机械工程材料与热加工之工业用钢讲义课件

《工程材料与热加工基础》

第五章工业用钢机械工程系金工教研室第七章工业用钢钢的基础知识结构钢工具钢特殊性能钢第一节钢的基础知识一.合金元素对钢的组织和性能的影响杂质及合金元素与铁和碳的作用。

合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。

合金元素对钢的热处理的影响。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。钢中白点二)合金元素与铁和碳的作用1.溶于基体中形成合金F或合金A。2.与碳作用形成合金碳化物(Fe,Cr)3C。3.单独形成特殊碳化物

TiC、VC。1.溶于基体中形成合金F或合金A1.溶于基体中形成合金F或合金A2.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。碳化物形形成元素素在周期期表中都都是位于铁元素的的左边的的过渡族族金属元元素,它们都有有一个未填填满的d电子亚亚层,当形成碳化化物时,碳原子子首先将将其价电电子填入金属属原子未未填满的的d电子子亚层,使形成的碳碳化物具具有金属键结合的性性质,金属原子子的d电电子亚层层愈不满满(周期表表中,在铁铁左边离离铁愈远远),则则其与碳的亲亲和力愈强强,形成碳化化物的能能力愈大大,愈稳定,而而且不易易分解。。3.单独形成成特殊碳碳化物熔点、硬硬度、耐耐磨性最最高。稳定性最最高。TiC、NbC、VC。三)合金元素素对Fe-Fe3C相图的影影响扩大奥氏氏体区缩小奥氏氏体区改变共晶晶点和共共析点的的参数1.扩大奥氏氏体区的的合金元元素Mn、Ni、Co等元素。。作用:使A3线温度下下降,A4线温度上上升。Mn元素对奥奥氏体区区的影响响2.缩小奥氏氏体区的的合金元元素Cr、Mo、W、V、、Ti、、Si等元素。。作用:使A3线温度上上升,A4线温度下下降。Cr元素对奥奥氏体区区的影响响3.改变共晶晶点和共共析点参参数的元元素几乎所有有的合金金元素。。作用:使使S点和E点的成分向左左移。使A1线的温度变化化。合金元素素对S点成分的的影响合金元素素对A1线的影响四)合金金元素对对钢的热热处理的的影响加热时对对奥氏体形形成的影响对过冷奥氏氏体转变变的影响对回火转变变的影响1.合金元素素对加热热时奥氏氏体形成成的影响响除Mn元素外,所有合合金元素素的加入,均使使奥氏体体的形成成速度减减慢。强碳化物物形成元元素能强烈的的阻止奥奥氏体晶粒粒长大(Ti、V、Zr、Nb等)。非碳化物物形成元元素能轻微的的阻止奥奥氏体晶粒粒长大(Si、Ni、Cu、Co等)。2.合金元素素对过冷冷奥氏体体转变的的影响除Co元素外,所有有的合金金元素均均使钢的TTT曲线向右右移。除Co、Al元素外,所有有的合金金元素都使马氏体转转变温度度下降。提高钢的的淬透性性,常常用的元元素有:Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。3.合金元素素对回火火转变的的影响回火抗力力的增加二次硬化化的产生产生回火脆性性W、Mo、V等碳化物物在550℃℃时,使钢钢达到最最高硬度度,产产生二次硬化化。Cr-Ni钢钢的回火火脆性示示意图防止第二二类回火火脆性的的产生的的方法:在500～～600℃快速冷却却。加入合金金元素W、Mo。二.合金元素素在钢中中的作用用1.主加元素素:对提提高钢的的性能起起主要作作用。Si、Mn、Cr、Ni、B。2.辅加元素素:配合合主加元元素进一一步提高高钢的性能能,弥补补主加元元素的不足与缺缺陷。W、Mo、V、Ti、Nb。三、碳素素钢的编编号及用用途1.碳素结构构钢:Q235—A·F沸腾钢A等级235MPa屈服强度2.优质质碳素结结构钢*45---Wc=45%00*较高锰质质量分数数的优质质碳素结结构钢45Mn---Wc=45%00;WMn=0.7%～1.0%3.碳素工具钢钢T12A高级优质Wc=12%0碳素工具钢4.铸造碳钢ZG200-400σb

≥400MPaσs≥200MPa铸钢第二节合合金结构钢钢(AlloyConstructionalSteel)普通低合金金钢合金渗碳钢钢合金调质钢钢弹簧钢滚动轴承钢钢易切削钢一.普通低低合金钢(commonlow––alloyedsteel)1.化学成成分:碳碳素结构钢钢+合金元素主加合金元元素:Mn1.8%以内。。辅加合金元元素:V、Ti、Nb、、B。一.普通低低合金钢2.牌号:Q345C质量等级345MPa屈服强度一.普通低低合金钢Q460钢含Mo、、B，正火火组织为B，强度高，用于石化化中温高压容器。。压力容器南京长江大桥Q345钢(16Mn)综合性能好好，用于船舶、、桥梁、车车辆等大型钢结构。。Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等等压力的容容器。万吨远洋轮二.碳素渗渗碳钢及合合金渗碳钢钢1.对渗碳碳钢的性能能要求:2.对渗碳碳钢的含碳碳量的要求求:低碳3.渗碳钢钢的热处理理特点: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残残心部:低碳M回回+F碳素渗碳钢合金渗碳钢化学成分热处理后的组织4.合金渗渗碳钢的牌牌号20Mn2TiA等级:高级优质含钛量WTi≤1.5%含锰量WMn2%含碳量WC20%005.典型合合金渗碳钢钢种介绍低淬透性合合金渗碳钢钢钢含合金元元素总量＜＜3%15Cr、、20Cr、20Mn2。用于受力小的的耐磨件，，如柴油机的活塞塞销、凸轮轮轴等。中淬透性合合金渗碳钢钢钢含合金元元素总量在在4%左左右。20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。。用于中等等载荷的耐磨件，，如变速箱箱齿轮。柴油机凸轮轴活塞销(20Cr)5.典型合合金渗碳钢钢种介绍高淬透性合合金渗碳钢钢钢含合金元元素总量在在4%～6%。。18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。用于于大载荷的耐磨件，，如柴油机机曲轴。柴油机曲轴20CrMnTi钢制造造齿轮的热热处理工艺艺曲线三.碳素调调质钢及合合金调质钢钢1.对调质质钢的性能能要求:既强又韧2.对调质质钢的含碳碳量的要求求:中碳3.调质钢钢的热处理理特点:淬火+高温回火(500～650℃)Wc=0.25～～0.6%Wc=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.合金调调质钢的牌牌号40Cr40Mn40MnB35CrMo38CrMoAlA25Cr2Ni4WA5.典型合合金调质钢钢种介绍低淬透性调调质钢钢含合金元元素总量＜＜3%。。40Cr、、40MnB等。中淬透性调调质钢钢含合金元元素总量在在4%左右。38CrSi、35CrMo等等。圆锥齿轮柴油机凸轮轴常用于制造造较小的齿齿轮、轴、螺栓等等零件。5.典型合合金调质钢钢种介绍高淬透性调调质钢钢含合金元元素总量在在4%～～10%。制造大截面面重载荷零零件，如曲轴等用高高淬透性的的零件等。。38CrMoAlA、40CrMnMo、25Cr2Ni4WA等。40Cr钢钢制造连杆杆螺栓的热热处理工艺艺曲线四.碳素弹弹簧钢及合合金弹簧钢钢1.对弹簧簧钢的性能能要求:高的σe、高的σs/σb、高的σ-1、良好的韧韧。2.对弹簧簧钢含碳量量的要求:中、高碳。。3.热成型型弹簧钢的的热处理特特点:淬火+中温回火(450～550℃)碳素弹簧钢钢合金弹簧钢钢化学成分热处理后的的组织Wc=0.6～～0.9%Wc=0.5～～0.7%合金元素:Si、Mn、Cr、V、W、Mo等。T回制造尺寸小小于Φ8～15mm的小型弹簧。。T回制造尺寸在在Φ20～25mm左右的的弹簧。4.合金弹簧钢钢的牌号6565Mn55Si2Mn60Si2Mn50CrVA50CrMnA55SiMnMoVNb5.冷成形形弹簧生产产工艺特点点用于生产尺尺寸小于Φ8～15mm的小小型弹簧,常用弹簧簧钢丝(片片)冷绕成成形,其制制造方法有有:T组织冷成成型+200～300℃去应应力退火。60、75、、85、65Mn。T回组织冷冷成型+去去应力退火火。退火组织冷冷成型+淬淬火+中温温回火。55Si2Mn、60Si2MnA、、50CrVA。汽车板簧大型热卷弹簧热卷大弹簧簧弹丝五.滚动轴轴承钢(bearingsteel)1.性能要要求:高的硬度强强度和耐磨磨性;高的接触疲疲劳强度;足够的韧性性和耐蚀性性;高的纯净度度;滚珠轴承滚针轴承滚柱轴承五.滚动轴轴承钢(bearingsteel)2.化学成成分特点:高碳,Wc=0.9～1.1%。主加Cr,0.4～1.65%辅加Si、、Mn。优质钢材。五.滚动轴轴承钢(bearingsteel)3.热处理理特点:球化退火+淬火+低温回回火极细回火马马氏体+细细粒状碳化化物+少量量残余奥氏氏体4.滚动轴轴承钢的牌牌号GCr9SiMn

含Mn量WMn≤1.5

%

含Si量WSi≤1.5%

含Cr量WCr≈0.9%

滚动轴承钢5.铬轴承承钢制造轴轴承的工艺艺路线锻造球球化化退火机机加工淬火+冷冷处理(–60～～–80℃;1h)低温回火磨磨削加工工稳稳定化化处理(120～130℃；；5～10h)六.易切削削钢(fee––cuttingsteel)2.性能要要求:降低切削力力和切削热热,减少刀刀具磨损,延长刀具具寿命,改改屑性能,提高切削削速度。3.化学成成分特点:1.用途:适用于高速速切削和在在自动加工工机床上加工的的材料。S:Ws=0.08～～0.3%Pb:WPb=0.15～0.25%Ca:微量4.易切削削钢的牌号号Y40Mn

含锰量WMn≤1.5

%

含碳量WC0.4

%

易切削钢5.易切削削钢的热处处理工艺特特点低碳易切削削钢(Y12、、Y15、、Y20)渗碳或淬火成低碳马氏体体。中碳易切削削钢(Y40)调质及表面淬火。第三节合合金工具钢钢合金刃具钢钢(alloycuttingsteel)合金模具钢钢(alloydiesteel)合金量具钢钢(alloymeasuringsteel)量具刃具模具一.碳素刃刃具钢1.性能要要求:高硬度、高高耐磨性,有一定的强度和和韧性。2.化学成成分特点:高碳。3.热处理理特点:淬火+低低温回火火4.组织:M回+Fe3C+A残5.用途:用于低速、、低温(＜＜200℃℃）、低冲击、硬硬度在HRC62左左右的刃具。一.碳素刃刃具钢锉刀手锤二.合金刃刃具钢种类:低低合金刃刃具钢;高速钢钢。牌号:合金元素及含量千分之几的含碳量

9

SiCrW18Cr4V1.低合金金刃具钢1.性能要要求:高硬度、高高耐磨性、、有一定的红硬性性、强度和和韧性,工作温度不不超过300℃。2.化学成成分特点:*高碳*加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素素。3.热处理理特点:球化退火淬火+低温回火

9SiCr钢板板牙热处理理工艺曲线线板牙2.高速钢钢(high––speedsteel)(1)性性能要求:高硬度、高高耐磨性、、高的红硬硬性(600℃时,HRC63以上)、有一一定的强度度和韧性。。高速钢---锋锋钢、风钢钢;18–4–1钢车刀铣刀钻头(2)化化学成分特特点:高碳0.7～1.5%:钨18%:钼5%:铬4%:钒1.5%:保证高硬度度退火状态下下形成M6C碳化物物,在560℃℃左右回火火时,弥弥散析出W2C,造成二次硬硬化,提高钢的红硬性性。1%Mo的的作用等同同于2%W。形成Cr23C6碳碳化物;提高钢的淬透性。形成VC,硬度极极高,提高钢的硬度和耐磨磨性,产生二二次硬化。。(3)W18Cr4V钢钢的生产工工艺及热处处理特点铸造锻锻造球球化退火机机加工工淬火+三次次570℃℃回火磨磨削加工工铸造:高速钢属于于莱氏体钢,铸态组织织中含有大量呈鱼骨骨状分布的的粗大共晶碳化化物M6C,钢的韧性性大幅下降。W18Cr4V钢的的铸态组织织W18Cr4V铸造组织130W18Cr4V钢的的铸态组织织W18Cr4V铸态组织420锻造:鱼骨状碳化化物不能用用热处理来来消除,只只能依靠反复多次次锻打来击击碎。W18Cr4V锻造组织210球化退火:消除应力力,调整组组织,便于于机加工,为淬火作好好组织准备备。球化退火后后的组织:S+粒粒状Cm

W18Cr4V球化退火组织420W18Cr4V钢的的热处理过过程示意图图淬火:1280℃℃;淬火后的组组织:M+Cm+A残(20～25%)W18Cr4V钢淬淬火组织

W18Cr4V淬火组织300三次570℃回火在570℃℃回火时,产生生二次硬化。。三次570℃回火*淬火后A残残约20～～25%。*第一次回火火后A残约约剩15～～18%。*第二次回火火后A残约约剩3～5%。*第三次回火火后A残约约剩1～2%。回火后的组组织:M回+Cm+A残(1～～2%)组织硬度为65HRC以上。。W18Cr4V淬火火+一次次回火组织织W18Cr4V淬火+一次回火组织105W18Cr4V淬火火+三次次回火组织织W18Cr4V淬火+三次回火组织420

三.合金模模具钢(alloydiesteel)热作模钢:工作温度度为600℃以上。。冷作模钢:工作温度度为200～300℃。一)热作作模钢(hotdiesteel)1.性能要要求:高的热硬性性、高温耐耐磨性;高的抗氧化化能力;高的热强性性和足够高高的韧性;高的热疲劳劳抗力(防防止龟裂裂);高的淬透性性和导热性性;2.化学成成分特点:中碳0.3～0.6%;合金元素:Cr、Ni、Mn、、Si、Mo、W、、V。曲轴模具3.热处理理特点:*热锻模钢:5CrMnMo热处理工艺艺:淬火火+550℃回回火热处理后的的组织:S回或T回温度时间～500℃820～850℃预冷油冷530～550℃回火3.热处理理特点:*热压模钢:3Cr2W8V热处理工艺艺:淬火火+600℃三三次回火热处理后的的组织:M回+Cm粒粒状汽车四缸压压铸模二)冷作作模钢(colddiesteel)1.性性能要要求:高的硬硬度,HRC62;高的耐耐磨性性;足够高高的韧韧性与与疲劳劳抗力力;热处理理变形形小;2.化化学成成分特特点:高碳1～～2%;合金元元素:Cr,Mo、、W、、V。。汽车冲压模具3.热热处理理特点点:*一次次硬化化法:淬火+低低温回回火(950～1000℃℃)(150～180℃)*二次次硬化化法:淬火+三三次次回火火(1100～～1000℃)(510～～520℃℃)热处理理后的的组织织:M回+Cm+A残牌号:Cr12、、Cr12MoV四.合合金量量具钢钢1.性性能要要求:高的硬硬度,HRC62;高的耐耐磨性性;高的尺尺寸稳稳定性性;足够高高的心心部韧韧性;热处理理变形形小;尺尺寸稳稳定;良好的的耐蚀蚀性;卡尺量规千分尺3.热热处理理特点点:4.热热处理理后的的组织织: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.牌牌号:CrWMn、4Cr13、GCr15、9SiCr、T12A、、60等。。2.化化学成成分特特点:高碳0.9～～1.5%;合金元元素:Cr,Mn、、W。。CrWMn钢制制造块块规退退火后后的热热处理理工艺艺～650℃820～840℃油冷3h-70～-80℃冷处理140～160℃3h110～120℃36h时效处理精磨3h研磨温度时间第四节节特特殊性性能钢钢不锈钢钢(stainlesssteel)耐热钢钢(heat––resistantsteel)耐磨钢钢(wear––resistantsteel)一.不不锈钢钢(stainlesssteel)1.定定义:在腐蚀蚀介质质中具具有很很高的的抗腐腐蚀能力力的钢钢。2.概概念:*在空气中的年年腐蚀蚀量为为0.01mm以内的的钢,称称为在在空气气中使使用的的不锈钢钢。*在强酸、、强碱碱介质中中的年年腐蚀蚀量为0.1mm以内内的钢钢,称称为在在强酸、强强碱介介质中中使用用的不不锈钢钢。3金属属腐蚀蚀的机机理.金属腐腐蚀的的种类类:1)化化学腐腐蚀:金属与与介质质(干干燥气气体和和非电解解质溶溶液)发发生生化学学反应而而产生生的腐腐蚀。。例如:高温温氧化化、脱脱碳等等。2)电电化学学腐蚀蚀:金属与与介质质(电电解质质溶液,即即酸、、碱、、盐溶溶液)发生电电化学学反应应而产产生的腐蚀蚀。电化学学腐蚀蚀过程程示意意图珠光体体电化化学腐腐蚀示示意图图4.金金属的的防腐腐措施施:1)覆覆盖层层保护护:涂漆、、电镀镀、发发蓝、、磷化化等工工艺。。2)形形成氧氧化层层:加入合合金元元素Cr、、Al、Si等等,形成成Cr2O3、、SiO2、Al2O3等氧氧化膜膜。3)提提高金金属的的电极极电位位:加入合合金元元素Cr、、Ni、Si等等,提提高金金属基基体的的电极极电位位。4)使使钢在在室温温下呈呈单相相组织织:加入合合金元元素Mn、Ni、、Co等能能扩大大γ区,可可在室室温获获得奥氏体体钢。加入合合金元元素Cr、Mo、、W、、V、、Ti、Si等等能能扩大大α区,可可在室室温获获得铁素体体钢。5)减减少与与消除除钢中中的各各种不不均匀匀现象象:偏析、、应力力、组组织等等。6)牺牺牲阳阳极保保护阴阴极:镶嵌一一些比比金属属或合金金基体体电极极电位位更低低的金金属块块。5.化化学成成分特特点:*低碳:耐蚀蚀性要要求愈愈高,碳含含量愈愈低。。*合金元元素:主加Cr。。辅加Ni、、Mo、Cu、、Ti、Nb、、Mn等等。6.常常用的的不锈锈钢:*马氏体体型不不锈钢钢*铁素体体型不不锈钢钢*奥氏体体型不不锈钢钢1)马马氏体体型不不锈钢钢---Cr13型型钢化学成成分特特点:Wc=0.1～～0.4%WCr=13%热处理理特点点:正火后的组组体是是马氏体体。牌号:1Cr13～4Cr13用途:医疗器器械医用镊镊子1Cr13金相相组织织图1Cr13供货状态组织(化染)580

2)铁铁素体体型不不锈钢钢化学成成分特特点:Wc=0.1%左右右WCr=17%热处理理特点点:不能进进行热热处理理强化化。牌号:1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等。。用途:化工设设备中中要求求耐蚀蚀性高高、塑塑性好、、强度度低的的容器器、管管道等等。铁素体体型不不锈钢钢的用用途硝酸生生产装装置合成氨氨生产产装置置3)奥奥氏体体型不不锈钢钢---18––8型型钢化学成成分特特点:Wc=0.08～～0.14%WCr=17～19%WNi=8～～11%Cu、、Ti、Mo等等。加工特特点:不能进进行热热处理理强化化,只只能冷塑性性变形形强化化。热处理理特点点:固溶处处理;稳定定化处处理;消除应应力退退火。。牌号:0Cr18Ni9、、1Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、、1Cr18Ni9Ti用途:化工容容器、、管道道等。。大型化工储罐(304)管板换热器(304)1Cr18Ni9Ti固固溶处处理组组织金金相图图1Cr18Ni9Ti固溶处理组织580二.耐耐热钢钢1.定定义:在高温温下具具有抗抗氧化化性和和高温温强度的的特殊殊钢。。2.性性能要要求抗氧化化性(热热稳定定性)高温强强度(热热强性性)蠕变强强度持久强强度3.提提高钢钢的耐耐热性性的途途径:加入合合金元元素Cr、、Si、Al等等,在在钢的表表面形形成稳稳定、、致密密的氧氧化膜膜。4.提提高钢钢的耐耐热性性的途途径:1)固固溶强强化:加入W、Mo、、Nb、、Ti、V等元元素强强化基基体;提高高再结结晶温温度。。2)弥弥散强强化:加入Nb、、V、、Ti等元元素形形成碳化化物,在晶晶内弥弥散析析出,阻碍碍位错错的滑移移,提提高塑塑变抗抗力。。5.钢钢种及及用途抗氧化化钢(不不起皮皮钢):奥氏体体型钢钢1Cr18Ni9Ti等等,工作温温度850℃℃。热强钢钢珠光体体型16Mo，，工作温温度600℃℃。马氏体体型1Cr13，工作温温度600℃℃。奥氏体体型18-8型型，工作温温度850℃℃。耐热热钢钢的的用用途途发动机叶片航空发动机汽轮机叶片汽车阀门三.耐耐磨钢钢(wear-resistantsteel)1.定定义:在强烈烈