工程材料第5章.ppt

1、第5章 常用金属材料及性能,5.1 工业用钢分类与牌号,5.2 碳钢（carbon steel）,5.3 合金钢（alloy steel）,5.4 铸铁（cast iron）,5.5 有色金属及其合金（non-ferrous alloy）,5.1. 工业用钢分类与牌号(1) 我国现行钢分类与牌号的特点 有统一国标，钢号直观、实用，并靠近国际标准。 (2) 钢的分类 按Wc：低碳钢（0.25%）；中碳钢（0.250.60%）; 高碳钢（0.60%）。 按冶金质量：普通钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。 按脱氧程度：沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢。 按用途、成分、性能和热处理特点（最实用）

2、。,表5-1,图5-1,(3)钢的牌号 要 求：会识别、（图纸上）一看就明白。 基本类型：两类主要以力学性能表示：如Q235AF（常简写成Q235，不保证化学成分）。主要以化学成分表示：碳与合金元素含量。例1. 45 Wc=0.45%的优质钢。例2. 08F Wc=0.08%的沸腾钢。例3. 40Cr Wc=0.40%及Wcr=1%。,表5-2,记忆方式与技巧 （1）、结构钢：以 Q+屈服强度值表示：碳素结构钢、低合金（高强度）结构钢 （如Q235、Q295）开头以C含量万分数表示（2位）：优质碳素结构钢（10、25、45）；合金结构钢：合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢（如20Cr2Ni4A

3、、38CrMoAl、60Si2Mn） （2）、工具钢碳素工具钢：T+C质量的千分数表示（2位）（如T8）合金工具钢：开头以C质量的千分数表示（1位）（当C% 1.0%时省略不标）（如9SiCr、Cr12）,5.2 碳钢5.2.1 碳素结构钢（carbon structural steel）保证力学性能：一般用途；以型材（棒、板、型钢）供应。 状 态：轧后空冷；不再热处理。 成 分 特 点：W（C%）=0.06%0.38%。典 型 牌 号： Q195、 Q215、 Q235 、Q275等 。,表5-3,用途,钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。,多边型角钢,螺钉、铆钉,钢筋、螺纹钢,5.2.

4、2 优质碳素结构钢 Ws、 Wp 0.035 % 性能特点： 随Wc升高，强度和硬度提高，塑、韧性有所下降。 零件制造中若经过热处理，可大幅度提高性能(强度)。应用:0825(15Mn)：低碳钢，塑性好，可焊性好，直接冲压成形或作焊接件。1525：低碳钢，可作渗碳用钢。3055：中碳钢，经调质处理做较重要的机器零件。60： 中高碳钢，淬火中高温回火，一般弹簧及较高强度零件。,表5-5,用途,较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。,汽车曲轴,5.2.3 碳素工具钢,1、牌号：T+平均碳质量分数的千分数的数字；碳素工具钢均为优质钢，如含P、S更低，则钢号后注“A”，如：T12A。 2、性能特点及

5、用途：1）T7、T8，硬度高、韧性较高，可承受冲击，可制造凿子、锤子等工具；2）T9、T10、T11硬度高、韧性适中、不承受剧烈冲击，制造钻头、手锯条等；3）T12、T13硬度高、韧性低、耐磨性好，制造锉刀、刮刀、量规等。,表5-11,3、碳素工具钢使用前都要进行热处理（高碳）淬火+低温回火高碳回火马氏体+粒状碳化物+少量残余A。,5.3 合金钢 5.3.1 合金结构钢（alloy structural steel）(1)合金渗碳钢 用途及性能特点： 用于承受较大冲击负荷、同时表面经受强烈摩擦磨损的零 件(如换档齿轮等)。经渗碳及淬、回火后，表硬内韧。 合金化原则： 低碳(0.25%)，保证渗

6、碳及热处理后表、里的良好配合。 加提高淬透性元素，Cr、Mn、Ni、B等，保证心部良好强韧性。 加V、Ti、W等，阻止渗碳时晶粒长大。,热处理特点：一般渗碳、淬火低温回火 (55HRC)。 常 用 钢 种：低淬透性15(20)、20Cr；中淬透性20CrMnMo、20MnTiB；高淬透性18Cr2Ni4W、20Cr2Ni4。,表5-6,(2)合金调质钢 用途及性能特点：高强度（承受较大负荷）及高韧性（防止断裂事故）的重要零件（如机床主轴）具有良好的综合力学性能。 合金化原则： 中碳（0.300.5%），保证热处理后足够强度，又不致太脆。 加淬透性元素（Cr、Ni、Mn、Si、B），保证大截面均

7、一的性能。 细化晶粒元素（V、W、Mo等）。 加Mo，消除回火脆性。 热处理：调质即淬火+高温回火（500650） 。 常用典型钢种：低淬透性:45、40Cr、40MnB；中淬透性:35CrMo、30CrMnSi；高淬透性:40CrNiMo、40CrMnMo。,表5-7,(3)合金弹簧钢 用途、性能：承受较大负荷的弹簧；高的e、-1及s/b。 合金化：中、高碳（0.450.7%）；加Sie及（s/b）； 加Mn、Si、或Cr淬透性； 加Mo、W、V细化晶粒（重要弹簧）。 热处理：淬火中温回火，回火屈氏体 4248HRC。 常用钢种：65；65Mn；60Si2Mn；50CrV。,表5-8,（4）

8、 低合金高强度钢（HSLA） 添加少量合金元素（Nb、V等）起各种强化作用。 用于重要工程结构（桥梁、压力容器等），能减轻自重、降低成本等。成分特点：a、低碳； b、加入以Mn为主的合金元素；c、加入V、Ti、Nb等元素，可形成细小弥散的碳化物，并可细化晶粒；d、少量稀土：脱硫、去气、提高韧性。 典型牌号：Q295、Q420等。,表5-4,热处理 热轧空冷状态下使用，不需要专门热处理,高压容器,桥梁,船舶,车辆,应用,（5） 滚动轴承钢（rolling bearing steel） 用途、性能：轴承零件；高抗压强度、疲劳强度、高硬度与耐磨性。 合 金 化：高碳（0.951.15%），0.41.

9、65%Cr，以及特殊要求的成分。S、P要求严，冶金质量高。 热 处 理：球化退火（预先热处理）及淬火、低温回火，6064HRC。 典 型 钢 种：GCr15（中小型轴承）; G20Cr2Ni4（大型渗碳轴承）;9Cr18（不锈轴承）。,表5-10,5.3.2 合金工具钢（tool steel） 合金刃具钢用途、性能：较高切削的刀具；高硬度、高耐磨性及高热硬性。合金化（高速钢）：高碳（c0.8%）,以形成大量碳化物，保证高硬度、高耐磨性。较多W与Mo（10%）,产生W2C、Mo2C等细小弥散硬化，保证热硬性。4%Cr，淬透性。加V，提高硬度、耐磨性。热 处 理：预先热处理；1200-1300 高

10、温淬火+3次560回火,回火马氏体+碳化物,6266HRC。典型钢种：W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V、W18Cr4V。,表5-13,表5-12,模具钢 1)冷作模具钢：高碳（合金）钢。用途、性能：各种冷冲压、冷成型模具；高硬度高耐磨性、足够整体强度与韧性。合金化：高碳；淬透性元素：主加Cr，另Mn、Si；Mo、V细化晶粒;Cr、Mo、W、V提高耐磨性。热处理：淬火+低温回火，58HRC，细小马氏体+粒状碳化物+少量残余奥氏体。典 型 钢 种：T8、T10、T12；9Mn2V、9SiCr、GCr15、Cr12MoV、65Nb、W6Mo5Cr4V2。,2)热作模具钢：中碳合金钢 用途、性

11、能：锻模、热挤压模、热弯模等；耐热性、高温强度，耐热 疲劳，高淬透性和导热性。 合金化：中碳（0.30.6%）,保证强度、韧性等。Cr、W、Si（抗热疲劳）；Mo、W、V（高温强度）；Cr、Mo、W等多元（淬透性）。 热处理：淬火、中温回火（高于工作温度），3550HRC，回火屈氏体。 典型钢种：45、40Cr(很少用)；5CrNiMo、5CrMnMo；3Cr2W8V；H11(4Cr5MoSiV)、H13(Cr5MoSiV1)。,量具钢：高碳（低合金）钢用途、性能：各种量具（卡尺、块规等）；高硬度、高耐磨性，高尺寸稳定性。合金化：高碳（0.8%）；Cr、Mn、Si 等（淬透性）；Cr、W等（耐

12、磨性）。热处理：淬火+（冷处理）+多次回火，使残余奥氏体转变及稳定尺寸。典型钢种：9SiCr、CrWMn、GCr15 或渗碳钢，硬质合金。,5.3.3 不锈钢和耐热钢 牌号：a、钢号前面的数字表示含碳量的千分数的值；如1Cr13、4Cr13b、当质量分数0.01% ，钢号前面为“000”；当质量分数0.03% ，钢号前面为“00”；（如00Cr19Ni13Mo3）当质量分数0.08% ，钢号前面为“0”。（如0Cr18Ni9） 不锈钢（Stainless Steel） 用途、性能：腐蚀环境中的工作零件；耐蚀性及附加力学性能（强度、硬度）等。 合金化：C含量应降低；加Cr（1213%）提高电极电

13、位、钝化能力，使耐蚀性。 加足够Ni或Cr ，呈单相奥氏体或单相铁素体状态。 加Ti、Nb等与碳形成稳定晶内碳化物，使晶间腐蚀。 可加Mn、N代Ni奥氏体不锈钢。,热 处 理：A 不锈钢：固溶处理(高温快冷)；F 不锈钢：退火处理；M不锈钢：淬火、回火。典型钢种：A 不锈钢：1Cr18Ni9Ti；F 不锈钢：1Cr17；M不锈钢：3Cr13，9Cr18。,表5-14上,表5-14下,耐热钢（heat resistant steel） 用途、性能：高温下工作零件（如锅炉管道）；高温强度、抗氧化性等。 合金化： 低、中碳； Cr、Ni、Si、Mo等固溶强化；Cr、Si、Al等抗氧化；V、W、Mo形

14、成稳定碳化物弥散强化。 热处理（视用途而定）和典型钢种。,表5-15,5.3.4 其他钢 易切削钢：加S、Pb、Ca、P等（减摩、易断屑等），提高切削加工性，强度次要。 铸钢（铸钢件）：特 点：直接铸造成零件的结构钢，用于形状复杂、性能要求较高的场合。重型机械，矿山、工程机械等。成 分：低、中碳。热处理：进行正火、退火，重要件进行淬火、回火。,表5-9,5.4 铸铁（cast iron） c2.11%，有共晶反应。主要介绍石墨化铸铁。5.4.1 铸铁的主要类型及其特点 碳的形态与铸铁类型 一定条件下：Fe3C（亚稳态） 3Fe+G（稳定态） 碳呈化合态的Fe3C和共晶莱氏体；极脆，称白口铸铁

15、（断口白壳），应用很有限。 碳呈游离态的石墨，（G）具有多种形态，铸造性能优良，应用广泛。,图5-4,各类铸铁的特点 1) 共性：成 分：高碳、高硅（易形成G）及杂质S、P较宽（成本低廉、易浇注）。组 织：钢基（F、F+P、P等）+G。性 能：G的存在，具有多重性影响。分析基点：G作为空洞或裂纹看待。 割裂基体，承载面积 b，k。G 本身应力集中铸铁易脆断。G是裂纹萌生及扩展通道抗压不抗拉，宜作承压件。G存在加工性能好（铸造、切削加工）；减震减摩；较小缺口敏感性。,2)各类铸铁的特点灰铸铁 :直接结晶获得、成分亚共晶。特点：片G应力集中、割裂基体严重；应用：承压或受力不大的形状复杂件或薄壁件（

16、如箱体等）。典型牌号：HT200。 可锻铸铁:铁水白口铁石墨化退火 Fe3C分解为团絮状G。特点：性能优于灰铸铁（但并不可锻），工艺复杂。应用：一定承载能力的结构件。典型牌号：KTH35010。,图5-5,图5-6,图5-7,图5-8,表5-16,表5-17,球墨铸铁（球铁）：直接结晶、球化处理（加稀土镁球化剂）。 特点：高碳高硅（接近共晶成分）、杂质少；强度和塑性改善，基体作用加强，性能在铸铁中最好。 应用：冲击负荷不大时可代钢（如柴油机曲轴）。 典型牌号：QT45010。蠕墨铸铁 ： 直接结晶获得（G形态介于片状与球状之间），力学性能明显优于灰铸铁、劣于球铁，加工性能等优于球铁。RuT30

17、0等。,表5-18,5.4.2 铸铁的热处理石墨化退火：生产可锻铸铁，消除铸件薄壁处白口。 去应力退火：用于各种铸件。 正火、淬火回火：主要用于球铁（提高基体强度）。,5.5 有色金属其合金（non-ferrous alloy） 5.5.1 铝及铝合金 纯铝：导电导热、抗大气腐蚀；太软。 (1)铝合金及其特点比强度高（高强钢）。可用于轻结构件，尤其航空。突出理化性能。导电、抗大气腐蚀。 良好加工性。高塑性、易冷成形；某些合金铸造性能好，宜作压铸件。,(2)铝合金分类变形铝合金：不可时效强化的铝合金：防锈铝（F以左），单相固溶体，强度低、压力加工性能好；用其优良的耐蚀性能。牌号标记LF。可时效强化的变形铝合金：硬铝（LY）、超硬铝（LC）和锻铝（LD）。固溶时效提高性能。,表5-19,图5-10,图 Al-4%Cu合金的时效处理与沉淀强化,铸造铝合金：具有共晶转变的合金，铸造性能良好。提高性能方法：变质细化粗铸态组织；时效硬化。牌号 ：ZAL或ZL(3)铝合金的热处理： 退火：消除应力退火（200300）；再结晶退火（350415）。 固溶时效硬化：有色合金时效强化三步曲（Al4%Cu为例）:时 效 方 式：人工时效（150250数h）、自然时效（高温放置数天或数星期）。,表5-20,本 章 结 束,表5-3 普通碳素结构钢的牌号、成分、性能与应用,