7.5-特殊性能钢学习

1、2021/2/61 7.5 特殊性能钢 具有特殊的物理化学性能并可在特殊环境下工作 的钢,如不锈钢、耐热钢、耐磨钢和低温用钢等 1. 不锈钢的使用条件及材料设计原则 主要作用和使用条件 在腐蚀性介质中 保持稳定 腐蚀速度极慢 主要失效形式 7.5.1 不锈钢 电化学腐蚀 氧化腐蚀；应力腐蚀 原电池作用 2021/2/62 2021/2/63 不锈钢的材料设计原则 v尽量获得单相均匀组织 v提高金属基体腐蚀电位 v形成表面防护膜 Fe+9%NiA(单相) 降低碳含量 Fe+(x/8)Cr 电位阶梯式升高 Cr, Si, Al在表面形成 致密钝化膜 不锈钢主要的成分特点: o低碳含量 o含有Cr,

2、Ni等合金元素 o含有Al、Si、Ti、Nd等 合金元素 加入Ti、Nb的作用是什么？ 2021/2/64 2.不锈钢的分类及常用不锈钢 1)不锈钢分类:按供应态（正火）组织分 马氏体型不锈钢(Cr13型) 铁素体型不锈钢(Cr17、Cr25型） 奥氏体型不锈钢(18-8型) 双相不锈钢 沉淀硬化型不锈钢 2） 马氏体不锈钢: 马氏体型不锈钢成分特点: v含碳0.10.4% v含铬1218% v其它元素Mo、V、Si、Cu等 说明各元素及其 含量变化对材料 性能影响？ 2021/2/65 2） 马氏体不锈钢: 马氏体型不锈钢性能特点: v含碳量较高,力学性能好 v热加工性能好 v切削加工性好

3、v耐蚀性随含碳量升高而降低 常用马氏体不锈钢:1Cr13, 2Cr13, 3Cr13, 9Cr18, 1Cr17Ni2 v1Cr13, 2Cr13优良的抗大气、蒸汽介质腐蚀，耐蚀结构 钢。用于制作汽轮机叶片、热烈设备配件、锅炉附件等 热处理：淬火+高温回火(S回)，注意回火脆 v3Cr13, 4Cr13耐蚀性下降，但力学性能好。用于制作不 锈钢工具，如医疗器械、刃具、热油泵轴等 热处理：淬火+低温回火(M回)(HRC50) 2021/2/66 3）铁素体型不锈钢 铁素体型不锈钢的成分特点 v含碳小于0.15% v含铬1730% v其它元素Mo、V、Ti等 铁素体型不锈钢的性能特点 v耐蚀性较马

4、氏体不锈钢好 v单相铁素体,无相变强化 v塑性、可焊性好 v有金属间化合物引起的高温脆性 常用铁素体型 不锈钢: v1Cr17, 1Cr17Ti, 1Cr28, 1Cr25Ti, 1Cr17Mo2Ti等 v主要用于对力学性 能要求不高、但耐 蚀性要求高的环境 下,如化工生产结 构件 试说明如何提高铁素体型不锈钢的力学性能？ 2021/2/67 4）奥氏体型不锈钢(18-8型) 奥氏体型不锈钢的成分特点 v含碳小于0.1% v含铬18%, 含镍811% v其它元素Mo、Nb、Ti等 奥氏体型不锈钢的性能特点 v耐蚀性优秀 v单相奥氏体,但有强加工硬化 v塑性、可焊性好 v有应力腐蚀倾向,注意加工

5、应力 常用奥氏体型 不锈钢: v1Cr18Ni9Ti, v0Cr18Ni9, 00Cr18Ni9等 v各类耐腐蚀环 境下结构件 2021/2/68 5）其他类型不锈钢 双相不锈钢:A+ (520%) 抗应力腐蚀性能更好 并具有更好的抗晶间腐蚀能力和抗热裂性能 0Cr21Ni5Ti, 1Cr18Mn10Ni5Mo3Si2 沉淀硬化型不锈钢: 解决奥氏体不锈钢强度不足,加工硬化引起的应 力腐蚀问题 加入Ni、Al、Ti、Nb形成金属间化合物 Ni3Al,Ni3Nb,强化A不锈钢但不影响其耐蚀性 用于高强高硬度且要求耐蚀性的条件下 2021/2/69 7.5.2 耐热钢 1. 耐热钢的工作条件和性能

6、要求 高温下使用 高温氧化环境使用 高温腐蚀环境使用 高温氧化，腐蚀 高温强度不足 钢的耐热性包括高温抗氧化性和高温强度两个方面 使用条件 主要失效形式 2021/2/610 1)高温抗氧化性: 材料的抗氧化性不是指其不氧化，而是指其能很 快在表面形成致密氧化膜，使材料不再继续氧化 主要合金化元素：Cr，Si，Al 2）高温强度: 又称热强性，钢在 高温下抵抗塑性变 形和破断的能力。 通常以蠕变极限和 持久强度表示 强化方式： v固溶强化 v晶界强化 v弥散强化 2021/2/611 蠕变极限:在一定温度下,一定时间内产生 一定变形的应力(一定温度下引起一定形变 速度的应力), T%/hour

7、 -长效性能长效性能 一定温度下一定温度下,一定时间内在恒定应力下产生的一定时间内在恒定应力下产生的 最大蠕变量（最大蠕变量（变形设计变形设计） 持久强度:一定温度下,经过一定时间引起 材料断裂的应力,T -短短(瞬瞬)时性能时性能 2021/2/612 2.常用耐热钢 分类:按组织分类 珠光体型耐热钢：16Mo, 15CrMo, 12CrMoV v使用温度：250550 C v主要应用：锅炉、压力容器、热交换器和气阀等耐热件 马氏体型耐热钢：1Cr13, 2Cr13, 4Cr9Si2, 4Cr10Si2Mo v使用温度：550600 C v主要应用：叶片、阀门 奥氏体型耐热钢：使用温度600

8、700 C v固溶强化型18-8不锈钢：加热管，排气管； v沉淀硬化型耐热钢：4Cr13Ni8Mn8MoVNb(GH36)，增压 涡轮，叶片材料和高温紧固件 v金属间化合物强化耐热钢： 0Cr15Ni26MoTi2AlVB(GH132) 2021/2/613 7.5.3 其他特殊钢 1.耐磨钢:专指在强烈冲击载荷或高压条件下发生表面硬化 而具有高耐磨性的高锰钢。 材料：ZGMn13。含碳0.81.4%，含Mn1114% v铸态组织：A+碳化物(Fe,Mn)3C v热处理：水韧处理固溶A体化(1100C)，水淬 组织：A；硬度：HB190-220；韧性很高 v应用：材料被强烈冲击或摩擦时，A产生

9、强烈的加工 硬化，并在表面诱发生成形变马氏体，表面硬度急剧升 值HB500550。 注意：一般机器零件的工作条件，耐磨钢的耐磨性不及 渗碳钢和其它高硬度钢材。 高锰钢水韧处理后不能进行回火处理，否则钢材会脆化 2021/2/614 2. 耐寒钢:一般指用于制造、储运液化气体用设备的钢材,也 可用于航天真空工业。 性能要求:足够的低温强度、低温韧性,可焊性和耐蚀性 v奥氏体型低温用钢:18-8型不锈钢（-200 C) v铁素体型钢:主要适用于地球环境下的寒冷地带结构材 料。16MnRE, 09Mn2VRE, 09MnTiCuRE 主要耐寒钢: 说明耐寒钢耐寒钢的成分设计原则。 v低碳马氏体型低温

10、用钢:1Ni9（-196 C) 2021/2/615 7.6 铸铁 7.6.1 概述 铸铁:含碳量大于2.11%的Fe-C基合金。 主要特征: vC2.54%, Si13%, Mn0.51.4%, P0.010.5%, S0.020.2% v工艺性能好，铸造性能、切削价共性能优良 v生产工艺简单，成本低廉 v耐磨减摩性好，缺口敏感性低。机械性能较好 主要应用及分类: v按碳在铸铁中的存在形式及石墨形态分类： v铸铁主要应用： 白口铁、灰口铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁 机床构件、内燃机气缸和活塞等，农用机械等 2021/2/616 7.6.2 铸铁的石墨化 实用铸铁中的碳大部分或全部以石墨的

11、形式存在 v碳全部以碳化物的形式存在的白口铁没有实用价值。 因此碳的石墨化就十分重要了! 1. 铁-碳双重相图: 2021/2/617 2.铸铁的石墨化过程 按温度石墨化过程可分为两个阶段: 完全石墨化组织:F + G 共晶转变石墨初生(一次)石墨 Fe3CI, Fe3CE, Fe3CII分 解石墨 Fe3Cs, Fe3CIII分 解石墨 第一阶 段石墨 化 第二阶 段石墨 化 非完全石墨化组织:(F + P) + G或P + G 2021/2/618 3.影响石墨化的因素 1)化学成分: v促进石墨化元素 v阻碍石墨化元素 2）冷却速率: v冷却速率小，过冷度小，利于石墨化过程 v冷却速率大

12、，过冷度大，利于碳化物形成过程 v冷却速率由铸模类型、浇铸温度、铸件壁厚和尺寸等决定 常存元素C、Si、P 合金元素Co, Cu, Ni, Al 常存元素S、Mn 合金元素:所有碳化物形 成元素及Mg、Ce、B等 2021/2/619 2021/2/620 7.6.3常用普通铸铁 1.灰口铸铁 性能特点:(与普通钢材相比） 机械性能低:片状石墨的片状特征决定的 v石墨 = 20MPa,HB = 35, = 0 优异的耐磨性和消震性 工艺性能好 成份特点:2.54.0%C, 13%Si, 0.251%Mn, 0.020.2%S, 0.050.5%P 组织特征:片状石墨 + 钢基体钢基体 根据石墨

13、化程度的不同，钢基体可为F，F + P，P 灰铁牌号:HT200 2021/2/621 2021/2/622 2021/2/623 灰口铁的热处理:可以改变钢基体的组织结构,但不 能改变石墨的形态和分布 去应力退火:保证尺寸稳定和防止变形开裂 消除白口退火:加热至第一阶段石墨化温度 （800950C） 表面淬火:增加表面的硬度和耐磨性 2021/2/624 2.可锻铸铁 性能特点:(与普通钢材相比） 机械性能:较灰铁大大提高,团絮状石墨应力敏感性小 优异的耐磨性和消震性 工艺性能好 成份特点:2.42.7%C, 1.41.8%Si, 0.50.7%Mn, 0.025%S, 0.008%P。另应

14、加入B、Al、Bi等孕育剂,促进石墨化 组织特征:团絮状石墨 + 钢基体钢基体 根据石墨化程度的不同,钢基体可为F,F + P,P 可铁牌号:KTH300-06; KTZ700-02 可铁热处理:可铁石墨化都是在固态下完成的 石墨化工艺:三阶段石墨化退火 2021/2/625 2021/2/626 3. 球墨铸铁 性能特点:(与普通钢材相比） 机械性能:较可铁又大大提高,球状石墨应力敏感性进一步 小。性能接近于某些钢材 保持灰铁好的耐磨,消震性较灰铁降低较多 工艺性能好。还可进行强化热处理! 成份特点:3.84.0%C, 2.02.8%Si, 0.60.8%Mn, 0.04%S, 0.01%P

15、。常用Mg、RE及稀土镁作为铸铁孕育剂 组织特征:球状石墨 + 钢基体钢基体 根据石墨化程度的不同，钢基体可为F，F + P，P 球铁牌号：QT420-10 球铁热处理：球铁的性能是由相应钢基体性能决定的 石墨化退火工艺；去应力退火工艺 钢基体的热处理：正火、淬火回火、等温及表面淬火 2021/2/627 2021/2/628 4.蠕墨铸铁 性能特点: 机械性能:与球铁类似 保持灰铁好的耐磨,消震性 与灰铁类似 工艺性能好。可进行强化 热处理! 成份特点:3.53.9%C, 2.12.8%Si, 0.40.8%Mn, 0.1%S, 0.1%P。常用稀土硅铁、稀土硅铁钙及稀土镁等作为蠕化剂 组织

16、特征:蠕虫状石墨（长径比210） + 钢基体钢基体 蠕铁牌号：RT420-10 蠕铁热处理：蠕铁热处理 与球铁类似 钢基体可为F，F + P， P 蠕虫石墨与球状石墨共存 2021/2/629 第七章 钢铁材料 7.1 概述 钢材分类 钢材牌号 7.2 普通结构钢 普通碳素钢 普通低合金高强度钢 7.3 优质结构钢 渗碳钢 调质钢 弹簧钢 轴承钢 7.4 工具钢 刃具钢 模具钢 量具钢 7.5 特殊性能钢 不锈钢 耐热钢 其他特殊钢 7.6 铸铁 概述 铸铁的石墨化 常用普通铸铁 2021/2/630 第七章 总结 了解钢铁材料的分类,熟悉钢材牌号熟悉钢材牌号 熟悉常用钢铁材料常用钢铁材料的成分、组织结构与其工程成分、组织结构与其工程 使用性能间的关系使用性能间的关系 熟悉不同材料加工工艺（尤其热处理工艺）与不