碳钢基础知识.

碳钢•钢铁材料是钢和铸铁的统称。•钢是以铁为主要元素，含碳量一般在2.11%以下，并含有其他元素的材料。•铸铁是碳含量大于2.11%的铁碳合金。含碳量2.11%通常是钢和铸铁的分界线。•根据化学成分，钢分为非合金钢、低合金钢和合金钢。一、碳钢的分类高级优质二、碳素结构钢牌号表示方法：由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四部分顺序组成。质量等级有：A、B、C、D脱氧方法有：F（沸腾钢）、b（半镇静钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）。通常Z和TZ可省略。例如：Q235－AF1.普通碳素结构钢碳素结构钢牌号、性能特点及用途见下表2.优质碳素结构钢2.优质碳素结构钢牌号表示法：用两位数字表示钢平均含碳量的万分数，如40钢。含锰量较高（WMn=0.7％～1.2％）的钢，在两位数字后面写“Mn”，如60Mn钢。脱氧方法表示法同碳素结构钢。高级优质钢，在牌号后面加“A”；特级优质钢，在牌号后面加“E”。2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢牌号、性能特点及用途见表（每种牌号的具体数值可查资料，这里仅按性能、用途类似的归纳作介绍）3、碳素工具钢牌号表示法：用“碳”的汉语拼音字首“T’加数字（表示钢的平均Wc的千分数）表示，例如，T8A。这类钢Wc＝0.65％～1.35％，一般均需热处理后使用，主要制作低速切削刃具,以及对热处理变形要求低的一般模具、低精度量具等。碳素工具钢牌号、性能特点及用途见表二、碳钢的性能•材料是机器的物质基础。金属材料的性能是选择材料的主要依据。金属材料的性能一般分为工艺性能和使用性能。工艺性能是指金属材料从冶炼到成品的生产过程中，在各种加工条件下表现出来的性能；使用性能是指金属零件在使用条件下金属材料表现出来的性能。金属材料的使用性能决定了它的使用范围。使用性能包括物理性能、化学性能和力学性能。1.物理性能•(1)密度金属的密度即是单位体积金属的质量，其单位为ｋｇ／ｍ3。根据密度的大小，金属材料可分为轻金属和重金属。密度小于4.5ｇ／ｃｍ3的金属叫做轻金属，如铝，钛等。•(2)熔点金属从固体状态向液体状态转变时的温度称为熔点。熔点一般用摄氏温度（℃）表示。各种金属都有其固定熔点。如铅的熔点为323℃，钢的熔点为１５３８℃。熔点对于冶炼、铸造、焊接和配制合金等都很重要。熔点低于１０００℃的金属称为低熔点金属，熔点在１０００～２０００℃的金属称为中熔点金属，熔点高于２０００℃的金属称为高熔点金属。•(3)导热性金属材料传导热量的能力称为导热性。一般用热导率（导热系数）λ表示金属材料导热性能的优劣。热导率大的金属材料的导热性好。在一般情况下，金属材料的导热性比非金属材料好。金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。导热性好的金属散热也好，可用来制造散热器零件，如冰箱、空调的散热片。•(4)热膨胀性金属材料在受热时体积会增大，冷却时则收缩，这种现象称为热膨胀性。各种金属的热膨胀性能不同。在实际工作中有时必须考虑热膨胀的影响。例如，一些精密测量工具就要选用膨胀系数较小的金属材料来制造；铺设铁轨、架设桥梁、金属工件加工过程中测量尺寸等都要考虑到热膨胀的因素。•(5)导电性•金属材料传导电流的性能称为导电性。但各种金属材料的导电性各不相同，其中以银为最好，铜、铝次之，工业上用铜、铝做导电的材料。导电性差的高电阻金属材料，如铁铬合金、镍铬铝、康铜和锰铜等用于制造仪表零件或电热元件，如电炉丝。•(6)磁性金属导磁的性能称为磁性。具有导磁能力的金属材料都能被磁铁吸引。铁、钴等为铁磁性材料，锰、铬、铜、锌为无磁性或顺磁性材料。但对某些金属来说，磁性也不是固定不变的，如铁在７６８℃以上就表现为没有磁性或顺磁性。铁磁性材料可用于制作变压器、电机的铁心和测量仪表零件等；无（顺）磁性材料可用做要求避免磁场干扰的零件。2.化学性能•金属材料的化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能。1耐腐蚀性金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀作用的能力，称为耐腐蚀性。常见的钢铁生锈，就是腐蚀现象。•2抗氧化性金属材料抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。金属材料在加热时，氧化作用加速，如钢材在锻造、热处理、焊接等加热作业时，会发生氧化和脱碳，造成材料的损耗和各种缺陷。因此，在加热坯件或材料时，常在其周围形成一种还原气体或保护气体，以避免金属材料的氧化。3化学稳定性化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性叫做热稳定性。用于制造在高温下工作的零件的金属材料，要有良好的热稳定性。3.力学性能力学性能又称为机械性能，是指材料在力作用下所显示的性能，主要有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。(1)强度强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂的能力。常用的强度判据是屈服点（旧称屈服强度、屈服极限）和抗拉强度。测定强度判据的方法是拉伸试验。拉伸曲线：拉伸力（F）和伸长量（l-lo）的关系曲线。材料受外力作用后，导致材料内部之间产生的相互作用力称为内力，其大小和外力相等、方向相反。单位面积上的内力称为应力，用符号σ表示。1）弹性极限试样产生完全弹性变形时所能承受的最大应力。式中Fe—试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉伸力，单位N。Ao—试样原始横截面积，单位mm2oeeAFσMPa2）屈服点定义：是指试样在试验过程中力不增加还能继续伸长时的应力。式中Fs—试样产生屈服现象时的拉伸力，单位N。Ao—试样原始横截面积，单位mm2条件屈服强度ossAFσMPaor0.2rAF2.0σMPa3）抗拉强度定义：是指试样拉断前所能承受的最大拉应力。式中Fb—试样拉断前所能承受的最大拉伸力，单位N。Ao—试样原始横截面积，单位mm2屈强比（σs/σb）工程上用的材料，除要求有较高的抗拉强度，还希望有一定的屈强比（σs/σb）。屈强比越小，零件可靠性越高，使用中超载不会立即断裂。但屈强比太小，则材料强度的有效利用率降低。obbAFσMPa2、塑性指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。塑性判据是断后伸长率和断面收缩率。1）断后伸长率断后伸长率是指试样拉断后的伸长与原始标距的百分比。100%lllookδ2、塑性指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。塑性判据是断后伸长率和断面收缩率。2）断后收缩率断后收缩率是指试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。100%AAAkkoψ3、硬度硬度是材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力它衡量材料软硬的判据。目前最常用的硬度试验法是布氏硬度试验法、洛氏硬度试验法和维氏硬度试验法。1）布氏硬度压AFHBWHBS)(kgf/mm2式中A压—压痕球形表面积，mm2Ｄ—压头直径，mm2ｄ—压痕平均直径，mm。）（π22dDDDFHBWHBS2)(kgf/mm2(试验力F单位用kgf)（可从资源中心下载拉伸试验视频资料演示）1）布氏硬度布氏硬度的表示方法：140HBS10／10000／30500HBW5／7500一般在零件图或工艺文件上标柱材料要求的布氏硬度值时，不规定试验条件，只标出要求的硬度范围和硬度符号，例如200～230HBS。HBS用于测试硬度值小于450的材料；HBW用于测量硬度值在450～650范围的材料。布氏硬度主要用来测定铸铁、有色金属、以及退火、正火和调质处理的钢材的硬度，如半成品和原材料。2）洛氏硬度002.0hCHR式中，C为常数，压头是金刚石圆锥时，C＝100；压头为淬火钢球时,C＝130。2）洛氏硬度以淬火、低温回火GCr15钢为例，测量HRC值（从资源中心下载）2）洛氏硬度洛氏硬度无单位，需标明硬度标尺符号，在符号前面写出硬度值，如60HRC、80HRA、90HRB。洛氏硬度各标尺之间没有对应关系，不能直接比较硬度值的高低。洛氏硬度试验操作简单、迅速、压痕小，主要用于测试热处理后硬度较高的成品零件及较薄的工件，对于组织和硬度不均匀的材料，硬度值波动较大，准确性不如布氏硬度值。3）维氏硬度2189.0102.0dFAFHVoKgf/mm2式中F—试验力，NAo—压痕面积，mm2d—压痕对角线的算术平均值，mm。以淬火、低温回火T8A钢为例，测量HV值（从资源中心下载相关视频资料）3）维氏硬度维氏硬度值一般不标单位，在符号HV前写出硬度值。维氏硬度试验因试验力小（常用49.03N），压痕浅，轮廓清晰，数值准确，试验力选择范围大（49.03~980.7N），所以可测量从很软到很硬材料的硬度，维氏硬度值之间能直接进行比较。维氏硬度常用来测试薄片材料、金属镀层及零件表面硬化层的硬度，但试验麻烦，不宜用于成批生产的常规检验。特别说明：各种硬度试验法测得的硬度值不能进行直接比较，必须通过硬度换算表换算成一种硬度值后，方能比较硬度高低。4.韧性与疲劳强度1）韧性韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力,可用来衡量金属材料抵抗冲击载荷能力。韧性的判据通过冲击试验来测定。（注：可从资源中心下载相关视频资料）40Cr钢冲击吸收功测定试验5.疲劳强度循环应力：应力的大小和方向随时间作周期性的变化。零件在循环应力作用下，常在远小于该材料的σb，甚至小于σS强度的情况下发生断裂的现象称为金属的疲劳，金属疲劳的判据是疲劳强度。试验证明，当σ低于某一数值时，材料可经过无数次循环应力作用而不断裂，这一应力称为疲劳强度。在工程上，疲劳强度是指在一定的循环次数下不发生断裂的最大应力。一般规定，钢铁材料的应力循环次数取108，有色金属取107。合理设计零件结构、避免应力集中、降低表面粗糙度值、进行表面滚压、喷丸处理、表面热处理等，可以提高工件的疲劳强度。