最新常用工程材料 最终版 (2)PPT课件.ppt
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1、常用工程材料常用工程材料 最终版最终版(2)硅硅(Si)(1)可清除钢中的)可清除钢中的FeO,脱氧能力比,脱氧能力比Mn强。强。它与钢液中的它与钢液中的FeO能结成密度较小的硅酸能结成密度较小的硅酸盐以炉渣的形式被除去。从而消除盐以炉渣的形式被除去。从而消除FeO对钢对钢的不良影响。的不良影响。(2)硅能溶入铁素体中,使铁素体强化,从而)硅能溶入铁素体中,使铁素体强化,从而提高钢的强度和硬度,但降低塑性和韧性。当提高钢的强度和硬度,但降低塑性和韧性。当含硅量不多时,其对钢的性能影响不大。含硅量不多时,其对钢的性能影响不大。(3)总起来说,硅也是一种有益的元素。作为)总起来说,硅也是一种有益的
2、元素。作为杂质其含量应小于杂质其含量应小于0.4%。4.按钢液脱氧程度分类(1)沸腾钢(F)脱氧不完全,组织不致密,成分不均匀,性能较差。(2)镇静钢(Z)脱氧完全,组织致密,成分较均匀,性能较好。(3)半镇静钢(b)脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间。(二)碳钢的牌号、性能及主要用途1.普通碳素结构钢(GB/T7001988)表示方法:用Q、屈服数值、质量等级和脱氧方法组成。牌号Q235D示例说明:Q钢的屈服点“屈”字汉语拼音字头;235最低屈服点值235MPa;D表示质量等级为D级。有时牌号后面还要分别附加下列符号:F沸腾钢;b半镇静钢;Z镇静钢;TZ特殊镇静钢。由于D级质量钢均为特殊镇静钢,
3、故“TZ”符号可以省略。如Q235DTZ可写为Q235-D。符号“Z”有时亦可省略。常用碳素结构钢:Q195、Q215、Q235A、Q235B塑性较好,有一定的强度,通常轧制成钢筋、钢板、钢管等,可用于做桥梁、建筑物等构件,也可用做普通螺钉、螺帽、铆钉等。Q235C、Q235D可用于重要的焊接件。Q255、Q275强度较高,可轧制成型钢、钢板作构件用。这类钢常在热轧状态下使用,不再进行热处理。但对某些零件,也可以进行正火、调质、渗碳等处理,以提高其使用性能。常用碳素结构钢钢板钢筋建筑构件螺钉铆钉钢桥梁2.优质碳素结构钢表示方法:用两位数字表示平均含碳量的万分数,较高含锰量再加Mn。如:45钢,
4、碳的平均含量为万分之四十五,即0.45%。含锰较高的优质碳素结构钢要标出Mn,例如:45Mn。优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件。常用优质碳素结构钢:螺栓齿轮曲轴弹簧常用优质碳素结构钢:08F塑性好,可制造冷冲压零件;10、20钢冷冲压性与焊接性能良好,可用作冲压件及焊接件,经过热处理(如渗碳)也可以制造轴、销等零件;35、40、45、50钢经热处理后,可获得良好的综合机械性能,用来制造齿轮、轴类、套筒等零件;60、65钢主要用来制造弹簧。优质碳素结构钢使用前一般都要经过热处理。3.碳素工具钢碳素工具钢的碳质量分数在0.65%1.35%之间。表示方法:用“T”加表示平均含碳量千分数的数字,
5、较高质量再加“A”。如T8,表示平均碳含量为0.80%的碳素工具钢。碳素工具钢均为优质钢,若含硫、磷更低,则为高级优质钢,在钢号后标注“A”字。例如,T12A表示碳质量分数为1.2%的高级优质碳素工具钢。碳素工具钢用来制造各种刃具、量具、模具等。常用碳素工具钢:T7、T8硬度较高、韧性较高,可制造冲头、凿子、锤子等工具。T9、T10、T11硬度高,韧性适中,可制造钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具等。T12、T13硬度很高,韧性较低,可制作锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。碳素工具钢使用前都要进行热处理。常用碳素工具钢:锉刀量规钻头4.铸钢表示方法:ZG(1)力学性能用最小屈服数值、最
6、小抗拉强度表示ZG200400表示最小屈服强度200MPa、最小抗拉强度400MPa的铸钢。(2)化学成分用两位数字表示平均含碳量的万分数和化学元素符号及含量百分数表示。ZG45表示平均含碳量为0.45的铸钢。铸钢主要用于制造形状复杂,需要一定强度、塑性和韧性的零件,例如机车车辆、船舶、重型机械的齿轮、轴,以及轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等。外壳轧辊重型机械齿轮合金钢的编号、性能和主要用途牌号首部用数字标明碳质量分数。规定结构钢以万分之一为单位的数字(两位数)、工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字(一位数)来表示碳质量分数,而工具钢的碳质量分数超过1%,碳质量分数不标出。在表明碳质量分数数
7、字之后,用元素的化学符号表明钢中主要合金元素,质量分数由其后面的数字标明,平均质量分数少于1.5%时不标数,平均质量分数为1.5%2.49%、2.5%3.49%时,相应地标以2、3。合金结构钢40Cr,平均碳质量分数为0.40%,主要合金元素Cr的质量分数在1.5%以下。合金工具钢5CrMnMo,平均碳质量分数为0.5%,主要合金元素Cr、Mn、Mo的质量分数均在1.5%以下。专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明。如:滚珠轴承钢,在钢号前标以“G”。GCr15表示碳质量分数约1.0%、铬质量分数约1.5%(这是一个特例,铬质量分数以千分之一为单位的数字表示)的滚珠轴承钢。Y40Mn,表示碳质量分
8、数为0.4%、锰质量分数少于1.5%的易切削钢等等。对于高级优质钢,则在钢的末尾加“A”字表明,例如20Cr2Ni4A等。(一)(一)合金结构钢合金结构钢用于制造重要工程结构和机器零件的合金钢称为合金结构钢。主要有低合金高强度结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚珠轴承钢。1.低合金结构钢A.用途主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。容器船舶车辆桥梁储气罐B.成分特点(1)低碳:由于韧性、焊接性和冷成形性能的要求高,其碳质量分数不超过0.20%。(2)加入以锰为主的合金元素。(3)加入铌、钛或钒等辅加元素:少量的铌、钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮化物
9、,有利于获得细小的铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性。此外,加入少量铜(0.4%)和磷(0.1%左右)等,可提高抗腐蚀性能。加入少量稀土元素,可以脱硫、去气,使钢材净化,改善韧性和工艺性能。(1)合金调质钢.用途合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件,如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。齿轮曲轴汽车万向节连杆.性能要求调质件大多承受多种工作载荷,受力情况比较复杂,要求高的综合机械性能,即具有高的强度和良好的塑性、韧性。合金调质钢还要求有很好的淬透性。但不同零件受力情况不同,对淬透性的要求不一样。.成分特点中碳:碳质量分数一般在0.25%0.50%之间,以0.4%居多;加入提高
10、淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等:这些合金元素除了提高淬透性外,还能形成合金铁素体,提高钢的强度。如调质处理后的40Cr钢的性能比45钢的性能高很多;加入防止第二类回火脆性的元素:含Ni、Cr、Mn的合金调质钢,高温回火慢冷时易产生第二类回火脆性。在钢中加入Mo、W可以防止第二类回火脆性,其适宜含量:Mo的质量分数为0.15%0.30%,或W的质量分数为0.8%1.2%。d.常用低合金高强度结构钢Q345(16Mn)是我国低合金高强钢中用量最多、产量最大的钢种。使用状态的组织为细晶粒的铁素体珠光体,强度比普通碳素结构钢Q235约高20%30%,耐大气腐蚀性能高20%38%。Q420(15M
11、nVN)中等级别强度钢中使用最多的钢种。强度较高,且韧性、焊接性及低温韧性也较好,被广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶等大型结构。强度级别超过500MPa后,铁素体和珠光体组织难以满足要求,于是发展了低碳贝氏体钢。加入Cr、Mo、Mn、B等元素,有利于空冷条件下得到贝氏体组织,使强度更高,塑性、焊接性能也较好,多用于高压锅炉、高压容器等。e.钢种及牌号40Cr低淬透性合金调质钢,油淬临界直径为30mm40mm,用于制造一般尺寸的重要零件。35CrMo中淬透性合金调质钢,油淬临界直径为40mm60mm,加入钼不仅可提高淬透性,而且可防止第二类回火脆性。40CrNiMo高淬透性合金调质钢,油淬临界直径为
12、60mm100mm,铬镍钢中加入适当的钼,不但具有好的淬透性,还可消除第二类回火脆性。f.热处理和组织性能合金调质钢的最终热处理是淬火加高温回火。合金调质钢淬透性较高,一般都用油淬,淬透性特别大时甚至可以空冷,这能减少热处理缺陷。合金调质钢的最终性能决定于回火温度。一般采用500650回火。通过选择回火温度,可以获得所要求的性能。为防止第二类回火脆性,回火后快冷(水冷或油冷),有利于韧性的提高。40Cr钢经不同温度回火后的机械性能(直径12,油淬)合金调质钢常规热处理后的组织是回火索氏体。对于表面要求耐磨的零件(如齿轮、主轴),再进行感应加热表面淬火及低温回火,表面组织为回火马氏体。表面硬度可
13、达55HRC58HRC。合金调质钢淬透调质后的屈服强度约为800MPa,冲击韧性在800kJ/m2,心部硬度可达22HRC25HRC。若截面尺寸大而未淬透时,性能显著降低。(2)合金渗碳钢a.用途主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮,内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损,同时又承受较大的交变载荷,特别是冲击载荷。拨叉变速齿轮b.性能要求表面渗碳层硬度高,以保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力,同时具有适当的塑性和韧性。心部具有高的韧性和足够高的强度。心部韧性不足时,在冲击载荷或过载作用下容易断裂;强度不足时,则较脆的渗碳层易碎裂、剥落。有良好的热处理工艺性能在高的渗
14、碳温度(900950)下,奥氏体晶粒不易长大,并有良好的淬透性。c.成分特点低碳:碳质量分数一般为0.10%0.25%,使零件心部有足够的塑性和韧性。加入提高淬透性的合金元素:常加入Cr、Ni、Mn、B等。加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素:主要加入少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等,形成稳定的合金碳化物。d.钢种及牌号20Cr低淬透性合金渗碳钢。淬透性较低,心部强度较低。20CrMnTi中淬透性合金渗碳钢。淬透性较高、过热敏感性较小,渗碳过渡层比较均匀,具有良好的机械性能和工艺性能。18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A高淬透性合金渗碳钢。含有较多的Cr、Ni等元素,淬透性很高,且具有很好
15、的韧性和低温冲击韧性。e.热处理和组织性能合金渗碳钢的热处理工艺一般都是渗碳后直接淬火,再低温回火。热处理后,表面渗碳层的组织为合金渗碳体+回火马氏体+少量残余奥氏体组织,硬度为60HRC62HRC。心部组织与钢的淬透性及零件截面尺寸有关,完全淬透时为低碳回火马氏体,硬度为40HRC48HRC;多数情况下是屈氏体、回火马氏体和少量铁素体,硬度为25HRC40HRC。心部韧性一般都高于700kJ/m2。(3)合金弹簧钢.用途合金弹簧钢是一种专用结构钢,主要用于制造各种弹簧和弹性元件。弹簧拉力弹簧离合器弹簧 蝶形弹簧.性能要求高的弹性极限e,尤其是高的屈强比s/b以保证弹簧有足够高的弹性变形能力和
16、较大的承载能力。高的疲劳强度r,以防止在震动和交变应力作用下产生疲劳断裂。足够的塑性和韧性,以免受冲击时脆断。此外,弹簧钢还要求有较好的淬透性,不易脱碳和过热,容易绕卷成形等。一些特殊弹簧钢还要求耐热性、耐蚀性等。.成分特点中、高碳高的屈强比要求弹簧钢的碳含量比调质钢高,碳的质量分数一般为0.50%0.70%。碳含量过高时,塑性、韧性降低,疲劳抗力也下降。加入以Si、Mn为主的提高淬透性的元素,Si和Mn同时也提高了屈强比。重要用途的弹簧钢还必须加入Cr、V、W等元素。此外,弹簧的冶金质量对疲劳强度有很大的影响,所以弹簧钢均为优质钢或高级优质钢。.钢种和牌号65Mn和60Si2Mn以Si、Mn
17、为主要合金元素的弹簧钢。这类钢的价格便宜,淬透性明显优于碳素弹簧钢,Si、Mn的复合合金化,性能比只用Mn的好得多。这类钢主要用于汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧。50CrVA含Cr、V、W等元素的弹簧钢。Cr、V复合合金化,不仅大大提高钢的淬透性,而且还提高钢的高温强度、韧性和热处理工艺性能。这类钢可制作在350400温度下承受重载的较大弹簧。.加工、热处理与性能弹簧按加工和热处理可分为两类:热成形弹簧用热轧钢丝或钢板制成,然后淬火和中温(450550)回火,获得回火屈氏体组织,具有很高的屈服强度和弹性极限,并有一定的塑性和韧性,一般用来制作为较大型的弹簧。冷成形弹簧小尺寸弹簧一般用冷拔弹簧钢
18、丝(片)卷成。为了提高弹簧的疲劳寿命,目前还广泛采用喷丸强化处理。(4)滚珠轴承钢.用途主要用来制造滚动轴承的滚动体(滚珠、滚柱、滚针)、内外套圈等,属专用结构钢。从化学成分上看它属于工具钢,所以也用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。滚珠滚珠轴承.性能要求高的接触疲劳强度:轴承元件如滚珠与套圈,运动时为点或线接触,接触处的压应力高达1500MPa5000MPa;应力交变易造成接触疲劳破坏,产生麻点或剥落,所以轴承钢疲劳强度应很高。高的硬度和耐磨性:硬度一般为62HRC64HRC。足够的韧性和淬透性。此外,还要求在大气和润滑介质中有一定的耐蚀能力和良好的尺寸稳定性。.成分特点高碳碳质量分
19、数一般为0.95%1.10%,以保证其高硬度、高耐磨性和高强度。铬为基本合金元素铬提高淬透性;形成合金渗碳体(Fe,Cr)3C呈细密、均匀分布,提高钢的耐磨性,特别是疲劳强度。适宜的铬质量分数为0.40%1.65%。加入硅、锰、钒等Si、Mn进一步提高淬透性,便于制造大型轴承。V部分溶于奥氏体中,部分形成碳化物VC,提高钢的耐磨性并防止过热。高的冶金质量轴承钢中非金属夹杂和碳化物的不均匀性对钢的性能尤其是接触疲劳强度影响很大。因此,轴承钢一般采用电炉冶炼和真空去气处理。.钢种和牌号铬轴承钢最常用的是GCr15。使用量占轴承钢的绝大部分。添加Mn、Si、Mo、V的轴承钢在铬轴承钢中加入Si、Mn
20、可提高淬透性,如GCr15SiMn、GCr15SiMnMoV等。为了节铬,加入Mo、V可得到无铬轴承钢,如GSiMnMoV、GSiMnMoVRE等,其性能与GCr15相近。.热处理及组织性能轴承钢的热处理主要为球化退火、淬火和低温回火。球化退火轴承钢予先热处理是球化退火。其目的不仅是降低钢的硬度,以利于切削加工,更重要的是获得细的球状珠光体和均匀分布的过剩的细粒状碳化物,为零件的最终热处理做组织准备。淬火和低温回火淬火温度要求十分严格,温度过高会过热,晶粒长大,使韧性和疲劳强度下降,且易淬裂和变形;温度过低,则奥氏体中溶解的铬量和碳量不够,钢淬火后硬度不足。GCr15钢的淬火温度严格控制在82
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