《钢材知识专业培训》PPT课件.ppt

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1、钢材基础知识培训,张立祥,2008-03-17,第一章 力学性能,力学性能：材料在外力作用时表现出来的性能。 包括强度、塑性、刚度、硬度、韧性、 及疲劳性能和耐磨性等。 强度：材料抵抗塑性变形或断裂的能力。 塑性：断裂前材料产生永久变形的能力。 刚度：材料对弹性变形的抵抗能力。 硬度：材料抵抗局部变形、压痕、划痕的能力。 韧性：材料在塑性变形和断裂的全过程中吸收能量 的能力。,第一章 力学性能,第一节 强度和塑性 拉伸试样依照GB/T 228-2002制作。 标距：测量伸长用的圆柱或棱柱部分的长度。 L0=kS01/2 ：其中L0表示原始标距，最小为15mm； S0 原始横截 面积；k是比例系

2、数，通常k=5.65，若采用5.65不 能满足L015mm，则采用k=11.3或非比例试样 （ L0与 S0无比例关系）。 A=（Lu-L0）/L0：A断后伸长率，A11.3（k=11.3），A80mm（非比 例试样L0=80mm）；Lu断后标距； L0原始标距。,第一节 强度和塑性,屈服点（s）：在外力作用下，材料产生屈服现象时的应力 值。 屈服强度（0.2）：若材料无明显屈服现象，国家标准则规 定以残余应变量达到0.2%时的应力值来 表征材料的微量塑性变形的抗力，称为屈 服强度。 抗拉强度（ b ）：材料在断裂前所能承受的最大应力。 断后伸长率（A）：试样断裂后，标距的伸长与原始标距的 百

3、分比。,刚度,刚度：在应力-应变曲线上的弹性阶段，应力和应变的比值即为材料刚度（弹性模量）。 实际工件的刚度与材料的刚度和工件的尺寸和形状有关，工件刚度代表工件产生单位弹性变形时所需载荷的大小。 工件刚度代表工件产生单位弹性变形所需的载荷大小。单位（N/mm）,第二节 硬度-布氏硬度,1.布氏硬度原理：用一定直径的球体，以相应的试验力压入 试样表面，经规定保持时间后，卸除试力， 用测量表面压痕来计算硬度。 当试验压头为淬硬钢球时，其硬度符号为HBS；硬质合金球 时，符号为HBW。 2.布氏硬度表示方法：符号HBS或HBW之前的数字为硬度值， 符号后面的数字表示试验条件（球体直 径/试验力/试验

4、力保持时间【10-15s不 标注】），例170HBS10/1000/30。,第二节 硬度-布氏硬度,3.试验条件的选择： 布氏硬度试验时，压头直径D，试验力F，及试验保持时间t，应根据被测材料的种类、硬度值范围及材料的厚度进行试验。 常用压头球体直径D有1，2，2.5，5和10mm五种；试验力从1-3000kgf范围内；试验力保持时间黑色金属10-15s，有色金属30s，布氏硬度值小于35时为60s，用钢球压头时，硬度值必须小于450HBS，硬质合金压头时，硬度值必须小于650HBW。 钢及铸铁布氏硬度大于140时， =10；布氏硬度小于或等于140时， =30。,第二节 硬度-洛氏硬度,1.

5、洛氏硬度原理：在初始试验力F0及纵试验力F0+F1先后作 用下，将压头压入试样表面，经规定保持 时间后卸除主试验力F1，用保持初始试验 力的条件下测量的残余压痕深度增量来计算硬度。 2. 洛氏硬度值HR=k-e：k为常数，用金刚石圆锥体压头时 k=100，用钢球压头时k=130；e为残 余压痕深度增量，单位为0.002mm。,第二节 硬度-洛氏硬度,3.洛氏硬度标尺： 为了用一台硬度计测定从软到硬不同材料的硬度，可以采用不同的压头和总试验力，组成15种洛氏硬度标尺，最长用的有三种-HRA、HRB、HRC。,第二节 硬度-洛氏硬度,布氏硬度 优点：测量精度高，能反映材料的平均性能； 缺点：操作复

6、杂，耗时长不能准确测量高硬度材料。,洛氏硬度 优点：操作简单、迅速，压痕小，测试硬度值范围大 缺点：当材料内部组织不均匀时，硬度数据波动大，须测量数次取平均值。,第二节 硬度,第三节 韧性,冲击韧度：材料在冲击加载下吸收塑性变形 功和断裂功的能力，常用标准试样的冲 击吸收功AK 或冲击韧度K表示。 K=AK/断裂面截面面积 AK-冲击吸收功 应用意义：冲击韧度反映了材料的冶金质量和热加工工艺质量；反映材料抵抗对一次或少数次大能量冲击破坏的能力 ；可以评定材料的冷脆性。,第三节 其他,7.塑性应变比r值：r值表示钢板拉伸时，宽度方向与厚度方向应变比之比值。r值越大，表示钢板越不易在厚度方向变形（

7、越不容易开裂），深冲性越好。 8. 应变强化指数n：钢材在拉伸中实际应力应变曲线的斜率。其物理意义是，n值高，表示材料在成形加工过程中变形容易传播到低变形区，而使应变分布较为均匀，减少局部变形集中现象，因此n值对拉延胀形非常重要。,第二章 铁碳合金,第一节：铁碳合金分类 铁碳合金（iron-carbon）：主要是由铁和碳两种元素组成的合金 是现代工业中应用最广泛的金属材料。 铁碳合金的分类：（1）工业纯铁，C 0.0218%； （2）钢，0.0218%C 2.11% ； （3）白口铁，2.11%C 6.69%。,第二章：铁碳合金的相和组织,1.铁素体（F）：碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体。 溶

8、碳能力差，随温度的升高，碳的溶解度稍增：室温，溶碳0.0008%；600C时，溶碳0.0057%；727C时，溶碳量最大，约为0.0218%。 铁素体强度、硬度较低，塑性和韧性好（屈服强度：100-170MPa，抗拉强度：180-280MPa，延伸率：30%-50%，HBS：50-80）。 铁素体在770C以下具有铁磁性，770C以上则失去铁磁性。 物质系统中物理、化学性质完全相同，与其他部分具有明显分界面的均匀部分称为相 .,工业纯铁 B250P1,第二节：铁碳合金的相,2、渗碳体（Fe3C）：铁和碳组成的一种具有复杂晶格的间隙 化合物。 渗碳体中碳含量为6.69%，熔点1227C，无通俗异

9、构转变，230C以下有弱磁性，硬度800HB，塑性、韧性几乎为零，脆性极大。 渗碳体在刚和铸铁中与其他相共存时呈片层状、球状、网状或条状等，是材料中的主要强化相。,白口铸铁:大块平整相位渗碳体，片状组织为珠光体,第二节：铁碳合金的相和组织,3、石墨（G）：渗碳体合金中游离存在的碳。 石墨是简单六方晶格结构，强度、塑性、硬度都很低，在 刚中存在会降低刚的力学性能；但在铸铁材料中可以增加切削加工性能，降低铸铁的脆性，并能保证一定的强度和韧性。 4、铁素体：碳溶于-Fe中形成的一种间隙固溶体高温相，存在于1394C以上，1495C时有最大溶解度（0.09%）。 5、液相（L）：铁碳合金液态时称为液相

10、。,第二节：铁碳合金的相和组织,6.奥氏体（A）：碳溶于-Fe中形成的间隙固溶，存在于727C以上的高温范围内，过冷至727C以下就成为不稳定的过冷奥氏体，用A冷表示。 溶碳能力较大，随温度升高，溶碳量逐渐增多，727C时溶碳量0.77%，1148C时溶碳量最大为2.11%。 奥氏体具有很好的塑性和韧性，硬度为160-220HBS，伸长率为40-50%，易于锻压成型。 奥氏体为非铁磁性相。,1Cr18Ni9Ti,第二节：铁碳合金的相和组织,7、珠光体（P）：铁素体和渗碳体组成的机械混合物。 珠光体碳含量为0.77%，是一个双相组织，性能介于铁素体和渗碳体之间（抗拉强度770MPa，延伸率25%

11、-35%，硬度180HBS）。铁素体和渗碳体呈现片层状交替排列，成形温度A1-650C，片层厚度0.4m。 650-600C时，形成片层厚度0.2-0.4 m，硬度25-35HRC的索氏体（S）；600-550C时，形成片层厚度0.2 m，硬度35-48HRC的托氏体（T）。,珠光体金相,第二节：铁碳合金的相和组织 8、贝氏体（B）：过冷奥氏体在550C-Ms温度范围内将转变成贝氏体类型组织。 上贝氏体（B上），形成温度范围在550-350C，呈羽毛状，由束条状过饱和固溶体和渗碳体组成。 下贝氏体（B下），形成温度范围在350-Ms，呈竹叶状，由针片状过饱和固溶体和与其共格的碳化物Fe2.4组

12、成。 上贝氏体塑性、韧性均不高，生产中基本不使用；下贝氏体具有较高的硬度和强度，还有较好的塑性和韧性，是生产上常用的组织。,大片羽毛状上贝氏体和针状下贝氏体,9、马氏体（M）：碳在-Fe中的过饱和固溶体，具有体心立方晶格。 碳的质量分数小于0.2时，马氏体组织全部是板条马氏体；大于1%时，全部是片状马氏体；0.2-1%时，是板条马氏体和片状马氏体的混合组织。 碳的质量分数越高，马氏体硬度也就越高；高强度和高硬度是马氏体的主要特点。板条马氏体的塑性和韧性都相当好，而片状马氏体都很差。,第二节：铁碳合金的相和组织,针状马氏体,第二节：铁碳合金的相和组织,10、莱氏体（Ld）：碳含量为4.3%的液态

13、铁碳合金冷却到1148C 时，由液态中同时结晶出的奥氏体和渗碳体的 机械混合物。 在727C以下由珠光体和渗碳体组成的机械混合物称为变态莱氏体，用Ld表示。莱氏体硬度很高，塑性很差。,钢中常见杂质元素和合金元素,1.Si和S 固溶强化作用；Si显著降低塑性和韧性，和氧生成脆性夹杂SiO2，不利于钢的性能；Mn易和S生成MnS塑性夹杂物，降低热脆，但是MnS过多也会恶化钢的性能。一般Si和S分别控制在0.5%和0.8%以下。 2.P和S S不溶于铁，与铁生成FeS，FeS和Fe一起形成低熔点（989C）共晶体，造成热脆。P主要溶于铁素体，强化作用明显（低碳钢每增加0.01%的P，增强4.1-5.

14、5MPa），但剧烈的降低钢的塑性和韧性，而且过量的P会生成极脆的Fe3P，造成冷脆。 3.气体元素 氢在刚中含量甚微，但是危害极大，微量即可造成氢脆，甚至造成大量的微裂纹，造成零件的灾难性突然脆断。,氮溶于铁素体中，引起“应变时效”，即冷塑性变形的低碳钢在室温或加热一定时间后，强度增加，而塑性和韧性降低。对深冲零件极为不利，会增加脆性断裂的可能性。Al、V、Ti、Nb等元素可以和N生成细小弥散氮化物，细化晶粒，提高强韧性，降低N的应变时效。 氧大部分以各种氧化物夹杂的形式存在，使钢的强度、塑性、与韧性，尤其是疲劳性能的降低。 4.合金元素 以固溶态、化合态、游离态三种形式存在。 固溶态 直接作

15、用是固溶强化，P、Si、Mn强化效果最明显，但是含量超过一定量后，会急剧降低韧性；Ni在增加强度、硬度的同时，还是提高韧性，是重要的韧化元素。 化合态 合金元素与碳生成碳化物，起到弥散强化作用， 还可以细晶强化（V、Ti、Nb）。 游离态 Pb、Cu等难溶于碳，也不易生产化合物，而是游离状态存在，对钢的性能造成不利影响。,Ni、Mn、Co、N等，均可使钢的奥氏体化温度降低，含量足够高的时，可以降低到室温以下，产生奥氏体钢。Si、Cr、W、Mo、V、Ti可以使奥氏体化温度升高； 几乎所有合金元素都是E、S点左移，阻碍与延缓热处理时的奥氏体化； Ti、V、Nb等强碳化物元素，可强烈阻止奥氏体晶粒长

16、大，细化晶粒；W、Mo、Cr作用中等，Ni、Si、Cu作用微弱，Mn、P作用相反。 出Co外，固溶于奥氏体中的所有合金元素都能提高钢的淬透性，常用的有Cr、Ni、Si、Mn、B五种；V、Ti、Nb会降低钢的淬透性；,第三章 钢,第一节 钢的分类,1、按品质分类 (1) 普通钢（P0.045%，S0.050%） (2) 优质钢（P、S均0.035%） (3) 高级优质钢（P0.035%，S0.030%） 2.、按化学成份分类 (1) 碳素钢：a.低碳钢（C0.25%） b.中碳钢（C0.250.60%） c. 高碳钢（C0.60%） (2) 合金钢：a.低合金钢（合金元素总含量5%） b.中合金

17、钢（合金元素总含量510%） c.高合金钢（合金元素总含量10%）,3、按用途分类 (1) 结构钢：a.机械制造用钢：(a)调质结构钢；(b)表面硬化结构钢：包括渗碳钢、渗氨钢、表面淬火用钢； (c)易切结构钢；(d)冷塑性成形用钢：包括冷冲压用钢、冷镦用钢；b.弹簧钢；c.轴承钢 (2) 工具钢：a.碳素工具钢；b.合金工具钢；c.高速工具钢。 (3) 特殊性能钢：a.不锈耐酸钢；b.耐热钢包括抗氧化钢、热强钢、气阀钢；c.电热合金钢；d.耐磨钢；e.低温用钢；f.电工用钢 (4) 专业用钢：如桥梁用钢、船舶用钢、锅炉用钢、压力容器用钢、农机用钢,第二节 钢号的表示方法,一、我国钢号表示方法

18、概述 钢的牌号简称钢号，是对每一种具体钢产品所取的名称。我国的钢号表示方法，根据国家标准钢铁产品牌号表示方法（GB221-2000）中规定，采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。即： 钢号中化学元素采用国际化学符号表示，例如Si,Mn,Cr等。混合稀土 元素用RE（或Xt）表示。 产品名称、用途、冶炼和浇注方法等，一般采用汉语拼音的缩写字母表示。 钢中主要化学元素含量（%）采用阿拉伯数字表示。,二、我国钢号表示方法的分类说明 1碳素结构钢 由Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号组成。它的钢号冠以“Q”，代表钢材的屈服点，后面的数字表示屈服点数值，单位是MPa。例如：Q23

19、5表示屈服点（s）为235 MPa的碳素结构钢。 必要时钢号后面可标出表示质量等级和脱氧方法的符号。质量等级符号分别为A、B、C、D。脱氧方法符号：F表示沸腾钢；b表示半镇静钢：Z表示镇静钢； TZ表示特殊镇静钢，镇静钢可不标符号，即Z和TZ都可不标。例如：Q235-AF表示A级沸腾钢。 专门用途的碳素钢，例如桥梁钢、船用钢等，基本上采用碳素结构钢的表示方法，但在钢号最后附加表示用途的字母。,2优质碳素结构钢 钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，例 如：平均碳含量为0.45%的钢，钢号为“45”； 锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰元素标出，例如50Mn； 沸腾钢、半

20、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：平均碳含量为0.1%的半镇静钢，其钢号为10b。,3碳素工具钢 钢号冠以“T”，以免与其他钢类相混； 钢号中的数字表示碳含量，以平均碳含量的千分之几表示。例如：T8“ 表示平均碳含量为0.8%； 锰含量较高者，在钢号最后标出“Mn”，例如“T8Mn”； 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 ”；,5合金结构钢 钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，如：40Cr。 钢中主要合金元素，除个别微合金元素外，一般以百分之几表示。当平均合金含量1

21、.5%时，钢号中一般只标出元素符号，而不标明含量，当合金元素平均含量1.5%、2.5%、3.5%时，在元素符号后面应标明含量，可相应表示为2、3、4等。例如：18Cr2Ni4WA。 钢中的钒V、钛Ti、铝AL、硼B、稀土RE等合金元素，虽然含量很低，仍应在钢号中标出。例如：20MnVB钢中钒为0.07-0.12%，硼为0.001-0.005%。 高级优质钢应在钢号最后加A，以区别于一般优质钢。 专门用途的合金结构钢，钢号冠以（或后缀）代表该钢种用途的符号。例如：铆螺专用的30CrMnSi钢，钢号表示为ML30CrMnSi。,9合金工具钢和高速工具钢 合金工具钢钢号的平均碳含量1.0%时，不标出

22、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； 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； 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”。钢冠以字母C者，表示其碳含量高于未冠C的通用钢号。,10不锈钢和耐热钢 钢号中碳含量以千分之几表示。例如“2Cr13”钢的平均碳含量为0.2%；若钢中含碳量0.03

23、%或0.08%者,钢号前分别冠以“ 00”或“0”表示之，例如：00Cr17Ni14Mo2、0Cr18 Ni9等； 对钢中主要合金元素以百分之几表示，而钛、铌、锆、氮等则按上述合金结构钢对微合金元素的表示方法标出。,不锈钢,性能：优良的耐蚀性，合适的力学性能，良好的工艺性能。 成分特点：碳，容易与铬生成化合物，降低耐蚀性；铬，质量分数大于11.7%时，钢基体点位由-0.56V突增至+0.12V，显著提高耐蚀性；铬、铝、硅可在表面生成致密钝化膜；钼，铜可促进不锈钢钝化作用；碳、镍、锰、氮是奥氏体形成元素，铬、硅、钛、铌、钼是铁素体形成元素。,不锈钢分类： 1.马氏体不锈钢 碳0.1-1.0%，铬

24、12-18%，只在氧化介质中耐蚀，淬透性良好，空冷和油冷便可得到M，价格最低，塑性加工和焊接性能较差；（3Cr13、9Cr18） 2.铁素体不锈钢 碳0.15%，铬12-30%，耐蚀性优于M不锈钢，不可热处理强化，故强度和硬度低于M不锈钢，而塑性加工、切削加工和焊接性较优，价格略高于M不锈钢，远低于奥氏体不锈钢；（1Cr28） 3.奥氏体不锈钢 碳0.12%，铬17-25%，镍8-29%，具有最好的耐蚀性，价格高，优良的低温韧度、高的加工硬化能力、耐热性和无磁性，冷塑加工性和焊接性能较好，切削加工性能差；（1Cr18Ni9）,4.双相不锈钢 适当的铬、镍含量，并加入锰、钼、钨、铜、氮等元素，通

25、过合适的热处理形成A-F双相组织。此类不锈钢兼有A不锈钢和F不锈钢的优点。（1Cr21Ni5Ti） 5.沉淀硬化不锈钢 在各类不锈钢中，单独或混合加入硬化元素（Ti、Al、Mo、Nb、Cu等），并通过适当的热处理（固溶处理后时效处理）而获得高的强度和韧性并具有较好耐蚀性。包括M沉淀硬化不锈钢、A-M沉淀硬化不锈钢。,三、宝钢冷轧产品牌号命名方法,（一）冲压用冷连轧钢带牌号命名方法 1、一般冲压用钢：BLC B-宝钢（BAOSTEEL）缩写；L-低碳（Low Carbon）；C-一般用（Commercial）； 2、抗时效性低屈服钢：BLD B-宝钢（BAOSTEEL）缩写；L-低碳（Low C

26、arbon）；D-冲压用（Drawing）； 3、非时效性极深冲用钢：BUFD（BUSD） B-宝钢（BAOSTEEL）缩写；U-超级（Ultra）；F-成型（Formability）；D-冲压（Drawing）； 4、非时效性超深冲用钢：BSUFD B-宝钢（BAOSTEEL）缩写；SU-超高级（Ultra+Super）；F-成型（Formability）； D-冲压（Drawing）；,（二）冷成型用高强度冷连轧钢带牌号命名方法 B B-宝钢（BAOSTEEL）缩写； -最小屈服点值； -一般用V、X、Y、Z表示。 V：高强度低合金，屈服点与抗拉强度差值无规定 ；X：V中屈服点最小值与抗拉

27、强度最小值差别70MPa ；Y：V中屈服点最小值与抗拉强度最小值差别100MPa；Z：V中屈服点最小值与抗拉强度最小值差别140MPa ； -氧化物/硫化物夹杂控制（K：镇静、细晶粒；F：K+硫化物控制；O：K、F外）例：B240ZK、B340VK； （三）抗凹陷性冷连轧钢带牌号命名方法 B B-宝钢（BAOSTEEL）缩写； -最小屈服点值； -强化方式（P：强化；H：烘烤硬化）； -由1或2表示（1：超低碳；2：低碳）例：B210P1：深冲压用高强度钢；B250P2：一般加工用含磷高强度钢；B180H1：深冲用烘烤硬化钢,日系产品牌号命名方法,1.日本钢材（JIS系列）的牌号中普通结构钢主

28、要由三部分组成：第一部分表示材质，如：S（Steel）表示钢，F（Ferrum）表示铁；第二部分表示不同的形状、种类、用途，如P（Plate）表示板，T(Tube)表示管，K（Kogu）表示工具；第三部分表示特征数字，一般为最低抗拉强度。如：SS400第一个S表示钢（Steel），第二个S表示“结构”（Structure），400为下限抗拉强度400MPa，整体表示抗拉强度为400MPa的普通结构钢。,2、SPHC首位S位钢Steel的缩写，P为Plate的缩写，H为热Heat的缩写，C商业Commercial的缩写，整体表示一般用热轧钢板及钢带。3、SPHD表示冲压用热轧钢板及钢带。4、SP

29、HE表示深冲用热轧钢板及钢带。5、SPCC表示一般用冷轧碳素钢薄板及钢带，相当于中国Q195-215A牌号。其中第三个字母C为冷Cold的缩写。6、SPCD表示冲压用冷轧碳素钢薄板及钢带，相当于中国08Al（13237）优质碳素结构钢。7、SPCE表示深冲用冷轧碳素钢薄板及钢带，相当于中国08Al（5213）深冲钢。,轧制 是使金属锭块或坯料在轧机旋转着的轧辊碾压下进行塑性变形的压力加工方法，轧制有热轧和冷轧两种。 热轧 以板坯（主要为连铸坯）为原料，经加热后由粗轧机组及精轧机组制成带钢。 从精轧最后一架轧机出来的热钢带通过层流冷却至设定温度，由卷取机卷成钢带卷，冷却后的钢带卷，根据用户的不同

30、需求，经过不同的精整作业线（平整、矫直、横切或纵切、检验、称重、包装及标志等）加工而成为钢板、平整卷及纵切钢带产品。 冷轧 用热轧钢卷为原料，经酸洗去除氧化皮后进行冷连轧，其成品为轧硬卷。冷轧是在常温状态下由热轧板加工而成，虽然在加工过程因为轧制也会使钢板升温，由于热轧经过连续冷变型而成的冷轧，在机械性能比较差，硬度太高。必须经过退火才能恢复其机械性能。,调质处理： 淬火后高温回火的热处理方法称为调质处理。高温回火是指在500-650之间进行回火。调质可以使钢的性能，材质得到很大程度的调整，其强度、塑性和韧性都较好，具有良好的综合机械性能。 时效处理： 为了消除精密量具或模具、零件在长期使用中尺寸、形状发生变化，常在低温回火后（低温回火温度150-250）精加工前，把工件重新加热到100-150，保持5-20小时，这种为稳定精密制件质量的处理，称为时效。对在低温或动载荷条件下的钢材构件进行时效处理，以消除残余应力，对稳定钢材组织和尺寸，尤为重要。,