1-3_常用金属材料ppt.

1-3常用金属材料第一节工业用钢工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。钢的分类及编号一、钢的分类中碳钢0.25～0.6%C高碳钢0.6%C低碳钢0.25%C低合金钢合金元素总量WMe5%中合金钢合金元素总量WMe5～10%高合金钢合金元素总量WMe10%碳素钢合金钢1、按化学成分分钢类碳素钢合金钢PSPS普通质量钢≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045优质钢≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高级优质钢≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025特级优质钢≤0.025≤0.020≤0.025≤0.0152、按冶金质量分钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：3、按冶炼方法分转炉炼钢平炉炼钢平炉钢转炉钢电炉钢按炉别分沸腾钢：脱氧不充分，浇注时C与O反应发镇静钢：脱氧充分，组织致密，成材率低半镇静钢：介于前两者之间生沸腾。这种钢成材率高，但不致密按脱氧程度分特殊镇静钢4、按金相组织分珠光体钢贝氏体钢马氏体钢铁素体钢奥氏体钢莱氏体钢按正火组织分亚共析钢共析钢过共析钢按退火组织分电弧炉炼钢5、按用途分工程用钢建筑、桥梁、船舶、车辆渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢耐磨钢机器用钢结构钢刃具钢模具钢量具钢工具钢不锈钢耐热钢特殊性能钢挤压模具①强化铁素体，提高钢的强度和硬度；钢中的常存元素一般是指Mn、Si、P、S。是由原料带入或脱氧残留的元素。②消除硫的有害作用。③具有一定的脱氧能力，降低钢的脆性。1、Mn是有益元素，其作用是：一、杂质元素对钢性能的影响①强化铁素体；2、Si：0.4%时是有益元素。作用为：合金晶界的低熔点硫化物共晶②增加钢液流动性。3、S：是有害元素。常以FeS形式存在。易与Fe在晶界上形成低熔点共晶(985℃)，热加工时(1150～1200℃)，由于其熔化而导致开裂，称热脆性。钢中的硫应控制在0.045%以下。Mn可消除硫的有害作用,钢中的MnS夹杂比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆性于1938年冬发生断裂坠入河中FeS+Mn→Fe+MnS，MnS熔点高(1620℃)。4、P：也是有害元素。能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆性。P一般控制在0.045%以下。5、气体元素钢中TiN夹杂钢中氧化物夹杂①N：室温下N在铁素体中溶解度很低，钢中过饱和N在常温放置过程中以FeN、Fe4N形式析出使钢变脆,称时效脆化。加Ti、V、Al等元素可使N固定，消除时效倾向。②O：氧在钢中以氧化物的形式存在，其与基体结合力弱，不易变形，易成为疲劳裂纹源。③H：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，引起氢脆。钢中白点钢的氢脆断口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，称白点或发裂。焦炭铁矿石石灰石高炉炼铁炼钢生铁炼钢铸钢锭铸造生铁铸造轧制各种型材锻件锻造铸钢冷冲压热处理切削加工机械产品锻造冶炼厂机械厂钢铁生产加工过程概略图二、碳素钢的牌号和用途1)、普通碳素结构钢螺纹钢圆钢用“符号＋数字”表示例：Q235屈服强度汉语拼音字头表示该钢的屈服强度值不小于235MPa普通碳素结构钢①化学成分特点低碳：0.4%C,P、S量及非金属夹杂较多.②典型钢号Q235③热处理特点一般不进行热处理强化，只保证力学性能和工艺性能。④组织使用状态的为热轧态，组织：F＋P(少量)。⑤应用建筑钢筋。建筑钢筋2）、优质碳素结构钢牌号用两位数字表示。表示钢平均含碳量的万分之几。如45钢—平均含碳量为万分之四十五（即0.45%）的优质碳素结构钢。*说明：①含Mn量为0.7-1.0%时，在两位数字后加元素符号“Mn”，如40Mn。②对于沸腾钢和半镇静钢,在钢号后分别加字母F和b，如08F、10b。③高级优质钢在钢号后加字母A，如20A。作重要件：1）08F、10冷冲压材料;15、20低碳钢作渗碳件；2）35~45中碳钢调质综合性能好轴、齿轮、连杆；3）65、70弹簧钢作弹簧或耐磨件4）含锰量较高的15~70Mn要求稍高的零件2)、优质碳素结构钢－用途3)、碳素工具钢•T表示“碳素工具钢”；•数字表示平均含碳量千分之几.如T8—其平均含碳量为千分之八。*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“A”，如T8A。丝锥锉刀•牌号：T+数字4）、铸造碳钢铸钢件2.5吨大齿轮铸件ZG+两位数字ZG表示“铸钢”；两位数字表示平均含碳量的万分之几,如ZG25。由于碳钢具有较好的机械性能和工艺性能，并且产量大、价格较低，因此它是机械工程上应用十分广泛的金属材料。随着科学技术和工业的发展，对材料提出了更高的要求，如更高的强度，抗高温、高压、低温，耐腐蚀、磨损以及其它特殊物理、化学性能的要求，碳钢已不能完全满足要求。特点碳钢在性能上的不足淬透性低一般情况下，碳钢水淬的最大淬透直径只有10mm-20mm。强度和屈强比较低如普通碳钢Q235钢的σs为235MPa，而低合金结构钢16Mn的σs则为360MPa以上。40钢的σs/σb仅为0.43,而合金钢35CrNi3Mo的σs/σb高达0.74。回火稳定性差碳钢在进行调质处理时，为了保证较高的强度需采用较低的回火温度，这样钢的韧性就偏低；为了保证较好的韧性，采用高的回火温度时强度又偏低，所以碳钢的综合机械性能水平不高。不能满足特殊性能的要求碳钢在抗氧化、耐蚀、耐热、耐低温、耐磨损以及特殊电磁性等方面往往较差，不能满足特殊使用性能的需求。碳钢不能完全满足科学技术和工业的发展要求。为了提高钢的性能，在铁碳合金中特意加入合金元素所获得的钢种，称为合金钢。合金钢有较好的性能，但也有不少缺点。最主要的是由于含有合金元素，其生产和加工工艺比碳钢差，也比较复杂，价格也较昂贵。因此，在应用碳钢能够满足要求时，一般不使用合金钢。三、合金钢合金钢的分类按合金元素含量多少，分为低合金钢（合金元素总量低于5%）中合金钢（合金元素总量为5%-10%）高合金钢（合金元素总量高于10%）按用途分类合金结构钢合金工具钢特殊性能钢合金钢的分类按所含的主要合金元素，分为铬钢（Cr-Fe-C)铬镍钢（Cr-Ni-Fe-C)锰钢（Mn-Fe-C)硅锰钢（Si-Mn-Fe-C)合金钢的分类按小试样正火或铸态组织，分为珠光体钢马氏体钢铁素体钢奥氏体钢莱氏体钢中常用的合金元素Ni、Co、Si、Al、N、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Re。合金钢的性能比碳钢优良，原因是加入合金元素后，钢的基本组元铁和碳与加入的合金元素会发生交互作用，钢的合金化目的就是希望利用合金元素与改善钢的组织和性能。I、对钢中基本相的影响（一）合金元素在钢中的作用对铁素体冲击韧性影响1、溶于铁素体,起固溶强化作用非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元素都溶于铁素体，形成合金铁素体.Si、Mn对强度、硬度提高显著。Cr、Ni在适当范围内提高韧性。2、形成碳化物，起强化相作用⑴Ti、Nb、V为强碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性高，如TiC、VC等。钢中碳化物合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为：Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。（2）W、Mo、Cr为中碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较高，如W2C等。（3）Mn、Fe为弱碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较低，如Fe3C等。II、合金元素对钢中相变过程的影响1.对过冷奥氏体转变的影响⑴对C曲线和淬透性的影响：除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素均使C曲线右移，淬透性提高。II、合金元素对钢中相变过程的影响1.对过冷奥氏体转变的影响⑵对Ms、Mf点的影响：除Co、Al外,所有元素都使Ms、Mf点下降。合金元素对钢淬透性的影响常用提高淬透性的元素为Mn、Si、Cr、Ni、B。淬火碳钢回火时的硬度变化2.对回火转变的影响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。⑴提高回火稳定性：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。⑵产生二次硬化高速钢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。⑶防止第二类回火脆性加W、Mo可防止第二类回火脆性。（二）合金结构钢优质碳素结构钢+合金元素(Cr、Mn、Si、Ni、B…)形成的。淬透性提高，油冷，以减小淬火缺陷。牌号：两位数+元素符号+平均含量20CrMnTi低碳合金钢—渗碳件35CrMo中碳合金钢—调质件60Si2Mn高碳合金钢—较大弹簧例外：滚动轴承钢GCr151.低合金高强度结构钢（普通低合金结构钢）①化学成分特点低碳：0.10～0.20%，锰含量：1.2～1.6%。②典型钢号16Mn(Q345)相当于是在Q235的基础上多添加了0.6～0.8%的Mn。1.低合金高强度结构钢（普通低合金结构钢）③热处理特点一般不进行热处理强化，只保证力学性能和工艺性能。④组织使用状态的为热轧或正火态，组织：F＋P(少量)。⑤应用桥梁桥梁、船舶钢板、车辆等大型钢结构。性能要求(1)高强度：一般屈服强度在300MPa以上。(2)高韧性：要求延伸率为15%～20%，室温冲击韧性大于600kJ/m2～800kJ/m2。对于大型焊接构件，还要求有较高的断裂韧性。(3)良好的焊接性能和冷成型性能。(4)低的冷脆转变温度。(5)良好的耐蚀性。南京长江大桥中的钢结构2.合金渗碳钢①化学成分特点低碳：0.1～0.25%；合金元素：Cr、Mn、Ni、Mo、Ti、W、V、B等。渗碳后，表层为1.0%左右的高碳成分，保证高硬度、高耐磨性；心部保持原始成分，热处理后具有良好的韧性和足够的强度。②典型钢号20CrMnTi在20号钢的基础上，通过添加合金元素Cr、Mn、Ti而形成。2.合金渗碳钢③热处理特点渗碳（920～930C）→淬火（830C）→低温回火（200C，2h）。④组织和性能表层：高碳M回＋k＋A，硬度：HRC56～62。心部：低碳M回（淬透时），硬度：HRC30～45。⑤应用重载齿轮、凸轮、活塞销等。汽车变速箱齿轮东风153汽车后桥螺伞齿轮凸轮3.合金调质钢①化学成分特点中碳：0.30～0.50%；合金元素：Cr、Ni、Mn、Mo、W、V、Ti、B等。热处理后可满足综合力学性能的要求。②典型钢号40Cr、42CrMo在40号钢的基础上，通过添加合金元素Cr而形成。3.合金调质钢③热处理特点调质处理：淬火（830C）→高温回火（525C）。④组织和性能组织：S回，硬度：HRC25～35。⑤应用各种轴类零件、传动齿轮、汔车后桥半轴、连杆、螺栓等。连杆汽车半轴合金弹簧钢①化学成分特点中、高碳：0.45～0.70%；合金元素：Si、Mn、Cr、V等。②典型钢号热成形弹簧（弹簧用钢的尺寸较大）：60Si2Mn在60号钢的基础上，通过添加合金元素Si、Mn等元素而形成。冷成形弹簧（弹簧用钢丝的直径一般小于10mm）：50CrVA。合金弹簧钢③热处理特点热成形弹簧：淬火（870C）→中温回火（460C）。冷成形弹簧：卷簧→去应力退火（250C）。④组织和性能组织：T回，硬度：HRC35～45。⑤应用60Si2Mn——汽车减振板弹簧、悬挂弹簧。50CrVA——汽车发动机气门弹簧。汽车板弹簧汽车悬挂弹簧汽车汽门弹簧滚动轴承钢①化学成分特点高碳：0.95～1.15%；合金元素：Cr（主要）、Si、Mn等。②典型钢号：GCr15③热处理特点预备热处理：球化退火，以降低硬度