钢材知识专业培训课件

钢材基础知识培训张立祥2008-03-17第一章力学性能力学性能：材料在外力作用时表现出来的性能。包括强度、塑性、刚度、硬度、韧性、及疲劳性能和耐磨性等。强度：材料抵抗塑性变形或断裂的能力。塑性：断裂前材料产生永久变形的能力。刚度：材料对弹性变形的抵抗能力。硬度：材料抵抗局部变形、压痕、划痕的能力。韧性：材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量的能力。第一章力学性能第一节强度和塑性拉伸试样依照GB/T228-2002制作。标距：测量伸长用的圆柱或棱柱部分的长度。L0=kS01/2：其中L0表示原始标距，最小为15mm；S0原始横截面积；k是比例系数，通常k=5.65，若采用5.65不能满足L0＞15mm，则采用k=11.3或非比例试样（L0与S0无比例关系）。A=（Lu-L0）/L0：A断后伸长率，A11.3（k=11.3），A80mm（非比例试样L0=80mm）；Lu断后标距；L0原始标距。第一节强度和塑性屈服点（σs）：在外力作用下，材料产生屈服现象时的应力值。屈服强度（σ0.2）：若材料无明显屈服现象，国家标准则规定以残余应变量达到0.2%时的应力值来表征材料的微量塑性变形的抗力，称为屈服强度。抗拉强度（σb）：材料在断裂前所能承受的最大应力。断后伸长率（A）：试样断裂后，标距的伸长与原始标距的百分比。刚度刚度：在应力-应变曲线上的弹性阶段，应力和应变的比值即为材料刚度（弹性模量）。实际工件的刚度与材料的刚度和工件的尺寸和形状有关，工件刚度代表工件产生单位弹性变形时所需载荷的大小。工件刚度代表工件产生单位弹性变形所需的载荷大小。单位（N/mm）第二节硬度-布氏硬度1.布氏硬度原理：用一定直径的球体，以相应的试验力压入试样表面，经规定保持时间后，卸除试力，用测量表面压痕来计算硬度。当试验压头为淬硬钢球时，其硬度符号为HBS；硬质合金球时，符号为HBW。2.布氏硬度表示方法：符号HBS或HBW之前的数字为硬度值，符号后面的数字表示试验条件（球体直径/试验力/试验力保持时间【10-15s不标注】），例170HBS10/1000/30。第二节硬度-布氏硬度3.试验条件的选择：布氏硬度试验时，压头直径D，试验力F，及试验保持时间t，应根据被测材料的种类、硬度值范围及材料的厚度进行试验。常用压头球体直径D有1，2，2.5，5和10mm五种；试验力从1-3000kgf范围内；试验力保持时间黑色金属10-15s，有色金属30s，布氏硬度值小于35时为60s，用钢球压头时，硬度值必须小于450HBS，硬质合金压头时，硬度值必须小于650HBW。钢及铸铁布氏硬度大于140时，=10；布氏硬度小于或等于140时，=30。2/DF2/DF第二节硬度-洛氏硬度1.洛氏硬度原理：在初始试验力F0及纵试验力F0+F1先后作用下，将压头压入试样表面，经规定保持时间后卸除主试验力F1，用保持初始试验力的条件下测量的残余压痕深度增量来计算硬度。2.洛氏硬度值HR=k-e：k为常数，用金刚石圆锥体压头时k=100，用钢球压头时k=130；e为残余压痕深度增量，单位为0.002mm。第二节硬度-洛氏硬度3.洛氏硬度标尺：为了用一台硬度计测定从软到硬不同材料的硬度，可以采用不同的压头和总试验力，组成15种洛氏硬度标尺，最长用的有三种-HRA、HRB、HRC。第二节硬度-洛氏硬度硬度标尺硬度值有效范围适用举例HRC20-67HRC调质钢、淬火钢件HRB25-100HRB软钢、退火钢、铜合金HRA60-85HRA硬质合金、表面淬火钢布氏硬度优点：测量精度高，能反映材料的平均性能；缺点：操作复杂，耗时长不能准确测量高硬度材料。洛氏硬度优点：操作简单、迅速，压痕小，测试硬度值范围大缺点：当材料内部组织不均匀时，硬度数据波动大，须测量数次取平均值。第二节硬度第三节韧性冲击韧度：材料在冲击加载下吸收塑性变形功和断裂功的能力，常用标准试样的冲击吸收功AK或冲击韧度αK表示。αK=AK/断裂面截面面积AK-冲击吸收功应用意义：冲击韧度反映了材料的冶金质量和热加工工艺质量；反映材料抵抗对一次或少数次大能量冲击破坏的能力；可以评定材料的冷脆性。第三节其他7.塑性应变比r值：r值表示钢板拉伸时，宽度方向与厚度方向应变比之比值。r值越大，表示钢板越不易在厚度方向变形（越不容易开裂），深冲性越好。8.应变强化指数n：钢材在拉伸中实际应力－应变曲线的斜率。其物理意义是，n值高，表示材料在成形加工过程中变形容易传播到低变形区，而使应变分布较为均匀，减少局部变形集中现象，因此n值对拉延胀形非常重要。第二章铁碳合金第一节：铁碳合金分类铁碳合金（iron-carbon）：主要是由铁和碳两种元素组成的合金是现代工业中应用最广泛的金属材料。铁碳合金的分类：（1）工业纯铁，C≤0.0218%；（2）钢，0.0218%≤C≤2.11%；（3）白口铁，2.11%≤C≤6.69%。第二章：铁碳合金的相和组织1.铁素体（F）：碳溶于α-Fe中形成的间隙固溶体。溶碳能力差，随温度的升高，碳的溶解度稍增：室温，溶碳0.0008%；600°C时，溶碳0.0057%；727°C时，溶碳量最大，约为0.0218%。铁素体强度、硬度较低，塑性和韧性好（屈服强度：100-170MPa，抗拉强度：180-280MPa，延伸率：30%-50%，HBS：50-80）。铁素体在770°C以下具有铁磁性，770°C以上则失去铁磁性。物质系统中物理、化学性质完全相同，与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为相.工业纯铁B250P1第二节：铁碳合金的相2、渗碳体（Fe3C）：铁和碳组成的一种具有复杂晶格的间隙化合物。渗碳体中碳含量为6.69%，熔点1227°C，无通俗异构转变，230°C以下有弱磁性，硬度800HB，塑性、韧性几乎为零，脆性极大。渗碳体在刚和铸铁中与其他相共存时呈片层状、球状、网状或条状等，是材料中的主要强化相。白口铸铁:大块平整相位渗碳体，片状组织为珠光体第二节：铁碳合金的相和组织3、石墨（G）：渗碳体合金中游离存在的碳。石墨是简单六方晶格结构，强度、塑性、硬度都很低，在刚中存在会降低刚的力学性能；但在铸铁材料中可以增加切削加工性能，降低铸铁的脆性，并能保证一定的强度和韧性。4、δ铁素体：碳溶于δ-Fe中形成的一种间隙固溶体高温相，存在于1394°C以上，1495°C时有最大溶解度（0.09%）。5、液相（L）：铁碳合金液态时称为液相。第二节：铁碳合金的相和组织6.奥氏体（A）：碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶，存在于727°C以上的高温范围内，过冷至727°C以下就成为不稳定的过冷奥氏体，用A冷表示。溶碳能力较大，随温度升高，溶碳量逐渐增多，727°C时溶碳量0.77%，1148°C时溶碳量最大为2.11%。奥氏体具有很好的塑性和韧性，硬度为160-220HBS，伸长率为40-50%，易于锻压成型。奥氏体为非铁磁性相。1Cr18Ni9Ti第二节：铁碳合金的相和组织7、珠光体（P）：铁素体和渗碳体组成的机械混合物。珠光体碳含量为0.77%，是一个双相组织，性能介于铁素体和渗碳体之间（抗拉强度770MPa，延伸率25%-35%，硬度180HBS）。铁素体和渗碳体呈现片层状交替排列，成形温度A1-650°C，片层厚度0.4μm。650-600°C时，形成片层厚度0.2-0.4μm，硬度25-35HRC的索氏体（S）；600-550°C时，形成片层厚度0.2μm，硬度35-48HRC的托氏体（T）。珠光体金相第二节：铁碳合金的相和组织8、贝氏体（B）：过冷奥氏体在550°C-Ms温度范围内将转变成贝氏体类型组织。上贝氏体（B上），形成温度范围在550-350°C，呈羽毛状，由束条状α过饱和固溶体和渗碳体组成。下贝氏体（B下），形成温度范围在350-Ms，呈竹叶状，由针片状过饱和α固溶体和与其共格的ε碳化物Fe2.4组成。上贝氏体塑性、韧性均不高，生产中基本不使用；下贝氏体具有较高的硬度和强度，还有较好的塑性和韧性，是生产上常用的组织。大片羽毛状上贝氏体和针状下贝氏体9、马氏体（M）：碳在α-Fe中的过饱和固溶体，具有体心立方晶格。碳的质量分数小于0.2时，马氏体组织全部是板条马氏体；大于1%时，全部是片状马氏体；0.2-1%时，是板条马氏体和片状马氏体的混合组织。碳的质量分数越高，马氏体硬度也就越高；高强度和高硬度是马氏体的主要特点。板条马氏体的塑性和韧性都相当好，而片状马氏体都很差。第二节：铁碳合金的相和组织针状马氏体第二节：铁碳合金的相和组织10、莱氏体（Ld）：碳含量为4.3%的液态铁碳合金冷却到1148°C时，由液态中同时结晶出的奥氏体和渗碳体的机械混合物。在727°C以下由珠光体和渗碳体组成的机械混合物称为变态莱氏体，用Ld’表示。莱氏体硬度很高，塑性很差。钢中常见杂质元素和合金元素1.Si和S固溶强化作用；Si显著降低塑性和韧性，和氧生成脆性夹杂SiO2，不利于钢的性能；Mn易和S生成MnS塑性夹杂物，降低热脆，但是MnS过多也会恶化钢的性能。一般Si和S分别控制在0.5%和0.8%以下。2.P和SS不溶于铁，与铁生成FeS，FeS和Fe一起形成低熔点（989°C）共晶体，造成热脆。P主要溶于铁素体，强化作用明显（低碳钢每增加0.01%的P，增强4.1-5.5MPa），但剧烈的降低钢的塑性和韧性，而且过量的P会生成极脆的Fe3P，造成冷脆。3.气体元素氢在刚中含量甚微，但是危害极大，微量即可造成氢脆，甚至造成大量的微裂纹，造成零件的灾难性突然脆断。氮溶于铁素体中，引起“应变时效”，即冷塑性变形的低碳钢在室温或加热一定时间后，强度增加，而塑性和韧性降低。对深冲零件极为不利，会增加脆性断裂的可能性。Al、V、Ti、Nb等元素可以和N生成细小弥散氮化物，细化晶粒，提高强韧性，降低N的应变时效。氧大部分以各种氧化物夹杂的形式存在，使钢的强度、塑性、与韧性，尤其是疲劳性能的降低。4.合金元素以固溶态、化合态、游离态三种形式存在。固溶态直接作用是固溶强化，P、Si、Mn强化效果最明显，但是含量超过一定量后，会急剧降低韧性；Ni在增加强度、硬度的同时，还是提高韧性，是重要的韧化元素。化合态合金元素与碳生成碳化物，起到弥散强化作用，还可以细晶强化（V、Ti、Nb）。游离态Pb、Cu等难溶于碳，也不易生产化合物，而是游离状态存在，对钢的性能造成不利影响。Ni、Mn、Co、N等，均可使钢的奥氏体化温度降低，含量足够高的时，可以降低到室温以下，产生奥氏体钢。Si、Cr、W、Mo、V、Ti可以使奥氏体化温度升高；几乎所有合金元素都是E、S点左移，阻碍与延缓热处理时的奥氏体化；Ti、V、Nb等强碳化物元素，可强烈阻止奥氏体晶粒长大，细化晶粒；W、Mo、Cr作用中等，Ni、Si、Cu作用微弱，Mn、P作用相反。出Co外，固溶于奥氏体中的所有合金元素都能提高钢的淬透性，常用的有Cr、Ni、Si、Mn、B五种；V、Ti、Nb会降低钢的淬透性；第三章钢第一节钢的分类1、按品质分类(1)普通钢（P≤0.045%，S≤0.050%）(2)优质钢（P、S均≤0.035%）(3)高级优质钢（P≤0.035%，S≤0.030%）2.、按化学成份分类(1)碳素钢：a.低碳钢（C≤0.25%）b.中碳钢（C≤0.25~0.60%）c.高碳钢（C≤0.60%）(2)合金钢：a.低合金钢（合金元素总含量≤5%）b.中合金钢（合金元素总含量＞5~10%）c.高合金钢（合金元素总含量＞10%）3、按用途分类(1)结构钢：a.机械制造用钢：(a)调质结构钢；(b)表面硬化结构钢：包括渗碳钢、渗氨钢、表面淬火用钢；(c)易切结构钢；(d)冷塑性成形用钢：包括冷冲压用钢、冷镦用钢；b.弹簧钢；c.轴承钢(2)工具钢：a.碳素工具钢；b.合金工具钢；c.高速工具钢。(3)特殊性能钢：a.不锈耐酸钢；b.耐热钢包括抗氧化钢、热强钢、气阀钢；c.电热合金钢；d.耐磨钢；e.低温用钢；f.电工用钢(4)专业用钢：如桥梁用钢、船舶用钢、锅炉用钢、压力容器用钢