第三节 特殊性能钢及合金

1、第三节第三节 特殊性能钢及合金特殊性能钢及合金 特殊性能钢是指不锈钢、耐热钢、耐磨钢等特殊性能钢是指不锈钢、耐热钢、耐磨钢等具有特殊物理、化学和力学性能的钢。具有特殊物理、化学和力学性能的钢。一、一、 不锈钢不锈钢二、二、 耐热钢耐热钢三、三、 耐磨钢耐磨钢四、四、 硬质合金硬质合金五、五、 其它新型合金其它新型合金一、不锈钢一、不锈钢2. 防止金属腐蚀的措施：防止金属腐蚀的措施： 形成保护膜形成保护膜如形成致密的如形成致密的Al2O3、Cr2O3薄膜薄膜 使金属呈单相组织，避免形成原电池使金属呈单相组织，避免形成原电池不锈钢不锈钢 提高基体电极电位，减小电极电位差提高基体电极电位，减小电极电

2、位差钢中加钢中加 入入13Cr，F的电极电位由的电极电位由-0.56V提高至提高至0.2V。（一）概述（一）概述1. 金属的腐蚀形式：金属的腐蚀形式： 化学腐蚀化学腐蚀 金属和周围介质直接发生化学作金属和周围介质直接发生化学作用。如金属加热时生成的氧化皮等。用。如金属加热时生成的氧化皮等。 电化学腐蚀电化学腐蚀金属在电解质中由于原电池作金属在电解质中由于原电池作用而引起的腐蚀。如金相试样制备过程中的化学浸用而引起的腐蚀。如金相试样制备过程中的化学浸蚀过程。蚀过程。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是指某些在大气和一般介质中具有较高化学稳定性的钢。稳定性的钢。 补充资料补充资料

3、1 形成保护膜形成保护膜形成单相组织形成单相组织王水（浓硝酸与浓盐王水（浓硝酸与浓盐酸比为酸比为1：3） Cr：提高抗蚀能力的基本元素、能在钢表面形提高抗蚀能力的基本元素、能在钢表面形 成一层保护性的成一层保护性的Cr2O3薄膜；提高钢基体薄膜；提高钢基体 的电极电位；形成单相的铁素体组织。的电极电位；形成单相的铁素体组织。Ni：使钢呈单相奥氏体组织，提高钢的塑性使钢呈单相奥氏体组织，提高钢的塑性 和韧性，改善钢的焊接性能和韧性，改善钢的焊接性能Cu和和Mo：提高钢的耐腐蚀作用提高钢的耐腐蚀作用C： 对提高钢的抗腐蚀作用不利，但能提高对提高钢的抗腐蚀作用不利，但能提高 钢的强度和硬度钢的强度和

4、硬度3. 不锈钢所含元素及作用：不锈钢所含元素及作用：性能：性能：具有较高的强度、硬度、耐磨性。应用于具有较高的强度、硬度、耐磨性。应用于 要求力学性能要求较高，抗蚀性能一般的要求力学性能要求较高，抗蚀性能一般的 零件。如弹簧、轴、水压机阀、汽轮机叶零件。如弹簧、轴、水压机阀、汽轮机叶 片、轴承、刃具等。片、轴承、刃具等。按室温组织分为：按室温组织分为：M不锈钢、不锈钢、F不锈钢、不锈钢、 A不锈钢等不锈钢等 （二）不锈钢的种类与特点二）不锈钢的种类与特点 常用的马氏体不锈钢：常用的马氏体不锈钢：1Cr13、 2Cr13、3Cr13、 4Cr13、9Cr181.马氏体不锈钢马氏体不锈钢成分：成

5、分：含较高的含较高的Cr、较高的、较高的C WCr12%18%， WC0.1%0.45%热处理：热处理：1Cr13、2Cr13 淬火淬火+高温回火高温回火 S回回 3Cr13、4Cr13 淬火淬火+低温回火低温回火 M回回10001100油油淬淬200300 500790 用途：用途：1Cr13、2Cr13等钢等钢 在力学性能上与调质钢在力学性能上与调质钢相似，主要用作在腐蚀介质中受冲击载荷的汽轮机相似，主要用作在腐蚀介质中受冲击载荷的汽轮机叶片、锅炉管附件、水压机阀等。叶片、锅炉管附件、水压机阀等。温温度度时间时间 3Cr13、4Cr13 等钢等钢常用于弱腐蚀条件下常用于弱腐蚀条件下工作且要

6、求高硬度的工作且要求高硬度的医疗器械、弹簧、刃医疗器械、弹簧、刃具、热油泵轴等。具、热油泵轴等。2.铁素体不锈钢铁素体不锈钢成分及性能：成分及性能：含含Cr较高较高(1232% ) 含含C较低较低(0.15%) 耐蚀、抗高温氧化能力优于耐蚀、抗高温氧化能力优于M不锈钢不锈钢常用的钢号：常用的钢号： 1Cr17、1Cr25、1Cr28、 0Cr17Ti、 1Cr25Ti成分：成分： WCr17 19%、WNi8 11%性能：性能：具有良好的韧性、塑性、焊接性、抗腐具有良好的韧性、塑性、焊接性、抗腐 蚀性能蚀性能3.奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢用途：用途：强度要求不高，耐蚀性较高的场合，如硝酸、强度要

7、求不高，耐蚀性较高的场合，如硝酸、氮肥工业设备、容器、管道和食品工厂设备等。氮肥工业设备、容器、管道和食品工厂设备等。奥氏体不锈钢的晶间腐蚀及其防止奥氏体不锈钢的晶间腐蚀及其防止晶间腐蚀：晶间腐蚀：奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢500-700保温时，晶界保温时，晶界处析出碳化物处析出碳化物(Cr23C6)使晶界附近使晶界附近Cr含量降低，使含量降低，使晶界容易引起腐蚀。晶界容易引起腐蚀。（3）热处理消除晶间腐蚀倾向：热处理消除晶间腐蚀倾向：850900保温保温 23小时，空冷小时，空冷防止晶间腐蚀的方法：防止晶间腐蚀的方法：（1） 降低降低C 含量含量 WC0.06%以下，使钢不易形成以下，使钢不易

8、形成 Cr23C6，但其强度较低。，但其强度较低。0Cr18Ni9（2） 加入强碳化物形成元素加入强碳化物形成元素Ti或或Nb ，使形成，使形成 TiC或或NbC ，而不形成，而不形成Cr23C6。1Cr18Ni9Ti常用不锈钢的成分、牌号、热处理及性能特点常用不锈钢的成分、牌号、热处理及性能特点 见表见表6-18（P168-169）c)a)b)不锈钢的原始组织不锈钢的原始组织 补充资料补充资料 2 1Cr18Ni9Ti304316L1Cr18Ni9Ti316L在在30%硫酸溶液中硫酸溶液中宏观腐蚀照片宏观腐蚀照片 在在10%硫酸溶液中硫酸溶液中宏观腐蚀照片宏观腐蚀照片 a)1Cr18Ni9T

9、i304b)c)在含在含5% FeCl3的的10%硫酸溶液中宏观腐蚀照片硫酸溶液中宏观腐蚀照片 a)b)c)在在30%硫酸溶液中微观腐蚀形貌硫酸溶液中微观腐蚀形貌 二、二、 耐热钢耐热钢 金属材料的耐热性包含金属材料的耐热性包含高温抗氧化性高温抗氧化性和和高温强度高温强度 耐热钢是指具有良好的高温抗氧化性和高温强度的钢。耐热钢是指具有良好的高温抗氧化性和高温强度的钢。（一）金属耐热性的基本概念（一）金属耐热性的基本概念金属的高温抗氧化性金属的高温抗氧化性 是指钢在高温条件下对氧化作用是指钢在高温条件下对氧化作用 的抗力，是钢能否持久地工作在的抗力，是钢能否持久地工作在 高温下的重要保证条件。高

10、温下的重要保证条件。金属的高温强度金属的高温强度 是指金属材料在高温下对机械载荷是指金属材料在高温下对机械载荷 作用的抗力，即高温下金属材料抵作用的抗力，即高温下金属材料抵 抗塑性变形和破坏的能力。抗塑性变形和破坏的能力。1.）马氏体型耐热钢）马氏体型耐热钢 主要含主要含Cr、Mo、Si等元素。等元素。热处理：热处理：淬火回火，淬火回火，组织为：组织为：M回回或或S回回Cr13 + W、 Mo(强化基体的合金元素）强化基体的合金元素） + V、Ti、Nb(强碳化物形成元素）强碳化物形成元素）牌号：牌号：4Cr9Si2 4Cr10SiMo 1Cr13 1Cr11MoV（二）常用耐热钢（二）常用耐

11、热钢根据成分、性能和用途耐热钢分为根据成分、性能和用途耐热钢分为抗氧化钢抗氧化钢和和热强钢热强钢1、抗氧化钢、抗氧化钢 在在Cr钢、钢、Ni钢、钢、CrMnN钢基础上添加钢基础上添加Si、Al、稀土元素等形成的钢。、稀土元素等形成的钢。如如3Cr18Mn12SiN、2Cr20MN9Ni2Si2N、3Cr18Ni25Si2等。常用于工作温等。常用于工作温度达度达1000的零件，如加热炉受热零件、锅炉吊钩等的零件，如加热炉受热零件、锅炉吊钩等2、热强钢、热强钢常用于常用于600以下承受较大载荷的汽轮机叶片、增压器叶片等以下承受较大载荷的汽轮机叶片、增压器叶片等2）奥氏体型耐热钢）奥氏体型耐热钢 高

12、温抗蚀性能、抗氧化性能比马氏体型耐热钢好；高温抗蚀性能、抗氧化性能比马氏体型耐热钢好；还具有良好的塑性变形性能和焊接性能，但切削加工还具有良好的塑性变形性能和焊接性能，但切削加工性能不好。性能不好。 1Cr18Ni9Ti 4Cr14Ni14W2Mo等钢等钢常用作内燃机常用作内燃机排气阀、燃气轮机轮盘和叶片等。排气阀、燃气轮机轮盘和叶片等。根据工作温度选材的原则：根据工作温度选材的原则： 300选普通结构钢选普通结构钢；300600 选马氏体型耐热钢选马氏体型耐热钢；600800 选奥氏体型耐热钢选奥氏体型耐热钢；8001000 选镍基合金选镍基合金1000以上选用钼基合金和金属陶瓷以上选用钼基

13、合金和金属陶瓷。 含碳量较低，合金元素总量含碳量较低，合金元素总量35。如。如12CRMoV 、15CrMo等钢，常用于等钢，常用于600以下的高、中压蒸汽锅炉的以下的高、中压蒸汽锅炉的锅炉管、过滤器等。锅炉管、过滤器等。3）珠光体型耐热钢）珠光体型耐热钢炉用加热元件炉用加热元件耐热钢管耐热钢管耐热料盘耐热料盘燃烧器喷嘴燃烧器喷嘴三、耐磨钢三、耐磨钢 主要指在冲击载荷作用下发生加工硬化的主要指在冲击载荷作用下发生加工硬化的高锰高锰钢钢，主要应用于使用过程中经受强烈冲击和严重磨，主要应用于使用过程中经受强烈冲击和严重磨损的零件。损的零件。 这种钢机加工比较困难，基本上都是铸造成型这种钢机加工比较

14、困难，基本上都是铸造成型的，牌号为的，牌号为ZGMn13（一）化学成分（一）化学成分 WC1.01.3% WMn11.0%14.0% 由于冷速很快，碳化物来不及析出，得到单相由于冷速很快，碳化物来不及析出，得到单相奥氏体组织，此时钢的奥氏体组织，此时钢的硬度很低硬度很低(180220HBS)，而，而塑性、韧性很高。塑性、韧性很高。当受到强烈冲击载荷和较大压力当受到强烈冲击载荷和较大压力时，表面产生时，表面产生加工硬化加工硬化并伴随有相变并伴随有相变AM，使钢，使钢的硬度升高到的硬度升高到500550HBS，故耐磨性增加。，故耐磨性增加。 高锰钢水韧处理后高锰钢水韧处理后不再回火不再回火（否则碳

15、化物会重（否则碳化物会重新沿晶界析出）。新沿晶界析出）。水韧处理：水韧处理：将铸造后的高锰钢加热到将铸造后的高锰钢加热到10001100 ，并保持一定时间，使碳化物完全溶入奥氏体中，然并保持一定时间，使碳化物完全溶入奥氏体中，然后水中冷却。后水中冷却。（二）热处理（二）热处理水韧处理水韧处理 在在12901350直接浇注，随后冷却过程中，直接浇注，随后冷却过程中，大量的碳化物沿奥氏体晶界析出，使钢变脆。大量的碳化物沿奥氏体晶界析出，使钢变脆。应用应用高锰钢广泛应用于既要求耐磨又要求耐冲击的一些高锰钢广泛应用于既要求耐磨又要求耐冲击的一些零件：铁路道岔、挖掘机铲斗、拖拉机和坦克的履零件：铁路道岔

16、、挖掘机铲斗、拖拉机和坦克的履带板、碎石机的颚板、衬板等。带板、碎石机的颚板、衬板等。磨环与磨球磨环与磨球落煤管落煤管三叉管三叉管送粉管道耐磨弯头送粉管道耐磨弯头锥斗锥斗四、硬质合金四、硬质合金 硬质合金是将一些难熔的化合物粉末和粘结剂混合，硬质合金是将一些难熔的化合物粉末和粘结剂混合，加压成型，再经烧结而成的一种粉末冶金材料。加压成型，再经烧结而成的一种粉末冶金材料。硬度高、热硬性好、耐磨性优良。切削速度可比高硬度高、热硬性好、耐磨性优良。切削速度可比高速钢提高速钢提高47倍，刀具寿命可提高倍，刀具寿命可提高580倍。倍。（二）硬质合金的分类：（二）硬质合金的分类：1. 金属陶瓷硬质合金金属

17、陶瓷硬质合金 将难熔的金属碳化物粉末（如将难熔的金属碳化物粉末（如WC、TiC等等)与粘与粘结剂结剂Co混合后加压成型，再经烧结而成。混合后加压成型，再经烧结而成。（一）硬质合金的特点：（一）硬质合金的特点：金属陶瓷硬质合金金属陶瓷硬质合金 和钢结硬质合金和钢结硬质合金（1）钨钴类）钨钴类 ：YG3、 YG6、YG8等等（2）钨钴钛类）钨钴钛类 ：YT5、YT15、YT30等等应用：应用：目前金属陶瓷硬质合金被广泛用作切削刀目前金属陶瓷硬质合金被广泛用作切削刀具，此外可用来制造量具、模具等耐磨零件，还具，此外可用来制造量具、模具等耐磨零件，还用来制造凿岩机钎头和钻头等。用来制造凿岩机钎头和钻头

18、等。2.钢结硬质合金钢结硬质合金 钢结硬质合金是性能介于高速钢和硬质合金之钢结硬质合金是性能介于高速钢和硬质合金之间的新型工具材料，它是以一种或几种碳化物（如间的新型工具材料，它是以一种或几种碳化物（如TiC、WC等）为硬质相，以合金钢（如高速钢，铬等）为硬质相，以合金钢（如高速钢，铬钼钢等）粉末为粘结剂，经配料，混料，压制，和钼钢等）粉末为粘结剂，经配料，混料，压制，和烧结而成的粉末冶金材料。烧结而成的粉末冶金材料。特点特点退火后可进行一般的切削加工退火后可进行一般的切削加工淬火回火后有高的硬度和耐磨性淬火回火后有高的硬度和耐磨性可进行焊接后锻造可进行焊接后锻造有耐热、耐蚀、抗氧化等性能有耐

19、热、耐蚀、抗氧化等性能应用应用制造各种形状复杂的刀具、较高温度下工制造各种形状复杂的刀具、较高温度下工作的模具和耐磨零件。作的模具和耐磨零件。硬质合金钻头硬质合金钻头硬质合金刀片硬质合金刀片硬质合金冲压模具硬质合金冲压模具硬质合金拔丝模硬质合金拔丝模1 1蒸汽阀门的阀杆对力学性能要求较高，同时要求具蒸汽阀门的阀杆对力学性能要求较高，同时要求具有一定的耐腐蚀性，其合适的材料和热处理工艺是（有一定的耐腐蚀性，其合适的材料和热处理工艺是（ ） (a)1Cr18Ni9Ti(a)1Cr18Ni9Ti固溶处理固溶处理 (b)2Cr13(b)2Cr13淬火淬火+ +高温回火高温回火 (c)45(c)45钢调

20、质钢调质 (d)20CrMnTi(d)20CrMnTi渗碳渗碳2 2加工餐具用的钢板可以选用（加工餐具用的钢板可以选用（ ）(a)1Cr18Ni9Ti (b)1Cr13 (c)20(a)1Cr18Ni9Ti (b)1Cr13 (c)20钢钢 (d)(d)工业纯铁工业纯铁3 3长期在长期在700700温度下使用的构件，承受一定的应力温度下使用的构件，承受一定的应力作用，可选用的材料是（作用，可选用的材料是（ ）(a)45 (b)5CrMnMo (c)1Cr18Ni9Ti (d)42CrMo(a)45 (b)5CrMnMo (c)1Cr18Ni9Ti (d)42CrMo随堂思考题随堂思考题4拖拉机

21、履带板可以选用（拖拉机履带板可以选用（ ） (a)45 (b)ZGMn13 (c)ZG45 (d)CrWMn5用用W6Mo5Cr4V2高速钢制刀具加工不锈钢时寿命高速钢制刀具加工不锈钢时寿命比较短，换用材料（比较短，换用材料（ ）能提高刀具的寿命）能提高刀具的寿命 (a)42CrMo (b)W18Cr4V (c)40Cr (d)YG6X6要求强度高，同时要求耐腐蚀的零件可以选用（要求强度高，同时要求耐腐蚀的零件可以选用（ ） （a）Cr12MoV （b）42CrMo （c）4Cr13 （d）40Cr1 1不锈钢中都含有较高含量的不锈钢中都含有较高含量的CrCr元素，这是因为元素，这是因为 Cr

22、Cr与与O O2 2反应生成反应生成CrCr2 2O O3 3具有很高的耐磨性而防止具有很高的耐磨性而防止 了氧化磨损（了氧化磨损（ ）2 2因为耐磨钢（高锰钢）不经过淬火处理在室温因为耐磨钢（高锰钢）不经过淬火处理在室温 就可以得到马氏体组织，所以具有很高的耐磨就可以得到马氏体组织，所以具有很高的耐磨 性（性（ ）3 3奥氏体具有大的加工硬化能力，所以在室温是奥氏体具有大的加工硬化能力，所以在室温是 奥氏体的钢切削加工困难（奥氏体的钢切削加工困难（ ）4 4拔丝模用拔丝模用Cr12Cr12制造寿命比较短，改用硬质合金制造寿命比较短，改用硬质合金 能提高其寿命（能提高其寿命（ ）5 5在固溶体

23、基体上均匀分布一定量的第二相硬质在固溶体基体上均匀分布一定量的第二相硬质 点不仅能提高其强度和耐磨性，而且也能提高点不仅能提高其强度和耐磨性，而且也能提高 其耐蚀性（其耐蚀性（ ）6 6奥氏体不锈钢的价格比马氏体和铁素体的价格奥氏体不锈钢的价格比马氏体和铁素体的价格 低（低（ ）蒸汽阀门的阀杆对综合力学性能要求较高，蒸汽阀门的阀杆对综合力学性能要求较高，同时要求具有一定的耐腐蚀性同时要求具有一定的耐腐蚀性。（1）在）在1Cr18Ni9Ti、2Cr13、45和和20CrMnTi四种钢中选择一种合适的材料；四种钢中选择一种合适的材料；（2）画出最终热处理工艺曲线（注明温度）画出最终热处理工艺曲线（

24、注明温度范围）。范围）。 五、其它新型合金五、其它新型合金（一）非晶态合金（一）非晶态合金非晶态合金也称非晶态合金也称“金属玻璃金属玻璃”，它是由熔融态的合，它是由熔融态的合金以极高速度冷却，使其凝固后仍保持金以极高速度冷却，使其凝固后仍保持液态结构液态结构而而得到的。得到的。性能：性能：非晶态合金与金属相比，具有高的强度、硬非晶态合金与金属相比，具有高的强度、硬度和断裂韧性，良好的软磁性及耐蚀性等。度和断裂韧性，良好的软磁性及耐蚀性等。类型：类型：根据非晶态合金的原子排列模型可分为根据非晶态合金的原子排列模型可分为不连不连续型续型和和连续无规则网络型连续无规则网络型两种。两种。制取方法：制取

25、方法：1.由气相直接凝聚成非晶态固体由气相直接凝聚成非晶态固体 2.由液态快速冷却获得非晶固体由液态快速冷却获得非晶固体 3.由结晶材料通过辐射、离子注入、由结晶材料通过辐射、离子注入、 冲击波等方法制得非晶体材料。冲击波等方法制得非晶体材料。（二）纳米材料（二）纳米材料纳米材料是指尺寸在纳米材料是指尺寸在1100nm之间的超细微粒。之间的超细微粒。纳米材料三个效应纳米材料三个效应 1.小尺寸效应小尺寸效应 当超微粒子尺寸与光波波长相当或当超微粒子尺寸与光波波长相当或更小时，材料的声、光、电磁、热力学等特性均呈更小时，材料的声、光、电磁、热力学等特性均呈现尺寸效应。现尺寸效应。 2.表面与界面

26、效应表面与界面效应 随粒子直径减小，表面积急剧随粒子直径减小，表面积急剧增大，增加了纳米粒子的活性。增大，增加了纳米粒子的活性。 3.量子尺寸效应量子尺寸效应 该效应将导致纳米颗粒的磁、光、该效应将导致纳米颗粒的磁、光、声、热、电及超导电性与宏观物体显著不同。声、热、电及超导电性与宏观物体显著不同。 制备方法制备方法 惰性气体淀积法、还原法、化学气相沉惰性气体淀积法、还原法、化学气相沉积法。积法。（三）梯度材料（三）梯度材料 梯度材料是依据使用要求，选择两种不同性能的材梯度材料是依据使用要求，选择两种不同性能的材料，采用先进的材料复合技术，使中间部分的组成和料，采用先进的材料复合技术，使中间部分的组成和结构连续的呈结构连续的呈梯度变化梯度变化，内部不存在明显的，内部不存在明显的界面界面，从，从