钢铁材料1(概述-普通结构用钢).ppt

,第六章 钢铁材料,金属材料及热处理,哈尔滨工业大学 空间环境材料行为及评价技术国家级重点实验室,6.1 概述,6.1 概述,定义：钢铁材料通常包括钢和铸铁，包含所有实用的Fe-C基合金。,实用： 成分可调，易于冶炼（可制造性） 综合性能（可使用性）好，机械性能尤为突出 资源丰富（存在性）,钢：含碳量小于2.11%；铸铁：含碳量大于2.11%,学习目的：通过对钢铁材料的学习，举一反三，为在工程中正确选择和使用材料打下理论基础。,Fe-C基合金：以Fe-C主要元素，可加入其他合金元素改性。,6.1.1 钢的分类,1、按化学成分分,2、按质量分 钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。 分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢. 根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：,3、按冶炼方法分,4、按金相组织分,电弧炉炼钢,5、按用途分,6.1.2 钢的编号,钢铁产品牌号是一种标记符号，一个牌号代表具有相同特征的一类产品，牌号加上品种（型材、板材、带材、管材、线材等）、规格（长、宽、厚、直径等）、状态（软态、硬态等）和执行标准号等就能准确地为某一个产品定位。钢铁产品牌号表示方法实际上是沟通生产者、经销者和使用者的一种共同语言。 我国现行有两种钢铁产品牌号表示方法，即“钢铁产品牌号表示法（GB/T221-2000）”和“钢铁及合金牌号统一数字代号体系（GB/T17616-1998）”，这两种表示方法在现行国家标准和行业标准中并列使用，两者均有效。,6.1.2 钢的编号,标准规定凡列入国家标准和行业标准的钢铁产品，均应按标准规定的牌号表示方法编写牌号。产品牌号的表示一般采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的形式表示。,数字：一般表示某组成元素的含量（用整数），表示方法根据材料不同； 国际化学符号：材料组成（一般指除基本元素以外的合金元素），如Ni，Co，Cr，W，Mn，Si等； 汉语拼音：用于说明材料产品名称、用途、冶炼和浇铸方法等。,GB/T221-2000标准中钢铁产品牌号表示方法,中国钢号所采用的缩写字母及其涵义,中国钢号所采用的缩写字母及其涵义（续表）,6.1.2 钢的编号,1. 碳素结构钢： 原称普通碳素结构钢（普碳钢），过去钢号按照GB221-1979标准分为甲、乙、特三类钢，现在改为以钢材屈服点命名。在GB/T700-1988标准中碳素结构钢的钢号由代表屈服点的拼音字母Q、屈服强度数值（单位为MPa）、钢材的质量等级符号（A、B、C、D）以及钢的冶炼脱氧方法（F、b、Z、TZ）等四部分按顺序组成。,Q O,质量等级和脱氧方法,以钢材屈服点命名,屈服点值/MPa,例：Q235-A.F 表示该材料的屈服强度为235MPa，质量等级A，为沸腾钢,6.1.2 钢的编号,在1994年标准（GB/T1591-1994）中，这类钢称为低合金高强度结构钢，其钢号按照国际标准采用以屈服点命名。 1）钢号冠以Q和碳素结构钢统一，后面的数字表示s值，分为5个强度等级； 2）在强度等级系列中又有A、B、C、D、E五个质量等级。 3）在低合金高强度结构钢的钢号中没有表示脱氧方法的符号；,2. 低合金高度结构钢（普通低合金结构钢）：,这类钢在1998年标准GB1591-1988中称为普通低合金结构钢（普低钢），其钢号表示方法与合金钢基本相同，由“数字a+（元素符号+数字b）+（元素符号+数字c）+”组成。 1）数字a：为两位整数，表示钢材含炭量的万分数 2）数字b，c：为一位或两位整数，表示钢材含有合金元素的百分数。,6.1.2 钢的编号,2. 低合金高度结构钢（普通低合金结构钢）：,新旧钢号比较,3. 优质碳素结构钢：,6.1.2 钢的编号,1）钢号开头两位数字表示钢的碳含量（质量分数），以平均碳含量100%表示。例：“45”钢中碳含量为0.45%。 2）锰含量较高（WMn=(0.71) %）的优质碳素结构钢，应标出“Mn”，例如，50Mn；用铝脱氧的镇静钢应标出“Al”，例如08Al。 3）镇静钢不加“Z”，沸腾钢、半镇静钢及专门用途的优质碳素结构钢应在钢号最后特别标出。例如10b表示碳含量为0.10%的半镇静钢。 4）高级优质碳素结构钢在钢号后加“A”，特级优质碳素结构钢在钢号后加“E”，例如45E。 5）特殊用途的优质碳素结构钢应在钢号后附加表示用途的字母，例如20g表示碳含量为0.2%的锅炉用钢。,4. 碳素工具钢,1）钢号冠以“T”，后面的数字为平均碳含量10（千分数）例如T8; T10; 2）锰含量较高（WMn=(0.40.6) %）的碳素工具钢，应在钢号的数字后标出“Mn”，例如，T8Mn； 3）高级优质碳素工具钢的磷、硫含量，比一般优质碳素工具钢低，在钢号最后加注字母“A”，以示区别，例如“T8MnA”。,6.1.2 钢的编号,T 8 Mn A,质量等级A,平均碳含量（千分之八）,含锰量较高,碳素工具钢,5. 合金工具钢与高速工具钢,6.1.2 钢的编号,1）合金工具钢钢号的平均碳含量1.0%时，不标出碳含量；当平均碳含量1.0%时，以千分之几表示。例如Cr12、CrWMn、9SiCr、3Cr2W8V。 2）钢中合金元素含量的表示方法，基本上与合金结构钢相同。但对铬含量较低的合金工具钢钢号，其铬含量以千分之几表示，并在表示含量的数字前加“0”，以便把它和一般元素含量按百分之几表示的方法区别开来。例如Cr06。 3）高速工具钢的钢号一般不标出碳含量，只标出各种合金元素平均含量的百分之几。例如钨系高速钢的钢号表示为“W18Cr4V”。钢号冠以字母“C”者，表示其碳含量高于未冠“C”的通用钢号，例如CW6Mo5Cr4V2和W6Mo5Cr4V2 。,6. 轴承钢,6.1.2 钢的编号,轴承钢现行标准分为四类： 1）高碳铬轴承钢，钢号冠以“G”，碳含量不标出，铬含量以千分数表示，例如GCr15表示表示平均铬含量为1.5%的轴承钢。 2）渗碳轴承钢，钢号与合金结构钢基本相同，但钢号冠以“G”，例如G20CrNiMoA为渗碳轴承钢，其成分：0.2% C,0.350.65% Cr, 0.40.7% Ni,0.100.35% Mo。A表示高级优质。 3）碳含铬不锈轴承钢，钢号与不锈钢相同，例如9Cr18Mo。 4）高温轴承钢，钢号与耐热钢相同，例如10Cr14Mo4 。,7. 不锈钢和耐热钢,6.1.2 钢的编号,1）不锈钢和耐热钢钢号由合金元素符号和数字组成， 2）钢号中碳含量一般用平均碳含量的千分之几表示，当碳含量上限小于0.1%时，则以“0”表示。钢中主要合金元素的含量以百分之几表示。例如2Cr13为碳含量0.2%、Cr含量为13%的不锈钢；0Cr18Ni9Ti。 3）当钢中平均碳含量1%时,采用两位数字表示；当碳含量0.03%WC%0.01%时,以“03”表示(超低碳)；当碳含量0.01%WC%时,以“01”表示（极低碳）。例如03Cr19Ni10表示平均碳含量为0.03%、平均铬含量为19%、镍含量为10%的超低碳不锈钢。,6.2 普通结构钢,构件钢损伤破坏例: Tatinic 号沉船与构件（船用）钢,The Tatinic,Metallurgical analysis of steel taken from the hull of the Titanics wreckage reveals that it had a high ductile-brittle transition temperature, making it unsuitable for service at low temperatures; at the time of the collision, the temperature of the sea water was -2C. The analysis also shows, however, that the steel used was probably the best plain carbon ship plate available at the time of the ships construction.,Charpy impact energy versus temperature for longitudinal and transverse Titanic specimens and ASTM A36 steel,桥梁与构件钢,GOLDEN GATE BRIDGE, SAN FRANCISCO, CALIFORNIA,USA,九江长江大桥（15MnVNq）全部钢梁为栓焊结构，并首次采用高强度15MnVNq钢材（屈服强度420MPa）与56mm厚板。,武汉长江大桥（Q235q）。,南京长江大桥（16Mnq）,屈服强度350MPa 。,一种特殊钢材Q460-Z35，厚度达到110毫米，国内在民用钢结构建筑上还是第一次应用，为特殊研制。河南舞阳钢铁厂的科研人员经过2个月的攻关就拿出了样品，经北京市科委组织的专家鉴定，可以应用于鸟巢钢结构建筑上。这一技术填补了国内建筑钢结构设计规范的空白,6.2.1构件用钢的性能要求和选材（1）,使用性能：保证钢材安全可靠服役的性能要求,构件用钢使用特点：,4.在一定温度与环境条件下,1.用于制作工程结构，冶炼简便，成本低，用量大,3.长期承受静载,2.供应态使用。使用时一般没有相对运动,构件用钢性能要求：,（1）力学（机械性能）：足够的刚度、塑变抗力、断裂抗力、塑性，尽量减小缺口敏感性、冷脆倾向,（2）化学稳定性：耐环境（大气、海水、河水、工业环境）腐蚀能力,6.2.1构件用钢的性能要求和选材（2）,构件用钢性能要求：,2. 工艺性能：为满足构件服役时的形状和连接要求的性能,（1）冷变形性能：,（2）焊接性能：,构件用钢选材原则：,a. 变形抗力反映了通过变形制备成设计形状部件的难易程度； b.承受一定量塑性变形时产生变形、开裂或其它缺陷的倾向性； c.冷变形前后的性能变化。,a. 焊接接头性能；b. 焊接时形成裂缝的倾向,1.选材首先满足工艺性能的要求，并充分考虑其力学性能,2.材料的成分以低碳钢(C0.2%)为主；材料组织大量F+少量P,3.构件材料供应态（热轧空冷正火态）直接使用；特殊情况下 使用淬火回火态,类别与特点（国标GB/T700-88) 五类：Q195, Q215, Q235, Q255, Q275 (表7-2，7-3）,Q195碳含量低，塑性好。也常用于制铁钉、丝、各种薄板和要求不高的冲压件与焊接结构件 Q215, Q235, Q255也可制普通零件，如铆钉、螺钉、螺母和不重要的渗碳件 Q275属中碳钢，强度较高。可代替30或40钢做普通零件,特殊用途：根据特殊构件的要求，调整材料的成分和生产工艺制成特殊用途钢。如Q235q, 20g, C20,6.2.2 碳素结构钢（普碳钢）,6.2.2 碳素结构钢（普碳钢）,碳素结构钢用途： 常以热轧板、带、棒及型钢使用，用量约占钢材总量的70%。 用于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。少量用作普通零件,1、性能要求 高强度及足够韧性。 良好的焊接性能。 良好的耐蚀性及低 的韧脆转变温度。 2、成分特点 低碳：0.2%C. 合金元素：主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等。,6.2.3 低合金高强度结构钢（普低钢）,3、热处理：大多数热轧空冷后使用。少数可用正火+高温回火处理。 4、使用状态下组织：F+P,低合金高强钢合金元素细化晶粒作用, Mn的作用是强化铁素体；增加珠光体的量。 V、Ti、Nb等起细化晶粒和弥散强化作用。 另外加Cu、P可提高耐蚀性；加RE可提高韧性、疲劳极限，降低冷脆转变温度。,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，用于中等压力的压力容器。 Q460钢含Mo、B，正火组织为贝氏体，强度高,用于石化中温高压容器.,南京长江大桥,5、用途：,按屈服强度高低分为300MPa、350MPa、400MPa、450MPa、500MPa和650MPa六个级别。,比较Q235、16Mn及15MnNb成分、结构和性能差异，说明其原因,6.3 优质结构钢,优质结构钢分为优质碳素结构钢和优质合金结构钢，包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢和轴承用钢等 用途：重要机器零件、工具和其它特殊用途 工作条件：复杂的动静载荷和特殊环境 首先满足使用性能（轻度、塑性和韧性的有机结合） 提高加工和热处理工艺性,6.3.1 渗碳钢: 钢的渗碳(1),目的：获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳和弯曲疲劳强度 渗碳材料及其性能 低(中)碳钢或低(中)碳合金钢 一定的整体强度和良好的塑性韧性 渗碳过程的分类 渗剂状态：固体、液体和气体 可控气氛渗碳和真空渗碳 渗碳温度：900930C 渗碳后热处理 渗碳组织 渗碳缺陷,钢件在渗碳介质中加热和保温，碳原子渗入表面，获得一定的表面碳含量及碳浓度梯度的工艺。,渗碳炉,钢的渗碳(2)：渗碳后的热处理,钢渗碳后的热处理-淬火 直接淬火：适用于气体和液体渗碳 操作简单，效率高；变形和表面脱碳倾向小。 A体晶粒较大，不利于零件的机械性能。对本质细晶粒钢较适宜。 一次加热淬火：渗碳缓冷后再次加热淬火。 淬火温度： Ac3-心部组织细化，表面Ar多 Ac1Ac3-心部有未溶粗大F, 表面性能好 两次加热淬火：渗碳缓冷后进行两次加热淬火 第一次淬火温度Ac3：细化心部组织，消除表面网状碳化物 第二次淬火温度稍高于Ac1点(780820C)：表面组织细化（隐晶M)，Ar适量，碳化物分布均匀 钢渗碳后的热处理-回火 渗碳件淬火后都要经过180200 C低温回火,钢的渗碳(3)：渗碳后的组织及缺陷,渗碳后表面碳含量约为0.81.2%，心部低碳 组织由表及里变化 主要的渗碳缺陷： 黑色组织：内氧化引起 反常组织：先共析渗碳体周围出现铁素体，钢中含氧过高引起。 渗层深度不均匀:原始组织不均匀；钢表面污染或氧化。 表面贫碳脱碳：炉内碳势过低；渗后热处理氧化,6.3.1 渗碳钢,1. 渗碳钢的工作条件：,零件有较高的强度和可靠性,零件会受到较大的表面摩擦,零件会受大较大的冲击作用,2. 渗碳钢的性能要求：,常用渗碳钢零件：齿轮，凸轮，活塞销,一定的强度和塑性，以抵抗拉伸、弯曲和扭转等变形破坏,表面较高的硬度和耐磨性，以抵抗磨损和表面接触疲劳,较高的韧性，以承受强烈的冲击作用,较好的抗疲劳破坏能力，以抵抗循环载荷的作用,齿轮失效实例,齿跟因过载、冲击或疲劳断裂,过载齿形流变,接触疲劳麻点,过载、润滑不当或过热引起的表面粘着磨损,磨粒或麻点破坏,3. 渗碳钢成分特点, 低碳：0.10.25%C 合金元素作用： 提高淬透性： Cr、Mn、Ni、B 强化铁素体： Cr、Mn、Ni 细化晶粒： W、Mo、Ti、V,. 常用渗碳钢,. 渗碳钢的合金化及加工工艺,渗碳钢“外硬里韧”的力学性能特点通过选择低碳钢的表面渗碳来满足,但高性能零件的性能仅用低碳钢是满足不了的，这主要是由于：,1）高的淬透性要求 2）更高的表面耐磨性和整体机械性能的要求,渗碳钢的加工工艺,工艺路线：,下料,淬火温度一般为 Ac1+30-50。,. 渗碳钢组织：,.常用钢号及用途 低淬透性钢：20、20Cr。,用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。,.常用钢号及用途,中淬透性钢：20CrMnTi。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。 高淬透性钢：18Cr2Ni4WA.用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。,