工程材料及成型技术基础第5章 金属材料

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,1,第一节 碳钢,一、常存杂质对碳钢性能的影响,碳钢是指含碳量小于,2.11,%,的铁碳合金，但实际使用的碳钢并不是单纯的铁碳合金，除碳以外，还含有少量的锰、硅、硫，磷等，这些元素是从矿石、燃料和冶炼等渠道进入钢中的，这些元素统称为杂质，它们对钢的性能有一定的影响，下面作简要介绍。,第六章 金属材料,一）杂质和气体的影响,Mn,脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。,Si,有很强的固溶强化作用,能脱氧。,1.,有益元素,2.,有害元素,:,P,有很强的固溶强化作用,低温 韧性差,(,冷脆,),。,S,能引起钢在热加工时或高温工作下开裂,(,热裂,),。,3.,气体元素,:,N,：,钢中过饱和,N,在常温放置过程中会发生,时,效脆化,。,加,Ti,、,V,、,Al,等元素可消除时效,倾向。,O,：,钢中的氧化物易成为,疲劳裂纹源,。,H,：,原子态的过饱和氢时将降低韧性,引起,氢,脆,。,当氢在缺陷处以,分子态析出时，会产,生很高内压，形成微,裂纹，其内壁为白色，,称,白点,或,发裂,。,钢中白点,5,二、碳钢的分类,碳钢的分类方法很多，下面介绍三种：,(,一,),按钢的含碳量分,1,低碳钢 含碳量,0.25,2.,中碳钢 含碳量在,0.25,%,-0.6,%,之间,3.,高碳钢 含碳量,0.6,%,6,(,二,),按钢的质量分类,主要是根据钢中含有害杂质,S,、,P,的多少来分：,1,普通碳素钢 钢中,S,，,P,的含量分别为,0.05,和,0.045,。,2,优质碳素钢 钢中,S,、,P,的含量均,0,035, 。,3,高级优质碳素钢 钢中,S,、,P,的含量分别,0.020,和,0.030, 。,7,(,三,),按用途分类,1,碳素结构钢 这类钢主要用于制造各种工程构件,(,如桥梁、船舶、建筑等,),和机器零件,(,如齿轮、轴、螺钉、螺母、连杆等,),，这类钢一般属于低碳钢和中碳钢。,2,碳素工具钢 这类钢主要用于制造各种刀具、量具、模具。这类钢含碳量较高，属于高碳钢。,8,三、碳钢的编号和用途,为了生产、加工处理和使用不致造成混乱，对各种钢材进行命名和编号。,(,一,),碳素结构钢,碳素结构钢是工程中应用最多的钢种,其产量约占钢总产量的,70-80,。按国家标准,GB700,88,碳素结构钢分为五类,20,种，如表所示,。,9,碳素结构钢的牌号是以钢材厚度,(,或直径,),不大于,16mm,钢的屈服点,(,s,),数值划分的，并且还有质量等级和脱氧方法的细划分。表中的符号、代号的意义如下。,Q,钢屈服点,“,屈,”,字汉语拼音首位字母；,A,、,B,、,C,、,D,分别为质量等级；,F,沸腾钢,“,沸,”,字汉语拼音首位字母；,b,半镇静钢,“,半,”,字汉语拼音首位字母，用小写,b,为便于与质量等级,B,级相区别；,10,Z,镇静钢,“,镇,”,字汉语拼音首位字母；,TZ,特殊镇静钢,“,特镇,”,两字汉语拼音首位字母。,在牌号组成表示方法中，,“,Z,”,与,“,TZ,符号予以省略。,例如；,Q235-A,F,即表示屈服点数值为,235N,mm,2,的,A,级沸腾钢。,11,碳素结构钢的应用：,Q195,、,Q215A,、,Q215B,塑性较高，有一定强度，通常轧制成薄板，钢筋，钢管、型钢等，用作桥梁、钢结构等，也在机械制造中用作铆钉、螺钉、地脚螺栓、轴套、开口销，拉杆、冲压零件等。,12,Q235A,、,Q235B,、,Q235C,、,Q235D,强度较高，可用作转轴、心轴、拉杆、摇杆、吊钩、链等。,Q255A,、,Q255B,、,Q275,强度更高，可用作工具：轧辊、主轴、摩擦离合器、刹车钢带等。,13,(,二,),优质碳素结构钢,这类钢中有害杂质及非金属夹杂物含量较少，化学成分控制得也较严格，塑性和韧性较高，多用于制造较重要零件。,这类钢的编号方法是以平均含碳量万分数表示，例如，平均含碳量为,0.45,的优质碳素结构钢，就称为,45,号钢。,14,(,三,),碳素工具钢,这类钢的编号方法是在,“,碳,”,或,“,T,”,后加一数字，数字表示钢的平均含碳量的千分数。 例如，碳,7(,或,T7),，碳,12(T12),分别表示平均含碳量为,0.7,和,1.2,的碳素工具钢。,碳素工具钢都是优质钢，若为高级优质碳素工具钢，则在钢号后面加一个,“,高,”,字或,(A),，例如碳,12,高,(,或,T12A),。,15,1.,镇静钢,( killed steel ),钢液在,浇注前用锰铁、硅铁和铅进行了充分脱氧,W,o = 0.01%,左右,成分较均匀、组织较致密。主要用于机械性能要求较高的零件。,2.,沸腾钢,( boiling steel ),钢液在,浇注仅前进行轻度假脱氧,W,o = 0.03%,0.07,%,成分偏析较严重、组织不致密。机械性能不均匀,冲击韧性差,常用于要求不高的零件。,3.,半镇静钢,( balanced steel ),半镇静钢是,脱氧过程介于镇静钢和沸腾钢之间的钢,是用锰铁和硅铁进行脱氧。其质量也介于二者之间,可代替部分镇静钢,一般不适于做重要零件。,第二节合金钢,合金钢是在以碳元素为主要合金元素的碳素钢的基础上发展起来的。在合金钢中，除了铁和碳以外，还含有为某种目的（如增加淬透性，提高强度、耐磨性、红硬性、耐热性、耐腐蚀性等等）而特意加入的其它合金元素，这些元素有,Mn,、,Si,、,Cr,、,Mo,、,Ni,、,W,、,Ti,、,V,、,Nb,等。,二）合金元素在钢中的作用,合金元素在钢中的存在形式及主要作用：,溶于铁素体内，形成合金铁素体。,作用：固溶强化。,溶于渗碳体内，形成合金渗碳体，如（,Fe,，,Cr,）,3,C,。,作用：提高碳化物硬度和稳定性。,和碳形成特殊碳化物，如,Fe,3,W,3,，,Cr,23,C,6,，,Mo,2,C,，,TiC,。,作用：特殊碳化物稳定，硬度高，可提高红硬性和耐磨性；特殊碳化物细小弥散，起弥散强化作用。,合金元素对硬度的影响,合金元素对冲击韧性的影响,与碳作用形成合金碳化物,Fe,、,Mn,、,Cr,、,Mo,、,W,、,V,、,Ti,、,Nb,、,Zr,弱,强,弱碳化物元素,:,Fe,、,Mn,。,中强碳化物元素,:,Cr,、,Mo,、,W,。,强碳化物元素,:,V,、,Ti,、,Nb,、,Zr,。,三,),合金元素对,Fe-Fe3C,相图的影响,扩大奥氏体区,缩小奥氏体区,改变共晶点和共析点的参数,1.,扩大奥氏体区的合金元素,面心立方晶格的,Mn,、,Ni,、,Co,等元素以及,N,和,C,。,作用,:,使,A3,线温度下降,A4,线温度上升。,Mn,元素对奥氏体区的影响,2.,缩小奥氏体区的合金元素,体心立方晶格的,Cr,、,Mo,、,W,、,V,、,Ti,、,Si,等元素。,作用,:,使,A3,线温度上升,A4,线温度下降。,Cr,元素对奥氏体区的影响,3.,改变共晶点和共析点参数的元素,几乎所有的合金元素。,作用,:,使,S,点和,E,点的,成分向左移,。,即移向低碳的方向,使,A1,线,的,温度变化,。,合金元素对,S,点成分的影响,合金元素对,A,1,线,的影响,四,),合金元素对钢的热处理的影响,加热时对,奥氏体形成,的影响,对,过冷奥氏体转变,的影响,对,回火转变,的影响,1.,合金元素对加热时奥氏体形成的影响,除,Mn,元素外,所有合金元素的加,入,均使奥氏体的形成速度减慢。,强碳化物形成元素,能强烈的阻止奥,氏体晶粒长大,(,Ti,、,V,、,Zr,、,Nb,等,),。,非碳化物形成元素,能轻微的阻止奥,氏体晶粒长大,(,Si,、,Ni,、,Cu,、,Co,等,),。,2.,合金元素对过冷奥氏体转变的影响,除,Co,元素外,所有的合金元素均使,钢的,TTT,曲线向右移。推迟奥氏体向珠光体和,贝氏体转变的过程，提高淬透性。,除,Co,、,Al,元素外,所有的合金元素,都使,马氏体转变温度,下降。,提高钢的淬透性,常用的元素有,:,Cr,、,Mn,、,Mo,、,Si,、,Ni,、,B,等。,3.,合金元素对回火转变的影响,回火抗力,的增加阻碍,F,和,C,的扩散，提高马氏体的稳定性，推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变，阻碍碳化物的析出和聚集长大,二次硬化,的产生（红硬性提高）,削弱,回火脆性（,W,M,）,W,、,Mo,、,V,等碳化物在,550,时,使钢达到最高硬度,产生,二次硬化,。,Cr-Ni,钢的回火脆性示意图,防止第二类回火脆性的产生的方法,:,在,500,600 ,快速冷却。,加入合金元素,W,、,Mo,。,因此，根据,合金元素在钢中的作用,1.,主加元素,:,对提高钢的性能起主要作,用。,Si,、,Mn,、,Cr,、,Ni,、,B,。,2.,辅加元素,:,配合主加元素进一步提高,钢的性能,弥补主加元素的,不足与缺陷。,W,、,Mo,、,V,、,Ti,、,Nb,。,第二节,钢的分类和编号,1.,分类,钢材种类繁多，为便于生产使用和研究，进行了如下分类：,1,）按化学成份分类,钢按化学成份不同可分为碳素钢和合金钢。碳素钢按碳含量的不同又分为低碳钢（含碳量小于,0.25%,），中碳钢（含碳量为,0.250.6%,）和高碳钢（含碳量大于,0.6%,）。,合金钢按合金元素总量分为,低合金钢（合金元素总量小于,5%,），,中合金钢（合金元素总含量为,510%,）,高合金钢（合金元素总量大于,10%,）,有时，按合金钢中所含主要合金元素将合金钢分为锰钢，铬钢，铬钼钢或铬锰钛钢等。,2,）按供应态的显微组织分类,一般钢的供应状态有退火态和正火态两种。,按正火态组织将钢分为珠光体类，贝氏体类，马氏体类及奥氏体类钢，在这里也不排除有过渡型混合组织出现的可能。,按退火态（即平衡态）组织可将钢分为亚共析、共析和过共析钢 。,）按用途分类,结构钢,工具钢,特殊性能钢,2.,钢的编号,我国的钢材编号是采用国际化学符号，数字及汉语拼音字母并用的原则，,按碳含量、合金元素的种类和数量以及质量级别来编号的,。,1,）普通结构钢,2,）优质碳素结构钢,3,）碳素工具钢,4,）合金结构钢,5,）合金工具钢,6,）滚动轴承钢,7,）不锈钢及耐热钢,1,）普通,碳素,结构钢,（普碳钢）,该类钢牌号表示方法是由代表屈服点的字母（,Q,），屈服强度数值（,MPa,值），质量等级符号（,A,，,B,，,C,，,D,）及脱氧方法符号（,F,，,b,，,Z,，,TZ,）等四部分按顺序组成。,Q,235,A,F,沸腾钢,A,等级,235 MPa,屈服强度,2,）优质碳素结构钢,该类钢的钢号用钢中平均含碳量的两位数字表示，单位为万分之一。如钢号,45,，表示平均含碳量为,0.45%,的钢，这是正常含锰量（按杂质含量）的优质碳素结构钢的钢号表示方法。 对含锰量较高的钢，须将锰元素标出。所谓较高含锰量系指含碳量大于,0.6%,、含锰量在,(0.91.2)%,者及含碳量小于,0.6%,、含锰量,(0.71.0)%,者，数字后面附加化学元素符号,Mn,。例如钢号,25Mn,，表示平均含碳量为,0.25%,而含锰量为,(0.71.0)%,的钢。,*,45 - Wc = 0.45%,*,较高锰质量分数的优质碳素结构钢,45Mn - Wc = 0.45% ;,WMn = 0.7%,1.0%,3,）碳素工具钢,碳素工具钢是在钢号前加“,T”,表示，其后跟以表示钢中平均含碳量的千分之几的数字。如平均含碳量为,0.8%,的工具钢，其钢号记为“,T8”,。含锰量较高者须在钢号后标以“,Mn”,。若为高级优质碳素工具钢则在钢号末端加“,A”,，如,T10A,。,T,12,A,高级优质,Wc = 1.2%,碳素工具钢,4,）合金结构钢,该类钢的牌号是由,“,数字,+,元素,+,数字,”,三部分组成。,前面的数字（为两位数）表示平均含碳量的万分数，合金元素以化学元素符号表示，合金元素后面的数字（一位或两位数）表示该元素的平均百分含量，如果合金元素平均含量低于,1.5%,时，则不标明其含量；当其平均含量大于或等于,1.5%,至,2.5%,时则在元素后面标“,2”,，依此类推。 如,60Si2Mn,钢，其平均含碳量约,0.6%,，含硅,2%,及含锰,1%,5,）合金工具钢,该类钢的编号原则大体同合金结构钢，只是含碳量的表示方法不同，而合金元素的表示方法相同。钢号前表示其平均含碳量的是一位数字，为其千分数；当平均含碳量大于或等于,1.0%,时，则不标出含碳量。例如,9Mn2V,钢的平均含碳量为,(0.85%0.95)%,；而,CrMn,钢中的平均含碳量则为,(1.31.5)%,。 高速钢是一类高合金工具钢，其钢号中一般不标出含碳量，仅标出合金元素符号及其平均含量的百分数。如,W18Cr4V,钢的平均碳含量为,(0.70.8)%,，而合金元素含量则约为,18%W,、,4%Cr,和,1%V,。,6,）滚动轴承钢,该类钢含碳量较高（一般约为,0.951.15%,），在钢号中不标明；其钢号前冠以,G,表示“滚动轴承”钢，其后为铬（,Cr,）,+,数字,+,其它合金元素,+,数字,+(,）表示，数字表示铬平均含量的千分数，而其它合金元素后的数字则表示其百分数。如“滚铬,15”,（即,GCr15,），即是铬平均含量为,1.5%,滚动轴承钢。,7,）不锈钢及耐热钢,这两类钢钢号前面的数字表示平均含碳量的千分数，如“,9,铬,18”,（即,9Cr18,）表示该钢平均含碳量为,0.9%,。但碳含量小于,0.03%,及,0.08%,者，在钢号前分别冠以“,00”,及“,0”,，如“,00,铬,18,镍,1,”,（即,00Cr18Ni10,）等。应指出，上述钢中能起重要作用的微量元素如钛，铌，锆等虽然含量较低（一般小于,1%,甚至小于,0(01%),，但应在钢号中标出，且元素符号后不附加数字；而当其在某些钢中含量大于,1%,时，则必须在元素符号后加上其含量的百分数。,第三节 合金结构钢,( Alloy Constructional Steel ),普通低合金钢,合金渗碳钢,合金调质钢,弹簧钢,滚动轴承钢,易切削钢,一,.,普通低合金钢,( common low alloyed steel ),1.,化学成分,:,碳素结构钢,+,合金元素,主加合金元素,: Mn 1.8 %,以内。,辅加合金元素,:V,、,Ti,、,Nb,、,B,。,2.,牌号,:,Q,345,C,质量等级,345 MPa,屈服强度,3.,热处理特点：,热轧空冷状态下使用，不需要进行专门的热处理。在有特殊需要时，如为了改善焊接接头性能，可进行一次正火处理,Q460,钢含,Mo,、,B,，正火组织,为,B,，,强度高,，用于石化中温,高压容器。,压力容器,南京长江大桥,Q345,钢,(16Mn),综合性能好,，,用于船舶、桥梁、车辆等大,型钢结构。,16Mn,是我国低合金高强钢中,发展最早、使用最多、产量最,大的钢种。例如南京长江大桥、,广州电视塔等。,Q390,钢含,V,、,Ti,、,Nb,，,强度,高,，用于中等压力的容器。,万吨远洋轮,4.,典型,普通低合金钢,二,.,碳素渗碳钢及合金渗碳钢,1.,对渗碳钢的性能要求,:,2.,对渗碳钢的含碳量的要求,:,低碳,3.,渗碳钢的热处理特点,:,渗碳,淬火,+,低温回火,(180,200),表硬里韧,Wc 0.25,%,Wc = 0.15,0.25,%,合金元素,:,Cr,、,Mn,、,Ni,、,B,、,V,、,W,、,Mo,、,Ti,等。,表层,:M,回,+Fe3C+A,残,心部,:,F+P,表层,:M,回,+Cm+A,残,心部,:,低碳,M,回,+F,碳素渗碳钢,合金渗碳钢,化学成分,热处理后的组织,4.,合金渗碳钢的牌号,20,Mn2,Ti,A,等级,:,高级优质,含钛量,W,Ti1.5,%,含锰量,W,Mn,2,%,含碳量,W,C,20,%,00,5.,典型合金渗碳钢种介绍,低淬透性合金渗碳钢,钢含合金元素总量,3 %,15Cr,、,20Cr,、,20Mn2,。,用,于受力小的耐磨件，如柴,油机的活塞销、凸轮轴等。,中淬透性合金渗碳钢,钢含合金元素总量在,4 %,左,右。,20 CrMn,、,20CrMnTi,、,20Mn2TiB,。用于中等载荷,的耐磨件，如变速箱齿轮。,柴油机凸轮轴,活塞销,( 20Cr ),高淬透性合金渗碳钢,钢含合金元素总量在,4 %,6 %,。,18Cr2NiWA,、,20Cr2Ni4A,等。用于大载荷,的耐磨件，如柴油机曲轴。,柴油机曲轴,三,.,碳素调质钢及合金调质钢,1.,对调质钢的性能要求,:,既强又韧,2.,对调质钢的含碳量的要求,:,中碳,3.,调质钢的热处理特点,:,淬火,+,高温回火,( 500,650 ),W,c = 0.25,0.6 %,W,c = 0.25,0.5 %,合金元素,:,Cr,、,Mn,、,Ni,、,B,、,Si,、,V,、,W,、,Mo,、,Ti,等。,表层,: S,回,碳素调质钢,合金调质钢,化学成分,热处理后的组织,心部,: P + F,表层,: S,回,心部,: S,回,4.,合金调质钢的牌号,40Cr,40Mn,40MnB,35CrMo,38 Cr Mo Al A,25Cr2Ni4WA,5.,典型合金调质钢种介绍,低淬透性调质钢,钢含合金元素总量,3 %,。,40Cr,、,40MnB,等。,中淬透性调质钢,钢含合金元素总量在,4 %,左右。,38 CrSi,、,35 CrMo,等。,圆锥齿轮,柴油机凸轮轴,常用于制造较小的齿轮、,轴、螺栓等零件。,高淬透性调质钢,钢含合金元素总量在,4 %,10 %,。,制造大截面重载荷零件，如,曲轴等用高淬透性的零件等 。,38 Cr Mo Al A,、,40 Cr Mn Mo,、,25 Cr2 Ni4 W A,等。,四,.,碳素弹簧钢及合金弹簧钢,1.,对弹簧钢的性能要求,:,高的,e,、高的,s,/ ,b,、高的,-1,、良好的韧,性,。,2.,对弹簧钢含碳量的要求,:,中、高碳。,3.,热成型弹簧钢的热处理特点,:,淬火,+,中温回火,( 450,550 ),碳素弹簧钢,合金弹簧钢,化学成分,热处理后的组织,Wc = 0.6,0.9,%,Wc = 0.5,0.7 %,合金元素,:,Si,、,Mn,、,Cr,、,V,、,W,、,Mo,等。,T,回,制造尺寸小于,8,15mm,的,小型弹簧。,T,回,制造尺寸在,20,25,mm,左右的弹簧。,4.,合金弹簧钢的牌号,65,65 Mn,55 Si 2 Mn,60 Si 2 Mn,50 Cr V A,50 Cr Mn A,55 Si Mn Mo V Nb,5.,弹簧生产工艺特点,弹簧钢按其成形方法分为冷成型（强化后成形）及热成形（成形后强化）两类。其相应加工和热处理工艺为：,（,1,）冷成形弹簧：对小型弹簧（如丝径小于,(8,10)mm,的螺旋弹簧或钢带），一般在热处理强化后冷拔或冷卷成形。,为改善塑性提高强度，一般应在成形前等温冷却得到均匀细珠光体组织（如铅浴,(450,550),等温淬火冷拔钢丝工艺）或在冷拔工序中加入,680 ,中间退火（冷拔钢丝工艺）；而在冷成形完成后必须要进行一次消除内应力，稳定尺寸并提高弹性极限的定型处理，处理温度为,(250,300),保温,(1,2)h,。冷成形后弹簧直径越小强化效果越好,强度极限可达,1600MPa,以上，且表面质量好。,（,2,）热成形弹簧：对于中大型弹簧一般应加热至奥氏体区进行热卷成型，并使成形温度略高于淬火温度，利用余热淬火，然后进行中温回火（ 回火温度,(350,450),，得到回火屈氏体组织，保证了高的弹性极限和足够韧性。对热成形弹簧，由于加热过程易造成表面氧化和脱碳等缺陷，故一般还要补充进行一道表面喷丸处理，这样可大大提高其疲劳强度和寿命。如汽车板簧用,60Si2Mn,钢热成型后，经喷丸处理可使其寿命提高,(3,5),倍。,汽车板簧,大型热卷弹簧,热卷大弹簧,簧弹丝,五,.,滚动轴承钢,( bearing steel ),1.,性能要求,:,高的硬度强度和耐磨性,;,高的接触疲劳强度,;,足够的韧性和耐蚀性,;,高的纯净度,;,滚珠轴承,滚针轴承,滚柱轴承,2.,化学成分特点,:,高碳, Wc = 0.9,1.1%,。,主加,Cr, 0.4,1.65 %,辅加,Si,、,Mn,。,优质钢材,。,3.,热处理特点,:,球化退火,+,淬火,+,低温回火,极细回火马氏体,+,细粒状碳化物,+,少量残余奥氏体,4.,滚动轴承钢的牌号,G,Cr9,Si,Mn,含,Mn,量,W,Mn1.5,%,含,Si,量,W,Si1.5 %,含,Cr,量,W,Cr,0.9 %,滚动轴承钢,六,.,易切削钢,( fee cutting steel ),2.,性能要求,:,降低切削力和切削热,减少刀具磨损,延长刀具寿命,改屑性能,提高切削速度。,3.,化学成分特点,:,1.,用途,:,适用于高速切削和在自动加工机,床上加工的材料。,S:,W,s = 0.08,0.3%,Pb:,W,Pb=0.15,0.25%,Ca:,微量,4.,易切削钢的牌号,Y,40,Mn,含锰量,W,Mn 1.5,%,含碳量,W,C,0.4,%,易切削钢,5.,易切削钢的热处理工艺特点,低碳易切削钢,( Y12,、,Y15,、,Y20 ),渗碳,或,淬火,成,低碳马氏体,。,中碳易切削钢,( Y40 ),调质,及,表面淬火,。,第四节 合金工具钢,合金刃具钢,( alloy cutting steel ),合金模具钢,( alloy die steel ),合金量具钢,( alloy measuring steel ),量 具,刃 具,模 具,一,.,碳素刃具钢,1.,性能要求,:,高硬度、高耐磨性,有一,定的强度和韧性。,2.,化学成分特点,:,高碳。,3.,热处理特点,:,淬火,+,低温回火,4.,组织,:,M,回,+ Fe,3,C + A,残,5.,用途,:,用于低速、低温,(,200,）、,低冲击、硬度在,HRC62,左右的,刃具。,锉 刀,手 锤,二,.,合金刃具钢,种类,:,低合金刃具钢,;,高速钢。,牌号,:,合金元素及含量,千分之几的含碳量,9,Si Cr,W18 Cr4 V,1.,低合金刃具钢,1.,性能要求,:,高硬度、高耐磨性、有一,定的红硬性、强度和韧性,工作温度不超过,300,。,2.,化学成分特点,:,*,高碳,*,加入,Cr,、,Mn,、,Si,、,W,、,V,等合金元素。,3.,热处理特点,:,球化退火 淬火,+,低温回火,2.,高速钢,( high speed steel ),(1),性能要求,:,高硬度、高耐磨性、高的红硬性,(600,时,HRC63,以上,),、有一定的强度和韧性。,高速钢,-,锋钢、白钢,; 18 4 1,钢,车刀,铣刀,钻头,(2),化学成分特点,:,高碳,0.7,1.5%:,钨,18%:,钼,5%:,铬,4%:,钒,1.5%:,保证高硬度,退火状态下形成,M6C,碳化物,在,560,左右回火时,弥散析,出,W2C,造成二次硬化,提高,钢的红硬性,。,1%Mo,的作用等同于,2%W,。,形成,Cr23C6,碳化物,;,提高钢的,淬透性,。,形成,VC,硬度极高,提高钢的,硬度和耐磨性,产生二次硬化。,(3) W18Cr4V,钢的生产工艺及热处理特点,铸造 锻造 球化退火 机加工,淬火,+,三次,570,回火 磨削加工,铸造,:,高速钢属于,莱氏体钢,铸态组织,中含有,大量呈鱼骨状分布的粗,大共晶碳化物,M6C,钢的韧性大,幅下降。,W18Cr4V,钢的铸态组织,W18Cr4V,铸造组织,130,W18Cr4V,钢的铸态组织,W18Cr4V,铸态组织,420,锻造,:,鱼骨状碳化物不能用热处理来消除,只能依,靠反复多次锻打来击碎。,W18Cr4V,锻造组织,210,球化退火,:,消除应力,调整组织,便于机加工,为淬火作好组织准备。,球化退火后的组织,:,S +,粒状,Cm,W18Cr4V,球化退火组织,420,W18Cr4V,钢的热处理过程示意图,淬火,:,1280;,淬火后的组织,:,M+Cm+A,残,(20,25%),W18Cr4V,钢淬火组织,W18Cr4V,淬火组织,300,三次,570,回火,在,570,回火时,产生,二次硬化。,三次,570,回火,*,淬火后,A,残约,20,25 %,。,*,第一次回火后,A,残约剩,15,18,%,。,*,第二次回火后,A,残约剩,3,5,%,。,*,第三次回火后,A,残约剩,1,2,%,。,回火后的组织,:,M,回,+ Cm + A,残,( 1,2 % ),组织硬度,为,65HRC,以上。,W18Cr4V,淬火,+,一次回火组织,W18Cr4V,淬火,+,一次回火组织,105,W18Cr4V,淬火,+,三次回火组织,W18Cr4V,淬火,+,三次回火组织,420,三,.,合金模具钢,( alloy die steel ),热作模钢,:,工作温度为,600,以上。,冷作模钢,:,工作温度为,200,300,。,一,),热作模钢,( hot die steel ),1.,性能要求,:,高的热硬性、高温耐磨性,;,高的抗氧化能力,;,高的热强性和足够高的韧性,;,高的热疲劳抗力,(,防止龟裂,);,高的淬透性和导热性,;,2.,化学成分特点,:,中碳,0.3,0.6 %;,合金元素,:,Cr,、,Ni,、,Mn,、,Si,、,Mo,、,W,、,V,。,曲轴模具,3.,热处理特点,:,*,热锻模钢,: 5 CrMnMo,热处理工艺,:,淬火,+ 550,回火,热处理后的组织,: S,回或,T,回,温度,时间,500,820,850,预冷,油冷,530,550,回火,*,热压模钢,: 3 Cr2W8V,热处理工艺,:,淬火,+ 600,三次回火,热处理后的组织,: M,回,+ Cm,粒状,汽车四缸压铸模,二,),冷作模钢,( cold die steel ),1.,性能要求,:,高的硬度,HRC62;,高的耐磨性,;,足够高的韧性与疲劳抗力,;,热处理变形小,;,2.,化学成分特点,:,高碳,1,2 %;,合金元素,:,Cr, Mo,、,W,、,V,。,汽车冲压模具,3.,热处理特点,:,*,一次硬化法,:,淬火,+,低温回火,( 950,1000 ) ( 150,180 ),*,二次硬化法,:,淬火,+,三次回火,( 1100,1000 ) ( 510,520 ),热处理后的组织,:,M,回,+ Cm + A,残,牌号,:,Cr12,、,Cr12MoV,四,.,合金量具钢,1.,性能要求,:,高的硬度, HRC62;,高的耐磨性,;,高的尺寸稳定性,;,足够高的心部韧性,;,热处理变形小,;,尺寸稳定,;,良好的耐蚀性,;,卡 尺,量 规,千分尺,3.,热处理特点,:,4.,热处理后的组织,:,M,回,+,Cm,淬火 冷处理,( - 70,- 80 ),低温回火 时效处理,( 120,130,几十小时,),5.,牌号,:,CrWMn,、,4Cr13,、,GCr15,、,9SiCr,、,T12A,、,60,等。,2.,化学成分特点,:,高碳,0.9,1.5 %;,合金元素,:,Cr,Mn,、,W,。,第五节 特殊性能钢,特殊性能钢是指具有特殊物理化学性,并可在特殊环境下工作的钢，如不锈钢,耐热钢，耐磨钢及低温用钢等。,不锈钢,( stainless steel ),耐热钢,( heat resistant steel ),耐磨钢,( wear resistant steel ),一,.,不锈钢,( stainless steel ),1.,定义,:,在腐蚀介质中具有很高的抗腐,蚀能力的钢。,2.,概念,:,*,在,空气,中的年腐蚀量为,0.01mm,以内的钢,称为在空气中使用的,不锈钢。,*,在,强酸、强碱,介质中的年腐蚀,量为,0.1mm,以内的钢,称为在强,酸、强碱介质中使用的不锈钢。,3,金属腐蚀的机理,.,金属腐蚀的种类,:,1),化学腐蚀,:,金属与介质,(,干燥气体和,非电解质溶液,),发生化学,反应而产生的腐蚀。,例如,:,高温氧化、脱碳等。,2),电化学腐蚀,:,金属与介质,(,电解质溶,液,即酸、碱、盐溶液,),发生电化学反应而产生,的腐蚀。,电化学腐蚀过程示意图,珠光体电化学腐蚀示意图,4.,金属的防腐措施,:,1),覆盖层保护,:,涂漆、电镀、发蓝、磷化等工艺。,2),形成氧化层,:,加入合金元素,Cr,、,Al,、,Si,等,形成,Cr,2,O,3,、,SiO,2,、,Al,2,O,3,等氧化膜。,3),提高金属的电极电位,:,加入合金元素,Cr,、,Ni,、,Si,等,提高金属基体的电极电位。,4),使钢在室温下呈单相组织,:,加入合金元素,Mn,、,Ni,、,Co,等能扩大,区,可在室温获得,奥氏体钢,。,加入合金元素,Cr,、,Mo,、,W,、,V,、,Ti,、,Si,等能扩大,区,可在室温获得,铁素体,钢。,5),减少与消除钢中的各种不均匀现象,:,偏析、应力、组织等。,6),牺牲阳极保护阴极,:,镶嵌一些比金属,或合金基体电极电位更低的金属块。,5.,化学成分特点,:,*,低碳,:,耐蚀性要求愈高,碳含量愈低。,*,合金元素,:,主加,Cr,。,辅加,Ni,、,Mo,、,Cu,、,Ti,、,Nb,、,Mn,等。,6.,常用的不锈钢,:,*,马氏体型不锈钢,*,铁素体型不锈钢,*,奥氏体型不锈钢,1),马氏体型不锈钢,- Cr13,型钢,化学成分特点,:,W,c = 0.1,0.4 %,W,Cr = 13 %,热处理特点,:,铬多碳高,正火,后的组体是,马氏体,。,性能：较高的强度，耐磨和耐蚀性,牌号,:,1Cr13,4Cr13,用途,:,医疗器械,医用镊子,1Cr13,金相组织图,1Cr13,供货状态组织,(,化染,) 580,2),铁素体型不锈钢,化学成分特点,:,W,c = 0.1 %,左右,W,Cr = 17 %,热处理特点,:,不能进行热处理强化,。,牌号,:,1Cr17,、,1Cr17Ti,、,1Cr28,等。,用途,:,化工设备中要求耐蚀性高、塑,性好、强度低的容器、管道等。,铁素体型不锈钢的用途,硝酸生产装置,合成氨生产装置,3),奥氏体型不锈钢,-18 8,型钢,化学成分特点,:,W,c = 0.08,0.14 %,W,Cr = 17,19 %,W,Ni = 8,11 %,Cu,、,Ti,、,Mo,等。,加工特点,:,不能进行热处理强化,只能,冷塑性变形强化。,热处理特点,:,固溶处理,;,稳定化处理,;,消除应力退火。,牌号,:,0Cr18Ni9,、,1Cr18Ni9,、,0Cr18Ni9Ti,、,1Cr18Ni9Ti,用途,:,化工容器、管道等。,大型化工储罐,(304),管板换热器,( 304 ),1Cr18Ni9Ti,固溶处理组织金相图,1Cr18Ni9Ti,固溶处理组织,580,二,.,耐热钢,1.,定义,:,在高温下具有抗氧化性和高温,强度的特殊钢。,2.,性能要求,抗氧化性,(,热稳定性,),高温强度,(,热强性,),蠕变强度,持久强度,3.,提高钢的耐热性的途径,:,加入合金元素,Cr,、,Si,、,Al,等,在,钢的表面形成稳定、致密的氧化膜。,4.,提高钢的耐热性的途径,:,1),固溶强化,:,加入,W,、,Mo,、,Nb,、,Ti,、,V,等元素强化基体,;,提高再结晶温度。,2),弥散强化,:,加入,Nb,、,V,、,Ti,等元素形,成碳化物,在晶内弥散析出,阻碍位错,的滑移,提高塑变抗力。,5.,钢种及,用途,抗氧化钢,(,不起皮钢,) :,奥氏体型钢,1Cr18Ni9Ti,等,工作温度,850,。,热强钢,珠光体型,16Mo,，,工作温度,600,。,马氏体型,1Cr13,，,工作温度,600,。,奥氏体型,18-8,型，,工作温度,850,。,耐 热 钢 的 用 途,发动机叶片,航空发动机,汽轮机叶片,汽车阀门,三,.,耐磨钢,( wear-resistant steel ),1.,定义,:,在强烈冲击载荷作用下发生冲击形变硬化的高锰钢。,球磨机,挖掘机,颚式破碎机,2.,性能要求,:,高硬度、耐磨性、韧性。,3.,化学成分特点,:,高碳,W,c = 1,1.3 %,高锰,W,Mn = 11,14 %,4.,热处理特点,:,水韧处理。,（即固溶处理）,-,将铸件加热至高温（,1000,1100,）并适当保温，使碳化物完全溶入奥氏体中，然后水淬激冷，使碳化物不析出而得到单相奥氏体组织。此时钢的硬度很低，,约,HB(190,220),，,但韧性很高。,5.,室温组织,:,过饱和单相奥氏体。,水韧处理的工艺特征,铸态组织高锰钢,加热到,1050,1100,A,水淬,A,受到剧烈冲击或较大压力,表层,M,HB500,心部,A,HB220,A + Cm,高锰钢铸态组织,高锰钢铸态组织,(,化染,) 58,高锰钢水韧淬火组织金相图,高锰钢水韧淬火组织,(,化染,) 58,高锰钢水韧淬火,+,回火组织金相图,高锰钢水韧淬火,+,回火组织,(,化染,) 105,5.,牌号,ZG,Mn13,-,1,一号铸造高锰钢,锰含量,W,Mn,13 %,铸钢,铁路道岔,履带,球磨机衬板,挖掘机铲齿,高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件。,如拖拉机的履带板、球磨机的衬板、破碎机的牙板、挖掘机的铲齿和铁路的道岔等。,钢 号,钢 种,合金元素的主要作用,热处理特点,使用状态下组织,Q345,低合金高强度结构钢,Mn:,强化,F,，增加,P,量，降低冷脆转变温度,热轧空冷,F+P,65Mn,弹簧钢,Mn:,提高淬透性，强化,F,淬火,+,中温回火,T,回,ZGMn13,耐磨钢,Mn:,获得单相,A,组织,水韧处理,表,:M+,碳化物 心,:A,20Cr,渗碳钢,Cr:,提高淬透性，强化,F,渗碳,+,淬火,+,低温回火,表,: M,回,+,颗粒状碳化物,+A,心,: M,回,+F,40Cr,调质钢,Cr:,提高淬透性，强化,F,调质处理,S,回,9SiCr,低合金工具钢,Cr:,提高淬透性,淬火,+,低温回火,M,回,+,颗粒状碳化物,+A (,少量,),GCr15,滚动轴承钢,Cr:,提高淬透性，耐磨性、耐蚀性,淬火,+,低温回火,M,回,+,颗粒状碳化物,+A (,少量,),1Cr13,马氏体不锈钢,Cr:,提高耐蚀性,淬火,+,高温回火,S,回,5CrNiMo,热作模具钢,Cr,、,Ni:,提高淬透性，强化,F,淬火,+,高温回火,S,回,Mo:,防止高温回火脆性,Cr12MoV,冷作模具钢,Mo:,细化晶粒，提高耐磨性,淬火,+,低温回火,M,回,+,颗粒状碳化物,+A (,少量,),W18Cr4V,高速钢,V:,提高耐磨性、热硬性,淬火,+,低温回火,M,回,+,颗粒状碳化物,+A (,少量,),1Cr18Ni9Ti,不锈钢,Ti:,防止晶间腐蚀,固溶处理,A,138,铸铁,第一节 概 述,一、铸铁的成分和特性,铸铁是含有碳、硅等的铁碳合金。常用铸铁的成分大致为：,2.5-4.0,C,，,1.0,3.0,Si,0.5-1.4,Mn,，,0.01-0.5,P,0.02-0.20,S,。可见，与钢相比，铸铁含,C,，,Si,S,P,较多。此外，有时还含有,定量的合金元素，如,Cr,、,Mo,、,V,、,Cu,、,A1,等。,139,铸铁的强度、塑性、韧性较钢为差，不能进行锻造，但它却具有优良的铸造性能，良好的减摩性、耐磨性、消震性和切削加工性，以及缺口敏感性低等,系列优点。再加上生产工艺及设备简单，价格低廉。因些，铸铁广泛应用于机械制造，冶金，石油化工，交通等工业部门。据统计，按重量百分比计算，在农业机械中铸铁件约占,40-60,；汽车、拖拉机中约占,50,70,；机床中约占,60-90,。,铸铁之所以具有这些特性，除了因为它具有接近共晶的成分、熔点低，流动性好、易于铸造外，还因为它的,C,、,Si,含量高，大部分的碳呈游离的石墨状态存在。,140,二、铸铁的石墨化,(,一,)Fe- Fe,3,C,与,Fe-C,双重相图,实践证明，含,C,、,Si,较高的铁水在缓冷时，可自液相中直接析出石墨，渗碳体在高温长时间的停留也能分解为铁的固溶体和石墨；这表明，渗碳体是,个亚稳定的相，石墨才是稳定相。因此，描述铁碳合金的结晶过程应有两个相图，,个是,Fe- Fe,3,C,相图；一个是,Fe-C(,石墨,),相图,把两者迭合在一起，即为,Fe,Fe,3,C,与,Fe-C(,石墨,),双重相图。 图中实线表示,Fe-Fe3C,相图，部分实线再加上虚线表示,Fe-C,相图。,141,石墨是碳的,种结晶形态，具有六方晶格，原子呈层状排列，同一层晶面上碳原子间距为,1.42A,，相互间呈共价键结合，结合力强。层与层之间的距离为,3,40A,，原子间呈分子键结合，结合力较弱。因此，石墨结晶形态常易发展为片状，强度、硬度、塑性极低，石墨的这些特性很大程度地影响着铸铁的性能。,142,(,二,),石墨化过程,石墨化过程是指铸铁中析出碳原子形成石墨的过程。可将石墨化过程分为：二个阶段。高于共析转变温度的石墨化过程叫石墨化第一阶段。它包括：从过共晶铁水中析出一次石墨，共晶转变中形成的共晶石墨； 从奥氏体中析出的二次石墨；由,次渗碳体和共晶渗碳体分解析出的石墨以及由于二次渗碳体分解而析出的石墨。低于共析转变温度的石墨化过程叫石墨化的第二阶段。它包括共析转变过程形成的石墨，共析渗碳体分解而形成的石墨以及由铁素体中析出的石墨。,143,三）影响铸铁石墨化的因素,因素较多，其中化学成分和冷却速度是影响石墨化的主要因素。,1,化学成分的影响,碳和硅都是强烈促进石墨化的元素碳和硅都是强烈促进石墨化的元素；磷也是促进石墨化的元素，但其作用较弱；硫是强烈阻碍石墨化的元素,2,冷却速度的影响,冷却速度快，铸铁容易产生白口铸铁组织；,冷却速度慢，碳原子扩散充分，有利于石墨化过程充分进行，铸铁容易获得灰口铸铁组织。,144,三、铸铁的分类,根据铸铁在结晶过程中石墨化程度的不同，铸铁可分为三大类。,(,一,),灰口铸铁,这类铸铁第一阶段石墨化得到充分进行，绝大部分的碳都以石墨的形态存在，以,Fe,3,C,形式 在的碳量不大于,0.68,，其断口呈暗灰色，工业上所用的铸铁绝大部分是属于这类铸铁。,(,二,),白口铸铁,这类铸铁的石墨化过程全部被抑制，完全按照,Fe,Fe,3,C,相图进行结晶，其断口呈银白色，性硬脆，不易加工，直接铸成机械零件使用的很少。,145,(,三,),麻口铸铁,这类铸铁第一阶段石墨化得到部分进行，第二阶段石墨化未能进行，其组织介于上述二者之间，具有较大的硬脆性，工业上也很少应用。,146,灰口铸铁的性能除与成分及基体组织有关外，还取决于石墨的形状、大小、数量与分布。因,此，灰口铸铁又可按石墨的形状来分类：,1,、灰铸铁 此类铸铁中石墨呈片状，这类铸铁的机械性能不太高，但生产工艺简单，价廉，在工业上得到广泛的应用。,2,、可锻铸铁 此类铸铁中石墨呈团絮状，其机械性能较高，但生产周期长，成本高，用来制造一些重要的小件。,3,、球墨铸铁 此类铸铁中石墨呈球状，机械性能高，生产工艺比可锻铸铁简单，近年来日益得到广泛的应用，已成功地代替了部分碳钢和合金钢制造某些重要零件。,147,第二节 常用铸铁,一、灰铸铁,(,一,),灰铸铁的成分，组织、性能和用途,（,1,）化学成分,灰铸铁的化学成分一般为：,w,C=2.5%,4,0%,，,w,Si=1.0%,2,5%,，,w,Mn=O,5%,1.4%,，,w,SO.15%,，,w,P0.3%,。,(2),组织,由于石墨化程度的不同，灰铸铁的组织特点是具有片状石墨，其基体则分为三种：,铁素体,(F)+,片状石墨,(G),软而强度低；,铁素体,(F),珠光体,(P)+,片状石墨,(G),；其性能介于二者之间。,珠光体,(P)+,片状石墨,(G),。强度，硬度较高，,148,（）性能,灰铸铁的组织可看做是钢的基体加片状石墨。因石墨的强度极低，故可把石墨片看作是一些微裂纹，把灰铸铁看做是含有许多微裂纹的钢。裂纹分割了金属基体，而且在尖端处还会产生应力集中，所以灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性不如钢。石墨片的量愈多，尺寸愈大，其影响也愈大，但石墨片的存在，对灰铸铁的抗压强度影响不大。,149,由于灰铸铁在凝固冷却过程中析出比容较大的石墨，从而使灰铸铁的收缩率减小；由于石墨片分割了金属基体，从而使灰铸铁的切屑容易脆断，使灰铸铁的切削加工性良好； 由于石墨本身的润滑作用，以及当它从基体中掉落后所遗留下的孔洞具有存油的作用，故使灰铸铁有优良的减摩性；由于石墨组织松软，能吸收振动，使灰铸铁具有良好的消振性；又由于石墨片本身相当于许多裂纹，使灰铸铁具有低的缺口敏感性。,150,综合上述,力学性能,石墨虽然降低了灰铸铁的力学性能，但却使灰铸铁获得了许多钢所不及的优良性能,优良的性能：,良好的铸造性能,良好的减震性,较低的缺口敏感性,良好的切削加工性,良好的减摩性,良好的抗压性能,151,由于灰铸铁具有以上一系列的特点，故被广泛地用来制造各种承受压力和要求消振性好的床身、机架、箱体、壳体和经受摩擦的导轨、缸体、活塞环等。,按,GB9439,88,规定，灰铸铁有六个牌号：,HTl00,、,HTl50,、,HT200,、,HT250,、,HT300,和,HT350,。,HT,表示,“,灰铁,”,汉语拼音的字首，后续数字表示最低抗拉强度,(MPa),的值。,152,类 别,牌号,用 途 举 例,铁素体,灰铸铁,HTl00,低载荷和不重要零件，如盖、外罩、手轮、支架等,铁索体,珠光体灰铸铁,HT150,承受中等应力的零件，如底座、床身、工作台、阀体、管路附件及一般工作条件要求的零件,珠光体,灰铸铁,HT200,承受较大应力和较重要的零件，如汽缸体、齿轮、机座、床身、活塞、齿轮箱、油缸等,HT250,孕育铸铁,HT300,床身导轨，车床、冲床等受力较大的床身、机座、主轴箱、卡盘、齿轮等，高压油缸、泵体、阀体、衬套、凸轮，大型发动机的曲轴、汽缸体、汽缸盖等,HT350,153,(,二,),灰铸铁的热处理,由于热处理只能改变灰铸铁的基体组织，而不能改变石墨片的形态，故利用热处理来提高灰铸铁的机械性能的效果不大，灰铸铁常用的热处理方法有：,154,1,，消除内应力的退火,铸件在冷却过程中，因各部分的冷却速度不同，会在铸件内产生很大的内应力，有时甚至变形开裂， 而且在随后的切削加工之后还会因应力的重新分布而引起变形所以凡大型或复杂的铸件，或精度要求较高的铸件，在切削加工之前，通常要进行,次消除内应力的退火，有时甚至在粗加工之后还要进行,次去应力退火。去应力退火的方法是将铸件缓慢升温至,500,600,，经,4,8h,的保温，再缓慢冷却下来。由于是在共析温度以下进行的退火，故也叫低温退火。经过低温退火，可消除,90,以上的内应力。,155,2,改善切削加工性的退火,铸件的表面、转角处或是薄壁处，由于冷速较快， 常不免会出现白口组织，致使切削加工，难以进行。为了降低硬度，必须进行高温退火。方法是将铸件加热到,850,900,，保持,2,5h,，使,Fe3C,分解，然后随炉缓冷至,400,500,，而后出炉空冷。,3,表面淬火,有些铸件，如机床导轨的表面，气缸的内壁，需要有较高的硬度和耐磨性，常需表面淬火。,156,二 可锻铸铁,可锻铸铁俗称玛钢、马铁。蠕墨铸铁的生产过程是：首先浇注成白口铸铁件，然后经可锻化退火（可锻化退火使渗碳体分解为团絮状石墨）而获得可锻铸铁件。,157,1,可锻铸铁的化学成分、组织和性能,1,）可锻铸铁的化学成分是,:,w,C=2.2%,2.8%,，,w,Si=1.0%,1.8%,，,w,Mn=0.3%,0.8%,，,w,S0.2%,，,w,P0.1%,。可锻铸铁的生产，首先是浇铸成白口铁铸件，然后进行石墨化退火。为此，必须使铸铁的成分有较低的碳、硅含量，保证在通常的冷却条件下铸件能获得全部白口，但碳、硅含量也不能太低，否则将使退火时间大大延长，增加生产成本,2,）可锻铸铁的组织有二种类型：,铁素体,(F)+,团絮状状石墨,(G),；珠光体,(P)+,团絮状石墨,(G),。,158,3),性能,由于可锻铸铁中的石墨呈团絮状，对基体的割裂作用较小，因此它的力学性能比灰铸铁高，塑性和韧性好，但可锻铸铁并不能进行锻压加工。可锻铸铁的基体组织不同，其性能也不一样，其中黑心可锻铸铁具有较高的塑性和韧性，而珠光体可锻铸铁具有较高的强度、硬度和耐磨