机械工程材料第五章

机械工程材料及热处理佛山科学技术学院机电系主将：周应龙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。一、钢的分类及编号1.钢的分类①按化学成分分中碳钢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5%中合金钢合金元素总量5~10%高合金钢合金元素总量10%碳素钢合金钢钢类碳素钢合金钢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≤0.015②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：③按金相组织分亚共析钢共析钢过共析钢按退火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电弧炉炼钢④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齿轮刀具2.钢的牌号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—2000）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尾碳素工具钢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。2）优质碳素结构钢优质碳素结构钢：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）3）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）4）合金结构钢牌号为碳含量+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+……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。5）合金工具钢用前一位数字表示平均碳质量分数的千分数，当平均碳质量分数大于1%时，不标出其碳质量分数，如W6Mo5Cr4V26)滚动轴承钢用G+Cr数字表示，数字表示铬质量分数的千分比，如GCr15，表示铬的平均质量分数为1.5%7)不锈钢及耐热钢前面数字表示碳质量分数的千分之几，如9Cr18，表示碳平均质量分数为0.9%。8）铸钢，牌号由ZG+数字表示。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3、对奥氏体相区的影响⑴Ni、Mn、Co、C、N等元素扩大奥氏体相区。Mn13%或Ni9%时,室温下为单相奥氏体组织,称奥氏体钢。⑵Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等元素缩小奥氏体相区Cr13%时，室温下为单相铁素体组织，称铁素体钢。锰对奥氏体相区的影响铬对奥氏体相区的影响（3）对E点和S点位置的影响所有合金元素均使E（共晶）点和S（共析）点左移，即这两点的含碳量下降，使碳含量比较低的钢出现过共析组织（如4Cr13）或共晶组织（如W18Cr4V）。(4)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。4、提高钢的淬透性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5、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：含碳量在0.06%0.38%之间，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。见表5-2热轧钢板三、结构钢（二）优质碳素结构钢这类钢中有害杂质较少、强度、塑性、韧性均比普通碳素钢好，主要用于制造重要的机械零件。见表5-3（三）普通低合金结构钢（表5-4）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。（四）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(0.1-0.2%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)；常用的牌号、热处理、性能及用途见表5-5（五）调质钢——调质后使用的钢种。1、成分特点中碳(0.27-0.5%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、Mo2、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（表5-6）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。（六）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4、常用钢号及用途常用钢号为65Mn、60Si2Mn耐热的弹簧用50CrV。（七）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(60-80℃)，以减少A，稳定尺寸。滚针轴承滚柱轴承滚珠轴承大型轴承4、常用钢号及用途应用最广的是GCr15，大量用于大中型轴承；大型轴承用GCr15SiMn。这类钢还可用于制造模具、量具等。四、工具钢模具量具刃具1、碳素工具钢（表5-9）共有七个牌号：T7-T131）成分特点：高碳（0.65-1.35%C）随含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韧性下降。锉刀手锤T12钢正常淬火组织球状珠光体2）热处理及组织热处理：正火+球化退火+淬火+低温回火球化退火目的：①降低硬度，便于加工；②为淬火作组织准备。⑵使用状态下的组织：M回+颗粒状碳化物+A(少量)木工凿手锤圆冲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。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：制造低速切削工具，如钻头、丝锥、车刀等。T12-T13：制造耐磨工具，如锉刀、锯条等。丝锥锉刀手锯条钻头2、合金刃具钢在碳素工具钢基础上加入少量合金元素(≤3-5)形成的，比碳素工具钢具有更高的硬度、耐磨性、淬透性和热硬性、一定的强度、韧性和塑性，防止受压和冲击折断。板牙丝锥1）低合金刃具钢（表5-10）成分特点：⑴高碳：0.8-1.5%C⑵合金元素作用①提高淬透性:Cr、Mn、Si③提高耐磨性、细化晶粒:W、V丝锥板牙热处理及组织同碳素工具钢，只是淬火介质为油（碳工钢为水淬）。使用状态下的组织为：M回+颗粒状碳化物+A（少量）常用钢号及用途应用最多的是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。高速钢铣刀2）高速钢（俗称风钢）制造高速切削刃具用钢。性能特点：高热硬性(达600℃)、高淬透性。成分特点⑴高碳：0.70-1.6%C⑵高合金元素含量（总量超过10%）①提高淬透性：Cr②提高热硬性、耐磨性：W、Mo、VW18Cr4V钢的铸态组织加工与热处理加工工艺路线：下料→锻造→退火→机加工→淬火→回火→磨削高速钢是莱氏体钢，其铸态组织为亚共晶组织，由鱼骨状莱氏体与树枝状M+T组成，脆性大且无法通过热处理改善。W18Cr4V钢的退火组织退火目的：降低硬度,便于切加工；为淬火作组织准备。退火后组织：S+颗粒状碳化物锻造目的：打碎粗大的鱼骨状碳化物，使其均匀分布于基体中。W18Cr4V钢的淬火组织淬火目的：获得高合金元素含量的马氏体。淬火温度(1200℃)。淬火后组织：M+未溶碳化物（10%）+A（20%）W18Cr4V硬度与回火温度关系回火目的：主要为减少A，消除内应力。常采用560℃三次回火。回火时的组织变化：①析出W、Mo、V的碳化物，产生二次硬化。②碳及合金元素含量下降，Ms点上升，回火冷却时，A转变为M。每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。W18Cr4V钢淬火、回火后的组织使用状态下组织M回+颗粒状碳化物+A（少量）不同状态下W18Cr4V的组织铸态淬火回火态淬火态退火态车刀铣刀钻头常用高速钢号及用途常用钢号有两种：一是钨系W18Cr4V（18-4-1），另一种是钨-钼系W6Mo5Cr4V2（6-5-4-2）。钨系用于高速切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀、钻头等。汽车冲压模