工程材料及其热处理教学模块课件

1、教学重点： 教学难点： 解决方法： 常用碳钢、合金钢、铸铁、有色金属等 材料的分类、成分、组织、牌号、性能 和应用； 工程材料及其热处理教学模块工程材料及其热处理教学模块 重点、难点及解决办法：重点、难点及解决办法： 常见化学元素对钢的组织、性能及热处 理影响，变形铝合金的强化手段和热处 理特点。 检索分析、查阅参考文献、 项目教学与工学交替。 课题一 非合金钢（碳钢） 教 学 重 点 常用碳钢的牌号、性能和应用。 教 学 难 点 根据碳钢的牌号能分析它的 成分、性能特点和大致应用范围。 本课题重点与难点 改善钢的质量； 提高钢的强度和硬度； 减轻硫的危害； 是有益元素，一般wmn0.25%0

2、.80%。 3.1.1 常存杂质元素对碳钢性能的 影响 1、锰的影响 2、硅的影响 消除feo对钢的不良影响； 产生固溶强化； 是钢中有益元素，一般wsi0.4%。 使钢的强度、硬度增加，但塑性和韧性显著降低； 使钢低温时脆性严重（冷脆）； 是有害元素，应严格控制磷含量。 3.1.1 常存杂质元素对碳钢性能的 影响 3、磷的影响 4、硫的影响 与铁形成化合物fes，使钢变脆（热脆）； 是钢中有害元素，应严格控制硫含量。 分为低碳钢(wc0.25%)、中碳钢(0.25wc0.60%) 和高碳钢(wc0.60%)。 3.1.2 碳钢的分类 1、按含碳量分类 2、按质量分类 1）普通质量碳钢（ws0

3、.045%、wp0.045%） 不需要特别控制质量的钢种，包括一般碳素结构钢、碳素钢 筋钢、铁道用一般碳素钢等。 2）优质碳钢 需要特别严格控制质量的碳钢。主要包括：机械结构用优质 碳钢、工程结构用优质碳钢、冲压薄板的低碳结构钢、锅炉 和压力容器用碳钢、优质铸造碳钢等。 3.1.2 碳钢的分类 3、按用途分类 1）碳素结构钢 主要用于制造各种工程构件和机器零件。一般属于低碳 钢和中碳钢。 2）碳素工具钢 主要用于制造各种刃具、量具、模具等。一般属于高碳 钢。 此外，钢按冶炼时脱氧方法不同，分为沸腾钢、镇静钢 和半镇静钢等 3.1.3 碳钢的牌号和应用 1、碳素结构钢 牌号：由代表屈服点的字母q

4、、屈服点数值、质量等级符号、 脱氧方法符号四部分顺序组成。 质量等级有：a表示ws0.050%、wp0.045%；b表示 ws0.045%、wp0.045%；c表示ws0.040%、wp0.040%； d表示ws0.035%、wp0.035%。 脱氧方法有f（沸腾钢）、b（半镇静钢）、z（镇静钢）、 tz（特殊镇静钢）四种，通常z和tz可省略。 例：q235af。 3.1.3 碳钢的牌号和应用 2、优质碳素结构钢 牌号：用两位数字表示钢平均含碳量的万分数。 例：45钢。 又分为普通含锰量（wmn0.7%）和较高含锰量（wmn =0.7%1.2%）两类。含锰量较高的钢在两位数字后面加 “mn”字

5、。 例：65mn钢。 脱氧方法表示法同碳素结构钢。 高级优质钢，加“a”；特级优质钢，加“e”。 3.1.3 碳钢的牌号和应用 3、碳素工具钢 牌号：用“碳”的汉语拼音字首“t”加数字（钢的平均wc 的千分数）表示。 例：t12。 碳素工具钢含碳量高，硫、磷杂质含量较少，一般经淬火， 低温回火后硬度比较高，耐磨性好，但塑性较低。主要用于 要求不很高的刃具、量具和模具。 3.1.3 碳钢的牌号和应用 4、铸钢 牌号：用“zg” 表示。 牌号有两种表示方法： 以强度表示时,在“zg”后面有两组数字，第一组数字表示该 牌号屈服点的最低值，第二组数字表示其抗拉强度的最低值， 两组数字间用“” 隔开。

6、例： zg230450。 以化学成分表示铸钢牌号时，在“zg”后面的数字表示 铸钢平均碳含量的万分数。平均碳含量1时不标出,平均 碳含量0.1时,其第一位数字为“0”。在含碳量后面排列 各主要合金元素符号,每个元素符号后面用整数标出含量的 百分数。 例：zg15cr1molv。 课题二 低合金钢和合金钢 教 学 重 点 常用低合金钢、合金结构 的牌号、性能及用途。 教 学 难 点 合金元素对钢性能的影响、低合 金钢，合金结构钢牌号与应用之 间的一般关系。 本课题重点与难点 1、合金元素在钢中的存在形式及作用 3.2.1 合金元素在钢中的作用 1）合金元素与铁作用形成固溶体 合金元素可以溶入-f

7、e或-fe中，形成含合金元素 的铁素体或奥氏体。合金元素的溶入，将导致铁素体或奥 氏体的晶格畸变，产生固溶强化。硅、锰、镍等元素对铁 素体的强化效果显著。 2）合金元素与碳作用形成合金碳化物 大多数合金元素能与碳作用形成合金碳化物，熔点高、 硬度高、不易分解，呈颗粒状分布在晶界上，可细化晶 粒，提高钢的强度和硬度。 2、合金元素对钢热处理的影响 3.2.1 合金元素在钢中的作用 1）合金元素对加热时奥氏体化的影响 大多数合金元素能减慢碳的扩散速度，加之合金碳化 物稳定、难溶解，显著减慢碳及合金元素的扩散速度，故 减慢了奥氏体化过程。 大多数低合金钢和合金钢，需更高的加热温度、更长 的保温时间。

8、 大多数合金元素（除锰、磷外）形成的碳化物，在高 温下较稳定，且分布在奥氏体的晶界上，能有效阻止奥氏 体晶粒的长大，起到细化奥氏体晶粒的作用。 3.2.1 合金元素在钢中的作用 2）合金元素对冷却时奥氏体转变的影响 增加过冷奥氏体的稳定性，固溶于奥氏体中的合金元 素（除钴以外），均程度不同地增加过冷奥氏体的稳定性 （c曲线右移），使钢的淬透性增加， 降低马氏体点（ms），除钴、铝以外，大多数合金元 素均会降低马氏体点，使合金钢淬火后的残余奥氏体量增 加。 3.2.1 合金元素在钢中的作用 3）合金元素对回火转变的影响 1）提高钢的耐回火性（回火稳定性） 3.2.1 合金元素在钢中的作用 2）产

9、生二次硬化 3.2.2 低合金钢和合金钢的分类及 牌号 1、低合金钢的分类及牌号 1）低合金钢的分类 （1）按主要质量等级分类 普通质量低合金钢 优质低合金钢 特殊质量低合金钢 （2）按主要性能和使用特性分类 分为可焊接的低合金高强度结构钢、低合金耐候钢、 低合金钢筋钢、铁道用低合金钢、矿用低合金钢、其他 低合金钢等。 3.2.2 低合金钢和合金钢的分类及 牌号 2）低合金钢的牌号 （1）低合金高强度结构钢 表示方法与碳素结构钢相同。例：q345。 （2）易切削结构钢 以“易”字的汉语拼音字首“y”为首，其后数字表 示平均碳含量的万分数，钢中含锰量较高时标出“mn”。 例：y40mn。 3.2

10、.2 低合金钢和合金钢的分类及 牌号 2、合金钢的分类及牌号 1）合金钢的分类 （1）按主要质量等级分类 优质合金钢 特殊质量合金钢 （2）按主要性能和使用特性分类 分为工程结构用合金钢、机械结构用合金钢、轴承 钢、工具钢、不锈、耐蚀和耐热钢、特殊物理性能钢等。 3.2.2 低合金钢和合金钢的分类及 牌号 2）合金钢的牌号 （1）机械结构用合金钢和工程结构合金钢 (1)调质处理合金结构钢、表面硬化合金结构钢、合金弹 簧结构钢。 两位数字+元素符号+数字 （+a） (碳含量的万分数)(所含合金元素)(该元素含量的百万分 数)(硫磷含量少钢质量高) 例：18cr2ni4wa。 (2)高锰耐磨钢。

11、zg+ mn+数字 (铸钢汉语拼音字首)(锰)(平均含锰量的百分数) 例：zgmn13-1。 3.2.2 低合金钢和合金钢的分类及 牌号 （2）轴承钢 gcr+（+元素符号+数字） (g：“滚”汉语拼音字首；cr:铬；：平均含铬量千 分数；元素符号：若还有其他元素；数字：含量百分 数。） 例：gcr15simn。 （3）合金工具钢 表示方法与合金弹簧钢类似，差别在于：若钢中的wc 1%时，牌号前的数字表示平均含碳量的千分之几；若 钢中的wc1%时，牌号前不标出含碳量。 例：9mn2v。 3.2.2 低合金钢和合金钢的分类及 牌号 （4）高速工具钢 表示方法与合金工具钢类似，主要差别是无论钢中的

12、 含碳量多少，均不在牌号前标出数字。例：w18cr4v。 （5）不锈钢和耐热钢 表示方法与合金工具钢类似，只是当wc0.03%或 wc0.08%时，其牌号前的数字分别用“00”或“0”代 替。 例：3cr13；00cr17ni14mo2。 3.2.3 低合金钢 1、常用低合金高强度结构钢 1）低合金高强度结构钢的成分和性能特点 成分特点：在低碳钢（wc0.2%）的基础上加入少量的锰、 硅、钛、钒、铌等合金元素而制成的钢。 性能特点：强度高，塑性、韧性好，焊接性好、冷成形性 好、耐蚀性好、冷脆转变温度低、成本低。 2）常用的低低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢的强度比低碳钢高出10%30%，

13、 代替碳素结构钢，可大大减轻机件或结构件的重量。例： 南京长江大桥的桥梁采用q345比用q235节省钢材15%以上。 广泛用于船舶、车辆、桥梁、压力容器等工程结构件 及低温下工作的构件等。 3.2.3 低合金钢 2、其它低合金结构钢简介 1）易切削结构钢 2）低合金耐候性钢 3）汽车用低合金钢 4）低合金钢筋钢 5）铁道用低合金钢 6）矿用低合金钢 3.2.4 合金钢 1、常用机械结构和工程结构用合金钢 1）合金调质钢 (1）用途及性能要求 用途：汽车、机床等机器中重要的零件。 性能要求：良好的综合力学性能。 (2）成分、性能和热处理特点 成分、性能：wc0.250.50，保证良好的综合力 学

14、性能。加入cr、mn、si、ni、b等提高淬透性、强化铁 素体、细化晶粒、提高耐回火性等。 热处理：调质处理 (3）常用合金调质钢 分低淬透性合金调质钢（如40cr）、中淬透性合金调质 钢（如35crmo、38crmoal）、高淬透性合金调质钢（如 40crnimo、40crmnmo）三类。 3.2.4 合金钢 2）合金渗碳钢 (1）用途及性能要求 用途：汽车发动机、变速箱中的齿轮、内燃机凸轮、活 塞销等机械零件。 性能要求：零件表面高的硬度、高的耐磨性和耐疲劳性 能，心部高的韧性和足够的强度。 (2）成分、性能和热处理特点 成分、性能：wc0.10.25,以保证零件心部有良 好的塑性和韧性。

15、加入cr、mn、ni、ti、v、w、mo、b等 以提高钢的淬透性，细化晶粒，在渗碳层获得均匀细小 的耐磨碳化物。热处理：渗碳后淬火、低温回火。 (3）常用合金渗碳钢 分低淬透性合金渗碳钢（如20cr、20mnv）、中淬透性合 金渗碳钢（如20crmnti）、高淬透性合金渗碳钢（如 18cr2ni4wa）三类。 3.2.4 合金钢 3）合金弹簧钢 (1）用途及性能要求 用途：机械和仪表中各种弹性元件。 性能要求：高的弹性极限和屈强比、较高的疲劳强度、足 够的塑性和韧性。 (2）成分、性能和热处理特点 成分、性能：wc0.50.7% ,保证高的弹性极限。加入 mn、si、cr、mo、w、v、b等以

16、提高钢的淬透性、细化晶粒、 耐回火性、强化铁素体、提高弹性和屈强比等。 冷成形弹簧：去应力退火或淬火加中温回火。 热成形弹簧：淬火、中温回火 (3）常用合金弹簧钢 分硅锰系合金弹簧钢（如60si2mn）、硅铬系合金弹簧钢、 铬锰系合金弹簧钢和铬钒系合金弹簧钢（如50crva）。 3.2.4 合金钢 4）高锰耐磨钢 (1）用途及性能要求 用途：制造受强烈冲击和巨大压力，并要求耐磨的零件。 性能要求：受到强烈摩擦、巨大压力和冲击时，表面高 的硬度和耐磨性，心部良好的韧性和塑性，较高的抗冲 能力。 (2）成分、性能和热处理特点 成分、性能：wc0.901.50，wmn1114， 铸态组织为奥氏体和大

17、量的碳化物，性能硬而脆。 热处理：水韧处理，强度、硬度（180230hbs）不高， 塑性、韧性好。 (3）常用高锰耐磨钢 zgmn13-1等。 3.2.4 合金钢 2、轴承钢 1）用途及性能要求 用途：制造各种滚动轴承的元件，如滚珠、滚柱和内外 套圈等。 性能要求：很高的强度、硬度、耐磨性，很高的接触疲 劳强度，一定的韧性和耐润滑剂腐蚀的能力。 2）成分、性能和热处理特点 成分、性能：wc0.951.15，保证高硬度、高耐 磨性。加入cr、si、mn、mo、v等合金元素，提高钢的 淬透性、耐磨性和接触疲劳强度。 热处理：球化退火、淬火和低温回火。 3）常用轴承钢 高碳铬轴承钢（gcr15应用最广）和无铬轴承钢。 3.2.4 合金钢 3、不锈钢与耐热钢 通常将具有抵抗大气或其他介质腐蚀的钢称为不锈 钢。 成分特点：低碳，加入大量的cr、ni等合金元素