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工程材料及机械性能工程材料及机械性能张春霞张春霞2015.04.072015.04.072021/9/231材料是人类社会发展的三大支柱（信息、能源、材料是人类社会发展的三大支柱（信息、能源、材料）之一。而材料是前两者的基础。材料）之一。而材料是前两者的基础。2021/9/232凡与工程有关的材料均为工程材料。根据使用凡与工程有关的材料均为工程材料。根据使用的性能分为功能材料和结构材料。的性能分为功能材料和结构材料。材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为机械材料在载荷作用下抵抗破坏的性能，称为机械性能（或称为力学性能）。性能（或称为力学性能）。使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用使用性能的好坏，决定了它的使用范围与使用寿命，金属材料的机械性能是零件的设计和选材寿命，金属材料的机械性能是零件的设计和选材时的主要依据，外加载荷性质不同（例如拉伸、时的主要依据，外加载荷性质不同（例如拉伸、压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料压缩、扭转、冲击、循环载荷等），对金属材料要求的机械性能也将不同。要求的机械性能也将不同。2021/9/233本课程内容本课程内容一、工程材料一、工程材料金属（钢铁、有色金属）金属（钢铁、有色金属）聚合物聚合物陶瓷陶瓷复合材料复合材料二、材料的力学性能二、材料的力学性能静载荷下拉伸、压缩、扭转、弯曲静载荷下拉伸、压缩、扭转、弯曲动载荷下冲击、疲劳动载荷下冲击、疲劳高温力学性能高温力学性能2021/9/234学习方法学习方法 课堂学习课堂学习+自学（网络、书籍、实践）自学（网络、书籍、实践）本课程本课程4040个学时，理论课个学时，理论课34+34+实验实验6 6旷课旷课5 5次或迟到次或迟到1010次没有考试资格次没有考试资格总成绩总成绩=试卷成绩（试卷成绩（80%80%）+平时成绩（平时成绩（20%20%）2021/9/235第一章第一章 工程材料工程材料1.1 1.1 概述概述 工程材料工程材料是用于机械、车辆、船舶、建筑、化是用于机械、车辆、船舶、建筑、化工、能源、仪器仪表、航空航天等工程领域的材料。工、能源、仪器仪表、航空航天等工程领域的材料。根据材料的组成结构，可分成金属材料、无机非根据材料的组成结构，可分成金属材料、无机非金属材料、高分子材料和复合材料；金属材料又可金属材料、高分子材料和复合材料；金属材料又可分为分为黑色金属（钢铁）黑色金属（钢铁）材料和有色金属材料材料和有色金属材料根据材料的性能特征，分成结构材料和功能材料根据材料的性能特征，分成结构材料和功能材料应用最广的是黑色金属应用最广的是黑色金属2021/9/2361.2碳钢及合金钢碳钢及合金钢1.2.1碳钢及分类碳钢及分类铁为基的合金材料占整个结构材料和工具材料的铁为基的合金材料占整个结构材料和工具材料的90.0%以上。以上。碳的质量分数小于碳的质量分数小于2.11的铁碳合金，实际生产中的铁碳合金，实际生产中使用的碳钢含有少量的锰、硅、硫、磷等元素使用的碳钢含有少量的锰、硅、硫、磷等元素2021/9/237杂质名称杂质含量%在钢中的影响锰（Mn）wMn1.2脱氧，降低钢的脆性；合成MnS，消除S的有害作用硅（Si）wSi0.4脱氧，强化铁素体，提高钢的强度、硬度；但塑性、韧性下降硫（S）wS0.0550.040生成低熔点共晶体，形成热脆磷（P）wP0.6%塑性和焊接性能很差，强度和硬度高按钢的质量分普通钢wS0.055,wP0.045含S、P量较高，质量一般优质钢wS0.040，wP0.040含S、P量较少，质量较好高级优质钢wS0.030,wP0.035含S、P量很少，质量好按用途分结构钢wC0.080.65制造各种工程构件和机器零件工具钢wC0.65制造各种刀具、量具和模具按脱氧程度分沸腾钢（F）仅用弱脱氧剂脱氧，FeO较多钢锭内分布有许多小气泡，偏析严重镇静钢（Z）浇注时完全脱氧，凝固时不沸腾气泡、疏松少，质量较高半镇静钢（b）介于沸腾钢和镇静钢之间质量介于沸腾钢和镇静钢之间2021/9/239三、碳钢的牌号三、碳钢的牌号C C（首）船用钢；（首）船用钢；G G（首）滚动轴承钢，（首）滚动轴承钢，G G（尾）锅炉用钢（尾）锅炉用钢Q Q（首）屈服强度，（首）屈服强度，q q（尾）桥梁用钢（尾）桥梁用钢R R（尾）压力容器用钢（尾）压力容器用钢ZGZG铸钢铸钢分分类类编号方法编号方法常用牌号常用牌号用途用途举例举例说明说明碳素结构碳素结构钢钢Q235-AF屈服点为屈服点为235MPa、质量为、质量为A级的沸腾钢级的沸腾钢Q195、Q215A，Q235B、Q255A、Q255B、Q275等等一般以型材供应的工一般以型材供应的工程结构件，制造不太程结构件，制造不太重要的机械零件及焊重要的机械零件及焊接件（参见接件（参见GB700-1988）优质碳素优质碳素结构钢结构钢45表示平均表示平均wC=0.45%的优的优质碳素结构钢质碳素结构钢08F、10、20、35、40、50、60、65用于制造曲轴、传动用于制造曲轴、传动轴、齿轮、连杆等重轴、齿轮、连杆等重要零件（参见要零件（参见GB699-1988）碳素碳素工具钢工具钢T8T8A表示平均表示平均wc=0.8%的碳素的碳素工具钢，工具钢，A表示表示高级优质高级优质T7、T8Mn、T9、T10、T11、T12、T13制造需较高硬度、耐制造需较高硬度、耐磨性、又能承受一定磨性、又能承受一定冲击的工具，如手锤、冲击的工具，如手锤、冲头等（参见冲头等（参见GB1298-1986）一般工程一般工程铸造碳钢铸造碳钢ZG200-400表示屈服强度为表示屈服强度为200MPa、抗拉、抗拉强度为强度为400MPa的碳素铸钢的碳素铸钢ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570、ZG340-640形状复杂的需要采用形状复杂的需要采用铸造成形的钢质零件铸造成形的钢质零件（参见（参见GB11352-1989）2021/9/2310碳碳素素结结构构钢钢优优质质碳碳素素钢钢碳素工具钢碳素工具钢2021/9/23111.2.21.2.2碳钢的合金化基础碳钢的合金化基础合金元素：改善和提高钢的力学性能和使钢获得某合金元素：改善和提高钢的力学性能和使钢获得某些特殊的物理、化学性能而加入在一定含量的化学些特殊的物理、化学性能而加入在一定含量的化学元素。元素。常存或残存元素：非特意加入的元素常存或残存元素：非特意加入的元素低合金钢低合金钢合金钢合金钢高合金钢高合金钢常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、妮、常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、妮、锆、铜、硼、稀土元素等。磷、硫、氮等在某些情况下也锆、铜、硼、稀土元素等。磷、硫、氮等在某些情况下也起合金元素的作用。起合金元素的作用。2021/9/2312一、合金元素在钢中存在形式和分布主要有以下五种：一、合金元素在钢中存在形式和分布主要有以下五种：(1)(1)与铁形成固溶体，如硅、铜、铝、钴等。与铁形成固溶体，如硅、铜、铝、钴等。(2)(2)部分固溶于铁素体，另一部分与碳形成碳化物。这一部分固溶于铁素体，另一部分与碳形成碳化物。这一类合金元素如锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等。类合金元素如锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等。(3)(3)不少元素与钢中的氧、氮、硫形成简单的或复合的非不少元素与钢中的氧、氮、硫形成简单的或复合的非金属夹杂物，如金属夹杂物，如Al2O3Al2O3、AlNAlN、FeOAl2O3FeOAl2O3、SiO2MSiO2Mx xO Oy y、TiN TiN、MnSMnS等。等。(4)(4)一些元素彼此作用形成金属间化合物，如一些元素彼此作用形成金属间化合物，如FeSiFeSi、FeCr(FeCr(相相)、Ni3TiNi3Ti、Fe2WFe2W等。等。(5)(5)有的元素，如铜和铅，常以游离状态出现。有的元素，如铜和铅，常以游离状态出现。2021/9/2313二、合金元素在钢中的作用二、合金元素在钢中的作用2021/9/23141 1、合金元素对钢中基本相的影响、合金元素对钢中基本相的影响(1)(1)非碳化物形成元素：非碳化物形成元素：NiNi、CoCo、CuCu、Si Si、AlAl、N N、B B等。等。溶入铁素体，固溶强化溶入铁素体，固溶强化当当w wSi Si0.60.6、w wMnMn1.51.5时，对铁素体强化的同时对其韧时，对铁素体强化的同时对其韧性影响不大，当超过这个限度时则韧性有明显下降。而性影响不大，当超过这个限度时则韧性有明显下降。而CrCr、NiNi比较特殊，当比较特殊，当w wCrCr22、w wNiNi55%)5%)时，才倾向于形成合金碳化物。时，才倾向于形成合金碳化物。具有更高的熔点、硬度、耐磨性，且更稳定。具有更高的熔点、硬度、耐磨性，且更稳定。按合金元素与按合金元素与C元素的亲和能力：元素的亲和能力：Ti Zr Nb V W Mo Cr Mn Fe2021/9/23162.合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图的影响相图的影响奥氏体元素奥氏体元素2021/9/2317当含有当含有B、Nb、Ta、Zr时时，不使，不使 区封闭，只使区封闭，只使 区区缩小缩小但但Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al等元素使奥氏体相等元素使奥氏体相区缩小，超过此元素的质量分数，则钢中没有区缩小，超过此元素的质量分数，则钢中没有 相变，所以室温能获得单相的铁素体组织相变，所以室温能获得单相的铁素体组织-铁素体铁素体元素元素合金元素与合金元素与Fe相互作用的理论的实际意义：为了保相互作用的理论的实际意义：为了保证钢具有良好的耐腐蚀性，需要在室温下获得单一证钢具有良好的耐腐蚀性，需要在室温下获得单一相组织（奥氏体相或铁素体相），可以通过控制钢相组织（奥氏体相或铁素体相），可以通过控制钢中合金元素的种类和含量。中合金元素的种类和含量。2021/9/23183.合金元素对钢热处理的影响合金元素对钢热处理的影响镍、钴以外，大多数合金元素特别是强碳化物形成元素，镍、钴以外，大多数合金元素特别是强碳化物形成元素，使碳的扩散速度降低，奥氏体的形成过程减缓，因此奥使碳的扩散速度降低，奥氏体的形成过程减缓，因此奥氏体化加热温度提高，保温时间延长。氏体化加热温度提高，保温时间延长。除了锰、硼以外，大多数合金元素阻碍奥氏体晶粒长大，除了锰、硼以外，大多数合金元素阻碍奥氏体晶粒长大，淬火后获得细小马氏体组织。淬火后获得细小马氏体组织。2)合金元素对钢冷却转变的影响合金元素对钢冷却转变的影响除了除了Co以外，大多数合金元素溶入奥氏体中，不同程度以外，大多数合金元素溶入奥氏体中，不同程度地阻碍了铁、碳原子的扩散，使奥氏体稳定性提高，地阻碍了铁、碳原子的扩散，使奥氏体稳定性提高，C曲线右移；强碳化物形成元素曲线右移；强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Ti等，等，溶入奥氏体后，使溶入奥氏体后，使C曲线出现两个曲线出现两个“鼻尖鼻尖”，形成珠光，形成珠光体和贝氏体两个转变区体和贝氏体两个转变区2021/9/2319合金元素使合金元素使C曲线右移，增加了马氏体临界冷却速度，曲线右移，增加了马氏体临界冷却速度，使钢的淬透性提高。多种元素同时加入，对钢淬透性使钢的淬透性提高。多种元素同时加入，对钢淬透性的提高远比各元素单独加入时为大，故目前淬透性好的提高远比各元素单独加入时为大，故目前淬透性好的钢，多采用的钢，多采用“多元少量多元少量”的合金化原则，如的合金化原则，如Cr-Ni、Cr-Mn、Cr-Si、Si-Mn等多组元合金钢。等多组元合金钢。Co、Al外，大多数合金元素使外，大多数合金元素使Ms点、点、Mf点下移点下移，使，使钢在淬火后残余奥氏体量增多钢在淬火后残余奥氏体量增多2021/9/23203)合金元素对回火转变的影响合金元素对回火转变的影响(1)提高淬火钢的回火稳定性提高淬火钢的回火稳定性与碳钢相比，在相与碳钢相比，在相同回火温度时，合金钢强度、硬度较高；在保持同回火温度时，合金钢强度、硬度较高；在保持相同强度、硬度条件下，合金钢回火温度较高，相同强度、硬度条件下，合金钢回火温度较高，回火时间较长，因此内应力消除彻底，塑性、韧回火时间较长，因此内应力消除彻底，塑性、韧性较高。性较高。(2)产生二次硬化产生二次硬化淬火合金钢在淬火合金钢在500600温温度范围回火时，硬度升高的现象称为二次硬化。度范围回火时，硬度升高的现象称为二次硬化。(3)回火脆性回火脆性2021/9/23211.2.3结构钢结构钢一、低合金结构钢（一、低合金结构钢（HSLA）在碳素结构钢的基础上加入少量（在碳素结构钢的基础上加入少量（wMe3）合金）合金元素元素一般为一般为wC=0.10.2，一般以少量的锰为主加，一般以少量的锰为主加元素元素(wMn=0.81.7)，Si的质量分数较碳素结构的质量分数较碳素结构钢高钢高(wSi0.55)。为改善钢的性能，各牌号为改善钢的性能，各牌号A、B级钢可加入级钢可加入V、Ti、Nb等细化晶粒元素，产生弥散强化，提高强度、硬等细化晶粒元素，产生弥散强化，提高强度、硬度、冲击韧度。度、冲击韧度。Cu、P提高钢对大气的抗蚀能力，提高钢对大气的抗蚀能力，有时在钢中还加入少量稀土元素，以消除钢中有害有时在钢中还加入少量稀土元素，以消除钢中有害杂质，改善杂质物形状的分布杂质，改善杂质物形状的分布2021/9/23222021/9/23232021/9/2324二、合金结构钢二、合金结构钢合金元素通常为合金元素通常为wMe5，故该钢种属于低、中合金钢，故该钢种属于低、中合金钢合金结构钢的牌号表示方法：合金结构钢的牌号表示方法：“数字元素符号数字数字元素符号数字”。前面两位数字表示平均碳质量分数的万倍；合金元素以化前面两位数字表示平均碳质量分数的万倍；合金元素以化学符号表示，合金元素后面的数字表示合金元素质量分数学符号表示，合金元素后面的数字表示合金元素质量分数的百倍，当其平均质量分数的百倍，当其平均质量分数1.5、2.5、3.5时，则在元素符号后相应标出时，则在元素符号后相应标出2、3、4。如如18Cr2Ni4WA用于各种轴类零件、齿轮、弹簧和轴承用于各种轴类零件、齿轮、弹簧和轴承2021/9/23251、渗碳钢、渗碳钢高硬度、耐磨性、抗疲劳性，同时要求承受较高载荷、特高硬度、耐磨性、抗疲劳性，同时要求承受较高载荷、特别是冲击载荷别是冲击载荷如汽车、拖拉机的变速箱齿轮、发动机上的凸轮和活塞销如汽车、拖拉机的变速箱齿轮、发动机上的凸轮和活塞销等。等。低碳合金钢渗碳，加入合金元素低碳合金钢渗碳，加入合金元素Cr、Ni、Mn、B提高淬透提高淬透性，改善渗碳层的强度和塑、韧性，性，改善渗碳层的强度和塑、韧性，Cr含量小于含量小于2，Ni含量小于含量小于4.5，Mn小于小于2，B含量范围含量范围0.0010.004，等；添加少量的等；添加少量的V、W、Mo、Ti细化晶粒，抑制渗碳时晶细化晶粒，抑制渗碳时晶粒长大，粒长大，V含量低于含量低于0.5，W小于小于1.2，Mo低于低于0.6，Ti低于低于0.15。2021/9/2326热处理：正火处理（改善锻造的不良组织）热处理：正火处理（改善锻造的不良组织）+渗碳渗碳+淬淬火火+低温回火低温回火渗碳渗碳930，68h，渗碳后表层碳的质量分数，渗碳后表层碳的质量分数0.851.05，平衡组织为过共析组织，平衡组织为过共析组织PFe3C，中心仍，中心仍然为亚共析组织然为亚共析组织PF。淬火淬火直接淬火、一次淬火、二次淬火等。主要是决直接淬火、一次淬火、二次淬火等。主要是决定于钢中合金元素的量和对构件性能的要求。多数合定于钢中合金元素的量和对构件性能的要求。多数合金渗碳钢都采用渗碳后直接淬火，再低温回火。对于金渗碳钢都采用渗碳后直接淬火，再低温回火。对于要求高的渗碳零件和晶粒易长大的渗碳钢件要在渗碳要求高的渗碳零件和晶粒易长大的渗碳钢件要在渗碳后进行一次淬火或二次淬火，然后在低温回火。后进行一次淬火或二次淬火，然后在低温回火。低温回火低温回火180200，12h。热处理后组织为。热处理后组织为M回回点状碳化物少量点状碳化物少量A残，硬度残，硬度5860HRC。中心组织中心组织M低或低或FS（小件）；（小件）；M低低FP或或S（大件），硬度（大件），硬度3045HRC。2021/9/2327常用渗碳钢：常用渗碳钢：低淬透性渗碳钢，低淬透性渗碳钢，20Cr、15Cr、20Mn2、20Mn2V等等中淬透性渗碳钢，中淬透性渗碳钢，20CrMnTi、20CrMnMo等等高淬透性渗碳钢，高淬透性渗碳钢，18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A渗渗C钢的牌号（摘自的牌号（摘自GB/T3077-1999）（）（渗渗C C:930，回火：，回火：200）p172主主要要化化学学成成分分,%预备处理理淬火淬火,CMnCr，Ni0.170.240.170.240.500.801.301.600.701.00880800水水,油油880水水,油油0.170.230.170.230.901.200.801.100.901.201.001.30850油油880870油油钢号号20Cr20MnV20CrMn20CrMnTi淬淬透透性性低低中中高高18Cr2Ni4WA20Cr2Ni4A0.130.190.170.23W0.81.20.300.601.351.654.04.51.251.653.253.75950850空空880780油油机械性能机械性能bMPasMPa8357855405909301080735835118011808351080aKU2J4755475578632021/9/23282、调质钢、调质钢重载荷作用下同时又受冲击载荷作用的一些重要零件，如重载荷作用下同时又受冲击载荷作用的一些重要零件，如机床车轴、汽车半轴、变速箱花键轴等承受弯曲和扭转应机床车轴、汽车半轴、变速箱花键轴等承受弯曲和扭转应力力化学成分化学成分WC0.25%0.5%，以，以0.4%居多居多合金元素合金元素Mn、Si、Cr、Ni、B增大钢的淬透性，高而均增大钢的淬透性，高而均匀的综合力学性能匀的综合力学性能V细化晶粒，提高综合力学性能；细化晶粒，提高综合力学性能；Mo和和W减轻或抑制第减轻或抑制第二类回火脆性；二类回火脆性；Al加速合金调质钢的氮化过程。加速合金调质钢的氮化过程。Ti、Cr等等这些元素可以形成强碳化物，高温时阻止这些元素可以形成强碳化物，高温时阻止A晶粒长大和回晶粒长大和回火时火时M分解、碳化物聚集长大缓慢分解、碳化物聚集长大缓慢常用调质钢常用调质钢：低淬透性合金调质钢：低淬透性合金调质钢：45、40Cr、45MnV等等中淬透性合金调质钢：中淬透性合金调质钢：40CrMn、35CrMo等等高淬透性合金调质钢：高淬透性合金调质钢：40CrNiMoA等等2021/9/2329热处理工艺热处理工艺一般选用淬火高温回火，合金调质钢多用一般选用淬火高温回火，合金调质钢多用油冷淬火油冷淬火调质钢一般热处理工序安排：调质钢一般热处理工序安排：锻造锻造热处理（退火或正火）热处理（退火或正火）粗加工粗加工调质调质精加工精加工热处理热处理磨削磨削如：如：40Cr做拖拉机连杆螺栓做拖拉机连杆螺栓2021/9/23303、合金弹簧钢、合金弹簧钢专门用于制造弹簧和弹性元件的钢，用于制造各种机械和专门用于制造弹簧和弹性元件的钢，用于制造各种机械和仪表中的弹簧，如汽车、拖拉机、坦克、机车车辆的减振仪表中的弹簧，如汽车、拖拉机、坦克、机车车辆的减振弹簧和螺旋弹簧，大炮缓冲弹簧，钟表发条等弹簧和螺旋弹簧，大炮缓冲弹簧，钟表发条等性能要求：性能要求：具有较高的弹性极限和强度具有较高的弹性极限和强度具有较高的疲劳强度和屈强比具有较高的疲劳强度和屈强比具有较高的塑性和韧性，承受冲击载荷具有较高的塑性和韧性，承受冲击载荷具有耐热性和耐腐蚀性具有耐热性和耐腐蚀性汽车板簧汽车板簧火车螺旋弹簧火车螺旋弹簧2021/9/2331化学成分：碳含量：化学成分：碳含量：WC0.45%0.7%；主加元素是；主加元素是Mn、SiCr、W、V等元素等元素Mn、Si元素带来的缺点，提高回火稳定性元素带来的缺点，提高回火稳定性常见弹簧钢常见弹簧钢65Mn，淬透性比碳素弹簧钢好，但有过热倾向。，淬透性比碳素弹簧钢好，但有过热倾向。用于制造截面尺寸小于用于制造截面尺寸小于15mm的中、小型低应力弹簧钢。如的中、小型低应力弹簧钢。如小尺寸扁、圆弹簧、座垫弹簧、弹簧发条等。小尺寸扁、圆弹簧、座垫弹簧、弹簧发条等。60Si2MnA钢的淬透性增加，还可以加强钢的淬透性增加，还可以加强F，可用于截面尺，可用于截面尺寸为寸为2530mm的工件，在油中即可淬透。用于制造板状弹的工件，在油中即可淬透。用于制造板状弹簧和螺旋弹簧，还可以在簧和螺旋弹簧，还可以在250以下工作的耐热弹簧。以下工作的耐热弹簧。50CrVA淬透性比淬透性比60Si2MnA还好，用于制备还好，用于制备50mm的弹簧钢的弹簧钢丝制作的弹簧，油冷即可丝制作的弹簧，油冷即可2021/9/2332热处理工艺：热处理工艺：冷成形弹簧的热处理冷成形弹簧的热处理当弹簧直径或板簧厚度小于当弹簧直径或板簧厚度小于810mm时，常采用冷拉弹簧钢丝或弹簧钢带冷卷成形。钢号有时，常采用冷拉弹簧钢丝或弹簧钢带冷卷成形。钢号有T8、T9A、65Mn和和60Si2Mn等。其成形前后的热处理方法：等。其成形前后的热处理方法：退火状态供应的弹簧钢丝，冷拔到预订尺寸退火状态供应的弹簧钢丝，冷拔到预订尺寸加热到加热到900950，使之，使之A化，然后迅速转入化，然后迅速转入500550铅浴铅浴处理，得到细小片状的索氏体，提高冷变形能力和表面光洁度。处理，得到细小片状的索氏体，提高冷变形能力和表面光洁度。然后再经过多次拉拔得到所需尺寸然后再经过多次拉拔得到所需尺寸冷卷成形冷卷成形去应力退火或定形处理：去应力退火或定形处理：200250油浴处理油浴处理1030min。左右。左右是消除冷卷成形所产生的应力，并使弹簧定形。是消除冷卷成形所产生的应力，并使弹簧定形。热成形弹簧，主要用于大型弹簧和形状复杂的的弹簧。它们热成形弹簧，主要用于大型弹簧和形状复杂的的弹簧。它们一般有热轧钢丝和钢板制成，所用钢材主要有一般有热轧钢丝和钢板制成，所用钢材主要有60Mn、60Si2Mn、55Si2Mn和和55SiMnMoV等。等。热处理：淬火中温回火。淬火温度热处理：淬火中温回火。淬火温度830850，具体加热温，具体加热温度决定于各钢的度决定于各钢的Ac3。回火温度。回火温度420550，具体温度决定于钢，具体温度决定于钢的种类和要求。若要求高弹性，则应采用较低回火温度；若需的种类和要求。若要求高弹性，则应采用较低回火温度；若需要高韧性，则进行高温回火。要高韧性，则进行高温回火。2021/9/23332021/9/23342021/9/2335作业作业1 1、工程材料的定义？分类？、工程材料的定义？分类？2 2、碳钢的分类及牌号中字母、数字的意义？、碳钢的分类及牌号中字母、数字的意义？3 3、合金元素对钢的作用体现在哪些方面？、合金元素对钢的作用体现在哪些方面？4 4、低合金钢的用途？、低合金钢的用途？5 5、合金钢与低合金钢的差别？、合金钢与低合金钢的差别？2021/9/23364、滚动轴承钢、滚动轴承钢：用于制造各种滚动轴承零件如轴承内用于制造各种滚动轴承零件如轴承内外套圈，滚动体的专用钢外套圈，滚动体的专用钢1 1、性能要求：具有较高的淬透性、性能要求：具有较高的淬透性 具有高而且均匀的硬度和耐磨性具有高而且均匀的硬度和耐磨性 具有良好的韧性、弹性极限和接触疲劳强度具有良好的韧性、弹性极限和接触疲劳强度 具有良好的耐腐蚀性（润滑介质条件下）具有良好的耐腐蚀性（润滑介质条件下）2 2、化学成分：、化学成分：w(C)=0.95w(C)=0.951.10%1.10%，合金元素合金元素CrCr：0.41.65%0.41.65%，提高淬透性和回火稳定性；，提高淬透性和回火稳定性；Si Si（0.450.75%0.450.75%）、）、MnMn（0.951.25%0.951.25%）、）、V V：进一步提高淬：进一步提高淬透性、强度、耐磨性和回火稳定性透性、强度、耐磨性和回火稳定性P、S0.025%，减少夹杂物，提高疲劳寿命，减少夹杂物，提高疲劳寿命2021/9/2337常用轴承钢：常用轴承钢：铬轴承钢铬轴承钢GCr9GCr9、GCr15GCr15、GCr9SiMnGCr9SiMn、GCr15SiMnGCr15SiMn其它轴承钢其它轴承钢GCr15SiMnGCr15SiMn、GSiMnVGSiMnV2021/9/2338热处理：热处理：球化退火球化退火，降低硬度，得到均匀细粒，降低硬度，得到均匀细粒珠光体，硬度珠光体，硬度207229HB淬火（淬火（820840）+低温回火（温度低温回火（温度150160，保温，保温23h）（）（61-65）HRC磨削加工后，再在磨削加工后，再在120130下时效下时效510h2021/9/23395、非调质钢、非调质钢定义：在中碳钢中添加微量合金元素（定义：在中碳钢中添加微量合金元素（V、Ti、Nb、N等），产生强化相质点和细化晶粒来改等），产生强化相质点和细化晶粒来改善和提高钢的综合力学性能，可不用再调质处善和提高钢的综合力学性能，可不用再调质处理。理。特点：强度高（特点：强度高（b8501000MPa）、）、抗疲劳特性和耐磨性较好、抗疲劳特性和耐磨性较好、切削加工性良好。切削加工性良好。2021/9/2340化学成分：化学成分：Mn1.02.0，固溶强化，促进，固溶强化，促进V、N的溶解的溶解V0.050.2，N，松弛应力，减缓裂纹扩展，强，松弛应力，减缓裂纹扩展，强化；化；Ti、NbTiC和和Ti(CN)和和Nb（CN）NbC相，细相，细化晶粒，增加强韧性化晶粒，增加强韧性0.20.7的的Cr，0.050.07的的S2021/9/2341分类：分类：1）切削加工用非调质机械结构钢，牌号以切削加工用非调质机械结构钢，牌号以YF为首，为首，如如YF35MnV钢，可制作汽车发动机连杆，力学及钢，可制作汽车发动机连杆，力学及工艺性能超过工艺性能超过55钢。钢。热锻用非调质机械结构钢，牌号以热锻用非调质机械结构钢，牌号以F为首，如为首，如F40MnV钢钢该类钢的强度、硬度、耐磨性和抗疲劳性可以与合该类钢的强度、硬度、耐磨性和抗疲劳性可以与合金调质钢相媲美，它的切削性能优于调质钢。金调质钢相媲美，它的切削性能优于调质钢。目前已经用于制造汽车、拖拉机和建筑机械的曲轴、目前已经用于制造汽车、拖拉机和建筑机械的曲轴、连杆、齿轮和螺栓等。在我国也用于机床和农业机连杆、齿轮和螺栓等。在我国也用于机床和农业机械用零件械用零件。2021/9/23426、易切钢、易切钢定义：在钢中加入一定数量的一种或一种以上定义：在钢中加入一定数量的一种或一种以上的硫、磷、铅、钙、硒、碲等易切削元素，以的硫、磷、铅、钙、硒、碲等易切削元素，以改善其切削性的合金钢，又称自动机床加工用改善其切削性的合金钢，又称自动机床加工用钢，简称自动钢钢，简称自动钢改善切削加工性的合金元素主要有改善切削加工性的合金元素主要有S、Pb、P及及微量的微量的Ca等，但必须合理控制它们在钢中的含等，但必须合理控制它们在钢中的含量量化学成分：化学成分：S：0.080.30，MnS润滑；润滑；P：0.040.12，提高强度降低塑性；，提高强度降低塑性；Pb：0.100.35，润滑；，润滑；Ca：形成低熔点化合物，润滑；：形成低熔点化合物，润滑；硒、碲、铋硒、碲、铋碲、铋含量约为碲、铋含量约为0.030.10，FeSe、MnSe润滑。润滑。2021/9/2343牌号：牌号：Y40Mn，Y12，Y12Pb、Y45Ca、Y15、Y15Pb、Y20应用：应用：P-S复合低碳易切钢：螺帽、销钉、轴、复合低碳易切钢：螺帽、销钉、轴、管接头管接头Y40Mn：高：高S中碳易切钢，丝杠、光杆、花键、中碳易切钢，丝杠、光杆、花键、轴、齿条、销子。轴、齿条、销子。通常，易切削钢可以进行最终热处理，但不采通常，易切削钢可以进行最终热处理，但不采用预备热处理用预备热处理2021/9/23441.2.4工具钢工具钢用来制造切削金属和加工金属的工用来制造切削金属和加工金属的工具。具。要求是高硬度和高温下高硬度以及高的耐磨性要求是高硬度和高温下高硬度以及高的耐磨性碳素工具钢碳素工具钢牌号：牌号：T8、T12，用途：凿子、锉刀、，用途：凿子、锉刀、量具等量具等在碳素工具钢基础上加人一定种类和数量的合金在碳素工具钢基础上加人一定种类和数量的合金元素，用来制造各种刃具、模具、量具等用钢就元素，用来制造各种刃具、模具、量具等用钢就称为合金工具钢称为合金工具钢合金工具钢的硬度和耐磨性更高、淬透性、红硬合金工具钢的硬度和耐磨性更高、淬透性、红硬性和挥霍稳定性更好，常用来做尺寸大、几何形性和挥霍稳定性更好，常用来做尺寸大、几何形状复杂、性能要求高的工具状复杂、性能要求高的工具2021/9/2345工具钢分类：工具钢分类：按化学成分可分为非合金工具钢、合金工具钢和按化学成分可分为非合金工具钢、合金工具钢和高速工具钢；高速工具钢；按用途不同，可分为刃具钢、模具钢及量具钢。按用途不同，可分为刃具钢、模具钢及量具钢。但各类钢的实际应用界限并不明显，有时同一种但各类钢的实际应用界限并不明显，有时同一种钢几个用作刃具，又可用作模具和量具，他们之见钢几个用作刃具，又可用作模具和量具，他们之见的共同性较强。的共同性较强。一、刃具钢一、刃具钢碳含量在碳含量在0.75%1.5%。合金元素。合金元素Cr、Mn、Si、W和和V增加淬透性、回火稳定性、细化晶粒增加淬透性、回火稳定性、细化晶粒2021/9/2346承受压力、弯曲、振动与冲击，工件和切屑摩擦承受压力、弯曲、振动与冲击，工件和切屑摩擦切削发热，刃部切削发热，刃部温度可达温度可达500600刃具钢除要求足够的强度和韧性，高硬度（刃具钢除要求足够的强度和韧性，高硬度（60HRC）、高耐磨性和高的热硬性（红硬性）、高耐磨性和高的热硬性（红硬性）1、低合金刃具钢、低合金刃具钢合金总的质量分数低于合金总的质量分数低于5化学成分化学成分WC0.75%1.5%合金元素合金元素W、Mn、Cr、V、Si等（等（WMe5%）可用于制造形状复杂或较大型的刃具，同时可以可用于制造形状复杂或较大型的刃具，同时可以使用油冷，减小变形和开裂的倾向。使用油冷，减小变形和开裂的倾向。常用牌号常用牌号9SiCr、GrWMn、Cr2和和9Cr2等等2021/9/2347热处理工艺热处理工艺预先热处理一般采用球化退火；最终预先热处理一般采用球化退火；最终热处理为淬火后低温回火，以获得细小回火马氏热处理为淬火后低温回火，以获得细小回火马氏体、粒状合金碳化物及少量残余奥氏体组织。性体、粒状合金碳化物及少量残余奥氏体组织。性能能6063HRC形状复杂或截面较大的刃具，淬火加热时应进行形状复杂或截面较大的刃具，淬火加热时应进行预热（预热（600650）2021/9/23482、高速钢、高速钢又名风钢或锋钢。红硬性（高温又名风钢或锋钢。红硬性（高温50060HRC）成分复杂的合金钢，含有钨、钼、铬、钒等碳成分复杂的合金钢，含有钨、钼、铬、钒等碳化物形成元素。合金元素总量达化物形成元素。合金元素总量达1025%W18Cr4VCWCrVMo各成分含量各成分含量/%0.70.817.519.03.84.41.01.40.31）化学成分：）化学成分：W、Mo、Cr、V等多种合金元素等多种合金元素总的质量分数总的质量分数10%Cr提高钢的淬透性，含量提高钢的淬透性，含量3.55.0；W（5.519）或）或Mo（2.710）细化晶粒，二次硬化）细化晶粒，二次硬化2021/9/2349V（0.82.75）形成硬度极高的细小碳化物，均匀）形成硬度极高的细小碳化物，均匀分布，提高钢的耐磨性和热硬性；分布，提高钢的耐磨性和热硬性；Co（4.259.5）提高钢的热硬性和二次硬度，提）提高钢的热硬性和二次硬度，提高钢的耐磨性、导热性，并改善切削加工性。高钢的耐磨性、导热性，并改善切削加工性。2）铸态组织）铸态组织黑色组织、白色组织和鱼骨状莱氏体。黑色组织、白色组织和鱼骨状莱氏体。黑色组织黑色组织合金合金F合金碳化物，易被腐蚀，黑色，合金碳化物，易被腐蚀，黑色，性能性能3238HRC白色组织白色组织合金合金MA残，白色，性能残，白色，性能6062HRC鱼骨状莱氏体鱼骨状莱氏体骨骼状碳化物片和骨骼状碳化物片和M相间排列形成的相间排列形成的莱氏体。性能莱氏体。性能6567HRC。2021/9/2350粗大鱼骨状的合金碳化物，只能由锻造来打碎。粗大鱼骨状的合金碳化物，只能由锻造来打碎。退退火火温温度度Ac1（820840）（3050），等等温退火温退火最终热处理是淬火后回火。最终热处理是淬火后回火。特特点点是是加加热热温温度度高高（1200以以上上），回回火火温温度度高高（560左右），回火次数多（三次）。左右），回火次数多（三次）。组组织织为为M（6065）A残残（2530）未未溶溶碳化物（碳化物（10）。）。2021/9/2351热处理热处理 ：淬火（：淬火（12801280，油冷），油冷）+三次回火（三次回火（560 560）2021/9/23522021/9/2353高速钢分类：高速钢分类：钨系高速钢（含钨钨系高速钢（含钨918）；）；钨钼系高速钢（含钨钨钼系高速钢（含钨512,含钼含钼26）；）；高钼系高速钢（含钨高钼系高速钢（含钨02,含钼含钼510）；）；钒高速钢，按含钒量的不同又分一般含钒量（含钒钒高速钢，按含钒量的不同又分一般含钒量（含钒12)和高含钒量和高含钒量(含钒含钒2.55)的高速钢；的高速钢；钴高速钢（含钴钴高速钢（含钴510）。）。按用途不同高速钢又可分为：按用途不同高速钢又可分为：通用型高速钢：主要用于制通用型高速钢：主要用于制造切削硬度造切削硬度HB300的金属材料的切削刀具的金属材料的切削刀具(如如钻头钻头、丝锥丝锥、锯条锯条)和精密刀具（如和精密刀具（如滚刀滚刀、插齿刀插齿刀、拉刀拉刀），常用的钢号），常用的钢号有有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。等。特殊用途高速钢特殊用途高速钢:包括钴包括钴高速钢和超硬型高速钢（硬度高速钢和超硬型高速钢（硬度HRC6870）,主要用于制造主要用于制造切削难加工金属（如高温合金、钛合金和高强钢等）的刀具，切削难加工金属（如高温合金、钛合金和高强钢等）的刀具，常用的钢号有常用的钢号有W12Cr4V5Co5、W2Mo9Cr4VCo8等。等。2021/9/23543、硬质合金、硬质合金以以高高硬硬度度难难熔熔金金属属的的碳碳化化物物（WC、TiC)微微米米级级粉粉末末为为主主要要成成分分，以以钴钴（Co）或或镍镍（Ni）、钼钼（Mo）为为粘粘结结剂剂，在在真真空空炉炉或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。或氢气还原炉中烧结而成的粉末冶金制品。硬硬度度高高达达8791HRA（相相当当于于6981HRC），工工作作温温度度可可达达8001000，切削速度比高速钢高，切削速度比高速钢高47倍，寿命提高倍，寿命提高58倍。倍。加加工工困困难难，一一般般将将硬硬质质合合金金制制成成一一定定规规格格的的刀刀片片，镶镶焊焊在在刀刀体体上使用，不能用来制作形状复杂的刀具上使用，不能用来制作形状复杂的刀具广广泛泛用用作作刀刀具具材材料料，如如车车刀刀、铣铣刀刀、刨刨刀刀、钻钻头头、镗镗刀刀等等，用用于于切切削削铸铸铁铁、有有色色金金属属、塑塑料料、化化纤纤、石石墨墨、玻玻璃璃、石石材材和和普普通通钢钢材材，也也可可以以用用来来切切削削耐耐热热钢钢、不不锈锈钢钢、高高锰锰钢钢、工工具具钢钢等等难加工的材料难加工的材料2021/9/2355三、模具钢三、模具钢用于制造各种金属成形所用模具的钢材。用于制造各种金属成形所用模具的钢材。模模具具钢钢分分为为冷冷模模具具钢钢和和热热模模具具钢钢，冷冷