工程材料及其热处理教学模块课件

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1、教学重点： 教学难点： 解决方法： 常用碳钢、合金钢、铸铁、有色金属等材料的分类、成分、组织、牌号、性能和应用； 工程材料及其热处理教学模块工程材料及其热处理教学模块 重点、难点及解决办法：重点、难点及解决办法： 常见化学元素对钢的组织、性能及热处理影响，变形铝合金的强化手段和热处理特点。 检索分析、查阅参考文献、 项目教学与工学交替。 课题一非合金钢（碳钢） 教学重点常用碳钢的牌号、性能和应用。教学难点根据碳钢的牌号能分析它的 成分、性能特点和大致应用范围。本课题重点与难点改善钢的质量；提高钢的强度和硬度；减轻硫的危害；是有益元素，一般WMn0.25%0.80%。3.1.1 常存杂质元素对碳

2、钢性能的影响 1、锰的影响 2、硅的影响消除FeO对钢的不良影响；产生固溶强化；是钢中有益元素，一般Wsi0.4%。使钢的强度、硬度增加，但塑性和韧性显著降低；使钢低温时脆性严重（冷脆）；是有害元素，应严格控制磷含量。3.1.1 常存杂质元素对碳钢性能的影响 3、磷的影响 4、硫的影响 与铁形成化合物FeS，使钢变脆（热脆）；是钢中有害元素，应严格控制硫含量。 分为低碳钢(Wc0.25%)、中碳钢(0.25Wc0.60%)和高碳钢(Wc0.60%)。 3.1.2 碳钢的分类 1、按含碳量分类 2、按质量分类 1）普通质量碳钢（Ws0.045%、Wp0.045%）不需要特别控制质量的钢种，包括一

3、般碳素结构钢、碳素钢筋钢、铁道用一般碳素钢等。2）优质碳钢需要特别严格控制质量的碳钢。主要包括：机械结构用优质碳钢、工程结构用优质碳钢、冲压薄板的低碳结构钢、锅炉和压力容器用碳钢、优质铸造碳钢等。3.1.2 碳钢的分类3、按用途分类 1）碳素结构钢主要用于制造各种工程构件和机器零件。一般属于低碳钢和中碳钢。2）碳素工具钢主要用于制造各种刃具、量具、模具等。一般属于高碳钢。此外，钢按冶炼时脱氧方法不同，分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢等3.1.3 碳钢的牌号和应用 1、碳素结构钢 牌号：由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法符号四部分顺序组成。质量等级有：A表示Ws0.050%、W

4、p0.045%；B表示Ws0.045%、Wp0.045%；C表示Ws0.040%、Wp0.040%；D表示Ws0.035%、Wp0.035%。脱氧方法有F（沸腾钢）、b（半镇静钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）四种，通常Z和TZ可省略。例：Q235AF。3.1.3 碳钢的牌号和应用 2、优质碳素结构钢 牌号：用两位数字表示钢平均含碳量的万分数。例：45钢。又分为普通含锰量（WMn0.7%）和较高含锰量（WMn =0.7%1.2%）两类。含锰量较高的钢在两位数字后面加“Mn”字。例：65Mn钢。脱氧方法表示法同碳素结构钢。高级优质钢，加“A”；特级优质钢，加“E”。3.1.3 碳钢的牌号和应

5、用 3、碳素工具钢 牌号：用“碳”的汉语拼音字首“T”加数字（钢的平均Wc的千分数）表示。例：T12。碳素工具钢含碳量高，硫、磷杂质含量较少，一般经淬火，低温回火后硬度比较高，耐磨性好，但塑性较低。主要用于要求不很高的刃具、量具和模具。3.1.3 碳钢的牌号和应用 4、铸钢 牌号：用“ZG” 表示。 牌号有两种表示方法：以强度表示时,在“ZG”后面有两组数字，第一组数字表示该牌号屈服点的最低值，第二组数字表示其抗拉强度的最低值，两组数字间用“” 隔开。例： ZG230450。 以化学成分表示铸钢牌号时，在“ZG”后面的数字表示铸钢平均碳含量的万分数。平均碳含量1时不标出,平均碳含量0.1时,其

6、第一位数字为“0”。在含碳量后面排列各主要合金元素符号,每个元素符号后面用整数标出含量的百分数。例：ZG15Cr1MolV。课题二低合金钢和合金钢 教学重点常用低合金钢、合金结构的牌号、性能及用途。 教学难点 合金元素对钢性能的影响、低合金钢，合金结构钢牌号与应用之间的一般关系。本课题重点与难点 1、合金元素在钢中的存在形式及作用 3.2.1 合金元素在钢中的作用 1）合金元素与铁作用形成固溶体 合金元素可以溶入-Fe或-Fe中，形成含合金元素的铁素体或奥氏体。合金元素的溶入，将导致铁素体或奥氏体的晶格畸变，产生固溶强化。硅、锰、镍等元素对铁素体的强化效果显著。 2）合金元素与碳作用形成合金碳

7、化物 大多数合金元素能与碳作用形成合金碳化物，熔点高、硬度高、不易分解，呈颗粒状分布在晶界上，可细化晶粒，提高钢的强度和硬度。 2、合金元素对钢热处理的影响 3.2.1 合金元素在钢中的作用 1）合金元素对加热时奥氏体化的影响 大多数合金元素能减慢碳的扩散速度，加之合金碳化物稳定、难溶解，显著减慢碳及合金元素的扩散速度，故减慢了奥氏体化过程。 大多数低合金钢和合金钢，需更高的加热温度、更长的保温时间。 大多数合金元素（除锰、磷外）形成的碳化物，在高温下较稳定，且分布在奥氏体的晶界上，能有效阻止奥氏体晶粒的长大，起到细化奥氏体晶粒的作用。3.2.1 合金元素在钢中的作用 2）合金元素对冷却时奥氏

8、体转变的影响 增加过冷奥氏体的稳定性，固溶于奥氏体中的合金元素（除钴以外），均程度不同地增加过冷奥氏体的稳定性（C曲线右移），使钢的淬透性增加， 降低马氏体点（Ms），除钴、铝以外，大多数合金元素均会降低马氏体点，使合金钢淬火后的残余奥氏体量增加。3.2.1 合金元素在钢中的作用 3）合金元素对回火转变的影响 1）提高钢的耐回火性（回火稳定性） 3.2.1 合金元素在钢中的作用 2）产生二次硬化 3.2.2 低合金钢和合金钢的分类及牌号 1、低合金钢的分类及牌号 1）低合金钢的分类 （1）按主要质量等级分类 普通质量低合金钢 优质低合金钢 特殊质量低合金钢 （2）按主要性能和使用特性分类 分为

9、可焊接的低合金高强度结构钢、低合金耐候钢、低合金钢筋钢、铁道用低合金钢、矿用低合金钢、其他低合金钢等。 3.2.2 低合金钢和合金钢的分类及牌号 2）低合金钢的牌号 （1）低合金高强度结构钢 表示方法与碳素结构钢相同。例：Q345。（2）易切削结构钢 以“易”字的汉语拼音字首“Y”为首，其后数字表示平均碳含量的万分数，钢中含锰量较高时标出“Mn”。例：Y40Mn。3.2.2 低合金钢和合金钢的分类及牌号 2、合金钢的分类及牌号 1）合金钢的分类 （1）按主要质量等级分类 优质合金钢 特殊质量合金钢 （2）按主要性能和使用特性分类 分为工程结构用合金钢、机械结构用合金钢、轴承钢、工具钢、不锈、耐

10、蚀和耐热钢、特殊物理性能钢等。3.2.2 低合金钢和合金钢的分类及牌号 2）合金钢的牌号 （1）机械结构用合金钢和工程结构合金钢(1)调质处理合金结构钢、表面硬化合金结构钢、合金弹簧结构钢。两位数字+元素符号+数字 （+A）(碳含量的万分数)(所含合金元素)(该元素含量的百万分数)(硫磷含量少钢质量高)例：18Cr2Ni4WA。(2)高锰耐磨钢。ZG+ Mn+数字(铸钢汉语拼音字首)(锰)(平均含锰量的百分数)例：ZGMn13-1。3.2.2 低合金钢和合金钢的分类及牌号 （2）轴承钢 GCr+（+元素符号+数字）(G：“滚”汉语拼音字首；Cr:铬；：平均含铬量千分数；元素符号：若还有其他元素

11、；数字：含量百分数。）例：GCr15SiMn。（3）合金工具钢 表示方法与合金弹簧钢类似，差别在于：若钢中的WC1%时，牌号前的数字表示平均含碳量的千分之几；若钢中的WC1%时，牌号前不标出含碳量。例：9Mn2V。3.2.2 低合金钢和合金钢的分类及牌号 （4）高速工具钢 表示方法与合金工具钢类似，主要差别是无论钢中的含碳量多少，均不在牌号前标出数字。例：W18Cr4V。（5）不锈钢和耐热钢 表示方法与合金工具钢类似，只是当WC0.03%或WC0.08%时，其牌号前的数字分别用“00”或“0”代替。例：3Cr13；00Cr17Ni14Mo2。3.2.3 低合金钢1、常用低合金高强度结构钢 1）

12、低合金高强度结构钢的成分和性能特点 成分特点：在低碳钢（Wc0.2%）的基础上加入少量的锰、硅、钛、钒、铌等合金元素而制成的钢。性能特点：强度高，塑性、韧性好，焊接性好、冷成形性好、耐蚀性好、冷脆转变温度低、成本低。2）常用的低低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢的强度比低碳钢高出10%30%，代替碳素结构钢，可大大减轻机件或结构件的重量。例：南京长江大桥的桥梁采用Q345比用Q235节省钢材15%以上。 广泛用于船舶、车辆、桥梁、压力容器等工程结构件及低温下工作的构件等。3.2.3 低合金钢2、其它低合金结构钢简介 1）易切削结构钢 2）低合金耐候性钢 3）汽车用低合金钢 4）低合金钢筋钢

13、 5）铁道用低合金钢 6）矿用低合金钢 3.2.4 合金钢1、常用机械结构和工程结构用合金钢 1）合金调质钢 (1）用途及性能要求用途：汽车、机床等机器中重要的零件。性能要求：良好的综合力学性能。(2）成分、性能和热处理特点成分、性能：Wc0.250.50，保证良好的综合力学性能。加入Cr、Mn、Si、Ni、B等提高淬透性、强化铁素体、细化晶粒、提高耐回火性等。热处理：调质处理(3）常用合金调质钢分低淬透性合金调质钢（如40Cr）、中淬透性合金调质钢（如35CrMo、38CrMoAl）、高淬透性合金调质钢（如40CrNiMo、40CrMnMo）三类。3.2.4 合金钢2）合金渗碳钢 (1）用途

14、及性能要求用途：汽车发动机、变速箱中的齿轮、内燃机凸轮、活塞销等机械零件。性能要求：零件表面高的硬度、高的耐磨性和耐疲劳性能，心部高的韧性和足够的强度。(2）成分、性能和热处理特点成分、性能：Wc0.10.25,以保证零件心部有良好的塑性和韧性。加入Cr、Mn、Ni、Ti、V、W、Mo、B等以提高钢的淬透性，细化晶粒，在渗碳层获得均匀细小的耐磨碳化物。热处理：渗碳后淬火、低温回火。(3）常用合金渗碳钢分低淬透性合金渗碳钢（如20Cr、20MnV）、中淬透性合金渗碳钢（如20CrMnTi）、高淬透性合金渗碳钢（如18Cr2Ni4WA）三类。3.2.4 合金钢3）合金弹簧钢 (1）用途及性能要求用

15、途：机械和仪表中各种弹性元件。性能要求：高的弹性极限和屈强比、较高的疲劳强度、足够的塑性和韧性。(2）成分、性能和热处理特点成分、性能：Wc0.50.7% ,保证高的弹性极限。加入Mn、Si、Cr、Mo、W、V、B等以提高钢的淬透性、细化晶粒、耐回火性、强化铁素体、提高弹性和屈强比等。冷成形弹簧：去应力退火或淬火加中温回火。热成形弹簧：淬火、中温回火(3）常用合金弹簧钢分硅锰系合金弹簧钢（如60Si2Mn）、硅铬系合金弹簧钢、铬锰系合金弹簧钢和铬钒系合金弹簧钢（如50CrVA）。3.2.4 合金钢4）高锰耐磨钢 (1）用途及性能要求用途：制造受强烈冲击和巨大压力，并要求耐磨的零件。性能要求：受

16、到强烈摩擦、巨大压力和冲击时，表面高的硬度和耐磨性，心部良好的韧性和塑性，较高的抗冲能力。(2）成分、性能和热处理特点成分、性能：Wc0.901.50，WMn1114，铸态组织为奥氏体和大量的碳化物，性能硬而脆。热处理：水韧处理，强度、硬度（180230HBS）不高，塑性、韧性好。(3）常用高锰耐磨钢ZGMn13-1等。3.2.4 合金钢2、轴承钢 1）用途及性能要求用途：制造各种滚动轴承的元件，如滚珠、滚柱和内外套圈等。性能要求：很高的强度、硬度、耐磨性，很高的接触疲劳强度，一定的韧性和耐润滑剂腐蚀的能力。2）成分、性能和热处理特点成分、性能：Wc0.951.15，保证高硬度、高耐磨性。加入

17、Cr、Si、Mn、Mo、V等合金元素，提高钢的淬透性、耐磨性和接触疲劳强度。 热处理：球化退火、淬火和低温回火。3）常用轴承钢高碳铬轴承钢（GCr15应用最广）和无铬轴承钢。3.2.4 合金钢3、不锈钢与耐热钢 通常将具有抵抗大气或其他介质腐蚀的钢称为不锈钢。成分特点：低碳，加入大量的Cr、Ni等合金元素。 作用是提高铁素体的电极电位；使钢获得单相组织；在钢的表面形成一层致密的氧化膜。1）马氏体不锈钢 2）铁素体型不锈钢 3）奥氏体-铁素体型不锈钢 4）奥氏体型不锈钢 5）沉淀硬化型不锈钢 3.2.4 合金钢耐热钢 耐热钢是指具有高温抗氧化性和热强性的钢。成分特点：低碳，加入Cr、Al、Si（形成致密保护膜）、Ti、V、Mo、W（增加高温强度）。 分为抗氧化钢和热强钢两类。 抗氧化钢主要用于长期在高温下不起氧化皮、强度要求不高的零件，如炉底板。 热强钢主要用要求有高温强度又有较好抗氧化性的零件，如柴油机排气阀、汽轮机叶片等。