,第五章 常用金属材料,工业用钢的概述 工程结构钢 机械结构用钢 工具钢 铸铁及有色金属,第一节 工业用钢的概述,按化学成 分分类,碳素钢,合金钢,低碳钢(c0.25),中碳钢(c0.250.60),高碳钢(c0.60%,合金元素 总含量,低合金钢(Me5),中合金钢(Me5 10 ),高合金钢(Me 10),合金元素 种类分：,锰钢、铬钢、铬镍钢、 硅锰钢,按质量 分类,按用途,分类,结构钢,工具钢,工程用钢,普通钢(P0.45， S0.50%） 优质钢(s、 p均 0035) 高级优质钢(s、 p均 0025) 建筑工程用钢,桥梁工程用钢 船舶工程用钢 车辆工程用钢,如调质钢、渗碳钢、弹 簧钢、轴承钢、耐磨钢,机器用钢: 刃具钢 模具钢 量具钢 不锈钢,特殊钢 耐热钢,钢号的表示方法,一、普通结构钢 分为碳素结构钢和低合金钢 碳素结构钢 牌号: Q 345 C. F 沸腾钢 质量等级 345 MPa 屈服强度,二、优质碳素结构钢 钢号用两位数字表示，表示平均含碳量的万 分之几。 例如：45钢 注意：含Mn量较高，需将Mn元素标出。 例如：50Mn 沸腾钢、半镇静钢及专门用途钢，应在 钢号后面特别标出。 例如：20锅,三、碳素工具钢 在钢号前加“碳”或“T”表示碳素工具钢， 其后跟表示碳质量分数的千分之几的数字。 例如：T8 注意：含Mn量较高， 在钢号后将Mn元素标出。 例如：T8Mn 如为高级或优质碳素工具钢 (s、 p均 0035) ，在钢号后加 “高”或“A”。 例如：T10A钢,四、合金钢 碳质量分数合金元素种类及数量质量级别 结构钢：两位数（万分之一）,工具钢,特殊性能钢 一位数（千分之一）,合金元素的质量分数 小于1.5%时不予标出,钢铁及合金的统一数字代号体系, ,第25位数字代表 不同分类内的编组 和同一编组内不同 牌号的区别顺序号 第一位数字，代表各类 型钢铁及合金细分类 大写拉丁字母，代表不同的钢铁及合金类型,金属材料的失效分析,失效的定义：由于某种原因而丧失其规定功能， 即发生了失效。,失效的类型：,过量变形失效 断裂失效 表面损伤失效 物理性能降级,失效的原因：设计、材料、加工和安装,失效分析方法,失效零件,失效类型 变形 断裂 磨损,力学分析 应力分析,失效分析技术 机械性能测试 化学分析 金相分析 断口分析 无损探伤 应力分析,失效原因,工艺,材料,设计,装配使用,主要抗力指标,改进设计,改进工艺,加强管理,抗力指标 与内部因 素关系,指标与寿命关系,服役条件,第二节 工程结构用钢,结构钢按用途分为工程构件用钢和机器 零件用钢两大类。 工程构件用钢 工程构件用钢是应用较广泛的钢种之 一，用于国防、化工、石油、电站、车 辆、造船、桥梁、建筑等国民经济部门， 制造各种重要构件。,工作条件与性能要求,承受长期静载荷，特定温度和介质环境 具有较高的屈服强度和抗拉强度，且塑、 韧性好 良好的加工工艺性能 化学成分：低碳钢和低合金钢,碳素结构钢,普通碳素工程构件用钢简称普碳钢，产 量约占钢总产量的70%80，其中大 部分用作钢结构，少量用作机器零件。 普碳钢易于冶炼、价格低廉，性能也基 本满足了一般工程构件的要求，所以在 工程上用量很大。 普碳钢分为Q195、Q215、Q235、Q255 和Q275等五类。,低合金结构钢,碳素结构钢合金元素（3%） 强度提高2030 主要用来制造各种要求强度较高的工程结构，例如船 舶、车辆、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。 它在建筑、石油、化工、铁道、造船、机车车辆、锅 炉容器、农机农具等许多部门得到广泛的应用。 常用低合金高强度钢按其屈服强度的高低分为6个级别： 300MPa、350 MPa、400 MPa、450 MPa、500 MPa、 550650 MPa。,Q460钢含Mo、B，正火组织 为B，强度高，用于石化中温 高压容器。,压力容器,南京长江大桥,Q345钢(16Mn)综合性能好， 用于船舶、桥梁、车辆等大 型钢结构。,Q390钢含V、Ti、Nb，强度 高，用于中等压力的容器。,万吨远洋轮,低合金结构用钢的发展趋势,通过微合金化与合理的轧制工艺结合起来，实行控制 轧制，以达到更高的强度。在钢中加入少量的微合金 化元素，如V、Ti、Nb等，通过控制轧制时的再结晶 过程，使钢的晶粒细化，达到既提高强度又改善塑韧 性的最佳效果。 通过合金化改变基体组织，提高强度。在钢中加入较 多的其它元素，如Cr、Mn、Mo、Si、B等，使钢在热 轧空冷的条件下即可得到贝氏体组织，甚至马氏体组 织。这种马氏体在冷却过程中可发生自回火过程，甚 至不需要专门进行回火。 超低碳化。为了保证韧性和焊接性能，含碳量进一步 降低，甚至降到PPM级，此时必须采用真空冶炼，或 真空去气的先进冶炼工艺。,第三节 机械结构用钢,调质钢：采用调质处理，即淬火+高温回火后使用的优质 碳素钢和合金结构钢，统称为调质钢。 a）调质钢的工作条件及对性能的要求 用于受力较复杂的重要结构零件。如汽车后桥半轴、 连杆、螺栓以及各种轴类零件。 良好的综合力学性能 b）调质钢的成分特点和钢种 调质钢的含碳量在0.300.50%之间，属中碳钢， 含碳量在这一范围内可保证钢的综合性能，含碳量过 低，则影响钢的强度指标，含碳量过高则韧性显得不 足。一般碳素调质钢的含碳量偏上限，对于合金调质 钢，随合金元素的增加，含碳量趋于下限。,耐磨件,弹簧等,中温回火 350500 T回=F针+Fe3C粒,调质件,高合金钢,高温回火 500650 S回=F多+Fe3C球 高温软化 650A1 P回=F多+Fe3C粒,用途,组 织 M回=0.3%C+,名 称 温度() 低温回火 150250,M回=碳化物以极细小的片状分布在马氏体的基体上。 淬火 + 高温回火 = 调质处理,Wc = 0.250.6 %,Wc = 0.250.5 % 合金元素: Cr、Mn、 Ni、B、Si、V、 W、Mo、Ti等。,表层: S回,碳素调质钢,合金调质钢,化 学 成 分,热 处 理 后 的 组 织,心部: P + F,表层: S回,心部: S回,典型合金调质钢种介绍,低淬透性调质钢 钢含合金元素总量3 %。,圆 锥 齿 轮,柴油机凸轮轴,40Cr、40MnB等。 中淬透性调质钢 钢含合金元素总量在 4 %左右。 38 CrSi、35 CrMo 等。 常用于制造齿轮、 轴、连杆等零件。,高淬透性调质钢 钢含合金元素总量在4 % 10 %。 制造大截面重载荷零件，如航空发 动机中的涡轮轴、压气机轴等。 如：38 Cr Mo Al A、40 Cr Mn Mo、 25 Cr2 Ni4 W A等。,40Cr钢制造连杆螺栓的 热处理工艺曲线,渗碳钢：经渗碳处理后使用的钢种,渗碳钢常用在受冲击和磨损条件下工作的 一些机械零件，如汽车、拖拉机上的变速齿轮、 内燃机上的凸轮、活塞销等，要求表面硬、耐 磨，而零件心部则要求有较高的韧性和强度以 承受冲击。通常尺寸小的、受力小的，采用低 碳钢，而尺寸大的、受力大的则采用低碳合金 钢。,对渗碳钢的性能要求:表硬里韧 对渗碳钢的含碳量的要求: 低碳 渗碳钢的热处理特点: 渗碳 淬火 + 低温回火(180200),Wc 0.25 %,Wc = 0.150.25 % 合金元素:Cr、Mn、 Ni、B、V、W、 Mo、Ti等。 表层:M回+Fe3C+A残 心部:低碳M回+F,碳素渗碳钢,合金渗碳钢,化 学 成 分,热,处 表层:M回+Fe3C+A残,理 后 心部:F+P 的 组 织,合金渗碳钢的牌号,20 Mn2 Ti A,等级:高级优质 含钛量WTi1.5 % 含锰量WMn 2 % 含碳量WC 0.2 %,典型合金渗碳钢种介绍,低淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量2 % 15Cr、20Cr、20Mn2。用 于受力小的耐磨件，如柴 油机的活塞销、凸轮轴等。 中淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在25% 左右。 20 CrMn、 20CrMnTi、 20Mn2TiB。用于中等载荷 的耐磨件，如变速箱齿轮。,柴油机凸轮轴,活塞销( 20Cr ),高淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量大于5 %。 18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。 用于大载荷的耐磨件， 如柴油机曲轴。,柴油机曲轴,20 CrMnTi 钢制造齿轮的 热处理工艺曲线,弹簧钢,弹簧钢的工作条件 弹簧是各种机器和仪表中的重要零件。它是利用弹性 变形吸收能量以缓和振动和冲击，或依靠弹性储存能 量来起驱动作用。 性能的要求 具有高的屈服点或屈强比 高的疲劳强度 足够的塑性和韧性 耐热性和耐蚀性,耐磨件,弹簧等,中温回火 350500 T回=F针+Fe3C粒,调质件,高合金钢,高温回火 500650 S回=F多+Fe3C球 高温软化 650A1 P回=F多+Fe3C粒,用途,组 织 M回=0.3%C+,名 称 温度() 低温回火 150250,M回=碳化物以极细小的片状分布在马氏体的基体上。 淬火 + 高温回火 = 调质处理,弹簧钢的成分特点和钢种,（1）碳素弹簧钢含碳量一般为0.60.9%，合 金弹簧钢的含碳量为0.450.7%。含碳量过高， 塑性和韧性降低，疲劳极限也下降。,（2）可加入的合金元素有锰、硅、铬、矾和 钨等。加入硅、锰主要是提高淬透性，同时也 提高屈强比，其中硅的作用更为突出。硅、锰 元素的不足之处是硅会促使钢材表面在加热时 脱碳，锰则使钢易于过热。因此，重要用途的 弹簧钢必须加入铬、矾、钨等。它们不仅使钢 材有更高的淬透性，不易脱碳和过热，而且有 更高的高温强度和韧性。 热处理特点：淬火中温回火,碳素弹簧钢,合金弹簧钢,化 学 成 分,热 处 理 后 的 组 织,Wc = 0.60.9 %,Wc = 0.50.7 % 合金元素: Si、Mn、 Cr、V、W、Mo等。,T回 制造尺寸小于 815mm的 小型弹簧。,T回 制造尺寸在2025 mm左右的弹簧。,合金弹簧钢的牌号,65 65 Mn 60 Si 2 Mn 50 Cr V A 50 Cr Mn A 55 Si Mn Mo V Nb,热成型弹簧,用于生产尺寸大于8mm的大型弹簧， 常用热轧钢丝在热态下成型，然后淬火 中温回火。 组织为回火托氏体。,冷成形弹簧生产工艺特点,用于生产尺寸小于8mm的小型弹簧, 常用弹簧钢丝(片)冷绕成形,其制造方法有: 组织冷成型+200300去应力退火。 60、75、85、65 Mn。 退火组织冷成型+淬火+中温回火。 55Si2Mn、60Si2MnA、50CrVA。,汽车板簧,大型热卷弹簧,热卷大弹簧,弹簧丝,滚动轴承钢：用于制造滚动轴承的钢。,1、滚动轴承钢的工作条件 工作时接触面积很小，不仅有滚动 摩擦，而且有滑动摩擦，承受很高、 很集中的周期性交变载荷，所以常 常是接触疲劳破坏。,2、性能要求: 高的硬度强度和耐磨性; 高的接触疲劳强度; 足够的韧性和耐蚀性; 高的纯净度;,3、化学成分特点:,滚 动 轴 承 钢 是 一