机械制造基础课程—课题四常用钢铁材料

.,课题四常用钢铁材料,学习情境1熟悉碳素钢,学习情境2熟悉合金钢,学习情境3熟悉铸铁,.,【课题要点】本课题主要介绍碳钢、合金钢的分类、牌号、成分特点、性能及应用，以及铸铁的分类、牌号、组织特点、性能及应用。,.,【学习目标】（1）了解杂质元素和合金元素对钢的影响。（2）熟悉碳钢、合金钢的分类、牌号、成分特点、性能及应用。（3）熟悉常用铸铁的分类、牌号、组织特点、性能及应用。【课题描述】钢铁材料是应用最广泛的金属材料，常用的钢铁材料包括钢和铸铁两大类。,.,合金,碳素钢,合金钢,？,主要由Fe、C两元素组成，含其它杂质元素，如Si、Mn、S、P等,在碳素钢的基础上有目的地添加了其它合金元素，如Mn、Si、Ni、V等。,杂质元素,合金元素,.,同为Si、M等非Fe、C元素，为何在碳素钢中称为杂质元素，而在合金钢中则称为合金元素？,为何要在碳钢的基础上加上其它合金元素？,为了改善钢的某种性能，有意加入的元素称为合金元素，而在炼钢过程中作为脱氧剂或者由于其它某种原因残留在钢中的称为杂质元素！,获得比碳素钢更好的性能强硬度、塑韧性、耐腐蚀性、尺寸稳定性、耐摩擦性能、易切削性等。,.,学习情境1熟悉碳素钢,一、成分和分类,主要元素C：0.0218-2.11%,有益常存元素Si、Mn：产生固溶强化有害常存元素P：冷脆S：热脆（FES，熔点低，奥氏体晶界处，热加工脆裂）O、H、N：强度、塑性、韧性,1.成分,.,按含碳量分类,2.分类,低碳钢：0.0218-0.25%,中碳钢：0.25-0.6%,高碳钢：0.6-2.11%,按质量（S、P含量）分类,普通碳素钢,优质碳素钢,高级优质碳素钢,按用途分类,碳素结构钢,优质碳素钢,碳素工具钢,.,二、碳素钢的牌号及用途,1.碳素结构钢,成分：含碳量在0.06-0.38%之间；非金属夹杂物和有害元素含量较高。,牌号：如Q235-A，F其中Q表示屈服强度，235为屈服强度最小值，A为质量等级，F脱氧方法,.,.,延伸内容：沸腾钢:脱氧不完全的碳素钢。“F”镇静钢:完全脱氧的钢。“Z”半镇静钢为脱氧较完全的钢。脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，浇注时有沸腾现象，但较沸腾钢弱。“b”特殊镇静钢:比镇静钢脱氧程度更充分彻底的钢，故称为特殊镇静钢，代号为“TZ”。其牌号中的脱氧方法符号可以省略。,.,碳素结构钢应用：钢板、钢筋、型钢等，做桥梁建筑构件,多边型角钢,螺钉、铆钉,钢筋、螺纹钢,.,2.优质碳素钢,成分：含碳量在0.05-0.7%之间；有害元素含量较低。,牌号：如45钢（0.45%），60钢（0.6%）等两位数字表示含碳量，以万分之一为单位,.,6.1碳素钢,.,应用：较重要机械零件，如轴、齿轮、弹簧等,汽车曲轴,需要进行一定的热处理，如淬火、回火，渗碳等,.,3.碳素工具钢,成分：含碳量较高；S和P的含量严格控制。,牌号：如T8（0.8%），T12（1.2%）如在数字后出现A，表示高级优质钢，如T12A,.,.,用途：冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等,热处理：淬火+低温回火组织：回火M粒状Fe3C+A,.,4.碳素铸钢将钢水直接铸成零件毛坯，以后不再进行锻压加工的钢件叫铸钢。碳素铸钢又称铸造碳钢，其碳的质量分数一般在0.15%0.55%范围内。它具有良好的工艺性能，价格便宜，在机电工程设备中应用很广。,牌号：ZG25表示平均碳的质量分数为0.25%的碳素铸钢工程用铸钢：ZG200-400第一组数字表示其屈服强度的最低值，第二组数字表示其抗拉强度的最低值，强度的单位均为MPa。,.,碳素钢牌号,1.碳素结构钢,2.优质碳素钢,3.碳素工具钢,Q235-A，F；Q255,20钢（0.2%）；45钢（0.45%）万分之一,T8（0.8%）；T12（1.2%）千分之一,4.碳素铸钢,ZG25；ZG200-400,.,碳素钢总结,碳素钢品种齐全，冶炼、加工成型比较简单，价格低廉。经过一定的热处理后，其力学性能得到不同程度的改善和提高，可满足工农业生产中许多场合的需求。但是碳素钢的淬透性比较差，强度、屈强比、高温强度、耐磨性、耐腐蚀性、导电性和磁性等也都比较低，它的应用受到了限制。为了提高钢的某些性能，满足现代工业和科学技术迅猛发展的需要，人们在碳素钢的基础上，有目的地加人了锰、硅、镍、钒、钨、钼、铬、钛、硼、铝、铜、氮和稀土等合金元素，形成了合金钢,.,学习情境2熟悉合金钢,【情境导航】合金元素对钢的影响合金钢的分类合金结构钢合金工具钢特殊性能钢,.,学习情境2熟悉合金钢,1.常加入的合金元素有哪些？,2.为什么要加入这些合金元素？,3.这些合金元素怎样对钢的性能产生影响？,Mn、Si、Ni、V、Mo、Cr、Ti、B、Al等,有针对性地改善钢的淬透性、强硬度、高温强度、耐磨性、耐腐蚀性、导电性和磁性,.,一、合金元素在钢中的作用,.,1、对Fe-C合金基本相的影响,铁素体,渗碳体,溶入F中形成合金铁素体，产生固溶强化效果（PSiMnNi）,形成合金渗碳体(Fe，Me)3C或者特殊碳化物（如VC，TiC等）,按合金元素与C元素的亲和能力：TiZrNbVWMoCrMnFe,返回,随着碳化物增多，强度、硬度、耐磨性提高，塑形、韧性下降,.,2、对Fe-Fe3C相图的影响,对奥氏体相区的影响,对S点和E点的影响,扩大奥氏体相区：Ni、Mn、Co缩小奥氏体相区：Cr、V、Mo、W等,扩大奥氏体相区元素使S和E点向左下方移动缩小奥氏体相区元素使S和E点向左上方移动,S点和E点的移动对钢的组织和性能有什么影响？,返回,扩大奥氏体相区：奥氏体钢缩小奥氏体相区：铁素体钢,.,合金钢的种类繁多，根据选材、生产，研究和管理等不同的要求，可采用不同的分类方法：,1.按合金钢的用途分类,1)合金结构钢2)合金工具钢3)特殊性能用钢,2.按合金元素的含量分类,低合金钢：钢中合金元素总的质量分数WMe5。中合金钢：钢中合金元素总的质量分数WMe：510。高合金钢：钢中合金元素总的质量分数WMe10。,3.按平衡状态或退火组织分类,亚共析钢、共析钢、过共析钢和莱氏体钢。,二、合金钢的分类,.,三、合金钢牌号及其表示方法,一般表示方法：“两位数字+元素符号+数字+”,表示含碳量，万分之一为单位,表示合金含量，百分之一为单位，四舍五入取整，当含碳量低于1.5%时，数字省略,高级优质钢在最后加A表示,举例,60Si2Mn,w(C)=0.6%,w(Si)=1.5-2.4%,w(Mn)1.5%,18Cr2Ni4WA,w(C)=0.18%,w(Cr)=1.5-2.4%,w(Ni)=3.5-4.4%,w(W)1.5%,高级优质钢,特例：滚动轴承钢（GCr15），G表示滚动轴承，Cr是常加元素，15表示含铬量千分之一为单位易切削钢（Y40Mn），Y表示易切削钢，后面部分与一般表示方法相同,GCr25与Cr12的含铬量？,返回,.,1、普通低合金结构钢,普通低合金结构钢（普低钢）：在低碳碳素结构钢的基础上加入少量合金元素（3%）获得的钢种,低合金高强度钢,含碳量：0.2%,主加元素：Mn（1.25-1.5）%，溶入铁素体，起固溶强化作用细化珠光体，起细晶强化作用,辅加元素：Nb铌、V、Ti，形成稳定碳化物，起第二相弥散强化作用，并阻碍A晶粒长大，起细晶强化作用,性能：强度、韧性高，焊接、冷成形性能好,热处理、组织：热轧空冷，F+S,例：Q390A,.,应用：常用于工程机械领域，如：,高压容器,桥梁,船舶,车辆,普通低合金结构钢,返回,.,2、易切削钢,易切削钢：为了提高钢的切削加工性能，而加入一种或几种合金元素，形成易切削钢。,主加元素：S（0.08-0.30）%，形成夹杂物，使切屑容易脆断具有减摩作用，降低切削力和切削热减低表面粗糙度，延长刀具使用寿命,性能：具有良好的切削性能,Pb（0.15-0.25）%，降低摩擦系数、切屑变脆易断,Ca（0.001-0.005）%，形成硅酸盐保护膜，降低磨损,返回,Y40Mn,.,渗碳钢,3、渗碳钢：用于制造渗碳零件的钢。,性能要求：表面具有较高的硬度和耐磨性心部具有良好的塑性和韧性,外硬内韧,成分：w(C)=(0.1-0.25)%，保证心部具有良好的塑性和韧性合金元素Cr、Mn、B：提高淬透性，强化铁素体，改善表面和心部的组织和性能Ni：提高心部强度，提高韧性和淬透性少量Mo、W、V、Ti：稳定的合金碳化物，细化晶粒，提高表层硬度和耐磨性,室温组织：表面是回火马氏体+合金碳化物+残余奥氏体，60-62HRC心部淬透时：低碳回火马氏体+铁素体心部未淬透：索氏体+铁素体,渗碳钢,热处理：正火处理（改善锻造的不良组织）+渗碳+淬火+低温回火,.,常用渗碳钢：低淬透性渗碳钢，20Cr、15Cr、20Mn2、20Mn2V等中淬透性渗碳钢，20CrMnTi、20CrMnMo等高淬透性渗碳钢，18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A,渗碳钢,.,应用：低淬透性渗碳钢，活塞销、小齿轮等中淬透性渗碳钢，汽车变速齿轮、连轴节等高淬透性渗碳钢，内燃机的牵引齿轮、柴油机的曲轴等,返回,渗碳钢,.,4、调质钢：经调制处理后使用的钢称为调质钢。,性能要求：较高的强度和良好的塑韧性相配合,良好的综合机械性能,成分：w(C)=0.30.50%，中碳钢，保证强硬度和塑韧性的搭配Zr、Ni、Si、Mn：提高淬透性，强化铁素体V、Ti、Mo、W：细化晶粒，提高回火稳定性，Mo、W还能防止第二类回火脆性,热处理：退火或正火+淬火+高温回火（快速冷却）,室温组织：回火索氏体,常用调质钢：,低淬透性合金调质钢：40Cr、40MnB等中淬透性合金调质钢：35CrMo等高淬透性合金调质钢：40CrNiMoA等,调质钢,.,举例说明：40Cr做拖拉机连杆螺栓,工艺路线：下料锻造退火（或正火）粗加工调质精加工装配,技术要求：处理后组织为回火索氏体，30-38HRC,调质处理工艺：,840,525,油冷,水冷,525度保温后水冷是否属于淬火工艺，能否得到M组织？,返回,调质钢,.,5、弹簧钢：用于制造各种弹性零件的钢。,性能要求：具有较高的弹性极限和强度具有较高的疲劳强度和屈强比具有较高的塑性和韧性，承受冲击载荷具有耐热性和耐腐蚀性,成分：w(C)=(0.4-0.7)%，中碳钢Si、Mn提高淬透性和屈强比，但易引起脱碳和过热Cr、V、W减小脱碳和过热倾向同时，提高淬透性和强度,热处理：,热轧弹簧：热成型淬火+中温回火喷丸冷轧弹簧：淬火+中温回火冷成型去应力喷丸,组织：回火T,弹簧钢,.,常用弹簧钢：,Si、Mn系列弹簧钢：65Mn、60Si2Mn等，用于制作大截面的弹簧,Cr、V、W、Mo系列弹簧钢：50CrVA、60Si2CrVA，制作较高温度下使用的承重弹簧,汽车板簧生产,返回,弹簧钢,.,6、滚动轴承钢：用于制造各种滚动轴承零件如轴承内外套圈，滚动体的专用钢。,性能要求：具有较高的淬透性具有高而且均匀的硬度和耐磨性具有良好的韧性、弹性极限和接触疲劳强度具有良好的耐腐蚀性（润滑介质条件下）,化学成分：w(C)=0.951.10%，合金元素Cr：提高淬透性和回火稳定性，形成细小合金渗碳体Si、Mn、V：进一步提高淬透性、强度、耐磨性和回火稳定性,热处理：球化退火+淬火+低温回火（61-65）HRC,常用轴承钢：铬轴承钢GCr15其它轴承钢GCr15SiMn、GSiMnV等,组织：回火马氏体+细小碳化物+少量残余奥氏体,滚动轴承钢,.,合金结构钢复习,一般表示方法：“两位数字+元素符号+数字+”,表示含碳量，万分之一为单位,表示合金含量，百分之一为单位，四舍五入取整，当含碳量低于1.5%时，数字省略,高级优质钢在最后加A表示,举例：,40CrMnMo,60Si2MnWA,20CrMnTi,普低钢、易切削钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢,常用合金结构钢：,.,四、合金工具钢,在碳素工具钢基础上加入一定种类和数量的合金元素，用来制造各种刃具、模具、量具等用钢就称为合金工具钢。,回顾碳素工具钢的牌号、用途、热处理、室温组织等！,牌号：T8、T12,用途：凿子、锉刀、量具等,热处理：淬火+低温回火,室温组织：回火M+球状渗碳体+残余A,.,1、牌号的一般表示方法,合金元素：表示方法与合金结构钢相同,高速钢，不论含碳量多少都不标，W18Cr4V,牌号表示方法,含碳量：W(C)1.0%，不标；CrWMnW(C)1.0%，以一位数表示，千分之一为单位.9Mn2v,合金结构钢中合金元素是怎么表示的？含碳量又是如何表示的？,特例,返回,.,刃具钢,2、刃具钢：用来制造车刀、铣刀、锉刀、丝锥、钻头、板牙等刃具的钢。,工作条件：强摩擦，磨损严重，刃部高温至500-600，常受冲击和振动,性能要求：高硬度，一般都在60HRC以上高耐磨性，严重影响刃具的使用寿命和使用效率高红硬性，高温度下保持高硬度的能力良好配合的强度、塑性和韧性，防止冲击和振动载荷,分类：低合金刃具钢、高速钢,.,（1）、低合金刃具钢：在碳素工具钢的基础上加入（3-5%）合金元素就形成低合金刃具钢,化学成分：含碳量：（0.75-1.5）%之间Si、Mn、Cr：提高淬透性，Si还能提高回火稳定性W、V：细小弥散的合金碳化物，提高硬度和耐磨性，细化晶粒，进一步增加回火稳定性,热处理特点：预处理：球化退火，改善锻造组织和切削加工性能最终热处理：淬火+低温回火,室温组织：回火M+碳化物+少量残余奥氏体,性能：HRC60以上，使用温度200-600,刃具钢,.,常用的低合金刃具钢,9SiCr、9Mn2V等，用于几何形状复杂、加工精度要求较高、切削速度不大的板牙、丝锥、铰刀、搓丝板等,刃具钢,.,（2）、高速钢：合金元素总量超过10%的的高合金工具钢,化学成分：含碳量：w(C)=0.71.2%W：提高红硬性的主要元素Cr：提高淬透性、硬度和耐磨性V：细化晶粒，提高硬度和耐磨性,性能：高硬度、耐磨性VC等弥散硬化高红硬性600时HRC62，W2C等提高红硬性。高淬透性尺寸不大时可空冷淬火，Cr等元素提高淬透性。,刃具钢,.,模具钢,3、模具钢：用作冷冲压模、热锻压模、挤压模、压铸模等模具的钢，分为冷作模具和热作模具两大类,（1）、冷作模具钢：室温下对金属进行变形加工的模具，包括冷冲模、冷镦模、冷挤压模。拉丝模、落料模等,性能要求：较高的硬度和耐磨性，良好的韧性和疲劳强度,化学成分：w(C)1%，Cr、Mn、W、Mo、V,应用：大型模具-Cr12、Cr12MoV等，热处理变形小。小型模具-9Mn2V、9SiCr、CrWMn等，要求不高时也可用碳素工具钢,最终热处理：淬火+低温回火,最终组织：回火M+碳化物+少量A,.,（2）、热作模具钢：用于制造在受热（400-600）状态下对金属进行变形加工的模具,性能要求：较高的温度下具有良好的强韧性、较高的硬度、耐磨性、导热性、抗热疲劳能力，较高的淬透性和尺寸稳定性,化学成分：w(C)=（0.3-0.6）%，Cr、Ni、Mn提高淬透性和强度W、Mo、V产生二次硬化，提高红硬性,应用：中小型模具5CrMnMo等。大型模具6Cr2W8V等，淬透性好。,最终热处理：淬火+高（中）温回火,最终组织：回火索氏体（回火托氏体）,模具钢,返回,.,量具钢,4、量具钢：用于制造卡尺、千分尺、样板、塞规、块规、螺旋测微仪等各种测量工具的钢,性能要求：高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性。,化学成分：w(C)=（0.9-1.5）%，Cr、W、Mn提高淬透性和减小应力,应用：简单量具：T10A、T12A等。高精度量具：GCr15、CrWMn等。,没有专用的量具钢,.,1牌号表示方法2不锈钢3耐热钢4耐磨钢,五特殊性能钢,.,1牌号表示方法,1、牌号的表示方法,特殊性能钢牌号表示方法与合金工具钢基本相同！如9Cr18,不锈钢、耐热钢在含碳量很低时表示方法有所不同。w(C)0.03%，在最前面用“00”表示，w(C)0.08%，在最前面用“0”表示,00Cr17Ni14Mo2，0Cr18Ni9,耐磨钢铸造成型后使用，牌号前一般加“ZG”，“ZG+元素符号+数字.”,百分之一为单位,ZGMn13,返回,.,2不锈钢,2、不锈钢：某些在大气和一般介质中具有较高化学稳定性的钢,（1）、金属腐蚀：化学腐蚀、电化学腐蚀,金属中不同相由于其电极电位不同而在电解质溶液中形成原电池，并在腐蚀过程中有微电流产生,常用的防护措施：,形成钝化膜保护金属获得单相组织，避免形成原电池提高基体电极电位，减小电极电位差，钢的基体（铁素体、奥氏体、马氏体）中的溶Cr超过11.7%时，电极电位突变升高,.,耐热钢,2、耐热钢：耐热钢是指具有良好的高温抗氧化性和高温强度的钢,（1）.金属耐热性的基本概念金属材料的耐热性包含高温抗氧化性和高温强度两方面。金属的高温抗氧化性是指钢在高温条件下对氧化作用的抗力，是钢能否持久地工作在高温下的重要保证条件。金属的高温强度是指金属材料在高温下对机械载荷作用的抗力，即高温下金属材料抵抗塑性变形和破坏的能力。,.,耐磨钢,耐磨钢：耐磨钢主要是指在强烈冲击载荷作用下发生硬化的高锰钢,成分：高锰钢碳的质量分数在(00915)C之间，锰的质量分数为(11一14)Mn，钢号表示为Mnl3。热处理：10001100，保温，水冷A，硬度低，韧性高。性能：工件在工作中受到冲击变形时，表层产生加工硬化，及M转变，硬度显著提高，心部保持高韧性。用途：履带、铁道岔道,小结,.,要求掌握：1.合金钢的编号方法，会辩认各种钢号；2.合金结构钢的成分，热处理及组织，性能及用途。6.工具钢的性能，成分，热处理目的和方法，组织；,.,休息一下，巩固所学的知识,.,学习情境3熟悉铸铁,【情境导航】铸铁的优点铸铁的分类铸铁的石墨化常用铸铁合金铸铁,.,本章提要：介绍铸铁的特点、分类、编号，以及碳在铸铁中的存在形式，铸铁的石墨化过程；常见铸铁的成分、组织、性能以及相应的热处理特点简要介绍特殊性能铸铁,.,一铸铁概述二常用铸铁,主要内容,.,一、铸铁的特点及分类,1.成分C2.11%wt的铁碳合金称为铸铁，特点是含有较高的C和Si，同时也含有一定的Mn、P、S等杂质元素。,3.性能缺点：强度、塑性及韧性较差，不能锻造优点：具有良好的铸造性，具有高的减摩性、切削加工性和低的缺口敏感性,2.组织铸铁中C、Si含量较高，C大部分、甚至全部以游离状态石墨（G）形式存在。,.,4.分类,白口铸铁渗碳体，莱氏体组织灰口铸铁石墨麻口铸铁渗碳体+石墨普通灰口铸铁G呈片状；孕育铸铁G呈细片状；可锻铸铁G呈团絮状蠕墨铸铁G呈蠕虫状；球墨铸铁G呈球状。,1）根据C的存在形式，可以将铸铁分为：,2）根据石墨形态，灰口铸铁可以分为：,.,二、铸铁的石墨化,1.Fe-G相图,7.1概述,虚线为稳定的Fe-G平衡相图，实线为亚稳定Fe-Fe3C平衡相图；不同的结晶过程可以分别按照这两种相图结晶Fe3C是亚稳相，在长时间加热条件下，会分解成Fe和石墨,.,2.铸铁的石墨化过程,G结晶：过共晶成分LL+GI共晶转变L4.26A2.08+G（共晶）(1154)G析出：AA+GII(1154738)共析转变A0.68F+G（共析）(738)FG（738以下）,.,2)冷却速度缓慢冷却有利于石墨化的进行。,铸铁壁厚、化学成分与铸铁组织的关系,3.影响铸铁石墨化因素,1)化学成分合金元素可以分为促进石墨化元素（C、Si）和阻碍石墨化元素（S、Mn、Cr、W、V、Mo）,.,三、铸铁的性能,1.力学性能强度、塑韧性比钢低:G的强度、韧性极低，减小钢基体的有效截面，并引起应力集中。耐磨性好:石墨有利于润滑、储油。,2.其它性能缺口敏感性低：表面粗糙对疲劳极限的影响不明显消震性好：钢的十倍，G组织松软铸造性好：接近共晶成分、熔点低、流动性好、凝固收缩小。切削加工性好：G使切屑易断，还可润滑刀具。,.,一、灰口铸铁,1.灰口铸铁的牌号、成分与组织1)牌号：新标准GB5612-85，HT（灰铁）+三位数字（最低-）。其中，HT100为F基，HT150为F+P基，HT200-250为P基，HT250-350为孕育铸铁。2)成分：2.5-3.6%C，1.1-2.5%Si，0.6-1.2%Mn及少量S和P。3)组织：G呈片状，按基体分为F、F+P及P灰口铸铁，分别适用于低、中、较高负荷，图7-4。,500,.,2.灰口铸铁的性能与应用性能：与普通碳钢相比，机械性能低；耐磨性与消震性好；工艺性能好应用：机床床身、导轨、缸体、机座等,.,二、可锻铸铁,1.可锻铸铁的牌号、成分与组织1）牌号：按GB978-67，KT（可铁）+H、Z、B（黑心、珠光体、白心）+三位数字（最低b）+二位数字（最低）。2）成分：2.2-2.8%C，1.0-2.0%Si，0.4-1.2%Mn及少量S和P。3）组织：钢基体（F和P）+团絮状G,可锻铸铁是白口铸铁通过退火处理后得到的一种铸铁,.,2.可锻铸铁