《机械工程材料与热加工》第五章_工业用钢.ppt
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1、工程材料与热加工基础 第五章 工业用钢机械工程系金工教研室2021/9/231第七章第七章 工业用钢工业用钢钢的基础知识钢的基础知识结构钢结构钢工具钢工具钢特殊性能钢特殊性能钢2021/9/232 第一节第一节 钢的基础知识钢的基础知识一一.合金元素对钢的组织和性能的影响合金元素对钢的组织和性能的影响 杂质及合金元素与铁和碳的作用。杂质及合金元素与铁和碳的作用。合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。相图的影响。合金元素对钢的热处理的影响。合金元素对钢的热处理的影响。2021/9/233一)杂质和气体的影响一)杂质和气体的影响 Mn 脱氧、去硫脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。提高钢的强度
2、和硬度。Si 有很强的固溶强化作用有很强的固溶强化作用,能脱氧。能脱氧。1.有益元素有益元素2021/9/2342.有害元素有害元素:P 有很强的固溶强化作用有很强的固溶强化作用,低温低温 韧性差韧性差 (冷脆冷脆 )。S 能引起钢在热加工时或高温工作下开裂能引起钢在热加工时或高温工作下开裂 (热裂热裂 )。2021/9/2353.气体元素气体元素:N:钢中过饱和钢中过饱和N在常温放置过程中会发生在常温放置过程中会发生时时 效脆化效脆化。加加Ti、V、Al等元素可消除时效等元素可消除时效 倾向。倾向。O:钢中的氧化物易成为钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源疲劳裂纹源。H:原子态的过饱和氢时将降低韧性
3、原子态的过饱和氢时将降低韧性,引起引起氢氢 脆脆。当氢在缺陷处以当氢在缺陷处以 分子态析出时,会产分子态析出时,会产 生很高内压,形成微生很高内压,形成微 裂纹,其内壁为白色,裂纹,其内壁为白色,称称白点白点或或发裂发裂。钢中白点钢中白点2021/9/236二二)合金元素与铁和碳的作用合金元素与铁和碳的作用1.溶于基体中溶于基体中形成合金形成合金 F 或或合金合金 A。2.与碳作用形成与碳作用形成合金碳化物合金碳化物(Fe,Cr)3C。3.单独形成单独形成特殊碳化物特殊碳化物 TiC、VC。2021/9/2371.溶于基体中形成合金溶于基体中形成合金F或合金或合金A2021/9/2381.溶于
4、基体中形成合金溶于基体中形成合金F或合金或合金A2021/9/2392.与碳作用形成合金碳化物与碳作用形成合金碳化物 Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱弱强强v 弱碳化物元素弱碳化物元素:Fe、Mn。v 中强碳化物元素中强碳化物元素:Cr、Mo、W。v 强碳化物元素强碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。2021/9/2310 碳化物形成元素在周期表中都是碳化物形成元素在周期表中都是位于位于铁元素的左边的过渡族金属元素铁元素的左边的过渡族金属元素,它们都有它们都有一个未填满的一个未填满的d d电子亚层电子亚层,当当形成碳化物时形成碳化物时,碳原子首先将其价电子碳原子首先将其价电子填
5、入金属原子未填满的填入金属原子未填满的d d电子亚层电子亚层,使使形成的碳化物具有形成的碳化物具有金属键金属键结合的性质结合的性质,金属原子的金属原子的d d电子亚层愈不满电子亚层愈不满(周期表周期表中中,在铁左边离铁愈远在铁左边离铁愈远),),则其则其与碳的亲与碳的亲和力愈强和力愈强,形成碳化物的能力愈大形成碳化物的能力愈大,愈愈稳定稳定,而且不易分解。而且不易分解。2021/9/23113.单独形成特殊碳化物单独形成特殊碳化物 熔点、硬度、耐磨性最高。熔点、硬度、耐磨性最高。稳定性最高稳定性最高。TiC、NbC、VC。2021/9/2312三三)合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图的影响
6、相图的影响扩大奥氏体区扩大奥氏体区缩小奥氏体区缩小奥氏体区改变共晶点和共析点的参数改变共晶点和共析点的参数2021/9/23131.扩大奥氏体区的合金元素扩大奥氏体区的合金元素Mn、Ni、Co等元素。等元素。作用作用:使使A3线温度下降线温度下降,A4线温度上升线温度上升。2021/9/2314 Mn 元素对奥氏体区的影响元素对奥氏体区的影响2021/9/23152.缩小奥氏体区的合金元素缩小奥氏体区的合金元素Cr、Mo、W、V、Ti、Si 等元素。等元素。作用作用:使使A3线温度上升线温度上升,A4线温度下降线温度下降。2021/9/2316 Cr 元素对奥氏体区的影响元素对奥氏体区的影响2
7、021/9/23173.改变共晶点和共析点参数的元素改变共晶点和共析点参数的元素v几乎所有的合金元素。几乎所有的合金元素。v作用作用:使使S点和点和E点的点的成分向左移成分向左移。使使A1线线的的温度变化温度变化。2021/9/2318 合金元素对合金元素对 S 点成分的影响点成分的影响2021/9/2319合金元素对合金元素对A1线线的影响的影响2021/9/2320四四)合金元素对钢的热处理的影响合金元素对钢的热处理的影响加热时对加热时对奥氏体形成奥氏体形成的影响的影响对对过冷奥氏体转变过冷奥氏体转变的影响的影响对对回火转变回火转变的影响的影响2021/9/23211.合金元素对加热时奥氏
8、体形成的影响合金元素对加热时奥氏体形成的影响除除Mn 元素外元素外,所有合金元素的加所有合金元素的加 入入,均使奥氏体的形成速度减慢。均使奥氏体的形成速度减慢。强碳化物形成元素强碳化物形成元素能强烈的阻止奥能强烈的阻止奥 氏体晶粒长大氏体晶粒长大(Ti、V、Zr、Nb 等等)。非碳化物形成元素非碳化物形成元素能轻微的阻止奥能轻微的阻止奥 氏体晶粒长大氏体晶粒长大(Si、Ni、Cu、Co 等等)。2021/9/23222.合金元素对过冷奥氏体转变的影响合金元素对过冷奥氏体转变的影响v 除除 Co 元素外元素外,所有的合金元素均使所有的合金元素均使 钢的钢的 TTT 曲线向右移。曲线向右移。v 除
9、除 Co、Al 元素外元素外,所有的合金元素所有的合金元素 都使都使马氏体转变温度马氏体转变温度下降。下降。v 提高钢的淬透性提高钢的淬透性,常用的元素有常用的元素有:Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。等。2021/9/23233.合金元素对回火转变的影响合金元素对回火转变的影响回火抗力回火抗力的增加的增加 二次二次硬化硬化的产生的产生 产生产生回火脆性回火脆性 2021/9/2324 W、Mo、V 等碳化物在等碳化物在550时时,使钢使钢达到最高硬度达到最高硬度,产生产生二次硬化二次硬化。2021/9/2325 Cr-Ni 钢的回火脆性示意图钢的回火脆性示意图2021/9/2326 防止第
10、二类回火脆性的产生的方法防止第二类回火脆性的产生的方法:v在在500600 快速冷却。快速冷却。v加入合金元素加入合金元素W、Mo。2021/9/2327二.合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的作用1.主加元素主加元素:对提高钢的性能起主要作对提高钢的性能起主要作 用。用。Si、Mn、Cr、Ni、B。2.辅加元素辅加元素:配合主加元素进一步提高配合主加元素进一步提高 钢的性能钢的性能,弥补主加元素的弥补主加元素的 不足与缺陷。不足与缺陷。W、Mo、V、Ti、Nb。2021/9/2328三、碳素钢的编号及用途三、碳素钢的编号及用途 1.碳素结构钢碳素结构钢:Q 235 A F沸腾钢沸腾钢A等级等
11、级235 MPa屈服强度屈服强度2021/9/23292.优质碳素结构钢优质碳素结构钢*45-Wc=45%00*较高锰质量分数的优质碳素结构钢较高锰质量分数的优质碳素结构钢 45Mn-Wc=45%00;WMn=0.7%1.0%2021/9/23303.碳素工具钢碳素工具钢T 12 A高级优质高级优质 Wc=12%0碳素工具钢碳素工具钢2021/9/23314.铸造碳钢铸造碳钢ZG 200-400b 400MPas 200MPa铸钢铸钢2021/9/2332 第二节第二节 合金结构钢合金结构钢 (Alloy Constructional Steel)普通低合金钢普通低合金钢合金渗碳钢合金渗碳钢
12、合金调质钢合金调质钢弹簧钢弹簧钢滚动轴承钢滚动轴承钢易切削钢易切削钢2021/9/2333一一.普通低合金钢普通低合金钢 (common low alloyed steel)1.化学成分化学成分:碳素结构钢碳素结构钢+合金元素合金元素主加合金元素主加合金元素:Mn 1.8%以内。以内。辅加合金元素辅加合金元素:V、Ti、Nb、B。2021/9/2334一一.普通低合金钢普通低合金钢2.牌号牌号:Q 345 C 质量等级质量等级345 MPa屈服强度屈服强度2021/9/2335一一.普通低合金钢普通低合金钢Q460钢含钢含Mo、B,正火组织正火组织 为为B,强度高强度高,用于石化中温,用于石化
13、中温 高压容器高压容器。压力容压力容器器南京长江大南京长江大桥桥 Q345钢钢(16Mn)综合性能好综合性能好,用于船舶、桥梁、车辆等大用于船舶、桥梁、车辆等大 型钢结构。型钢结构。Q390钢含钢含V、Ti、Nb,强度强度 高高,用于中等压力的容器。,用于中等压力的容器。万吨远洋轮万吨远洋轮2021/9/2336二二.碳素渗碳钢及合金渗碳钢碳素渗碳钢及合金渗碳钢1.对渗碳钢的性能要求对渗碳钢的性能要求:2.对渗碳钢的含碳量的要求对渗碳钢的含碳量的要求:低碳低碳3.渗碳钢的热处理特点渗碳钢的热处理特点:渗碳渗碳 淬火淬火+低温回火低温回火(180200)表硬里韧表硬里韧2021/9/2337Wc
14、 0.25%Wc=0.150.25%合金元素合金元素:Cr、Mn、Ni、B、V、W、Mo、Ti等。等。表层表层:M回回+Fe3C+A残残心部心部:F+P表层表层:M回回+Cm+A残残心部心部:低碳低碳M回回+F碳素渗碳钢碳素渗碳钢合金渗碳钢合金渗碳钢化化学学成成分分热热处处理理后后的的组组织织2021/9/23384.合金渗碳钢的牌号合金渗碳钢的牌号20 Mn2 Ti A等级等级:高级优质高级优质含钛量含钛量WTi1.5%含锰量含锰量WMn 2%含碳量含碳量WC 20%002021/9/23395.典型合金渗碳钢种介绍典型合金渗碳钢种介绍 低淬透性合金渗碳钢低淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量
15、钢含合金元素总量3%15Cr、20Cr、20Mn2。用用 于受力小的耐磨件,如柴于受力小的耐磨件,如柴 油机的活塞销、凸轮轴等。油机的活塞销、凸轮轴等。中淬透性合金渗碳钢中淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在钢含合金元素总量在4%左左 右。右。20 CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷用于中等载荷 的耐磨件,如变速箱齿轮。的耐磨件,如变速箱齿轮。柴油机凸轮轴柴油机凸轮轴活塞销活塞销(20Cr)2021/9/23405.典型合金渗碳钢种介绍典型合金渗碳钢种介绍高淬透性合金渗碳钢高淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在钢含合金元素总量在 4%6%。18Cr2NiWA、20Cr2
16、Ni4A等。用于大载荷等。用于大载荷 的耐磨件,如柴油机曲轴。的耐磨件,如柴油机曲轴。柴油机曲轴柴油机曲轴2021/9/2341 20 CrMnTi 钢制造齿轮的热处理工艺曲线钢制造齿轮的热处理工艺曲线2021/9/2342三三.碳素调质钢及合金调质钢碳素调质钢及合金调质钢1.对调质钢的性能要求对调质钢的性能要求:既强又韧既强又韧2.对调质钢的含碳量的要求对调质钢的含碳量的要求:中碳中碳3.调质钢的热处理特点调质钢的热处理特点:淬火淬火+高温回火高温回火(500650)2021/9/2343Wc=0.250.6%Wc=0.250.5%合金元素合金元素:Cr、Mn、Ni、B、Si、V、W、Mo、
17、Ti等。等。表层表层:S回回碳素调质钢碳素调质钢合金调质钢合金调质钢化化学学成成分分热热处处理理后后的的组组织织心部心部:P+F表层表层:S回回心部心部:S回回2021/9/23444.合金调质钢的牌号合金调质钢的牌号40Cr40Mn40MnB35CrMo38 Cr Mo Al A25Cr2Ni4WA2021/9/23455.典型合金调质钢种介绍典型合金调质钢种介绍 低淬透性调质钢低淬透性调质钢钢含合金元素总量钢含合金元素总量3%。40Cr、40MnB等。等。中淬透性调质钢中淬透性调质钢钢含合金元素总量在钢含合金元素总量在4%左右。左右。38 CrSi、35 CrMo 等。等。圆圆锥锥齿齿轮轮
18、柴油机凸轮轴柴油机凸轮轴常用于制造较小的齿轮、常用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。轴、螺栓等零件。2021/9/23465.典型合金调质钢种介绍典型合金调质钢种介绍 高淬透性调质钢高淬透性调质钢钢含合金元素总量在钢含合金元素总量在4%10%。制造大截面重载荷零件,如制造大截面重载荷零件,如曲轴等用高淬透性的零件等曲轴等用高淬透性的零件等 。38 Cr Mo Al A、40 Cr Mn Mo、25 Cr2 Ni4 W A等。等。2021/9/2347 40Cr钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线2021/9/2348四四.碳素弹簧钢及合金弹簧钢碳素弹簧钢及合金弹簧钢1.
19、对弹簧钢的性能要求对弹簧钢的性能要求:高的高的e、高的、高的s/b、高的、高的-1、良好的、良好的韧韧。2.对弹簧钢含碳量的要求对弹簧钢含碳量的要求:中、高碳。中、高碳。3.热成型弹簧钢的热处理特点热成型弹簧钢的热处理特点:淬火淬火+中温回火中温回火(450550)2021/9/2349碳素弹簧钢碳素弹簧钢合金弹簧钢合金弹簧钢化化学学成成分分热热处处理理后后的的组组织织Wc=0.60.9%Wc=0.50.7%合金元素合金元素:Si、Mn、Cr、V、W、Mo等。等。T回回制造尺寸小于制造尺寸小于815mm的的小型小型弹弹簧。簧。T回回制造尺寸在制造尺寸在2025mm左右的左右的弹弹簧。簧。202
20、1/9/23504.合金弹簧钢的牌号合金弹簧钢的牌号6565 Mn55 Si 2 Mn60 Si 2 Mn50 Cr V A50 Cr Mn A55 Si Mn Mo V Nb2021/9/23515.冷成形弹簧生产工艺特点冷成形弹簧生产工艺特点 用于生产尺寸小于用于生产尺寸小于815mm的小型的小型弹弹簧簧,常用常用弹弹簧簧钢丝钢丝(片片)冷冷绕绕成形成形,其制造方法有其制造方法有:v T组织组织冷成型冷成型+200300去去应应力力 退火。退火。60、75、85、65 Mn。v T回回组织组织冷成型冷成型+去去应应力退火。力退火。v 退火退火组织组织冷成型冷成型+淬火淬火+中温回火。中温回
21、火。55Si2Mn、60Si2MnA、50CrVA。2021/9/2352汽车板簧汽车板簧大型热卷弹簧大型热卷弹簧热卷大弹簧热卷大弹簧簧弹丝簧弹丝2021/9/2353五五.滚动轴承钢滚动轴承钢(bearing steel)1.性能要求性能要求:v高的高的硬度强度和耐磨性硬度强度和耐磨性;v高的接触疲劳强度高的接触疲劳强度;v足够的韧性和耐蚀性足够的韧性和耐蚀性;v高的纯净度高的纯净度;滚珠轴滚珠轴承承滚针轴承滚针轴承滚柱轴承滚柱轴承2021/9/2354五五.滚动轴承钢滚动轴承钢(bearing steel)2.化学成分特点化学成分特点:高高碳碳,Wc=0.91.1%。主加主加Cr,0.41
22、.65%辅加辅加Si、Mn。优质钢材优质钢材。2021/9/2355五五.滚动轴承钢滚动轴承钢(bearing steel)3.热处理特点热处理特点:球化退火球化退火+淬火淬火+低温回火低温回火极细回火马氏体极细回火马氏体+细粒状碳化物细粒状碳化物+少量残余奥氏体少量残余奥氏体2021/9/23564.滚动轴承钢的牌号滚动轴承钢的牌号G Cr9 Si Mn 含含Mn量量WMn1.5%含含Si量量WSi1.5%含含Cr量量WCr 0.9%滚动轴承钢滚动轴承钢2021/9/23575.铬轴承钢制造轴承的工艺路线铬轴承钢制造轴承的工艺路线锻造锻造 球化退火球化退火 机加工机加工 淬火淬火+冷处理冷处
23、理(60 80;1h)低温回火低温回火 磨削加工磨削加工 稳定化处理稳定化处理(120 130;5 10h)2021/9/2358 六六.易切削钢易切削钢(fee cutting steel)2.性能要求性能要求:降低切削力和切削热降低切削力和切削热,减少刀具减少刀具磨损磨损,延长刀具寿命延长刀具寿命,改屑性能改屑性能,提高切削速度。提高切削速度。3.化学成分特点化学成分特点:1.用途用途:适用于高速切削和在自动加工机适用于高速切削和在自动加工机床上加工的材料。床上加工的材料。S:Ws=0.080.3%Pb:WPb=0.150.25%Ca:微量微量2021/9/23594.易切削钢的牌号易切削
24、钢的牌号Y 40 Mn 含锰量含锰量WMn 1.5%含碳量含碳量WC 0.4%易切削钢易切削钢2021/9/23605.易切削钢的热处理工艺特点易切削钢的热处理工艺特点 低低碳易碳易切削钢切削钢(Y12、Y15、Y20)渗碳渗碳或或淬火淬火成成低碳马氏体低碳马氏体。中中碳易碳易切削钢切削钢(Y40)调质调质及及表面淬火表面淬火。2021/9/2361 第三节第三节 合金工具钢合金工具钢合金刃具钢合金刃具钢(alloy cutting steel)合金模具钢合金模具钢(alloy die steel)合金量具钢合金量具钢(alloy measuring steel)2021/9/2362量量 具
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