第2章鋼鐵材料及其在汽車上的應用

第2章鋼鐵資料及其在汽車上的運用熟習常用碳素鋼的性能、牌號和用途；掌握熱處置工藝的原理，以及各種熱處置的工藝過程和用途；了解合金元素在鋼中的主要作用，熟習合金鋼的性能、牌號和用途；教學目的和要求碳素鋼、碳及常存雜質對碳素鋼的性能影響，碳素鋼的分類，常用碳素鋼的性能、牌號、用途；鋼在加熱與冷卻時的組織轉變過程，常用的熱處置工藝方法；合金鋼的定義、分類、牌號，常用合金鋼的性能和用途；鑄鐵的分類，鑄鐵的石墨化，各種鑄鐵的性能、牌號和用途。教學內容摘要常用金屬資料的性能及其用途。教學重點、難點教學方法和運用教具講授、現(xiàn)場教學、課件。4學時。教學時間鋼鐵資料的主要組成元素是鐵和碳，又稱為鐵碳合金。鋼鐵資料具有良好的性能，且加工方便，因此事汽車制造工業(yè)中運用最廣泛的資料。雖然近年來為節(jié)省能源，實現(xiàn)汽車輕量化，不少鋼鐵零件被有色金屬盒其他資料所替代，但鋼鐵資料仍是汽車用材的主體，其用量超越汽車有材總量的2/3。鋼鐵資料包括碳素鋼，合金鋼和鑄鐵。含碳量小于2.11%的鐵碳合金稱為鋼，含碳量大于2.11%的鐵碳合金稱為鑄鐵。普通要求的汽車構造零件大多采用碳素鋼或鑄鐵制造，性能要求高的汽車構造零件那么采用合金鋼制造。想一想：在日常生活中，那些用品是由鋼鐵資料制造的？第一節(jié)碳素鋼碳素鋼簡稱碳鋼，在現(xiàn)代工業(yè)消費所運用的鋼鐵資料中占據(jù)非常重要的位置。由于碳鋼具有冶煉、加工容易、價錢低廉、工藝性能良好，力學性能可以滿足工農業(yè)消費的運用要求，是工農業(yè)消費中用量最大的金屬資料。在汽車工業(yè)中，鋼鐵資料的用量占汽車用材總量的70%左右。一、碳及雜質對鋼力學性能的影響鋼中常存元素常存元素來源影響錳有益元素生鐵、脫氧劑降低鋼的脆性改善熱加工性能固溶強化鐵素體硅有益元素生鐵、脫氧劑降低鋼的脆性固溶強化鐵素體硫有害元素生鐵、燃料使鋼產生熱脆改善鋼切削加工性磷（有害元素）生鐵使鋼產生冷脆氮、氫、氧大氣、生鐵N：產生時效變脆H：氫脆、白點O：氧化物夾雜裂紋源寧波市交通技工學校徐*當滲碳體的數(shù)量添加并構成網(wǎng)狀分布時，鋼的脆性添加、強度下降。1、碳對鋼力學性能的影響碳鋼和普通中、低合金鋼的含碳量普通不超越1.3%寧波市交通技工學校徐*2、Si、Mn、S、P的影響Mn、Si→固溶強化S→熱脆〔FeS與Fe構成低熔點易熔物質〕P→冷脆添加硬度，降低塑性、韌性。優(yōu)點：有利于切削加工寧波市交通技工學校徐*二、碳鋼的分類

鋼是碳含量小于2。11%的鐵碳合金。鋼具有必要的力學性能，可以扎制成各種型材。鐵是碳含量大于2。11%的鐵碳合金。鐵沒有韌性，不能鍛造。但是鐵的鑄造性能良好，可以用來鑄造各種構造復雜的零件，也就是我們平常說的鑄件。我們所接觸最多的鐵以及鐵的合金，根據(jù)資料性能和組織分為碳素構造鋼、合金鋼、等幾大類，各個大類又分為各個小類:二、碳素構造鋼的分類碳素鋼簡稱碳鋼，它的分類有很多種：按含碳量來分的方法：≤0.02%的鐵碳合金純鐵；0.02%—0.25%低碳鋼；0.25%—0.6%中碳鋼；0.6%—2.11%高碳鋼；大于2.11%的是鑄鐵。按鋼的雜質多少來分：普通鋼S≤0.05%P≤0.045%；優(yōu)質鋼S≤0.035%P≤0.035%；高級優(yōu)質鋼S≤0.025%P≤0.025%；特級質量鋼S≤0.015%P≤0.025%。C、S、P、Mn、Si是碳鋼中五大元素。按鋼的雜質多少來分：〔1〕碳素構造鋼--用于制造汽車零件和工程構件?！?〕碳素工具鋼--用于制造刀具、量具和模具。一、常用碳素鋼1、碳素構造鋼碳素構造鋼的含碳量在0.06%——0.38%成分及性能特點成分特點：

雜質和非金屬夾雜物較多性能特點：

冶煉容易，工藝性好，價錢廉價，產量大常用牌號和用途牌號:Q215-A.FQ235Q255牌號解釋:Q215表示屈服點為215MPa的A級沸騰鋼。F：沸騰鋼b:半鎮(zhèn)靜鋼Z：鎮(zhèn)靜鋼TZ：特殊鎮(zhèn)靜鋼普通碳素構造鋼普通碳素構造鋼鋼軌優(yōu)質碳素構造鋼成分及性能特點成分特點:含硫，磷及非金屬夾雜物量較少性能特點：低碳鋼強度，硬度較低，塑性，韌性及焊接性良好；中碳鋼較高的強度，硬度，其塑性和韌性隨含碳量的添加而逐漸降低高碳鋼較高的強度，硬度和彈性，但焊接性不好常用牌號和用途牌號：08F204560Mn牌號解釋：08F表示平均含碳量0.08%的優(yōu)質碳素構造鋼,沸騰鋼。20表示平均含碳量0.20%的優(yōu)質碳素構造鋼.60Mn表示平均含碳量0.60%的高錳優(yōu)質碳素構造鋼.優(yōu)質碳素構造鋼法蘭盤優(yōu)質碳素構造鋼3、鑄造碳鋼成分及性能特點成分特點:以碳為主要合金元素并含有少量其他元素性能特點：較高的強度、塑性和韌性，本錢較低常用牌號和用途牌號：ZG200-400ZG200-400ZG270-500ZG310-570牌號解釋：ZG200-400表示屈服強度不小于200MPa,抗拉強度不小于400MPa的鑄造碳鋼.鑄造碳鋼鑄造碳鋼鋼的熱處置鋼的熱處置是將鋼在固態(tài)下進展加熱、保溫暖冷卻，以消除毛坯〔鑄件、鍛件等〕的缺陷，改善鋼的加工工藝性能。根據(jù)加熱和冷卻方式的不同和組織性能的變化特點不同，分為：普通熱處置〔退火、正火、淬火、回火等〕；外表熱處置〔外表淬火和滲碳、滲氮、滲硼等的化學熱處置〕；由加熱、保溫暖冷卻三個階段組成。因此，要了解各種熱處置方法對鋼的組織和性能的影響，必需研討鋼在加熱、保溫暖冷卻過程中的組織轉變規(guī)律。熱處置的工藝過程鋼的普通熱處置鋼的退火鋼的正火退火是把鋼加熱到適當?shù)臏囟龋?jīng)過一定時間的保溫，然后緩慢冷卻〔普通為隨爐冷卻〕，以獲得接近平衡組織的熱處置工藝。其主要目的是減少鋼錠、鑄件、鍛肧等的化學成分及組織的不均勻性，細化晶粒，降低硬度，消除內應力，以及為淬火做好組織預備。鋼材或鋼件加熱Ac3〔對于亞共析鋼〕或Accm〔對于過共析鋼〕以上30℃～50℃，保溫適當時間后，使之完全奧氏體化，然后在空氣中均勻冷卻，以得到珠光體組織的熱處置工藝稱為正火。正火后組織以索氏體為主。鋼的退火與正火的選用改善切削加工性在普通消費中，低碳鋼經(jīng)過正火可提高硬度，改善切削性能；中碳鋼既可采用退火，也可采用正火；含碳0.45%～0.6%的高碳鋼那么必需采用完全退火；過共析鋼用正火消除網(wǎng)狀滲碳體后再進展球化退火。運用性能方面對鋼件的性能要求不太高，可采用正火作為最終熱處置。假設零件尺寸較大或外形較復雜，應選擇退火。經(jīng)濟性方面正火比退火消費周期短，操作簡便。故在能夠條件下，特別是在大批量消費時應優(yōu)先思索以正火替代退火。退火與正火屬于同一類型熱處置方式，在選擇時從以下幾方面思索：2.4.4鋼的淬火淬火是指將鋼加熱到Ac3〔亞共析鋼〕或Ac1〔共析鋼與過共析鋼〕以上的某一溫度，保溫后以大于臨界冷卻速度Vc進展快速冷卻，使奧氏體轉變?yōu)轳R氏體〔或下貝氏體〕的熱處置工藝。淬火的目的就是獲得馬氏體，以提高鋼的力學性能，其本質是奧氏體化后進展馬氏體轉變〔或下貝氏體轉變〕。理想淬火冷卻曲線表示圖2.4.5鋼的回火減少或消除內應力淬火鋼內往往存在很大的內應力，并導致韌性下降、零件變形和開裂，回火可消除內應力，防止工件變形或開裂。獲得工件所要求的力學性能淬火鋼件硬度高，脆性大，為滿足各種工件不同的性能要求?？梢越?jīng)過適當回火來調整硬度，獲得所需的塑性和韌性。穩(wěn)定工件尺寸經(jīng)過回火可以使組織趨于穩(wěn)定，以保證工件在運用過程中不再發(fā)生變形。改善某些合金鋼的切削性能常采用高溫回火，使碳化物適當聚集，降低硬度，以利于切削加工。回火是把淬火鋼加熱到Ac1以下的某一溫度保溫后進展冷卻的熱處置工藝。淬火鋼回火的目的回火的種類及運用根據(jù)普通鋼件的不同性能要求，按其回火溫度范圍，可將回火分為低溫回火、中溫回火和高溫回火三種方式。類型溫度范圍/℃回火組織回火目的用途低溫回火150～250回火馬氏體為了降低鋼中殘余應力和脆性．而保持鋼在淬火后所得到的高硬度和耐磨性，硬度一般為HRC58～64主要用于高碳鋼合金工具鋼制造的工具、量具和模具，軸承零件，高強度鋼制造的結構件，以及滲碳和表面淬火零件中溫回火350～500回火屈氏體具有一定韌性的同時，兼有高的彈性和屈服極限，硬度為HRC35～45左右用于各種彈簧的處理以及其他結構鋼制造的有相應硬度要求的工裝夾具高溫回火500～650回火索氏體可獲得強度、塑性．韌性都較好的綜合性能，硬度HBS200～350調質處理在交變負荷下工作的連桿、螺栓、齒輪及軸類等一淬火鋼回火時的力學性能變化1〕硬度變化各種鋼在200℃以下回火時，硬度變化不大，堅持淬火馬氏體的高硬度。200～300℃回火后，由于馬氏體分解呵斥的硬度降低已由剩余奧氏體轉變?yōu)橄仑愂象w帶來的硬度升高所補償，所以硬度的降低不大。對于高碳鋼，由于淬火后剩余奧氏體量較多，回火后有時還可使硬度略有提高?；鼗饻囟壤^續(xù)升高，鋼的硬度很快下降。對于碳鋼，回火溫度每升高100℃，硬度約下降10HRC。2〕強度與塑性的變化40鋼的強度隨回火溫度升高而降低，塑性隨回火溫度升高而升高，但超越650℃時反而降低。這是由于回火溫度增高，馬氏體中的碳不斷析出，位錯密度下降，內應力減小以及粒狀滲碳體粗化等緣由。回火溫度大于650℃時，由于組織過分粗化而使塑性下降。2.4.6鋼的外表熱處置感應加熱外表淬火當感應器中通入高頻交變電流時，所產生的交變磁場使放入感應器內的工件內部感生出宏大的渦流。感應電流在工件表層密度最大，而心部密度幾乎為零，這種景象稱為“集膚效應〞。由于鋼件本身具有電阻，因此集中于表層的電流可使表層被迅速加熱，幾秒鐘內溫度可升至800～1000℃,而心部的幾乎未被加熱，在隨后的噴水冷卻時工件表層即被淬硬。感應加熱外表淬火是用一定方法使工件外表產生一定頻率的感應電流，將工件外表迅速加熱然后迅速淬火冷卻的一種熱處置操作方法。感應加熱的根本原理感應加熱外表淬火的特點與普通加熱淬火相比，感應加熱外表淬火在工業(yè)上的運用更廣泛。緣由是由于感應加熱外表淬火有以下優(yōu)點：感應加熱速度極快普通只需幾秒至幾十秒時間就可使工件達淬火溫度。由于快速加熱，使相變臨界點〔Ac1、Ac3〕升高，轉變溫度范圍擴展但轉變所需時間縮短。工件表層獲得極細小的馬氏體〔稱隱晶馬氏體〕組織使工件表層具有比普通淬火稍高的硬度且脆性較低，具有較高的疲勞強度。工件外表質量好由于快速加熱，工件外表不易氧化、脫碳，且淬火時工件變形小。消費效率高便便于實現(xiàn)機械化、自動化。淬硬層深度也易于控制?；瘜W熱處置是將工件置于某種化學介質中，經(jīng)過加熱、保溫暖冷卻使介質中某些元素滲入工件外表以改動工件外表層的化學成分和組織，從而使其外表與心部具有不同的特殊性能的一種熱處置工藝?？筛鶕?jù)工件的任務條件和對性能的要求，選用不同的方法。例如滲碳、碳氮共滲可提高鋼的硬度、耐磨性及疲勞強度。氮化、滲硼、滲鉻使工件外表硬度添加，耐磨性和耐蝕性顯著提高。滲鋁可提高耐熱抗氧化性，滲硫可提高減摩性，滲硅可提高耐酸性等。1〕化學熱處置的根本過程常用的化學處置方法包括滲碳、滲氮和碳氮共滲等幾種方式。無論哪種方式的化學熱處置，元素滲入零件外表層均由介質分解、工件外表吸收和原子分散三個根本過程所組成。在化學熱處置過程中，只需活性原子才干為工件外表所吸收。化學介質在一定溫度下，分解生成活性原子。2〕鋼的滲碳鋼的滲碳是向低碳鋼或低碳合金鋼表層滲入碳原子，以提高鋼件碳層含碳量，使之具有高硬度和高耐磨性，中心部仍堅持良好韌性的熱處置過程。滲碳廣泛用于在磨損情況下任務并接受沖擊載荷、交變載荷的工件，如汽車、遷延機的傳動齒輪，內燃機的活塞銷等。化學熱處置2.4.7鋼的其他熱處置真空熱處置1〕加熱速度緩慢，工件變形小工件在真空中加熱，熱量傳送主要靠輻射，加熱速度緩慢，工件變形較小。2〕氧化作用被抑制在真空中加熱，隨著真空度的提高，由于氧氣分子稀薄，氧化作用被抑制，可以實現(xiàn)無氧化加熱的光亮熱處置。3〕外表凈化在高真空形狀下，由于氧分解壓極低，構成的氧氣由真空泵排出。4〕脫氣作用在真空加熱升高到800℃以上時，溶于鋼中的氫、氮以及氧化物分解的氣體逸出，發(fā)生脫氣作用。5〕蒸發(fā)景象合金鋼在真空中加熱時，某些蒸氣壓高的合金元素，將發(fā)生揮發(fā)景象。所謂真空是指壓力較正常大氣壓小〔即負壓〕的任何氣態(tài)空間。假設將熱處置的加熱和冷卻過程置于真空中進展，就稱為真空熱處置。真空熱處置的根本特點形變熱處置形變熱處置是將塑性變形和熱處置有機結合，以提高資料力學性能的復合工藝。目的：使形變強化與相變強化結合起來，獲得比普通熱處置更高的強韌化效果，同時可簡化工序和節(jié)能。形變熱處置的分類常用的幾種形變熱處置包括：1〕高溫形變淬火高溫形變淬火是在奧氏體穩(wěn)定區(qū)進展形變，隨后淬火獲得馬氏體組織的熱處置