工程材料第七章-钢

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第七章 钢
本章主要内容
➢ 第一节 常存元素和杂质对钢性能的影响 ➢ 第二节 合金元素在钢中的作用 ➢ 第三节 结构钢 ➢ 第四节 工具钢 ➢ 第五节 特殊性能钢
第七章 钢
第一节 常存元素和杂质对钢性能 的影响
常存元素:
锰,硅:有益元素,室温下溶于铁素体,产生固溶强化作用
非金属夹杂物: 降低钢的力学性能,特别是降低塑性,韧性和疲劳
强度
第七章 钢
第二节 合金元素在钢中的作用
一、合金元素在钢中存在形式 ➢ (一)形成合金铁素体
合金元素在溶入铁素体后,引起铁素体晶格畸变,产生 固溶强化
➢ (二)形成合金碳化物
合金渗碳体:合金元素置换渗碳体中的铁原子所形成的化合 物,与渗碳体的晶体结构相同 特殊化合物:中强或强碳化物形成元素与碳形成的化合物, 其晶格类型与渗碳体完全不同
➢ (三)形成非金属夹杂物
合金元素与钢中氧、氮、硫形成非金属夹杂物,会降低 钢的力学性能,特别是降低塑性,韧性和疲劳强度
二、合金元素对铁-渗碳体相图的影响
1 改变A相区
扩大A相区元素 ——使A1,A3,Acm线↓
缩小A相区元素 ——使A1,A3,Acm线↑
奥氏 体A
A3 Acm A1
2 改变S共析点、E点位置 使共析点左移
—— <0.77%C的钢中可能 出现过共析组织
使E点左移 —— <2.11%C的钢中可能 出现莱氏体组织
三、合金元素对钢热处理的影响
1 对加热的影响 多数元素减缓A形成,阻碍晶粒长大
合金钢需要 ↑ 加热温度,↑保温时间 —— 保证A均匀化
2 对冷却的影响
多数元素溶入A后→ ↑ 过冷A稳定性→ ↓ Vc→ ↑ 淬透性 ↓ Ms点→ ↑残余A量
合金钢可以制造大截面的 零件,淬火不易变形
3、合金元素对淬火钢回火转变的影响 合金元素对淬火钢的回火转变一般起阻碍作用
1、↑ 回火稳定性→ ↑ 抗回火
软化的能力 2、产生二次硬化现象 3、产生第二类回火脆性:某些
合金钢淬火后在450~650oC 范围内回火时出现的回火脆 性。 与杂质及某些合金元素向晶界 偏聚有关。杂质少、回火后 快速冷却或者加入合金元素 钨、钼可消除脆性。具有可 逆性
第七章 钢
第三节 结构钢
用于制造各种机器零件以及各种工程结构的钢
工程结构用钢:用作工程结构的钢,适于制造承 受静载荷作用的工程结构件,一般不再进行热 处理,包括碳素结构钢和低合金高强度结构钢
机械结构用钢:用作机械零件的钢,大都是优质 或高级优质钢,承受动载荷,需经适当热处理, 包括优质碳素结构钢及合金结构钢
一、碳素结构钢: 1、Wc:0.06%~0.38%,杂质较多 2、能满足一般工程结构及普通零件的要求,应用
较广,通常轧制成钢板或各种型材 3、牌号:Q+屈服点数值+质量等级符号+脱氧
方法符号
Q195不分质量等级
二、低合金高强度结构钢
在碳素结构钢的基础上加入少量合金元素(<3%)制成 牌号:Q+屈服点数值+质量等级符号 1、化学成分: Wc=0.1%~0.2%,+Mn (0.8%~1.7
%) 2、性能特点 (1)高屈服点和良好的塑性、韧性 (2)良好的焊接性能 (3)较好的耐蚀性
低合金高强度结构钢大多数是在热轧、正火或正火 加回火状态下使用,其组织为铁素体+少量珠光体。
常用钢号:Q295 (09MnNb ),Q345 (16Mn)
钢号
Q295 Q345 Q390 Q420 Q460
常用低合金高强度结构钢的牌号、成分、性能
旧钢号
09MnNb 12Mn 16Mn
16MnRe 16MnNb 15MnTi 14MnVTiRe 15MnVN 14MnMoV 18MnMoNb
主 要 化 学 成 分,%
C
0.16 0.18 ~0.20 0.20
0.20
0.20
Mn
0.80 ~1.50 1.00 ~1.60 1.00 ~1.60 1.00 ~1.70 1.00 ~1.70
Si, 0.55 0.55 0.55 0.55 0.55
机械性能 s ,MPa b ,MPa
295
570
345
630
390
650
420
680
460
720
5 ,% 23
21~22 19~20 18~19
17
低合金高强度结构钢力学性能和应用举例
应用 桥梁
船舶
车辆 高压容器
三、优质碳素结构钢及合金结构钢
优质碳素结构钢:有害杂质较少,强度、塑性、韧性 均比普通碳素结构钢好,主要用于制造较重要的机 械零件
牌号:钢中平均碳质量分数的万倍的两位数字表示, 如45钢,表示平均Wc=0.45%
按含锰量不同,分为普通含锰量(0.25~0.8%)及较 高含锰量(0.7~1.2%)两组。含锰量较高的一组, 在其牌号数字后加“Mn”字,如40Mn。
汽车曲轴
优质碳素结构钢常用于制造较重要的零件,如齿轮、轴、 连杆、弹簧等。
合金结构钢:在优质碳素结构钢的基础上加入合金元素 (<5%)而成,属低、中合金钢
牌号:数字+元素符号+数字
平均含碳量的万分数
合金元素含量的百分数
(<1.5%不注,1.5-2.5%注2,…)
如:60Si2Mn(60:碳含量的万分之几,即0.6%;Si、 Mn:合金元素;2:表示前边合金元素的平均质量分数, 当含量≥1.5%时,是四舍五入后的数字,当<1.5%时, 数字省略)
注:高级优质合金结构钢加A,特级优质合金结构钢加E
(一)渗碳用钢(渗碳钢) 经渗碳淬火、低温回火后使用的钢,一般为低碳的优质碳
素结构钢与合金结构钢,主要用于制造表面承受高耐磨, 并承受动载荷的零件 1、化学成分Wc=0.1%~0.2%,低碳(保证心部韧性好, 表面硬度高) 合金元素:Cr、Mn、Ni、B,增加钢的淬透性,提高渗 透层的强度和塑性
2、常用的渗碳钢 (1)碳素渗碳钢:15、20钢,用于承受载荷较低、形状
简单、要求耐磨的小型零件 (2)合金渗碳钢:20 CrMnTi,用于制造承受中等载荷
及重载、耐磨的大型零件
低淬透性:受力不大不需很高强度,心部晶粒容易长大 中淬透性:中等载荷的耐磨零件 高淬透性:承受重载及强烈耐磨
3、热处理:渗碳+淬火+低温回火
常用渗碳钢牌号、成分、热处理、力学性能及用途(GB/T699-1999)


钢号

主 要 化 学 成 分, %
C
Mn
Cr,Ni
预备处理 /
淬火, ℃
机械性能
b MPa
s MPa
aKU 2 J
20Cr
0.17~0.24 0.50~0.80 0.70~1.00 880/ 800 835 540 47

水, 油
20MnV 0.17~0.24 1.30~1.60
880水, 油 785 590 55
20CrMn 0.17~0.23 0.90~1.20 0.90~1.20 850 油 930 735 47 中 20CrMnTi 0.17~0.23 0.80~1.10 1.00~1.30 880 / 870 1080 835 55


18Cr2Ni4W A
20Cr2Ni4A
0.13~0.19 0.17~0.23
W0.8~1.2 0.30~0.60
1.35~1.65 4.0~4.5 1.25~1.65 3.25~3.75
950 / 850 空
880/ 780 油
1180 1180
835 1080
78 63
应用 —— 耐磨件 20Cr,小轴、活塞销、小齿轮。 20CrMnTi,汽车齿轮。 18Cr2Ni4WA,如曲轴、连杆。
(二)调质用钢(调质钢) 经调质后使用的钢,一般为中碳的优质碳素结构钢与合金
结构钢,主要用于制造承受很大变动载荷与冲击载荷或 各种复合应力的零件
1、化学成分Wc=0.25%~0.5%,中碳 合金元素:Cr、Mn、Ni、B,增加钢的淬透性,强化铁 素体,防止第二类回火脆性?
2、常用的调质钢 (1)碳素调质钢:45钢,适宜制造载荷较低、形状简单、
尺寸较小的调质工件 (2)合金调质钢:40 Cr,综合力学性能高于碳素调质钢 3、热处理:淬火+高温回火(调质处理)
淬 透 钢号 性
45
低 40MnB
40Cr
中 35CrMo
38CrMoAlA 高
40CrMnMo
常用调质钢的牌号(摘自GB/T3077-1999)
主 要 成 分, %
C
0.42~ 0.50 0.37~
0.44 0.37~ 0.45
Mn
0.50~ 0.80 1.10~ 1.40 0.50~ 0.80
Si Cr 0.17~
0.37 0.20~ 0.40
Cr 0.8 ~1.10
0.32~ 0.40
0.35~ 0.42
0.37~ 0.45
0.40~ 0.70 Al 0.7 ~1.1 0.90~
1.20
Cr 0.8 ~1.10 Cr 1.35
~1.65 Cr 0.9 ~1.20
淬火
℃ 830~ 840水 850油
850油
850油 940 水,油 850油
回火

580~ 640空 500 水,油 500 水,油 550 水,油 640 水,油 600 水,油
机械性能
b
s
aKU2
MPa MPa J
600 355 39
980 785 47
980 785 47
980 835 63
980 835 71
980 785 63
40Cr,一般尺寸重要零件,如齿轮、主轴。 35CrMo,较大截面零件,如曲轴、连杆。 40CrNiMo,大截面重载零件,如汽轮机主轴和叶轮。
汽车曲轴
四、弹簧钢
用来制造各种弹簧的钢 1、化学成分: 碳素弹簧钢: Wc=0.6%~0.9%, 合金弹簧钢: Wc=0.45%~0.7%,共析点左移? 合金元素:Mn、Si、Cr等,增加钢的淬透性和回火稳定性 2、常用的弹簧钢 (1)碳素弹簧钢:65Mn,适宜作线径较小的不太重要的弹簧 (2)合金弹簧钢:60Si2Mn,用于板弹簧和螺旋弹簧
3、热处理 (1)热成形弹簧:线径或板厚大于10mm的螺旋弹簧或板弹簧,
热态下成形。(成形预热或成形结束)淬火+中温回火 (2)冷成形弹簧:线径或板厚小于10mm的弹簧,常用冷拉弹
簧钢丝或冷轧弹簧钢带在冷态下制成
常用弹簧钢的牌号、成分、热处理、力学性能 (摘自GB/T1222--1984)及用途
钢号 65
主 要 成 分, %
淬火
回 火
机械性能
C
Mn
Si, Cr 油 ℃ ℃
b s 10 ak MPa MPa % kJ/m2
0.62~ 0.50~ 0.17~ 0.70 0.80 0.37
840 油
500 1000
800
9
450
85
0.82~ 0.50~ 0.17~ 0.90 0.80 0.37
820 油
480 1150 1000
6
600
65Mn
0.62~ 0.90~ 0.17~ 0.70 1.20 0.37
830 油
540 1000
800
8
800
0.56~ 0.60~ 1.50~ 60Si2Mn 0.64 0.90 2.00
870 油
480 1300 1200
5
800
50CrVA
0.46~ 0.50~ Cr 0.8 0.54 0.80 ~1.10
850 油
500 1300 1150 5 9 800
65Mn、60Si2Mn:汽车、拖拉机、机车的板簧和螺旋弹簧
汽车板簧
火车螺旋弹簧
五、滚动轴承钢
制造各种滚动轴承内外套圈及滚动体的专用钢种
1、化学成分:Wc=0.95%~1.15%,高碳 合金元素:Cr,提高钢的淬透性和回火稳定性 2、常用的滚动轴承钢 牌号:G Cr+数字(表示平均Cr 质量分数的千倍),
如G Cr15 3、热处理 球化退火+淬火+低温回火
常用滚动轴承钢牌号、成分、热处理及用途
第七章 钢
第四节 工具钢
制造各种刃具、模具、量具的钢 要具有高硬度、高耐磨性及足够的强度和韧性 热处理:球化退火+淬火+低温回火 一、刃具钢 性能要求: 1、高的硬度和耐磨性
2、高的热硬性 3、足够的强度和韧性 (一)碳素工具钢 碳素工具钢: Wc=0.65%~1.35%,保证高硬度 牌号:T+数字(表示平均碳质量分数的千倍),如T8 若为高级优质钢,数字后+A 用途:制造手工工具
(二)合金刃具钢(低合金刃具钢)
牌号:数字+元素符号+数字(同合金结构钢)
表示平均碳质量分数的千倍,平均 Wc>1%时不标
都属于高级优质钢,不再标注A
1、化学成分: Wc=0.75%~1. 5%,保证高硬度、耐磨性 合金元素:Cr、Si、Mn、W等 2、常用合金刃具钢:W钢、Cr2钢、9SiCr钢等 热处理:球化退火+淬火+低温回火 比碳素工具钢具有较高的淬透性,热硬性,强度和耐磨性 3、用途:主要用于制造各种金属 切削刀具,如车刀、铣刀、钻头等
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