[材料科学]第7章工业用钢简.ppt

第七章 工业用钢 重点：钢的成分、组织、性能特点及热处理工艺的确定。 难点：钢的合金化。 钢的分类：,第一节 碳 钢 碳钢的分类： 碳素结构钢(工程构件) 优质碳素结构钢（机器零件） 碳素工具钢 碳素铸钢,一、碳素结构钢(工程构件) 1质量：普通 S0.035%0.050%， P0.035%0.045%。 2含碳量：中、低 C = 0.06%0.38%。,3牌号： 质量等级符号 Q235A（B、C、D） F（Z、b、TZ） 脱氧程度 屈服强度，单MPa “屈”,4热处理：热轧或正火 5性能： 强度不高，塑性较好； 锻造和焊接等加工性能良好； 价格便宜。,6应用： 一般工程构件； 机器结构件； 不重要零件，如焊接件、铆接件，螺栓等。,二、优质碳素结构钢 （机器零件用钢） 1质量：优质 S0.035%，P0.035%； 2含碳量：低、中、高， C = 0.08%0.85%；,3牌号： 两位有效数 +（Mn） 当Mn=0.7%-1.3%标出 含碳量的万分数 例：45 45 Mn,4牌号、性能、热处理和应用,三、碳素工具钢 1质量： 优质 S0.035%，P0.035%； 高级 S0.02%，P0.03%。 2含碳量：高 C = 0.7%1.3%。,3牌号： T + 数字 + A 高级 含碳量的千分数 “碳” 例：T12A,4、碳素工具钢的热处理： 淬火 + 低温回火。 5、碳素工具钢的性能： 硬度高（5862HRC）； 塑性和韧性低； 淬透性与红硬性差。,5、碳素工具钢的应用： 多用于制造低速刃具； 手用工具； 量具。,四、碳素铸钢 1、质量：优质 P、S 0.04 %。 2、含碳量：中、低 C = 0.2 % 0.6 %。 3、牌号： ZG + 屈服强度-抗拉强度值 例、ZG200-400。,4、性能： 力学性能优于铸铁； 铸造性能较差。 5、应用： 形状复杂，同时要求力学性能好的铸造零件。,碳钢的不足： 淬透性低； 回火抗力差； 不具备特殊的物理化学性能； 屈强比低： 碳钢约为0.6； 合金钢一般为0.850.9。,第二节 钢的合金化 1合金元素对钢中基本相影响 2合金元素对铁碳相图的影响 3合金元素对钢热处理的影响 总 结,第二节 钢的合金化 1合金元素对钢的基本相影响 1）形成“合金铁素体” 与碳亲合力很弱的合金元素，形成“合金铁素体”； 作用：固溶强化。,2）形成“合金渗碳体” 与碳亲合力较强的合金元素，形成“合金渗碳体”。 比渗碳体更稳定，硬度更高； 作用：第二相强化。,3）形成“特殊碳化物” 与碳亲合力很强的碳化物元素，倾向于形成特殊碳化物。 具有更高的溶点、硬度与耐磨性，而且更稳定。,2合金元素对Fe-Fe3C相图的影响 1）使S点、E点左移 致使含碳量小于0.77%的钢成为过共析钢。,例1、 餐具厂用4Cr13钢制作餐刀是由于大量Cr的加入使S点左移，虽然它的平均含碳量为0.4%，但已是过共析钢了。,另外，绝大多数合金元素的加入使E点左移，致使含碳量小于2.11%的钢中出现莱氏体（称这类钢为莱氏体钢）。,例2、 高速钢W18Cr4V中的平均含碳量为0.7%0.8%，但它属于莱氏体钢。,2）扩大或缩小区 当加入量达一定值时，可能使室温下的组织成为单相奥氏体或单相铁素体。,例3、 Ni 27% 奥氏体钢； 9%Ni + 18%Cr 奥氏体钢。 例4、Cr 17% 铁素体钢。 3）影响钢的热处理温度 Ac1、Ac3、Accm上升，因此合金钢热处理加热温度比碳钢高。,3合金元素对钢热处理的影响 1）细化晶粒 减缓奥氏体的形成过程。 阻碍奥氏体晶体晶粒长大。 例如：20CrMnTi,2）增加钢的淬透性 使C曲线右移，降低临界冷却速度，增加钢的淬透性。 Ms点、Mf点下移，使钢在淬火后残余奥氏体量增多。,3）对钢回火转变的影响 （1）增大回火抗力（回火稳定性）,例如：,因此，在保持相同硬度的条件下，合金钢的回火温度比碳钢高些，从而使内应力消除得更充分，韧性也更高。,（2）产生“二次硬化”现象,造成二次硬化的主要原因： 钢中加入强碳化物形成元素 在500600回火； 析出高度弥散的特殊碳化物，如Mo2C，W2C，VC等； 使硬度反而上升。,（3）出现“第二类回火脆性”,形成的条件： 镍铬钢； 在450650回火； 缓慢冷却后冲击韧度剧烈下降 例如、40Cr、35CrMo,产生的原因： 镍、铬造成杂质在晶界偏析。 防止措施： 小零件：在此温度范围内回火后快冷。 大零件：在钢中加W1%或Mo0.5%。,合金元素的作用总结,合金钢优点 透性好，可油淬，变形小； 红硬性（回火稳定性）高； 屈强出的数值一为0850.9; 可节省2030 材料，可制作大尺寸、复杂、高强零件。,第三节 合金结构钢 一、低合金高强度结构钢 （工程构件用钢） 1、性能要求 1）具有良好的综合力学性能： b=350650MPa，=1623%，k=6070J/cm2,2）良好的工艺性能： 易于冷热加工成形，且具有优良的焊接性。 3）较好的抗蚀性。 4）较低的临界脆性化温度： 一般为-30左右。,2、成分特点 1）含碳量较低：0.1%-0.2%C； 2）锰为主加元素：强化铁素体； 3）加元素V、Ti等：细铁素体晶粒； 4）加P、Cu等：提高耐腐蚀性能。,3、牌号、成分、性能与用途 Q 345 C （旧牌号16Mn） 质量等级符号 屈服强度，单位MPa “屈”,4、供货状态： 热轧。 5、热处理：重要件进行正火。 6、显微组织：铁素体+珠光体。 7、应用： 工程用钢，占总钢量的20% 左右。,二、合金渗碳钢 1工作条件： 拉伸、曲、转等变形破； 表面磨损及接触疲劳破坏； 受强烈冲击。 2. 性能要求： “外硬里韧”或“外硬里强韧”,3成分特点 1） 低碳； 2） Cr、Mn提高淬渗性； 3） Ti细化晶粒。 4. 主要钢种：20Cr、20CrMnTi,5加工工艺路线 下料锻造正火机械加工渗碳（930）（直接或一次或二次）淬火（830） 低温回火（200）磨削精加工装配,三、合金调质钢 1工作条件 受力复杂 较大的弯矩，传递扭矩； 且受力是交变的； 启动或刹车时有较大冲击； 有些轴类零件与轴承配合时还会有摩擦磨损。,2其性能要求 有良好的综合机械性能，即高强韧性的统一。 3成分特点 中碳； Cr、Mn提高淬透性； Mo抑制第二类回火脆； Ti细化晶粒。,4主要钢种： 40Cr、35CrMo（42CrMo）。 5加工工艺路线： 下料锻造正火粗加工调质处理（局部感应淬火 + 低温回火）精加工装配。,局部硬化：采用表面感应淬火及自回火，得到表面组织为回火马氏体，使耐磨性提高。 6应用 机床主轴、汽车半轴、曲轴、连杆和高强螺拴等零件。,四、合金弹簧钢 1性能要求： 1）作用：减振储性； 2）失效形式： 疲劳断裂和失去弹性。 3）性能要求：,（1）高的S、-1和s/b； （2）一定的、k； （3）淬透性好； （4）好的环境稳定性。,2成分特点 （1）含碳量中、高； （2）加Si、Mn提高淬透性，强化铁素体F。 3常用弹簧钢： 65Mn、60Si2Mn。,4加工工艺路线 1）冷成形弹簧： 对小型弹簧，一般在热处理强化后冷拔或冷卷成形。 其强度极限可达1600MPa以上，且表面质量好。,2）热成形弹簧： 对于中大型弹簧加热至奥氏体区进行热卷成型； 淬火+中温回火+喷丸处理； 得到回火屈氏体组织； 高的弹性极限和足够韧性。,五、滚动轴承钢 1、工作条件 受载面积很小，有很高的集中交变载荷； 接触部位滚动和滑动摩擦。,2. 性能要求 1）高的表面硬度61-65HRC，提高耐磨性； 2）高的弹性极限和接触疲劳强度 3）足够的韧性和淬透性； 4）良好尺寸稳定性； 5）一定的耐蚀性。,3成分特点 1）高碳低铬：0.95-1.15%C、 Cr1.6%，形成铬碳化物； 2）Cr、Mn、Si等提高淬透性，强化铁素体； 3）严控S、P，确保接触疲劳性能。,4牌号: GCr15、GCr9 （数字表含Cr量为千分之几）。 5加工工艺路线： 锻造 球化退火 机械粗加工 淬火+冷处理 低温回火 磨削 去应力回火。 6. 显微组织 回火马氏体 + 细小弥散碳化物。,第四节 合金工具钢 一、刃具钢 1工作条件 承受切削力、切削热、冲击、震动、强烈摩擦等作用。,2性能要求 高硬度、高耐磨性（HRC60）； 高的红硬性； 一定的强韧性，防止刀刃折断 、崩刃。,3成分特点 高碳：0.7-1.3%； 常加入合金元素Cr、W、Mo、V等，提高红硬性、耐磨性、淬透性及防止其变形。 严格限制S、P含量，保证工具钢具有一定韧性。,4加工工艺路线 下料 锻造球化退火 机械粗加工 淬火 低温回火 磨削 装配,5.常用刃具钢牌号与热处理,二、模 具 钢 1冷作模具钢 冲裁模、拉拨模、冷镦模 1）工作条件 冲击载荷、强烈摩擦、很高压应力和弯应力、切削温度200300。,失效形式：磨损、崩刃、变形、断裂。 2）性能要求 高硬度和耐磨性； 高强度和疲劳抗力； 一定的韧性；好的淬透性； 热处理变形小。,3）化学成分 高碳； 高合金（提高淬透性、二次硬化、防回火脆性）。 4）热处理工艺 正火 + 球化退火； 淬火 + 低温回火（或高温回火）,5）组织：M回+ 合金碳化物 + Ar 6）常用冷作模具钢： Cr12、Cr12MoV 7）选择原则： 尺寸小，形状简单的模具，可选用淬透性低有碳素工具钢；,形状复杂的模具，可用低合金工具钢。 批量大、寿命高或载荷较重的模具可选择Cr12型钢，其中Cr12MoV应用最广，有微变形钢的美称。 对于承受重载荷的或要求高热硬性时可用高速钢制作模具。,2热作模具钢 锤锻模、热压模、压铸模 1）工作条件 载荷复杂；强烈摩擦、工作温度500900、冷热循环。 失效形式： 磨损、崩裂、塌陷、龟裂。,2）性能要求 高温综合性能好； 高淬透性； 低回火脆性； 良好的韧性； 良好抗氧化和冷热疲劳的能力。,3）化学成分 （1）中碳； （2）中高合金： 提高淬透性、韧性；二次硬化；防回火脆性。,4）常用热作模具钢和热处理： 正火：改善切削性能； （1）热锻模： 5CrNiMo 热处理工艺：调质处理。 组织：S回和T回,（2）热压模： 3Cr2W8V 热处理工艺： 淬火 + 三次560回火。 组织： M回 + 合金碳化物 + Ar。,第五节 不锈钢 在一定腐蚀介质中不受腐蚀或抗蚀性很高的钢称为不锈钢。 腐蚀是指钢与周围介质发生化学作用或电化学作用而受到破坏的现象。 金属抵抗腐蚀的能力称为金属的抗蚀性。,1、金属的腐蚀和防护 腐蚀形式：面腐蚀（均匀腐蚀）、点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、疲劳腐蚀等。 主要原因：电化学腐蚀。,1）电化学腐蚀的条件 必须有两种或两相金属； 有电解质溶液存在； 三者互相接触，形成微电池。,由于大气中含有蒸气、CO2和SO2等气体，在两种或两相金属之间很容易形成上述条件，所以常温下的腐蚀几乎都是电化学腐蚀。,2）防止金属腐蚀的方法 表面保护：发蓝、磷化、钝化、阳极化、喷漆、电镀等。 合金化：在金属中加入一定的合金元素，使其本身的抗蚀性提高。这是一种最有效的方法，可以从根本上防止金属腐蚀。,3）提高钢的耐蚀性途径 a获得单相组织： 加入Cr、Ni等，使钢成为单相铁素体、马氏体或奥氏体，无形成微电池的条件；,b提高基体相的电极电位 加入Cr后，溶入基体组织内可使电极电位显著提高，即使是有条件形成微电池，基体也成为阴极受到保护； 钢中含有12%以上的Cr时可显著提高其电极电位，因此不锈钢的含Cr量均大于12%。,c形成钝化薄膜 加入Cr等合金元素可使钢表面形成致密牢固的钝化膜，与介质隔离。,2、常用的不锈钢 按正火组织的不同，通常把不锈钢分为铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和奥氏体不锈钢。,1）铁素体不锈钢 Cr17型钢 强度低、塑性好； 较高的耐硝酸等氧化介质腐蚀的能力，不耐硫酸、盐酸； 作强度要求不高、耐硝酸和氨气的部件。,如石油化工设备的容器和管道。 抛光性能好，用于装饰品。 2）马氏体不锈钢 Cr13型钢 因含Cr