工程材料教学课件

大连交通大学工程材料课程,工程训练中心,工程材料,金属材料,非金属材料,黑色金属材料：钢和铸铁,有色金属材料,高分子材料,铜及铜合金,滑动轴承合金,陶瓷材料,复合材料,铝及铝合金,工程材料的分类,当今社会科学技术突飞猛进，新材料层出不穷，但到目前为止，在机械工业中使用最多的材料仍然是金属材料，其主要原因是因为它具优良的使用性能和加工工艺性能。,金属材料的性能,使用性能,加工工艺性能,机械性能：强度、硬度、塑性、韧性等,铸造性能：流动性、收缩性等,锻造性能：压力加工成型性等,切削加工性能：车、铣、刨、磨的切削量，光洁度等,物理性能：导电、导热、电磁、膨胀等,化学性能：抗氧化性、耐腐蚀性等,焊接性能：熔焊性、焊缝强度、偏析等,热处理性能：淬透性、回火稳定性等,第1章 钢的热处理,热处理的概念 1.1钢在加热时的转变 1.2钢在冷却时的转变 1.3钢的普通热处理 1.4钢的表面热处理 1.5钢的化学热处理,钢的热处理,把固态金属材料在一定介质中的加热、保温和冷却，以改变其组织和性能的一种工艺。,1.1钢在加热时的转变,临界温度 平衡时：A1、 A3、Acm 加热时：Ac1、 Ac3、Accm 冷却时：Ar1、Ar3、Arcm,1奥氏体的形成 Fe，C原子扩散和晶格改变的过程。,共析钢加热到Ac1 以上时， P A 共析钢A化过程 形核 、长大、 Fe3 C 完全溶解、C 的均匀化。,亚（过）析钢的A化 P A ，首先是先共析 F 或 Fe3C 溶解。,影响A转变速度的因素,加热温度和速度 转变快 C%或 Fe3 C片间距 界面多，形核多 转变快 合金元素 A化速度或,A 晶粒度：起始晶粒度 实际晶粒度 本质晶粒度 加热温度，保温时间 晶粒尺寸 合金碳化物，C% 晶粒尺寸,1.2钢在冷却时的转变：,1过冷A的等温转变 2过冷A的连续冷却转变,1. 过冷A的等温转变,过冷A :T A1时，A不稳定。 A等温转变曲线 (TTT 或 C 曲线),共析钢的C 曲线,高温转变，A1 550过冷A P 型组织 中温转变，550 MS过冷A 贝氏体 ( B ) 低温转变，MS Mf 过冷A 马氏体 ( M ),高温P转变过程 晶格改变和Fe，C原子扩散。,P 型组织 F + 层片状 Fe3C,珠光体 P索氏体 S屈氏体 T,层片间距：P S T,珠光体 P ，3800,索氏体 S 8000,屈氏体 T 8000,中温转变（550 MS） C原子扩散， Fe原子不扩散,过冷A 贝氏体 B（碳化物 + 含过饱和C的F ）：上B，550 350产物 羽毛状，小片状Fe3C分布在F间。上B 强度和韧性差,下B， 350 MS 产物：下B 韧性高，综合机械性能好。,F 针内定向分布着细小Fe2.4C颗粒 电子显微照片 12000,T8钢，下B，黑色针状 光学显微照片 400,马氏体（M）转变特点,1) 无扩散 Fe 和 C 原子都不进行扩散，M是体心正方的C过饱和的F，固溶强化显著。,2) 瞬时性M 的形成速度很快，温度则 转变量,3) 不彻底M 转变总要残留少量 A，A中的C% 则 MS、Mf ，残余A含量,4) M形成时体积，造成很大内应力。,M 的形态,C% 0.25 % 时，为板条M（低碳M）。,板条M, 平行的细板条束组成,针状M（凸透镜状）,C% 1.0 % 时，为针状M 。,C% = 0.251.0 % 时，为混合M 。,M 的性能,C % M 硬度 针状M 硬度高，塑韧性差。 板条M 强度高，塑韧性较好。,亚（过）共析钢过冷A的等温转变,与共析钢相比，C曲线左移，多一条过冷AF （Fe3C）的转变开始线，且Ms、Mf 线上（下）移。,2. 过冷A的连续冷却转变,连续冷却 转变(CCT)曲线,Ps AP 开始线 Pf AP 终止线 KK P型转变终止线 Vk 上临界冷却速度 Vk 下临界冷却速度 MS A M 开始温度 Mf A M 终止温度,连续冷却 转变产物,CCT 和 TTT曲线的比较 CCT 位于 TTT曲线 右下方 CCT中没有 AB 转变,炉冷 P (V ) 空冷 S (V Vk) 油冷 T+M+A (Vk Vk) 水冷 M+A (VVk),亚共析钢 连续冷却转变,炉冷 F + P 空冷 F + S 油冷 T + M 水冷 M,过共析钢 连续冷却转变,炉冷 P + Fe3C 空冷 S + Fe3C 油冷 T + M + A 水冷 M + A,转变温度 对共析钢 硬度 和 韧性 的影响,按转变温度的高低， 转变产物分别是： P、S、T，上B、下B、M， 其硬度依次增加。,钢的普通热处理,1退火 2正火 3淬火 4回火,1退火,加热、保温后，缓冷(炉冷) 近平衡组织 P（ + F 或 Fe3CII ）,完全退火（亚共析钢） 加热温度 Ac3 + 2030 缓冷 F + P 目的：细化晶粒，均匀化组织 降低硬度 切削性 等温退火： 等温转变F + P，再缓冷 球化退火（过共析钢） 在Ac+ 2030等温， 使Fe3C球化，再缓冷 球状P（F +球状Cm） 目的： 硬度,切削性,韧性,扩散退火 加热至略低于固相线 目的：使成分、组织均匀 再结晶退火： 加热温度 TR + 3050 目的：消除加工硬化 去应力退火 加热温度 Ac1 ， 一般为 500650 目的： 消除冷热加工后的内应力,正火,应用： 1) 钢的最终热处理 细化晶粒，组织均匀化，增加亚共析钢中P(S)% 强度、韧性、硬度 2) 预先热处理 淬火、球化退火前改善组织。 3) 增加低碳钢的硬度，以改善切削加工性能。,加热温度 Ac3 ( Accm ) + 3050， 空冷 S （ + F 或 Fe3CII ）,3淬火（蘸火）,加热到Ac3、Ac1以上，保温，快速冷却 M 。,淬火温度 1) 亚共析钢 Ac3 + 3050 2) 过共析钢 Ac1 + 3050 ， M + Fe3CII + A ，硬度大。 A中C% M 脆性 ，残余A% 淬火温度低 M细小，淬火应力小。,冷却介质,冷却速度： 盐水 水 盐浴 油,淬火方法 单介质淬火：水、油冷 双介质淬火：水冷 + 油冷 分级淬火： Ms盐浴中均温空冷 等温淬火（ 在盐、碱浴中） 下B,钢的淬透性,淬火时得到M的能力，取决于临界冷却速度VK 。,淬透性的应用 按负载，选择不同淬透性的材料。,淬硬性：淬火后获得的最高硬度，C%淬硬性 影响淬透性的因素 除Co外，合金使VK , 淬透性,(a)完全淬透 (b)淬透较大厚度 (c)淬透较小厚度 淬透性不同的钢调质后机械性能的比较,4回火,淬火后，加热到Ac1以下，保温，冷却。 目的：消除淬火应力，调整性能。,低温回火（150250） 回火M ( 过饱和F +薄片状Fe2.4C ) + A 淬火应力 ，韧性 ，保持淬火后的高硬度。 用于高C工具钢等。 中温回火（350500） 回火T (F +细粒状Cm ) 弹性极限和屈服强度，韧性和硬度中等。 用于弹簧等。 高温回火（500650） 回火S (等轴状F +粒状Cm ) 综合机械性能最好, 即强度、塑性和韧性都较好。 用于重要零件。 调质处理 淬火 + 高温回火,回火产物的组织形态比较,回火M 400,回火T 7500,回火S 7500,M低倍,T 1000,S 1000,回火时性能的变化,回火温度 硬度、强度 ， 塑性,钢的表面热处理表面淬火,不改变心部组织，利用快速加热将表层A化后进行淬火。 目的 ： 提高表面硬度，保持心部良好的塑韧性。,感应加热表面淬火 交变磁场 感应表面电流 表面加热,特点 1) 加热速度快，晶粒度小，硬度，脆性 2) 表层残余压应力 提高疲劳强度 3) 不易氧化、脱碳、变形小。 4) 加热温度和淬硬层厚度容易控制。,火焰加热表面淬火（乙炔氧等火焰） 设备简单，但生产率低。,钢的化学热处理,将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组织和性能。 分类 渗 C、N化、C N共渗、渗硼、渗铬、渗Al等。,钢的渗 C 气体、固体渗 C,低C钢在高C介质中加热到900950、保温 高碳表层（约1.0%） 目的：表面硬度，耐磨性 ，心部保持一定的强度和塑韧性。,渗碳后的的热处理,淬火 直接淬火 晶粒粗大，残余A多，耐磨性低，变形大。 一次淬火 加热温度Ac3以上（心部性能 ）或 Ac1以上（表面性能 ） 二次淬火 Ac3以上（心部性能 ）+ Ac1以上（表面性能 ）,低温回火, 150200， 消除淬火应力，提高韧性。,钢的氮化,工件表面渗入N原子，以提高硬度、耐磨性，疲劳强度和耐蚀性。 氮化温度低(500600)，时间长（2050h），渗层薄。 氮化前调质处理、氮化后无须淬火。,小结,重点要求 1. A等温冷却曲线，转变温度与转变产物的组织形态 、性能间的关系。 2. A连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对组织和性能的影响。 3. 四种常规热处理的目的、工艺特点及应用。 一般要求 1. A晶粒长大的影响因素及控制方法。 2. 非共析钢C曲线的特点；淬透性的概念。 3. 钢的表面淬火；化学热处理。,第3章 合金钢,3.1概述 3.2合金钢的分类和编号 3.3合金元素在钢中的作用 3.4合金结构钢 3.5合金工具钢,合金钢,碳素钢品种齐全，冶炼、加工成型比较简单，价格低廉。经过一定的热处理后，其力学性能得到不同程度的改善和提高，可满足工农业生产中许多场合的需求。但是碳素钢的淬透性比较差，强度、屈强比、高温强度、耐磨性、耐腐蚀性、导电性和磁性等也都比较低，它的应用受到了限制。因此，为了提高钢的某些性能，满足现代工业和科学技术迅猛发展的需要，人们在碳素钢的基础上，有目的地加人了锰、硅、镍、钒、钨、钼、铬、钛、硼、铝、铜、氮和稀土等合金元素，形成了合金钢。合金元素的加入，不但会对钢中的基本相、FeFe，C相图和钢的热处理相变过程产生较大的影响，同时还改变了钢的组织结构和性能，合金元素在钢中的作用是一个非常复杂的物理、化学过程。,3.2 合金钢的分类和编号,3.2.1 合金钢的分类,3.2.1.1按合金钢的用途分类 (1)合金结构钢 主要用于制造重要的机械零部件和工程结构件的钢。包括普通低合金钢、易切削钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。 (2)合金工具钢 主要用于制造重要工具的钢，包括刃具钢、模具钢、量具钢等。 (3)特殊性能钢 主要用于制造有特殊物理、化学、力学性能要求的钢，包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。,3.2.1.2 按合金元素的含量分类,碳钢： (1)低碳钢: 0.25c (2)中碳钢: 0.25-0.6c (3)高碳钢: 0.6c 合金钢： (1)低合金钢：钢中合金元素总的质量分数WMe5。 (2)中合金钢：钢中合金元素总的质量分数Wme：510。 (3)高合金钢：钢中合金元素总的质量分数WMe10。,3.2.1.3 按平衡状态或退火组织分类,可以分为: 亚共析钢 共析钢 过共析钢和莱氏体钢,3.2.2合金钢的牌号表示方法,3.2.2.1 合金结构钢的牌号表示方法,根据国家标准的规定，合金结构钢的牌号用“两位数字+元素符号十数字”表示。元素符号前两位数字表示钢的平均碳质量分数wC，以万分之一为单位计。元素符号用合金元素的符号表示，其后面的数字表示该合金元素的质量分数，以百分之一为单位计。当wMe1.5时，只标明元素名称，不标明质量分数；当wMe(1.52.4)，(2.53.4)，时，则在元素符号后相应地标上2、3、4。如15MnV，表示碳的平均质量分数为0.15C，锰、钒的平均质量分数均小于1.5的合金结构钢。若为高级优质钢，则在钢的牌号末尾加上“A”，如18Cr2Ni4WA。,对属于合金结构钢的滚动轴承钢，则采用另外的方法来表示 其牌号。滚动轴承钢牌号的首位用“滚”或滚字的汉语拼音字 首“G”来表示其用途，后面紧跟的是滚动轴承的常用元素 “Cr”，其后数字则表示铬的质分数，以千分之一为单位计。 如GCrl5，表示钢中铬的平均质量分数为15。易切削钢牌号 的表示方法与相似，用“易”或“易”字的汉语拼音宇首“Y”开头 ，后面和合金结构钢牌号表示方法无异，如(易40锰或40Mn) ，表示wC0.40，wMn15的易切削钢。,3.2.2.2 合金工具钢的牌号表示方法,与合金结构钢的牌号表示方法相比，合金工具钢中合金元素的表示方法未变，如CrWMn表示合金元素平均质量分数wCr、wW、wMn均小于1.5，合金工具钢的碳含量表示方法则有所不同，当C%1.0，不标出碳质量分数，如CrWMn钢。当wC1.0时，用一位数字在最前面表示碳质量分数，以千分之一为单位计，其后紧随合金元素，如9SiCr表示碳质量分数平均为0.9C，wSi、wCr皆小于1.5。高速工具钢的碳的平均质量分数无论是多少，都不标出。如W18Cr4V钢碳的平均质量分数在(0.7一0.8)C之间。,3.2.2.3 特殊性能钢的牌号表示方法,特殊性能钢牌号的表示方法与合金工具钢基本相同，如9Crl8钢表示钢中碳的平均质量分数为0.9C，铬的平均质量分数为18Cr。但是不锈钢、耐热钢在碳质量分数很低时，表示方法有所不同，当碳平均质量分数C0.03或C0.08时，分别在第一个合金元素符号前冠“00”或“0”表示其碳平均质量分数，如00Crl7Nil4M02、0Crl8Ni9钢等。 由于耐磨钢零件经常是铸造成型后就使用，其牌号最前面是“ZG”，表示铸钢，紧随其后是元素符号，然后是该元素的平均质量分数，以百分之一计，横杠后数字表示序号。如ZGMnl31表示铸造高锰钢，含锰平均为13Mn，序号为1。,3.3 合金元素在钢中的作用,3.3.1 合金元素在钢中存在的形式 （1）一部分合金元素可溶于铁素体中形成合金铁素体 （2）一部分合金元素则会溶于渗碳体中形成合金渗碳体 （3）与碳相互作用形成碳化物 一般将合金元素分为非碳化物形成元素和碳化物形成元素两类： 碳化物形成元素有（按强弱次序排列）：钛、锆、铌、钒、钨、 钼、铬、锰、铁。 非碳化物形成元素有：镍、硅、铝、钴等， （4）以游离形式存在（Cu、Pb等）,3.3.1.1 合金元素对铁素体的影响,由于合金元素与铁在原子尺寸和晶格类型等方面存在 着一定的差异，所以当合金元素溶人时，会使铁素体 的晶格发生不同程度的畸变，使其塑性变形抗力明显 增加，强度和硬度提高。合金元素与铁的原子尺寸和 晶格类型相差愈大，引起的晶格畸变愈大，产生的固 溶强化效应愈大。此外，合金元素常常分布在位错附 近，降低了位错的可动性，增大了位错的滑移抗力， 也提高了强度和硬度。,两图反映了合金元素对铁素体硬度和冲击韧性的影响,3.3.1.2 合金元素对渗碳体和特殊碳化物的影响,合金元素是溶人渗碳体，还是形成特殊碳化物，是由它们与碳亲和 能力的强弱程度所决定的。 （1）强碳化物形成元素钛、锆、铌、钒等，倾向于形成特殊碳化 物。 （2）中强碳化物形成元素钨、钼、铬等，可形成渗碳体类型碳化 物，又可形成特殊碳化物。 （3）弱碳化物形成元素锰，一般形成合金渗碳体,3.3.2 合金元素对FeFe3C相图的影晌,3.3.2.1 合金元素对r相区的影响,合金元素对r相区的影响 (a)扩大r相区；(b)缩小r相区,扩大r相区元素(能使r相区扩大):镍、锰、钴、碳、氮、铜 等,使A3，点下降，A4点上升。 缩小r相区元素(能使r相区缩小):铬、钒、钼、钨、钛、铝、硅、硼、铌、锆等,使A3点上升，A4点下降。,3.3.2.2 合金元素对S点和E点的影响,扩大r区元素锰、镍等会使S点和E点向左下方移动； 缩r区元素铬、硅等会使S点和E点向左上方移动，,3.3.3 合金元素对钢在加热和冷却时转变的影响,3.3.3.1 合金元素对钢在加热转变时的影响 (1)对奥氏体化的影响 强碳化物形成元素钛、铌、锆延缓奥氏体化过程。 非碳化物形成元素镍、钴等促进奥氏体转变。 (2)对奥氏体晶粒尺寸的影响 除锰以外的大多数合金元素都有阻碍奥氏体晶粒长大的趋势 强碳化物形成元素钛、锆、铌、钒的作用尤为明显 非碳化物形成元素硅、镍、铜等对奥氏体晶粒长大影响不大,3.3.3.2 含金元素对过冷奥氏体转变的影响,（1）对“C”曲线的影响： 除钴以外的大多数合金元素都不同程度地使C曲线右移，增大过冷 奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性（只有当合金元素完全溶人奥 氏体中才会产生以上的作用）。 （2）对Ms点的影响： 除钴、铝以外，大多数合金元素溶人奥氏体中会降低钢的Ms点， 增加了钢中的残余奥氏体的数量,3.4 合金结构钢,3.4.1 普通低合金结构钢 3.4.2 易切削钢 3.4.3 渗碳钢 3.4.4 调质钢 3.4.5 弹簧钢 3.4.6 滚动轴承钢,3.4.1 普通低合金结构钢,普通低合金结构钢(简称普低钢) : 在低碳碳素结构钢的基 础上加入少量合金元素(总wMe3)得到的钢。,化学成分：普低钢中碳的平均质量分数一般不大于0.2C 主加合金元素为Mn,热处理特点：普低钢通常是在热轧或正火状态下使用，一般 不再进行热处理。,3.4.2 易切削钢,为了提高钢的切削加工性能，常常在钢中加入一种或数种合金元素，形成了易切削钢，常用的合金元素有硫、铅、钙、磷等。,3.4.3 渗碳钢,用来制造渗碳零件的钢称为渗碳钢,化学成分 ：C:0.100.25 加入合金元素Ni、Cr、Mn、B、Ti、V等 .典型钢号：20Cr、20CrMnTi、20CrNiW,热处理特点: 预先热处理一般采用正火工艺，渗碳后热处理一般是 淬火+低温回火，或是渗碳后直接淬火。 性能要求：内软外硬 应用：齿轮、模具、轴类 工艺流程：下料锻造正火粗加工淬火+低温回火精加工,3.4.4 调质钢,调质钢: 经调质处理后使用的钢称为调质钢，根据是否含合金元素分为碳素调质钢和合金调质钢。,化学成分 ： 调质钢一般是中碳钢，钢中碳的质量分数在(0.300.50)C之间。合金调质钢的主加元素是Cr、Ni、Si、Mn、B、V、Ti、Nb.典型钢号：40Cr、35CrMo、30CrMnSi 热处理特点: 预先热处理采用退火或正火工艺 ，最终热处理是淬火十高温回火 性能特点：整体综合机械性能好 应用：轴、螺栓、传动件等 工艺流程：下料锻造完全退火粗加工调质处理精加工,3.4.5 弹簧钢,弹簧钢: 用来制造各种弹性零件如板簧、螺旋弹簧、钟表发条等的钢称为弹簧钢。 化学成分：弹簧钢的碳质量分数在(0.40 0.70)C之间，合金弹簧钢中的主加合金元素是Si、Mn、Cr。典型钢号：60Si2Mn、65Mn、 热处理特点: 热处理是淬火十中温回火 性能特点：弹性好 应用：弹性元件 工艺流程：下料成型热处理成品,3.4.6 滚动轴承钢,滚动轴承钢 用来制作各种滚动轴承零件如轴承内外套圈，滚动体(滚珠、滚柱、滚针等)的专用钢称为滚动轴承钢。 化学成分 ：滚动轴承钢碳的质量分数较高，一般在(0.95 1.10)C之间 。铬是滚动轴承钢的基本合金元素，其质量分数为(0.41.05)Cr。典型钢号：GCr15、GCr9 热处理特点 ：滚动轴承的预先热处理采用球化退火，最终热处理一般是淬火+低温回火。 性能特点：高硬度、高耐磨性能 应用：滚动轴承、工模具等 工艺流程：下料锻造球化退火粗加工最终热处理精加工冷处理,3.5 合金工具钢,在碳素工具钢基础上加人一定种类和数量的合金元素，用来制 造各种刃具、模具、量具等用钢就称为合金工具钢。与碳素工具钢相比，合金工具钢的硬度和耐磨性更高，而且还具有更好的淬透性、红硬性和回火稳定性。因此常被用来制作截面尺寸较大、几何形状较复杂、性能要求更高的工具。,分类： 刃具钢 模具钢 量具钢,3.5.1 刃具钢,用来制造车刀、铣刀、锉刀、丝锥、钻头、板牙等刃具的钢统称为刃具钢。,低合金刃具钢 ：低合金刃具钢碳的平均质量分数大都在(0.75-1.5)C之间，合金元素：Cr、Si、Mn、W 。典型钢号：9SiCr、9Mn2V、CrWMn 热处理特点 ：预先热处理采用球化退火，最终热处理一般是淬火+低温回火。 性能特点：高硬度高锋利度、高耐磨性能 应用：制造车刀、铣刀、锉刀、丝锥、钻头、板牙等刃具 工艺流程：下料锻造球化退火粗加工最终热处理精加工,高合金工具钢 （高速钢）,高速钢的碳含量较高，一般为(0.70-1.50)C。合金含量超过15%。典型钢号：W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2 热处理特点 ：高速钢淬火后要在560回火三次。淬火温度接近熔点 性能特点：高硬度高红硬性、高耐磨性能 应用：制造车刀、铣刀、拉刀等刃具 工艺流程：下料锻造球化退火粗加工最终热处理精加工,3.5.2 模具钢,用作冷冲压模、热锻压模、挤压模、压铸模等模具的钢称为模具钢。 分为冷作模具钢和热作模具钢两大类。,低合金冷作模具钢,低合金工具钢 ：低合金工具钢碳的平均质量分数大都在(0.75-1.5)C之间，合金元素：Cr、Si、Mn、W 。典型钢号：9SiCr、9Mn2V、CrWMn、GCr15 热处理特点 ：预先热处理采用球化退火，最终热处理一般是淬火+低温回火。 性能特点：高硬度、高耐磨性能 应用：制造形状简单，承载小的冷作模具 工艺流程：下料锻造球化退火粗加工最终热处理精加工,高合金冷作模具钢,高合金工具钢 ：高合金工具钢碳的平均质量分数大都在(0.75-1.5)C之间，合金元素：Cr、V、Mo 。典型钢号：Cr12、Cr12MoV 热处理特点 ：预先热处理采用球化退火，最终热处理一般是淬火+低温回火。 性能特点：高硬度、高耐磨性能 应用：制造形状复杂，承载大的冷作模具 工艺流程：下料锻造球化退火粗加工最终热处理精加工,低合金热作模具钢,低合金热作模具 ：平均质量分数大都在(0.4-0.5)C之间，合金元素：Cr、Ni、Mn、Mo 。典型钢号：5CrNiMo、5CrMnMo 热处理特点 ：预先热处理采用退火，最终热处理一般是淬火+高温回火。 性能特点：高强度、高热疲劳性能 应用：制造热锻模具 工艺流程：下料锻造退火粗加工最终热处理精加工,3.5.3 量具钢,用于制造卡尺、千分尺、样板、塞规、块规、螺旋测微仪等各种测量工具的钢被称为量具钢。,3.6特殊性能钢,6.6.1不锈钢 不锈钢是指某些在大气和一般介质中具有较高化学稳定性的钢 马氏体不锈钢 （通过热处理可以调整其力学性能的不锈钢） 铁素体不锈钢（这类钢从室温加热到高温，始终都是单相铁素体组织） 奥氏体不锈钢（这类钢有较高质量分数的镍，扩大了奥氏体区域 ，室温下能够保持单相奥氏体组织）,不锈钢、耐热钢、耐磨钢等具有特殊物理、化学性能的钢被统称为特殊性能钢。,3.6.2 耐热钢,耐热钢是指具有良好的高温抗氧化性和高温强度的钢。,3.6.3 耐磨钢,耐磨钢主要是指在强烈冲击载荷作用下发生硬化的高锰钢。,第4章 铸 铁,4.1概 述 4.2常用铸铁,铸 铁,4.1概 述,7.1.1 铸铁的特点及分类 1.特点 (1)成分：C2.11%wt的铁碳合金称为铸铁，特点是含有较高的 C和Si，同时也含有一定的Mn、P、S等杂质元素。 常用铸铁的成分为：2.54.0%C，1.03.0%Si0.51.4%Mn，0.010.50%P，0.020.20%S。为提高铸铁性能，常加入合金元素Cr、Mo、V、Cu、Al等形成合金铸铁。,（2）组织：铸铁中C、Si含量较高，C大部分、甚至全部以游离状态石墨（G）形式存在。,（3）性能：铸铁的缺点是由于石墨的存在，使它的强度、塑性及韧性较差，不能锻造，优点是其接近共晶成分，具有良好的铸造性；由于游离态 石墨存在，使铸铁具有高的减摩性、切削加工性和低的缺口敏感性。目前，许多重要的机械零件能够用球墨铸铁来代替合金钢。,2.分类 根据C的存在形式，可以将铸铁分为： （1）白口铸铁：C全部以渗碳体形式存在，如共晶铸铁组织为Ld，断口白亮，硬而脆，很少应用； （2）灰口铸铁：C大部分或全部以石墨形式存在，如共晶铸铁组织为F+G、F+P+G、P+G，断口暗灰，广泛应用； （3）麻口铸铁：C大部分以渗碳体形式存在，少部分以石墨形式存在，如共晶铸铁组为Ld+P+G，断口灰白相间，硬而脆，很少应用。,根据石墨形态，灰口铸铁可以分为： （1）普通灰口铸铁：G呈片状； （2）孕育铸铁：G呈细片状； （3）可锻铸铁：G呈团絮状； （4）蠕墨铸铁：G呈蠕虫状； （5）球墨铸铁：G呈球状。 根据金属基体组织不同，灰口铸铁又可分为：F、F+P及P灰口铸铁。,1. 影响铸铁石墨化因素 主要化学成分、冷却速度及铁水处理等因素。 （1）化学成分 合金元素可以分为促进石墨化元素和阻碍石墨化元素，顺序为 ：Al、C、Si、Ti、Ni、P、Co、Zr、Nb、W、Mn、S、Cr、V、 Fe、Mg、Ce、B等。其中，Nb为中性元素，向左促进程度加强， 向右阻碍程度加强。C和Si是铸铁中主要的强烈促进石墨化元素 ，为综合考虑它们的影响，引入碳当量CE = C% + 1/3Si%，一 般CE4%，接近共晶点。S是强烈阻碍石墨化元素，降低铸铁的 铸造和力学性能，控制其含量。,（2）冷却速度 冷速越快，不利于铸铁的 石墨化，这主要取决于浇注 温度、铸型材料的导热能力 及铸件壁厚等因素。冷速过 快，第二阶段石墨化难以充 分进行。 右图给出C、Si总量 和冷却速度对铸铁组织的影 响，称为Greiner组织图， 分析之。,4.2 常用铸铁,4.2.1灰口铸铁 灰口铸铁中的G呈片状分布，分为普通灰口铸铁和孕育铸铁。,1.灰口铸铁的牌号、成分与组织 （1）牌号：新标准GB5612-85，HT（灰铁）+三位数字（最低b），表7-1。其中，HT100为F基，HT150为F+P基，HT200250为P基，HT250350为孕育铸铁。 （2）成分：2.53.6%C，1.12.5%Si，0.61.2%Mn及少量S和P。 （3）组织：G呈片状，按基体分为F、F+P及P灰口铸铁，分别适用于低、中、较高负荷，如下图。,2.灰口铸铁的性能与应用 由于粗大片状的G存在，灰口铸铁的抗拉强度、塑性及韧性低，但其铁水流动性好、凝固收缩小、缺口敏感性小、抗压强度高、切削加工性好，并且具有减摩及消震作用。,3.灰口铸铁的孕育处理 加入0.30.8%硅铁，经孕育剂处理的孕育铸铁具有更高的性能，用于制造承受高载荷的另构件。,4.灰口铸铁的热处理 只能改变基体，而不能改变G的形态和分布，强化效果不如钢和球墨铸铁。 （1）消除内应力退火（人工时效） 为消除内应力引起的变形或开裂，将铸件缓慢加热（60100/h）至500550保温一点时间（每10mm保温2h），然后随炉缓冷（2040/h）至150200出炉空冷。 （2）高温石墨化退火 为消除表面或薄壁处的白口组织，降低硬度，改善切削加工性，将铸件加热至850950保温14h（A+G），使部分渗碳体分解为G，然后随炉缓冷至400500以下出炉空冷。高温退火得到F或F+P基灰口铸铁。,（3）正火 为消除白口和提高强度、硬度及耐磨性，将铸件加热至850950，保温13h，然后出炉空冷，最后得到P基灰口铸铁。 （4）表面淬火 为提高表面强度、硬度、耐磨性及疲劳强度，通过表面淬火使铸件表层得到细M和石墨的硬化层。一般选用孕育铸铁，基体最好为P组织。,4.2.2可锻铸铁 由一定成分的白口铸铁经石墨化退火使渗碳体分解为团絮状G的一种高强度灰口铸铁，分为黑心可锻铸铁（F基）、珠光体可锻铸铁（P基）及白心可锻铸铁（表层氧化脱碳，少用）。可锻铸铁的强度、韧性，特别是塑性高于普通灰口铸铁，实际不能锻造。,1.可锻铸铁的牌号、成分与组织 （1）牌号： 按GB978-67，KT（可铁）+ H、Z、B（黑心、珠光体、白心）+ 三位数字（最低b）+ 二位数字（最低）。 （2）成分： 可锻铸铁由两个矛盾的工艺组成，即先得到白口铁，再经石墨化退火得到可锻铸铁。因此，要适当降低石墨化元素C、Si和增加阻碍石墨化元素Mn、Cr，化学成分为：2.42.8%C，0.81.4%Si，0.30.6%Mn（珠光体可锻铸铁1.01.2%）。,（3）组织：基体为F和P，G为团絮状，如下图,2.可锻铸铁的石墨化退火 （1）黑心可锻铸铁： 将白口铁加热至9501000，保温约15h，共晶Fe3CA+团絮状G。从高温冷却至720750，AG，在这个温度区间以35/h速度通过共析温区，AF+团絮状G；也可在略低于共析温度保温1520h，共析Fe3CF+团絮状G，最后得到F可锻铸铁。,（2）P可锻铸铁：加热后冷却至800860，AG，然后出炉空冷使共析Fe3C不分解，最后得到P可锻铸铁，如下图,3.可锻铸铁的性能与应用 F可锻铸铁塑性及韧性较好，P可锻铸铁强度、硬度及耐磨性较高。,4.2.3球墨铸铁 始于1948年，我国于1950年开始研制镁石墨铸铁。由于G呈球状分布，球墨铸铁的性能远优于其他铸铁，应用甚广。 1.球墨铸铁的牌号、成分与组织 （1）牌号： 按GB1348-78，QT（球铁）+ 三位数字（最低b）+ 两位数字（最低）。,（2）成分： 强烈石墨化元素C、Si含量较高，CE4.54.7%，属于过共晶，含碳量过低，球化不良，含碳量过高，G漂浮。一般采取“高碳低硅原则”。阻碍石墨化元素Mn，有利与形成P基体，含量较低。S、P限制很严。由球化剂残留的微量Mg及RE。化学成分一般为：3.63.9%C，2.03.0%Si，0.60.7%Mn。,（3）组织： G呈球状分布于金属基体中，每个球是由若干个锥形石墨单晶体组成，这些单晶体是由共同的结晶核心沿径向生长而成。基体有F、F+P、P或通过热处理得到S、T、下B、M等，如下图。,2. 球墨铸铁的球化处理与孕育处理 将球化剂加入铁水中（一般放入浇包底部）的操作过程称为球化处理。常用的球化剂有镁、稀土及稀土镁合金。镁和稀土为强烈阻碍石墨化元素，为防止白口，同时进行孕育处理，孕育剂一般选用硅铁。 3. 球墨铸铁的性能与应用 球铁具有优良的机械性能，G的圆整度好、球径小、分布均匀，性能越高。在“以铸代锻，以铁代钢”方面有广泛应用。,4.球墨铸铁的热处理 球铁的机械性能除与G有关外，主要取决于基体。通过热处理可以改变基体组织，提高性能。由于球铁中含有较多的C、Si、Mn等元素，决定了其热处理具有如下特点： （1）G参与了相变过程； （2）共晶（析）温度高于碳钢，奥氏体化温度和时间均高于碳钢； （3）可以大幅度调整F和A的相对量，得到不同比例的F和P基体组织。,（1）退火 （a）消除内应力退火：如前。 （b）高温石墨化退火：将铸件加热至900950保温14h（第一阶段石墨化），然后炉冷至600650出炉空冷。 （c）低温石墨化退火：将铸件加热至720760保温36h，然后炉冷至600出炉空冷。 目的是消除自由渗碳体（高温退火）或共析渗碳体（低温退火）， 得到F球铁，降低硬度，提高切削加工性。,（2）正火 （a）高温正火（完全A化正火）：将铸件加热至Afc1+5070（880900）保温13h，使基体全部A化，然后出炉空冷，获得P球铁。冷却时产生内应力，采用550600保温24h空冷的回火消除，图7-8。 （b）低温正火（不完全A化正火）：将铸件加热至共析温度区间Asc1Afc1（820860）保温13h，使基体部分A化，然后出炉空冷，获得P+F球铁。若内应力较大，采用同样的回火消除。 目的是细化组织，提高强度、硬度及耐磨性。,（3）调质 将铸件加热至Afc1+3050（860900）保温24h，然后油淬，再经550600回火46h，获得回火S基体+球状G组织。 目的是提高综合机械性能。,（4）等温淬火 将铸件加热至Afc1+3050（860900）保温一段时间，然后淬入Ms以上某一温度的盐浴中等温一段时间（一般250350，3090min），使过冷A转变为下B基体组织。 目的是提高综合力学性能。,4.2.4特殊性能铸铁 在普通铸铁基础上加入某些合金元素，形成具有特殊性能的合金铸铁。 1.耐磨铸铁 （1）无润滑条件下使用的耐磨铸铁（抗磨铸铁） （a）白口铸铁，强度和韧性差，不能直接使用； （b）合金白口铸铁，包括P合金白口铸铁和M合金白口铸铁； （c）激冷铸铁，形成表面为白口，心部为灰口的组织； （d）稀土镁中锰球墨铸铁，提高了强度和韧性，组织为M或下B+A+K+球状G，表7-4。Mn的作用：阻碍石墨化元素；扩大区元素，降低Ms点；提高淬透性。,（2）有润滑条件下使用的耐磨铸铁（减摩铸铁） 获得P基体组织，而G为良好的润滑剂，主要有高磷铸铁：在普通灰铸铁中加入0.40.7%P，形成高硬度呈断续网状分布的磷共晶。,2.耐热铸铁 铸铁耐热性：在高温下铸铁抵抗“氧化”和“生长”的能力。生长是指铸铁在反复加热和冷却时产生的不可逆体积长大现象，原因有氧化性气体沿G片界面或裂纹渗入发生内氧化；渗碳体在高温下分解为G；基体组织发生相变。提高耐热性的主要途径：,（1）加入Cr、Al、Si形成氧化膜，获得单相F基体； （2）加入Ni、Mn、Cu获得单相A基体； （3）加入Cr、V、Mo、Mn阻碍石墨化元素，以免高温时渗碳体分解为G； （4）加入球化剂使G球化。 耐热合金铸铁主要类型有硅系耐热铸铁，如RT（热铁） Si5.5（56%Si）和RQTSi5.5；铝系耐热铸铁；铝硅系耐热 铸铁；铬系耐热铸铁。,