《工程材料及成形技术基础》课件 第5章 钢及其用途

工程材料及成形技术主讲人：Email:电话：本章学习要求第4章工业用钢掌握工业用钢的常用分类；了解合金元素及杂质在钢中的作用；熟悉一些常用钢材的牌号、用途及性能，能正确的选用各类钢材。第4章工业用钢概述钢：以Fe为主元素，0.0218%＜C％＜2.11%，并含有其它元素的材料。按化学成分分为碳素钢和合金钢两类：碳素钢：含碳量低于2.11%的铁碳合金；合金钢：在碳素钢的基础上加入了一定量的合金元素所获得的铁基合金。第4章工业用钢一、钢的分类概述1.常见的我国习惯分类按品质（P、S的含量）：普通钢、优质钢、高级优质钢；按用途：建筑及工程用钢、机械制造用钢、工具钢、特殊性能用钢、专业用钢等；按含碳量：低碳钢、中碳钢（0.25%-0.6%）、高碳钢；按合金元素种类：锰钢、铬钢、硼钢、硅锰钢、铬镍钢等；合金钢按合金元素含量：低合金钢、中合金钢（5%-10%）、高合金钢。第4章工业用钢概述2.现行钢的分类方法非合金钢工业纯铁(<0.04%C)低碳钢(<0.25%C)中碳钢(0.25%-0.6%C)高碳钢(>0.6%C)低合金钢合金元素总量<5%中合金钢合金元素总量5~10%高合金钢合金元素总量>10%合金钢注：“非合金钢”=“碳素钢”或“碳钢”按化学成分分类第4章工业用钢概述2.现行钢的分类方法普通质量钢普通质量碳素钢普通质量低合金钢优质碳素钢优质低合金钢优质合金钢优质钢按主要质量等级分类特殊质量碳素钢特殊质量低合金钢特殊质量合金钢特殊质量钢第4章工业用钢概述2.现行钢的分类方法碳素钢碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢按主要性能及使用特性分类合金结构钢合金工具钢特殊性能钢合金钢低合金结构钢渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢刃具钢模具钢量具钢不锈钢耐热钢耐磨钢其它第4章工业用钢概述1.钢中的杂质及其作用通常杂质有：Si、Mn、S、P、非金属夹杂物、某些气体；有益元素：Si、Mn；有害元素及杂质：S、P、非金属夹杂物、某些气体。二、常存杂质和合金元素在钢中的作用第4章工业用钢二、常存杂质和合金元素在钢中的作用概述1)硅(Si)影响与钢液中FeO生成炉渣，提高钢质量；溶于F中，固溶强化。2)锰(Mn)影响脱氧，FeO还原Fe与S作用→MnS，降低热脆性提高强度、硬度有益元素第4章工业用钢概述3)硫(S)影响形成FeS，分布晶界处，在1100-1200℃，压力加工时，产生脆裂——“热脆”。在易切削钢中，形成MnS易于断屑，方便切削（此时有利）。4)磷(P)影响P溶于F中，固溶强化——强度、硬度↑↑，塑性、韧性↓↓，在低温下引起脆断——“冷脆”。有害元素二、常存杂质和合金元素在钢中的作用第4章工业用钢概述5)非金属夹杂物影响塑性、韧性、疲劳强度、冲击韧性↓↓，热加工及热处理时易产生裂纹，使用时易脆断。6)气体影响N、O：↓韧性、疲劳极限；H：氢脆（微裂纹、也叫白点）。有害杂质二、常存杂质和合金元素在钢中的作用第4章工业用钢概述2.合金元素在钢中的作用(1)合金元素与C的作用1)形成碳化物合金元素强碳化物形成元素:Zr、Ti、Nb、V等（VC、TiC等特殊碳化物）；中强碳化物形成元素:W、Mo、Cr等形成合金渗碳体（(Fe,W)3C、(Fe,Cr)3C）；弱碳化物形成元素:Mn、Fe等合金渗碳体或渗碳体。合金碳化物的种类、性能和在钢中的分布状态会直接影响到钢的性能及热处理时的相变。2)非碳化物合金元素（Ni、Si、Al、Co、Cu）。溶入F→固溶体或第二相。二、常存杂质和合金元素在钢中的作用第4章工业用钢概述(2)合金元素与Fe的作用合金元素溶入到F中形成合金铁素体，产生固溶强化。二、常存杂质和合金元素在钢中的作用第4章工业用钢概述(3)合金元素对Fe-Fe3C的影响1）对A相区的影响①Mn、Ni、Co等与γ-Fe形成无限固溶体，是扩大A相区的元素，使A1、A3点下降；当Mn13%或Ni9%时，S点降到0℃以下，室温下为单相A组织，称奥氏体钢。②Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等是缩小A相区的元素，使A1、A3点上升。当Cr13%时，奥氏体相区消失，室温下为单相铁素体组织，称铁素体钢。二、常存杂质和合金元素在钢中的作用第4章工业用钢概述(3)合金元素对Fe-Fe3C的影响2）对E点和S点位置的影响所有合金元素均使E点和S点左移。S点左移，意味着共析点（S）碳含量的降低，如40Cr13会变成过共析钢；E点左移，意味着得到Ld的碳含量降低，钢中出现莱氏体，如W18Cr4V在铸态组织中出现莱氏体，也称莱氏体钢。二、常存杂质和合金元素在钢中的作用第4章工业用钢概述(4)合金元素对钢热处理工艺的影响1）对钢加热时A化的影响①A化→C的扩散，碳化物的形成元素↓C的扩散速度；↓A的形成速度，↑A化的温度；②碳、氮化物形成元素阻碍A晶粒长大，Mn、P等促进A晶粒长大。一般来说，合金钢在相同的A化条件下获得的晶粒比碳素钢细小二、常存杂质和合金元素在钢中的作用第4章工业用钢概述(4)合金元素对钢热处理工艺的影响2）对过冷奥氏体转变的影响①对C曲线和淬透性的影响：除Co、S外，凡溶入奥氏体的合金元素均使C曲线右移，降低临界冷却速度，提高淬透性。常用提高淬透性的元素为Mn、Mo、Cr、Ni、Si、B。②对M转变的影响：除Co、Al外，几乎所有元素都使Ms、Mf点下降。二、常存杂质和合金元素在钢中的作用第4章工业用钢概述(4)合金元素对钢热处理工艺的影响3）对淬火钢回火转变的影响①提高回火稳定性（耐回火性）淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称回火稳定性。合金元素能阻碍马氏体分解及碳化物的析出与聚集。当回火硬度相同时，合金钢比同含碳量碳钢回火温度高。如果同温度回火，合金钢硬度比碳钢高。二、常存杂质和合金元素在钢中的作用第4章工业用钢概述(4)合金元素对钢热处理工艺的影响3）对淬火钢回火转变的影响②产生二次硬化含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A’转变为M回，使硬度不仅不下降，反而升高的现象称二次硬化。③防止第二类回火脆性加Mo、W等可防止第二类回火脆性。中小工件：高温回火+快冷。二、常存杂质和合金元素在钢中的作用第4章工业用钢工程结构用钢包括碳素结构钢、低合金钢和合金钢；大多数需要焊接或变形加工，故含碳量低，一般不进行热处理；多是在热轧态或热轧正火态下使用；使用形态多为管材、棒材、板材、型材、带材等。第4章工业用钢2、低合金结构钢工程结构用钢用于建筑及其他工程结构的铁碳合金，冶炼简单，价格低廉，但必须保证力学性能，一般不进行热处理。表示法Q＋屈服点数值（屈服强度下限）＋质量等级代号（A、B、C、D）（A、B为普通级，C、D为优质级）+脱氧方法符号（沸腾钢-F；镇静钢-Z；半镇静钢-b；特殊镇静钢-TZ）。共五个牌号：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275用途用于制作螺钉、螺栓、螺母、角钢、垫圈、焊接钢管等。第4章工业用钢1、碳素结构钢（wt.%C:0.06%-0.38%）工程结构用钢低合金高强度结构钢（wt.%C≤0.2%）表示法Ｑ＋屈服点数值＋质量等级代号（Ａ/Ｂ/Ｃ/Ｄ/Ｅ）共8个牌号：Q295（已取消）、Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690用途房屋构架、桥梁、船舶、车辆、铁道、高压容器、石油天然气管线等。碳素结构钢+Mn、Si等（<5%）。通常在热轧、正火状态下使用，产品同时保证力学性能和化学成份。第4章工业用钢机械结构用钢是指适用于制造机器和机械零件或构件的钢。这类钢均属于优质的、特殊质量的结构钢，一般经热处理后使用。包括优质碳素结构钢、合金结构钢。第4章工业用钢1、优质碳素结构钢（wt.%C=0.05%-0.9%）机械结构用钢表示法含碳量名义万分数（两位数字），如果含较高锰（0.7%-1.2%）就在两位数字后加“Mn”表示。牌号有：08F、10F、15F、08、10、15、15Mn、20Mn等等08F、10、15、20、25，为低碳钢，塑性好，耐冲、好焊；30、35、40、45、50、55，中碳钢含P多，强硬适中，多做重要件；60、65、70、75，高碳钢。多需淬火＋回火，制作弹性耐磨件；20Mn、65Mn等称含锰量较高的优质碳素结构钢。第4章工业用钢2、碳素易切钢机械结构用钢表示法Y＋含碳量名义万分数（两位数字）牌号举例：Y20第4章工业用钢机械结构用钢表示法含碳量名义万分数（两位数字）+元素符号+数字（该合金元素质量分数＜1.5%，不标明数字。≥1.5标2；≥2.5标3，依此类推）牌号举例：20Cr、20CrMnTi、40Cr、60Si2Mn用于制造机械零件和工程构件。3、合金结构钢第4章工业用钢滚动轴承钢用途主要用于制造轴承的内外套圈以及滚珠、滚柱、滚针，此外还可以用于制造某些工具。3、合金结构钢特点很高疲劳接触强度和足够弹性极限；较高硬度和耐磨性；足够韧性；良好尺寸稳定性、耐蚀性。热处理球化退火+淬火后低温回火滚动轴承钢牌号表示法：G＋合金元素含量名义千分数举例：GCr15第4章工业用钢工具钢定义指用于制造刃具、量具、模具和其他耐磨的各种工具用的钢种。分类按化学成分，分为碳素工具钢、合金工具钢和高速钢。按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢。第4章工业用钢工具钢表示法“碳”的字母“T”＋含碳量名义千分数。1、碳素工具钢碳素工具钢均为优质钢。尾数后加“A”时，表示高级优质。热处理球化退火+淬火后低温回火如：T10钢wC=1%；T10A中的“A”表示为高级优质碳素工具钢。其中：T7钢（wC=0.7%）主要用于制造手钳、剪刀、凿子、手锤等；T10钢（wC=1%）用于制作手用钢锯条、简单冷作模具、手工钻头等；T12钢用于制作铰刀、锉刀、量具等。牌号举例：T7、T8、T8Mn、T7A、T8A、T8MnA第4章工业用钢工具钢表示法当含碳量＜1%时，牌号前以名义千分数表示含碳量（一位数）；≥1时，无数字。合金元素表示与合金结构钢相同。1、碳素工具钢用于制造刃具、模具、量具等工具。热处理正火+球化退火+淬火后低温回火举例：CrWMn、9CrWMn第4章工业用钢高速钢又称：锋钢、白钢高热硬性、耐磨性、淬透性。常用牌号：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等，制造形状复杂的高速切削工具，如：麻花钻、铣刀、拉刀、齿轮刀具和其他成形刀具。特点第4章工业用钢模具钢用来制造各种模具的工具钢按使用性质分为冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢等。1）冷作模具钢用于制造在冷态下使金属变形与分离的模具钢种。要求较高硬度和耐磨性；高强度和疲劳性能；足够韧性和良好工艺性能。典型牌号有：T8A，CrWMn，Cr5MoV等。第4章工业用钢2）热作模具钢用于制造在热态下对固体或液体金属进行