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第五章金属材料主讲朱和国南京理工大学材料系,本章学习内容及其重点1、了解本章金属材料的产生背景2、了解金属材料的分类3、了解碳钢中的杂质元素的种类及其作用4、掌握碳钢、合金钢的分类及其牌号5、了解合金化原理（较难）6、掌握合金结构钢的种类、特点及其用途7、了解其它金属材料的性能特点及其用途,本章第一讲：学习内容及其重点1、了解本章金属材料的产生背景2、了解金属材料的分类3、了解碳钢中的杂质元素的种类及其作用4、掌握碳钢、合金钢的分类及其牌号5、作业：二、三、四（1，12，17）,一、金属材料背景,性能结构理想纯金属的结构实际纯金属的结构缺陷四种强化手段合金（典型代表是钢）研究手段是相图五种基本相图Fe-C平衡相图不改变成分时的强化即钢的热处理改变成分时的强化为合金化即合金钢钢及其它合金材料统称为金属材料,二、金属材料的分类,金属材料,黑色金属,有色金属,钢合金钢,铸铁合金铸铁,分类方法有很多，可见教科书或参考书,三、碳钢中的杂质元素及其作用1）炼铁还原法,原料（矿石）焦炭（还原剂）溶剂（石灰石）,高炉,生铁,高碳,高杂质,MnSiSPNHO,2）炼钢氧化法,生铁脱氧剂（Si铁、Mn铁）,炼钢炉,降碳（吹氧）、去氧、去杂质,钢,钢中的杂质元素:Mn、Si、S、P、O、N、H,四、杂质元素的作用：,1）Mn：脱氧剂:Mn+FeOFe+MnO溶于铁素体:强化F脱硫剂:Mn+SMnS(Tm=1620),2）Si：脱氧剂:Si+FeOFe+SiO2溶于铁素体：强化F,有益,有益,3）S：S+FeFeS共晶体（FeS+Fe）熔点985热加工时开裂热脆焊接时：S+O2SO2焊缝产生气孔,4）P：P+FeFe3P，偏析于晶界，低温下脆性增加冷脆,有害,有害,5）N：应变时效脆性；淬火时效大塑性冷变形金属放置或加热后FeN析出，脆性,有害,当钢中含有亲N元素Al、V、Ti、Nb时氮化物细化晶粒，提高韧性,有益,6、H：H脆呈白点，强度愈高，H脆倾向愈大,7、O：部分溶于F，大部分以氧化物形式存在，降低钢的强度、塑性、韧性和疲劳强度。,有害,注意：P，S在易切钢中是有益的元素；N在一定条件下也是有益的元素,钢液在浇铸前，根据脱氧程度的不同，钢液呈现出不同的状态，由此分为以下几种：,沸腾钢去氧不干净F镇静钢去氧干净Z半镇静钢去氧介于两者之间-bZ特殊镇静钢TZ,脱氧剂：Si铁、Mn铁、Al铁等,五、碳钢的牌号,碳钢,碳素结构钢,碳素工具钢,铸钢,普通碳素结构钢,优质碳素结构钢,Q,含碳万分之，公差为5,FAZBbZCTZDE,s,碳钢钢号举例普通碳素结构钢：Q215-A,Q235-Bb,优质碳素结构钢：20,45,60,65,70碳素工具钢：T8,T10,T12,T8A,T12A,铸钢：ZG200-400,ZG270-500,碳钢的不足：1）淬透性不高普通碳钢：最大淬透直径1020mm2）屈强比低，40钢为0.43，而35CrNi3Mo为0.743）回稳性差4）综合性能差5）特殊性能差为此，需向碳钢中添加合金元素改变成分合金钢,本章第二讲：主要内容及要求1、复习碳钢的编号、存在的不足、合金元素的种类等2、了解合金化原理（较难！）3、理解和掌握合金钢分类、编号4、了解合金结构钢的分类、编号、合金元素的作用、用途等5、作业：二、三、四（1，12，17）,5.2合金化原理一、常用合金元素：碳化物形成元素TiZrVNbWMoCrMnFe强中弱非碳化物形成元素Si、Co、Cu、Al、Ni、B,二、合金元素在钢中的存在方式,强碳化物元素直接形成稳定碳化物，如：TiC、ZrC、VC、NbC,中碳化物元素,形成碳化物：Cr23C6、Mo2C、W2C合金渗碳体：(CrFe)3C合金铁素体,弱碳化物元素,非碳化物元素合金铁素体,合金渗碳体(MnFe)3C合金铁素体,三、合金元素在钢中的作用1、对基本相的影响,Mn,2、对平衡相图的影响MnNiCoCNCuAES线左下移动E、S点左移1Cr18Ni9TiZMn130Cr18Ni9Ti,形成合金铁素体影响见图形成合金渗碳体其稳定性和硬度高于渗碳体,A钢,CrVMoWTiAlSiNbZrBF（A）ES线左上移E、S点左移,1Cr17Ti1Cr280Cr13,F钢,合金元素对共析温度的影响,合金元素对共析成分的影响,E、S点左移的后果：W18Cr4VC:0.70.8%Ld4Cr13C:0.4%P共析3Cr2W8VC:0.3%过共析了,3）对热处理的影响（1）对加热（A化）的影响Ni、Co促进，其它阻碍A化本质C原子的扩散,（2）对A晶粒的影响MnP促进A晶粒长大，其它阻碍晶粒长大本质Fe原子的扩散（3）对过冷A的影响AlCoA稳定性降低C曲线左移淬透性其它：强碳化物元素C曲线右移且变形中、弱、非碳化物元素C曲线右移,C曲线右移,淬透性,残余A,1Cr132Cr13,18Cr2NiMo18CrNi4W4,1Cr18Ni9TiZMn13-1,无B区,无P区,无M区,Ni元素对C=0.5%碳钢的TTT曲线的影响,Cr元素,Co元素,合金元素对淬透性的影响,（4）对回火的影响,a)提高回火稳定性Me阻碍M分解b)提高红硬性500600析出碳化物K弥散强化c)二次淬火A中的Me析出而Me含量降低，A的稳定性下降，较低温度下分解为回火M或F+碳化物d)回火脆性MoW能消除高回脆快速冷却也可注意：合金元素必须进入A形成合金A，才能形成合金M，才能有碳化物从M中析出，才能起作用。,合金钢的牌号,合金钢,合金结构钢,合金工具钢,特殊性能钢,工程用车、船、桥、建筑,机器用,渗碳C:0.25%调质C:0.250.5%弹簧C:0.50.7%滚动轴承C:1%左右易切Y,刀具量具模具,不锈耐热耐磨,Me,MeMe,MeMe,钢号举例,表5-1碳素结构钢的牌号及化学成分（GB700-88）,Q235-AZ42CrMo5CrMnMoT838CrMoAl5CrNiMoCr12T12ACr12MoV（冷挤）3Cr2W8V(热挤)ZG310-57065Mn特殊W18Cr4VZG15CrMn60Si2MnW6Mo5Cr4V2(0.80.9)GCr1500Cr18Ni5Mo3Si245GCr90Cr21Ni5Ti65GCr600Cr19Ni13Mo320CrGCr15SiMn18Cr2NiWA9SiCrW6Mo5Cr4V3(1.11.25),5.3合金结构钢,一、工程用低合金结构钢1）成分特点：低碳（0.2%）低合金（5%）2）合金元素：Mn主加元素，固溶强化F，降低AF+P转变温度，增加过冷度，细化晶粒，但一般60HRC）常用牌号：W18Cr4V(C=0.70.8%)，9W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2(C=0.80.9%),W6Mo5Cr4V3(C=1.101.25%),）W18Cr4V高速钢热处理工艺路线：,12701280,油冷,840870,560，2h,560，2h,560，2h,高速钢的三种类型：1）钨系：W18Cr4V（1841），脆性大，逐渐淘汰2）钨鉬系：W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)（C:0.80.9%）W6Mo5Cr4V3(6-5-4-3)（C:1.11.25%）脆性降低，韧性提高，但过热、脱碳倾向增大3）超硬系：W13Cr4V2Co8W6Mo5Cr4V2Al超硬，但脆性也最大。,2）模具钢,（一）冷模合金工具钢）性能要求：高硬度、高强度、高的耐磨性、高的疲劳强度和韧性，；热处理变形小。）成分特点：高C（1.0%2.0%）；Cr、Mo、W、V形成难熔碳化物，提高耐磨性。碳化物能极大提高钢的耐磨性，Cr提高淬透性。）常用钢号：9Mn2V,9SiCr,CrWMn,GCr15,Cr12,Cr12MoVW6Mo5Cr4V2(高速钢),冷模钢,热模钢,）典型：Cr12:热处理有两种：一次硬化和两次硬化一次硬化法：淬火低回(150180)二次硬化法：淬火510520多次回火，产生二次硬化组织：高碳回火马氏体碳化物残余A（二）热模钢）性能要求：高的硬度、高的热硬性和高温耐磨性、高的抗氧化性能、高的热强性和足够的韧性、高的热疲劳抗力、高的淬透性和导热性。）成分特点：中碳0.300.60%；Cr、Ni、Mn、Si提高淬透性，Cr与Ni一起提高回火稳定性。Ni增加韧性和耐热疲劳性能；Mo防止第二类回火脆性，提高高温强度和回稳性,）常见钢号：5CrMnMo，5CrNiMo，5Cr2W8V，4Cr5W2VSi）热处理：淬火高回）组织：回火索氏体3）量具钢）性能要求：高硬度(大于56HRC)和耐磨性及高的尺寸稳定性。良好的磨削加工性，使量具能达到小的表面粗糙度。形状复杂的量具还要求淬火变形小。）常用钢种：量具没有专门的钢种，碳素工具钢、合金工具钢和滚动轴承钢都可以制造量具。,）热处理特点：保证硬度的前提下，尽量降低淬火温度；淬火后进行7080冷处理，再低温回火处理；120130时效处理；磨削后还要进行120130时效处理，甚至多次。举例GCr15块规工艺路线:,88010,16010,140200,-70-80,120130,120130,4h,2h,2h,6h,特殊性能钢,分类,不锈钢耐热钢耐磨钢,一、不锈钢1、性能要求（1）良好的耐蚀性能（2）合适的力学性能（3）良好的工艺性能,2、成分特点：（1）C：低C（11.7%时，F电极电位从-0.56V+0.12V，低于该值提高不明显。Cr12、Cr12MoV含C量高，形成C化物，使基体含Cr量11.7%，故它们不是不锈钢2）形成钝化膜Cr、Al、Si在表面形成氧化模，Cr最有效，Mo、Cu可增强钝化3）单相化A化：MnNiCo等F化：CrVMoWTiNb等,3、常见类型,1）马氏体型：低中碳Cr13型：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13高碳Cr18型：9Cr18、9Cr18MOV可热处理强化、价低，但耐蚀性、焊接性、塑性加工能力均低2）铁素体型：C低，0Cr131Cr171Cr28不可热处理强化，硬度低、塑性好、焊接性好。使用状态：退火或正火态。热处理时（晶粒粗化脆性、相析出脆性475脆性）3）奥氏体型：低C高Cr高Ni0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti00Cr17Ni12Mo2、1Cr17Mn9等，强度低、Cr23C6析出，晶间贫Cr，晶间腐蚀倾向增大。加入Ti、Nb等形成TiC、NbC等，阻止形成Cr23C6，防止晶间腐蚀。,4）双相型：A-F1Cr21Ni5Ti、1Cr18Mn10Ni5MoN兼有A、F两者的特点5）沉淀硬化型:各类不锈钢中再加入硬化元素：Ti、Al、Mo、Nb、Cu等获得。0Cr17Ni4Nb0Cr17Ni7Al等。4、热处理特点：淬火回火用于M型不锈钢固溶热处理用于A型不锈钢,二、耐热钢1、性能要求（1）高的热化学稳定性（2）高的热强性：蠕变限、持久强度2、成分特点（1）提高抗氧化性元素（a）CrAlSi等常用（b）RE（Y、La等）微量加入，防止高温时晶界优先氧化。（c）表面渗金属元素Cr、Al、Si等(2)提高热强性（a）基体固溶强化元素:Cr、Ni、W、Mo等，固溶强化、形成单相组织、提高再结晶温度,（b）第二相沉淀强化元素：V、Ti、Nb、Al等，形成碳化物，或金属间化合物（Ni3Ti、Ni3Nb、Ni3Al），提高组织稳定性（c）晶间强化元素：RE和B等，可净化晶界，填充晶界空位等（d）形成单相元素：Ni、Mn、N等3、常见钢号及应用F型：又称Fe基型，包括P、M型两种A型：又称Fe基型P型：600；M型：700；A型：750800当工作温度高于750时，应考虑选用Ni基、Co基、Mo基以及陶瓷等耐热材料。4、热处理特点：主要有淬火、正火或固溶热处理100时效,三、耐磨钢1、高Mn钢ZGMn13-1,2,3,4A型钢应力诱发AM，表面应力变形产生M，而心部仍为A，韧性好。表面硬度达500HBW，表面层1020mm。ZGMn13-1C=1.01.5%Mn=1114%ZGMn13-2C=1.01.4%Mn=1114%ZGMn13-3C=1.01.3%Mn=1114%ZGMn13-4C=1.01.2%Mn=1114%改进型高锰钢：75Mn13、45Mn17Al3等,2、低合金耐磨钢Si-Mn合金结构钢：40SiMn2、65SiMnRE工具钢：Cr03、Cr063、石墨钢ZGSiMnMo(C:1.41.5%)组织：钢基体二次渗碳体点状石墨（Vol=0.20.4%）,
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