【大学课件】金属材料.ppt

《【大学课件】金属材料.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【大学课件】金属材料.ppt（38页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第六章 金属材料,第一节 工业用钢工业用钢按化学成分为：碳素钢和合金钢；碳素钢：除铁、碳元素之外，还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质。合金：是为了改善钢的组织和性能，在碳钢的基础上，有目的地加入一些元素而制成的钢。常用合金元素：锰、铬、镍、硅、钼、钨、钒、钛、钴等,http:/,6.1.1 钢中杂质,金属材料分为两大类：黑色金属 铁和铁为基的合金;有色金属 黑色金属以外的所有金属及其合金。碳素钢（碳钢）是0.0218%wC2.11%常用碳钢的碳强度和韧性均较好，工程性能比较优越。碳钢冶炼简便，加工容易，价格便宜，是应用最多的工程金属材料。一、钢中的常存杂质元素对碳钢性能的影响实际使用的碳钢，除铁

2、、碳两个主要元素之外，还含有少量Mn、Si、S、P、H、O、N等非特意加入的杂质元素。它们对钢材性能和质量影响很大，必须严格控制。,http:/,钢中的常存元素有硅、锰、硫、磷四种。（一）锰的影响锰是炼钢时加入锰铁脱氧而残留在钢中的,锰具有脱氧能力，使钢中FeO还原，降低钢的脆性；锰还能与硫化合成MnS,减轻了硫的有害作用,改善热加工性能;锰能溶于铁素体中，具有固溶强化效果，可提高钢的强度；此时锰在钢中含量（小于0.8%）是有益元素。（二）硅的影响硅是炼钢时加入硅铁脱氧而残留在钢中的,使钢中的FeO还原，降低了钢的脆性,脱氧能力比锰强。硅能溶于铁素体中，具有固溶强化效果，可提高钢的强度;硅在钢

3、中含量一般认为（小于0.4%）是有益元素。,http:/,（三）硫的影响硫（小于0.065%）是钢中的有害杂质，是炼钢时由矿石和燃料带入的,硫在钢中以FeS的形式存在，使钢变脆，尤其是FeS和Fe能形成低溶点（985C）的共晶体（FeS+Fe），当钢在10001200C进行轧制时，分布在奥氏体晶界上的共晶体（FeS+Fe）处于溶化状态而使钢材被轧裂，这种现象称为钢的“热脆性”。（四）磷的影响磷（小于0.045%）是钢中的有害杂质，是炼钢时由矿石带入的。磷可全部溶入铁素体，产生强烈的固溶强化，使钢的强度、硬度增加，塑性和韧性显著降低。使钢脆化这种脆化现象在低温时更为严重，故称“冷脆性”，使钢的冷

4、加工性能和焊接性能变坏。,http:/,6.1.2、碳钢的分类（一）按钢中碳的质量分数分类 低碳钢（C%0.25%）、中碳钢（C%=0.3%0.60%）高碳钢（C%0.6%）三类。（二）按冶金质量分类素钢 所含有害杂质硫、磷的多少1、普通钢（S%0.05%，P%0.045%）2、优质钢（S%0.030%、P%0.035%）3、高级优质钢（S%0.020%，P%0.030%）4、特级优质钢（S%0.015%，P%0.025%）,http:/,（三）按用途分类1、碳素结构钢。结构钢又分为工程构件用钢和机器零件用钢两部分。工程构件用钢包括建筑工程用钢、桥梁工程用钢、船舶工程用钢、车辆工程用钢。机器用

5、钢包括调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢、渗碳和渗氮钢、耐磨钢等。这类钢一般属于低、中碳钢。2、碳素工具钢。工具钢分为刃具钢、量具钢、模具钢。主要用于制造各种刃具、模具和量具，这类钢一般属于高碳钢。,http:/,合金钢的分类 1.按合金元素含量多少分类 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%）。2、按所含的主要合金元素分类：锰钢 铬钢 硼钢 铬镍钢 硅锰钢 3、按用途分类 合金结构钢：制造各种机械零件和工程结构的钢合金工具钢：制造各种刀具、模具、量具的钢。特殊性能钢：如不锈钢、耐热钢等,http:/,三、碳钢的牌号与应用（一）、碳素结构钢

6、 1、碳素结构钢的牌号：以“Q数字字母字母”表示其中，“Q”字是钢材的屈服强度“屈”字的汉语拼音字首，紧跟后面的是屈服强度值，再其后分别是质量等级符号和脱氧方法。例如：Q235AF即表示屈服强度值为235MPa的A级沸腾钢。牌号中规定了A、B、C、D四种质量等级，A级质量最差，D级质量最好。按脱氧制度，沸腾钢在钢号后加“F”，半镇静钢在钢号后加“b”，镇静钢则加“Z”字母。2、碳素结构钢的主要成分及力学性能：如表,http:/,附表6-1碳素结构钢的牌号和化学成分（摘自GB/T700-1988）,http:/,附表6-2碳素结构钢的机械性能（摘自GB/T700-1988）,http:/,4、碳

7、素结构钢的主要用途Q195、Q215、Q235A、Q235B 塑性较好，有一定的强度，通常轧制成钢筋、钢板、钢管等，可用于做桥梁、建筑物等构件，也可用做普通螺钉、螺帽、铆钉等。,钢板、钢筋,螺钉、铆钉,http:/,建筑构件,钢桥梁,Q235C、Q235D 可用于重要的焊接件。Q255、Q275 强度较高，可制作承受中等载荷的普通零件。,这类钢常在热轧状态下使用，不再进行热处理。但对某些零件，也可以进行正火、调质、渗碳等处理，以提高其使用性能。,http:/,（二）优质碳素结构钢 1、优质碳素结构钢牌号：以“两位数字”表示。数字表示钢中平均碳质量分数的万分数。例如，钢号“20”即表示碳质量分数

8、为0.20%（万分之二十）的优质碳素结构钢。若钢中锰含量较高，则在这类钢号后附加符号“Mn”，如15Mn、45Mn等。沸腾钢、半镇静钢以及专门用途的优质碳素结构钢，应在钢号后特别标出。2、优质碳素结构钢的化学成分 含碳中等，有害杂质较少3、优质碳素结构钢的力学性能 强度、塑性、韧性较好,http:/,附表6-3优质碳素结构钢的化学成分（摘自GB/T699-1999）,http:/,4、优质碳素结构钢的用途优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件。常用优质碳素结构钢：08F 塑性好，可制造冷冲压零件；10、20钢 冷冲压性与焊接性能良好，可用作冲压件及焊接件，经过热处理（如渗碳）也可以制造轴、销等

9、零件；35、40、45、50钢 经热处理后，可获得良好的综合机械性能，用来制造齿轮、轴类、套筒等零件；,齿轮,曲轴,螺栓,http:/,60、65钢 主要用来制造弹簧。,弹簧,优质碳素结构钢使用前一般都要经过热处理。,http:/,（三）碳素工具钢 1、碳素工具钢的牌号：以“T数字字母”表示。钢号前面的“碳”或“T”表示碳素工具钢，其后的数字表示含碳量的千分之几。如平均含碳量为0.8%的碳素工具钢，其钢号为“碳8”或“T8”。含锰量较高者，在钢号后标以“锰”或“Mn”,如“碳8锰”或“T8Mn”。碳素工具钢均为优质钢，若含硫、磷更低，则为高级优质钢，则在钢号后标注“A”字。例如，T12A表示碳

10、质量分数为1.2%的高级优质碳素工具钢。2、碳素工具钢的成分及性能含碳量较高，硫、磷杂质含量较少，硬而耐磨，塑性差。,http:/,3、碳素工具钢的用途碳素工具钢用来制造各种刃具（低速）、量具、模具等。常用碳素工具钢：T7、T8 硬度较高、韧性较高，可制造冲头、凿子、锤子等工具。T9、T10、T11硬度高，韧性适中，可制造钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具等。T12、T13 硬度很高，韧性较低，可制作锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。,锉刀,钻头,http:/,量规,碳素工具钢使用前都要进行热处理（淬火+低温回火）。,http:/,（四）铸造碳钢（铸钢）铸钢主要用于制造形状复杂，需要一

11、定强度、塑性和韧性的零件，例如：机车车辆、船舶、重型机械的齿轮、轴，以及轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等。,重型机械齿轮,外壳,轧辊,http:/,1、铸钢的牌号：用“ZG+两组数字”表示ZG 铸钢两字的汉语拼音的首字母；第一组数字代表屈服强度值；第二组数字代表抗拉强度值。例如：ZG270 500表示屈服强度为270MPa、抗拉强度为500MPa的铸造碳钢。2、铸钢的主要成分及力学性能 碳含量是影响铸钢件性能的主要元素。随着碳含量的增加屈服强度和抗拉强度均增加，塑性、韧性却下降。所以在生产中使用最多的是ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570 三种。,http:/,附表6-46

12、 碳素铸钢的成分、机械性能及应用,http:/,二、合金钢的编号（一）合金结构钢、低合金高强度结构钢的牌号：以“Q数字字母字母”表示其中，“Q”字是钢材的屈服强度“屈”字的汉语拼音字首，紧跟后面的是屈服强度值，再其后分别是质量等级符号。合金结构钢以“两位数字元素数字”的方法表示。钢号的前两位数字表示平均含碳量的万分之几。合金元素以化学元素符号表示，合金元素后面的数字则表示该元素的含量，一般以百分之几表示。凡合金元素的平均含量小于1.5%时，钢号中一般只标明元素符号而不标明其含量。如果平均含量1.5%、2.5%、3.5%、时,则相应地在元素符号后面标以2、3、4。如为高级优质钢，则在其钢号后加“

13、高”或“A”。20CrMnTi表示平均含碳量为0.20%，主要合金元素Cr、Mn含量均低于1.5%，并含有微量Ti的合金结构钢；60Si2Mn表示平均含碳量为0.60%，主要合金元素Mn含量低于1.5%，Si含量为1.52.5%的合金结构钢。,http:/,（二）合金工具钢 以“一位数字（或没有数字）元素数字”表示。其编号方法与合金结构钢大体相同，区别在于含碳量的表示方法，平均含碳量1.0%时，则在钢号前以千分之几表示它的平均含碳量，当碳含量1.0%时，则不予标出。如9CrSi钢，平均含碳量为0.90%，主要合金元素为铬、硅，含量都小于1.5%。又如Cr12MoV钢，含碳量为大于1.0%（1.

14、451.70%），主要合金元素为11.512.5%的铬,0.400.60%的钼和0.150.30%的钒。高速钢的钢号，一般不标出含碳量，只标出合金元素含量平均值的百分之几。如“钨18铬4矾”（W18Cr4V，简称18-4-1），“钨6钼5铬4矾2”（W6Mo5Cr4V2，简称6-5-4-2）若其它成分相同，仅含碳量不同，在碳含量高的牌号前加“C”,http:/,（三）特殊性能钢特殊性能钢的牌号和合金工具钢的基本相同，以“一位数字（或没有数字）元素数字”表示。如不锈钢2Cr13表示含碳量为0.20%，含铬量为12.513.5%但也有少数例外，例如耐热钢20Cr3W3NbN其编号方法和结构钢相同，

15、但这种情况极少。当Wc0.03%和Wc0.08%时，牌号前分别加“00”及“0”（四）专用钢这类钢是指某些用于专门用途的钢种。它是以其用途名称的汉语拼音第一个字母表明该钢的类型，以数字表明其含碳量；化学元素符号表明钢中含有的合金元素，其后的数字标明合金元素的大致含量。,http:/,例如滚珠轴承钢在编号前标以“G”字，其后为铬（Cr）+数字，数字表示铬含量平均值的千分之几，如GCr15表示碳质量分数约1.0%、铬质量分数约1.5的滚珠轴承钢。这里应注意牌号中铬元素后面的数字是表示含铬量为1.5%,其他元素仍按百分之几表示，如GCr15SiMn表示含铬为1.5%，Si、Mn均小于1.5%的滚动轴

16、承钢。又如易切钢前标以“Y”字，Y40Mn表示含碳量约0.4%，含锰量小于1.5的易切钢。还有如20g表示含碳量为0.20%的锅炉用钢；16MnR表示含碳量为1.6%，含锰量小于1.5%的容器用钢。,http:/,第二节 合金元素在钢中的作用,钢的合金化目的是利用合金元素与铁、碳的相互作用和对铁碳相图及对钢的热处理的影响来改善钢的组织和性能。一、合金元素与铁、碳的作用合金元素加入钢中后，主要以三种形式存在钢中。即：与铁形成固溶体；与碳形成碳化物；还形成特殊碳化物。碳钢中有三个基本相，即铁素体、奥氏体和渗碳体。合金元素加入钢中时，可以溶于此三相中形成合金铁素体、合金奥氏体及合金渗碳体。,http

17、:/,（一）强化铁素体几乎所有的合金元素可溶入铁中,形成合金铁素体或合金奥氏体,合金元素溶于铁素体中，造成晶格畸变；产生固溶强化效果。合金元素使钢的强度、硬度升高，塑性和韧性下降。（二）形成合金碳化物合金元素按其与钢中碳的亲和力的大小,可分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。常见非碳化物形成元素有：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。它们基本上都溶于铁素体和奥氏体中。常见碳化物形成元素有：Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Ti 等在钢中一部分固溶于基体相中，一部分形成合金渗碳体,含量高时可形成新的合金碳化物。,http:/,碳化物是钢中的重要相之一，碳化物的类型、数量、大小、形状及分布

18、对钢的性能有很重要的影响，合金碳化物主要有两类：1）合金渗碳体 是渗碳体中一部分铁被碳化物形成元素置换后所得到的产物，可表达为(Fe，Me)3C（Me代表合金元素）。其晶体结构与渗碳体相同，但比Fe3C略为稳定，硬度有明显增加，因而可提高钢的耐磨性。是一般低合金钢中碳化物的主要存在形式。2）特殊碳化物 是由强碳化物形成元素生成的合金碳化物（如WC、VC、TiC等）。它是合金元素含量超过一定限度时，生成的一些碳钢中没有的新相。比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度与耐磨性，加热时很难溶于奥氏体中，更稳定。对钢的性能有很大影响。结论：合金元素与碳的亲和力越强，形成的碳化物越稳定熔点和硬度也越高，加热时也

19、难溶于奥氏体中，不易分解。,http:/,*Me可以是Mn、Cr、W、Mo、V等元素,钢中常见碳化物的类型及基本特性,http:/,二、合金元素对钢的热处理的影响合金钢一般都是经过热处理后使用的，合金元素对钢的热处理的影响主要表现在对加热、冷却和回火过程中的相变等方面。（一）对加热转变的影响钢在加热时，奥氏体化过程包括晶核的形成和长大，碳化物的分解和溶解，以及奥氏体成分的均匀化等过程。整个过程的进行，与碳、合金元素的扩散以及碳化物的稳定程度有关。,http:/,1、减缓奥氏体化进程大多数合金元素（除镍、钴以外）都减缓钢的奥氏体化过程。含有碳化物形成元素的钢，由于碳化物不易分解，使奥氏体化过程大

20、大减缓。因此，合金钢在热处理时，要相应地提高加热温度或沿长保温时间，才能保证奥氏体化过程的充分进行。2、阻碍奥氏体晶粒长大几乎所有的合金元素（除锰以外）都能阻止奥氏体晶粒的长大，细化晶粒。尤其是碳化物形成元素钛、矾、钼、钨、铌、锆等，易形成比铁的碳化物更稳定的碳化物，如TiC、VC、MoC等，这些碳化物在加热时很难溶解，能强烈地阻碍奥氏体晶粒的长大，细化晶粒。,http:/,结论：与相应的碳钢相比，在同样加热条件下，合金钢的组织较细，机械性能更高。（二）对冷却转变的影响1、提高钢的淬透性 大多数合金元素（除钴以外），都能提高过冷奥氏体的稳定性，使C曲线位置右移，临界冷却速度减小，从而提高钢的淬

21、透性。所以对于合金钢就可以采用冷却能力较低的淬火剂淬火，如采用油淬，以减小零件的淬火变形和开裂倾向。常用提高淬透性的元素有：Mo、Mn、Cr、Ni、Si、等。,http:/,必须指出,加入的合金元素,只有完全溶于奥氏体时,才能提高淬透性。如果未完全溶解,则碳化物会成为珠光体的核心,反而降低钢的淬透性。另外,两种或多种合金元素的同时加入(如,铬锰钢、铬镍钢等),比单个元素对淬透性的影响要强得多。对于非碳化物形成元素和弱碳化物形成元素，如镍、锰、硅等，会使C曲线右移，如图（a）所示。而对中强和强碳化物形成元素，如铬、钨、钼、矾等，溶于奥氏体后，不仅使C曲线右移，提高钢的淬透性，而且能改变C曲线的形

22、状，把珠光体转变与贝氏体转变明显地分为两个独立的区域，如图（b）所示。,http:/,http:/,2、增加残余奥氏体量 除钴、铝外，多数合金元素溶入奥氏体后，使马氏体转变 温度Ms和Mf点下降，钢的Ms点越低，Ms点至室温的温度间隔就越小，在相同冷却条件下转变成马氏体的量越少。而钢的残余奥氏体量的多少，对钢的硬度、尺寸稳定性、淬火变形均有较大影响。（三）对淬火钢回火转变的影响 1、提高淬火钢的回火稳定性回火稳定性（耐回火性）淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力。由于合金元素阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大过程，使 回火的硬度降低过程变缓，从而提高钢的回火稳定性。,http:/,由于合金钢的回火

23、稳定性比碳钢高，若要求得到同样的回火硬度时，则合金钢的回火温度就比同样含碳量的碳钢来的高，回火的时间也长，内应力消除得好，钢的塑性和韧性指标就高。所以，当回火温度相同时，合金钢的强度、硬度就比碳钢高。2.产生二次硬化 一些Mo、W、V含量较高的高合金钢回火时,硬度不是随回火温度升高而单调降低,而是到某一温度后反而开始增大，并在另一更高温度(一般为550 左右)达到峰值。这是回火过程的二次硬化现象,它与回火析出物的性质有关。当回火温度低于450 时,钢中析出渗碳体;在450 以上渗碳体溶解,钢中开始沉淀出弥散稳定的难熔碳化物Mo2C、W2C、VC等特殊碳化合物,使硬度重新升高。,http:/,还有回火过程中残余奥氏体转变为马氏体也可导致二次硬化。3.增大回火脆性含铬、镍、锰等元素的合金结构钢，在450600范围内长期保温或回火后缓冷均出现高温回火脆性。这是因为合金元素促进了锑、锡、磷等杂质元素在原奥氏体晶界上的偏聚和析出，削弱了晶界联系，降低了晶界强度而造成的。因此，对这类钢应该在回火后采用快冷或加合金Mo、W、等以防止高温回火脆性的产生。,http:/,