工程材料的性能和过程材料(简)

1、过程设备材料选用过程设备材料选用工程材料的性能 使用性能使用性能: :材料在使用过程中所表材料在使用过程中所表现的性能，它包括现的性能，它包括力学性能力学性能、物物理和化学性能理和化学性能。 工艺性能工艺性能: :材料在加工过程中所表材料在加工过程中所表现的性能现的性能 ，即指其，即指其铸造性能、锻铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性压性能、焊接性能、切削加工性能能和和热处理性能热处理性能。 作为结构材料，应具备的最主要性能是作为结构材料，应具备的最主要性能是力学性能力学性能，即即材料抵抗外力的能力材料抵抗外力的能力。 力学性能力学性能包括包括弹性、刚度、强度、塑性、硬度、冲弹性、刚度、强

2、度、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳强度击韧性及疲劳强度等。等。 金属材料在加工及使用过程中所受的外力金属材料在加工及使用过程中所受的外力称为称为载荷载荷。根据载荷作用性质不同，可以分为根据载荷作用性质不同，可以分为静载荷静载荷和和动载荷动载荷。材料的力学性能静载时材料的力学性能静载：静载：对试样缓慢加载，常用对试样缓慢加载，常用静拉伸试验静拉伸试验和和硬度试验。硬度试验。布氏硬度计布氏硬度计拉伸试验机拉伸试验机标准试样标准试样标距 l 有两种长度：l =10dl =5d Al实验方式：实验方式：常温静载试验常温静载试验电子式万能实验机（1）强度强度：强度：材料在外力作用下材料在外力作用下抵抗变形和

3、破坏的能力。抵抗变形和破坏的能力。屈服强度屈服强度 s s：材料发生微材料发生微量塑性变形时的应力值。量塑性变形时的应力值。抗拉强度抗拉强度 b b( (现用现用Rm表表示示)：材料断裂前所承受材料断裂前所承受的最大应力值。的最大应力值。低碳钢低碳钢的应力的应力-应变曲线应变曲线 塑性塑性 断裂前材料产生永久变形的能断裂前材料产生永久变形的能力力, , 用伸长率和断面收缩率来表示。用伸长率和断面收缩率来表示。 伸长率（伸长率（）（现用（现用A表示）：表示）： 在拉在拉伸试验中伸试验中, , 试样拉断后试样拉断后, , 标距的伸长标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。与原始标距的百分比称为伸长

4、率。 断面收缩率（断面收缩率（） （现用（现用Z表示）表示） 试样拉断后试样拉断后, , 缩颈处截面积的最大缩缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。收缩率。 （2）塑性%100001LLL%100010AAA拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象说明 直径直径d d0 0 相同时，相同时，L L0 0 ， 。只有当只有当L L0 0/d/d0 0为常为常数时，塑性值才有可比性。数时，塑性值才有可比性。 当当L L0 0 = 10d= 10d0 0 时，伸长率用时，伸长率用 10 10 ( (现用现用A A 11.311.3 ) ) 表示表示；

5、 当当L L0 0 = 5d= 5d0 0 时，伸长率用时，伸长率用 5 5 ( (现用现用A A ) )表示。表示。 显然显然 5 5 1010%100001LLL%100010AAA( 3 ) 硬 度 硬度：硬度：材料抵抗其他硬物压入的能力，即受压材料抵抗其他硬物压入的能力，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。时抵抗局部塑性变形的能力。布氏硬度原理布氏硬度原理洛氏硬度原理洛氏硬度原理维氏硬度原理维氏硬度原理a. 布氏硬度布氏硬度试验原理图布氏硬度试验原理图v 材料抵抗表面局部塑性变形的能力。材料抵抗表面局部塑性变形的能力。v 布氏硬度布氏硬度 HB)(2102. 022dDDDPAPHB布氏硬

6、度计布氏硬度计a. 布氏硬度布氏硬度v 压头为压头为钢球钢球时，布氏硬度用符号时，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布表示，适用于布氏硬度值在氏硬度值在450以下的材料。以下的材料。v 压头为压头为硬质合金球硬质合金球时，用符号时，用符号HBW表示，适用于布表示，适用于布氏硬度在氏硬度在650以下的材料。以下的材料。v 符号符号HBS或或HBW之前的数字表示硬度值。之前的数字表示硬度值。 如如: 250HBS布氏硬度压痕布氏硬度压痕b. 洛氏硬度v 洛氏硬度用符号洛氏硬度用符号HR表示，表示，HR=(k-h)/0.002v 根据压头类型和主载荷不同，分为九根据压头类型和主载荷不同，分为九个标尺，

7、常用的标尺为个标尺，常用的标尺为A、B、C。洛氏硬度计洛氏硬度计洛氏硬度测量原理图洛氏硬度测量原理图l符号符号HRHR前面的数字为硬度值，后前面的数字为硬度值，后面为使用的标尺。面为使用的标尺。lHRA HRA ，压头为，压头为120120金刚石圆锥，金刚石圆锥，用于测量高硬度材料用于测量高硬度材料, , 如硬质合如硬质合金、表面淬火钢。金、表面淬火钢。lHRB HRB ，压头为，压头为1/161/16英寸淬火钢球，英寸淬火钢球，用于测量低硬度材料用于测量低硬度材料, , 如有色金如有色金属和退火、正火钢等。属和退火、正火钢等。lHRC HRC ，压头为，压头为120120金刚石圆锥，金刚石圆

8、锥，用于测量中、高硬度材料，如调用于测量中、高硬度材料，如调质钢、淬火钢等。质钢、淬火钢等。 如：如：30HRC30HRC，55HRA钢球压头与钢球压头与金刚石压头金刚石压头洛氏硬度压痕洛氏硬度压痕b. 洛氏硬度c. 维氏硬度维氏硬度计维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度试验原理维氏硬度压痕维氏硬度压痕HV=F/A压压常用硬度的比较压头压头载荷载荷 kgf硬度范围硬度范围HBS钢球钢球3000450HBW硬质合金球硬质合金球3000450650HRA金刚石圆锥金刚石圆锥602088HRB钢球钢球10020100HRC金刚石圆锥金刚石圆锥1502070布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度HV金刚石棱锥

9、金刚石棱锥51201300维氏硬度维氏硬度应用应用有色合金，退正火调质钢有色合金，退正火调质钢淬火、调质钢淬火、调质钢表面硬化件、硬质合金表面硬化件、硬质合金有色合金，退正火钢有色合金，退正火钢淬火、调质钢淬火、调质钢薄壁件、表面硬化层薄壁件、表面硬化层压头压头载荷载荷 kgf硬度范围硬度范围HBS钢球钢球3000450HBW硬质合金球硬质合金球3000450650HRA金刚石圆锥金刚石圆锥602088HRB钢球钢球10020100HRC金刚石圆锥金刚石圆锥1502070布氏硬度布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度HV金刚石棱锥金刚石棱锥51201300维氏硬度维氏硬度应用应用有色合金，退正火调质钢有色合

10、金，退正火调质钢淬火、调质钢淬火、调质钢表面硬化件、硬质合金表面硬化件、硬质合金有色合金，退正火钢有色合金，退正火钢淬火、调质钢淬火、调质钢薄壁件、表面硬化层薄壁件、表面硬化层动载时材料的力学性能动载动载的主要形式：的主要形式： 载荷以较高速度施加到零构件上，形成载荷以较高速度施加到零构件上，形成冲击冲击。 抵抗冲击载荷的能力称为抵抗冲击载荷的能力称为冲击韧性冲击韧性aK K 载荷大小和方向做周期性变化，形成载荷大小和方向做周期性变化，形成交变载荷交变载荷。 材料能承受规定次循环而不断裂的最大应力值称材料能承受规定次循环而不断裂的最大应力值称为为疲劳强度疲劳强度 11 t（4）冲击韧性 冲击韧

11、性：冲击韧性：材料抵抗冲击载荷作用材料抵抗冲击载荷作用的能力，常用一次摆锤冲击弯曲试的能力，常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功验来测定。测得试样冲击吸收功, 用符号用符号 Ak 表示。用冲击吸收功除表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积以试样缺口处截面积 S0 , 即得到材即得到材料的冲击韧性料的冲击韧性 ak。 Ak ak = (J/cm) S0Ak = mg（H1H2） (J)冲击试样和冲击试验示意图冲击试样和冲击试验示意图冲击韧性的测定冲击韧性的测定（4）冲击韧性v冲击吸收功的大小冲击吸收功的大小与试验温度有关。与试验温度有关。v材料的韧脆转变温材料的韧脆转变温度越低，说

12、明低温冲度越低，说明低温冲击性能越好。击性能越好。 （4）冲击韧性脆性区脆性区韧性区韧性区建造中的建造中的Titanic 号号TITANIC的沉没的沉没与船体材料的质量与船体材料的质量直接有关直接有关TITANICTitanic近代船用钢板近代船用钢板Titanic 号钢板号钢板（左图）和（左图）和近代船用钢板近代船用钢板（右图）（右图）的冲击试验结果的冲击试验结果疲劳破坏疲劳破坏疲劳破坏的四个特点： 1、破坏应力低、破坏应力低 2、脆性断裂、脆性断裂 3、损伤累计过程、损伤累计过程 4、破坏断口含两个区域、破坏断口含两个区域疲劳破坏过程：疲劳破坏过程：疲劳裂纹萌生、逐渐扩展和最后断裂的过程。

13、疲劳裂纹萌生、逐渐扩展和最后断裂的过程。粗糙区粗糙区光滑区光滑区疲劳源疲劳源 t粗糙区粗糙区光滑区光滑区疲劳源疲劳源交交 变变 载载 荷荷恒幅（稳定）交变（循环）应力恒幅（稳定）交变（循环）应力 应力循环应力循环应力比（循环特征应力比（循环特征）：r = min/ max tBA max min a应力幅应力幅： a=( max- min)/2交交 变变 载载 荷荷平均应力平均应力： m=( max+ min)/2最大应力最大应力： max最小应力最小应力： min循环应力的分类：循环应力的分类：称循环称循环(r=-1)，非对称循环非对称循环(r -1)，脉动循环脉动循环(r=0) t max

14、 min t max min=0A交交 变变 载载 荷荷（5）疲劳强度疲劳：疲劳：材料在交变应力长时间作用下，在小于屈材料在交变应力长时间作用下，在小于屈服点的应力下发生断裂服点的应力下发生断裂疲劳极限疲劳极限( (强度强度) ) -1 ：材料能承受规定次数应力材料能承受规定次数应力循环而不断裂的最大应力循环而不断裂的最大应力钢铁材料规定次为钢铁材料规定次为107疲劳曲线示意图疲劳曲线示意图 对称循环应力图对称循环应力图 对称循环疲劳极限对称循环疲劳极限(强度强度) -1，脉动循环疲劳极限（强度）脉动循环疲劳极限（强度）0 0物理性能物理性能包括包括密度、熔点、比热、导密度、熔点、比热、导热系

15、数、线膨胀系数、导电性、磁性、热系数、线膨胀系数、导电性、磁性、弹性模量、泊松比弹性模量、泊松比等。等。材料的物理性能 化学性能化学性能，即，即材料在所处介质中的化学稳定性材料在所处介质中的化学稳定性。 化学性能化学性能包括包括耐腐蚀性、抗氧化性耐腐蚀性、抗氧化性。 耐腐蚀性耐腐蚀性金属和合金对周围介质（大气、水汽、金属和合金对周围介质（大气、水汽、各种电解液）侵蚀的抵抗能力。各种电解液）侵蚀的抵抗能力。 抗氧化性抗氧化性金属材料在高温下抵抗氧化的能力。金属材料在高温下抵抗氧化的能力。材料的化学性能加工工艺性能加工工艺性能，即，即材料是否易于加工成形的材料是否易于加工成形的性能性能。加工工艺性

16、能加工工艺性能包括包括铸造性能、锻造性能、焊铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能接性能、切削加工性能、热处理性能等。等。材料的加工工艺性能 可铸性可铸性液体金属材料是否易于铸成优质铸件的性能。液体金属材料是否易于铸成优质铸件的性能。 可锻性可锻性金属性材料承受压力加工（锻造、轧制、辗压等）时，改变金属性材料承受压力加工（锻造、轧制、辗压等）时，改变原来形状而不破坏的能力。原来形状而不破坏的能力。 焊接性焊接性金属材料是否易于焊接在一起，并获得优质焊接接头的能力。金属材料是否易于焊接在一起，并获得优质焊接接头的能力。 切削加工性切削加工性材料是否易于被刀具切削的性能。材料是否易

17、于被刀具切削的性能。 热处理性能热处理性能包括包括淬透性、淬硬性、氧化和脱碳、变形及开裂淬透性、淬硬性、氧化和脱碳、变形及开裂等。等。材料的加工工艺性能过程设备常用材料过程设备常用材料工程材料的分类工程材料工程材料无机非金属材无机非金属材料料铝合金铝合金铜合金等铜合金等黑色金属黑色金属塑料塑料橡胶橡胶涂料等涂料等复合材料复合材料高分子材料高分子材料有色金属有色金属金属材料金属材料工业纯铁：工业纯铁：含碳量含碳量 0.02钢钢: 含碳量含碳量 0.022.11铸铁铸铁: 含碳量含碳量 2.116.69陶瓷陶瓷( (搪瓷搪瓷) )玻璃玻璃金属基复合材料金属基复合材料高分子基复合材料高分子基复合材料

18、陶瓷基复合材料陶瓷基复合材料铁碳合金的组织结构v铁碳合金铁碳合金碳钢和铸碳钢和铸铁，是工业应用最广的铁，是工业应用最广的合金。合金。v含碳量为含碳量为0.02%2.11%的称的称钢钢。v含碳量为含碳量为 2.11%6.69%的称的称铸铁铸铁。v含碳量大于含碳量大于Fe3C成分成分（6.69%）时，合金太）时，合金太脆，已无实用价值。脆，已无实用价值。反应釜反应釜铁碳合金的组织结构SiO2 的结构的结构v晶体：晶体：原子（原子团或离子）按一定几何形式原子（原子团或离子）按一定几何形式周期重复排列的固体。常态下金属主要以晶体周期重复排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有形式存在。晶体具

19、有各向异性各向异性。v非晶体：非晶体：原子呈无序排列的固体。在一定条件原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。下晶体和非晶体可互相转化。一、晶体概念一、晶体概念晶体与非晶体晶体与非晶体石石墨墨及及其其晶晶格格金金刚刚石石及及其其晶晶格格 组成成分相同，但晶体结构不同的两种晶体，其性能不同。组成成分相同，但晶体结构不同的两种晶体，其性能不同。二、纯铁的晶体结构、同素异构转变二、纯铁的晶体结构、同素异构转变铁碳合金的组织结构二、纯铁的晶体结构铁碳合金的组织结构体心立方体心立方BCC(body-center cubic)面心立方面心立方 FCC(face-centered cubi

20、c)密排六方密排六方HCP(hexagonal close-packed)模型模型晶胞原子数晶胞原子数密排面密排面单晶体与多晶体单晶体与多晶体铁碳合金的组织结构单晶体单晶体原子（原子团或离子）按相同方向排列原子（原子团或离子）按相同方向排列多晶体多晶体由许多结晶方位不同的小晶体集合而成由许多结晶方位不同的小晶体集合而成金属多晶组织金属多晶组织三、铁碳合金的基本组织三、铁碳合金的基本组织铁碳合金的组织结构奥氏体奥氏体(A(A或或 ) )C C -Fe-Fe间隙固溶体间隙固溶体 铁素体铁素体(F(F或或 ) )C C -Fe-Fe间隙固溶体间隙固溶体 金属化合物金属化合物 固溶体固溶体渗碳体渗碳体

21、( (FeFe3 3C C或或Cm)Cm) C + 3FeFeC + 3FeFe3 3C C铁碳合金中的相铁碳合金中的相:铁素体铁素体l碳在碳在 -Fe-Fe中的固溶体称铁素体中的固溶体称铁素体, , 用用F F 或或 表示。表示。l是体心立方晶格的间隙固溶体。是体心立方晶格的间隙固溶体。l溶碳能力很低，溶碳能力很低，727时最大为时最大为0.0218%，室温下仅为，室温下仅为0.0008%。l铁素体的组织为多边形晶粒，铁素体的组织为多边形晶粒，性能与纯铁相似。性能与纯铁相似。（1 1） 铁素体铁素体 F F 或或 铁碳合金的组织结构铁碳合金的组织结构铁碳合金的组织结构l 碳在碳在 -Fe-F

22、e中的固溶体称奥氏体中的固溶体称奥氏体。用。用A A或或 表示。表示。l 是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，是面心立方晶格的间隙固溶体。溶碳能力比铁素体大，11481148时最大为时最大为2.11%2.11%。l 组织为不规则多面体晶粒，组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。强度低、塑性好，晶界较直。强度低、塑性好，钢材热加工都在钢材热加工都在 区进行区进行. .l 碳钢室温组织中无奥氏体。碳钢室温组织中无奥氏体。奥氏体奥氏体(2) (2) 奥氏体奥氏体 A A 或或 铁碳合金的组织结构l即即Fe3C，含碳，含碳6.69%，用，用Fe3C或或Cm表示。表示。l其硬度高、强度低其硬度高

23、、强度低( b 35MPa),脆性大，塑性几乎为零。脆性大，塑性几乎为零。l是一个亚稳相，在一定条件下可是一个亚稳相，在一定条件下可发生分解：发生分解：Fe3C3Fe+C(石墨石墨), 该反应对铸铁有重要意义。该反应对铸铁有重要意义。l由于碳在由于碳在 -Fe中的溶解度很小，中的溶解度很小，因而常温下碳在铁碳合金中主要因而常温下碳在铁碳合金中主要以以Fe3C或石墨的形式存在。或石墨的形式存在。(3) (3) 渗碳体渗碳体 Fe3C 铸铁中的石墨铸铁中的石墨钢中的渗碳体钢中的渗碳体二、纯铁的晶体结构铁碳合金的组织结构l珠光体是铁素体与渗碳珠光体是铁素体与渗碳体的机械混合物。体的机械混合物。l力学

24、性能介于铁素体与力学性能介于铁素体与渗碳体之间。渗碳体之间。l碳素钢中珠光体的含碳碳素钢中珠光体的含碳量约为量约为0.8。珠光体珠光体(4) 珠光体珠光体 P Fe3C727铁碳合金的组织结构l莱氏体是珠光体与渗碳体莱氏体是珠光体与渗碳体的共晶混合物。的共晶混合物。l具有高的硬度，脆性大。具有高的硬度，脆性大。l存在于白口铸铁中，含碳存在于白口铸铁中，含碳量约为量约为4.34.3。(5) (5) 莱氏莱氏体体 LeLeL Fe3C P Fe3C1148727二、纯铁的晶体结构铁碳合金的组织结构l马氏体是碳溶于马氏体是碳溶于 -Fe-Fe中的中的过饱和过饱和固溶体。固溶体。l钢从奥氏体状态钢从奥

25、氏体状态急冷（淬火）急冷（淬火）生成的生成的非平衡非平衡组织。组织。l含碳量较高时，马氏体硬度高、脆性大。含碳量较高时，马氏体硬度高、脆性大。l不稳定，加热易转变为其他组织。不稳定，加热易转变为其他组织。(6) (6) 马氏马氏体体 M M铁碳合金的组织结构低碳低碳(1.0%)马氏体：片状马氏体：片状 硬而脆硬而脆 铁碳合金相图v PSK: PSK: 共析线共析线 , ,又称又称A A1 1线线 + Fe + Fe3 3C C GSGS线线 转变线转变线, ,又称又称A A3 3线线。 ESES线线碳在碳在 中的溶解度线。中的溶解度线。 又称又称A Acmcm线线。碳 素 钢l工业用钢按化学成

26、分分为工业用钢按化学成分分为碳素钢碳素钢和和合金钢合金钢两大类。两大类。l碳素钢碳素钢是指含碳量低于是指含碳量低于2.11%2.11%的铁碳合金。的铁碳合金。l合金钢合金钢是指为了提高钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上的性能，在碳钢基础上有意加入有意加入一定量一定量合金元合金元素素所制在的钢。所制在的钢。 一、碳量对力学性能的影响一、碳量对力学性能的影响l亚共析钢随含碳量增加亚共析钢随含碳量增加，P P 量量增加，钢的强度、硬度升高，增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。塑性、韧性下降。l含碳含碳0.77%0.77%时，组织为时，组织为100% P, 100% P, 钢的性能即钢的性能即

27、P P的性能。的性能。l含碳量含碳量0.9%0.9%时，时，FeFe3 3C C为晶界为晶界连续网状，强度下降连续网状，强度下降, , 但硬度但硬度仍上升。仍上升。l含碳量含碳量2.11%2.11%时，组织中有以时，组织中有以FeFe3 3C C为基的为基的LeLe, ,合金太脆。合金太脆。碳 素 钢碳 素 钢二、杂质元素对钢材性能的影响二、杂质元素对钢材性能的影响1 1、MnMn: : 0.8% 0.8% 时为杂质时为杂质, , 是是有益有益元素。作用为：元素。作用为： v 强化铁素体；强化铁素体；v 消除硫的有害作用。消除硫的有害作用。2 2、SiSi： 0.5%0.5%时为杂质，是时为杂

28、质，是有益有益元素。作用为：元素。作用为： v 强化铁素体；强化铁素体； v 增加钢液流动性。增加钢液流动性。钢中的杂质一般是指钢中的杂质一般是指 MnMn、SiSi、 S S、 P P。是由原料带入。是由原料带入或脱氧残留的元素。或脱氧残留的元素。碳 素 钢3 3、S S：是是有害有害元素。元素。v 常常以以FeS形式存在。易与形式存在。易与Fe在晶在晶界上形成低熔点共晶界上形成低熔点共晶(985)，热，热加工时加工时(11501200)，由于其熔，由于其熔化而导致开裂，称化而导致开裂，称热脆热脆。v 钢中的硫应控制在钢中的硫应控制在0.045%以下。以下。v Mn可消除硫的有害作用。可消除

29、硫的有害作用。FeS + Mn Fe + MnS，MnS熔点高熔点高(1620)合金晶界的低熔点硫化物共晶合金晶界的低熔点硫化物共晶钢钢中的中的MnS夹杂夹杂碳 素 钢4 4、P P：也是也是有害有害元素。元素。v 能溶入铁素体中，使钢在常能溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称急剧下降，称冷脆冷脆。v P P一般控制在一般控制在0.045%0.045%以下以下。比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆性于脆性于1938年冬发生断裂坠入河中年冬发生断裂坠入河中 碳 素 钢 O O：有害有害元素。元素。氧在钢中以氧化物的氧

30、在钢中以氧化物的形式存在，其与基体结合力弱，不形式存在，其与基体结合力弱，不易变形，易成为疲劳裂纹源。易变形，易成为疲劳裂纹源。钢中钢中TiN夹杂夹杂钢中钢中氧化物夹杂氧化物夹杂5 5、气体元素、气体元素 N N：有害：有害元素。室温下元素。室温下N N在铁素体在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和中溶解度很低，钢中过饱和N N在常温在常温放置过程中以放置过程中以FeNFeN、FeFe4 4N N形式析出使形式析出使钢变脆钢变脆, , 称称时效脆化时效脆化。 加加TiTi、V V、AlAl等元素可使等元素可使N N固定，固定，消除时效倾向。消除时效倾向。碳 素 钢 H：有害有害元素。元素。常温下氢在

31、钢中的溶解度也很低。当氢在钢常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢中以原子态溶解时，降低韧性，引起中以原子态溶解时，降低韧性，引起氢脆氢脆。v 当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂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，称纹，其内壁为白色，称白点白点或或发裂发裂。碳 素 钢三、钢的分类三、钢的分类1 1、按化学成分分、按化学成分分 中碳钢中碳钢 0.250.6%C高碳钢高碳钢 0.6%C低碳钢低碳钢 0.25%C低合金钢低合金钢 合金元素总量合金元素总量 5%中合金钢中合金钢 合金元素总量合金元素总量 510%高合金钢高合金钢 合金元素总量合金元素

32、总量 10%碳素钢碳素钢合金钢合金钢碳 素 钢三、钢的分类三、钢的分类钢钢 类类碳碳 素素 钢钢合合 金金 钢钢P PS SP PS S普通质量钢普通质量钢0.0450.0450.0450.0450.0450.0450.0450.045优优 质质 钢钢0.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.035高级优质钢高级优质钢0.0300.0300.0300.0300.0250.0250.0250.025特级优质钢特级优质钢0.0250.0250.0200.0200.0250.0250.0150.0152、按质量分、按质量分v 钢的质量是以钢的质量是以磷磷、硫硫的含量来

33、划分的。的含量来划分的。v 分为分为普通钢普通钢、优质钢优质钢、高级优质钢高级优质钢和和特级优质钢特级优质钢。碳 素 钢三、钢的分类三、钢的分类工程用钢工程用钢 建筑、桥梁、船舶、车辆建筑、桥梁、船舶、车辆渗渗 碳碳 钢钢调调 质质 钢钢弹弹 簧簧 钢钢滚动轴承钢滚动轴承钢机器用钢机器用钢结结 构构 钢钢刃具钢刃具钢模具钢模具钢量具钢量具钢工工 具具 钢钢不锈钢不锈钢耐热钢耐热钢特殊性能钢特殊性能钢挤压模具挤压模具3 3、按用途分、按用途分碳 素 钢四、碳钢的编号和用途四、碳钢的编号和用途v Q+最低屈服强度值最低屈服强度值+质量等级符号质量等级符号+脱氧方法符号脱氧方法符号v Q表示表示“屈

34、服强度屈服强度”；屈服强度值；屈服强度值单位是单位是MPa；v 质量等级符号为质量等级符号为A、B、C、D、E。由由A到到E，其，其P、S含量依次下降，含量依次下降，质量提高。质量提高。1 1、普通碳素钢、普通碳素钢碳 素 钢n脱氧方法符号脱氧方法符号: : 沸腾钢沸腾钢 F F；半镇静钢；半镇静钢 b b；镇静钢镇静钢 Z Z；特殊镇静钢特殊镇静钢 TZTZ。n如如: Q215-A.F: Q215-A.F、Q235-B (Q235-B (镇静钢不标脱氧方法镇静钢不标脱氧方法) )n常以冷、热轧板、带、棒及型钢使用，用量约占钢材总量的常以冷、热轧板、带、棒及型钢使用，用量约占钢材总量的70%7

35、0%。n用于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。用于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。黄河小浪底枢黄河小浪底枢纽工程纽工程冷轧钢板冷轧钢板碳 素 钢齿轮加工齿轮加工方钢方钢v 牌号用牌号用两位数字两位数字表示，这两位数字表示钢平均表示，这两位数字表示钢平均含碳量的万分含碳量的万分之几之几。v 如如45钢钢平均含碳量为万分之四十五（即平均含碳量为万分之四十五（即0.45%）的优质碳）的优质碳素结构钢。素结构钢。2 2、优质碳素结构钢、优质碳素结构钢碳 素 钢钢带钢带说明说明：l 含含Mn量为量为0.71.0%时，时，在两位数字后加元素符号在两位数字后加元素符号“Mn”，如，如40Mn。l 对于沸腾

36、钢和半镇静钢对于沸腾钢和半镇静钢, 在钢号后分别加字母在钢号后分别加字母F和和b，如如08F、10b。l 高级优质钢在钢号后加高级优质钢在钢号后加字母字母A，如如20A。 碳 素 钢v T + 数字数字;v T表示表示“碳素工具钢碳素工具钢” ;v 数字数字表示平均含表示平均含碳量的千分之几碳量的千分之几;v 如如T8其平均含碳量为千分之八其平均含碳量为千分之八 (0.8%);v 共有七个牌号：共有七个牌号：T7T13;说明：碳素工具钢都是优质以上质量的。说明：碳素工具钢都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后加高级优质钢在钢号后加“A”，如，如T8A。 3 3、碳素工具钢、碳素工具钢碳素工具钢

37、带碳素工具钢带碳素工具钢材料碳素工具钢材料碳 素 钢v 由于耐热性差，只用于制造小尺寸的由于耐热性差，只用于制造小尺寸的手工工具手工工具和和低速刃具低速刃具。 v T7T9：制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、：制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、锤子等。锤子等。木工凿木工凿木工钻木工钻碳 素 钢v T10T11：制造低速切削工具，如钻头、丝锥、车刀等。制造低速切削工具，如钻头、丝锥、车刀等。v T12T13：制造耐磨工具，如锉刀、锯条等制造耐磨工具，如锉刀、锯条等。丝锥丝锥锉刀锉刀手锯条手锯条钻头钻头合 金 钢合金钢：合金钢： 为了提高钢的性能，在为了提高钢的性能，在碳钢的基

38、础上碳钢的基础上有意加入有意加入一一种或多种合金元素所制成种或多种合金元素所制成的钢。的钢。一、合金元素对钢性能的影响一、合金元素对钢性能的影响合合 金金 钢钢1 1、溶于铁素体或形成碳化物，提高钢、溶于铁素体或形成碳化物，提高钢 的的强度强度和和硬度硬度；2 2、CrCr、NiNi在适当范围内提高在适当范围内提高韧性韧性；3 3、除、除CoCo以外，合金元素可提高钢的淬以外，合金元素可提高钢的淬 透性；透性；4 4、当、当CrCr含量含量1313时，提高钢的时，提高钢的耐腐耐腐 蚀性能蚀性能；5 5、NiNi可提高钢的可提高钢的耐腐蚀性耐腐蚀性和和低温冲击低温冲击 韧性韧性。合 金 钢二、合

39、金结构钢的编号二、合金结构钢的编号v牌号用牌号用两位数字两位数字+(+(元素符号元素符号+ +数字数字)+ ()+ (元素符号元素符号+ +数字数字)+)+表示；表示；v数字数字表示钢平均表示钢平均含碳量的万分之几；含碳量的万分之几；v元素符号元素符号后面的后面的数字数字表示钢中含该合金元素的表示钢中含该合金元素的百分之几百分之几。合 金 钢三、普通低合金高强度结构钢（低合金钢）三、普通低合金高强度结构钢（低合金钢）v 成分：成分：0.2%C, P、S量及非量及非金属夹杂较多。合金元素的金属夹杂较多。合金元素的总量总量3%，主要是，主要是Mn，还有，还有少量少量V、Ti、Nb等。等。v 性能：

40、性能：可焊性、塑性好可焊性、塑性好。v 热处理：热轧后热处理：热轧后退火退火或或正火正火v 使用状态下组织：使用状态下组织：F+P合 金 钢v用途用途: 常以热轧板、带、棒及型钢常以热轧板、带、棒及型钢使用。用于使用。用于船舶、压力容船舶、压力容器、锅炉、建筑结构器、锅炉、建筑结构等，等，适合适合焊接、铆接、栓接焊接、铆接、栓接。黄河小浪底枢纽工程黄河小浪底枢纽工程合 金 钢v案例：案例：Q345Q345钢钢(16Mn(16Mn、12MnV12MnV等等) )，综，综合性能好，用于船舶、桥梁、合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。车辆等大型钢结构。Q390Q390钢（钢（15MnV15M

41、nV、16MnNb16MnNb等等) ) 含含V V、TiTi、NbNb，强度高，用于，强度高，用于中等压力的压力容器。中等压力的压力容器。南京长江大桥南京长江大桥合 金 钢四、特殊行业专用钢四、特殊行业专用钢v用于某些特殊用途的钢，如：用于某些特殊用途的钢，如： 锅炉钢、压力容器、焊接气瓶、锅炉钢、压力容器、焊接气瓶、 桥梁、低温用钢桥梁、低温用钢等等v编号方法：在钢号后面分别加注编号方法：在钢号后面分别加注g g、R R、HPHP、q q、D Dv钢号举例：钢号举例： 20g 20g、16MnR16MnR、15MnVHP15MnVHP、Q345qQ345q、15MnNiDR 15MnNiD

42、R 、16MnDR16MnDR铜陵长江公铜陵长江公路大桥路大桥合 金 钢五、渗碳钢五、渗碳钢v 制造渗碳零件，具制造渗碳零件，具有有表面硬而表面硬而耐磨；较高韧性和强度的性能。耐磨；较高韧性和强度的性能。v 低碳：含碳低碳：含碳0.10.25%v 常用材料：常用材料： 20Cr、 20CrMnTi、 18Cr2Ni4WA等等v 用途：制造齿轮、用途：制造齿轮、凸轮轴、活凸轮轴、活塞销，曲轴塞销，曲轴等等柴油机凸轮轴柴油机凸轮轴合 金 钢调质件（螺杆）调质件（螺杆）v 调质后使用的钢种，具有调质后使用的钢种，具有 良好的综合力学性能良好的综合力学性能。v 中碳：含碳中碳：含碳0.250.55%v

43、 常用材料：常用材料： 40Cr、 42CrMoA、25Cr2MoV等等v 用途：用途：制造制造齿轮、螺栓、齿轮、螺栓、曲轴、连杆、轴曲轴、连杆、轴等等六、调质钢六、调质钢合 金 钢v 制造制造弹簧弹簧或类似性能零件的或类似性能零件的钢种。钢种。v 中高碳：含碳中高碳：含碳0.450.7%v 常用材料：常用材料： 65Mn、 60Si2Mn 、50CrV 等等v 热处理：热处理：淬火淬火+中温回火中温回火 七、弹簧钢七、弹簧钢合 金 钢八、滚动轴承钢八、滚动轴承钢v用于用于制造轴承套圈和滚动体的专用钢制造轴承套圈和滚动体的专用钢v性能要求：性能要求： 高而均匀的硬度和耐磨性。高而均匀的硬度和耐

44、磨性。 高的高的 b b和接触疲劳强度。和接触疲劳强度。 足够的韧性、淬透性和耐蚀性足够的韧性、淬透性和耐蚀性. .v高碳：高碳：0.951.10v合金元素：以合金元素：以Cr为主、加入为主、加入 Mn、Siv热处理：球化退火热处理：球化退火+淬火淬火+低温回火低温回火圆柱滚子轴承圆柱滚子轴承自动调心球轴承自动调心球轴承合 金 钢八、滚动轴承钢八、滚动轴承钢v应用最广的是应用最广的是GCr15 GCr15 ，大量用于大中型轴承；，大量用于大中型轴承；v大型轴承用大型轴承用GCr15SiMnGCr15SiMn；v这类这类钢还可用于制造模具、量具等。钢还可用于制造模具、量具等。滚针轴承滚针轴承滚柱

45、轴承滚柱轴承滚珠轴承滚珠轴承大型轴承大型轴承合 金 钢九、不锈钢九、不锈钢v 在自然环境或酸、碱、盐等介质中具有在自然环境或酸、碱、盐等介质中具有耐蚀性能耐蚀性能的钢的钢v 编号方法：编号方法：数字数字+(+(元素符号元素符号+ +数字数字)+ )+ v 数字数字表示钢平均表示钢平均含碳量的千分之几含碳量的千分之几v 元素符号元素符号后面的后面的数字数字表示钢中含该合金元素的表示钢中含该合金元素的百分之几百分之几化工管化工管道的腐道的腐蚀蚀裂解管裂解管内壁的内壁的高温腐高温腐蚀减薄蚀减薄合 金 钢a. 马氏体不锈钢马氏体不锈钢v 主要主要是是Cr13型不锈钢型不锈钢 钢号为钢号为1Cr134C

46、r13v 随含碳量提高，强度、硬度随含碳量提高，强度、硬度提高，耐蚀性下降提高，耐蚀性下降.不锈钢棒不锈钢棒合 金 钢1Cr13、2Cr13v 热处理：热处理：淬火淬火+高温回火高温回火v 具有耐大气、蒸汽腐蚀能具有耐大气、蒸汽腐蚀能力及良好的综合力学性能力及良好的综合力学性能用于要求塑韧性较高的耐用于要求塑韧性较高的耐蚀件，如蚀件，如汽轮机叶片汽轮机叶片等等汽轮机叶片汽轮机叶片透平转轮透平转轮合 金 钢3Cr13、4Cr13v 热处理：热处理：淬火淬火+低温回火低温回火v 具有较高的强度、硬度具有较高的强度、硬度v 用于要求耐磨的耐蚀件，用于要求耐磨的耐蚀件， 如如医疗器械、量具、刀具医疗器

47、械、量具、刀具等等医疗器械医疗器械不锈钢刀不锈钢刀合 金 钢1Cr17削片刀削片刀b. 铁素体不锈钢铁素体不锈钢v 典型钢号典型钢号如如0Cr13、1Cr17等等 成分：高铬低碳成分：高铬低碳 无无 相变，不能进行热相变，不能进行热处理强化处理强化。 组织：单相铁素体组织：单相铁素体 性能特点：耐酸蚀，抗氧性能特点：耐酸蚀，抗氧化能力强，塑性好。化能力强，塑性好。 用途用途v 广泛用于硝酸和氮肥工业广泛用于硝酸和氮肥工业的耐蚀件。的耐蚀件。硝酸生产装置硝酸生产装置铁素体不锈铁素体不锈钢制品钢制品b. b. 铁素体不锈钢铁素体不锈钢合合 金金 钢钢c.c. 奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢v 主要是主要

48、是18-8（18Cr-8Ni）型不锈钢。型不锈钢。 性能特点：具有良好的耐蚀，性能特点：具有良好的耐蚀， 冷热加工性及可焊性，高的塑韧性冷热加工性及可焊性，高的塑韧性, ,无磁性。无磁性。 热处理：采用热处理：采用固溶处理固溶处理。即加。即加热到热到1100使碳化物溶解后水冷。使碳化物溶解后水冷。v 组织为组织为单相奥氏体单相奥氏体。 不锈钢带不锈钢带合合 金金 钢钢c. c. 奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢 常用钢种常用钢种v 为为1Cr18Ni91Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Tiv 广泛用于化工设备及管道。广泛用于化工设备及管道。反应釜反应釜 (316L)(316L)00

49、Cr17Ni14Mo200Cr17Ni14Mo2大型化工储罐大型化工储罐 (304)0Cr18Ni9热交换器热交换器 (316L)(316L)00Cr17Ni14Mo200Cr17Ni14Mo2合合 金金 钢钢性能要求：性能要求：v高的抗氧化性高的抗氧化性v高的热强性高的热强性 十、耐热钢十、耐热钢气轮机叶片气轮机叶片合合 金金 钢钢v 抗氧化钢：抗氧化钢： 如：如：CrAl4SiCrAl4Si、Cr18Ni25Si2Cr18Ni25Si2v 热强性：热强性： 如：如：15CrMo、1Cr13 、 1Cr11MoV十、耐热钢十、耐热钢合合 金金 钢钢飞机发动机飞机发动机烟管式锅炉烟管式锅炉铸

50、铁l 铸铁是含碳量大于铸铁是含碳量大于2.11%2.11%并含有较并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。基合金。l 铸铁具有许多优良的性能及生产简铸铁具有许多优良的性能及生产简便、成本低廉等优点，因而是应用便、成本低廉等优点，因而是应用最广泛的材料之一。最广泛的材料之一。 l工业上使用的铸铁主要是工业上使用的铸铁主要是灰口铸铁灰口铸铁。l组织特点组织特点: :钢的基体钢的基体+G+G（石墨）石墨）F+GF+P+GP+G铸铸 铁铁 力学性能力学性能: :l强度、塑性韧性比钢低强度、塑性韧性比钢低石墨的强度、塑性、韧性极低。石墨的强度、塑性、韧性极低。l 耐磨

51、性好耐磨性好 石墨有利于润滑、储油。石墨有利于润滑、储油。l缺口敏感性低缺口敏感性低 表面粗糙对疲劳极限的影响不明显。表面粗糙对疲劳极限的影响不明显。l消震性好（是钢的十倍）消震性好（是钢的十倍） 石墨组织松软。石墨组织松软。l铸造性好铸造性好 接近共晶成分、熔点低、流动性好、凝固收接近共晶成分、熔点低、流动性好、凝固收缩小。缩小。l切削加工性好切削加工性好 石墨使切屑易断，还可润滑刀具石墨使切屑易断，还可润滑刀具。 其他性能其他性能: 铸铸 铁铁铸铸 铁铁例如，机床床身、内燃机例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都可环及轴瓦、曲轴等都可用铸铁制造用铸

52、铁制造. .内燃机汽缸内燃机汽缸铸铁曲轴铸铁曲轴铸铸 铁铁一、灰铸铁一、灰铸铁v 石墨形态：石墨形态：片状片状v 编号方法：编号方法：HT + HT + 一组数字一组数字 数字表示最低抗拉强度值，单位数字表示最低抗拉强度值，单位MPaMPav 牌号实例：牌号实例：HT100、HT150、HT200v 灰铸铁的组织是由液态铁水缓慢冷却时通灰铸铁的组织是由液态铁水缓慢冷却时通过石墨化过程形成的。过石墨化过程形成的。灰灰 铸铸铁铁 的的显显 微微组组 织织 铁素体灰铸铁铁素体灰铸铁珠光体灰铸铁珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁石墨片的三维形貌石墨片的三维形貌铸铸 铁铁 用途：用途：

53、l 制造制造承受压力和震动的零件承受压力和震动的零件, ,如如机床床身、各种箱体、壳机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体体、泵体、缸体。大型船用柴油机汽缸体大型船用柴油机汽缸体(HT300)重型机床床身重型机床床身(HT250)变速箱体变速箱体铸铸 铁铁铸铸 铁铁二、球墨铸铁二、球墨铸铁v 石墨形态：石墨形态：球状球状v 编号方法：编号方法：QTQT数字数字11数字数字2 2 数字数字1 1表示最低抗拉强度值，单位表示最低抗拉强度值，单位MPaMPa 数字数字2 2表示最低延伸率，单位表示最低延伸率，单位v 牌号实例：牌号实例：QT400-15、QT600-3、 QT700-2v 球墨铸铁的组

54、织是由液态铁水经石墨化和球墨铸铁的组织是由液态铁水经石墨化和球墨化处理得到。球墨化处理得到。球化剂球化剂稀土镁稀土镁铸铸 铁铁球墨铸铁的显微组织球墨铸铁的显微组织 铁素体加珠光体球墨铸铁素体加珠光体球墨铸铁铁 铁素体球墨铸铁铁素体球墨铸铁 珠光体球墨铸铁珠光体球墨铸铁 铸铸 铁铁球墨铸铁的性能：球墨铸铁的性能： 强度是碳钢的强度是碳钢的7090%。强度、塑韧性明显优。强度、塑韧性明显优于灰铸铁。（球状石墨对基体的割裂作用小）于灰铸铁。（球状石墨对基体的割裂作用小）用途：用途：承受震动、载荷大的零件，承受震动、载荷大的零件，如如曲轴、传动齿轮曲轴、传动齿轮等。等。核燃料贮存运输核燃料贮存运输容器

55、容器(QT350-22)铸铁曲轴铸铁曲轴QT700-2有色金属及合金有色金属及合金l在工业生产中，通常把在工业生产中，通常把铁及其合金铁及其合金称为称为黑色金属黑色金属，把其他把其他非铁金属及其合金非铁金属及其合金称为称为有色金属有色金属。l有色金属的产量和用量不如黑色金属多，但由于其有色金属的产量和用量不如黑色金属多，但由于其具有许多优良的特性，如具有许多优良的特性，如特殊的电、磁、热性能特殊的电、磁、热性能，耐蚀性能耐蚀性能及及高的比强度高的比强度(强度与密度之比强度与密度之比)等，已成等，已成为现代工业中不可缺少的金属材料。为现代工业中不可缺少的金属材料。钛钛及其合金及其合金锌锌及其合金

56、及其合金轴轴承合金承合金镁镁及其合金及其合金铝铝及其合金及其合金铜铜及其合金及其合金有色金有色金属属及其合金及其合金有色金属及合金有色金属及合金有色金属及合金有色金属及合金 一、铜及铜合金一、铜及铜合金铜及铜合金的特点铜及铜合金的特点优良的物理、化学性能。优良的物理、化学性能。导电、导热性能好、耐腐导电、导热性能好、耐腐蚀等，是抗磁材料。蚀等，是抗磁材料。加工性能好。加工性能好。容易冷热成形，铸造铜合金铸造性能好。容易冷热成形，铸造铜合金铸造性能好。具有某些特殊力学性能。具有某些特殊力学性能。比如优良的减摩性和耐磨性比如优良的减摩性和耐磨性高的弹性极限和疲劳强度。高的弹性极限和疲劳强度。色泽美

57、观。色泽美观。纯铜纯铜纯铜为纯铜为紫色，又称紫铜。主要用于制作紫色，又称紫铜。主要用于制作电导体及配制合金。工业纯铜分为电导体及配制合金。工业纯铜分为4种：种：T1、T2、T3、T4。编号越大，纯度越低。编号越大，纯度越低。纯铜的强度低，不宜用作结构材料纯铜的强度低，不宜用作结构材料有色金属及合金有色金属及合金铜合金铜合金铜中加入合金元素后，可提高合金的强度，铜中加入合金元素后，可提高合金的强度，并保持良好的加工性能。并保持良好的加工性能。黄铜黄铜以以ZnZn为主要合金元素。良好的加工性能，为主要合金元素。良好的加工性能，优良的铸造性能，耐腐蚀性能也好。优良的铸造性能，耐腐蚀性能也好。有色金属

58、及合金有色金属及合金青铜青铜除黄铜、白铜外除黄铜、白铜外，其余的铜合金统称为青铜。，其余的铜合金统称为青铜。用于铸造形状复杂的零件。抗腐蚀性比黄铜用于铸造形状复杂的零件。抗腐蚀性比黄铜还好。还好。白铜白铜以以NiNi为主要合金元素。具有较好的强度和为主要合金元素。具有较好的强度和塑性，能进行冷加工变形，抗腐蚀性能也好。塑性，能进行冷加工变形，抗腐蚀性能也好。铜铜合金的种类合金的种类实实 例例黄铜黄铜H80H80含含CuCu量量8080其余为其余为ZnZn，塑性好，可在室，塑性好，可在室 温冲压成形做容器零件。温冲压成形做容器零件。有色金属及合金有色金属及合金黄铜黄铜H62H62含含CuCu量量6262其余为其余为ZnZn，强度较