第七章--钢铁材料1

1《机械工程材料》主讲教师：吴宜勇电话：864124622主要内容绪论第一章材料的内部结构第二章结晶与显微组织第三章工程材料的力学性能第四章工程材料的物理、化学性能第五章工程材料的强化理论第六章钢的热处理与马氏体相变强化第七章钢铁材料第八章有色金属及其合金3第七章钢铁材料定义：钢铁材料通常包括钢和铸铁，包含所有实用的Fe-C基合金实用:成分可调，易于冶炼（可制造性）综合性能（可使用性）好，机械性能尤为突出资源丰富（存在性）钢:含碳量小于2.11%；铸铁：含碳量大于2.11%学习目的：通过对钢铁材料的学习,举一反三,为在工程中正确选择和使用材料打下理论基础Fe-C基合金:以Fe-C主要元素,加入其他合金元素改性4第七章钢铁材料7.1概述钢材分类钢材牌号7.2普通结构钢普通碳素钢普通低合金高强度钢7.3优质结构钢渗碳钢调质钢弹簧钢轴承钢7.4工具钢刃具钢模具钢量具钢7.5特殊性能钢不锈钢耐热钢其他特殊钢7.6铸铁概述铸铁的石墨化常用普通铸铁57.1.1钢铁材料的分类1.成份分类2.供应状态显微组织低碳(C0.25%)；中碳(0.25%C0.6%)；高碳(C0.6%)；低合金(含量5%)；中合金(5%含量10%)；高合金(含量10%)；亚共析钢(C0.77%)；共析钢(C=0.77%)；过共析钢(C0.77%)；珠光体，贝氏体，马氏体奥氏体，过渡混合组织碳钢合金钢退火态正火态7.1概述67.1.1钢铁材料的分类7.1概述3.冶金质量4.用途普通质量钢(P0.045%,S0.05%)优质钢(P0.035%,S0.035%)高级优质钢(P0.025%,S0.025%)工程结构钢：建筑、桥梁、船舶、车辆、压力容器机器零件用钢：渗碳钢；调质钢；弹簧钢；轴承钢工具钢：刃具钢；模具钢；量具钢特殊性能钢：不锈钢；耐热钢；耐寒钢问题：按用途分类的各类钢，在成分上、冶金质量上和供应态显微组织的特点？77.1.2钢的编号7.1概述•钢编号原则：我国采用国际化学符号、数字及汉语拼音并用的原则国际化学符号:材料组成(一般指除基本元素以外的合金元素),如Ni,Co,Cr,W,Mn,Si等汉语拼音:用于说明材料的产品名称、用途、冶炼和浇铸方法等。表7-1列出了部分钢号中的汉语拼音字符的意义举例，16Mn,16Mnq,GCr15,T10,T10A等数字:一般表示某组成元素的含量(用整数),表示方法根据材料不同87.1.2钢的编号7.1概述表7-197.1.2钢的编号7.1概述1.普通结构钢：普通碳素结构钢（普碳钢）：钢号由代表屈服点的拼音字母Q、屈服强度数值（单位为MPa）、钢材的质量等级符号（A、B、C、D）以及钢的冶炼脱氧方法（F、b、Z、TZ）等四部分按顺序组成。举例：Q235-A.F表示该材料的屈服强度为235MPa，质量等级A，F指沸腾钢普通低合金结构钢（普低钢）：钢号由“数字a+（元素符号+数字b）+（元素符号+数字c）+…”组成。数字a：为两位整数，表示钢材含碳量的万分数数字b，c…：为一位或两位整数，表示钢材含有合金元素的百分数。107.1.2钢的编号7.1概述2.优质碳素结构钢:平均碳含量两位数---万分数。45钢3.碳素工具钢:“T”+平均碳含量---千分数。T8;T10;T8A4.合金结构钢:牌号表示法与普低钢类似。60Si2Mn5.合金工具钢:平均碳含量千分数+合金元素+含量%。9Mn2VC1%时不标注含碳量。CrMn(C:1.3~1.5%)高速钢：不标注含碳量。W18Cr4V(C:0.7~0.8%)6.滚动轴承钢:一般含碳量为0.95~1.15%，不标注。钢号前加注“G”。GCr157.不锈钢及耐热钢:平均碳含量---千分数。9Cr18(C~0.9%,Cr18%)。含碳量小于0.03%及0.08%时，在钢号前分别加“00”及“0”，00Cr18Ni10117.2普通结构钢•构件钢损伤破坏例:Titanic号沉船与构件(船用)钢TitanicSinkingofTheTitanic•按照常规的拉伸试验,强度-塑性指标满足船用结构的要求•但是杂质含量较高•高的韧-脆转变温度,不适于低温服役•Tatanic撞击冰山的温度为-2°CASTMA36(Q235)钢样品Charpy冲击能---温度试验---韧性127.2普通结构钢•桥梁与构件钢美国旧金山金门大大桥九江长江大桥（15MnVNq）首次采用高强度15MnVNq钢材（屈服强度420MPa）武汉长江大桥（Q235q）南京长江大桥（16Mnq）,屈服强度350MPa。137.2普通结构钢7.2.1构件用钢的性能要求和选材1.使用性能：保证钢材安全可靠服役的性能要求•构件用钢使用特点：4.在一定温度与环境条件下1.用于制作工程结构,冶炼简便,成本低,用量大3.长期承受静载2.供应态使用,使用时一般没有相对运动•构件用钢性能要求：（1）力学（机械性能）：刚度、塑变抗力、断裂抗力、塑性、缺口敏感性、冷脆倾向（2）化学稳定性：耐环境（大气、海水、河水、工业环境）腐蚀能力147.2普通结构钢7.2.1构件用钢的性能要求和选材•构件用钢性能要求：2.工艺性能:满足构件服役时形状和连接要求的性能（1）冷变形性能：（2）焊接性能：a.变形抗力反映了通过变形制备成设计形状部件的难易程度b.承受一定量的塑性变形时产生变形、开裂或其它缺陷的倾向性c.冷变形前后的性能变化a.焊接接头性能b.焊接时形成裂缝的倾向•构件用钢选材原则：1.选材首先满足工艺性能的要求，并充分考虑其力学性能2.材料的成分以低碳钢(C0.2%)为主；材料组织:大量F+少量P3.构件材料供应态（热轧空冷正火态）直接使用；特殊情况下使用淬火回火态157.2普通结构钢7.2.2普通碳素结构钢（普碳钢）•普碳钢的生产与用途占钢总产量的70~80%制成各种型材，主要用作工程结构(建筑、车辆等)少量用作普通零件•类别与特点（国标GB700-88)五类：Q195,Q215,Q235,Q255,Q275(表7-2，7-3）Q195碳含量低，塑性好。也常用于制铁钉、丝、各种薄板和冲压件Q215,Q235,Q255也可制普通零件，如铆钉、螺钉和不重要的渗碳件Q275属中碳钢。可代替30或40钢做普通零件特殊用途：更具特殊构件的要求，调整材料的成分和生产工艺制成特殊用途钢。如Q235q,20g,C20167.2普通结构钢7.2.2普通碳素结构钢（普碳钢）177.2普通结构钢7.2.2普通碳素结构钢（普碳钢）187.2普通结构钢7.2.3普通低合金结构钢（普低钢）•普低钢的出现与特点适应大型工程结构(大型桥梁、压力容器及船舶等),减轻重量、提高构件可靠性既节约材料而发展起来的成分上属低碳低合金钢,但强度高,又称高强度低合金钢(HSLA)低碳：满足构件用钢工艺性能的要求低合金：加入以Mn为主的合金元素，以及V、Ti、Nb、N等。提高力学性能和其它使用性能•通用钢材：按屈服强度高低分为300MPa、350MPa、400MPa、450MPa、500MPa和650MPa六个级别（表7-4）问题：加入合金元素提高钢材性能的原因？197.2普通结构钢7.2.3普通低合金结构钢（普低钢）•比较Q235、16Mn及16MnNb成分、结构和性能差异，说明其原因207.3优质结构钢•包括优质碳素结构钢和优质合金结构钢•重要机器零件、工具和其它特殊用途,本节主要介绍机器零件用钢，即渗碳、调质、弹簧和轴承用钢•工作条件：复杂的动静载荷和特殊环境首先满足使用性能（强度、塑性和韧性的有机结合）提高加工和热处理工艺性217.3.1渗碳钢(1)：概念•目的：获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳和弯曲疲劳强度•渗碳材料及其性能低(中)碳钢或低(中)碳合金钢一定的整体强度和良好的塑性韧性•渗碳过程的分类渗剂状态：固体、液体和气体可控气氛渗碳和真空渗碳•渗碳温度：900~930°C(为什么？)•渗碳后热处理•渗碳组织•渗碳缺陷渗碳概念：钢件在渗碳介质中加热和保温，碳原子渗入表面，获得一定的表面碳含量及碳浓度梯度的工艺7.3优质结构钢227.3.1渗碳钢(2)：渗碳后的热处理•钢渗碳后的热处理---淬火直接淬火：适用于气体和液体渗碳操作简单，效率高；变形和表面脱碳倾向小A体晶粒较大，不利于零件的机械性能。适宜本质细晶粒钢一次加热淬火：渗碳缓冷后再次加热淬火淬火温度：Ac3---心部组织细化，表面Ar多淬火温度：Ac1~Ac3---心部有未溶粗大F,表面性能好两次加热淬火：渗碳缓冷后进行两次加热淬火第一次淬火温度Ac3：细化心部组织，消除表面网状碳化物第二次淬火温度稍高于Ac1点(780~820°C)：表面组织细化（隐晶M)，Ar适量，碳化物分布均匀•钢渗碳后的热处理---回火渗碳件淬火后都要经过180~200°C低温回火7.3优质结构钢237.3.1渗碳钢(3)：渗碳后的组织和缺陷•渗碳后表面碳含量约为0.8~1.2%•解释组织结构变化？•主要的渗碳缺陷：黑色组织：内氧化引起反常组织：先共析渗碳体周围出行铁素体，钢中含氧过高引起。渗层深度不均匀:原始组织不均匀；钢表面污染或氧化。表面贫碳脱碳:炉内碳势过低;渗后热处理氧化7.3优质结构钢247.3.1渗碳钢(4)：工程用渗碳钢1.渗碳钢的工作条件：•零件有较高的强度和可靠性•零件会受到较大的表面摩擦•零件会受大较大的冲击作用2.渗碳钢的性能要求：常用渗碳钢零件：齿轮，凸轮，活塞销•一定的强度和塑性，以抵抗拉伸、弯曲和扭转等变形破坏•表面较高的硬度和耐磨性，以抵抗磨损和表面接触疲劳•较高的韧性，以承受强烈的冲击作用•较好的抗疲劳破坏能力，以抵抗循环载荷的作用7.3优质结构钢257.3.1渗碳钢(4)：工程用渗碳钢渗碳钢零件齿轮的主要失效形式齿跟因过载、冲击或疲劳断裂过载齿形流变接触疲劳麻点过载、润滑不当或过热引起的表面粘着磨损磨粒或麻点破坏7.3优质结构钢267.3.1渗碳钢(4)：常用渗碳钢7.3优质结构钢277.3.1渗碳钢(5)：合金化及加工工艺渗碳钢“外硬里韧”的力学性能特点通过选择低碳钢的表面渗碳来满足，但低碳钢是满足不了高性能零件的要求，这主要是由于：1）形状、尺寸变化：高的淬透性要求2）长寿命可靠性：更高的表面耐磨性和整体机械性能的要求合金化合金化元素Cr,Mn,Ni,Mo,B,Ti2020Cr20CrMnTi7.3优质结构钢287.3.1渗碳钢(5)：合金化及加工工艺•零件加工工艺路线：注意热处理工艺要求下料锻造正火机械加工渗碳低温回火磨削精加工装配预冷淬火问题：试说明渗碳钢各热处理工艺选择的目的，正火、淬火温度和回火温度？并说明原因。7.3优质结构钢297.3.1渗碳钢(5)：渗碳钢零件组织预备热处理（正火）：F+S最终热处理---淬火+低温回火改善组织利于机加工硬度HB170-210表面心部M回+碳化物粒+Ar完全淬透不完全淬透M回+FF+S问题：试说明表面至心部的组织过渡情况？7.3优质结构钢30317.3.2调质钢(1)：特点和要求调质钢概念：经淬火加高温回火而使用的结构钢组织特点:回火索氏体性能特点：综合机械性能好1.调质钢的工作条件及性能要求：•使用调质钢的零件：机床主轴，曲轴，连杆•工作条件：承受较大弯矩，传递扭矩受交变应力，已产生疲劳启动或刹车时受冲击与轴承配合部有磨损7.3优质结构钢327.3.2调质钢(1,2)：特点和要求,常用调质钢•调质钢的性能要求：高的屈服强度和疲劳极限良好的塑性韧性局部优良耐磨性较好淬透性2.常用调质钢：中碳(合金)钢,如45,40Cr,38CrMoAl调质处理低碳钢中碳钢高碳钢韧性好，但强度过低强度韧性最佳配合强度高，但韧性偏低7.3优质结构钢337.3.2调质钢(2)：常用调质钢7.3优质结构钢34中碳钢的调制处理实现零件良好的综合机械性能要求，但中碳钢满足不了高性能零件的要求，由于：1）高的淬透