第2章钢铁材料及其在汽车上的应用

第2章钢铁材料及其在汽车上的应用Page2熟悉常用碳素钢的性能、牌号和用途；掌握热处理工艺的原理，以及各种热处理的工艺过程和用途；了解合金元素在钢中的主要作用，熟悉合金钢的性能、牌号和用途；教学目的和要求Page3碳素钢、碳及常存杂质对碳素钢的性能影响，碳素钢的分类，常用碳素钢的性能、牌号、用途；钢在加热与冷却时的组织转变过程，常用的热处理工艺方法；合金钢的定义、分类、牌号，常用合金钢的性能和用途；铸铁的分类，铸铁的石墨化，各种铸铁的性能、牌号和用途。教学内容摘要Page4常用金属材料的性能及其用途。教学重点、难点教学方法和使用教具讲授、现场教学、课件。4学时。教学时间Page5钢铁材料的主要组成元素是铁和碳，又称为铁碳合金。钢铁材料具有良好的性能，且加工方便，因此事汽车制造工业中应用最广泛的材料。尽管近年来为节省能源，实现汽车轻量化，不少钢铁零件被有色金属盒其他材料所替代，但钢铁材料仍是汽车用材的主体，其用量超过汽车有材总量的2/3。钢铁材料包括碳素钢，合金钢和铸铁。含碳量小于2.11%的铁碳合金称为钢，含碳量大于2.11%的铁碳合金称为铸铁。一般要求的汽车结构零件大多采用碳素钢或铸铁制造，性能要求高的汽车结构零件则采用合金钢制造。想一想：在日常生活中，那些用品是由钢铁材料制造的？Page6第一节碳素钢碳素钢简称碳钢，在现代工业生产所使用的钢铁材料中占据十分重要的地位。由于碳钢具有冶炼、加工容易、价格低廉、工艺性能良好，力学性能能够满足工农业生产的使用要求，是工农业生产中用量最大的金属材料。在汽车工业中，钢铁材料的用量占汽车用材总量的70%左右。Page7一、碳及杂质对钢力学性能的影响宁波市交通技工学校徐宁波市交通技工学校徐钢中常存元素常存元素来源影响锰有益元素生铁、脱氧剂降低钢的脆性改善热加工性能固溶强化铁素体硅有益元素生铁、脱氧剂降低钢的脆性固溶强化铁素体硫有害元素生铁、燃料使钢产生热脆改善钢切削加工性磷（有害元素）生铁使钢产生冷脆氮、氢、氧大气、生铁N：产生时效变脆H：氢脆、白点O：氧化物夹杂裂纹源当渗碳体的数量增加并形成网状分布时，钢的脆性增加、强度下降。1、碳对钢力学性能的影响碳钢和普通中、低合金钢的含碳量一般不超过1.3%宁波市交通技工学校徐宁波市交通技工学校徐2、Si、Mn、S、P的影响Mn、Si→固溶强化S→热脆（FeS与Fe形成低熔点易熔物质）P→冷脆增加硬度，降低塑性、韧性。•优点：有利于切削加工Page11二、碳钢的分类钢是碳含量小于2。11%的铁碳合金。钢具有必要的力学性能，可以扎制成各种型材。铁是碳含量大于2。11%的铁碳合金。铁没有韧性，不能锻造。但是铁的铸造性能良好，可以用来铸造各种结构复杂的零件，也就是我们平时说的铸件。我们所接触最多的铁以及铁的合金，根据材料性能和组织分为碳素结构钢、合金钢、等几大类，各个大类又分为各个小类:Page12二、碳素结构钢的分类碳素钢简称碳钢，它的分类有很多种：按含碳量来分的方法：≤0.02%的铁碳合金纯铁；0.02%—0.25%低碳钢；0.25%—0.6%中碳钢；0.6%—2.11%高碳钢；大于2.11%的是铸铁。按钢的杂质多少来分：普通钢S≤0.05%P≤0.045%；优质钢S≤0.035%P≤0.035%；高级优质钢S≤0.025%P≤0.025%；特级质量钢S≤0.015%P≤0.025%。C、S、P、Mn、Si是碳钢中五大元素。Page13按钢的杂质多少来分：（1）碳素结构钢--用于制造汽车零件和工程构件。（1）碳素工具钢--用于制造刀具、量具和模具。一、常用碳素钢1、碳素结构钢碳素结构钢的含碳量在0.06%——0.38%成分及性能特点成分特点：杂质和非金属夹杂物较多性能特点：冶炼容易，工艺性好，价格便宜，产量大Page14常用牌号和用途牌号:Q215-A.FQ235Q255牌号解释:Q215表示屈服点为215MPa的A级沸腾钢。F：沸腾钢b:半镇静钢Z：镇静钢TZ：特殊镇静钢普通碳素结构钢Page15普通碳素结构钢钢轨Page16优质碳素结构钢成分及性能特点成分特点:含硫，磷及非金属夹杂物量较少性能特点：低碳钢强度，硬度较低，塑性，韧性及焊接性良好；中碳钢较高的强度，硬度，其塑性和韧性随含碳量的增加而逐步降低高碳钢较高的强度，硬度和弹性，但焊接性不好常用牌号和用途牌号：08F204560Mn牌号解释：08F表示平均含碳量0.08%的优质碳素结构钢,沸腾钢。20表示平均含碳量0.20%的优质碳素结构钢.60Mn表示平均含碳量0.60%的高锰优质碳素结构钢.Page17优质碳素结构钢法兰盘Page18优质碳素结构钢Page193、铸造碳钢成分及性能特点成分特点:以碳为主要合金元素并含有少量其他元素性能特点：较高的强度、塑性和韧性，成本较低常用牌号和用途牌号：ZG200-400ZG200-400ZG270-500ZG310-570牌号解释：ZG200-400表示屈服强度不小于200MPa,抗拉强度不小于400MPa的铸造碳钢.Page20铸造碳钢Page21铸造碳钢Page22钢的热处理钢的热处理是将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以消除毛坯（铸件、锻件等）的缺陷，改善钢的加工工艺性能。根据加热和冷却方式的不同和组织性能的变化特点不同，分为：普通热处理（退火、正火、淬火、回火等）；表面热处理（表面淬火和渗碳、渗氮、渗硼等的化学热处理）；Page23由加热、保温和冷却三个阶段组成。因此，要了解各种热处理方法对钢的组织和性能的影响，必须研究钢在加热、保温和冷却过程中的组织转变规律。热处理的工艺过程加热过程保温过程冷却过程O温度临界温度临界点时间Page24钢的普通热处理钢的退火钢的正火退火是把钢加热到适当的温度，经过一定时间的保温，然后缓慢冷却（一般为随炉冷却），以获得接近平衡组织的热处理工艺。其主要目的是减少钢锭、铸件、锻肧等的化学成分及组织的不均匀性，细化晶粒，降低硬度，消除内应力，以及为淬火做好组织准备。钢材或钢件加热Ac3（对于亚共析钢）或Accm（对于过共析钢）以上30℃～50℃，保温适当时间后，使之完全奥氏体化，然后在空气中均匀冷却，以得到珠光体组织的热处理工艺称为正火。正火后组织以索氏体为主。Page25钢的退火与正火的选用改善切削加工性在一般生产中，低碳钢通过正火可提高硬度，改善切削性能；中碳钢既可采用退火，也可采用正火；含碳0.45%～0.6%的高碳钢则必须采用完全退火；过共析钢用正火消除网状渗碳体后再进行球化退火。使用性能方面对钢件的性能要求不太高，可采用正火作为最终热处理。如果零件尺寸较大或形状较复杂，应选择退火。经济性方面正火比退火生产周期短，操作简便。故在可能条件下，特别是在大批量生产时应优先考虑以正火代替退火。退火与正火属于同一类型热处理方式，在选择时从以下几方面考虑：Page262.4.4钢的淬火淬火是指将钢加热到Ac3（亚共析钢）或Ac1（共析钢与过共析钢）以上的某一温度，保温后以大于临界冷却速度Vc进行快速冷却，使奥氏体转变为马氏体（或下贝氏体）的热处理工艺。淬火的目的就是获得马氏体，以提高钢的力学性能，其实质是奥氏体化后进行马氏体转变（或下贝氏体转变）。理想淬火冷却曲线示意图Page272.4.5钢的回火减少或消除内应力淬火钢内往往存在很大的内应力，并导致韧性下降、零件变形和开裂，回火可消除内应力，防止工件变形或开裂。获得工件所要求的力学性能淬火钢件硬度高，脆性大，为满足各种工件不同的性能要求。可以通过适当回火来调整硬度，获得所需的塑性和韧性。稳定工件尺寸通过回火可以使组织趋于稳定，以保证工件在使用过程中不再发生变形。改善某些合金钢的切削性能常采用高温回火，使碳化物适当聚集，降低硬度，以利于切削加工。回火是把淬火钢加热到Ac1以下的某一温度保温后进行冷却的热处理工艺。淬火钢回火的目的Page28回火的种类及应用根据一般钢件的不同性能要求，按其回火温度范围，可将回火分为低温回火、中温回火和高温回火三种形式。类型温度范围/℃回火组织回火目的用途低温回火150～250回火马氏体为了降低钢中残余应力和脆性．而保持钢在淬火后所得到的高硬度和耐磨性，硬度一般为HRC58～64主要用于高碳钢合金工具钢制造的工具、量具和模具，轴承零件，高强度钢制造的结构件，以及渗碳和表面淬火零件中温回火350～500回火屈氏体具有一定韧性的同时，兼有高的弹性和屈服极限，硬度为HRC35～45左右用于各种弹簧的处理以及其他结构钢制造的有相应硬度要求的工装夹具高温回火500～650回火索氏体可获得强度、塑性．韧性都较好的综合性能，硬度HBS200～350调质处理在交变负荷下工作的连杆、螺栓、齿轮及轴类等一Page29淬火钢回火时的力学性能变化1）硬度变化各种钢在200℃以下回火时，硬度变化不大，保持淬火马氏体的高硬度。200～300℃回火后，由于马氏体分解造成的硬度降低已由残余奥氏体转变为下贝氏体带来的硬度升高所补偿，所以硬度的降低不大。对于高碳钢，因为淬火后残余奥氏体量较多，回火后有时还可使硬度略有提高。回火温度继续升高，钢的硬度很快下降。对于碳钢，回火温度每升高100℃，硬度约下降10HRC。2）强度与塑性的变化40钢的强度随回火温度升高而降低，塑性随回火温度升高而升高，但超过650℃时反而降低。这是由于回火温度增高，马氏体中的碳不断析出，位错密度下降，内应力减小以及粒状渗碳体粗化等原因。回火温度大于650℃时，由于组织过分粗化而使塑性下降。Page302.4.6钢的表面热处理感应加热表面淬火当感应器中通入高频交变电流时，所产生的交变磁场使放入感应器内的工件内部感生出巨大的涡流。感应电流在工件表层密度最大，而心部密度几乎为零，这种现象称为“集肤效应”。由于钢件本身具有电阻，因而集中于表层的电流可使表层被迅速加热，几秒钟内温度可升至800～1000℃,而心部的几乎未被加热，在随后的喷水冷却时工件表层即被淬硬。感应加热表面淬火是用一定方法使工件表面产生一定频率的感应电流，将工件表面迅速加热然后迅速淬火冷却的一种热处理操作方法。感应加热的基本原理Page31感应加热表面淬火的特点与普通加热淬火相比，感应加热表面淬火在工业上的应用更广泛。原因是由于感应加热表面淬火有以下优点：感应加热速度极快一般只需几秒至几十秒时间就可使工件达淬火温度。由于快速加热，使相变临界点（Ac1、Ac3）升高，转变温度范围扩大但转变所需时间缩短。工件表层获得极细小的马氏体（称隐晶马氏体）组织使工件表层具有比普通淬火稍高的硬度且脆性较低，具有较高的疲劳强度。工件表面质量好由于快速加热，工件表面不易氧化、脱碳，且淬火时工件变形小。生产效率高便便于实现机械化、自动化。淬硬层深度也易于控制。Page32化学热处理是将工件置于某种化学介质中，通过加热、保温和冷却使介质中某些元素渗入工件表面以改变工件表面层的化学成分和组织，从而使其表面与心部具有不同的特殊性能的一种热处理工艺。可根据工件的工作条件和对性能的要求，选用不同的方法。例如渗碳、碳氮共渗可提高钢的硬度、耐磨性及疲劳强度。氮化、渗硼、渗铬使工件表面硬度增加，耐磨性和耐蚀性显著提高。渗铝可提高耐热抗氧化性，渗硫可提高减摩性，渗硅可提高耐酸性等。1）化学热处理的基本过程常用的化学处理方法包括渗碳、渗氮和碳氮共渗等几种形式。无论哪种形式的化学热处理，元素渗入零件表面层均由介质分解、工件表面吸收和原子扩散三个基本过程所组成。在化学热处理过程中，只有活性原子才能为工件表面所吸收。化学介质在一定温度下，分解生成活性原子。2）钢的渗碳钢的渗碳是向低碳钢或低碳合金钢表层渗入碳原子，以提高钢件碳层含碳量，使之具有高硬度和高耐磨性，中心部仍保持良好韧性的热处理过程。渗碳广泛用于在磨损情况下工作并承受冲击载荷、交变载荷的工件，如汽车、拖拉机的传动齿轮，内燃机的活塞销等。化学热处理Page332.4.7钢的其他热处理真空热处理1）加热速度缓慢，工件变形小工件在真空中加热，热量传递主要靠辐射，加热速度缓慢，工件变形较小