第五 钢和铸铁.pptx
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1、第五章第五章 钢和铸铁钢和铸铁分类:分类:钢按化学成分分为钢按化学成分分为碳钢和合金钢。碳钢和合金钢。碳钢:碳钢:含碳量小于含碳量小于2.11%的铁碳合金。的铁碳合金。合金钢:合金钢:为了提高钢的性能,在碳钢的基础上有意加入一为了提高钢的性能,在碳钢的基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。定量合金元素所获得的铁基合金。一、含碳量对钢组织和力学性能的影响一、含碳量对钢组织和力学性能的影响总趋势是:总趋势是:含碳量含碳量,Fe3C,F,硬度硬度,塑韧性,塑韧性,强,强度先升后降。度先升后降。故工业用钢的含碳量不超过故工业用钢的含碳量不超过1.4%。第一节第一节 碳钢(碳钢(carbon s
2、teelcarbon steel)第1页/共56页二、钢中其他元素对力学性能的影响二、钢中其他元素对力学性能的影响1.磷磷P作用:作用:有害元素。有害元素。l全部溶于全部溶于F中,使钢的强度和硬度中,使钢的强度和硬度;l在室温下钢塑性在室温下钢塑性,脆性,脆性,在低温下引起脆断,在低温下引起脆断“冷脆冷脆”。2.硫硫S作用:作用:有害元素。有害元素。lS与与Fe形成形成FeS,使钢的塑性,使钢的塑性。lFeS又与又与Fe形成低熔点共晶体形成低熔点共晶体,在,在1000-1200进行热进行热加工时,共晶体熔化,钢材变脆,沿晶界开裂,称加工时,共晶体熔化,钢材变脆,沿晶界开裂,称“热脆热脆”。注意
3、:但硫和磷有时也有有利的一面。第2页/共56页三、碳钢的分类三、碳钢的分类1 1 按按含碳量含碳量分类分类低碳钢低碳钢(Wc0.25%)中碳钢中碳钢(0.25%Wc0.6)3.锰锰Mn作用作用:l溶入溶入F和和Fe3C中,强度和硬度中,强度和硬度;l与与S作用作用MnS,消除了,消除了S的有害作用的有害作用。有益元素。有益元素。4.硅硅Si作用:作用:l溶于溶于F F中,中,钢的强度硬度钢的强度硬度,塑韧性稍微,塑韧性稍微。有益元素。有益元素。第3页/共56页2 按按冶金质量冶金质量分分 普通钢(普通钢(S%0.055%,P%0.045%)优质钢(优质钢(S%、P%0.040%)高级优质钢(高
4、级优质钢(S%0.030%,P%0.035%)按冶炼时按冶炼时脱氧程度脱氧程度 沸腾钢沸腾钢 镇静钢镇静钢 半镇静钢半镇静钢 3 按按性能和用途性能和用途分分碳素结构钢碳素结构钢优质碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢碳素工具钢易切削结构钢等易切削结构钢等第4页/共56页1.1.碳素结构钢碳素结构钢(carbonstructuralsteel)四、碳钢的牌号、性能和用途四、碳钢的牌号、性能和用途用途:用途:工程结构件(钢板、钢筋、型钢等)工程结构件(钢板、钢筋、型钢等)普通机械零件(少)普通机械零件(少)建筑构件钢桥梁第5页/共56页牌号:牌号:Q+屈服强度值屈服强度值+质量等级符号质量等级符号
5、+脱氧方法符号脱氧方法符号。其中,其中,Q表示表示“屈服强度屈服强度”,单位是单位是MPa;质量等级符号质量等级符号为为A、B、C、D(A、B、C为普通级,为普通级,D为优质级)为优质级)。脱氧方法符号脱氧方法符号:沸腾钢沸腾钢F;镇静钢;镇静钢Z;半镇静钢;半镇静钢b;特殊镇静钢特殊镇静钢TZ。举例:举例:Q235A表示屈服强度为表示屈服强度为235MpaA级碳素结构钢。级碳素结构钢。成分特点:成分特点:低低C(0.06%0.38%),高),高S、P。使用状态:使用状态:热轧状态下使用,一般不再进行热处理。热轧状态下使用,一般不再进行热处理。性能:性能:冶炼容易,工艺性好,力学性能低。冶炼容
6、易,工艺性好,力学性能低。第6页/共56页C5C5Q275 Q275 A1A1;B1B1A2A2;C2C2A3A3;C3C3A4A4;C4C4化学成分和力学性能均须保证 Q195 Q195 Q215Q215 Q235 Q235 Q255 Q255 GB700-79 GB700-79 标准A A 类钢 保证力学性能,B B 类钢 保证化学成分,C C 类钢 保证化学成分及力学性。GB/T700-1988 GB/T700-1988 标准 碳素结构钢 新、老标准钢号对照第7页/共56页2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢曲轴曲轴用途:用途:制造各种机器零件,如齿轮、轴、连杆、弹簧等制造各种机器零件,如齿
7、轮、轴、连杆、弹簧等性能:性能:综合力学性能较好。综合力学性能较好。使用状态:使用状态:使用前一般要经过热处理。使用前一般要经过热处理。(渗碳、淬火、回火等)(渗碳、淬火、回火等)成分特点:成分特点:Wc:0.08%0.85%,S、P 0.04%第8页/共56页牌号牌号(GB/T699-1999):u根据含碳量的大小。根据含碳量的大小。用用两位数字两位数字表示。两位数字表示平均表示。两位数字表示平均含碳量的万分数。含碳量的万分数。如如:25。u沸腾钢和半镇静钢,在牌号后尾部分别加沸腾钢和半镇静钢,在牌号后尾部分别加“F”和和“b”.如:如:“08F”,“10b”。u含锰量较高(含锰量较高(1.
8、0%)的优质碳素结构钢,在数字后面加)的优质碳素结构钢,在数字后面加符号符号“Mn”。如:。如:“50Mn”。u高级优质碳素结构钢,在牌号后加符号高级优质碳素结构钢,在牌号后加符号“A”;如:如:20A。u特级高级优质碳素结构钢,在牌号后加符号特级高级优质碳素结构钢,在牌号后加符号“E”。如:。如:50E。第9页/共56页3.碳素工具钢碳素工具钢(carbontoolsteel)用途:用途:制造各种量具、刃具、模具等。制造各种量具、刃具、模具等。锉刀锉刀性能:性能:硬度高,耐磨性好硬度高,耐磨性好。成分:成分:高高C(0.65%1.35%),低,低S、P使用状态:使用状态:使用前一般要经过热处
9、理。使用前一般要经过热处理。(球化退火,淬火(球化退火,淬火+低温回火)低温回火)第10页/共56页牌号(牌号(GB1298-86):):n用用“T+数字数字+字母字母”表示,其中,表示,其中,数字数字表示平均含碳量表示平均含碳量的的千分数千分数。例如。例如T8(读碳(读碳8),),平均含碳量为平均含碳量为0.8%的碳的碳素工具钢。素工具钢。n高级优质钢,牌号后加高级优质钢,牌号后加“A”,如:如:T12A表示平均含碳表示平均含碳量为量为1.2%的高级优质碳素工具钢。的高级优质碳素工具钢。n含锰量较高的优质碳素工具钢,在碳含量后面加锰元素含锰量较高的优质碳素工具钢,在碳含量后面加锰元素符号符号
10、“Mn”如:如:T8Mn表示平均含碳量为表示平均含碳量为0.8%,含锰量,含锰量较高的碳素工具钢;较高的碳素工具钢;第11页/共56页4.易切削结构钢易切削结构钢(AutomaticSteel)牌号牌号:用用“Y+数字数字+元素符号元素符号”表示。如表示。如Y40Mn表示平表示平均含碳量为均含碳量为0.4%且含且含Mn较高的易切削结构钢。较高的易切削结构钢。性能性能:良好的切削加工性。:良好的切削加工性。成分:成分:0.08%0.50%C,加入一定量的,加入一定量的S,P。用途用途:多用于自动机床上加工强度要求不高的零件,如螺钉、多用于自动机床上加工强度要求不高的零件,如螺钉、螺帽等。螺帽等。
11、第12页/共56页第二节 合金钢(alloy steel)定义定义:为了提高碳钢的性能,在碳钢中有目的的加入合为了提高碳钢的性能,在碳钢中有目的的加入合金元素所获得的钢种金元素所获得的钢种。常加入元素有:常加入元素有:锰锰(Mn)、硅、硅(Si)、铬、铬(Cr)、镍、镍(Ni)、钼、钼(Mo)、钨钨(W)、钒、钒(V)、钛钛(Ti)、稀土、稀土(Re)等元素。等元素。发展合金钢的意义发展合金钢的意义:纯铁的纯铁的b b为为200200,碳钢的,碳钢的b为为700,碳钢,碳钢+热处理热处理b为为700-1600,碳钢,碳钢+热处理热处理+合金化合金化b为为2200。第13页/共56页1.1.合金
12、元素在钢中的作用合金元素在钢中的作用细化细化A晶粒晶粒:Ti、V、Nb(铌铌)、Zr(锆锆)、Al提高淬透性:提高淬透性:Mn、Cr、W、Mo提高回火抗力提高回火抗力:Cr、W、Mo、V(钒钒)固溶强化固溶强化:Ni、Si、Al、Co(钴钴)、Cu、Mn、Cr、第二相强化第二相强化:Mn、Cr、Mo、W形成致密氧化膜形成致密氧化膜:Si、Al、Ni、Cr、W、Mo、Ti总之,具有三个作用:总之,具有三个作用:改善力学性能;提高淬透性;改善力学性能;提高淬透性;获得特殊性能。获得特殊性能。第14页/共56页2.2.合金钢的分类合金钢的分类按用途分类按用途分类低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢合
13、金结构钢合金结构钢合金工具钢合金工具钢特殊性能钢特殊性能钢按合金元素含量按合金元素含量分类分类分类分类低合金钢(低合金钢(5%)中合金钢(中合金钢(5%10%)高合金钢(高合金钢(10%)第15页/共56页一、低合金结构钢一、低合金结构钢(lowalloystructuralsteel)定义:定义:普通碳素结构钢普通碳素结构钢(0.2%C)+少量合金元素少量合金元素Mn、V、Ti、Cu、P等,等,又称低合金高强度钢。又称低合金高强度钢。用途:用途:在大气和海洋中工作的的大型焊接结构件,如建在大气和海洋中工作的的大型焊接结构件,如建筑结构、桥梁、车辆筑结构、桥梁、车辆、船舶、船舶、输油输气管道、
14、压力容器。、输油输气管道、压力容器。第16页/共56页性能要求:性能要求:高强度;高强度;高韧性;高韧性;良好的焊接性能;良好的焊接性能;良好的耐蚀性。良好的耐蚀性。成分特点:成分特点:含含C量低(小于量低(小于0.2),),低合金(低合金(3%3%)牌号:牌号:“Q+数字数字”表示。常见的有表示。常见的有Q295、Q345,Q390,Q420,Q460。举例北京北京“鸟巢鸟巢”用钢材名为:用钢材名为:Q460EZ235为我国目前为我国目前的顶级建筑用钢。的顶级建筑用钢。使用状态使用状态:在热轧后经退火或正火状态下使用。在热轧后经退火或正火状态下使用。第17页/共56页两位数字两位数字+元素符
15、号元素符号+数字数字该合金元素的百分数该合金元素的百分数为主加元素为主加元素表示平均含碳量的万分数表示平均含碳量的万分数举例:举例:例如例如50Mn2,表示平均含碳量为,表示平均含碳量为0.5%,含锰量,含锰量为为2%左右的合金结构钢;高级优质钢在牌号后加字母左右的合金结构钢;高级优质钢在牌号后加字母A,如,如60Si2MnA。特级优质钢在牌号后加字母。特级优质钢在牌号后加字母E,如,如30CrMnSiE。二、合金结构钢二、合金结构钢(structuralalloysteel)(1)牌号)牌号第18页/共56页(2 2)分类)分类按用途可分为按用途可分为 合金弹簧钢合金弹簧钢合金渗碳钢合金渗碳
16、钢合金调质钢合金调质钢合金轴承钢合金轴承钢1.合金渗碳钢合金渗碳钢(alloycarburizingsteel)定义:指经过渗碳处理的合金结构钢。用途:用途:主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮,内主要用于制造汽车、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。燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。第19页/共56页变速齿轮变速齿轮活塞销活塞销性能要求:性能要求:表面硬度高;表面硬度高;心部具有高的韧性和心部具有高的韧性和强度;强度;有良好的热处理工艺性能有良好的热处理工艺性能 成分特点:成分特点:碳为碳为0.10%0.25%,Mn能强化铁素体能强化铁素体和增加钢的淬透性,和增加钢的淬透
17、性,Cr提高钢的淬透性提高钢的淬透性。常用牌号:常用牌号:20CrMnTi、20CrMn、20Cr等等第20页/共56页热处理特点:热处理特点:渗碳后直接淬火渗碳后直接淬火+低温回火。低温回火。2.合金调质钢合金调质钢(alloytemperingsteel)定义:定义:指经过调质处理的合金结构钢。获得指经过调质处理的合金结构钢。获得S回。回。应用举例应用举例:以以20CrMnTi合金渗碳钢制造的汽车变速齿合金渗碳钢制造的汽车变速齿轮为例,其工艺路线如下,说明其热处理方法的选定及轮为例,其工艺路线如下,说明其热处理方法的选定及工艺。工艺。技术要求技术要求:渗碳层厚度:渗碳层厚度1.21.6mm
18、,表面碳浓度为,表面碳浓度为1.0%,齿顶硬度,齿顶硬度5860HRC,心部硬度,心部硬度3045HRC。工工艺路线艺路线:锻造:锻造热处理热处理1加工齿轮加工齿轮热处理热处理2喷丸喷丸精磨。精磨。思考题第21页/共56页用途:用途:广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上广泛用于制造汽车、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。的各种重要零件,如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。性能要求:性能要求:要求高的综合机械性能。要求高的综合机械性能。连杆连杆 曲轴曲轴成分特点:成分特点:含碳含碳0.35%0.50%,加入,加入Cr、Mn、Ni、Si等:溶入铁素体,使铁素体强
19、化,并增加钢的淬透性。等:溶入铁素体,使铁素体强化,并增加钢的淬透性。第22页/共56页常用牌号:常用牌号:40Cr、40MnB、35CrMo等。等。热处理特点:热处理特点:淬火淬火+高温回火(调质处理)。高温回火(调质处理)。应用举例:以40Cr制造的拖拉机连杆螺栓为例,工艺路线安排如下,说明应选择何种热处理及相应的热处理工艺。零件要求:零件要求:具有足够的强度、冲击韧性和抗疲劳性能。生产工艺路线生产工艺路线:下料锻造热处理1机加工(粗加工)热处理2机加工(精加工)装配。思考题第23页/共56页3.合金弹簧钢合金弹簧钢(alloyspringsteel)用途:用途:合金弹簧钢是一种专用结构钢
20、,主要用于制造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。各种弹簧和弹性元件。火车螺旋弹簧 汽车板簧性能要求:性能要求:高的弹性极限;高的弹性极限;高的疲劳强度;高的疲劳强度;足够的塑性和韧性。足够的塑性和韧性。第24页/共56页成分特点:成分特点:0.450.7%C,主加元素,主加元素Mn,Si,Cr等,等,主要作用是提高钢的淬透性和回火稳定性。主要作用是提高钢的淬透性和回火稳定性。常用牌号:常用牌号:应用最广泛的是应用最广泛的是55Si2Mn55Si2Mn、60Si2Mn60Si2Mn。使用状态:使用状态:淬火淬火+中温回火。中温回火。4.滚动轴承钢滚动轴承钢(roller
21、bearingsteel)用途:用途:主要用来制造滚动轴承的滚动体(滚珠、滚柱、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。滚针)、内外套圈等,属专用结构钢。第25页/共56页性能要求:性能要求:高的接触疲劳强度;高的接触疲劳强度;高的硬度和高的硬度和耐磨性;耐磨性;足够的韧性和淬透性。足够的韧性和淬透性。成分特点:成分特点:高碳:高碳:0.951.15%;主加元素:;主加元素:Cr牌号:牌号:用用“G+Cr+G+Cr+铬含量铬含量”。例如例如“GCr15”的平均含铬量为的平均含铬量为1.5%的滚动轴承钢。的滚动轴承钢。使用状态:使用状态:球化退火、淬火和低温回
22、火。球化退火、淬火和低温回火。第26页/共56页1.1.牌号牌号(grades)用用“一位数字一位数字+元素符号元素符号+数字数字”表示。表示。例如例如9SiCr,表示平均含碳量为表示平均含碳量为0.9%,含硅、铬量为小于,含硅、铬量为小于1.5%的合金工具钢。的合金工具钢。三、合金工具钢三、合金工具钢(alloytoolsteel)注意注意:高速钢不标含碳量,只写出合金元素符号及其含:高速钢不标含碳量,只写出合金元素符号及其含量。如量。如:W18Cr4V等。等。2.分类分类(classification)按用途可分为按用途可分为刃具钢刃具钢模具钢模具钢量具钢量具钢第27页/共56页3.3.刃
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