC60),主要取决于含碳量。 2、高耐磨性 靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。 3、高热硬性 即高温下保持高硬度的能力。 4、足够的韧性 以防止脆断和崩刃。,切削加工的基本形式, 碳素工具钢 共有七个牌号:T7T13 1、成分特点:,高碳(0.651.35%C) 随含碳量提高,碳化物量增加,耐磨性提高,但韧性下降。,
23、2、热处理及组织 热处理:正火+球化退火+淬火+低温回火 球化退火目的: 降低硬度, 便于加工; 为淬火作组织准备。 使用状态下的组织: M回+颗粒状碳化物+A(少量),3、用途 由于碳工钢热硬性、淬透性差,只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。 T7T9:制造承受冲击的工具,如木工工具:冲子、凿子、锤子等。,T10T11:制造低速切削工具,如钻头、丝锥、车刀等。 T12T13:制造耐磨工具,如锉刀、锯条等。,1、成分特点: 高碳:0.751.5%C 合金元素作用 提高淬透性: Cr、Mn、Si 提高耐回火性:Si 提高耐磨性、细化晶粒: W、V, 低合金工具钢 由碳素工具钢基础上加入少量合金
24、元素(35)形成。,2、热处理及组织 同碳素工具钢,只是淬火介质为油(碳素工具钢为水)。 使用状态下的组织为: M回+颗粒状碳化物+A(少量) 3、常用钢号及用途 应用最多的是9SiCr。用于制造形状复杂、要求变形小的低速刃具,如丝锥、板牙等.,低合金工具钢扳手,1、性能特点: 高热硬性(600)、高淬透性 2、成分特点 高碳: 0.701.5%C 合金元素作用 提高淬透性:Cr 提高热硬性、耐磨性: W、Mo、V, 高速钢(俗称风钢) 制造高速切削刃具用钢。,W18Cr4V钢的铸态组织,3、加工与热处理 加工工艺路线:下料锻造退火机加工淬火回火磨削,高速钢是莱氏体钢,其铸态组织为亚共晶组织,
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