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机械工程材料 MechanicalEngineeringMaterialsScience 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 T221 2000 Q235 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 00 0 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 7 1 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 T12A 数字 元素 数字 4 合金结构钢 当合金元素的平均含量为1 50 2 49 2 50 3 49 3 50 4 49 4 50 5 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 ZG200 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 Cr23C6 Fe3W3C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 temperresistance 二次硬化的产生 secondaryhardening 产生回火脆性 temperbrittleness 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 Mn1 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 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 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 500 650 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 38CrSi 35CrMo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 38CrMoAlA 40CrMnMo 25Cr2Ni4WA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 450 550 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 9 1 1 主加Cr 0 4 1 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 8 1 5 C 加入Cr Mn Si W V等合金元素 热处理特点 1 低合金刃具钢 9SiCr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 7 1 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 20 25 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20 25 第一次回火后A残约剩15 18 第二次回火后A残约剩3 5 第三次回火后A残约剩1 2 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 3 0 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 5CrMnMo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 3Cr2W8V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1 2 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 950 1000 150 180 二次硬化法 淬火 三次回火 1100 1000 510 520 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 9 1 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 Austeniticstainlesssteel 化学成分特点 Wc 0 08 0 14 WCr 17 19 WNi 8 11 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Martensiticstainlesssteel 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 1Cr13 4Cr13 用途 医疗器械 医用镊子 3 铁素体型不锈钢 Ferriticstainlesssteel 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强度的特殊钢 性能要求 抗氧化性 热稳定性 高温强度 热强性 蠕变强度 持久强度 2 耐热钢 提高钢的抗氧化性的途径 加入合金元素Cr Si Al等 在钢的表面形成稳定 致密的氧化膜 提高钢的热强性的途径 1 固溶强化 加入W Mo Nb Ti V等元素强化基体 提高再结晶温度 2 弥散强化 加入Nb V Ti等元素形成碳化物 在晶内弥散析出 阻碍位错的滑移 提高塑变抗力 晶界强化 加入Mo V B Zr等元素 形成粗晶 减少晶界 使晶界强化 钢种及用途 抗氧化钢 不起皮钢 奥氏体型钢1Cr18Ni9Ti等 工作温度850 热强钢 珠