机械工程材料第五章

第五章金属材料第一节工业用钢工业用钢按化学成分分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类。以Fe为主要元素，含碳量一般在2%以下。合金元素：指为了提高钢的性能，在非合金钢基础上而有意加入。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(1)按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：(2)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耐磨钢特殊性能钢齿轮刀具2.钢的编号我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母。常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T221—2008）名称符号位置名称符号位置碳素结构钢Q头桥梁用钢q尾低合金高强度钢Q头锅炉用钢g尾易切削钢Y头焊接气瓶用钢HP头碳素工具钢T头车辆车轴用钢LZ头(滚珠)轴承钢G头机车车轴用钢JZ头焊接用钢H头沸腾钢F尾冷镦（铆螺）钢ML头半镇静钢b尾船用钢国际符号镇静钢Z尾汽车大梁用钢L尾特殊镇静钢TZ尾压力容器用钢R尾质量等级A.B.C.D.E尾1）碳素结构钢和低合金高强度钢Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa；质量等级符号为A、B、C、D、（E）。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。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。如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。Q46014MnVTiRE、15MnVNQ42010MnPNbRE、15MnV、15MnTi、16MnNbQ39018Nb、09MnCuPTi、10MnSiCu、12MnV、14MnNb、16Mn、16MnREQ34509MnV、09MnNb、09Mn2、12MnQ295GB/T1591-1994旧标准GB1591-88（GB/T1591-2008取消了Q295强度级别，增加了Q500、Q550、Q620、Q690强度级别）低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱氧方法的符号。如Q345C。根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字（表示平均含碳量的万分之几）和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。*说明：一般情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。2）优质碳素结构钢和碳素工具钢⑴优质碳素结构钢：牌号为两位数字这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几如45—其平均含碳量为万分之四十五（即0.45%C）⑵碳素工具钢：牌号为T+数字“T”表示“碳素工具钢”数字表示钢平均含碳量的千分之几如T8—其平均含碳量为千分之八（0.8%C）*说明：①优质碳素结构钢含Mn量为0.7~1.2%时，在含碳量数字后加元素符号“Mn”，如40Mn。②对于优质碳素结构钢的沸腾钢和半镇静钢，在钢号后分别加字母F和b，如08F、10b。③碳素工具钢都是优质以上质量的（优质；高级优质）④高级优质钢在钢号后加字母A，如20A、T8A。特级优质钢在钢号后加字母E，如50MnE3）合金钢牌号为碳含量+合金元素1+1元素的百分含量数字+合金元素2+2元素的百分含量数字+……（A、E）⑴合金元素及其含量标注当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量。如20CrMnTi当合金元素的平均含量为1.50~2.49%、2.50~3.49%、3.50~4.49%、4.50~5.49%、……时，在相应的合金元素符号后标2、3、4、5……等数字。如20CrNi3。*说明：①合金工具钢含铬量小于1%时，含铬量以千分之一为单位标出，并在含铬量前加数字“0”，如Cr06。②滚动轴承钢含铬量也以千分之一为单位标出，并在牌号头部加字母“G”，如GCr15③高级优质合金钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。④特级优质合金钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。⑵碳含量标注①合金结构钢含碳量以万分之一为单位标出(两位数字)如40Cr、60Si2Mn②工具钢含碳量以千分之一为单位标出(一位数字)如8MnSi*说明①低合金工具钢含碳量大于1.00%时，不标含碳量，如CrWMn②高速钢不标含碳量，如W18Cr4V③滚动轴承钢不标含碳量，如GCr15④高锰钢不标含碳量，如ZGMn13⑤珠光体耐热钢含碳量标注同结构钢，如15CrMo⑥铸钢在牌号前加“ZG”,余同结构钢,如ZG20Cr13⑦不锈钢和耐热钢用两位或三位阿拉伯数字表示碳含量最佳控制值（以万分之几或十万分之几计）(1)只规定碳含量上限者，当碳含量上限不大于0.10%时，以其上限的3/4表示碳含量；当碳含量上限大于0.10%时，以其上限的4/5表示碳含量。例1：碳含量上限为0.08%，碳含量以06表示；碳含量上限为0.20%，碳含量以16表示例2对于超低碳不锈钢（即碳含量不大于0.030%，用三位阿拉伯数字表示碳含量最佳控制值（以十万分之几计），如：碳含量上限为0.020%时，其牌号中的碳含量以015表示(2)规定上下限者，以平均碳含量×100表示。例如：碳含量为0.16-0.25%，牌号中的碳含量以20表示。例如：碳含量不大于0.08%，铬含量为18.0-20.0%，镍含量为8.0-11.0%的不锈钢牌号为06Cr19Ni10钢铁及合金的类型与统一数字代号(GB/T176256—1998)钢铁及合金的类型统一数字代号钢铁及合金的类型统一数字代号合金结构钢A×××××杂类材料M×××××轴承钢B×××××粉末及粉末材料P×××××铸铁、铸钢及铸造合金C×××××快淬金属及合金Q×××××电工用钢和纯铁E×××××不锈、耐蚀和耐热钢S×××××铁合金和生铁F×××××工具钢T×××××高温合金和耐蚀合金H×××××非合金钢U×××××精密合金及其他特殊物理性能材料J×××××焊接用钢及合金W×××××低合金钢L×××××合金元素对铁素体冲击韧性影响合金元素对铁素体硬度影响二、合金元素在钢中的作用㈠对钢中基本相的影响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，起强化相作用合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为：碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性提高Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe强碳化物形成元素中碳化物形成元素弱碳化物形成元素(二)对钢中相变过程的影响1、对奥氏体化的影响⑴对奥氏体形成速度的影响：除Ni、Co外，都减缓奥氏体化过程。⑵对奥氏体晶粒长大倾向的影响：碳、氮化物形成元素阻碍奥氏体晶粒长大Mn、P促进长大。2、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。常用提高淬透性的元素为Mn、Si、Cr、Ni、B。⑵对Ms、Mf点的影响：除Co、Al外，所有元素都使Ms、Mf点下降。碳钢高速钢3、对回火转变的影响⑴提高耐回火性：淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称耐回火性。⑵产生二次硬化含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时,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。（一）碳素结构钢1、成分：0.24%C，P、S量较多。2、性能：可焊性、塑性好。3、热处理：热轧空冷态下使用。4、使用状态下组织：F+P5、用途：常以热轧型材使用，约占钢材总量的70%。用于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。热轧钢板三、结构钢（二）低合金高强度结构钢1、性能要求:⑴高强度及足够韧性。⑵良好的焊接性能、耐蚀性及低的冷脆转变温度。2、成分特点：低碳(≤0.2%C)、主加Mn①Mn:强化铁素体,增加珠光体的量,降低脆转温度。②V、Ti、Nb:起细化晶粒和弥散强化作用。③Cu、P可提高耐蚀性，RE可提高韧性、疲劳极限。压力容器南京长江大桥3、热处理：热轧空冷后使用4、使用状态下组织：F+P5、用途：Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的压力容器。Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度高，用于石化中温高压容器。（三）渗碳钢——制造渗碳零件的钢种1、性能要求：⑴表硬里韧⑵良好淬透性和渗碳能力。2、成分特点：低碳(0.1~0.25%C),加Cr、Mn、Ni、B等元素①Cr、Mn、Ni、B：提高淬透性②Cr、Mn、Ni：强化铁素体③W、Mo、Ti、V：细化晶粒渗碳件渗碳回火炉渗碳淬火后的表层组织3、热处理特点渗碳件的加工工艺路线为：下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火+低温回火正火目的为调整硬度，便于切削加工。淬火温度:Ac1+30-50℃。4、使用状态下组织心部：M回+F表层：M回+颗粒状碳化物+A’(少量)；5、常用钢号及用途低淬透性钢：20、20Cr。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。中淬透性钢：20CrMnTi。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。高淬透性钢：18Cr2Ni4WA。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。柴油机凸轮轴柴油机曲轴活塞销(20Cr)（四）调质钢——调质后使用的钢种。1、成分特点中碳(0.3~0.5%C)，合金元素作用为：①提高淬透性：Mn、Si、Cr、Ni、B②强化铁素体：Mn、Si、Cr、Ni③细化晶粒：Ti、V④防止第二类回火脆性：W、Mo回火索氏体2、热处理及组织特点调质件的加工工艺路线为：下料→锻造→退火→粗加工→调质→精加工→装配调质目的:获得良好综合力学性能使用状态下的组织为：S回为提高表面耐磨性，调质后可进行表面淬火或氮化。(表面淬火+低温回火)→装配①为表面淬火作组织准备；②获得最终心部组织。表面：M回；心部：S回圆锥齿轮柴油机凸轮轴3、性能：良好的综合力学性能。4、常用钢号及用途常用钢号为45、40Cr、40CrNi。用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的40CrNiM等。（五）弹簧钢——制造弹簧或类似性能零件的钢种。1、性能要求(弹簧是储存能量或缓和冲击的零件)高的σs、σs/σb、σ-1；足够的韧性2、成分特点：中高碳碳素弹簧钢为0.6~0.9%C；合金弹簧钢为0.45~0.7%C合金元素作用：①提高淬透性、强化铁素体：Mn、Si、Cr②提高s/b：Si③细化晶粒：V3、热处理及组织特点⑴冷成型弹簧：冷拔→冷成型→定型处理（250~300℃）。用于φ10mm弹簧。⑵热成型弹簧：热成型→淬火+中温回火使用状态下的组织：T回。用于大截面弹簧（φ10mm）热卷大弹簧弹簧丝板簧喷丸处理示意图4、弹簧的表面质量弹簧的表面质量对其寿命影响很大。提高表面质量的方法：①防止表面脱碳；②避免表面缺陷；③进行喷丸处理，使表面产生压应力。汽车板簧大型热卷弹簧5、常用钢号及用途常用钢号为65Mn、60Si2Mn用于制造较大截面弹簧。制造大截面、大载荷、耐热的弹簧用50CrV。（六）滚动轴承钢——制造轴承套和滚动体专用钢种1、性能要求(轴承承受接触应力、交变载荷和摩擦)高而均匀的硬度、耐磨性、b、接触疲劳强度和足够的韧性。2、成分特点：高碳(0.95~1.10%C)，主加Cr①Cr、Mn、Si：提高淬透性②Cr还提高耐磨性和耐蚀性当1.65%Cr时，因A’增加而使硬度和稳定性下降。3、热处理和组织特点滚动轴承钢是过共析钢。⑴热处理：球化退火+淬火+低温回火⑵组织：M回+颗粒状碳化物+A’（少量）淬火后可进行冷处理(-6