机械工程材料 第五、六章 工业用钢和铸铁

相当于是在Q235的基础上多添加了0.6～0.8%的 Mn。 3应用 桥梁钢构、船用钢板、车用钢板等。
5-3
南京长江大桥中的钢结构
上海卢浦大桥
5-3
5-3
“利丰南海”—2005年温州地区造 船企业在本土建造的第一艘万吨级 （11000T）国际航线集装箱船
温州船舶建造企业制造—2.3万吨散货 船瑞盛10号，2007年12月25日上午在乐清市 七里港顺利下水
5-1
合金工具钢
用“数字＋元素符号＋数字”表示
例：
9 Mn 2
表示该钢含有钒元素，平均wV小于 1.5% 表示该钢含有锰元素，平均wMn为2%
V
表示wC的千分之几
滚动轴承钢
用“G＋数字”表示
例： G
Cr 1 5
表示该钢含有铬元素，平均wCr为1.5%
“滚动轴承钢”的汉语拼音字头
5-1
不锈钢
第五章 工业用钢
钢的分类、编号、杂质元素 结构钢、工具钢、特殊性能钢
5-1
钢 ：以铁为主要元素，碳一般在2.11%以下并含有其他元素的材料
工业用钢中的元素： 主要元素：碳； 常存元素：锰、硅、硫、磷； 偶存元素：铜、钛、钒、稀土元素； 隐存元素：氧、氢； 合金元素：铬、镍、钨、钼、钒、钛、锰、硅、铜、磷 等。 （Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、Al、Cu、Co、 N、B、RE；）
wMn对区的影响
wCr对区的影响
5-2
3、合金元素对钢的热处理的影响
①对奥氏体化的影响 除Ni、Co外，大多数合金元素都延缓钢的奥氏体化过程。 它们阻碍C、Fe的扩散，因此合金钢的A化温度较高、时间较长。 ②对奥氏体晶粒度的影响 除Mn外，几乎所有合金元素都细化晶粒。 以碳化物的细化晶粒效果最显著，阻碍晶界的迁移，从而阻止晶粒长大。 ③对钢的淬透性的影响 除Co外，大多数合金元素，都提高淬透性。 ④对钢的回火稳定性的影响
5-3
• 碳素结构钢
①化学成分特点
低碳：0.10～0.20% ②典型钢号
Q235
③热处理特点 一般不进行热处理强化，只保证力学性能（塑性高）、工艺性能 （焊接性好）。 ④应用 建筑钢筋、钢板、型钢。
5-3
钢筋、螺纹钢
5-3
• 低合金高强度钢
①化学成分特点 低碳：0.10～0.20%，锰含量：1.2～1.6%。 ②典型钢号 16Mn(Q345)
金属在电解质中由于形成原电池而引起的腐蚀。
电化学腐蚀是金属腐蚀的主要形式。
Fe－Cu原电池原理图
5-5
5-5 防止金属电化学腐蚀的措施：
室温下获得单相组织
例：加入＞24%Ni，室温下可获得单相奥氏体组织。
提高金属基体的电极电位
例：加入＞13%Cr，Fe的电极电位从－0.56V跃增至 0.2V。
注：高级优质钢在其编号后加注“A” 特级优质钢在其编号后加注“E”
5-1
3.按用途分类
工程构件用钢 结构钢 机器零件用钢
工业用钢
建筑用钢 桥梁用钢 船舶用钢 车辆用钢 渗碳钢 调质钢 弹簧钢 轴承钢
工具钢
刃具钢 模具钢 量具钢
不锈钢 特殊钢 耐热钢
5-1
4.按金相组织分类
亚共析钢 共析钢 （退火状态） 过共析钢 莱氏体钢 珠光体钢 马氏体钢 （正火状态） 贝氏体钢 奥氏体钢 复相钢
Ti V 依次减弱 W Mo Cr Mn ＞Fe
5-2
2、合金元素对铁碳相图的影响 ①扩大奥氏体区的元素 Ni、Mn、C、N等元素扩大奥氏体区域，使A1和A3温度降低、S点和E点向左下方移动。 ②缩小奥氏体区的元素
加入合金元素后，Fe－Fe3C相图将发生变化，或扩大奥氏体区域，或缩小奥氏体区域。
Cr、Mo、Si、W等元素缩小奥氏体区域，使A1和A3温度升高、S点和E点向左上方移动。
（磨料磨损、粘着磨损、表面疲劳磨损 ）
5-3
5-3
5-4
工 具 钢
刃具钢 模具钢 量具钢
5-4
刃具钢
制造各种车刀、铣刀、钻头等切削工具。
刃具钢的性能要求：
①高的硬度、耐磨性，HRC＞60。 ②高的热硬性（红硬性）。 ③足够的强度、韧性。
5-4
1.碳素工具钢：T7、T8、T10、T12
刃具钢
6、氧（O）
氧通常是有害元素，在钢中成为非金属夹杂物而降低钢的性能。
7、氢（H）
氢是钢中的有害元素，产生“氢脆”和造成“白点”（微裂纹）。
5-2
二、合金元素在钢中的作用
合金元素在钢中的两种存在形式： 1、合金元素对钢中基本相的影响 ①溶入铁素体——非碳化物形成元素
1.溶入铁素体 2.形成碳化物
Ni、Si、Al、Co、Cu、N、B等非碳化物形成元素主要溶入铁素体 中，起固溶强化作用，提高钢的硬度和强度。Ni还能提高钢的韧性。 ②形成碳化物——碳化物形成元素 Ti、V、W、Mo、Cr、Mn等在碳化物形成元素在钢中与C作用形成 碳化物。 钢中的碳化物通常能够提高钢的强度、硬度和耐磨性。 碳化物形成元素与碳的亲和力的大小：
5-3
汽车变速箱齿轮

东风153汽车后桥螺伞齿轮
5-3
凸轮
5-3
调质钢
①化学成分特点
中碳：0.30～0.50%；
合金元素：Cr、Ni、Mn、Mo、W、V、Ti、B等。
良好的综合力学性能 ②典型钢号 40Cr、42CrMo
③应用 各种轴类零件、汔车后桥半轴、连杆、螺栓等。
5-3
汽车半轴
5-3
5-3
5-3
5-3
汽车板弹簧
5-3
5-3
5-3
轴承钢
①化学成分特点 高碳：0.95～1.15%；
合金元素：Cr（主要）、Si、Mn等。
②典型钢号 GCr15用于中型轴承； GCr15SiMn用于大型轴承。 ③应用
滚动轴承的滚珠、轴承套等。
5-3
5-3
铸钢
钢号 ：举例 ZG270-500 （最低屈服强度270，最低抗拉强度500 ）
2.低合金工具钢： 9SiCr、CrWMn
3.高速钢（锋钢600℃）： W18Cr4V，
W6Mo5Cr4V2
4.硬质合金：WC、TiC粉末用钴粉粘接、压制、
1000℃），切削速度比高速钢高4-7倍，寿命比高速钢高5-80倍， 抗压强度高，但抗弯强度低，韧性差
烧结
硬质合金常温下硬度可达69-81HRC，热硬性高（900-
预备热处理：完全退火。 最终热处理：淬火+ 回火。
对1Cr13、2Cr13：高温回火，组织：S回。
对3Cr13、4Cr13：低温回火，组织：M回。 ④应用
1Cr13、2Cr13：汽轮机叶片、水压机阀等。
5-4
5-4
5-4
量具钢
制造计量工件尺寸的工具的金属材料。 量具钢的性能要求： 保持尺寸精度、尺寸稳定性是量具最基本的性能要求。
淬火后继续冷至－70～－80C，减少A'
球化退火→淬火→冷处理→长时间低温回火→人工时效
提高钢的组织稳定性
5-4
量具——游标卡尺
量具——千分尺
5-4
量具——塞尺
金属表面形成钝化膜
例：加入Cr、Al、Si可在金属的表面形成致密的氧化膜，
5-5
马氏体不锈钢
①化学成分特点 碳含量：0.05～1.7%；铬含量：4～20.5% ②典型钢号 Cr13型：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13 随C%的增加，强度、硬度增大，但耐腐蚀性降低。
③热处理特点及组织
5-1
合金结构钢
用“数字＋元素符号＋数字”表示
例： 3 6 Mn 2
表示该钢含有硅元素，平均wSi小于 1.5% 表示该钢含有锰元素，平均 w 为2%
Mn
Si
表示wC的万分之几，即该钢的平均wC为 0.36%
碳素工具钢
用“T＋数字”表示
例：
T 12 A
表示该钢为高级优质钢 表示wC的千分之几，即该钢的平均wC为 1.2% “碳素工具钢”的汉语拼音字头
5-1
一、钢的分类GB/T13304—1991《钢分类》
1）按化学成分：碳素钢、合金钢 2）按质量等级：普通、优质、高级优质、特级优质
3）按用途：结构钢、工具钢、特殊性能钢
4）按金相组织：亚共析、共析、过共析..... 5）按冶炼方法：转炉钢、电炉钢、沸腾钢、半镇静钢、镇静钢
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1.按化学成分分类
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中海环球2014
长400m, 宽58.6m。 19100个标准集装箱
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宇宙号（ 2018）
装载量：21413
东方香港号 船长：399.87米 （ 船宽： 58.5米 型深：32.5米 2017 ） 标箱
江南造船、上海外高桥造船VS 大宇造船、三星重工、现代重工
5-3
5-3
5-3
• 渗碳钢
用“数字＋元素符号＋数字”表示
例： 1
Cr 18 Ni 9
9% 表示该钢含有铬元素，平均 wCr为 18% 表示平均 w 的千分之几
C
表示该钢含有钛元素，平均wTi小于 1.5% 表示该钢含有镍元素，平均 w 为
Ni
Ti
高速工具钢
用“元素符号＋数字”表示，不标出含碳量
例：
W 18
表示该钢含有钒元素，平均wV小于 1.5% 表示该钢含有铬元素，平均wCr为 4% 表示该钢含有钨元素，平均 w 为
5-4
量具——块规
5-5
特殊性能钢
具有特殊物理、化学性能的钢。
不锈钢、耐热钢、耐磨钢
5-5 一、不锈钢 能抵抗大气、酸等化学介质腐蚀的钢种。
金属腐蚀的形式：
①化学腐蚀 金属与介质直接发生化学作用的结果，如氧化。 ②电化学腐蚀 (例如合金在酸雨中）
Fe2+ H2SO4水溶液 －
e
＋
Fe
Cu H2
5-4
手锤 木 工 凿
丝锥 手锯条
锉刀
钻 头
5-4
板牙
丝锥
5-4
5-4
5-4
模具钢
制造各种冲模、挤压模、锤锻模等模具的金属材料。
分为：
① 冷作模具钢：冷态下的模具，高硬度、强度、韧性、高耐磨性，
② 热作模具钢：热态固/液体金属，高温下较高的强度、硬度、韧性 ③ 塑料模具钢：加工性好、抛光性好、耐磨性、耐蚀性
回火稳定性：淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力，又称回火抗力。
大多数合金元素因为能够阻碍M的分解，从而提高回火抗力。
5-3
一、工程构件用钢
工程构件用钢是国防、化工、石油、电站、车辆、船舶、 桥梁、建筑等国民经济部门制造各种重要构件的金属材料。 工程构件用钢的性能要求：
①高弹性极限、高刚度。
②良好的焊接性、冷变形性。 ③良好的耐大气、水腐蚀性。
性能 ，铸造流动性差，收缩率大 用途 ：强度、塑性、韧性高于铸铁 ：形状复杂，需一定强度、塑性、韧性的零件， 。 如轧辊、机座、外壳。
5-3
耐磨钢
在冲击、摩擦条件下产生加工硬化而具有高耐磨性。
高锰耐磨钢： wc=0.90~1.50% wMn=11~14%
应用：
铁路道岔、挖掘机、坦克的履带、防弹板、保险箱。
工业用钢
5-1
二、
普通碳素结构钢
用“符号＋数字”表示
钢
的 编
例： Q 2 3 5
表示该钢的屈服强度值不小于 235MPa 屈服点的汉语拼音字头
优质碳素结构钢
用两位数字表示
号
例： 4 5
， 08
表示wC的万分之几，即该钢的平均wC为 0.08% 表示wC的万分之几，即该钢的平均wC为 0.45%
①化学成分特点 低碳：0.1～0.25%；
合金元素：Cr、Mn、Ni、Mo、Ti、W、V、B等。
渗碳后，表层为1.0%左右的高碳成分，保证高硬度、高耐磨性； 心部保持原始成分，具有良好的韧性、足够的强度。 ②典型钢号：20CrMnTi ③加工工艺路线：下料→锻造→正火→粗加工→渗碳→ 淬火 + 低温回火 ④应用：重载齿轮、凸轮、活塞销等。
W
Cr 4 V
5-2 一、杂质元素对钢性能的影响
1、锰（Mn）
Mn能溶入铁素体中起固溶强化作用，提高钢的硬度和强度。
2、硅（Si）
Si能溶入铁素体中起固溶强化作用，提高钢的硬度和强度。
3、硫（S）
S通常是有害元素，会引起钢的“热脆”。
4、磷（P）
P通常是有害元素，会引起钢的“冷脆”。
5、氮（N）
过量N会使钢的塑性、韧性显著降低，出现“时效脆化”。
弹簧钢（T回）
①化学成分特点 中、高碳：0.45～0.70%； 合金元素： Si、Mn、Cr、V等。 ②典型钢号 热成形弹簧（尺寸较大）：60Mn 、60Si2Mn 冷成形弹簧（直径一般小于10mm）：50CrVA。 ③应用 60Si2Mn —— 汽车减振板弹簧、悬挂弹簧。 50CrVA —— 汽车发动机气门弹簧。
低碳钢（wc＜0.25%）
工业用钢
碳素钢 中碳钢（wc＝0.25~0.60%） 高碳钢（wc＞0.60%）
合金钢 中合金钢（wMe＝5~10%）
高合金钢（wMe＞10%）
低合金钢（wMe＜5%）
5-1
2.按质量分类
普通钢 （wS≤0.055%，wP≤0.045%）
工业用钢
优质钢 （wS≤0.040%， wP≤0.040%） 高级优质钢（wS≤0.030%，wP wS ≤0.015% ≤0.035%） wP≤0.025% 特级优质钢（E）