第5章金属材料 金属材料的分类:钢、铸铁、非铁金属 钢的分类: 按用途分:结构钢、工具钢、特殊性能钢 普通质量钢(0.045%P,0.05%S) 按品质分:优质钢(0.035%P,0.035%S) 高级优质钢(0.025%P,0.025%S) 低碳钢(0.6%C) 低台金钢(10%) 2021/2/22 工程材料与材料成型基础 4-1
2021/2/22 工程材料与材料成型基础 4 - 1 第 5 章 金属材料 金属材料的分类：钢、铸铁、非铁金属 钢的分类： 按用途分：结构钢、工具钢、特殊性能钢 普通质量钢（0.045%P，0.05%S） 按品质分：优质钢（0.035% P ，0.035% S ） 高级优质钢（0.025% P ， 0.025% S ） 低碳钢（0.6%C） 低合金钢（10%）
钢中元素的作用 基本元素:Fe、C 金元素:为改善钢的性能而有意加入 杂质元素:无法去除的有害元素 残留元素:为去除杂质元素而加入的元素 非合金钢中的常存元素 来源 作用 Si炼钢时残留溶入F→固溶强化—有益 Mn炼钢时残留溶入F→固溶强化—有益 s矿石中热脆性一有害 P 矿石中冷脆性—有害 2021/2/22 工程材料与材料成型基础 4-2
2021/2/22 工程材料与材料成型基础 4 - 2 钢中元素的作用 基本元素：Fe、C 合金元素：为改善钢的性能而有意加入 杂质元素：无法去除的有害元素 残留元素：为去除杂质元素而加入的元素 非合金钢中的常存元素 P 矿石中 冷脆性——有害 S 矿石中 热脆性——有害 Mn 炼钢时残留 溶入F→ 固溶强化——有益 Si 炼钢时残留 溶入F→ 固溶强化——有益 来源 作用
常见的合金元素 Ti Zr Nb v w Mo Cr Mn Fe Co ni cu si Al 强碳化物形成元素弱碳化物 非碳化物形成元素 形 与C的亲和力:强 合金元素对基本相的影响: 非碳化物形成元素 溶入F 固溶强化 弱碳化物形成元素 形成合金较硬,耐磨, 渗碳体 比Fe3C更稳定 强碳化物形成元素 形成特殊高熔点,硬, 碳化物 耐磨,最稳定 2021/2/22 工程材料与材料成型基础
2021/2/22 工程材料与材料成型基础 4 - 3 与C的亲和力：强 弱 常见的合金元素 Ti Zr Nb V W Mo Cr Mn Fe Co Ni Cu Si Al 弱碳化物 形成元素 强碳化物形成元素 非碳化物形成元素 合金元素对基本相的影响： 非碳化物形成元素 溶入F 固溶强化 弱碳化物形成元素 形成合金 渗碳体 较硬，耐磨， 比Fe3C更稳定 强碳化物形成元素 形成特殊 碳化物 高熔点，硬， 耐磨，最稳定
合金元素对铁碳相图的影响 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↑ 2改变S、E点位置 多数元素使S点左移 <0.77%C的钢中可能 出现过共析组织 多数元素使E点左移 <2.11%C的钢中可能 出现莱氏体组织 2021/2/22 工程材料与材料成型基础 4-4
2021/2/22 工程材料与材料成型基础 4 - 4 合金元素对铁碳相图的影响 1 改变A相区 扩大A相区元素 缩小A相区元素 ——使A1，A3，Acm线↓ ——使A1，A3，Acm线↑ 2 改变S、E点位置 多数元素使S点左移 —— <0.77%C的钢中可能 出现过共析组织 多数元素使E点左移 —— <2.11%C的钢中可能 出现莱氏体组织
合金元素对热处理的影响 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→ve→↑淬透性 Ms点→↑残余A量(看后图) 合金钢可以制造大截面的零件,淬火不易变形 3对回火的影响 HRC ①↑火稳定性→↑抗回火软化的能力 ②产生二次硬化 2021/2/22 工程材料与材料成型基础
2021/2/22 工程材料与材料成型基础 4 - 5 合金元素对热处理的影响 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 （看后图） ↑ ↓ ↑ ↑ ↓ 合金钢可以制造大截面的零件，淬火不易变形 3 对回火的影响 ① 回火稳定性→ 抗回火软化的能力 ② 产生二次硬化 ↑ ↑ ℃ HRC
非合金钢(碳钢) 1碳素结构钢 ①用于工程结构和要求不高的机械零件 (螺栓、钢窗、销子、吊钩、螺母、…) ②一般不热处理,热轧状态使用 ③牌号:Q235AF 脱氧方式:沸腾钢 品质:只保证力学性能及SiS,P成分 2优质碳素结构钢 ①用于较重要的机械零件 ②一般热处理后使用 ③牌号:08F 45(平均含碳量的万分数) 0.08%C 0.45%C 2021/2/22 工程材料与材料成型基础
2021/2/22 工程材料与材料成型基础 4 - 6 非合金钢（碳钢） 1 碳素结构钢 ① 用于工程结构和要求不高的机械零件 （螺栓、钢窗、销子、吊钩、螺母、…） ② 一般不热处理，热轧状态使用 ③ 牌号：Q235 AF 屈 σs 品质：只保证力学性能及Si,S,P成分 脱氧方式：沸腾钢 2 优质碳素结构钢 ① 用于较重要的机械零件 ② 一般热处理后使用 ③ 牌号：08F 45 （平均含碳量的万分数） 0.08%C 0.45%C
碳素工具钢 3碳素工具钢 ①用于形状简单、尺寸小的手用工、模、量具 ②热处理:预备:球化退火→球状P 最终:淬火+低温回火→回火M+Fe3C+残A ③牌号:T8A T10 T12A 碳「平均含碳量的千分数08%C 高级优质钢 4易切削结构钢——用于机械结构件 牌号:Y20(易+平均含碳量的万分数) 5铸钢——用于工程结构 牌号:ZG230-450(铸钢+σ+o) 2021/2/22 工程材料与材料成型基础 4-7
2021/2/22 工程材料与材料成型基础 4 - 7 碳素工具钢 3 碳素工具钢 ① 用于形状简单、尺寸小的手用工、模、量具 ② 热处理：预备： 最终： ③ 牌号：T 8 A T10 T12A 球化退火→球状P 淬火+低温回火→回火M+Fe3C+残A 碳 平均含碳量的千分数 0.8%C 高级优质钢 4 易切削结构钢—— 用于机械结构件 牌号：Y20 （易 + 平均含碳量的万分数） 5 铸钢 —— 用于工程结构 牌号：ZG230-450 （铸钢 +σs+σb ）
合金钢 为什么要开发合金钢? ①非合金钢的不足:「淬透性低 (碳钢) 强度低,屈强比低 无特殊性能 ②合金钢的主要优点: 淬透性好→可制造大型零件 回火稳定性↑→同一回火温度下,合金钢硬度↑、强度↑ 同一回火硬度时,合金钢回火℃↑,韧性↑ 机械性能高→省料、减重 2021/2/22 工程材料与材料成型基础 4-8
2021/2/22 工程材料与材料成型基础 4 - 8 合金钢 为什么要开发合金钢？ ① 非合金钢的不足： 淬透性低 （碳钢） 强度低，屈强比低 无特殊性能 回火稳定性↑→同一回火温度下，合金钢硬度 、强度 同一回火硬度时，合金钢回火℃ ，韧性 ↑ ↑ ↑ ↑ 机械性能高→省料、减重 ② 合金钢的主要优点： 淬透性好→ 可制造大型零件
合金钢编号 1结构钢:二位数字+元素符号+数字(60sMm,9Mm2) 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,…) 2工具钢 特殊钢一位数字+元素符号+数字( CrWMn,9sCr) 平均含碳量的千分数 合金元素含量的百分数 (≥1%时不注,高速钢不注) <15%不注,1.-2.5%注 3高级优质钢:牌号后加“A” 4特殊用途钢:滚动轴承钢——牌号前加“G”(滚) (GCr15—含Cr量的千分数) 2021/2/22 工程材料与材料成型基础 4-9
2021/2/22 工程材料与材料成型基础 4 - 9 合金钢编号 1 结构钢：二位数字+ 元素符号 + 数字 （60Si2Mn, 09Mn2) 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，…） 2 工具钢 特殊钢 一位数字 + 元素符号+ 数字 （CrWMn, 9SiCr) 平均含碳量的千分数 （≥1%时不注，高速钢不注） 合金元素含量的百分数 <1.5%不注，1.5-2.5%注 2，… 3 高级优质钢：牌号后加“A” 4 特殊用途钢：滚动轴承钢—— 牌号前加“G” （滚） （GCr15 —— 含Cr量的千分数）
低合金结构钢 用途:工程结构——桥梁,船舶,车辆外壳、支架 2性能:较高的σ,塑韧性,焊接性,抗蚀性, 冷脆转变温度低 3成分:0.1-0.2%C,合金元素2~3% 主加元素:Mn—固溶强化 辅加元素: Ti Crnb—弥散强化 4使用状态:热轧或正火,不需最终热处理 组织:F+P 5常用钢号:Q295(09Mn2),Q345(16Mn) 2021/2/22 工程材料与材料成型基础
2021/2/22 工程材料与材料成型基础 4 - 10 低合金结构钢 1 用途：工程结构—— 桥梁，船舶，车辆外壳、支架 2 性能：较高的σs ，塑韧性，焊接性，抗蚀性， 冷脆转变温度低 3 成分：0.1~0.2%C，合金元素2~3% 主加元素：Mn —— 固溶强化 辅加元素：Ti,Cr,Nb —— 弥散强化 4 使用状态：热轧或正火，不需最终热处理 组织：F + P 5 常用钢号：Q295 （09Mn2），Q345 (16Mn)