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2009.9,钢铁基础知识（上）,目录,第1章钢铁行业、钢铁生产及其产品第2章钢铁材料中的常存元素及其对钢铁的影响第3章钢的分类与牌号第4章钢的热处理基础知识第5章金属材料机械性能基础知识第6章钢材标准及其常用术语第7章钢材交货状态第8章钢材缺陷术语,第1章钢铁行业、钢铁生产及其产品,进入青铜时代以来，人类与金属材料及其制品的关系日益密切，可以说没有金属材料就没有人类的物质文明。在人类使用的所有金属材料中，钢铁是使用量最大、使用范围最广泛的基础材料。其主要原因是：,使用范围最广泛的基础材料-钢,1、铁是一种化学元素，它是地球中最多的元素，约占35%。且大多以巨大的铁矿床存在于自然界中；2、铁矿石的冶炼和加工与其他金属的生产相比，具有生产规模大、效率高、质量好、成本低等显著的优势；3、钢铁具有良好的物理、机械和工艺性能；4、将镍、铬、钒、锰等金属作为合金元素加入铁中，可获得具有各种性能的金属材料；5、钢铁通过热处理能调整其机械性能，可以满足国民经济各方面的需要；6、钢铁具有良好的可回收性。,无可替代的基础原材料钢铁,尽管钢铁也存在较容易锈蚀、密度较大等缺点，但纵观材料的物理、机械和工艺性能，及其技术性、经济性和可回收性等因素，在人类未来发展的相当长时期内，钢铁的基础原材料地位仍无可替代。亿吨,钢铁行业定义,是以从事黑色金属矿物采选和黑色金属冶炼加工等工业生产活动为主的工业行业，包括金属铁、铬、锰等的矿物采选业、炼铁业、炼钢业、钢加工业、铁合金冶炼业、钢丝及其制品业等细分行业，是国家重要的原材料工业之一。此外，由于钢铁生产还涉及非金属矿物采选和制品等其他一些工业门类，如焦化、耐火材料、炭素制品等，因此通常将这些工业门类也纳入钢铁工业范围中。,钢铁生产原材料,钢铁生产的主要原材料包括铁矿石、锰矿石、铬矿石、石灰石、耐火黏土、白云石、菱铁矿等矿物的原矿及其成品矿，人造块矿，铁合金，洗煤、焦炭、煤气及煤化工产品，耐火材料制品，炭素制品等。,铁矿石,主要的炼铁原料，有磁铁矿“Fe3O4”、赤铁矿“Fe2O3”、褐铁矿“2Fe2O3.3H2O”、菱铁矿“FeCO3”。铁矿石中除铁的化合物外，还含有硅、锰、磷、硫等的化合物，这些统称为脉石。,磁铁矿,菱铁矿,褐铁矿,赤铁矿,铁矿的品位,铁矿的品位定级：含铁50%以上称之为富矿，（赤铁矿达70%）35%至50%为低品矿，25%至35%为贫矿，25%以下为超贫矿。中国约有97%的铁矿储备的品位低于35%，属于低品甚至是超贫矿。超贫铁矿在过去是没有什么开采价值的，因为开采成本高于销售的铁矿价格。,全球铁矿石资源,估计地质储量在8000亿吨以上，而探明储量为4000多亿吨。按现有生产水平，可供应近400年。铁矿资源主要集中于十多个国家，探明储量的90分布在10个国家和地区。依次是：独联体（探明储量1140亿吨，其中俄罗斯800多亿吨）、巴西（680亿吨）、中国（500亿吨）、加拿大（360亿吨以上）、澳大利亚（350亿吨）、印度（175.7亿吨）、美国（174亿吨）、法国（70亿吨）、瑞典（36.5亿吨）。此外，英国、委内瑞拉、智利、利比里亚、南非等国储量亦较丰富。,世界上铁矿产量第一的国家：澳大利亚。世界上最大的富铁矿：南极，可供全世界开发利用200年，矿石平均品位达32%58%。世界三大铁矿石巨头：BHPBilliton必和必拓公司、CompanhiaValeDoRioDoce巴西淡水河谷公司、RioTinto力拓矿业公司。我国四大富铁矿基地：河北省武安市、海南昌江县、四川攀枝花和本溪。我国炼钢需要的铁矿石约75%依靠进口。,焦炭,作用：燃烧热为炼铁提供热源；不完全燃烧产生的CO气体作为还原剂，将铁从矿石中还原出来。冶金焦是高炉焦、铸造焦、铁合金焦和有色金属冶炼用焦的统称。由于90%以上的冶金焦均用于高炉炼铁，因此往往把高炉焦称为冶金焦。,焦炭,石灰石,石灰石（CaCO3）、荧石（CaF2）。其作用是与铁矿石中的脉石结合形成低熔点、密度小、流动性好的熔渣，使之与铁液分离，以便获得较纯净的生铁液。炼钢用生石灰做造渣剂，消除或降低硫、磷等有害杂质。,石灰石,钢铁生产流程,1.-采矿（获得铁矿石）2.-选矿（将铁矿石破碎、磁选成铁精粉）3.-烧结（将铁精粉烧结成具有一定强度、粒度的烧结矿）4.-冶炼（将烧结矿运送至高炉，热风、焦碳使烧结矿还原成铁水，并脱硫）5.-炼钢（在转炉内高压氧气将铁水脱磷、去除夹杂，变成钢水）6.-精练（进一步脱磷、去除夹杂，提高纯净度）7.-连铸（热状态下将钢水铸成具有一定形状的连铸坯）8.-轧钢（将连铸坯轧制成用户要求的各种型号的钢材，如板材、线材、管材等）。,冶金,用焙烧、熔炼、电解以及使用化学药剂等方法把矿石中的金属提取出来；减少金属中所含的杂质或增加金属中某种成分，炼成所需要的金属的工艺。,冶金方法,火法冶炼又称为干式冶金，把矿石和必要的添加物一起在炉中加热至高温，熔化为液体，发生化学反应，从而分离出粗金属，然后再将粗金属精炼。湿法冶金或电化学沉积用酸、碱、盐类等溶剂，以化学方法（包括氧化、还原、中和、水解及络合等反应）从矿石中提取所需金属组分，然后用水溶液电解等方法制取金属。主要应用在低本位、难熔化或微粉状的矿石。,炼铁,炼铁实质：是将铁从矿石中还原的过程即焦炭作燃料和还原剂，在高温下将铁矿石从氧化物状态（Fe2O3）还原为液态生铁。其反应原理：Fe2O3+3CO=2Fe+3CO2炼铁方法：高炉炼铁炼铁的方法就是从炉顶加入矿石、焦炭和石灰石，从炉底部向炉内通入加压空气，在焦炭燃烧时，矿石、石灰石与焦炭一起发生反应，最终形成铁水和炉渣。炼铁原料：铁矿石、焦炭、溶剂（石灰石）等炼铁产品：生铁液、副产品有炉渣和炉气,高炉结构,横断面为圆形的炼铁竖炉。用钢板作炉壳，壳内砌耐火砖内衬。高炉本体自上而下分为炉喉、炉身、炉腰、炉腹、炉缸5部分。,炼铁过程,炼铁系统,高炉炼铁的特点,是以焦炭为能源基础的传统炼铁方法。规模大，如新首钢世界最大高炉5500m3,宝钢高炉是4063m3,日产生铁超万吨，炉渣4000多吨，日耗焦4000多吨。它与转炉炼钢相配合，是目前生产钢铁的主要方法。高炉炼铁的这种主导地位预计在相当长时期之内不会改变。,炼钢,炼钢实质：是通过氧化降低生铁中的碳与杂质元素的含量，使之达到标准规定的成分和性能；炼钢原料：炼钢的原料有生铁、废钢、熔剂（石灰石等）、脱氧剂（硅铁、锰铁、铝等）、合金料等；炼钢过程：主要包括氧化、造渣、脱氧等；炼钢方法：目前炼钢方法主要有氧气顶吹转炉炼钢和电炉炼钢等；炼钢产品：钢水（经浇注成铸锭或连铸成钢坯）副产品：钢渣、炉灰、沉积物等,转炉炼钢,在转炉里进行。转炉的外形就像个梨，内壁有耐火砖，根据风口位置不同有侧吹转炉风口在炉侧。底吹转炉风口在炉底。顶吹转炉风口在炉顶。,转炉结构,顶吹转炉,转炉炼钢的特点,使用的氧化剂是氧气。把空气鼓入熔融的生铁里，使杂质硅、锰等氧化。在氧化的过程中放出大量的热量（含1%的硅可使生铁的温度升高200），可使炉内达到足够高的温度。因此转炉炼钢不需要另外使用燃料。主要以生铁液为原料，加适量的废钢，其特点是生产率高、节省能源、成本低，适合于大型钢铁联合企业，主要生产各类普通用途的非合金钢（碳钢）。,电炉炼钢,电炉炼钢有电弧炉炼钢、感应炉炼钢等方法，常用的是电弧炉炼钢。它利用电极电弧产生的高温熔炼矿石和金属的电炉。它以转炉钢和废钢作原料、以铁矿石和纯氧作氧化剂，电弧炉冶炼温度高（可达2000），气体放电形成电弧时能量很集中，弧区温度在3000以上。能有效地除去硫、磷等杂质，炉温容易控制，能冶炼含有高熔点合金元素的合金钢；由于采用的炉料较纯净，冶炼过程容易调节，化学成分易控制，能够冶炼高级优质钢和合金钢。,电弧炉结构,电弧炼钢炉的炉体由炉盖、炉门、出钢槽和炉体组成，炉底和炉壁用碱性耐火材料或酸性耐火材料砌筑。,电弧炉炼钢及其特点,电弧炉炼钢是通过石墨电极向电弧炼钢炉内输入电能，以电极端部和炉料之间发生的电弧为热源进行炼钢。电弧炉以电能为热源，可调整炉内气氛，对熔炼含有易氧化元素较多的钢种极为有利。,平炉炼钢,以煤气或重油为燃料，在燃烧火焰直接加热的状态下，将生铁和废钢等原料熔化并精炼成钢液的炼钢方法。平炉炼钢自1864年法国人P.马丁利用有蓄热室的火焰炉，用废钢、生铁成功地炼出钢液起，直到1960年一直是世界上的主要炼钢方法，从20世纪60年代起平炉逐渐被氧气转炉和电炉炼钢所代替。,平炉结构,平炉由熔炼室、炉头、上升道、沉渣室、蓄热室、换向阀、烟道、烟囱等组成。熔炼室是平炉的中心部分，前面有装料炉门、后面底部有出钢口。熔炼室底部为熔池，是钢水聚集的地方。,平炉炼钢的特点,原料有废钢、废铁、铁矿石和溶剂（石灰石和生石灰）。平炉熔炼室内燃烧气体（炉气）中含有O2、CO2、H2O等氧化性气氛，对熔池起氧化作用，使炉渣始终有较高的氧化性。单靠炉气供氧，速度慢，加铁矿石或吹氧可加速反应过程。需要燃料从外部供给热量和使用预热空气燃烧燃料，以煤气或重油的火焰来加热生铁和废钢使之熔化，并精炼成钢水。要比转炉炼钢耗费能源。炉体庞大，冶炼时间长，炉墙散热损失和高温废气带走的热量大。炉渣介于炉气和钢液之间，是炉气向熔池传热和传氧的媒介，还有去除硫、磷等杂质，保护钢液不致过氧化和防止钢液吸收气体（H、N）等重要作用。因此，炉内应维持适量的渣量和渣层厚度，为造好渣，熔池中的铁水要保持适量的含碳量。能炼的钢种类比转炉多，质量也好。也可以吹进氧气加速精炼的速度与质量。,中国最后一座平炉,2005年1月7日,中国最后一座平炉中信重型机械公司的2#平炉实施拆除，我国从此结束了平炉冶炼的历史。,钢水炉外处理（炉外精炼）,为了满足更高质量、更多品种的高级钢，对出炉后的钢水进行如吹氩处理、真空脱气、炉外脱硫等炉外处理。也叫二次冶金。初炼和精炼初炼：炉料在氧化性气氛的炉内进行熔化、脱磷、脱碳和主合金化。精炼：将初炼的钢液在真空、惰性气体或还原性气氛的容器中进行脱气、脱氧、脱硫，去除夹杂物和进行成分微调等。将炼钢分两步进行的好处是：可提高钢的质量，缩短冶炼时间，简化工艺过程并降低生产成本。,炉外精炼的种类很多，大致可分为常压下炉外精炼和真空下炉外精炼。按处理方式的不同，又可分为钢包处理型炉外精炼及钢包精炼型炉外精炼等。,广泛应用的炉外精炼方法,目前得到公认并被广泛应用的炉外精炼方法有：LF法、RH法、VOD法：LF法：钢包炉精炼法。LF炉已成为炼钢炉与连铸机之间不可缺少的一种炉外精炼设备。RH法：循环法真空处理法。大容量钢包（80t）的钢水主要真空处理方法。VOD法：真空吹氧脱碳法一种在真空条件下吹氧脱碳并吹氩搅拌生产高铬不锈钢的炉外精炼技术。,铸锭与连铸坯,铸锭：钢液经盛钢桶（钢包）注入铸模，凝固成一定形状的钢锭。有压力浇铸和真空浇铸等新技术。连铸坯：钢液经盛钢桶（钢包）注入连铸机铸模，凝固成一定形状的连铸坯。得到钢锭或连铸坯后，可进行后续的塑性变形再加工（锻、轧、拉拔等）。,炼钢过程,钢铁产品,是以铁元素（Fe）为基础组成成分的金属产品的统称，日常形态包括铁、粗钢、钢材、铁合金等。由于铁合金在钢铁工业生产过程中主要用做炼钢时的脱氧剂和合金添加剂，在管理和统计上通常将铁合金归入钢铁生产主要原材料而非钢铁产品。此外，钢丝、钢丝绳、钢绞线、铁丝、铁钉等钢丝及其制品属于钢铁产品的再加工产品，不属于金属基础产品。所以在统计上，钢铁产品仅包括生铁、粗钢、钢材三大类产品。,生铁、熟铁、铸铁,生铁一般指含碳量在24.3%的铁的合金。又称铸铁。炼钢生铁碳主要以碳化铁的形态存在，其断面呈白色，通常又叫白口铁。这种生铁性能坚硬而脆，一般都用做炼钢的原料。铸造生铁碳以片状的石墨形态存在，它的断口为灰色，通常又叫灰口铁。由于石墨质软，具有润滑作用，因而铸造生铁具有良好的切削、耐磨和铸造性能。其抗拉强度不够，故不能锻轧，只能用于制造各种铸件，如铸造各种机床床座、铁管等。熟铁一般含碳量小于0.2%，也叫工业纯铁。熟铁软，塑性好，容易变形，强度和硬度均较低。,铁、钢,铁是钢铁产品的“初级产品”，经过进一步冶炼就可得到钢，二者主要根据铁基产品中含碳量多少来区别。“钢是以铁为主要元素、含碳量一般在2%以下，并含有其他元素的材料。（在铬钢中含碳量可能大于2%，但2%通常是钢和铸铁的分界线。）”摘自GB/T13304.1-2008。铁经冶炼直接得到的产品为粗钢，固体状态称钢坯或钢锭,钢铁材料的生产过程,铁矿石生铁连铸钢坯、铸锭型材,铸铁,轧制、挤压、拉拔、锻造等压力加工方法,1、生铁的冶炼原料：铁矿石燃料：焦炭熔剂：石灰石设备：高炉,2、钢的冶炼原料：生铁、废钢燃料：焦炭熔剂：石灰石；氧化剂，脱氧剂设备：转炉、电弧炉,（长材、板材、管材等）,钢材的主要加工方法,粗钢通过铸、轧、锻、挤等方法处理加工后成为钢材。大部分钢材加工都是通过压力加工，使被加工的钢（坯、锭等）产生塑性变形。根据钢材的再结晶温度分冷加工和热加工两种。再结晶经塑性变形的钢材在温度作用下，其原来的变形晶粒发生等轴细化的现象。钢材的主要加工方法轧制锻造拉拨挤压,钢铁生产及其产品,现代钢铁生产流程是将铁矿石在高炉中冶炼成生铁，将铁水注入转炉或电炉冶炼成钢，再将钢水铸成连铸坯（钢液经盛钢桶（钢包）注入连铸机铸模，凝固成一定形状）或钢锭（钢液经盛钢桶（钢包）注入铸模，凝固成一定形状），经轧、锻、拉、挤等塑性变形方法加工成各种用途的钢材。,轧制,将金属坯料通过一对旋转轧辊的间隙（各种形状），因受轧辊的压缩使材料截面减小，长度增加的压力加工方法，这是生产钢材最常用的生产方式，主要用来生产型材、板材、管材。分冷轧、热轧。轧辊表面：平直、斜锥、弧形、孔型等,锻造,利用锻锤的往复冲击力或压力机的压力使坯料改变成我们所需的形状和尺寸的一种压力加工方法。一般分为自由锻和模锻，常用作生产大型材、开坯等截面尺寸较大的材料。,拉拨,是将已经轧制的金属坯料（型、管、制品等）通过模孔拉拨成截面减小长度增加的加工方法大多用作冷加工。,挤压,是将金属放在密闭的挤压筒内，一端施加压力，使金属从规定的模孔中挤出而得到型材或成品的加工方法，多用于生产有色金属材料。,正,反,复合,径向,钢材,钢材是钢铁工业为社会生产和生活提供的最终产品的主要形式。由于钢材产品品种、规格复杂多样，为了适应统计、生产、营销、库存等多方面管理的需要，国际上通常将钢材分为长材(也称“型材”)、扁平材(也称“板带材”或“钢板”)、钢管(也称“管材”)和其它（金属制品）等四大类。,长材(也称“型材”),轨道钢重轨每米重量大于30公斤，30公斤及以下为轻轨。钢板桩主要包括薄板桩、组合支撑桩和管状支承桩等。大型型钢是指高度不小于80毫米的I型钢(工字钢)、H型钢、U型钢(槽钢)、角钢、Z字钢、丁字钢、T型钢等。中小型型钢是指高度小于80毫米的I型钢(工字钢)、H型钢、U型钢(槽钢)、角钢、T型钢以及球扁钢、窗框钢等。冷弯型钢是指用钢板或带钢在冷状态下弯曲成的各种断面形状的成品钢材，棒材是指产品断面形状为圆形、方形、扁形、六角形、八角形等简单断面，并以直条交货的钢材(混凝土用钢筋除外)。盘条(线材)是指热轧后成盘状交货的产品，又称线材，其横截面通常为圆形、椭圆形、方形、矩形、六角形、八角形、半圆形等。在产量统计中，还包括企业自用于拔制钢丝的线材，但切断的直条列入型钢。钢筋是指钢筋混凝土用钢材和预应力钢筋混凝土用钢材，横截面为圆形，有时为带有圆角的方形，包括光圆钢筋、带肋钢筋、扭转钢筋等。,扁平材,是指厚度与宽度、长度比相差较大的平板钢材，用“厚宽长”表示产品规格；按生产方法可分为热轧钢板、冷轧钢板。厚钢板是指厚度大于4毫米的钢板，其中厚度50毫米及以上的为特厚钢板，主要用于造船、锅炉、桥梁和高压容器壳体等；厚度450毫米的为中厚钢板。薄钢板是指厚度不大于4毫米的钢板，按轧制工艺分为热轧薄钢板和冷轧薄钢板钢带(带钢)是一种宽度一定呈长带状的钢材，大多卷成卷状，也称带钢。宽度600毫米及以上的为宽钢带，宽度小于600毫米的为窄钢带。镀锡板俗称“马口铁”，是指表面镀有一薄层金属锡的钢板。镀锌板是指表面镀有一层锌的钢板。有机涂层钢板是指以镀锌板、镀铝板、镀锌铝合金板、冷轧板等作为基体材料，表面涂上一或两层有机涂料（如环氧酯、聚酯、丙烯酸脂、塑料溶胶等）或者覆上一层塑料薄膜而得到的产品，可以制成不同的颜色或压出花纹，也叫彩色钢板。电工钢板又称“硅钢片”、“矽钢片”，是指一种含碳量极低的硅铁软磁合金，一般硅含量为0.5%4.5%,管材,是指两端开口并具有中空断面、长度与周边之比较大的钢材，规格用外形尺寸（如外径或边长）及壁厚表示。无缝钢管是指由整块金属制成的表面上没有接缝的钢管，按生产方法可分为热轧管、冷轧管、冷拔管、挤压管，按断面形状可分为圆形和异形两种，按壁厚不同可分为厚壁管和薄壁管。焊接钢管是指用钢带或钢板弯曲变形为圆形、方形等形状后焊接形成的、表面有接缝的钢管。按焊接方法不同可分为电弧焊管、高频或低频电阻焊管、气焊管、炉焊管、邦迪管等，按焊缝形状可分为直缝焊管和螺旋焊管。,钢铁冶炼生产成本,炼铁工艺的生产成本构成主要为原材料（球团、铁矿石等）、辅助材料（石灰石、硅石、耐火材料等）、燃料及动力（焦炭、煤粉、煤气、氧气、水、电等）、直接工资和福利、制造费用、成本抵扣（煤气回收、水渣回收、焦炭筛下物回收等）炼钢工艺的生产成本构成主要为生铁、废钢、合金、电极、耐火材料、辅助材料、电能、维检和其他等费用。中国目前主要的炼钢设备为转炉和电炉，基于冶炼原理的不同，转炉和电炉在主要的原料（生铁、废钢）配比有一定的差异，转炉工艺一般需配置10%的废钢，而电炉工艺废钢的使用量则占到80。,钢材成本,以螺纹钢为例铁矿石1.55吨+焦炭340kg+喷吹煤粉130kg+烧结矿煤焦65kg+加工费（折旧、财务费用、人工等其他费用）=1吨生铁；985kg生铁+100kg生铁矿+铁合金10kg+加工费=1吨钢坯1.03吨钢坯+加工费=1吨螺纹钢增值税17%以焦煤800-1100，焦炭1200计算，生铁成本约1800，钢坯约2400，螺纹钢成本约2700，加上税后3100（1吨焦炭需要40吨炼焦煤）原料品级不同，钢厂大小不同，费用成本不一，例子仅为平均水平,第2章钢中常存元素及其对钢的影响,常存元素：Si,Mn,P,S1.有益元素,Si有很强的固溶强化作用,能脱氧。,Mn脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。,2.有害元素:,P有很强的固溶强化作用,低温韧性差(冷脆)。,S能引起钢在热加工时或高温工作下开裂(热裂/热脆)。,一般说来，钢的质量主要看P、S含量的高低，愈是优质高级的钢种，其P、S含量愈低。,气体元素:,N：钢中过饱和N在常温放置过程中会发生时效脆化。加Ti、V、Al等元素可消除时效倾向。O：钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源。H：原子态的过饱和氢时将降低韧性,引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。,第3章金属材料机械性能基础,机械零件和工具所用金属材料的使用性能一般指力学性能（机械性能）：力学性能是指材料在承受外力作用下所显示的性能，它包括强度、刚度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳抗力等。力性指标是选材、材料检验、零件设计计算、评定工艺质量或生产操作质量，尤其是热处理质量的重要依据。力学性能与受力状态，材料成分，组织及加工过程有关。,力学性能指标之一强度,金属拉伸试样在逐渐增大的外力作用下，一般依次产生弹性变形、塑性变形和断裂。弹性变形是外力卸除后能完全消失的变形;塑性变形(永久变形)是外力卸除后仍然保留的变形；断裂是试样整体性被永久性地破坏的呈现形式。测定金属强度、刚度和塑性的常用方法是拉伸试验。,拉伸试验机,试样夹头,低碳钢拉伸试验过程示意图,固装试样进行拉伸出现颈缩发生断裂（原始状态）（弹性变形）（塑性变形）（颈部断裂）,下夹具,上夹具,下夹具,上夹具,下夹具,上夹具,上夹具,下夹具,拉伸试样拉伸前后比较,l=L1L0,过程特点：弹性、屈服、塑变、颈缩、断裂,从拉伸曲线可见：弹性变形阶段拉力Fe时，oe阶段变形量很小，伸长量与拉力成线性正比，若去除外力，试样仍可恢复原样；屈服阶段Fe拉力Fs时，es阶段出现水平或锯齿状线段，试样继续被拉长，但拉力不增大甚至有所降低；塑性变形阶段Fs拉力Fb时，sb阶段外力继续增大，变形量均匀地、明显增加；颈缩阶段bk阶段的继续变形使试样局部截面缩小，载荷随之降低，变形不均匀，集中于颈部；断裂阶段拉力=Fk时，试样颈所部位发生断裂。,e,S,s,Fe,Fs,Fs,Fb,Fk,b,k,p,Fp,强度的概念,金属在缓慢加载的静载荷作用下，抵抗永久变形和断裂的能力称为强度。由拉伸试验测得的强度指标主要有弹性极限、屈服点和抗拉强度。屈服点（屈服强度）是试样屈服时承受的拉应力，用符号s表示;单位为MPa，,退火低碳钢,低、中回火钢,淬火钢及铸铁,中碳调质钢,不同材料的拉伸曲线,屈服极限,对于无明显屈服现象的金属材料，难以测定s。国家标准规定，以产生0.2%残留应变时的拉应力作为条件屈服点(屈服强度)，用符号0.2表示。屈服点s或条件屈服点0.2是表征在拉伸力作用下，金属抵抗明显塑性变形的能力。,图解法求0.2,A,B,C,F0.2,L,0.2%l0,0,不同类型的强度,载荷作用方式：拉伸、压缩、弯曲、剪切和扭转。按作用力的性质不同分：抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度和抗扭强度。工程上常用屈服强度和抗拉强度。,压缩试验示意图,原始状态,弹性变形,塑性变形,弯曲试验示意图,剪切试验示意图,原始状态,上剪,下剪,剪切试样,剪切状态,剪断状态,扭转试验示意图,原始状态,扭断状态,扭转状态,抗拉强度b（抗压、抗弯、抗剪）,指金属材料在拉断前所承受的最大标称拉应力。表示金属材料抵抗断裂的能力。,力学性能指标之二塑性,塑性的概念材料断裂前发生不可逆永久变形的能力。主要用断后伸长率、断面收缩率和冷弯角来表示。,伸长率,指试样被拉断后，标距的伸长量与原始标距长度的百分比。表示材料被拉伸后的纵向变形程度。,l=L1L0,断面收缩率,指拉伸试样被拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。表示材料被拉变细的程度。,S=S0-S1,力学性能指标之三硬度,硬度(hardness):金属抵抗较硬物体压入其表面的能力。不是一个单纯的物理量，是反映材料强度、塑性、弹性的综合力学性能指标。试验方法主要有布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV、锉刀法等。,布氏硬度HB(Brinell-hardness),按照ISO(国际标准化组织)规定，用一定直径时钢球或硬质合金球，以相应的实验力压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，用读数显微镜测量试样表面的压痕直径。在实际生产中，可根据测得的d值查表求出布氏硬度值。,布氏硬度符号,压头为淬火钢球时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料;压头为硬质合金球时，用HBW表示，适用于布氏硬度值在650以下的材料。符号HBS或HBW之前为硬度值，符号后面按以下顺序用数值表示试验条件:1球体直径;2试验力;3试验力保持时间(1015s不标注)。,布氏硬度表示实例,例如:125HBS10/l000/30表示用直径l0mm淬火钢球在10009.8N试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为125;500HBW5/750表示用直径5mm硬质合金球在7509.8N试验力作用下保持1015s测得的布氏硬度值为500。布氏硬度值的单位为MPa，一般情况下可不标出。,(二)洛氏硬度HR(Rockwllhardness),洛氏硬度试验原理和布氏硬度试验一样，也是一种静载荷压入法。将顶角为120的金刚石圆锥体或直径为1.588mm的淬火钢球，在一定的载荷作用下，压入被测金属表面，保持一定时间后卸掉载荷，根据压痕的深度确定被测金属的硬度值。,洛氏硬度试验的特点及硬度表示,硬度值的读取洛氏硬度是在洛氏硬度试验机上进行，其硬度值可直接从表盘上读出。硬度值的表示根据国标和ISO推荐标准规定，洛氏硬度符号HR前面的数宇为硬度值，后面的字母表示级数。如60HRC表示C标尺测定的洛氏硬度值为60；,洛氏硬度,（三）维氏硬度HV,维氏硬度试验法可以在同一种硬度标尺上，测定从极软到极硬金属材料的硬度。其原理同样是根据压痕单位面积上所受的平均载荷计量硬度值，不同的是维氏硬度的压头采用金刚石制成的锥面夹角为136的正四棱锥体。显微硬度计亦是在维氏硬度上发展而来。,维氏硬度值表示,根据国标(GB4340-84)和ISO推荐标准R81规定，维氏硬度符号HV前是硬度值，符号HV后附以试验载荷。如640HV30/20表示在309.8N作用下保持20s后测得的维氏硬度值为640；,(四)锉刀法:,一组硬度差为5HRC的锉刀。例如:25HRC、30HRC、35HRC等。,锉刀,几种硬度间的关系,HB为200400时:1HRC=10HB;HV为200400时:1HB=1HV;1HRC=10HV;,力学性能指标之四冲击韧度(notchtoughness),许多机件，如枪管、炮管、冷冲模、锤头等都是在冲击载荷(载荷以很快的速度作用于机件)下工作。试验表明，载荷速度增加，材料的塑性、韧性下降，脆性增加，易发生突然性破断。因此，使用的材料就不能用静载荷下的性能来衡量，而必须用抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力，即冲击韧度来衡量。,冲击韧度试验,一种采用标准规格缺口（U、V形）试样在冲击试验机上进行的，用来测试金属材料的抗冲击载荷变形和断裂的力学性能试验。冲击方法摆锤一次冲击法冲击韧度小能量多次冲击法*冲击次数,V形(夏比)冲击试样形貌,冲击试验方法（2-1）,一次摆锤法,H2,H1,冲击示意图,*冲击试验方法（2-2）,小能量多次冲击法,冷脆性,冲击韧度对材料的脆性转变情况很敏感，用系列冲击韧度试验可以确定其冷脆性，见示意图：,1943年美国T-2油轮发生断裂,力学性能指标之五疲劳强度,疲劳断裂金属在交变外力的作用下，所承受的最大应力低于屈服点发生突然断裂的现象。衡量指标为疲劳极限。,钢材的循环次数一般取N=107,有色金属的循环次数一般取N=108,钢材的疲劳强度与抗拉强度之间的关系:-1=(0.450.55)b,2019/12/15,99,可编辑,*比强度(specificstrength):材料的强度值与密度值之比。,屈强比=屈服强度s/抗拉强度b,金属材料常用的机械性能指标,衡量金属材料强度高低方面：抗拉强度b屈服强度s疲劳强度-1（疲劳极限）衡量金属材料塑性优劣方面：伸长率断面收缩率衡量金属材料韧性好差方面：冲击韧度k衡量金属材料软硬方面：硬度HB/HRC/HV,第4章钢的热处理加热、保温、冷却改变/改善金属整体/表面组织，获得所需性能。种类1、普通热处理：退火、正火、淬火、回火2、表面热处理：表面淬火：感应加热、火焰加热、激光加热化学热处理：渗碳、氮化、碳氮共渗,热处理工艺,热处理一般有加热、保温和冷却三个阶段。冷却方式主要有连续冷却和等温冷却两种方式。,热处理设备,各种退火炉、淬火炉、回火炉；按结构不同有箱式炉、井式炉、台车炉、辊底炉、推杆式炉、钟罩炉、网带炉、真空炉、盐浴炉、碱浴炉、振底炉、多用炉、感应加热装置等。,热处理加热温度,临界温度一般有AC1、AC3、ACCm这几个,冷却介质,盐水、水、油、空气等。专用的淬火液低温高压气体,热处理工艺制定依据,FeFe3C相图和TTT或CCT图,退火：加热、保温、随炉冷却目的：降低硬度、细化晶粒、消除内应力，预先热处理正火：加热、保温、空气冷却目的：同退火，更高的力学性能,淬火：加热，保温，水、油或盐水冷却目的：提高零件的硬度和耐磨性，强化材料。但淬火后，出现内应力，材料变脆，须回火。方法：单介质淬火；双介质淬火,回火：零件淬火后，加热至临界温度之下，保温，以一定速度冷却。目的：达到设计图纸要求的硬度，消除内应力。回火工艺的种类：1、低温回火（150250C）2、中温回火（350500C）3、高温回火（500650C）调质处理淬火高温回火,低温回火零件,中温回火零件,高温回火零件,表面淬火：仅对钢的表面进行加热和冷却而不改变其成分的热处理工艺。目的：提高零件的表层硬度、抗磨损性能。方式：,感应加热：利用交流电的集肤效应，对零件进行加热，并通过控制电流频率得到不同的淬硬层深度。,火焰加热：,利用火焰加热工件表面，然后立即用水喷射冷却。调节烧嘴的位置和移动速度即可得到不同厚度的淬硬层。,激光加热：利用激光加热工件表面，以及利用工件自身冷却。调节激光功率、烧嘴的位置和移动速度即可得到不同厚度的淬硬层。,化学热处理将钢件置于一定温度的活性介质中保温，使一种或几种元素渗入其表面，改变其化学成分和组织，达到改进表面性能、满足技术要求的热处理过程。目的：提高钢件表层的耐磨性、耐蚀性、抗氧化性和疲劳强度等力学性能。按表面渗入元素的不同，分为渗碳、氮化、碳氮共渗、渗硼、渗铝等种类。,冷处理,一些精密的零件或工具、模具、量具在进行了热处理之后，还需进行冷处理。目的是提高尺寸稳定性。常用的冷处理温度约为-60-80。,第5章钢的分类与牌号,工业用钢按化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。碳钢是指碳的质量分数为0.0218%2.11%的铁碳合金，并含有少量的硅、锰、硫、磷等常存元素。,含碳量,钢铁,（2%4%）生铁,（低于0.03%）熟铁,（0.03%2%）碳素钢,钢的分类与牌号,工业用钢铁与含碳量,铁还是钢？铁钉、铁索桥、铁锤,一、常见合金的重要应用,二、钢,（1）含碳量,（2）钢的分类,钢的家族,钢的通常分类按用途分类,按化学成分分类,按质量分类,按冶炼方法分类,按金相组织分类（1）按退火组织分类（2）按正火组织分类,沸腾钢半镇静钢镇静钢,按脱氧程度分类,钢的新分类方法从1991年起，实施了新的钢分类方法（GB/T133041991），它是参照国际标准制订的。按化学成分分类,常用钢种的牌号,1、碳素钢（非合金钢）2、低合金钢3、合金钢,碳素钢（非合金钢）牌号,碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢易切削钢铸造碳钢,5.2.1.1碳素结构钢:Q235AF,屈服强度值（质量等级）（脱氧程度）,（1）用途一般工程用热轧钢板、钢带、型钢、棒钢等。（2）成分特点普通碳素结构钢平均碳的质量分数为0.38%，,5.2.1.2优质碳素结构钢,*较高锰质量分数的优质碳素结构钢45Mn,45,WMn=0.7%1.0%,用钢中平均含碳量的两位数字表示，单位为万分之一,s和p较低，钢的塑性和韧度均较好，适用于制造较重要的机械零件。,4.2.1.3碳素工具钢,T12A,“T”表示碳素工具，后跟表示平均含碳量的千分之几的数字以及（表示质量等级的字母）,碳素工具钢,锉刀,手锤,碳素工具钢用于制造刃具、模具和量具，具有较高的硬度和耐磨性，所以碳素工具钢Wc0.70，而且要进行热处理，以进一步提高硬度和耐磨性。用于低速、低温(200）、低冲击、硬度在62HRC左右的刃具。,5.2.1.4易切削钢,Y15Pb,由“字母+数字+字母”三部分组成。,适用于高速切削和在数控机床上加工的材料。,5.2.1.5铸造碳钢,ZG200-400,钢号前冠以“ZG”，即铸钢后为数字数字，分别表示屈服强度和抗拉强度值,主要用于受冲击载荷作用的、形状复杂的工件，如轧钢机机架、重型齿轮等,5.2.2普通低合金钢,Q345C,由“字母+数字+字母”三部分组成。,化学成分:碳素结构钢+少量合金元素,5.2.2普通低合金钢,Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度高，用于石化中温高压容器。,压力容器,南京长江大桥,Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。,Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的容器。,5.2.3合金钢,合金结构钢合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢滚动轴承钢易切削钢,合金渗碳钢的牌号,20Mn2TiA,由“数字+元素（+数字）（+字母）”四部分组成。,对渗碳钢的性能要求:,表硬里韧,典型合金渗碳钢种介绍,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。20CrMn、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),典型合金渗碳钢种介绍,高淬透性合金渗碳钢含合金元素总量46%如：18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。,柴油机曲轴,合金调质钢的牌号,40Cr40Mn40MnB35CrMo38CrMoAlA25Cr2Ni4WA,由“数字+元素（+数字）（+字母）”四部分组成。,（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,典型合金调质钢种介绍,一般调质钢,含合金元素总量3%。,40Cr、40MnB等。,中级调质钢,含合金元素总量在4%左右。,38CrSi、35CrMo等。,柴油机凸轮轴,常用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。,典型合金调质钢种介绍,高级调质钢,含合金元素总量在410%。,制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的零件等。38CrMoAlA、40CrMnMo、25Cr2Ni4WA等。,圆锥齿轮,合金弹簧钢及其牌号,65Mn55Si2Mn60Si2Mn50CrVA50CrMnA55SiMnMoVNb,由“数字+元素（+数字）（+字母）”四部分组成。,（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。,滚动轴承钢及其牌号,GCr9SiMn,钢号前冠以“滚”或“G”，其后为铬（Cr）+数字+来表示，数字表示铬含量平均值的千分之几。如GCr15。,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;,易切削钢及其牌号,Y40Mn,由“字母+数字+字母”三部分组成。,5.2.3.2合金工具钢,1合金刃具钢2合金模具钢3合金量具钢,合金工具钢牌号,9CrSiCrWMnW18Cr4V,板牙,量具,刃具,高速钢(highspeedsteel),1)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。,高速钢-锋钢、风钢;1841钢、6-5-4-2钢,合金模具钢,热作模钢:工作温度为600以上。,冷作模钢:工作温度为200300。,（1）热作模钢,1）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;,2）化学成分特点:,中碳0.30.6%;合金元素:Cr、Ni、Mn、Si、Mo、W、V。,（2）冷作模钢,1）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;,2）化学成分特点:,高碳12%;合金元素:Cr,Mo、W、V。,汽车冲压模具,合金量具钢,（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;良好的耐蚀性;,5.2.3.3特殊性能钢,1不锈钢2耐热钢3耐磨钢,特殊性能钢牌号,对不锈钢和耐热钢3Cr13Cr171Cr18Ni9Ti,不锈钢概念:*在空气中的年腐蚀