常用金属材料钢工业用钢课件.ppt

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1、,钢的分类及牌号,合金元素在钢中的作用（合金钢）,结构钢、工具钢和特殊钢,轴承合金,第一节 工业用钢,一、钢的分类,二、碳素钢的分类和牌号,碳素钢：含碳量小于1.35%(0.1%-1.2%)，除Fe、C和限量以内的Si、Mn、P、S等杂质外，不含其他合金元素的钢。碳素钢的性能主要取决于含碳量。含碳量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性和可焊性降低。与其他钢类相比，碳素钢使用最早，成本低，性能范围宽，用量最大。,（一）碳素钢的分类,铸造碳钢,(二)碳素钢的牌号,4.铸造碳钢（铸钢）,ZG200-400,ZG+s b,用于制造各种刃具、模具、量具和其他工具的钢,编号,编号,采用铸造方法而生产出来的

2、一种钢铸件。铸钢主要用于制造一些形状复杂、难于进行锻造或切削加工成形而又要求较高的强度和塑性的零件。,T+数字+质量级别,T8:平均碳质量分数为0.8%的优质碳素工具钢;T8A:平均碳质量分数为0.8%的高级优质碳素工具钢,屈服强度大于235MPa，抗拉强度为400MPa的铸钢,三、合金钢的分类和牌号,（一）合金钢的分类,（二）合金钢的牌号,Si 能脱氧,有很强的固溶强化作用，可以消除FeO夹杂的影响。Mn脱氧、去硫,取代FeS中的Fe形成高熔点MnS。提高钢的强度和硬度。,四、常存杂质元素对钢性能的影响,（一）有益元素Si、Mn元素的影响,来源：生铁和脱氧剂,Mn:0.250.8%,Si:0

3、.4%,（二）有害元素:P、S,P 有很强的固溶强化作用,增加钢的强度和硬度，但使塑性和韧性显著降低，特别是低温下韧性极差(冷脆)。,S 常以FeS形式存在，并与Fe形成低熔点（985）共晶体（FeS+Fe)并分布在晶界，引起钢在热加工时或高温工作下开裂(热裂)。,来源：生铁和燃料,S 0.055%、P0.045%,（三）气体元素:N、O、H,N：钢中过饱和N在常温放置过程中会发生时效脆化，包括淬火时效和应变时效。加Ti、V、Al等元素可消除时效倾向。O：在钢中主要以氧化物夹杂形式存在，破坏了钢基体的连续性，易成为疲劳裂纹源。H：原子态的过饱和氢时将降低韧性,引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出

4、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。,合金元素与铁和碳的作用。1）.溶于基体中形成合金F或合金A：固溶强化。,五、合金元素在钢中的作用,Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr,2）.与碳作用形成合金碳化物（合金渗碳体）(Fe,Cr)3C。3）.单独形成特殊碳化物 TiC、VC。,与碳亲和能力,合金渗碳体较渗碳体稳定，硬度更高,特殊碳化物较合金渗碳体更稳定，显著提高钢的硬度、强度和耐磨性，又不明显降低钢的韧性。,合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。1）.扩大奥氏体区Mn、Ni、Co、Cu、C、N等元素。作用:使A3线温度下降,A4线温度上升。,Mn 元素对奥氏体

5、区的影响,A4,2）.缩小奥氏体区,Cr、Mo、W、V、Ti、Si 等元素。,作用:使A3线温度上升,A4线温度下降。,Cr 元素对奥氏体区的影响,3）.改变E、S点的位置,几乎所有的合金元素。,作用:使S点和E点的成分向左移。使A1线的温度变化。,合金元素对 S 点成分的影响,合金元素对A1线的影响,1.合金元素对加热时奥氏体形成的影响,除（Co、Ni）元素外,多数合金元素的加入,均使奥氏体的形成速度减慢（Al、Si、Mn影响较小）。,强碳化物形成元素和（Al-AlN、Al2O3）能强烈的阻止奥氏体晶粒长大(Ti、V、Zr、Nb 等)。,非碳化物形成元素能轻微的阻止奥氏体晶粒长大(Si、Ni

6、、Cu、Co 等)。,合金元素对钢的热处理的影响。,2.合金元素对过冷奥氏体转变的影响,除 Co 元素外,所有的合金元素均使钢的 TTT 曲线向右移。,提高钢的淬透性,常用的元素有:Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等（合金钢比碳素钢淬透性高）。,除 Co、Al 元素外,所有的合金元素都使马氏体转变温度下降。（Mn、Cr、Ni最显著）,3.合金元素对回火转变的影响,回火稳定性（抗力）的增加:淬火钢回火时抵抗软化的能力,二次硬化的产生,W、Mo、V 等碳化物在550析出，并对马氏体起到弥散强化作用，使钢达到最高硬度,产生二次硬化。,六、结构钢,结构钢：用于形成结构的钢材，主要用途为承载。,（一）普

7、通碳素结构钢,1、成分WC0.2%2、性能：具有良好的塑性、韧性及焊接性能3、用途：建筑、桥梁 铆钉、螺钉 连杆、拉杆等 冲压件 焊接件4、编号 Q235,1、工程结构用钢,工程结构钢：主要用于各种结构的钢材，一般采用普通结构钢。,（二）低合金高强钢,1、成分普通碳素结构钢中加入少量合金元素(3%)主加合金元素:Mn、Si。辅加合金元素:V、Ti、Nb。2、性能：优于普通碳素结构钢，具有高的塑性、韧性，较高的强度和良好的焊接性能3、用途：强度级别较低：冲压件、建筑构件、低压锅炉汽包强度级别较高：工程建筑、船舶、桥梁、车辆、管道、压力容器、厂房钢架等4、编号 Q295,用途实例,Q460钢含Mo

8、、B，正火组织 为B，强度高，用于石化中温 高压容器。,压力容器,南京长江大桥,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，用于中等压力的容器。,（三）铸造碳钢,1、对于构件形状复杂，用锻造方法难以生产而力学性能要求又比较高的零件，可用铸造方法生产出的钢铸件。2、性能：具有较高的强度和塑性，但整体性能差于铸铁3、用途：重型机械、矿山机械、机车车辆等4、编号 ZG200-400,（一）渗碳钢,2、机械结构用钢,机械结构钢：主要用于制造各种类型的机器零件，一般采用优质碳素结构钢和合金结构钢。,1、成分WC=0.1%-0.25%（低碳

9、）2、性能：表面具有较高硬度、强度和耐磨性，心部具有较高的韧性和足够的强度（表硬里韧）。3、用途：变速齿轮、齿轮轴、活塞销等4、渗碳钢的加工工艺路线为：,制造渗碳零件的钢称为渗碳钢。主要用于制造既承受冲击载荷，表面又受强烈磨损的零件。,正火：为了调整硬度，便于切削加工。淬火+低温回火：为了降低残余应力和脆性，获得高硬度，高强度和耐磨性,5.合金渗碳钢的牌号,20 Mn2 Ti A,6.渗碳钢的成分和组织,7.典型合金渗碳钢种介绍,低淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量3%15Cr、20Cr、20Mn2。用 于受力小的耐磨件，如柴 油机的活塞销、凸轮轴等。,中淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在4

10、%左 右。20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷 的耐磨件，如变速箱齿轮。,柴油机凸轮轴,活塞销(20Cr),高淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在 4%6%。18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。用于大载荷 的耐磨件，如柴油机曲轴。,柴油机曲轴,20 CrMnTi 钢制造齿轮的热处理工艺曲线,（二）调质钢,1、成分WC=0.3%-0.5%（中碳）2、性能：表面具有较高硬度、强度和耐磨性，心部具有较高的韧性和足够的强度（既强又韧）。3、用途：机床主轴、发动机曲轴、传动齿轮、汽车后桥半轴等4、调质钢的热处理，,调质钢：经调质处理后使用的中碳钢或中碳合金钢,退火：消除应

11、力，调整硬度，改善切削加工性能。调质：1）为表面淬火做组织准备；2）获得优良的综合力学性能。表面淬火+低温回火：提高工件表面硬度和耐磨性。,5.合金调质钢的牌号,40Cr40Mn40MnB35CrMo38 Cr Mo Al A25Cr2Ni4WA,6.典型合金调质钢种介绍,低淬透性调质钢钢含合金元素总量3%40Cr、40MnB等,中淬透性调质钢钢含合金元素总量在4%左右。38 CrSi、35 CrMo 等。常用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。,高淬透性调质钢钢含合金元素总量在4%10%。制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的零件等。38 Cr Mo Al A、40 Cr Mn Mo、25

12、 Cr2 Ni4 W A等。,40Cr钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线,（三）弹簧钢,1、成分WC=0.5%-0.7%（中高碳）2、性能：高的e、高的s/b、高的-1、良好的韧性。3、用途：车辆上板弹簧或圆弹簧、气阀、安全阀等耐热弹簧4、弹簧钢的热处理：,弹簧钢：用于制造各种弹簧或弹性元件的钢,5.弹簧钢的牌号,6565 Mn55 Si 2 Mn60 Si 2 Mn50 Cr V A50 Cr Mn A55 Si Mn Mo V Nb,6.冷成形弹簧生产工艺特点,用于生产尺寸小于815mm的小型弹簧,常用弹簧钢丝(片)冷绕成形,其制造方法有:铅淬后S组织冷拔后冷成型+200300去应力退火。60

13、、75、85、65 Mn。油淬中温回火S回后冷成型+去应力退火。退火组织冷成型+淬火+中温回火。（较少应用）55Si2Mn、60Si2MnA、50CrVA。,（四）滚动轴承钢,用于制造轴承套和混动体的专用钢种。,1、成分Wc=0.951.15%（高碳）优质钢材:WS 0.2%、WP 0.27%主加Cr,0.41.65%，提高淬透性辅加Si、Mn、V、Mo，进一步提高淬透性，V、Mo可阻止奥氏体晶粒长大2、性能：高的硬度强度和耐磨性;高的接触疲劳强度;足够的韧性和耐蚀性;,3.滚动轴承钢的牌号,G Cr9 Si Mn,应用最广的为GCr15，大量用于大中型轴承；大型轴承还可用GCr15SiMn,

14、5.轴承钢热处理后的组织M回+颗粒状碳化物+A残,4.铬轴承钢制造轴承的工艺路线,球化退火：消除网状渗碳体淬火+冷处理：淬火为了得到M转变，深冷处理为了减少残余A低温回火：消除内应力,（五）易切削钢,在自动机床上进行的高速切削性能好的钢。1、成分WC=0.1%-0.18%（低中碳）2、性能：降低切削力和切削热,减少刀具磨损,延长刀具寿命,排屑容易,提高切削速度。3、用途：适用于高速切削和在自动加工机床上加工的材料，螺栓、螺母、管接头。4、易切削钢的热处理：低碳易切削钢(Y12、Y15、Y20、Y15Pb)：渗碳或淬火成低碳马氏体。中碳易切削钢(Y40)：调质及表面淬火。,5.易切削钢的牌号,Y

15、 40 Mn,七、工具钢,碳素工具钢合金刃具钢合金模具钢 合金量具钢,刃具,量 具,用以制造切削刀具、量具、模具和耐磨工具的钢。,1.碳素工具钢,主要制作手动工具的工具钢。,锉 刀,手 锤,1、成分WC=0.65%-1.35%（高碳）2、性能：随含碳量增加，硬度和耐磨性提高，但韧性下降3、用途：由于碳工钢热硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。4、碳工钢的热处理：正火+球化退火+淬火+低温回火5、热处理后的组织：M回+颗粒状碳化物+A残,T 12 A,6、碳工钢的牌号,共有七个牌号：T7-T13。T7-T9：制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、锤子等；T10-T11:制

16、造低俗切削工具，如钻头、丝锥、锯条、车刀等；T12-T13:制造耐磨工具，如锉刀、刮刀等,2.合金刃具钢,1、成分Wc=0.75-1.5%（高碳）+合金元素2、性能：高硬度、高耐磨性、有一定的红硬性（外部受热升温时工具钢仍能维持高硬度）、强度和韧性,工作温度不超过300。3、用途：应用最多的是9SiCr。用于制造形状复杂、要求变形小的低速刃具，如丝锥、板牙等。4、同碳工钢的热处理：正火+球化退火+淬火+低温回火5、热处理后的组织：M回+颗粒状碳化物+A残,2.1.低合金刃具钢,在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素（5%)。,9 SiCr 钢板牙热处理工艺曲线,板牙,2.2.高速工具钢(高速钢，

17、锋钢）,比低合金工具钢允许有更高的切削速度而得名。1、成分Wc=0.75-1.5%（高碳）+合金元素2、性能：高硬度、高耐磨性、高的红硬性(600时,HRC63以上)、有一定的强度和韧性。3、用途：常用钢号为W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2。用于高速切削刃具，如车刀、铣刀、刨刀和钻头等。,锻造目的：高速钢属于莱氏体钢，脆性大且热处理无法消除。因此只能用反复锻击的方法将其击碎，并均匀分布在基体上；具有成型和改善碳化物形态的双重作用。退火：降低硬度，便于切削加工，为淬火做组织准备；淬火：获得高合金元素含量的马氏体；M+Fe3C+A残(2025%)回火：减少残余奥氏体，消除内应力，稳定组织。M回

18、+Fe3C+A残(1 2%),W18Cr4V钢的热处理过程示意图,三.合金模具钢,冷作模钢:工作温度为200300。冷冲模、冷挤压模、拉丝模等热作模钢:工作温度为600以上。热锻模、热挤压模、压铸模等,用于制造模具的钢。,一)冷作模钢,制造金属冷成型模具的钢。1.性能要求:高的硬度,HRC62;高的耐磨性;足够高的韧性与疲劳抗力;热处理变形小;2.化学成分特点:高碳 12%;合金元素:Cr,Mo、W、V。,莱氏体钢通过反复锻造将网状共晶碳化物打碎,A.低合金冷作模具钢：CrWMn、9Mn2V,小尺寸、形状简单、受力不大的模具热处理：淬火+低温回火优点：便宜，加工性能好缺点：淬透性差，热处理变形

19、较大，耐磨性较差,4、分类、用途及热处理,最终组织：M回+Fe3C+少量 A残,B.高合金冷作模具钢：Cr12，Cr12MoV尺寸大、重载的模具、变形小热处理：,二）热作模具钢,用于制造经加热的固态或液态金属在压力下成形的模具。1.要求：1）高的热硬性和高温耐磨性 2）高的抗氧化能力，高的热强性和足够高的韧性 3）高的热疲劳抗力2.化学成分：wc=0.4%0.6%（中碳），保证足够的强度和韧性 主加元素：Cr、Ni、Mn、Si3.常用钢种：1）热锻模钢5CrNiMo:大型热锻模5CrMnMo:中小型热锻模2)压铸模钢3Cr2W8V，为过共析钢。中碳（0.3-0.4%）+合金元素,曲轴模具,3.

20、热处理特点:*热锻模钢:5 CrMnMo 热处理工艺:淬火+550回火 热处理后的组织:S回或T回,*压铸模钢:3 Cr2W8V 热处理工艺:淬火+600三次回火 热处理后的组织:M回+Cm粒状+A,汽车四缸压铸模,4.合金量具钢,1、成分Wc=0.9-1.5%（高碳）+合金元素2、性能：高的硬度,HRC62;高的耐磨性；高的尺寸稳定性;足够高的心部韧性;热处理变形小;尺寸稳定;良好的耐蚀性;3、用途：制造千分尺、卡尺、块规、螺旋测微仪等。,用于制造测量加工零件的工具的钢。,第四节 特殊性能钢,特殊性能钢：指具有特殊物理、化学性能的钢。主要包括不锈钢、耐热钢和耐磨钢。,一.不锈钢,1.定义:在

21、腐蚀介质中具有很高的抗腐蚀能力的钢。,2.概念:*在空气中的年腐蚀量为0.01mm以内的钢,称为在空气中使用的不锈钢。*在强酸、强碱介质中的年腐蚀量为0.1mm以内的钢,称为在强酸、强碱介质中使用的不锈钢。,3金属腐蚀的机理.,金属腐蚀的种类:,1)化学腐蚀（不产生电流）:金属与介质(干燥气体和非电解质溶液)发生化学反应而产生的腐蚀。例如:高温氧化、脱碳等。,2)电化学腐蚀（产生电流）:金属与介质(电解质溶液,即酸、碱、盐溶液)发生电化学反应而产生的腐蚀（电极电位不同）。,电化学腐蚀过程示意图,珠光体电化学腐蚀示意图,4.防腐措施:,1)形成氧化层:加入合金元素Cr、Al、Si 等,形成Cr2

22、O3、SiO2、Al2O3等氧化膜。2)提高金属的电极电位:加入合金元素Cr、Ni、Si等,提高金属基体的电极电位。3)使钢在室温下呈单相组织:加入合金元素 Mn、Ni等能扩大区,可在室温获得奥氏体钢。加入合金元素 Cr、Mo、W、V、Ti、Si 等能扩大区,可在室温获得铁素体钢。,5.不锈钢的成分特点、分类及用途,1）化学成分特点a、低碳：碳高，则降低耐蚀性b、Cr：提高耐蚀性的主要因素形成稳定致密的Cr2O3氧化膜；Cr含量大于13%时，形成单相铁素体组织；提高基体电极电位c、Ni：获得单相奥氏体组织d、Mo：耐有机酸腐蚀；e、Ti，Nb：防止奥氏体钢晶间腐蚀。,消防栓,晶间腐蚀,1)铁素

23、体型不锈钢,化学成分特点:Wc=0.1%左右 WCr=12-30%热处理特点:不能进行热处理强化。牌号:0Cr13Al、1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等用途:化工设备中要求耐蚀性高、强度低的容器、管道等。易出现脆性:析出富Cr相.,6、常用不锈钢,硝酸生产装置,合成氨生产装置,2)马氏体型不锈钢-Cr13型钢,化学成分特点:Wc=0.1 0.4%WCr=13%热处理特点:正火后的组织是马氏体。牌号:1Cr134Cr13用途:强度高,又需耐蚀.汽轮机叶片、医疗器械,医用镊子,3)奥氏体型不锈钢-18 8型钢,化学成分特点:Wc=0.08 0.14%；WCr=1719%WNi=811%；C

24、u、Ti、Mo等。加工特点:不能进行热处理强化,只能冷塑性变形强化。性能特点:耐蚀性好塑性好焊接性能好无磁性，价格较高。热处理特点:固溶处理;消除应力退火。用途:化工容器、管道等。牌号:0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti,二.耐热钢,1.定义:在高温下具有抗氧化性和高温强度的特殊钢。,2.性能要求：抗氧化性(热稳定性)，高温强度(热强性)包括蠕变强度和持久强度。3.提高钢的耐热性的途径:加入合金元素Cr、Si、Al等,在钢的表面形成稳定、致密的氧化膜。4.提高钢的耐热性的途径:1)固溶强化 2)弥散强化 3)晶界强化,5.钢种及 用途,抗氧化钢(不起皮钢):铁素体型奥氏体型钢1Cr18Ni9Ti等,工作温度 850。,热强钢,珠光体型 16Mo，15CrMo和12CrMoV工作温度小于 600(小载荷)。,马氏体型1Cr13，工作温度 600受力较大。,奥氏体型18-8型，工作温度 850。,耐 热 钢 的 用 途,三.耐磨钢（高锰钢）,1.定义:在强烈冲击载荷作用下发生冲击形变硬化的高锰钢。2.性能要求:高硬度、耐磨性、韧性。3.化学成分特点:高碳 Wc=11.3%高锰 WMn=1114%4.热处理特点:水韧处理。5.室温组织:过饱和单相奥氏体。,