钢材及其机械性能.ppt

钢材及其热处理培训（一） 钢材及其机械性能,什么是钢材 什么特性使得钢材如此实用并重要 钢材的这些特性如何衡量,目标问题：,钢是含碳量在0.0218%-2.11%之间的铁碳合金 钢的一些可利用特性： 硬度和强度 展延性和柔韧性 热传导 电传导 磁性 金属光泽,什么是钢,1. 按品质分类 2. 按化学成份分类 3. 按成形方法分 4. 按金相组织分类 5. 按用途分类 6. 综合分类 7. 按冶炼方法分类 8. 按钢材外形,钢的分类,(1)普通钢（P0.045%，S0.055%）(2)优质钢（P、S 均0.035%）(3)高级优质钢（P0.035%，S0.030%）,(1)碳素钢：(2)合金钢：,(1)锻钢；(2)铸钢；(3)热轧钢；(4)冷拉钢。,(1)建筑及工程用钢(2)结构钢(3)工具钢(4)特殊性能钢(5)专业用钢,(1)正火状态 (2)退火状态(3)无相变或部分发生相变的,(1)普通钢(2)优质钢（包括高级优质钢）,(1)按炉种分a.平炉钢b.转炉钢c.电炉钢 (2)按脱氧程度和浇注制度分a.沸腾钢；b.半镇静钢；c.镇静钢；d.特殊镇静钢。,型材、板材、管材、金属制品,在ASTM、SAE、AISI标准中，碳素钢和合金钢牌号的表示方法基本相同。大都采用四位阿拉伯数字表示，间或在中间或末尾加入字母。例如：1005，94B15，3140等。 -四位数字中的前两位数字表示钢种类型极其主要合金元素含量 -后两位数字表示钢的平均含碳量为万分之几的数值 -举例：SAE4118 41=铬钼合金钢 18=碳含量,钢的牌号（1 美标）,1.碳素结构钢 钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音”Q”、屈服点数值（单位为MPa）在标准中现含有Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五个牌号，它们的主要区别在于化学成分（主要是碳含量）和力学性能不同。 2.优质碳素结构钢 钢的牌号采用阿拉伯数字或阿拉伯数字和化学元素符号表示。以二位阿拉伯数字表示平均含碳量（以万分之几计），例如：“45”、“65Mn”。 3.低合金高强度结构钢 钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音”Q”、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）三部分按顺序排列组成，例如：Q390A、Q420E。 4.合金结构钢 钢的牌号采用阿拉伯数字和化学元素符号表示。采用二位阿拉伯数字表示平均碳含量（以万分之几计），放在牌号头部。合金元素含量表示方法为：当平均合金元素含量低于1.5%时，牌号中仅标明元素，一般不标明含量；当平均合金元素含量为1.50-2.49%, 2.50-3.49% % 时，相应地在合金元素符号后面加上 。例如：碳、铬、锰、硅的平均含量分别为0.35%、1.25%、0.95%、1.25%的合金结构钢，其牌号表示为35CrMnSi；碳、铬、镍的平均含量分别为0.12%、0.75%、2.95%的合金结构钢，牌号表示为12CrNi3。,钢的牌号（2 国标）,C 元素的影响 - 决定最大可获得硬度 0.2% 典型的渗碳与碳氮共渗用 0.30.4% 典型直接淬火，渗氮与感应淬火 0.51.0% 典型直接淬火,化学元素对钢性能的影响 （1）,1、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。 2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。硅显著提高钢的抗冲击性和回火稳定性。 3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.300.50%。在碳素钢中加入0.80%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，含锰1114%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。 4、磷（P）：在一般情况下，磷是钢中有害元素，增加钢的冷脆性，使焊接性能变坏，降低塑性，使冷弯性能变坏。因此通常要求钢中含磷量小于0.045%，优质钢要求更低些，对相图转变无明显影响。 5、硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。 6、铬（Cr）：在结构钢和工具钢中，铬能显著提高强度、硬度和耐磨性，但同时降低塑性和韧性。 7、镍(Ni)：镍能显著提高钢的淬透性和低温韧性。但由于镍是较稀缺的资源，故应尽量采用其他合金元素代用。 8、钼(Mo)：碳化物形成元素，钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，还可以抑制合金钢由于回火而引起的脆性，在工具钢中可提高红硬性。 9、钛(Ti)：钛是钢中强脱氧剂。它能使钢的内部组织致密，细化晶粒，钢中钛含量超过0.065wt%会降低机械加工性。 10、钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。 11、铝(Al)：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，钢中铝含量不易超过0.08wt%, 以防止产生冰糖状断口的脆断！ 12、硼(B)：钢中加入微量的硼（0.0005-0.003%）就可改善钢的淬透性。,化学元素对钢性能的影响 （2）,钢的机械性能 指在外力（载荷）作用时表现出来的性能，包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。 拉伸试验 硬度试验 冲击试验 疲劳试验,钢的机械性能的度量,金属材料的强度指标根据其变形特点分下列几个： 一 强度 弹性极限（e） 表示材料保持弹性变形, 不产生永久变形的最大应力, 是弹性零件的设计依据。 屈服点（s） 表示金属开始发生明显塑性变形的抗力, 铸铁等材料没有明显的屈服现象, 则用条件屈服点（0.2 ）来表示: 产生0.2%残余应变时的应力值。 强度极限(抗拉强度b ) 表示金属受拉时所能承受的最大应力。 二 塑性 断裂前材料产生永久变形的能力称为塑性, 用伸长率和断面收缩率来表示。 伸长率（） 在拉伸试验中, 试样拉断后, 标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。 断面收缩率（） 试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。,钢的机械性能的度量-拉伸试验（1）,比例极限及弹性模量E 应力 应变曲线上o a段，按一般工程精度要求，可视为直线，在a点以下，应力与应变成正比。对应于a点的应力，称为比例极限，用E表示比例常数，则有 这就是虎克定律，其中比例常数E表示产生单位应变时所需的 应力，是反映材料对弹性变形抵抗能力的一个性能指标，称为抗拉弹性模量，简称弹性模量。不同材料，其比例极限和弹性模量E也不同。例如，低碳钢中的普通碳素钢A3比例极限约200MPa，弹性模量约200GPa。,钢的机械性能的度量-拉伸试验（2）,钢的机械性能的度量-拉伸试验（3）,弹性极限 屈服点 强度极限或抗拉强度 伸长率 截面收缩率,实验设备及测量仪器 1、万能材料试验机 2、游标卡尺 试样的制备 （1E0552）,钢的机械性能的度量-拉伸试验（4）,WE-600B型液压式万能试验机,一些典型材料的拉伸曲线示意图 总的来说，碳含量越高，抗拉强度越高,钢的机械性能的度量-拉伸试验（5）,硬度是衡量金属材料软硬程度的一项重要的性能指标，它既可理解为是材料抵抗弹性变形、塑性变形或破坏的能力，也可表述为材料抵抗残余变形和反破坏的能力。硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。 硬度试验根据其测试方法的不同可分为： 静压法（如布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等）、 划痕法（如莫氏硬度） 回跳法（如肖氏硬度） 显微硬度 高温硬度,钢的机械性能的度量硬度试验（1）,TS(MPa)=3.55 x HB (HB175) 注：TS=抗拉强度，HB=布氏硬度3000kg、10mm球，公式为粗略关系，只适用于钢材。,布氏硬度试验一般采用直径10毫米的球形钢压头，用一定的负荷（试验力）压入被测材料表面。布氏硬度值是以试验力除以压痕球形表面积所得的商，单位为N/mm2(MPa)。 常见的试验力可高达3,000千克力(29千牛顿)；对于软的材料则可用较小的负荷。如果试验材料很硬，则以碳化钨球压头代替钢压头。保持负荷一定时间后，卸除试验力，测量材料表面留下的压痕之直径。,钢的机械性能的度量硬度试验（2）,采用淬硬度钢球压头时标 HBS ；采用碳化钨压头时标 HBW,洛式硬度（HR-）是以压痕塑性变形深度来确定硬度值指标。以0.002毫米作为一个硬度单位。当HB450或者试样过小时，不能采用布氏硬度试验而改用洛氏硬度计量。它是用一个顶角120的金刚石圆锥体或直径为1.59、3.18mm的钢球，在一定载荷下压入被测材料表面，由压痕的深度求出材料的硬度。根据试验材料硬度的不同，分三种不同的标度来表示： HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。 HRB：是采用100kg载荷和直径1.59mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。 HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。,钢的机械性能的度量硬度试验（3）,维氏硬度(HV) 以120kg以内的载荷和顶角为136的金刚石方形锥压入器压入材料表面，用材料压痕凹坑的表面积除以载荷值。 努氏硬度（HK）,钢的机械性能的度量硬度试验（4）,Charpy impact test 用以测定金属材料抗缺口敏感性(韧性)的试验。制备有一定形状和尺寸的金属试样，使其具有U形缺口或V形缺口，在夏比冲击试验机上处于简支梁状态，以试验机举起的摆锤作一次冲击，使试样沿缺口冲断