鋼材及其機械性能.ppt

鋼材及其熱處理培訓(xùn)（一） 鋼材及其機械性能,什么是鋼材 什么特性使得鋼材如此實用并重要 鋼材的這些特性如何衡量,目標問題：,鋼是含碳量在0.0218%-2.11%之間的鐵碳合金 鋼的一些可利用特性： 硬度和強度 展延性和柔韌性 熱傳導(dǎo) 電傳導(dǎo) 磁性 金屬光澤,什么是鋼,1. 按品質(zhì)分類 2. 按化學(xué)成份分類 3. 按成形方法分 4. 按金相組織分類 5. 按用途分類 6. 綜合分類 7. 按冶煉方法分類 8. 按鋼材外形,鋼的分類,(1)普通鋼（P0.045%，S0.055%）(2)優(yōu)質(zhì)鋼（P、S 均0.035%）(3)高級優(yōu)質(zhì)鋼（P0.035%，S0.030%）,(1)碳素鋼：(2)合金鋼：,(1)鍛鋼；(2)鑄鋼；(3)熱軋鋼；(4)冷拉鋼。,(1)建筑及工程用鋼(2)結(jié)構(gòu)鋼(3)工具鋼(4)特殊性能鋼(5)專業(yè)用鋼,(1)正火狀態(tài) (2)退火狀態(tài)(3)無相變或部分發(fā)生相變的,(1)普通鋼(2)優(yōu)質(zhì)鋼（包括高級優(yōu)質(zhì)鋼）,(1)按爐種分a.平爐鋼b.轉(zhuǎn)爐鋼c.電爐鋼 (2)按脫氧程度和澆注制度分a.沸騰鋼；b.半鎮(zhèn)靜鋼；c.鎮(zhèn)靜鋼；d.特殊鎮(zhèn)靜鋼。,型材、板材、管材、金屬制品,在ASTM、SAE、AISI標準中，碳素鋼和合金鋼牌號的表示方法基本相同。大都采用四位阿拉伯數(shù)字表示，間或在中間或末尾加入字母。例如：1005，94B15，3140等。 -四位數(shù)字中的前兩位數(shù)字表示鋼種類型極其主要合金元素含量 -后兩位數(shù)字表示鋼的平均含碳量為萬分之幾的數(shù)值 -舉例：SAE4118 41=鉻鉬合金鋼 18=碳含量,鋼的牌號（1 美標）,1.碳素結(jié)構(gòu)鋼 鋼的牌號由代表屈服點的漢語拼音”Q”、屈服點數(shù)值（單位為MPa）在標準中現(xiàn)含有Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五個牌號，它們的主要區(qū)別在于化學(xué)成分（主要是碳含量）和力學(xué)性能不同。 2.優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 鋼的牌號采用阿拉伯數(shù)字或阿拉伯數(shù)字和化學(xué)元素符號表示。以二位阿拉伯數(shù)字表示平均含碳量（以萬分之幾計），例如：“45”、“65Mn”。 3.低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼 鋼的牌號由代表屈服點的漢語拼音”Q”、屈服點數(shù)值、質(zhì)量等級符號（A、B、C、D、E）三部分按順序排列組成，例如：Q390A、Q420E。 4.合金結(jié)構(gòu)鋼 鋼的牌號采用阿拉伯數(shù)字和化學(xué)元素符號表示。采用二位阿拉伯數(shù)字表示平均碳含量（以萬分之幾計），放在牌號頭部。合金元素含量表示方法為：當平均合金元素含量低于1.5%時，牌號中僅標明元素，一般不標明含量；當平均合金元素含量為1.50-2.49%, 2.50-3.49% % 時，相應(yīng)地在合金元素符號后面加上 。例如：碳、鉻、錳、硅的平均含量分別為0.35%、1.25%、0.95%、1.25%的合金結(jié)構(gòu)鋼，其牌號表示為35CrMnSi；碳、鉻、鎳的平均含量分別為0.12%、0.75%、2.95%的合金結(jié)構(gòu)鋼，牌號表示為12CrNi3。,鋼的牌號（2 國標）,C 元素的影響 - 決定最大可獲得硬度 0.2% 典型的滲碳與碳氮共滲用 0.30.4% 典型直接淬火，滲氮與感應(yīng)淬火 0.51.0% 典型直接淬火,化學(xué)元素對鋼性能的影響 （1）,1、碳（C）：鋼中含碳量增加，屈服點和抗拉強度升高，但塑性和沖擊性降低，當碳量0.23%超過時，鋼的焊接性能變壞，因此用于焊接的低合金結(jié)構(gòu)鋼，含碳量一般不超過0.20%。 2、硅（Si）：在煉鋼過程中加硅作為還原劑和脫氧劑，鋼中含硅量超過0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能顯著提高鋼的彈性極限，屈服點和抗拉強度，故廣泛用于作彈簧鋼。硅顯著提高鋼的抗沖擊性和回火穩(wěn)定性。 3、錳（Mn）：在煉鋼過程中，錳是良好的脫氧劑和脫硫劑，一般鋼中含錳0.300.50%。在碳素鋼中加入0.80%以上時就算“錳鋼”，較一般鋼量的鋼不但有足夠的韌性，且有較高的強度和硬度，提高鋼的淬性，改善鋼的熱加工性能，含錳1114%的鋼有極高的耐磨性，用于挖土機鏟斗，球磨機襯板等。 4、磷（P）：在一般情況下，磷是鋼中有害元素，增加鋼的冷脆性，使焊接性能變壞，降低塑性，使冷彎性能變壞。因此通常要求鋼中含磷量小于0.045%，優(yōu)質(zhì)鋼要求更低些，對相圖轉(zhuǎn)變無明顯影響。 5、硫（S）：硫在通常情況下也是有害元素。使鋼產(chǎn)生熱脆性，降低鋼的延展性和韌性，在鍛造和軋制時造成裂紋。硫?qū)附有阅芤膊焕?，降低耐腐蝕性。所以通常要求硫含量小于0.055%，優(yōu)質(zhì)鋼要求小于0.040%。在鋼中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常稱易切削鋼。 6、鉻（Cr）：在結(jié)構(gòu)鋼和工具鋼中，鉻能顯著提高強度、硬度和耐磨性，但同時降低塑性和韌性。 7、鎳(Ni)：鎳能顯著提高鋼的淬透性和低溫韌性。但由于鎳是較稀缺的資源，故應(yīng)盡量采用其他合金元素代用。 8、鉬(Mo)：碳化物形成元素，鉬能使鋼的晶粒細化，提高淬透性和熱強性能，還可以抑制合金鋼由于回火而引起的脆性，在工具鋼中可提高紅硬性。 9、鈦(Ti)：鈦是鋼中強脫氧劑。它能使鋼的內(nèi)部組織致密，細化晶粒，鋼中鈦含量超過0.065wt%會降低機械加工性。 10、釩(V)：釩是鋼的優(yōu)良脫氧劑。鋼中加0.5%的釩可細化組織晶粒，提高強度和韌性。釩與碳形成的碳化物，在高溫高壓下可提高抗氫腐蝕能力。 11、鋁(Al)：鋁是鋼中常用的脫氧劑。鋼中加入少量的鋁，可細化晶粒，提高沖擊韌性，鋼中鋁含量不易超過0.08wt%, 以防止產(chǎn)生冰糖狀斷口的脆斷！ 12、硼(B)：鋼中加入微量的硼（0.0005-0.003%）就可改善鋼的淬透性。,化學(xué)元素對鋼性能的影響 （2）,鋼的機械性能 指在外力（載荷）作用時表現(xiàn)出來的性能，包括強度、塑性、硬度、韌性及疲勞強度等。 拉伸試驗 硬度試驗 沖擊試驗 疲勞試驗,鋼的機械性能的度量,金屬材料的強度指標根據(jù)其變形特點分下列幾個： 一 強度 彈性極限（e） 表示材料保持彈性變形, 不產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)力, 是彈性零件的設(shè)計依據(jù)。 屈服點（s） 表示金屬開始發(fā)生明顯塑性變形的抗力, 鑄鐵等材料沒有明顯的屈服現(xiàn)象, 則用條件屈服點（0.2 ）來表示: 產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變時的應(yīng)力值。 強度極限(抗拉強度b ) 表示金屬受拉時所能承受的最大應(yīng)力。 二 塑性 斷裂前材料產(chǎn)生永久變形的能力稱為塑性, 用伸長率和斷面收縮率來表示。 伸長率（） 在拉伸試驗中, 試樣拉斷后, 標距的伸長與原始標距的百分比稱為伸長率。 斷面收縮率（） 試樣拉斷后, 縮頸處截面積的最大縮減量與原橫斷面積的百分比稱為斷面收縮率。,鋼的機械性能的度量-拉伸試驗（1）,比例極限及彈性模量E 應(yīng)力 應(yīng)變曲線上o a段，按一般工程精度要求，可視為直線，在a點以下，應(yīng)力與應(yīng)變成正比。對應(yīng)于a點的應(yīng)力，稱為比例極限，用E表示比例常數(shù)，則有 這就是虎克定律，其中比例常數(shù)E表示產(chǎn)生單位應(yīng)變時所需的 應(yīng)力，是反映材料對彈性變形抵抗能力的一個性能指標，稱為抗拉彈性模量，簡稱彈性模量。不同材料，其比例極限和彈性模量E也不同。例如，低碳鋼中的普通碳素鋼A3比例極限約200MPa，彈性模量約200GPa。,鋼的機械性能的度量-拉伸試驗（2）,鋼的機械性能的度量-拉伸試驗（3）,彈性極限 屈服點 強度極限或抗拉強度 伸長率 截面收縮率,實驗設(shè)備及測量儀器 1、萬能材料試驗機 2、游標卡尺 試樣的制備 （1E0552）,鋼的機械性能的度量-拉伸試驗（4）,WE-600B型液壓式萬能試驗機,一些典型材料的拉伸曲線示意圖 總的來說，碳含量越高，抗拉強度越高,鋼的機械性能的度量-拉伸試驗（5）,硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一項重要的性能指標，它既可理解為是材料抵抗彈性變形、塑性變形或破壞的能力，也可表述為材料抵抗殘余變形和反破壞的能力。硬度不是一個簡單的物理概念，而是材料彈性、塑性、強度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標。 硬度試驗根據(jù)其測試方法的不同可分為： 靜壓法（如布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度等）、 劃痕法（如莫氏硬度） 回跳法（如肖氏硬度） 顯微硬度 高溫硬度,鋼的機械性能的度量硬度試驗（1）,TS(MPa)=3.55 x HB (HB175) 注：TS=抗拉強度，HB=布氏硬度3000kg、10mm球，公式為粗略關(guān)系，只適用于鋼材。,布氏硬度試驗一般采用直徑10毫米的球形鋼壓頭，用一定的負荷（試驗力）壓入被測材料表面。布氏硬度值是以試驗力除以壓痕球形表面積所得的商，單位為N/mm2(MPa)。 常見的試驗力可高達3,000千克力(29千牛頓)；對于軟的材料則可用較小的負荷。如果試驗材料很硬，則以碳化鎢球壓頭代替鋼壓頭。保持負荷一定時間后，卸除試驗力，測量材料表面留下的壓痕之直徑。,鋼的機械性能的度量硬度試驗（2）,采用淬硬度鋼球壓頭時標 HBS ；采用碳化鎢壓頭時標 HBW,洛式硬度（HR-）是以壓痕塑性變形深度來確定硬度值指標。以0.002毫米作為一個硬度單位。當HB450或者試樣過小時，不能采用布氏硬度試驗而改用洛氏硬度計量。它是用一個頂角120的金剛石圓錐體或直徑為1.59、3.18mm的鋼球，在一定載荷下壓入被測材料表面，由壓痕的深度求出材料的硬度。根據(jù)試驗材料硬度的不同，分三種不同的標度來表示： HRA：是采用60kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度極高的材料(如硬質(zhì)合金等)。 HRB：是采用100kg載荷和直徑1.59mm淬硬的鋼球，求得的硬度，用于硬度較低的材料(如退火鋼、鑄鐵等)。 HRC：是采用150kg載荷和鉆石錐壓入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火鋼等)。,鋼的機械性能的度量硬度試驗（3）,維氏硬度(HV) 以120kg以內(nèi)的載荷和頂角為136的金剛石方形錐壓入器壓入材料表面，用材料壓痕凹坑的表面積除以載荷值。 努氏硬度（HK）,鋼的機械性能的度量硬度試驗（4）,Charpy impact test 用以測定金屬材料抗缺口敏感性(韌性)的試驗。制備有一定形狀和尺寸的金屬試樣，使其具有U形缺口或V形缺口，在夏比沖擊試驗機上處于簡支梁狀態(tài)，以試驗機舉起的擺錘作一次沖擊，使試樣沿缺口沖斷