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工程材料学MechanicalEngineeringMaterialsScience第四章常用金属材料常用金属材料§1工业用钢钢的分类和牌号。合金元素在钢中的作用。各类工业用钢的分类、编号及用途。常用金属材料一、钢的分类和牌号1、钢的分类常用金属材料2、钢的牌号常用金属材料1.碳素结构钢:Q235—A·F沸腾钢A等级235MPa屈服强度常用金属材料*45---Wc=45%00=0.45%*较高锰质量分数的优质碳素结构钢45Mn---Wc=45%00=0.45%;WMn=0.7%~1.0%2.优质碳素结构钢:钢号是钢中平均碳含量分数的万分之几常用金属材料3.碳素工具钢T+钢中碳含量分数的千分之几T12A高级优质Wc=12%0碳素工具钢常用金属材料4.合金结构钢数字+元素+数字碳含量%00化学元素符号元素含量%,1.5%不标出常用金属材料碳含量%0,1%不标出化学元素符号元素含量%,1.5%不标出5.合金工具钢数字+元素+数字高速钢一般不标出碳质量分数,仅给出合金元素平均质量分数的百分数。常用金属材料6.滚动轴承钢G+Cr+数字主加元素为铬元素铬含量%0滚动轴承钢常用金属材料7.不锈钢及耐热钢数字+元素+数字碳含量%0,当0.03%C钢号前标00,当0.08%C钢号前标0。化学元素符号元素含量%,1.5%不标出常用金属材料ZG200-400σs≥200MPa铸钢8.铸钢σb≥400MPa常用金属材料二、合金元素在钢中的作用1.强化铁素体常用金属材料2.形成合金碳化物Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱强弱碳化物元素:Fe、Mn。中强碳化物元素:Cr、Mo、W。强碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。常用金属材料(1)合金渗碳体:合金元素置换Fe3C中的碳原子,如(Fe,Cr)3C,(Fe,Mn)3C等。(2)特殊碳化物:中强碳化物形成元素形成的与渗碳体结构完全不同的化合物。具有简单晶格的间隙相化合物:WC,VC等具有复杂晶格的碳化物:Cr23C6,Fe3W3C等。常用金属材料3.阻碍奥氏体晶粒长大除Mn元素外,所有合金元素的加入,均使奥氏体的形成速度减慢。强碳化物形成元素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、Cu、Co等)。常用金属材料4.提高钢的淬透性除Co元素外,所有的合金元素均使钢的TTT曲线向右移。除Co、Al元素外,所有的合金元素都使马氏体转变温度下降。提高钢的淬透性,常用的元素有:Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。常用金属材料5.提高回火稳定性回火抗力的增加(temperresistance)二次硬化的产生(secondaryhardening)产生回火脆性(temperbrittleness)W、Mo、V等碳化物在550℃时,使钢达到最高硬度,产生二次硬化。常用金属材料三、结构钢1.碳素结构钢(0.06-0.38%C)常用金属材料2.优质碳素结构钢常用金属材料3.普通低合金结构钢(1)化学成分:碳素结构钢+合金元素主加合金元素:Mn1.8%以内。辅加合金元素:V、Ti、Nb、B。组织结构:珠光体+铁素体。焊接性:焊接性能良好,广泛用于桥梁、船舶、车辆、建筑、锅炉、高压容器、输油输气管道等。常用金属材料常用金属材料万吨远洋轮南京长江大桥压力容器常用金属材料4.渗碳钢(1)对渗碳钢的性能要求:(2)对渗碳钢的含碳量的要求:低碳(3)渗碳钢的热处理特点:渗碳淬火+低温回火(180~200℃)表硬里韧(4)渗碳钢的应用:制造表面承受强烈摩擦和磨损,同时承受动载荷,特别是冲击载荷的机器零件。常用金属材料Wc≤0.25%Wc=0.15~0.25%合金元素:Cr、Mn、Ni、B、V、W、Mo、Ti等。表层:M回+Fe3C+A残心部:F+P表层:M回+Cm+A残心部:低碳M回+F碳素渗碳钢合金渗碳钢化学成分热处理后的组织常用金属材料常用金属材料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%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)常用金属材料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5.调质钢(1)对调质钢的性能要求:既强又韧(2)对调质钢的含碳量的要求:中碳(3)调质钢的热处理特点:淬火+高温回火(500~650℃)常用金属材料Wc=0.25-0.6%Wc=0.25~0.5%合金元素:Cr、Mn、Ni、B、Si、V、W、Mo、Ti等。表层:S回心部:F+P表层:S回心部:S回碳素调质钢合金调质钢化学成分热处理后的组织常用金属材料常用金属材料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。38CrSi、35CrMo等。圆锥齿轮柴油机凸轮轴常用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。常用金属材料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。38CrMoAlA、40CrMnMo、25Cr2Ni4WA等。40Cr钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线常用金属材料6.弹簧钢(1)对弹簧钢的性能要求:高的σe、高的σs/σb、高的σ-1、良好的韧性。(2)对弹簧钢含碳量的要求:中、高碳。(3)热成型弹簧钢的热处理特点:淬火+中温回火(450~550℃)常用金属材料碳素弹簧钢合金弹簧钢化学成分热处理后的组织Wc=0.6~0.9%Wc=0.5~0.7%合金元素:Si、Mn、Cr、V、W、Mo等。T回制造尺寸小于Φ8~15mm的小型弹簧。T回制造尺寸在Φ20~25mm左右的弹簧。常用金属材料常用金属材料汽车板簧大型热卷弹簧热卷大弹簧弹簧丝常用金属材料7.滚动轴承钢(1)性能要求: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;高的纯净度;滚珠轴承滚针轴承滚柱轴承常用金属材料(2)化学成分特点:高碳,Wc=0.9~1.1%。主加Cr,0.4~1.65%辅加Si、Mn。优质钢材。(3)热处理特点:球化退火+淬火+低温回火极细回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体常用金属材料轴承钢对淬火温度要求非常严格。温度过高会导致残余奥氏体量增加,得到粗大马氏体组织,机械性能急剧降低。常用金属材料常用金属材料四、工具钢制造各种刃具、模具、量具和其他工具的钢。(1)性能要求:高硬度、高耐磨性,有一定的强度和韧性。(2)化学成分特点:高碳。(3)热处理特点:淬火+低温回火(4)组织:M回+Fe3C+A残1.碳素工具钢常用金属材料常用金属材料锉刀板牙手锤常用金属材料2.合金刃具钢性能要求:高硬度、高耐磨性、有一定的红硬性、强度和韧性,工作温度不超过300℃。化学成分特点:*高碳:0.8~1.5%C*加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素。热处理特点:球化退火淬火+低温回火(1)低合金刃具钢常用金属材料9SiCr钢板牙热处理工艺曲线板牙常用金属材料性能要求: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。(2)高速钢---锋钢、风钢;18–4–1钢金属材料车刀铣刀钻头常用金属材料化学成分特点:高碳0.7~1.5%:钨18%:钼5%:铬4%:钒1.5%:保证高硬度退火状态下形成M6C碳化物,在560℃左右回火时,弥散析出W2C,造成二次硬化,提高钢的红硬性。1%Mo的作用等同于2%W。形成Cr23C6碳化物;提高钢的淬透性。形成VC,硬度极高,提高钢的硬度和耐磨性,产生二次硬化。常用金属材料W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点铸造→锻造→球化退火→机加工→淬火+三次570℃回火→磨削加工铸造:高速钢属于莱氏体钢,铸态组织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物M6C,钢的韧性大幅下降。常用金属材料W18Cr4V铸造组织130常用金属材料W18Cr4V铸态组织420锻造:鱼骨状碳化物不能用热处理来消除,只能依靠反复多次锻打来击碎。W18Cr4V锻造组织210球化退火:消除应力,调整组织,便于机加工,为淬火作好组织准备。球化退火后的组织:S+粒状CmW18Cr4V球化退火组织420常用金属材料W18Cr4V钢的热处理过程示意图常用金属材料淬火:1280℃;淬火后的组织:M+Cm+A残(20~25%)常用金属材料W18Cr4V淬火组织300常用金属材料三次570℃回火在570℃回火时,产生二次硬化。常用金属材料三次570℃回火*淬火后A残约20~25%。*第一次回火后A残约剩15~18%。*第二次回火后A残约剩3~5%。*第三次回火后A残约剩1~2%。回火后的组织:M回+Cm+A残(1~2%)组织硬度为HRC65以上。常用金属材料W18Cr4V淬火+一次回火组织105常用金属材料W18Cr4V淬火+三次回火组织420金属材料性能要求:高的热硬性、高温耐磨性;高的抗氧化能力;高的热强性和足够高的韧性;高的热疲劳抗力(防止龟裂);高的淬透性和导热性;化学成分特点:中碳0.3~0.6%;合金元素:Cr、Ni、Mn、Si、Mo、W、V。曲轴模具3.模具钢(1)热作模具钢常用金属材料热处理特点:*热锻模钢:5CrMnMo热处理工艺:淬火+550℃回火热处理后的组织:S回或T回温度时间~500℃820~850℃预冷油冷530~550℃回火常用金属材料*热压模钢:3Cr2W8V热处理工艺:淬火+600℃三次回火热处理后的组织:M回+Cm粒状汽车四缸压铸模常用金属材料(2)冷作模钢性能要求: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;化学成分特点:高碳1~2%;合金元素:Cr,Mo、W、V。汽车冲压模具常用金属材料热处理特点:*一次硬化法:淬火+低温回火(950~1000℃)(150~180℃)*二次硬化法:淬火+三次回火(1100~1000℃)(510~520℃)热处理后的组织:M回+Cm+A残牌号:Cr12、Cr12MoV常用金属材料常用金属材料(1)性能要求: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;卡尺量规千分尺4.量具钢常用金属材料(3)热处理特点:(4)热处理后的组织:M回+Cm淬火冷处理(-70~-80℃)低温回火时效处理(120~130℃,几十小时)(5)牌号:CrWMn、4Cr13、GCr15、9SiCr、T12A、60等。(2)化学成分特点:高碳0.9~1.5%;合金元素:Cr,Mn、W。常用金属材料CrWMn钢制造块规退火后的热处理工艺~650℃820~840℃油冷3h-70~-80℃冷处理140~160℃3h110~120℃36h时效处理精磨3h研磨温度时间常用金属材料常用金属材料五、特殊性能钢1.不锈钢定义:在腐蚀介质中具有很高的抗腐蚀能力的钢。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。常用金属材料金属腐蚀的机理金属腐蚀的种类:1)化学腐蚀: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: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。常用金属材料电化学腐蚀过程示意图常用金属材料珠光体电化学腐蚀示意图常用金属材料.金属的防腐措施:1)覆盖层保护:涂漆、电镀、发蓝、磷化等工艺。2)形成氧化层:加入合金元素Cr、Al、Si等,形成Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜。3)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
本文标题:工程材料学_ch04常用金属材料
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