《工业用钢铁材料》PPT课件.ppt

1、第六章 工业用钢铁材料,不锈钢带,6.1 碳钢 6.2 合金钢 6.3 常用铸铁材料,6.1 碳钢,一、碳钢中的杂质,1锰 有益；0.25-0.80% a. 脱氧剂： 降低FeO脆性， b. 脱硫剂： Mn+SMnS(降低S的有害作用) 热加工性能 c.固溶强化，使性能更优。,2Si 有益 a. 脱氧脆性 b. 固溶强化,4硫 有害,5 O、N、H O 机械性能 ，强度、塑性降低，有害元素 N 产生兰脆，有害元素 若钢中存在Al、V、Ti兰脆消失强度，硬度提高 H 氢脆、白点，有害元素,二、碳钢的分类,1碳含量 ：低碳钢C%0.6% 2质量 （S、P杂质含量）： 普碳钢、优质碳素钢、高级优质碳

2、素钢 3按用途 ：碳素结构钢、碳素工具钢、铸钢,三、碳钢的牌号及作用,1普通碳素结构钢 碳素结构钢分为五类20种，其牌号主要依据钢材的厚度（或直径）不大于16mm的钢的屈服强度数值进行划分，然后以钢的质量等级和脱氧方法进行细分。其牌号中符号的意义如下： Q代表钢的屈服点字母。 A、B、C、D反映碳素结构钢中有害元素（S、P）含量多少的质量 等级符号，按字母顺序，等级高含S、P量下降。 F、b、Z、TZ表示脱氧方法的符号。其中 F沸腾钢、b半镇静钢、Z镇静钢、TZ特殊镇静钢。,2优质碳素结构钢,钢号用平均碳含量的万分数的数字表示。如：08F （F表沸腾钢），20A（后有“A”表高级优质钢） ，4

3、5，15Mn （表含Mn量高） 。 制作各种机器零件，一般进行热处理。 08F 塑性好，冷冲压件 10，20 冷冲压件，焊接件，渗碳处理。 35，45，40，50 齿轮、轴类 60，65 弹簧,3碳素工具钢,0.65-1.35C%， 用以制作刃具、量具、模具 钢号用平均碳含量的千分数的数字和T一起表示。 如：T10A （1.0%C，A表示高级优质碳素工具钢）, T9 （0.9%C） ,T12 （ 1.2%C,） T7，T8，强度，韧性较高，可制作冲头、凿子、榔头 T9、T10、T11，强度，韧性适中，可制作钻头、刨刀、丝锥、手锯及冷作模具。 T12，T13， 硬度很高，韧性低，可制作锉刀、刮刀

4、、量规。,4铸钢,“ ZG”加平均碳含量万分数表示，如：ZG25 （ 0.25%C）， ZG45 （0.45%C） 形状复杂，需要一定强度、塑性和韧性的零件。,6.2 合金钢(Alloyed Steel),一、合金钢的编号,二、合金元素对钢的组织和性能的影响,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。,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。溶于渗碳体！,3.单独形成特殊碳化物,Me在钢中的存在方式,一)合金元素与铁和碳的作用,A、扩大区并与 -Fe无限互溶的Fe-Me相图（Me=Mn、Ni、Co)

5、室温下形成单相A,B、部分扩大区的Fe-Me相图（Me=C、N、Cu),（a）扩大相区元素（奥氏体稳定化元素） A4，A3 Mn,Ni,Co作用最强，使相消失， 相扩大至室温。 Co, C, N, Cu作用次之。,二)合金元素对Fe-Fe3C相图的影响,（1）影响A和F存在的范围,Notes: 除Mn外均为非碳化合物形成元素，而Mn的碳化物稳定性也是最差的！,主要还是以固溶形式存在！,Mn 元素对奥氏体区的影响,（b）缩小 相区元素 （F稳定化元素）A3，A4 Cr,Mo,W,V,Ti,Al,Si作用强，可使相区完全封闭。 B,Nb,Zr作用次之。,Me对铁碳相图的影响,Notes: 除Al、

6、Si外均为强碳化合物形成元素！,Cr 元素对奥氏体区的影响,（2）使S、E点大大左移,Me对铁碳相图的影响,合金元素对 S 点成分的影响,合金元素对A1线的影响,Why:3Cr2W8V 热模具钢0.3%C 却属过共析钢？ W18Cr4V 高速钢铸态下（1.0%C） 出现莱氏体组织？,三、合金元素对热处理的影响,1、对加热转变的影响 （1）影响A形成速度 （a）(Cr,Mo,W,V)碳化物形成元素，推迟A转变； （b）非碳化物形成元素：Co、Ni加快A形成；Al、Si、Mn影响不大 （2）影响A晶粒长大 （a）强烈阻碍：V、Ti、Nb、Zr(生成特殊碳化物：高熔点、颗粒、弥散间隙) （b）中等阻

7、碍：W、Mo、Cr （c）影响不大：Si、Ni、Cu （d）促进长大：Mn（只在高温下和碳结合）、P、B,a.碳化物稳定性 b.阻碍C在相中的扩散,（1）提高淬透性：除Co以外的固溶于A中合金元素。常用：Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B （2）Ms、Mf温度下降（残余A增加）：除Co、Al以外： Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si 强 弱 （3）影响M形态：Ni、Cr、Mn、Mo、Co增大片状M形成倾向,2、对过冷A转变的影响,位置： 形状 转变临界温度,非碳化合物（Al,Ni,Cu,Si）：不改变形状 碳化物(Mn,Cr,Mo,W,V,Nb,Zr,Ti)：分离成上下两个C曲线：,P区,区,3、

8、对回火转变的影响,（1）提高回火稳定性：V、Si、Mo、W、Ni、Mn、Co （2）产生二次硬化：A M：Mn、Mo、W、Cr、V 、 (Ni、Co协同） 沉淀硬化：V、Mo、W、Cr、(Ni、Co协同） （3）影响回火脆性（第二类回火脆性450-600oC高温，与P有关）： （a）增大第二类回火脆性：Mn、Cr、Ni （b）消除第二类回火脆性：Mo(0.5%)、W(1%),防止第二类回火脆性的产生的方法:,在500600 快速冷却。,加入合金元素W、Mo。,四、合金元素对钢的性能的影响,1.主加元素: 对提高钢的性能起主要作用。 Si、Mn、Cr、Ni、B。,2.辅加元素: 配合主加元素进一

9、步提高钢的性能, 弥补主加元素的不足与缺陷。 W、Mo、V、Ti、Nb。,（一）合金元素对钢的强度的影响,1钢的强化机制,a. 固溶强化,碳、硼等溶质原子对aFe强度的影响,溶质原子晶格畸度与位错相互作用 阻碍位错运动强化。,Mn，Si是主要强化 元素,第六章 工业用钢铁材料,b. 细晶强化,Nb，V，Al，Ti,晶界阻碍位错运动强化,c. 位错强化,位错增殖并相互作用 阻碍位错运动强化,d. 第二相强化,第二相粒子阻碍位错运动强化。,2钢的强化,（1）热处理（淬火回火）综合利用四种强化手段 固溶强化：过饱和C和Me， 位错强化：高密度位错 细晶强化：极细小、不同取向的马氏体束 第二相强化：析

10、出细小碳化物粒子 基本保持了淬火态的细小晶粒、高密度位错及一定的固溶强化作用。,淬火形成：,+ 回火,（二）合金元素对钢的韧性的影响,钢的合金化主要目的及作用：,（一）首要目的提高淬透性：影响曲线右移和改变形状，保证淬火时容易获得马氏体。为进一步强韧化提供保障。 （二）第二目的提高钢的回火稳定性：使钢回火析出的碳化物更细小，均匀和稳定；并使马氏体的微细晶粒及高密度错保持较高的温度。 （三）其它：有的合金能产生二次硬化、良好的高温性能、耐腐蚀性能等。,（三）合金元素对钢的工艺性能的影响,（1）铸造性能：Cr、Mo、V、Ti、Al使之恶化 （2）塑性加工性能： 热加工： Cr、Mo、W热塑性下降

11、合金钢加热冷却需缓慢 冷加工：固溶合金元素多提高冷加工硬化率， Si、Ni、Cr、Cu降低深冲性能 Nb、Ti、Zr（改善硫化物形态）提高冲压性能 （3）焊接性能：C%越高，合金元素多降低焊接性能 少量 V、Ti可提高焊接性能 （4）切削性能（HB170-230）：一般合金钢比碳钢难切削 易切削钢：S(0.08-0.30%)、P(0.08-0.15%)、 Pb(0.10-0.30%) （5）热处理性能：淬透性（高）、变形与开裂倾向（大）、过热敏感性（P、Mn、Si大）、回火脆化倾向（ P主导、Mn、Cr、Ni协同）、氧化脱碳倾向（Si大，Ni、Mo次之）,五、合金结构钢和合金工具钢 ( All

12、oy Constructional Steel 化学热处理(如氮化) (38CrMoAl氮化钢),表面耐磨,4、合金弹簧钢（0.5-0.7%C）,成分特点与合金化原则：,中高C：0.45%0.70% 主: Si,Mn：提高淬透性，提高屈强比 辅: Cr, Mo, W, V：细化晶粒, 耐冲击, 高温强度好 控制杂质：优质（S0.04%, P 0.04% ） 或高级优质（S0.03%, P 0.035% ）,典型钢号及其应用,热处理特点,以Si,Mn合金化：65Mn, 60Si2Mn 用于汽车、拖拉机、机车的板簧和螺旋弹簧 以Cr,V,W合金化：50CrVA 350400以下重载、较大型弹簧 如

13、阀门弹簧、高速柴油机气门弹簧.,大型弹簧：热成形：热轧钢丝、钢板热成形法弯曲成型 淬火+中温回火喷丸 小尺寸弹簧：冷成形法 铅浴450-550oC等温冷拔钢丝 冷卷成型去应力退火喷丸 淬火+中温回火冷卷成型去应力退火 冷卷成型淬火+中温回火,5、滚珠轴承钢 （0.95-1.15%C）,高C：0.95%1.10%，GCr15中含C%1.5% 主：基本合金元素Cr（0.40-1.65）： 提高淬透性; 细化;提高耐磨性和接触疲劳抗力; 辅加元素：Si,Mn提高淬透性; V提高耐磨性,防止过热 纯度要求极高（S0.02%, P0.027%）,性能特点,高接触疲劳强度 高硬度和耐磨性 足够的韧性和淬透

14、性 一定耐蚀能力和良好尺寸稳定性,用途：滚动轴承的滚动体、内外套圈 密量具、模具、机床丝杠,典型钢号及其应用,热处理特点,Cr轴承钢：GCr15中小型轴承；冷冲模,量具,丝锥。 添加Mn,Si,Mo,V的轴承钢： GCr15SiMo,GSiMnMoV制造大型轴承.,正火：消除网状Cem 球化退火：便于切削, 使(碳化物)细小均匀,为淬火作准备 淬火：细针M+A 冷处理（-60-80 ）：(精密零件)尺寸稳定 低温回火： M 时效：120140,1020h去应力,稳定尺寸,6、合金工具钢 (0.6-1.5%C)刃具钢、模具钢、量具钢,典型钢号及其应用,低合金刃具钢（250-300oC） Si-C

15、r系:9SiCr如,板牙,丝锥,冷冲模, 木工工具,低速切削刃具 Cr-W-Mn系:CrWMn 如拉刀,冲模,样板,量规 高速钢高速切削刃具（ 600oC） W系:W18Cr4V热硬性突出，降低热处理脱碳、过热倾向 W-Mo系:W6Mo5Cr4V2热塑性、韧性突出,热处理特点,低合金刃具钢 正火球化退火机加工淬火低温回火 高速钢 锻造（莱氏体碎化）球化退火(预热)淬火(1220-1280oC) 回火(550-570oC，三次),双头钻,高速钢刀具,（2）合金模具钢(略),性能特点,冷模具钢 高硬度:HRC58-62 高耐磨性 足够韧性与疲劳抗力 热处理变形小 热模具钢 高的热硬性和高温耐磨性

16、高的抗氧化性 高的热强性 足够高的韧性与热疲劳抗力,用途冷模具、热模具,典型钢号及其应用,冷模具：一般低合金刃具钢 大型Cr12型钢， Cr12MoV 冷挤压模6Cr4Mo3Ni2WV(基体钢)， Ni18Co9Mo5TiAl(马氏体时效钢) 热锻模：韧性高，热硬性不高：5CrMnMo、5CrNiMo 热强度高：3Cr2W8V,热处理特点与使用态组织,冷模具： 低合金刃具钢：正火球化退火淬火低温回火 Cr12型钢：950-1000oC淬火150-180oC低温回火 1100-1150oC淬火510-520oC多次回火 使用态组织： M合金 少量A 热模具： 热锻模：淬火550oC高温回火S-T

17、组织 热压模：淬火600oC多次回火M粒状,六、特殊性能钢不锈钢,1抗腐蚀原理,. 金属腐蚀的方法(化学腐蚀、电化学腐蚀) . 金属腐蚀破坏的方式: 均匀腐蚀 晶间腐蚀 点腐蚀 应力腐蚀 腐蚀疲劳,不锈钢带,d.不锈钢的合金化原理： 含C量尽可能低；一般0.1-0.2，刃具和轴承0.85-0.95（同时 Cr ） 加入Crn/8定律含量12.5%电极电位跃升(如M不锈钢)； 含Cr量12.7%单相F(如F不锈钢)； 加入Ni 单相A或F+A(如A不锈钢)； 加入Ti、Nb 晶界腐蚀,c.金属抗腐蚀的原理： 单相组织原电池形成可能性，金属电极电位抗腐蚀； 电极电位差、阳极电极电位； 表面保护膜钝

18、化,2常用不锈钢,按照不锈钢在高温（9001100）加热并在空气中冷却后的基本组织，不锈钢可以分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体铁素体不锈钢和沉淀硬化不锈钢。,固溶处理：1000保温，碳化物全部溶入中，快速冷却，防止 析出，获得单一 稳定化处理（Ti,Nb）：T: (Cr,Fe)23 C6溶解，Ti C, NbC化合不分解，防止(Cr,Fe)23 C6析出产生晶间腐蚀。,63 常用铸铁材料,一、 石墨化, 铸铁中的碳以石墨的形式析出的过程， 称为石墨化。,石墨化程度 ，G数量 ，基体中P数量 所以，石墨化程度决定了铸铁的组织：,按石墨形态分类,2、铸铁的组织和分类,a. 灰口

19、铸铁 片状石墨 b. 可锻铸铁 团絮状 c. 球墨铸铁 球状 d. 蠕墨铸铁 蠕虫状,3、影响石墨化的因素：,Fe-C合金的五大元素：C, Si, P, Mn, S,(1) 、化学成分,C是G的形成元素，C% ， G化；,碳当量：CE=C+1/3(Si+P),(2) 、冷却速度(V冷),G化是靠原子扩散进行的，需要温度、时间,二、灰口铸铁,1、灰口铸铁的组织,灰口铸铁的组织是由钢的基体组织与片状石墨组成。 钢的基体：铁素体、铁素体珠光体、珠光体， 三种灰口铸铁：F灰口铸铁、F+P灰口铸铁、P灰口铸铁（如图所示）。 其中珠光体灰口铸铁的强度最高，应用最广泛。,铁素体基体组织,铁素体基体+片状石墨

20、 X100,铁素体基体+片状石墨 X500,珠光体基体组织,珠光体基体+片状石墨 X100,珠光体基体+片状石墨 X500,铁素体+珠光体基体组织,铁素体和珠光体基体+片状石墨 X100,X500,2、灰口铸铁的牌号,如HT100, 表示30mm试样的最小抗拉强度值 100MN/m2,灰口铸铁常见牌号组织,（1） HT200、HT250、HT300多属孕育铸铁 （2）牌号越高，铸造性能越差，强度越高 （3）同一牌号，壁厚增加，抗拉强度下降,说明：,3、灰口铸铁的热处理,（1）、去应力退火 目的：消除铸造内应力，防止铸件开裂惑减少变形 （2）、改善切削加工性的退火 目的：消除白口组织，改善切削加

21、工性 （3）、表面淬火 目的：提高表面的硬度和耐磨性，其方法有火焰淬火、感应淬火和电接触淬火。,热处理只能改变铸铁的基体组织， 不能改变石墨的形态和分布。,效果不大,二、可锻铸铁,完全白口铸铁，经长时间石墨化退火（900980oC）,1牌号 F可锻铸铁KT3006 最低抗拉强度和延伸率 P可锻铸铁KTZ4505 最低抗拉强度和延伸率 2热处理 a）铸造纯白口铸铁 b）经长时间石墨化 c）控制不同冷速获得F 和P基体的可锻铸铁。,可锻铸铁显微组织,基体+团絮状石墨 X100,基体+团絮状石墨 X500,腐蚀后,F+P基体+团絮状石墨 X100,F+P基体+团絮状石墨 X500,三、球墨铸铁,1、

22、组织与性能：(F, F+P, P) + 球状G,G球对基体的割裂、应力集中减小到最低程度，所以， 机械性能大大提高。,珠光体铁素体球墨铸铁,在铸态下，球墨铸铁的基体组织一般为：铁素体珠光体少量自由渗碳体。经热处理后可获得基体为平衡组织的球墨铸铁：,QT40017 表示最低抗拉强度值是400MPa和最低延伸率17,2、球墨铸铁的牌号,3、球墨铸铁的热处理,特点,（1）共析转变温度显著提高，并变成一个相当宽的温度范围，而不是恒定的共析转变温度。 （2）当在共析转变温度之上加热且球墨铸铁的基体组织完全奥氏体化后，若继续升高温度或延长保温时间，则奥氏体中的含碳量将因石墨的溶入而增加。 （3）使C曲线右移，并形成两个“鼻子”，这使淬火临界冷却速度降低，淬透性增大，因此一般中小铸