工程材料第6、7章

1、图标XIAN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY工 程 材 料06 - 工业用钢敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢 工业用钢分为工业用钢分为碳素钢和合金钢碳素钢和合金钢 合金钢：合金钢：是指为了提高钢的性能，在碳素钢的的基是指为了提高钢的性能，在碳素钢的的基础上有意加入一定的合金元素所获得的铁基合金础上有意加入一定的合金元素所获得的铁基合金 合金元素的作用：合金元素的作用：1）与）与Fe相互作用相互作用2）与）与C相互作用相互作用3）对相图的影响）对相图的影响 合金元素在钢中有五种存在形式。合金元素在钢中有五种存在形式。敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用

2、钢1. 1.按化学成分分类按化学成分分类a碳素钢碳素钢b合金钢合金钢n低碳钢低碳钢 Wc0.25n中碳钢中碳钢 Wc0.250.60n高碳钢高碳钢 Wc 0.60n低合金钢低合金钢 Wme 5%n中合金钢中合金钢 Wme510n高合金钢高合金钢 Wme10 另外，根据钢中所含主要合金种类不同，也可分为锰钢、铬钢、铬钼钢、另外，根据钢中所含主要合金种类不同，也可分为锰钢、铬钢、铬钼钢、铬锰钛钢等。铬锰钛钢等。 敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢1. 1.按化学成分分类按化学成分分类a碳素钢碳素钢b合金钢合金钢n低碳钢低碳钢 Wc0.25n中碳钢中碳钢 Wc0.250.60n高碳钢高

3、碳钢 Wc 0.60n低合金钢低合金钢 Wme 5%n中合金钢中合金钢 Wme510n高合金钢高合金钢 Wme10 另外，根据钢中所含主要合金种类不同，也可分为锰钢、铬钢、铬钼钢、另外，根据钢中所含主要合金种类不同，也可分为锰钢、铬钢、铬钼钢、铬锰钛钢等。铬锰钛钢等。 敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢1. 1.按化学成分分类按化学成分分类a碳素钢碳素钢b合金钢合金钢n低碳钢低碳钢 Wc0.25n中碳钢中碳钢 Wc0.250.60n高碳钢高碳钢 Wc 0.60n低合金钢低合金钢 Wme 5%n中合金钢中合金钢 Wme510n高合金钢高合金钢 Wme10 另外，根据钢中所含主要合金

4、种类不同，也可分为锰钢、铬钢、铬钼钢、另外，根据钢中所含主要合金种类不同，也可分为锰钢、铬钢、铬钼钢、铬锰钛钢等。铬锰钛钢等。 敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢1. 1.按化学成分分类按化学成分分类a碳素钢碳素钢b合金钢合金钢n低碳钢低碳钢 Wc0.25n中碳钢中碳钢 Wc0.250.60n高碳钢高碳钢 Wc 0.60n低合金钢低合金钢 Wme 5%n中合金钢中合金钢 Wme510n高合金钢高合金钢 Wme10 另外，根据钢中所含主要合金种类不同，也可分为锰钢、铬钢、铬钼钢、另外，根据钢中所含主要合金种类不同，也可分为锰钢、铬钢、铬钼钢、铬锰钛钢等。铬锰钛钢等。 敦 德 励 学

5、 知 行 相 长6工业用钢工业用钢a室温组织室温组织b正火组织正火组织n亚共析钢亚共析钢n共析钢共析钢n过共析钢过共析钢n莱氏体钢莱氏体钢n珠光体钢珠光体钢n贝氏体钢贝氏体钢n马氏体钢马氏体钢2. 2. 按金相组织分类按金相组织分类3. 3. 按脱氧方法分类按脱氧方法分类n沸腾钢沸腾钢n镇静钢镇静钢n半镇静钢半镇静钢敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢4. 4.按用途分类按用途分类1结构钢结构钢2工具钢工具钢3特殊性能钢特殊性能钢n工程结构用钢工程结构用钢n机器零件用钢机器零件用钢n刃具钢刃具钢n模具钢模具钢n量具钢量具钢n不锈钢不锈钢n耐热钢耐热钢n耐磨钢耐磨钢目前世界钢桥项目中

6、外观最美且难度最大的美国加州新海湾钢桥，钢结构总重1.5万吨。耗资2.5亿。 1887年动工的埃菲尔铁塔总重7000吨，造价740万法郎。 敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢1.1.普通碳素结构钢和低合金高强度结构钢普通碳素结构钢和低合金高强度结构钢 Q 235 A FQ 235 A F屈服点屈服点数值沸腾钢 这两类钢采用表示屈服点的拼音首位字母这两类钢采用表示屈服点的拼音首位字母“Q Q”+ +屈服点数值屈服点数值（MPaMPa）+ +脱氧方法等符号来表示脱氧方法等符号来表示 例如，碳素钢结构钢牌号例如，碳素钢结构钢牌号Q235AFQ235AF、Q235BZQ235BZ 低合金

7、高强度结构钢牌号低合金高强度结构钢牌号Q345CQ345C、Q345DQ345D 其中字母其中字母AEAE表示质量等级，表示质量等级，S S、P P含量越低，质量等级越高；含量越低，质量等级越高；F F表示沸腾钢，表示沸腾钢，b b表示半沸腾钢，表示半沸腾钢，Z Z表示镇定钢，表示镇定钢，TZTZ表示特殊镇定钢。表示特殊镇定钢。 前者常见强度在前者常见强度在275275以下，后者在以下，后者在345345以上。以上。敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢2.2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢 牌号用钢中平均含碳量的两位数字表示，单位为万分之一。牌号用钢中平均含碳量的两位数字表示，单位为

8、万分之一。 例如：例如：20、30、45、60等。等。对于对于Mn含量高的钢，须将含量高的钢，须将Mn元素标出。元素标出。 例如：例如：25Mn、65Mn。 沸腾钢、半镇静钢以及专门用途的优质碳素结构钢，应在牌号后特沸腾钢、半镇静钢以及专门用途的优质碳素结构钢，应在牌号后特别标出。别标出。 例如：例如：20g表示平均碳含量为表示平均碳含量为0.02%的锅炉钢。的锅炉钢。 敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢3 3 碳素工具钢碳素工具钢在牌号前加在牌号前加“T”开头，后面跟钢的平均含碳量的千分之几开头，后面跟钢的平均含碳量的千分之几的数字。的数字。例如：例如：T10、T12。Mn含量

9、高的要在末尾标出。含量高的要在末尾标出。例如：例如：T8Mn 高级优质碳素工具钢在牌号后面加高级优质碳素工具钢在牌号后面加“A”。例如：例如：T10A敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢4 4 合金结构钢合金结构钢 合金牌号由合金牌号由“数字合金元素符号数字数字合金元素符号数字”组成。前两位数字表组成。前两位数字表示含碳量的万分之几，合金元素后面的数字表示该元素的近似含量，单位示含碳量的万分之几，合金元素后面的数字表示该元素的近似含量，单位是百分之几。是百分之几。 合金元素含量小于合金元素含量小于1.5时不标数字，当合金元素含量大于等于时不标数字，当合金元素含量大于等于1.5%、2

10、.5%、3.5%时，在元素符号后面相应的标时，在元素符号后面相应的标1、2、3，以此类推。，以此类推。例如：例如：20CrMnTi、30Mn2Si 、27SiMn 等。等。 敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢5 5 合金工具钢合金工具钢 合金工具钢的表示方法与合金结构钢大体相同，不同的在于碳合金工具钢的表示方法与合金结构钢大体相同，不同的在于碳含量的表示方法不同。含量的表示方法不同。 高速钢的钢号，一般不标出含碳量，仅标出合金元素的含量，高速钢的钢号，一般不标出含碳量，仅标出合金元素的含量， 例如：例如：W6Mo5Cr4V2 表示表示W6、Mo5、Cr4、V2。 当平均含碳量分数

11、大于或等于当平均含碳量分数大于或等于1.0时，不标含碳量；小于时，不标含碳量；小于1.0 时，则在牌号前以千分之几表示。时，则在牌号前以千分之几表示。 例如：例如：9Mn2V的含碳量为的含碳量为0.850.95。 CrMn的含碳量为的含碳量为1.31.5。 合金元素的标注于结构钢相同，只有平均铬含量合金元素的标注于结构钢相同，只有平均铬含量1.0%时，才以时，才以含铬量的千分之几表示含铬量的千分之几表示,并加并加0以示区分。以示区分。 例如：例如：Cr06敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢该类钢由该类钢由GCr数字组成，数字表示含铬量的千分之几。数字组成，数字表示含铬量的千分之几

12、。 例如：例如：GCr15表示含铬为表示含铬为1.5的滚动轴承钢。的滚动轴承钢。 6 6 铬铬滚动轴承钢滚动轴承钢敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢1.1.普通碳素结构钢普通碳素结构钢 含碳量0.060.38，含有较多的有害杂质元素P、S和非金属夹杂物。 一般以热轧空冷状态供应，组织为铁素体+珠光体。 塑性高、可焊性好，用量约占钢材总量的70%。 典型钢种有Q195、Q275等。 敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢2.2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢 碳含量为0.05%0.85%，分为低碳，中碳和高碳 低碳优质碳素结构钢：塑性韧性好 高碳优质碳素结构钢：强度硬度高

13、中碳优质碳素结构钢性能介于两者之间曲轴螺栓敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢3.3.低合金高强度钢低合金高强度钢 碳含量小于0.20，合金元素小于3 合金元素Mn、Si产生固溶强化，辅加元素为Nb、Ti、V来细化晶粒。 组织形态一般为铁素体+珠光体。 采用16Mn建造的南京长江大桥鸟巢用钢为国内从未生产过的Q460厚度达110毫米，用量4万吨。造价2267亿元，是世界奥运会史最奢侈的体育馆。 敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢4.4.渗碳钢渗碳钢 表硬里韧；具有良好的热处理工艺性能。性能要求：性能要求： 最终热处理为淬火低温回火。 组织心部为低碳回火M+铁素体 表面

14、为高碳回火M合金渗碳体少量残余A敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢20钢、20Cr、20MnV。强度在8001000MPa，用于受力不大、要求耐磨并承受冲击的小型零件。如齿轮、小轴、活塞销等。低淬透性渗碳钢低淬透性渗碳钢中淬透性渗碳钢中淬透性渗碳钢高淬透性渗碳钢高淬透性渗碳钢20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W，强度在1200MPa以上，且具有良好的韧性。用于制造承受重载与强烈磨损的极为重要的大型零件，如飞机发动机及坦克齿轮、矿山机械齿轮等。 20CrMnTi、20CrMnMo、12CrNi3A是使用最广泛的三种渗碳钢。强度在10001200MPa，用于制造尺寸较大、承受中等载荷

15、、重要的耐磨零件，如汽车齿轮，曲轴。敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢5.5.调质钢调质钢 具有良好的综合力学性能；具有良好的淬透性。 性能要求：性能要求： 最终热处理为淬火+高温回火， 室温组织一般为回火索氏体敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢40Cr最典型，还有为了节省Cr而发展的40MnB、40MnVB。强度在9001000MPa左右（45碳素调质钢为600MPa）。广泛用于一般的轴杆类零件。低淬透性调质钢低淬透性调质钢中淬透性调质钢中淬透性调质钢高淬透性钢高淬透性钢b35CrMo、40CrNi、30CrMnSi。强度1000MPa左右，用于制造界面较大的零件

16、，如曲轴、连杆等。c40CrNiMo、40CrMnMo。Cr、Ni的适量配合，可大大提高淬透性。制造高强度的主轴、叶轮、飞机发动机轴等。 敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢6 6 弹簧钢弹簧钢具有较高的弹性极限；较高的疲劳极限及足够的韧性和塑性。 性能要求：性能要求： 碳素弹簧钢含碳量一般为碳素弹簧钢含碳量一般为0.60.60.90.9 合金弹簧钢的含碳量为合金弹簧钢的含碳量为0.450.450.70.7 通过通过 Si Si、MnMn来提高弹性极限来提高弹性极限敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢7 7 滚动轴承钢滚动轴承钢 要求材料要具有高的接触疲劳强度，高硬度、

17、高耐磨性，以及良好的耐蚀性。 碳含量为0.951.10，以保证高硬度、高耐磨性和高强度。 主加元素Cr提高淬透性 最终热处理采用淬火低温回火。 室温组织：回火M细小均匀分布的碳化物少量的残余A。 敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢7.7.碳素工具钢碳素工具钢 含碳量0.651.35，保证高硬度和高耐磨性。 用球化退火预处理，降低硬度，改善切削性。 最终热处理：淬火低温回火。 最终组织：回火回火M粒状渗碳体少量残余粒状渗碳体少量残余A，硬度可达6065HRC。 特点特点：锻造及切削性好，价格最便宜，在手动工具和机用低速工具上得到广泛应用。但淬透性低，水淬时容易淬裂、变形。红硬性差，

18、只能在200以下使用。 凿岩工具敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢8.8.低合金工具钢低合金工具钢 预备热处理：球化退火。最终热处理：淬火低温回火组织：回火M未溶碳化物残余A。 低合金工具钢广泛应用于制造各种形状复杂，要求变形小的低速切削工具。板牙丝锥敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢高速钢常在550左右进行三次回火。一是为了稳定组织、产生二次硬化。二是为了充分消除残余A。最后组织为回火M少量碳化物未溶碳化物。 3 高速工具钢高速工具钢主要用于制造各种高速切削刃具敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢要具备高的硬度及耐磨性；高的强度与足够的韧性；良好的工艺

19、性能。冷作模具钢冷作模具钢 含碳量为1.32.3，以便形成足够的碳化物来保证高的耐磨性。主加元素为Cr，含量11%13，用来提高淬透性。附加元素有W、Mo、V等，主要是和Cr一起形成高硬度的合金渗碳体，提高耐磨性，同时细化晶粒。 性能要求：性能要求：敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢热作模具钢热作模具钢 热作模具钢最终热处理是采用淬火高温回火热作模具钢最终热处理是采用淬火高温回火， 室温组织：回火索氏体组织室温组织：回火索氏体组织含碳量为0.30.6，以保证足够的强度和韧性。良好的热疲劳性能；良好的淬透性；良好的抗氧化性能； 良好的导热性与切削加工性能。性能要求：性能要求：图标X

20、IAN TECHNOLOGICAL UNIVERSITY工 程 材 料07 铸铁敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢定义：在铁碳相图中，含碳量大于在铁碳相图中，含碳量大于2.112.11的合金称为铸铁的合金称为铸铁。铸铁的性能特点铸铁的性能特点： 1）抗拉强度低，塑性韧性差，抗压强度高 2）耐磨性、减震性好，缺口敏感度低 3）铸造性能优良，切削加工性好，压力加工及焊接性能差铸铁中的五大元素铸铁中的五大元素：碳C 硅Si 锰Mn 硫S 磷P敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢碳的三种存在形式碳的三种存在形式敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢按照碳在铸铁中的存

21、在形式铸铁可分为：按照碳在铸铁中的存在形式铸铁可分为：1）灰铸铁；2）白口铸铁；3）麻口铸铁敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢1500150014001400130013001200120011001100100010009009008008007007006006001 12 23 34 45 56 615381538 12271227 AH 0.09JBNECFDKSP 0.0218LL+L+FeFe3 3C C+Fe+Fe3 3C C+Fe3C0.532.114.31148 727 0.77FeFe3Cw（C）%+ + +G 912 QE2.08S0.68738 1154

22、C 4.26DFK+G+G+G敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢 第一阶段石墨化：第一阶段石墨化：液相及共晶反应阶段发生的石墨化，包括从过共晶的铁液中直接析出初生石墨、一次渗碳体及在共晶转变过程中形成的共晶石墨； 第二阶段石墨化：第二阶段石墨化：共晶与共析温度之间的石墨化，指共析转变过程中形成的共析石墨。从奥氏体中析出的二次石墨。 第三阶段石墨化充分进行时，组织为铁素体铁素体+石墨石墨； 第三阶段石墨化部分进行时，组织为铁素体铁素体珠光体珠光体+石墨； 第三阶段石墨化不能进行时，组织为珠光体珠光体+ +石墨石墨。 第三阶段石墨化：在共析线第三阶段石墨化：在共析线及以下发生的石墨化

23、，共析转变生成的共析石墨。敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢F片状石墨F+P片状石墨P片状石墨钢基体钢基体铁素体FP珠光体敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢铸铁的牌号铸铁的牌号灰铸铁灰铸铁：“HT+数字” HT表示灰铸铁，数字表示铸铁的最低抗拉强度（MPa） 例如：HT100 HT350球墨铸铁球墨铸铁：“QT+数字数字” QT表示球墨铸铁，前面的数字表示最低抗拉强度（MPa），后面的数字表示最低断后伸长率，单位为百分之几 例如：QT400-15 QT700-2敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢 价格便宜

24、，应用广泛，主要用于各种箱体、泵体、缸体的制造。价格便宜，应用广泛，主要用于各种箱体、泵体、缸体的制造。 塑性、韧性几乎为零，属于塑性、韧性几乎为零，属于脆性材料，但抗压强度高脆性材料，但抗压强度高。 铸铁中，石墨片数量越多，越粗大，分布越不均匀，灰口铸铁的力学性铸铁中，石墨片数量越多，越粗大，分布越不均匀，灰口铸铁的力学性能越差。能越差。工艺性能工艺性能n焊接性能很差；焊接性能很差；n不能用于锻造；不能用于锻造；n切削性能好；切削性能好；n铸造性能极好：流动性好，收缩率小。铸造性能极好：流动性好，收缩率小。由于，碳结晶成石墨时体积膨胀，抵消了部分收缩灰铸铁灰铸铁敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢n减振性好减振性好：石墨本身松软能吸收：石墨本身松软能吸收振动能。振动能。n耐磨性好耐磨性好：石墨本身就是良好的：石墨本身就是良好的固体润滑剂，又可储存润滑油。固体润滑剂，又可储存润滑油。其它性能其它性能敦 德 励 学 知 行 相 长6工业用钢工业用钢可锻铸铁可锻铸铁 将将铸造出白口铸铁铸件，进行高温、长时间退火，使铸造出白口铸铁铸件，进行高温、长时间退火，使FeFe3 3C C分解分解成成FeFe和和C C原子，原子，C C