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机械工程材料,Mechanical Engineering Materials Science,机械与电子工程学院,山东农业大学机电学院专业基础课程,山东泰安,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。,第一节 工业用钢,钢的分类和牌号。 合金元素在钢中的作用。 各类工业用钢的分类、编号及用途。,1、钢的分类 1)按化学成分分,一、钢的分类和牌号,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,沸腾钢：脱氧不充分，浇注时C与O反应发 生沸腾。这种钢成材率高，但不致密。,镇静钢：脱氧充分，组织致密，成材率低。,半镇静钢：介于前两者之间。,按脱氧程度分,特殊镇静钢,4、按金相组织分,5、按用途分,2、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）,Q 235 A F,1.碳素结构钢:,Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号,* 45 - Wc = 45%000.45,2.优质碳素结构钢:,钢号用两位数字表示是钢中平均碳含量分数的万分之几,*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。,* 较高锰质量分数的优质碳素结构钢 45Mn - Wc = 45%00 0.45; WMn = 0.7%1.0%,3.碳素工具钢 T+钢中碳含量分数的千分之几,T 12 A,数字+元素+数字,4.合金结构钢,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。,数字+元素+数字,高速钢一般不标出碳质量分数，仅给出合金元素平均质量分数的百分数。,5.合金工具钢,G + Cr +数字,6.滚动轴承钢,数字+元素+数字,碳含量0，当0.03%C钢号前标00，当0.08%C钢号前标0。,7.不锈钢及耐热钢,ZG 200 - 400,8.铸钢,二、合金元素在钢中的作用,1.强化铁素体,2.形成合金碳化物,Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr,弱碳化物元素: Fe、Mn。,中强碳化物元素: Cr、Mo、W。,强碳化物元素: V、Ti、Nb、Zr。,（1）合金渗碳体：合金元素置换Fe3C中的碳原 子，如（Fe，Cr）3C， （Fe，Mn）3C 等。,（2）特殊碳化物：中强碳化物形成元素形成的 与渗碳体结构完全不同的化合物。 具有简单晶格的间隙相化合物：WC，VC等 具有复杂晶格的碳化物：Cr 23C6,Fe 3W 3C等。,3.阻碍奥氏体晶粒长大,除Mn 元素外,所有合金元素的加 入,均使奥氏体的形成速度减慢。,强碳化物形成元素能强烈的阻止奥 氏体晶粒长大( Ti、V、Zr、Nb 等)。,非碳化物形成元素能轻微的阻止奥 氏体晶粒长大( Si、Ni、Cu、Co 等)。,4.提高钢的淬透性,除 Co 元素外, 所有的合金元素均使 钢的 TTT 曲线向右移。,除 Co、Al 元素外, 所有的合金元素 都使马氏体转变温度下降。,提高钢的淬透性, 常用的元素有: Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。,5.提高回火稳定性,回火抗力的增加 ( temper resistance ),二次硬化的产生 ( secondary hardening ),产生回火脆性 ( temper brittleness ),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。 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,1、碳素结构钢,三、结构钢,2.优质碳素结构钢,3.普通低合金结构钢,（1）化学成分: 碳素结构钢 + 合金元素,主加合金元素: Mn 1.8 %以内。,辅加合金元素:V、Ti、Nb、B。,组织结构:珠光体+铁素体。,焊接性:焊接性能良好，广泛用于桥梁、船舶、车辆、建筑、锅炉、高压容器、输油输气管道等。,南京长江大桥,压力容器,4.渗碳钢,（1）对渗碳钢的性能要求:,（2）对渗碳钢的含碳量的要求:,低碳,（3）渗碳钢的热处理特点:,表硬里韧,（4）渗碳钢的应用:,制造表面承受强烈摩擦和磨损，同时承受动载荷，特别是冲击载荷的机器零件。,低淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量3 % 15Cr、20Cr、20Mn2。用 于受力小的耐磨件，如柴 油机的活塞销、凸轮轴等。,中淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在4 %左 右。20 CrMn、20CrMnTi、 20Mn2TiB。用于中等载荷 的耐磨件，如变速箱齿轮。,柴油机凸轮轴,活塞销( 20Cr ),高淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在 4 % 6 %。18Cr2NiWA、 20Cr2Ni4A等。用于大载荷 的耐磨件，如柴油机曲轴。,柴油机曲轴,5.调质钢,（1）对调质钢的性能要求:,既强又韧,（2）对调质钢的含碳量的要求:,中碳,（3）调质钢的热处理特点:,淬火 + 高温回火( 500650 ),低淬透性调质钢,钢含合金元素总量3 %。,40Cr、40MnB等。,中淬透性调质钢,钢含合金元素总量在4 % 左右。,38 CrSi、35 CrMo 等。,常用于制造较小的齿轮、 轴、螺栓等零件。,高淬透性调质钢,钢含合金元素总量在4 % 10 %。制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的零件等。,38 Cr Mo Al A、40 Cr Mn Mo、25 Cr2Ni4WA等。,40Cr钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线,6.弹簧钢,（1）对弹簧钢的性能要求:,高的e、高的s/ b、高的-1、良好的韧性。,（2）对弹簧钢含碳量的要求:,中、高碳。,（3）热成型弹簧钢的热处理特点:,淬火 + 中温回火( 450550 ),7.滚动轴承钢,（1）性能要求:,高的硬度强度和耐磨性; 高的接触疲劳强度; 足够的韧性和耐蚀性; 高的纯净度;,（2）化学成分特点:,高碳, Wc = 0.91.1%。 主加Cr, 0.41.65 % 辅加Si、Mn。 优质钢材。,（3）热处理特点:,球化退火+ 淬火+ 低温回火,极细回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体,轴承钢对淬火温度要求非常严格。温度过高会导致残余奥氏体量增加，得到粗大马氏体组织，机械性能急剧降低。,四、工具钢,制造各种刃具、模具、量具和其他工具的钢。,（1）性能要求:,高硬度、高耐磨性,有一 定的强度和韧性。,（2）化学成分特点:,高碳。,（3）热处理特点:,淬火 + 低温回火,（4）组织: M回 + Fe3C + A残,1.碳素工具钢,锉 刀,板牙,手 锤,2.合金刃具钢,性能要求:,高硬度、高耐磨性、有一 定的红硬性、强度和韧性, 工作温度不超过300。,化学成分特点:,*高碳：0.81.5C *加入Cr、Mn、Si、 W、V 等合金元素。,热处理特点:,（1）低合金刃具钢,9 SiCr 钢板牙热处理工艺曲线,板牙,性能要求:,高硬度、高耐磨性、高的红 硬性(600时,HRC63以上) 、有一定的强度和韧性。,（2）高速钢- 锋钢、风钢 ;,化学成分特点:,高碳 0.71.5%:,钨 18%:,钼 5%:,铬 4%:,钒1.5%:,保证高硬度,退火状态下形成W6C碳化物, 在560左右回火时, 弥散析 出W2C, 造成二次硬化, 提高 钢的红硬性。,1%Mo的作用等同于2%W。,形成Cr23C6碳化物;提高钢的 淬透性。,形成VC, 硬度极高, 提高钢的 硬度和耐磨性, 产生二次硬化。,W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点,铸造锻造球化退火机加工淬火+三次570回火磨削加工,铸造:高速钢属于莱氏体钢,铸态组织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物M6C,钢的韧性大幅下降。,W18Cr4V钢的热处理过程示意图,淬火 : 1280; 淬火后的组织:M+Cm+A残(2025%),三次570回火,在570回火时 , 产生二次硬化。,三次570回火,*淬火后A残约2025 %。,*第一次回火后A残约剩1518 %。,*第二次回火后A残约剩35 %。,*第三次回火后A残约剩12 %。,回火后的组织: M回 + Cm + A残 ( 1 2 % ),组织硬度为HRC65以上。,性能要求:,高的热硬性、高温耐磨性; 高的抗氧化能力; 高的热强性和足够高的韧性; 高的热疲劳抗力( 防止龟裂 ); 高的淬透性和导热性;,化学成分特点:,中碳 0.30.6 %; 合金元素:Cr、Ni、Mn、 Si、Mo、W、V。,曲轴模具,3.模具钢,（1）热作模具钢,热处理特点: *热锻模钢: 5 CrMnMo 热处理工艺: 淬火 + 550回火 热处理后的组织: S回或T回,*热压模钢: 3 Cr2W8V 热处理工艺: 淬火 + 600三次回火 热处理后的组织: M回 + Cm粒状,汽车四缸压铸模,（2） 冷作模钢,性能要求:,高的硬度,HRC62; 高的耐磨性; 足够高的韧性与疲劳抗力; 热处理变形小;,化学成分特点:,高碳 12 %; 合金元素:Cr, Mo、W、V。,汽车冲压模具,热处理特点: *一次硬化法: 淬火 + 低温回火 ( 9501000 ) ( 150180 ) *二次硬化法: 淬火 + 三次回火 ( 11001000 ) ( 510520 ),热处理后的组织: M回 + Cm + A残,牌号: Cr12、Cr12MoV,（1）性能要求:,高的硬度, HRC62; 高的耐磨性; 高的尺寸稳定性; 足够高的心部韧性; 热处理变形小; 尺寸稳定; 良好的耐蚀性;,4.量具钢,（3）热处理特点:,（4）热处理后的组织: M回 + Cm,（5）牌号: CrWMn、4Cr13、GCr15、 9SiCr、T12A、60等。,（2）化学成分特点:,高碳 0.91.5 %; 合金元素:Cr, Mn、W。,CrWMn钢制造块规退火后的热处理工艺,五、特殊性能钢,1.不锈钢,定义: 在腐蚀介质中具有很高的抗腐 蚀能力的钢。,概念:*在空气中的年腐蚀量为0.01mm 以内的钢, 称为在空气中使用的 不锈钢。 *在强酸、强碱介质中的年腐蚀 量为0.1mm以内的钢,称为在强 酸、强碱介质中使用的不锈钢。,金属腐蚀的机理,金属腐蚀的种类:,1)化学腐蚀: 金属与介质 ( 干燥气体和 非电解质溶液 ) 发生化学 反应而产生的腐蚀。 例如:高温氧化、脱碳等。,2)电化学腐蚀:金属与介质 ( 电解质溶 液,即酸、碱、盐溶液 ) 发生电化学反应而产生 的腐蚀。,电化学腐蚀过程示意图,珠光体电化学腐蚀示意图,.金属的防腐措施:,1)覆盖层保护: 涂漆、电镀、发蓝、磷 化等工艺。,2)形成氧化层: 加入合金元素Cr、Al、 Si 等,形成Cr2O3、SiO2、 Al2O3等氧化膜。,3)提高金属的电极电位: 加入合金元素 Cr、Ni、Si等,提高金属 基体的电极电位。,4)使钢在室温下呈单相组织: 加入合金元素 Mn、Ni、Co等能扩大 区,可在室温获得奥氏体钢。 加入合金元素 Cr、Mo、W、V、Ti、 Si 等能扩大区,可在室温获得铁素体 钢。,5)减少与消除钢中的各种不均匀现象: 偏析、应力、组织等。,6)牺牲阳极保护阴极 : 镶嵌一些比金属 或合金基体电极电位更低的金属块。,化学成分特点: * 低碳:耐蚀性要求愈高,碳含量愈低。 * 合金元素:主加Cr。 辅加Ni、Mo、Cu、Ti、 Nb、Mn 等。,常用的不锈钢: *马氏体型不锈钢 *铁素体型不锈钢 *奥氏体型不锈钢,1)奥氏体型不锈钢-18 8型钢 ( Austenitic stainless steel ),化学成分特点: Wc = 0.08 0.14 % WCr = 1719 % WNi = 811 % Cu、Ti、Mo等。,加工特点:不能进行热处理强化,只能 冷塑性变形强化。,热处理特点:固溶处理;稳定化处理; 消除应力退火。,牌号: 0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、 0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti。,用途: 化工容器、管道等。,2)马氏体型不锈钢 - Cr13型钢 Martensitic stainless steel,化学成分特点: Wc = 0.1 0.4 % WCr = 13 %,热处理特点:正火后的组体是马氏体。,牌号: 1Cr134Cr13,用途: 医疗器械,医用镊子,3)铁素体型不锈钢 ( Ferritic stainless steel ),化学成分特点: Wc = 0.1 %左右 WCr = 17 %,热处理特点: 不能进行热处理强化。,牌号: 1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等。,用途:化工设备中要求耐蚀性高、塑 性好、强度低的容器、管道等。,铁素体型不锈钢的用途,硝酸生产装置,合成氨生产装置,定义:在高温下具有抗氧化性和高温