2 钢铁材料

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,34,单击此处编辑母版标题样式,材料概论,第,2,章 钢铁材料与应用,材料科学与工程学院,材料科学与工程学院,材料概论,-,钢铁材料及其应用,材料科学与工程学院,材料概论,-,钢铁材料及其应用,2.1,绪 论,2.1.1,钢的合金化,为了改善钢的性能，在碳钢中加入一些合金元素，从而达到改变其使用性能和工艺性能的目的以满足在现代各种高技术和特殊要求条件下的应用。,合金元素总含量小于或等于,5%,： 低合金钢,合金元素总含量在,5%,10%,范围：中合金钢,合金元素总含量超过,10%,： 高合金钢,加入了合金元素的钢：合金钢,材料科学与工程学院,材料概论,-,钢铁材料及其应用,2.1,绪 论,2.1.1,钢的合金化,1,、钢中的合金元素,奥氏体形成元素，如,C,、,N,、,Mn,、,Ni,、,Cu,、,Co,铁素体形成元素，如,Cr,、,Mo,、,W,、,V,、,Ti,、,Si,、,A1,碳化物形成元素，如,Cr,、,Mo,、,W,、,V,、,Ti,、,Nb,、,Zr,非碳化物形成元素，如,Ni,、,Si,、,Al,、,Cu,、,P,钢中加入合金元素的主要目的是为了提高钢的性能,材料科学与工程学院,2.1.1,钢的合金化,2,、钢的强韧化,（,1,）钢的强化,强化的主要手段：,钢的合金化、冷热变形、热处理,铁素体的屈服强度随晶粒细化而增加,Hall,Petch,公式,现代钢铁材料的生产非常重视最终铁素体的晶粒度。当低碳钢的晶粒尺寸为,0.25mm,，即粗晶粒时，屈服强度约为,100MPa,；而当晶粒尺寸细小到,0.0025mm,，即细晶粒时，其屈服强度高达,500MPa,以上。,材料科学与工程学院,2.1.1,钢的合金化,（,2,）钢的韧化,细化奥氏体晶粒，从而细化铁素体晶粒；,采用特殊冶炼方法和调整合金化元素，以降低,有害元素,的作用；,细化碳化物颗粒，消除晶界上的碳化物薄膜；,细化亚结构,；,利用残余奥氏体韧化；,利用,相变诱发塑性,细化晶粒对提高材料性能是,十分重要的，它能同时提高钢的,强度和韧性。,材料科学与工程学院,2.1,绪 论,2.1.2,钢的分类和编号方法,1,、钢的分类,按,用途,分类可满足使用者的要求；按金相组织和化学成分分类可便于检验和研究工作；按冶金方法分类有利于钢铁企业的管理,按用途分类：,结构钢（包括工程构件用钢和机器零件用钢）、工具钢和特殊性能钢。,按化学成分分类：,非合金钢和合金钢,材料科学与工程学院,2.1.2,钢的分类和编号方法,2,、钢的编号方法,（,1,）碳素结构钢,屈服强度第一个字母,Q,、屈服强度数值、质量等级、脱氧方法符号。,Q235-F,（,2,）优质碳素钢,以平均含碳量的万分之几表示：,10,、,45,、,30Mn,（,3,）碳素工具钢,符号,T(,碳,),标识，其后以含碳量的千分之几表示：,T8,、,T10,、,T8Mn,？,材料科学与工程学院,（,4,）合金结构钢,2.1.2,钢的分类和编号方法,按含碳量、合金元素化学符号及含量的顺序表示，含碳量以万分之几表示，合金元素平均含量以百分之几表示：,45Cr,、,45Mn2,、,20MnVB,（,5,）合金工具钢,含碳量以千分之几表示，当钢中的,w(C,)1.0,时，不再标出含,C,量；其合金元素的表示方法与合金结构钢相同：,5CrMnMo,、,Cr12MoV,合金元素平均含量小于,1.5,时，仅标明元素名称而不注明含量。,材料科学与工程学院,2.2,工程构件用钢,工程构件的工作特点：,基本上长期承受静载荷，偶尔有动,载荷,特殊要求：,在寒冷地区使用的构件，要求有较低的,韧脆转变温度,和良好的韧性；工程构件长期使用于露天和野外,;,桥梁、船舶、石油钻井平台还长期与海水接触，因而还要求构件用钢要有良好的,耐大气腐蚀性和耐海水腐蚀性能,。,性能要求：,构件用钢要有较高的强度，一定的塑性和抗过,载能力；,材料概论,-,钢铁材料及其应用,材料科学与工程学院,2.2.1,碳素结构钢,2.2,工程构件用钢,碳素结构钢又称为普碳钢，其使用量很大，约占钢产量的,70,左右，大部分用作结构件，少量用于制造机器零件和其他制品，使用极为广泛。,足够的强度，良好的塑性和韧性，易于成形和焊接。,w,(C,),一般在,0.2%,以下。常以热轧态,供货，,一般不再进行热处理,。,Q195,、,Q215,、,Q235,、,Q255,、,Q275,材料科学与工程学院,2.2.2,低合金高强度钢,低,合金结构钢，低合金高强度钢，,High Strength Low Alloy Steel,，简称,HSLA,钢。,主要目的：减轻金属结构的重量，,节省钢材,，提高其可靠性。,性能要求：高的屈服强度。,按屈服强度每增加约,50MPa,为一个级别，分为,Q295,、,Q345,、,Q390,、,Q420,、,Q460MPa,等几个强度级别。,2.2,工程构件用钢,材料科学与工程学院,16Mn(,Q345,),钢是最具代表性,开发最早使用最多,的钢种。良好的综合力学性能和焊接性。屈服强度比,Q235,钢提高,50,左右，耐大气腐蚀性提高约,20,30%,。,2.2.2,低合金高强度钢,广泛用于各种大型船舶、车辆、大型容器、大,型钢结构、桥梁、起重机等，比使用碳钢节约钢材,20,30,。,？,材料科学与工程学院,2.2.3,特殊性能低合金高强度钢,2.2,工程构件用钢,具有,特殊,化学成分、采用特殊工艺生产、具备特殊的组织和性能、能够满足特殊需要的钢类。,耐候钢,耐海水腐蚀钢,表面处理钢材,汽车冲压钢板,石油、天然气管线钢,工程机械用钢与可焊接高强度钢,双相刚：,70,的细晶多边形铁素体和,30,的小岛或纤维状马氏体。,2.2,工程构件用钢,材料科学与工程学院,机器零件用钢是机械制造业中广泛使用并且用量较大的钢种。,工作载荷：,拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、冲,击、震动、摩擦等力的作用，有时是,几种力同时作用。,性能要求：,良好的塑性加工性能和切削加工性能。,淬透性，热处理变形、开裂倾向小。,2.3,机器零件用钢,材料概论,-,钢铁材料及其应用,材料科学与工程学院,机器零件用钢属于,结构钢,，有优质碳素结构钢和合金结构钢；,按生产工艺和用途分为：,调质钢、渗碳钢,、氮化钢、低碳马氏体钢、冷变形用钢、易切削钢、,非调质钢,、弹簧钢、轴承钢、特殊用途钢等,2.3,机器零件用钢,材料科学与工程学院,2.3,机器零件用钢,2.3.1,调质钢,经过调质处理，即淬火并经高温回火后使用的结构钢。,调质钢通常具有良好的综合力学性能，是应用,最为广泛,的机器零件用钢。,一般调质钢的力学性能范围大致为：,抗拉强度,800,1200MPa,，屈服强度,700,1000MPa,，延伸率,8%,15%,、冲击韧度,a,K,60,120 J/cm,，韧脆转变温度低于,-40,。,？,材料科学与工程学院,2.3.2,渗碳钢、氮化钢及低淬透性钢,2.3,机器零件用钢,有些机器零件，在工作时受到,周期性变化的扭转力和弯曲力,的作用，同时还与其他零件之间有相对的,摩擦和磨损,。对这类零件通常采用,表面强化,的方法来满足力学性能要求，如,表面渗碳、碳氮共渗、氮化、表面淬火,等。（,CrMo,，,MnCr,）,2.3.3,非调质钢,在中碳钢中,添加微量合金元素,（,V,，,Ti,和,Nb,等），通过,控温轧制或热锻后控制冷却,，使之在轧制后不经调质处理即可获得碳素结构钢所达到的力学性能的钢种。（,49MnVS3,，,35MnVS,）,2.3,机器零件用钢,材料科学与工程学院,2.4,工模具用钢,材料概论,-,钢铁材料及其应用,对各种各样的材料进行加工，需要使用各种形式的工具，其中包括各种,刃具,，冷、热成形,模具,和,量具,等。工具加工的对象大部分是金属材料，因而用来制造工具的钢，其,硬度和耐磨性,应高于被加工的材料。,工具钢按照其用途不同可分为：,刃具钢、量具钢、模具钢。,？,材料科学与工程学院,2.4.1,刃 具 钢,刃具基本性能要求：,高的硬度，一般刃具的硬度,60,65HRC,；加工轻金属材料和木工用的刃具，一般,45,55HRC,。,高的,耐磨性,。,高的强度和足够的塑性与韧性。,高的,红硬性,。,1,、碳素工具钢,T8,、,T10,、,T12,2,、低合金工具钢,9SiCr,、,Cr2,3,、高速钢,2.4,工模具用钢,2.4,工模具用钢,材料科学与工程学院,2.4,工模具用钢,W,系高速钢，,W18Cr4V,（,18-4-1,）、,9W18Cr4V,Mo,系高速钢，,W2Mo8Cr4V,W-Mo,系高速钢,，,W6Mo5Cr4V2,（,6-5-4-2,）,高,C-,高,V,高速钢，,W12Cr4V4Mo,高,Co,高速钢，,W6Mo5Cr4V2Co8,超硬型高速钢,，,W6Mo5Cr4V2A1,2.4.1,刃 具 钢,3,、高速钢,材料科学与工程学院,2.4,工模具用钢,2.4.1,刃 具 钢,3,、高速钢,反复锻打。高温淬火，多次回火。,材料科学与工程学院,材料概论,-,钢铁材料及其应用,2.5,不 锈 钢,不锈钢是指具有抗腐蚀性能的一类钢种。在一般空气、海水等常见介质中具有抗蚀性的钢种称为不锈钢；而在强腐蚀性介质，如强酸、强碱中具有抗蚀性的则称之为耐酸钢。通常情况下统称,不锈耐酸钢,，或简称为不锈钢。,铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、铁素体,-,奥氏体不锈钢,按金相组织分类,材料科学与工程学院,2.5,不 锈 钢,2.5.1,常用不锈钢,1,、铁素体不锈钢,从高温到低温都保持铁素体,低,Cr,的,Cr13,型,w(Cr)12,14,，高,Cr,的,Cr17,型,w(Cr)16,18,和,Cr28,型,w(Cr)25,30,。,耐硝酸、氨水等的腐蚀性和抗氧化性较好，抗应力腐蚀性较好，但力学性能和工艺性能较差，存在室温脆性、焊后韧性和耐蚀性显著降低。,多用于受力不大的耐酸和抗氧化结构用钢，如生产硝酸、氮肥等设备。,？,材料科学与工程学院,2.5,不 锈 钢,2,、马氏体不锈钢,2.5.2,常用不锈钢,既具有基本的耐蚀性，又能通过热处理进行强化,按含,Cr,量：,13,Cr,钢、,18,Cr,钢、,17,Cr-2,Ni,钢,1Crl3,、,2Crl3,、,Crl7Ni2,属于低碳马氏体不锈钢。类似于调质钢，用于制造机械零件，在淬火高温回火后使用，如汽轮机叶片等；,材料科学与工程学院,2.6,耐 热 钢,材料概论,-,钢铁材料及其应用,在高温下工作的钢称为耐热钢。,一般分为两类：,抗氧化钢，或称热稳定性钢，主要失效原因是高温氧化，承受的载荷并不大，例如工业炉窑的炉底板、炉栅等；,热强钢，在高温下工作时，承受载荷较大，失效的主要原因是由于高温强度不足，高温致脆和蠕变开裂，例如高温螺栓、涡轮叶片和高温蒸汽管道等。,材料科学与工程学院,2.6,耐 热 钢,2.6.1,抗氧化钢,1,、铁素体型抗氧化钢,Cr13,型钢，使用温度在,800,850,，,如,0Cr13Al,、,0Cr11Ti,等；,Cr18,型钢，使用温度在,1000,左右，,如,1Cr17,、,1Cr19A13,等；,Cr25,型钢，使用温度在,1050,1100,，,新,GB,中主要为,1Cr25N,。,材料科学与工程学院,2.6,耐 热 钢,2,、奥氏体型抗氧化钢,（,1,）,Cr-Ni,及,Cr- Ni-N,系抗氧化钢,可用于,1000,以上 ，且较铁素体钢具有更好的加工性和热强性。,Cr25Ni20,30Cr24Ni7SiNRE,（,2,）,Cr-,Mn,-N,及,Cr-,Mn,-Ni-N,系抗氧化钢,3Cr18Mn12Si2N,2Cr20Mn9Ni2Si2N,（,3,）,Fe-Al-,Mn,系抗氧化钢,7.0,7.5Al,7.5,8.0Al,9.0,10.0Al,800,900,950,1000,1100,2.6,耐 热 钢,材料科学与工程学院,2.7,铸铁与铸钢,材料概论,-,钢铁材料及其应用,铸铁和铸钢是现代工业不可缺少的重要铸造金属材料，据近五年统计，我国铸铁件占铸件总产量的,79%,80%(,其中，球铁约占,13%),，铸钢件占,13%,14%,，有色合金铸件约占,7%(,其中，铝铸件约占,5.5%),。,根据碳的存在形式和石墨的形态，铸铁常分为：,灰口铸铁，石墨为片状，断口呈暗灰色；,可锻铸铁，石墨为团絮状；,球墨铸铁，石墨呈球状；,蠕墨铸铁，石墨呈蠕虫状。,灰铸铁（珠光体片状石墨）,可锻铸铁（铁素体团絮状石墨）,球墨铸铁,蠕墨铸铁（铁素体蠕虫状石墨）,2.7,铸铁与铸钢,