材料学浅谈(2014年第二周课件).

1、材料学浅谈材料学浅谈王俊龙王俊龙 问题 钢和铸铁谁的含碳量高？P12 12CrMoV是什么钢？使用温度上限多少？其中铬，钼，钒含量多少？p29常见的热处理有哪些？p44 化工厂学习材料学有什么用处？ 化工厂在生产过程中经常能见到高温，高压，强腐蚀性的介质。因此对设备，容器，管路的要求极高。哪怕一个垫片的材质选择出现错误都可能发生泄漏对人员安全造成严重威胁。因此化工一线人员，学习了解一定的材料学知识，不仅能让我们分析问题解决问题时多一个角度。也是对自己及他人安全的一种负责。材料学是一个庞大系统的学科体系，知识点极多，而我们应该了解些什么？ 我认为作为化工厂的一线员工，应该能对常用的材料做出辨识，

2、熟悉常用材料的牌号，成分，性能，用途，为正确的材料选用提供理论依据。 而金属晶相学，微观显微分析，以及材料成型原理及成型工艺等方面的内容只做大概了解就够了。本次主要介绍的是金属材料中铁碳合金的常见类型，牌号，用途，以及部分选型的细节。以及简单的讲解热处理的常见类型及目的。要了解材料首先要了解材料的性质 材料的性能材料的性能： 使用性能：机械性能（刚度、弹性、强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性） 工艺性能：热处理性能、铸造性能、锻造性能、机械加工性能等。金属材料的基础铁碳合金一一. 铁碳合金分类铁碳合金分类（一）（一）工业纯铁工业纯铁: C 0.0218（二）（二）钢钢: 含含C为为

3、0.02182.11 1. 共析钢共析钢 C0.77 2. 亚共析钢亚共析钢0.0218 C 0.77 3过共析钢过共析钢0.77 C 2.11钢按含碳量分也分为，低碳钢，中碳钢，高碳钢钢按含碳量分也分为，低碳钢，中碳钢，高碳钢( (三三) )白口铸铁白口铸铁: 2.11: 2.11 C C 6.69 6.69 1.1.共晶白口铁共晶白口铁C C4.34.3 2 2亚共晶白口铁亚共晶白口铁 2.112.11 C C 4.3 4.3 3 3过共晶白口铁过共晶白口铁4.34.3 C C 6.69 6.69 铁碳合金主要以含碳量划分，但含碳量是如何影响铁碳合金的性质？ 硬度硬度(HBS)：随C,硬度

4、硬度呈直线增加，但大于0.6%提升缓慢。 抗拉强度抗拉强度(b )：C0.9%范围内，先增加，C0.91.0后，值显著下降。 钢的塑性钢的塑性()、韧性、韧性(ak)：随着C,呈非直线形下降。b铁碳合金相图碳原子溶入碳原子溶入-Fe、-Fe的可形成间的可形成间隙固溶体。隙固溶体。 (1)a a相：又称为铁素体相：又称为铁素体Ferrite：碳原子溶入：碳原子溶入-Fe的间隙形的间隙形成的固溶体，用成的固溶体，用“F”或或“a a ”表示。呈体心立方晶格，最大含碳表示。呈体心立方晶格，最大含碳量为量为0.0218%，(P点点)温度为温度为727。 渗碳体（渗碳体（Fe3C）J Fe3C为复杂结构

5、的间隙化合物，属于正交晶系，为复杂结构的间隙化合物，属于正交晶系，含碳量为含碳量为6.69 。通常称为。通常称为“渗碳体。渗碳体。石墨具有六方结构石墨具有六方结构,强度、硬度极低强度、硬度极低912 1394工业纯铁工业纯铁 一、Fe-Fe3C相图中的点符号 温度（） 含碳量（%） 说明 A 1538 0 纯铁的熔点 B 1495 0.53 包晶转变时液相合金的成分 C 1148 4.30 共晶点 D 1227 6.69 渗碳体的熔点(计算值) E 1148 2.11 C在奥氏体中的最大溶解度 F 1148 6.69 渗碳体的成分 G 912 0 a-Fe-Fe同素异构转变点（A3） H 14

6、95 0.09 C在中的最大溶解度 J 1495 0.17 包晶点 K 727 6.69 渗碳体的成分 L06.69渗碳体的成分M7700纯Fe的居里点N 1394 0 -Fe-Fe同素异构转变点（A4 O7700.5铁素体的磁性转变温度P727 0.0218 C在a中的最大溶解度 Q室温 0.0008 室温时C在a中的最大溶解度 含碳量对切削性能的影响含碳量对切削性能的影响1.1.低碳钢（低碳钢（C C0.250.25），不易断屑，切削性能不好。），不易断屑，切削性能不好。 2.2.高碳钢（高碳钢（C C0.600.60），因硬度高，刀具磨损严重，），因硬度高，刀具磨损严重，切削性能不好。切

7、削性能不好。3.中碳钢（中碳钢（0.25C0.6）HB适中（HB=220）切削）切削性能好性能好.4.白口铸铁硬度高，脆性大，不易切削加工。白口铸铁硬度高，脆性大，不易切削加工。含碳量对锻造性能的影响含碳量对锻造性能的影响1.1.钢具有良好的锻造性能，亚共析钢中随着钢具有良好的锻造性能，亚共析钢中随着C C锻造性锻造性能能，亚共析钢的锻造性能好于共，亚共析钢的锻造性能好于共析析、过共析钢。、过共析钢。 2.白口铁无论高温或低温都是以共晶渗碳体为基体相所以白口铁无论高温或低温都是以共晶渗碳体为基体相所以不能锻造。不能锻造。含碳量对铸造性能的影响含碳量对铸造性能的影响1.1.钢的铸造性能不如白口铁

8、钢的铸造性能不如白口铁. . 2.共晶白口铁的铸造性能最好。共晶白口铁的铸造性能最好。在钢铁材料选用方面的应用在钢铁材料选用方面的应用 1）需用塑性、韧性好的材料，如，建筑结构和）需用塑性、韧性好的材料，如，建筑结构和各种型钢，宜选用碳含量较低的钢材。各种型钢，宜选用碳含量较低的钢材。 2）一些要求强度、塑性及韧性都较好的机械零）一些要求强度、塑性及韧性都较好的机械零件，如汽车轴，则应选用碳含量适中的中碳钢。件，如汽车轴，则应选用碳含量适中的中碳钢。 3）需要高硬度和高耐磨性的材料）需要高硬度和高耐磨性的材料,如，各种工具，如，各种工具，则应该选择碳含量较高的钢种。则应该选择碳含量较高的钢种。

9、 4）白口铸铁由于耐磨性、铸造性能好，适用于）白口铸铁由于耐磨性、铸造性能好，适用于要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，如冷轧要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件，如冷轧辊、犁铧、磨球、床身等。辊、犁铧、磨球、床身等。工业用钢工业用钢1 钢的分类及编号 一钢的分类 （一）按用途划分 1结构钢 机械零件和工程用钢。 2工具钢 刃具、模具、量具用钢 3特殊性能钢 不锈钢、耐热钢、耐磨钢。1碳素钢 （1） 低碳钢 C 0.25 （2） 中碳钢 0.25 C 0.6 （3） 高碳钢 C 0.62合金钢 （1）低合金钢 M总 5 （ M总为合金元素总量 ） （2）中合金钢 5 M总 2.11的FeC合金，

10、除C外，铸铁含有较多的Si、Mn等元素， Si、C是强烈促进石墨化元素。 根据石墨的形态，灰口铸铁可以分为灰（口）铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁。 灰口铸铁 石墨呈片狀 可锻铸铁 石墨呈团絮狀 球墨铸铁 石墨呈球狀 成分： 2.54.0C, 1.03.0Si，0.51.4Mn 牌号： HT100 、HT150 、HT200 、（普通灰口铸 铁）HT250 、HT300 、HT350 、HT400（孕育铸铁） “HT” 表示“灰铁”的拼音字头,后面的数字表示最低抗拉强度。如：HT100 :100表示b 100MPa灰口铸铁可锻铸铁（不可锻，因有一定的 %,故称为可锻铸铁）成分特点：C：2.22.8；S

11、i：1.22.0，Mn：0.41.2牌号： KT300-6、KT330-8、KT350-10、KT370-12 、KTZ450-5 、KTZ500-4 、KTZ600-3 、KTZ700-2 黑心可锻铸铁有铁素体和珠光体两种基体 。 “KT”表示F基体 ,“KTZ”表示P基体。如：KT300-6：“300”表示b 300Mpa，“6”表示 6由于可锻铸铁中石墨呈团絮状，可锻铸铁可用来制造形状复杂、承受冲击和振动载荷的零件。如汽车。拖拉机后轮壳、制动器等。牌号：QT400-17、QT420-10、QT500-5、QT600-2、QT700-2 、QT800-2 、QT1200-1 “QT”表示球

12、墨铸铁，石墨呈球状分布于基体组织中。如： QT400-17400表示b 400MPa， 17表示17，组 织为F + G 。成分特点 ：成分要求严格，C：3.63.9，Si：2.02.8；Mn；0.60.9应用良好的铸造性能、减磨性、消震性和切削加工性能。可与某些钢媲美。高强度、高耐磨的P基体球墨铸铁可作拖拉机曲轴、连杆、齿轮。高韧性、高塑性的F基体球墨铸铁可作受压阀门、机器底座等。四、球墨铸铁四、球墨铸铁热处理 基本了解常用的热处理方法，目的，大致温度范围。从而了解不同温度对金属的影响。常用热处理有退火，正火，淬火，回火，化学热处理。 钢的退火：将（组织偏离平衡状态的）钢加热到适当温度，保温

13、一定的时间，然后缓慢冷却（一般为炉冷至550后空冷），以获得接近平衡状态组织的热处理工艺。1细化晶粒（使热加工造成的粗大不均匀组织均匀化、细化；消除缺陷） 2降低硬度，以利于切削加工。3由于冷却速度缓慢，可消除内应力，变形与开裂。4. 为最终热处理（淬火、回火）做好组织上的准备。退火的目的退火的目的钢的退火与正火钢的退火与正火我厂对退火的应用 焊接后智能温控仪对焊缝热处理现场如图所示去应力加热先加到300度保温一小时，在加的650度保温一小时，缓慢降温，类似于低温退火。 注意左图加热过程，由于焊接后由高温迅速冷却，类似于淬火，产生极大的内应力，之后按左图升温类似于低温退火。去除内应力。 去应力

14、退火去应力退火 又称低温退火，是将钢加热至又称低温退火，是将钢加热至500650，保温后随炉缓冷至低于保温后随炉缓冷至低于300200出炉空冷出炉空冷的热处理工艺。的热处理工艺。 目的：不发生相变，常用于消除铸、锻、焊目的：不发生相变，常用于消除铸、锻、焊及机加工后工件的残余应力，以稳定尺寸，及机加工后工件的残余应力，以稳定尺寸，减少变形。减少变形。正火：正火是将钢加热到正火：正火是将钢加热到Ac3（对于亚共析（对于亚共析钢）或钢）或Accm（对于过共析钢）点以上（对于过共析钢）点以上3050，保温一定时间，完全奥氏体化后，保温一定时间，完全奥氏体化后在自由流动的空气中冷却从而得到珠光体类在自

15、由流动的空气中冷却从而得到珠光体类组织的的热处理工艺。组织的的热处理工艺。钢的正火钢的正火正火的主要应用正火的主要应用 作为预先热处理；作为预先热处理； 可消除中碳结构钢铸、可消除中碳结构钢铸、锻、焊等热加工产生的组织缺陷，细化晶粒，锻、焊等热加工产生的组织缺陷，细化晶粒，均匀化组织，消除内应力，为后序热处理作组均匀化组织，消除内应力，为后序热处理作组织准备。织准备。 （2）改善切削加工性。）改善切削加工性。一般来说，钢的硬度一般来说，钢的硬度为为170230 HB，组织中无大块铁素体时，切，组织中无大块铁素体时，切削加工性较好。对于削加工性较好。对于低、中碳结构低、中碳结构，正火可得，正火可

16、得到合适的硬度，改善切削加工性。到合适的硬度，改善切削加工性。 （3）作为最终热处理。）作为最终热处理。 正火可以细化晶粒，正火可以细化晶粒，均匀化组织。均匀化组织。 淬火的目在于提高材料的强度、硬度和耐磨性，与回火配淬火的目在于提高材料的强度、硬度和耐磨性，与回火配合后可赋予工件最终的使用性能。合后可赋予工件最终的使用性能。 1.提高强度、硬度和耐磨性；采用淬火低回，用于各种工提高强度、硬度和耐磨性；采用淬火低回，用于各种工模具。模具。2.提高弹性提高弹性-采用淬火中回；用于各种弹簧。采用淬火中回；用于各种弹簧。3.提高综合性能采用淬火高回；用于各种轴类。提高综合性能采用淬火高回；用于各种轴

17、类。淬火的淬火的目的目的（淬火回火）（淬火回火）钢的淬火钢的淬火 钢的淬火是将工件加热到钢的淬火是将工件加热到Ac1以上一定温度，保温后以大以上一定温度，保温后以大于临界冷却速度（于临界冷却速度（vK）快速冷却，以获得马氏体或下贝氏）快速冷却，以获得马氏体或下贝氏体组织为目的的热处理工艺。体组织为目的的热处理工艺。 （二）淬火温度的选择（二）淬火温度的选择 图图4 钢的淬火温度范围钢的淬火温度范围常用淬火介质介绍常用淬火介质介绍 1自来水（自来水（30以下）以下）应用：自来水主要用于形状简单，截面较大的碳钢零件应用：自来水主要用于形状简单，截面较大的碳钢零件淬火，且组织应力较大。淬火，且组织应

18、力较大。优点：经济、便宜、易于实现自动化。优点：经济、便宜、易于实现自动化。2盐水（盐水（1015NaCl，30）冷却特性：在冷却特性：在650300时冷速是自来水的时冷速是自来水的 10倍；在倍；在200时仍然很快。时仍然很快。 应应 用：用于水淬不透的形状简单的碳素钢。用：用于水淬不透的形状简单的碳素钢。结论：碳素钢一般采用水冷或盐水冷却结论：碳素钢一般采用水冷或盐水冷却3. 油油4080冷却特性：冷却特性：600550及及200时冷却速度低于水；时冷却速度低于水；缺点：）淬硬能力低；）易于老化。缺点：）淬硬能力低；）易于老化。油适用于合金钢淬火油适用于合金钢淬火 淬火是通过金属材料从高温

19、极快的降温，但迅速降温会给金属带来极大的内应力，所以必须进行一道热处理工序去除内应力，这就是回火回火钢的回火钢的回火定义：回火是将淬火钢加热到定义：回火是将淬火钢加热到Acl以下某一温以下某一温度，经保温适当时间后冷却到室温的热处理工度，经保温适当时间后冷却到室温的热处理工艺。艺。 回火目的：回火目的：一般放在淬火后，一般放在淬火后，淬火钢一般不直接使用，必淬火钢一般不直接使用，必须进行回火。消除内应力须进行回火。消除内应力，防止变形和开裂。防止变形和开裂。获得要求的强度硬度塑性和韧性。获得要求的强度硬度塑性和韧性。回火的种类及应用对于回火我们应该注意 低温回火最低温度为150度，而低温回火会

20、降低材料的硬度以降低脆性。所以当精密零部件如滚动轴承内圈需要加热装配时，我们要注意温度对零件的影响。 57 钢化学热处理钢化学热处理 一、化学热处理概述一、化学热处理概述 对于某些齿轮类零件，内燃机凸轮等在工作中承受对于某些齿轮类零件，内燃机凸轮等在工作中承受强烈的摩擦磨损，和较大的交变载荷，冲击载荷。强烈的摩擦磨损，和较大的交变载荷，冲击载荷。要求要求表面表面高硬度、高耐磨和高的接触疲劳强度，一高硬度、高耐磨和高的接触疲劳强度，一定的韧性；定的韧性；心部心部具有高的韧性和足够高的强度。对具有高的韧性和足够高的强度。对这类材料需要进行表面化学热处理这类材料需要进行表面化学热处理. 化学热处理化

21、学热处理 是将工件置于一定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子是将工件置于一定的介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，改变表面层的化学成分及显微组织，从而使工渗入工件表层，改变表面层的化学成分及显微组织，从而使工件表层获得所需特殊性能的热处理工艺。件表层获得所需特殊性能的热处理工艺。 钢的渗碳（气体渗碳）钢的渗碳（气体渗碳） 渗碳用钢：渗碳件一般采用低碳钢或低碳合渗碳用钢：渗碳件一般采用低碳钢或低碳合金钢制造，如金钢制造，如20、20Cr、20CrMnTi、20CrMo等。等。 渗渗 碳碳 温温 度：度：900950 渗碳时间为：依要求的渗层厚度而定。渗碳时间为：依要求的渗层厚度

22、而定。 渗碳目的：渗碳目的：是使工件在热处理后表面具有高硬度和是使工件在热处理后表面具有高硬度和耐磨性，而心部仍保持一定强度以及较高的韧性和耐磨性，而心部仍保持一定强度以及较高的韧性和塑性。塑性。主要用于：表面将受严重磨损，并在较大冲击载荷、主要用于：表面将受严重磨损，并在较大冲击载荷、交变载荷，较大的接触应力条件下工作的零件，如交变载荷，较大的接触应力条件下工作的零件，如齿轮、活塞销、套筒等。齿轮、活塞销、套筒等。 渗层组织渗层组织 (渗碳后缓慢冷却，从内层到外层组织渗碳后缓慢冷却，从内层到外层组织)为为: 图图11 低碳钢缓冷后的显微组织低碳钢缓冷后的显微组织渗碳件表层的碳浓度一般控制在1

23、.0%左右，一般规定，从表层到过渡层的一半处的深度为渗层厚度。渗碳温度越高、时间越长，则得到的渗层深度越厚过过共共析析层层共共析析层层亚亚共共析析层层原原始始组组织织气焊如果在焊低碳钢时，乙炔开的过大，会出现类似渗碳的效果钢的氮化钢的氮化 钢的氮化向钢的表层渗入氮原子以极大的提高表层钢的氮化向钢的表层渗入氮原子以极大的提高表层的硬度耐磨性疲劳强度和耐蚀性。的硬度耐磨性疲劳强度和耐蚀性。 氮化钢氮化钢 一般为中碳钢、中碳合金钢一般为中碳钢、中碳合金钢,一般都采用能一般都采用能形成稳定氮化物的中碳合金钢，如形成稳定氮化物的中碳合金钢，如38CrMoAl。Al、Cr、Mo、W、V等合金元素与等合金元

24、素与N结合形成的氮化物结合形成的氮化物能起到弥散强化作用，使氮化层达到很高的硬度。能起到弥散强化作用，使氮化层达到很高的硬度。 45钢、钢、 40Cr钢、钢、38CrMoAl钢制零件进行气体氮钢制零件进行气体氮化的典型工艺路线为：锻造化的典型工艺路线为：锻造退火退火粗加工粗加工调质调质精加工精加工去应力退火去应力退火粗磨粗磨氮化氮化精磨精磨时效时效研磨。研磨。 渗氮温度为渗氮温度为500570，渗氮时间长：最长可超，渗氮时间长：最长可超过过72小时，所以成本较大。小时，所以成本较大。 作为化工厂的员工，我们最在意的是材料的耐温耐压性能。各种金属耐温耐压选型需要查阅各种标准及技术要求。如压力容器

25、标准，阀门选型标准等。而使用环境不同，介质不同同种材质的压力和温度范围都有一定区别，再此不一一列举，只简单介绍下阀门阀体材料选择方法。让大家简单了解下常见的几种铁碳合金的耐温耐压大概范围。壳体材料壳体材料适用工适用工 况况工作温度工作温度 工作压力工作压力 适用介质适用介质 灰铸铁灰铸铁 -15200-15200C C PN1.6MPa PN1.6MPa 水、煤气水、煤气 黑心可锻铸铁黑心可锻铸铁 -15300-15300C C PN2.5MPa PN2.5MPa 水、海水、煤气、氨水、海水、煤气、氨球墨铸铁球墨铸铁 -30350-30350C C PN4.0MPa PN4.0MPa 水、海水

26、、蒸汽、空水、海水、蒸汽、空气、煤气、油品气、煤气、油品 塑料、陶瓷塑料、陶瓷6060C C PN1.6MpaPN1.6Mpa 腐蚀性介质腐蚀性介质 特性：属非金属材料，其最大特点是耐腐蚀性强，甚特性：属非金属材料，其最大特点是耐腐蚀性强，甚至有金属材料所不具备的特点至有金属材料所不具备的特点 , ,无毒塑料可用于给水无毒塑料可用于给水工业工业 五、阀门材料五、阀门材料 壳体材料壳体材料问题问题:灰铸铁阀体的工作温度为灰铸铁阀体的工作温度为-15200度，度，是否可以理解为，灰铸铁阀门在没有伴是否可以理解为，灰铸铁阀门在没有伴热时不能放在室外？热时不能放在室外？ASTMASTM铸件铸件 AST

27、MASTM锻件锻件 对应中对应中国牌号国牌号 适用温度适用温度范围范围C C 适用介质适用介质 碳钢碳钢 A216 WCB A216 WCB A105 A105 20 20 -29427-29427水、液化气体、蒸汽、油水、液化气体、蒸汽、油品、天然气品、天然气 低温碳钢低温碳钢 A352 LCBA352 LCBA350 LF2A350 LF216Mn16Mn-46343-46343低温介质低温介质A352 LCCA352 LCCA350 LF2A350 LF216Mn16Mn-46343-46343低温介质低温介质五、阀门材料五、阀门材料 壳体材料壳体材料 - -续续ASTMASTM铸件铸件 ASTMASTM锻件锻件 对应中国牌号对应中国牌号