2钢铁材料.pptx

1材料概论材料概论第第2 2章章 钢铁材料与应用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科学与工程学院材料科学与工程学院2材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料概论材料概论-钢铁材料及其应用钢铁材料及其应用3材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料概论材料概论-钢铁材料及其应用钢铁材料及其应用2.1 绪绪 论论 2.1.1 钢的合金化钢的合金化 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。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合金元素总含量小于或等于5%：低合金钢低合金钢合金元素总含量在合金元素总含量在5%10%范围：中合金钢范围：中合金钢合金元素总含量超过合金元素总含量超过10%：高合金钢高合金钢加入了合金元素的钢：合金钢加入了合金元素的钢：合金钢 4材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料概论材料概论-钢铁材料及其应用钢铁材料及其应用2.1 2.1 绪绪 论论 2.1.1 2.1.1 钢的合金化钢的合金化 1 1、钢中的合金元素、钢中的合金元素 奥氏体形成元素，如奥氏体形成元素，如C、N、Mn、Ni、Cu、Co铁素体形成元素，如铁素体形成元素，如Cr、Mo、W、V、Ti、Si、A1碳化物形成元素，如碳化物形成元素，如Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr非碳化物形成元素，如非碳化物形成元素，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钢中加入合金元素的主要目的是为了提高钢的性能 5材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.1.1 钢的合金化钢的合金化2 2、钢的强韧化、钢的强韧化 （1 1）钢的强化）钢的强化 强化的主要手段：强化的主要手段：钢的合金化、冷热变形、热处理钢的合金化、冷热变形、热处理铁素体的屈服强度随铁素体的屈服强度随晶粒细化而增加晶粒细化而增加 HallPetch公式公式 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钢的晶粒尺寸为0.25mm0.25mm，即粗晶粒时，屈服强度约为，即粗晶粒时，屈服强度约为100MPa100MPa；而；而当晶粒尺寸细小到当晶粒尺寸细小到0.0025mm0.0025mm，即细晶粒时，其屈服强度高达，即细晶粒时，其屈服强度高达500MPa500MPa以上。以上。6材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.1.1 钢的合金化钢的合金化（2 2）钢的韧化）钢的韧化 细化奥氏体晶粒，从而细化铁素体晶粒；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，以降低采用特殊冶炼方法和调整合金化元素，以降低有害有害元素元素的作用；的作用；细化碳化物颗粒，消除晶界上的碳细化碳化物颗粒，消除晶界上的碳化物薄膜；化物薄膜；细化亚结构细化亚结构；利用残余奥氏体韧化；利用残余奥氏体韧化；利用利用相变诱发塑性相变诱发塑性 细化晶粒对提高材料性能是细化晶粒对提高材料性能是十分重要的，它能同时提高钢的十分重要的，它能同时提高钢的强度和韧性。强度和韧性。7材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.1 绪绪 论论2.1.2 2.1.2 钢的分类和编号方法钢的分类和编号方法 1 1、钢的分类、钢的分类 按按用途用途分类可满足使用者的要求；按金相组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金方法分类有利于钢铁企业的管理 按用途分类：按用途分类：结构钢（包括工程构件用钢和机器结构钢（包括工程构件用钢和机器零件用钢）、工具钢和特殊性能钢。零件用钢）、工具钢和特殊性能钢。按化学成分分类：按化学成分分类：非合金钢和合金钢非合金钢和合金钢 8材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.1.2 2.1.2 钢的分类和编号方法钢的分类和编号方法2 2、钢的编号方法、钢的编号方法 （1 1）碳素结构钢）碳素结构钢 屈服强度第一个字母屈服强度第一个字母Q、屈服强度数值、质量、屈服强度数值、质量等级、脱氧方法符号。等级、脱氧方法符号。Q235-F （2 2）优质碳素钢）优质碳素钢 以平均含碳量的万分之几表示：以平均含碳量的万分之几表示：10、45、30Mn（3 3）碳素工具钢）碳素工具钢 符号符号T(碳碳)标识，其后以含碳量的千分之几标识，其后以含碳量的千分之几表示：表示：T8、T10、T8Mn？9材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院（4 4）合金结构钢）合金结构钢 2.1.2 2.1.2 钢的分类和编号方法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：百分之几表示：45Cr、45Mn2、20MnVB（5 5）合金工具钢）合金工具钢 含碳量以千分之几表示，当钢中的含碳量以千分之几表示，当钢中的w(C)1.0时，不再标出含时，不再标出含C量；其合金元素的表示方法与合量；其合金元素的表示方法与合金结构钢相同：金结构钢相同：5CrMnMo、Cr12MoV 合金元素平均含量小于合金元素平均含量小于1.5时，仅标明元素名时，仅标明元素名称而不注明含量。称而不注明含量。10材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.2 2.2 工程构件用钢工程构件用钢 工程构件的工作特点：工程构件的工作特点：基本上长期承受静载荷，偶尔有动基本上长期承受静载荷，偶尔有动 载荷载荷特殊要求：特殊要求：在寒冷地区使用的构件，要求有较低的在寒冷地区使用的构件，要求有较低的韧脆转韧脆转变温度变温度和良好的韧性；工程构件长期使用于露天和野外和良好的韧性；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求构件用钢要有良好的耐大气腐蚀性和耐海水腐蚀性能耐大气腐蚀性和耐海水腐蚀性能。性能要求：性能要求：构件用钢要有较高的强度，一定的塑性和抗过构件用钢要有较高的强度，一定的塑性和抗过 载能力；载能力；材料概论材料概论-钢铁材料及其应用钢铁材料及其应用11材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.2.1 碳素结构钢碳素结构钢 2.2 2.2 工程构件用钢工程构件用钢 碳素结构钢又称为普碳钢，其使用量很大，约碳素结构钢又称为普碳钢，其使用量很大，约占钢产量的占钢产量的70左右，大部分用作结构件，少量用左右，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。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，易于成形和足够的强度，良好的塑性和韧性，易于成形和焊接。焊接。w(C)一般在一般在0.2%以下。常以热轧态以下。常以热轧态供货，供货，一般不再进行热处理一般不再进行热处理。Q195、Q215、Q235、Q255、Q275 12材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.2.2 低合金高强度钢低合金高强度钢 低低合金结构钢，低合金高强度钢，合金结构钢，低合金高强度钢，High Strength Low Alloy Steel，简称，简称HSLA钢。钢。主要目的：减轻金属结构的重量，主要目的：减轻金属结构的重量，节省钢材节省钢材，提高，提高其可靠性。其可靠性。性能要求：高的屈服强度。性能要求：高的屈服强度。按屈服强度每增加约按屈服强度每增加约50MPa为一个级别，分为为一个级别，分为Q295、Q345、Q390、Q420、Q460MPa等几个强等几个强度级别。度级别。2.2 2.2 工程构件用钢工程构件用钢 13材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院 16Mn(Q345)钢是最具代表性钢是最具代表性开发最早使用最开发最早使用最多多的钢种。良好的综合力学性能和焊接性。屈服强的钢种。良好的综合力学性能和焊接性。屈服强度比度比Q235钢提高钢提高50左右，耐大气腐蚀性提高约左右，耐大气腐蚀性提高约2030%。2.2.2 低合金高强度钢低合金高强度钢 广泛用于各种大型船舶、车辆、大型容器、大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型钢结构、桥梁、起重机等，比使用碳钢节约钢材2030。？14材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.2.3 特殊性能低合金高强度钢特殊性能低合金高强度钢 2.2 2.2 工程构件用钢工程构件用钢 具有具有特殊特殊化学成分、采用特殊工艺生产、具备化学成分、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。特殊的组织和性能、能够满足特殊需要的钢类。耐候钢耐候钢 耐海水腐蚀钢耐海水腐蚀钢 表面处理钢材表面处理钢材 汽车冲压钢板汽车冲压钢板 石油、天然气管线钢石油、天然气管线钢 工程机械用钢与可焊接高强度钢工程机械用钢与可焊接高强度钢 15双相刚：双相刚：7070的细晶多边形铁素体和的细晶多边形铁素体和3030的小岛或的小岛或纤维状马氏体。纤维状马氏体。2.2 2.2 工程构件用钢工程构件用钢 16材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院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。用量较大的钢种。工作载荷：工作载荷：拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、冲拉伸、压缩、弯曲、剪切、扭转、冲 击、震动、摩擦等力的作用，有时是击、震动、摩擦等力的作用，有时是 几种力同时作用。几种力同时作用。性能要求：性能要求：良好的塑性加工性能和切削加工性能。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。淬透性，热处理变形、开裂倾向小。2.3 2.3 机器零件用钢机器零件用钢 材料概论材料概论-钢铁材料及其应用钢铁材料及其应用17材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院机器零件用钢属于机器零件用钢属于结构钢结构钢，有优质碳素结构钢和，有优质碳素结构钢和合金结构钢；合金结构钢；按生产工艺和用途分为：按生产工艺和用途分为：调质钢、渗碳钢调质钢、渗碳钢、氮化、氮化钢、低碳马氏体钢、冷变形用钢、易切削钢、钢、低碳马氏体钢、冷变形用钢、易切削钢、非非调质钢调质钢、弹簧钢、轴承钢、特殊用途钢等、弹簧钢、轴承钢、特殊用途钢等 2.3 机器零件用钢机器零件用钢 18材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.3 机器零件用钢机器零件用钢 2.3.1 调质钢调质钢 经过调质处理，即淬火并经高温回火后使用的经过调质处理，即淬火并经高温回火后使用的结构钢。结构钢。调质钢通常具有良好的综合力学性能，是应用调质钢通常具有良好的综合力学性能，是应用最为广泛最为广泛的机器零件用钢。的机器零件用钢。一般调质钢的力学性能范围大致为：一般调质钢的力学性能范围大致为：抗拉强度抗拉强度8008001200MPa1200MPa，屈服强度，屈服强度7007001000MPa1000MPa，延伸率，延伸率8%8%15%15%、冲击韧度、冲击韧度a aK K6060120 J/cm120 J/cm，韧脆转变温度低于，韧脆转变温度低于-40-40。？19材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.3.2 渗碳钢、氮化钢及低淬透性钢渗碳钢、氮化钢及低淬透性钢 2.3 机器零件用钢机器零件用钢 有些机器零件，在工作时受到有些机器零件，在工作时受到周期性变化的周期性变化的扭转力和弯曲力扭转力和弯曲力的作用，同时还与其他零件之间的作用，同时还与其他零件之间有相对的有相对的摩擦和磨损摩擦和磨损。对这类零件通常采用。对这类零件通常采用表面表面强化强化的方法来满足力学性能要求，如的方法来满足力学性能要求，如表面渗碳、表面渗碳、碳氮共渗、氮化、表面淬火碳氮共渗、氮化、表面淬火等。（等。（CrMoCrMo，MnCrMnCr）202.3.3 非调质钢非调质钢 在中碳钢中在中碳钢中添加微量合金元素添加微量合金元素（V V，TiTi和和NbNb等）等），通过，通过控温轧制或热锻后控制冷却控温轧制或热锻后控制冷却，使之在轧制，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。（学性能的钢种。（49MnVS349MnVS3，35MnVS35MnVS）2.3 机器零件用钢机器零件用钢 21材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.4 工模具用钢工模具用钢 材料概论材料概论-钢铁材料及其应用钢铁材料及其应用 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，其中包括各种形式的工具，其中包括各种刃具刃具，冷、热成形，冷、热成形模模具具和和量具量具等。工具加工的对象大部分是金属材料，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，其因而用来制造工具的钢，其硬度和耐磨性硬度和耐磨性应高于应高于被加工的材料。被加工的材料。工具钢按照其用途不同可分为：工具钢按照其用途不同可分为：刃具钢、量具钢、模具钢。刃具钢、量具钢、模具钢。？22材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.4.1 刃刃 具具 钢钢 刃具基本性能要求：刃具基本性能要求：高的硬度，一般刃具高的硬度，一般刃具的硬度的硬度606065HRC65HRC；加工轻金属材料和木工用的刃；加工轻金属材料和木工用的刃具，一般具，一般454555HRC55HRC。高的高的耐磨性耐磨性。高的强度高的强度和足够的塑性与韧性。和足够的塑性与韧性。高的高的红硬性红硬性。1 1、碳素工具钢、碳素工具钢 T8T8、T10T10、T12T122 2、低合金工具钢、低合金工具钢 9SiCr9SiCr、Cr2Cr23 3、高速钢、高速钢 2.4 工模具用钢工模具用钢 232.4 工模具用钢工模具用钢 24材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.4 工模具用钢工模具用钢 WW系高速钢，系高速钢，W18Cr4VW18Cr4V（18-4-118-4-1）、）、9W18Cr4V9W18Cr4VMoMo系高速钢，系高速钢，W2Mo8Cr4VW2Mo8Cr4VW-MoW-Mo系高速钢系高速钢，W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2（6-5-4-26-5-4-2）高高C-C-高高V V高速钢，高速钢，W12Cr4V4MoW12Cr4V4Mo高高CoCo高速钢，高速钢，W6Mo5Cr4V2Co8W6Mo5Cr4V2Co8超硬型高速钢超硬型高速钢，W6Mo5Cr4V2A1 W6Mo5Cr4V2A1 2.4.1 刃刃 具具 钢钢 3 3、高速钢、高速钢 25材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.4 工模具用钢工模具用钢 2.4.1 刃刃 具具 钢钢 3 3、高速钢、高速钢 反复锻打。高温淬火，多次回火。反复锻打。高温淬火，多次回火。26材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料概论材料概论-钢铁材料及其应用钢铁材料及其应用2.5 不不 锈锈 钢钢 不锈钢是指具有抗腐蚀性能的一类钢种。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、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。通常情强碱中具有抗蚀性的则称之为耐酸钢。通常情况下统称况下统称不锈耐酸钢不锈耐酸钢，或简称为不锈钢。，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、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、奥氏体不锈钢、铁素体铁素体-奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢 按金相组织分类按金相组织分类 27材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.5 不不 锈锈 钢钢 2.5.1 常用不锈钢常用不锈钢 1 1、铁素体不锈钢、铁素体不锈钢 从高温到低温都保持铁素体从高温到低温都保持铁素体低低Cr的的Cr13型型w(Cr)1214，高，高Cr的的Cr17型型w(Cr)1618和和Cr28型型w(Cr)2530。耐硝酸、氨水等的腐蚀性和抗氧化性较好，抗耐硝酸、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。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。生产硝酸、氮肥等设备。？28材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.5 不不 锈锈 钢钢 2 2、马氏体不锈钢、马氏体不锈钢 2.5.2 常用不锈钢常用不锈钢 既具有基本的耐蚀性，又能通过热处理进行强化既具有基本的耐蚀性，又能通过热处理进行强化 按含按含Cr量：量：13Cr钢、钢、18Cr钢、钢、17Cr-2Ni钢钢 1Crl3、2Crl3、Crl7Ni2属于低碳马氏体不锈钢。类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；后使用，如汽轮机叶片等；29材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.6 耐耐 热热 钢钢 材料概论材料概论-钢铁材料及其应用钢铁材料及其应用在高温下工作的钢称为耐热钢。在高温下工作的钢称为耐热钢。一般分为两类：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，例如工业炉窑的炉温氧化，承受的载荷并不大，例如工业炉窑的炉底板、炉栅等；底板、炉栅等；热强钢，在高温下工作时，承受载荷较大，失效热强钢，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变开裂，例如高温螺栓、涡轮叶片和高温蒸汽管道等。道等。30材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.6 耐耐 热热 钢钢 2.6.1 抗氧化钢抗氧化钢 1 1、铁素体型抗氧化钢、铁素体型抗氧化钢 Cr13型钢，使用温度在型钢，使用温度在800850，如如 0Cr13Al、0Cr11Ti等；等；Cr18型钢，使用温度在型钢，使用温度在1000左右，左右，如如1Cr17、1Cr19A13等；等；Cr25型钢，使用温度在型钢，使用温度在10501100，新新GB中主要为中主要为1Cr25N。31材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.6 耐耐 热热 钢钢 2 2、奥氏体型抗氧化钢、奥氏体型抗氧化钢 （1）Cr-Ni及及Cr-Ni-N系抗氧化钢系抗氧化钢 可用于可用于1000以上以上，且较铁素体钢具有更好的加，且较铁素体钢具有更好的加工性和热强性。工性和热强性。Cr25Ni20 30Cr24Ni7SiNRE（2）Cr-Mn-N及及Cr-Mn-Ni-N系抗氧化钢系抗氧化钢 3Cr18Mn12Si2N2Cr20Mn9Ni2Si2N（3）Fe-Al-Mn系抗氧化钢系抗氧化钢 7.07.5Al 7.58.0Al 9.010.0Al 800 900 950 1000 1100 322.6 耐耐 热热 钢钢 33材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院材料科学与工程学院2.7 铸铁与铸钢铸铁与铸钢 材料概论材料概论-钢铁材料及其应用钢铁材料及其应用 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金属材料，据近五年统计，我国铸铁件占铸件总产量的产量的79%80%(其中，球铁约占其中，球铁约占13%)，铸钢，铸钢件占件占13%14%，有色合金铸件约占，有色合金铸件约占7%(其中，其中，铝铸件约占铝铸件约占5.5%)。根据碳的存在形式和石墨的形态，铸铁常分为：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；灰口铸铁，石墨为片状，断口呈暗灰色；可锻可锻铸铁，石墨为团絮状；铸铁，石墨为团絮状；球墨铸铁，石墨呈球状；球墨铸铁，石墨呈球状；蠕墨铸铁，石墨呈蠕虫状。蠕墨铸铁，石墨呈蠕虫状。34灰铸铁（珠光体片状石墨）灰铸铁（珠光体片状石墨）可锻铸铁（铁素体团絮状石墨）可锻铸铁（铁素体团絮状石墨）球墨铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁（铁素体蠕虫状石墨）蠕墨铸铁（铁素体蠕虫状石墨）2.7 铸铁与铸钢铸铁与铸钢