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文档简介
第五章工业用钢 仅以碳元素为主要合金元素的碳素钢在某些条件下难以满足机械性能或其它特殊性能要求 需要添加其它合金元素改善 合金钢是在以碳元素为主要合金元素的碳素钢的基础上发展起来的 在合金钢中 除了铁和碳以外 还含有为某种目的 如增加淬透性 提高强度 耐磨性 红硬性 耐热性 耐腐蚀性等等 而特意加入的其它合金元素 这些元素有Mn Si Cr Mo Ni W Ti V Nb等 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 二 合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的存在形式及主要作用 溶于铁素体内 形成合金铁素体 作用 固溶强化 溶于渗碳体内 形成合金渗碳体 如 Fe Cr 3C 作用 提高碳化物硬度和稳定性 和碳形成特殊碳化物 如Fe3W3 Cr23C6 Mo2C TiC 作用 特殊碳化物稳定 硬度高 可提高红硬性和耐磨性 特殊碳化物细小弥散 起弥散强化作用 合金元素对硬度的影响 合金元素对冲击韧性的影响 与碳作用形成合金碳化物 Fe Mn Cr Mo W V Ti Nb Zr 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 三 合金元素对Fe Fe3C相图的影响 扩大奥氏体区缩小奥氏体区改变共晶点和共析点的参数 1 扩大奥氏体区的合金元素 面心立方晶格的Mn Ni Co等元素以及N和C 作用 使A3线温度下降 A4线温度上升 Mn元素对奥氏体区的影响 2 缩小奥氏体区的合金元素 体心立方晶格的Cr Mo W V Ti Si等元素 作用 使A3线温度上升 A4线温度下降 Cr元素对奥氏体区的影响 3 改变共晶点和共析点参数的元素 几乎所有的合金元素 作用 使S点和E点的成分向左移 即移向低碳的方向使A1线的温度变化 合金元素对S点成分的影响 合金元素对A1线的影响 四 合金元素对钢的热处理的影响 加热时对奥氏体形成的影响对过冷奥氏体转变的影响对回火转变的影响 1 合金元素对加热时奥氏体形成的影响 除Mn元素外 所有合金元素的加入 均使奥氏体的形成速度减慢 强碳化物形成元素能强烈的阻止奥氏体晶粒长大 Ti V Zr Nb等 非碳化物形成元素能轻微的阻止奥氏体晶粒长大 Si Ni Cu Co等 2 合金元素对过冷奥氏体转变的影响 除Co元素外 所有的合金元素均使钢的TTT曲线向右移 推迟奥氏体向珠光体和贝氏体转变的过程 提高淬透性 除Co Al元素外 所有的合金元素都使马氏体转变温度下降 提高钢的淬透性 常用的元素有 Cr Mn Mo Si Ni B等 3 合金元素对回火转变的影响 回火抗力的增加阻碍F 和C的扩散 提高马氏体的稳定性 推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变 阻碍碳化物的析出和聚集长大 二次硬化的产生 红硬性提高 削弱回火脆性 W M W Mo V等碳化物在550 时 使钢达到最高硬度 产生二次硬化 Cr Ni钢的回火脆性示意图 防止第二类回火脆性的产生的方法 在500 600 快速冷却 加入合金元素W Mo 因此 根据合金元素在钢中的作用 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 配合主加元素进一步提高钢的性能 弥补主加元素的不足与缺陷 W Mo V Ti Nb 第二节钢的分类和编号1 分类钢材种类繁多 为便于生产使用和研究 进行了如下分类 1 按化学成份分类钢按化学成份不同可分为碳素钢和合金钢 碳素钢按碳含量的不同又分为低碳钢 含碳量小于0 25 中碳钢 含碳量为0 25 0 6 和高碳钢 含碳量大于0 6 合金钢按合金元素总量分为低合金钢 合金元素总量小于5 中合金钢 合金元素总含量为5 10 高合金钢 合金元素总量大于10 有时 按合金钢中所含主要合金元素将合金钢分为锰钢 铬钢 铬钼钢或铬锰钛钢等 2 按供应态的显微组织分类一般钢的供应状态有退火态和正火态两种 按正火态组织将钢分为珠光体类 贝氏体类 马氏体类及奥氏体类钢 在这里也不排除有过渡型混合组织出现的可能 按退火态 即平衡态 组织可将钢分为亚共析 共析和过共析钢 按用途分类结构钢工具钢特殊性能钢 2 钢的编号我国的钢材编号是采用国际化学符号 数字及汉语拼音字母并用的原则 按碳含量 合金元素的种类和数量以及质量级别来编号的 1 普通结构钢2 优质碳素结构钢3 碳素工具钢4 合金结构钢5 合金工具钢6 滚动轴承钢7 不锈钢及耐热钢 1 普通碳素结构钢 普碳钢 该类钢牌号表示方法是由代表屈服点的字母 Q 屈服强度数值 MPa值 质量等级符号 A B C D 及脱氧方法符号 F b Z TZ 等四部分按顺序组成 Q235 A F 2 优质碳素结构钢该类钢的钢号用钢中平均含碳量的两位数字表示 单位为万分之一 如钢号45 表示平均含碳量为0 45 的钢 这是正常含锰量 按杂质含量 的优质碳素结构钢的钢号表示方法 对含锰量较高的钢 须将锰元素标出 所谓较高含锰量系指含碳量大于0 6 含锰量在 0 9 1 2 者及含碳量小于0 6 含锰量 0 7 1 0 者 数字后面附加化学元素符号 Mn 例如钢号25Mn 表示平均含碳量为0 25 而含锰量为 0 7 1 0 的钢 45 Wc 0 45 较高锰质量分数的优质碳素结构钢45Mn Wc 0 45 WMn 0 7 1 0 3 碳素工具钢碳素工具钢是在钢号前加 T 表示 其后跟以表示钢中平均含碳量的千分之几的数字 如平均含碳量为0 8 的工具钢 其钢号记为 T8 含锰量较高者须在钢号后标以 Mn 若为高级优质碳素工具钢则在钢号末端加 A 如T10A T12A 4 合金结构钢该类钢的牌号是由 数字 元素 数字 三部分组成 前面的数字 为两位数 表示平均含碳量的万分数 合金元素以化学元素符号表示 合金元素后面的数字 一位或两位数 表示该元素的平均百分含量 如果合金元素平均含量低于1 5 时 则不标明其含量 当其平均含量大于或等于1 5 至2 5 时则在元素后面标 2 依此类推 如60Si2Mn钢 其平均含碳量约0 6 含硅2 及含锰1 5 合金工具钢该类钢的编号原则大体同合金结构钢 只是含碳量的表示方法不同 而合金元素的表示方法相同 钢号前表示其平均含碳量的是一位数字 为其千分数 当平均含碳量大于或等于1 0 时 则不标出含碳量 例如9Mn2V钢的平均含碳量为 0 85 0 95 而CrMn钢中的平均含碳量则为 1 3 1 5 高速钢是一类高合金工具钢 其钢号中一般不标出含碳量 仅标出合金元素符号及其平均含量的百分数 如W18Cr4V钢的平均碳含量为 0 7 0 8 而合金元素含量则约为18 W 4 Cr和1 V 6 滚动轴承钢该类钢含碳量较高 一般约为0 95 1 15 在钢号中不标明 其钢号前冠以G表示 滚动轴承 钢 其后为铬 Cr 数字 其它合金元素 数字 表示 数字表示铬平均含量的千分数 而其它合金元素后的数字则表示其百分数 如 滚铬15 即GCr15 即是铬平均含量为1 5 滚动轴承钢 7 不锈钢及耐热钢这两类钢钢号前面的数字表示平均含碳量的千分数 如 9铬18 即9Cr18 表示该钢平均含碳量为0 9 但碳含量小于0 03 及0 08 者 在钢号前分别冠以 00 及 0 如 00铬18镍1 即00Cr18Ni10 等 应指出 上述钢中能起重要作用的微量元素如钛 铌 锆等虽然含量较低 一般小于1 甚至小于0 01 但应在钢号中标出 且元素符号后不附加数字 而当其在某些钢中含量大于1 时 则必须在元素符号后加上其含量的百分数 第三节合金结构钢 AlloyConstructionalSteel 普通低合金钢合金渗碳钢合金调质钢弹簧钢滚动轴承钢易切削钢 一 普通低合金钢 commonlow alloyedsteel 1 化学成分 碳素结构钢 合金元素 主加合金元素 Mn1 8 以内 辅加合金元素 V Ti Nb B 2 牌号 Q345C 3 热处理特点 热轧空冷状态下使用 不需要进行专门的热处理 在有特殊需要时 如为了改善焊接接头性能 可进行一次正火处理 Q460钢含Mo B 正火组织为B 强度高 用于石化中温高压容器 压力容器 南京长江大桥 Q345钢 16Mn 综合性能好 用于船舶 桥梁 车辆等大型钢结构 16Mn是我国低合金高强钢中发展最早 使用最多 产量最大的钢种 例如南京长江大桥 广州电视塔等 Q390钢含V Ti Nb 强度高 用于中等压力的容器 4 典型普通低合金钢 二 碳素渗碳钢及合金渗碳钢 1 对渗碳钢的性能要求 2 对渗碳钢的含碳量的要求 低碳 3 渗碳钢的热处理特点 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 心部 低碳M回 F 4 合金渗碳钢的牌号 20Mn2TiA 5 典型合金渗碳钢种介绍 低淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量 3 15Cr 20Cr 20Mn2 用于受力小的耐磨件 如柴油机的活塞销 凸轮轴等 中淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在4 左右 20CrMn 20CrMnTi 20Mn2TiB 用于中等载荷的耐磨件 如变速箱齿轮 柴油机凸轮轴 活塞销 20Cr 高淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在4 6 18Cr2NiWA 20Cr2Ni4A等 用于大载荷的耐磨件 如柴油机曲轴 柴油机曲轴 三 碳素调质钢及合金调质钢 1 对调质钢的性能要求 既强又韧 2 对调质钢的含碳量的要求 中碳 3 调质钢的热处理特点 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 心部 P F 表层 S回 心部 S回 4 合金调质钢的牌号 40Cr40Mn40MnB35CrMo38CrMoAlA25Cr2Ni4WA 5 典型合金调质钢种介绍 低淬透性调质钢 钢含合金元素总量 3 40Cr 40MnB等 中淬透性调质钢 钢含合金元素总量在4 左右 38CrSi 35CrMo等 常用于制造较小的齿轮 轴 螺栓等零件 高淬透性调质钢 钢含合金元素总量在4 10 制造大截面重载荷零件 如曲轴等用高淬透性的零件等 38CrMoAlA 40CrMnMo 25Cr2Ni4WA等 四 碳素弹簧钢及合金弹簧钢 1 对弹簧钢的性能要求 高的 e 高的 s b 高的 1 良好的韧性 2 对弹簧钢含碳量的要求 中 高碳 3 热成型弹簧钢的热处理特点 淬火 中温回火 450 550 碳素弹簧钢 合金弹簧钢 化学成分 热处理后的组织 Wc 0 6 0 9 Wc 0 5 0 7 合金元素 Si Mn Cr V W Mo等 T回 制造尺寸小于 8 15mm的小型弹簧 T回 制造尺寸在 20 25mm左右的弹簧 4 合金弹簧钢的牌号 6565Mn55Si2Mn60Si2Mn50CrVA50CrMnA55SiMnMoVNb 5 弹簧生产工艺特点弹簧钢按其成形方法分为冷成型 强化后成形 及热成形 成形后强化 两类 其相应加工和热处理工艺为 1 冷成形弹簧 对小型弹簧 如丝径小于 8 10 mm的螺旋弹簧或钢带 一般在热处理强化后冷拔或冷卷成形 为改善塑性提高强度 一般应在成形前等温冷却得到均匀细珠光体组织 如铅浴 450 550 等温淬火冷拔钢丝工艺 或在冷拔工序中加入680 中间退火 冷拔钢丝工艺 而在冷成形完成后必须要进行一次消除内应力 稳定尺寸并提高弹性极限的定型处理 处理温度为 250 300 保温 1 2 h 冷成形后弹簧直径越小强化效果越好 强度极限可达1600MPa以上 且表面质量好 2 热成形弹簧 对于中大型弹簧一般应加热至奥氏体区进行热卷成型 并使成形温度略高于淬火温度 利用余热淬火 然后进行中温回火 回火温度 350 450 得到回火屈氏体组织 保证了高的弹性极限和足够韧性 对热成形弹簧 由于加热过程易造成表面氧化和脱碳等缺陷 故一般还要补充进行一道表面喷丸处理 这样可大大提高其疲劳强度和寿命 如汽车板簧用60Si2Mn钢热成型后 经喷丸处理可使其寿命提高 3 5 倍 五 滚动轴承钢 bearingsteel 1 性能要求 高的硬度强度和耐磨性 高的接触疲劳强度 足够的韧性和耐蚀性 高的纯净度 2 化学成分特点 高碳 Wc 0 9 1 1 主加Cr 0 4 1 65 辅加Si Mn 优质钢材 3 热处理特点 球化退火 淬火 低温回火 极细回火马氏体 细粒状碳化物 少量残余奥氏体 4 滚动轴承钢的牌号 GCr9SiMn 六 易切削钢 fee cuttingsteel 2 性能要求 降低切削力和切削热 减少刀具磨损 延长刀具寿命 改屑性能 提高切削速度 3 化学成分特点 1 用途 适用于高速切削和在自动加工机床上加工的材料 S Ws 0 08 0 3 Pb WPb 0 15 0 25 Ca 微量 4 易切削钢的牌号 Y40Mn 5 易切削钢的热处理工艺特点 低碳易切削钢 Y12 Y15 Y20 渗碳或淬火成低碳马氏体 中碳易切削钢 Y40 调质及表面淬火 第四节合金工具钢 合金刃具钢 alloycuttingsteel 合金模具钢 alloydiesteel 合金量具钢 alloymeasuringsteel 量具 刃具 一 碳素刃具钢 1 性能要求 高硬度 高耐磨性 有一定的强度和韧性 2 化学成分特点 高碳 3 热处理特点 淬火 低温回火 4 组织 M回 Fe3C A残 5 用途 用于低速 低温 200 低冲击 硬度在HRC62左右的刃具 锉刀 手锤 二 合金刃具钢 种类 低合金刃具钢 高速钢 牌号 1 低合金刃具钢 1 性能要求 高硬度 高耐磨性 有一定的红硬性 强度和韧性 工作温度不超过300 2 化学成分特点 高碳 加入Cr Mn Si W V等合金元素 3 热处理特点 2 高速钢 high speedsteel 1 性能要求 高硬度 高耐磨性 高的红硬性 600 时 HRC63以上 有一定的强度和韧性 高速钢 锋钢 白钢 18 4 1钢 2 化学成分特点 高碳0 7 1 5 钨18 钼5 铬4 钒1 5 保证高硬度 退火状态下形成M6C碳化物 在560 左右回火时 弥散析出W2C 造成二次硬化 提高钢的红硬性 1 Mo的作用等同于2 W 形成Cr23C6碳化物 提高钢的淬透性 形成VC 硬度极高 提高钢的硬度和耐磨性 产生二次硬化 3 W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点 铸造锻造球化退火机加工淬火 三次570 回火磨削加工 铸造 高速钢属于莱氏体钢 铸态组织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物M6C 钢的韧性大幅下降 W18Cr4V钢的铸态组织 W18Cr4V钢的铸态组织 W18Cr4V铸态组织420 锻造 鱼骨状碳化物不能用热处理来消除 只能依靠反复多次锻打来击碎 W18Cr4V锻造组织210 球化退火 消除应力 调整组织 便于机加工 为淬火作好组织准备 球化退火后的组织 S 粒状Cm W18Cr4V球化退火组织420 W18Cr4V钢的热处理过程示意图 淬火 1280 淬火后的组织 M Cm A残 20 25 W18Cr4V钢淬火组织 W18Cr4V淬火组织300 三次570 回火 在570 回火时 产生二次硬化 三次570 回火 淬火后A残约20 25 第一次回火后A残约剩15 18 第二次回火后A残约剩3 5 第三次回火后A残约剩1 2 回火后的组织 M回 Cm A残 1 2 组织硬度为65HRC以上 W18Cr4V淬火 一次回火组织 W18Cr4V淬火 一次回火组织105 W18Cr4V淬火 三次回火组织 W18Cr4V淬火 三次回火组织420 三 合金模具钢 alloydiesteel 热作模钢 工作温度为600 以上 冷作模钢 工作温度为200 300 一 热作模钢 hotdiesteel 1 性能要求 高的热硬性 高温耐磨性 高的抗氧化能力 高的热强性和足够高的韧性 高的热疲劳抗力 防止龟裂 高的淬透性和导热性 2 化学成分特点 中碳0 3 0 6 合金元素 Cr Ni Mn Si Mo W V 曲轴模具 3 热处理特点 热锻模钢 5CrMnMo热处理工艺 淬火 550 回火热处理后的组织 S回或T回 热压模钢 3Cr2W8V热处理工艺 淬火 600 三次回火热处理后的组织 M回 Cm粒状 汽车四缸压铸模 二 冷作模钢 colddiesteel 1 性能要求 高的硬度 HRC62 高的耐磨性 足够高的韧性与疲劳抗力 热处理变形小 2 化学成分特点 高碳1 2 合金元素 Cr Mo W V 汽车冲压模具 3 热处理特点 一次硬化法 淬火 低温回火 950 1000 150 180 二次硬化法 淬火 三次回火 1100 1000 510 520 热处理后的组织 M回 Cm A残 牌号 Cr12 Cr12MoV 四 合金量具钢 1 性能要求 高的硬度 HRC62 高的耐磨性 高的尺寸稳定性 足够高的心部韧性 热处理变形小 尺寸稳定 良好的耐蚀性 3 热处理特点 4 热处理后的组织 M回 Cm 5 牌号 CrWMn 4Cr13 GCr15 9SiCr T12A 60等 2 化学成分特点 高碳0 9 1 5 合金元素 Cr Mn W 第五节特殊性能钢 特殊性能钢是指具有特殊物理化学性并可在特殊环境下工作的钢 如不锈钢耐热钢 耐磨钢及低温用钢等 不锈钢 stainlesssteel 耐热钢 heat resistantsteel 耐磨钢 wear resistantsteel 一 不锈钢 stainlesssteel 1 定义 在腐蚀介质中具有很高的抗腐蚀能力的钢 2 概念 在空气中的年腐蚀量为0 01mm以内的钢 称为在空气中使用的不锈钢 在强酸 强碱介质中的年腐蚀量为0 1mm以内的钢 称为在强酸 强碱介质中使用的不锈钢 3金属腐蚀的机理 金属腐蚀的种类 1 化学腐蚀 金属与介质 干燥气体和非电解质溶液 发生化学反应而产生的腐蚀 例如 高温氧化 脱碳等 2 电化学腐蚀 金属与介质 电解质溶液 即酸 碱 盐溶液 发生电化学反应而产生的腐蚀 电化学腐蚀过程示意图 珠光体电化学腐蚀示意图 4 金属的防腐措施 1 覆盖层保护 涂漆 电镀 发蓝 磷化等工艺 2 形成氧化层 加入合金元素Cr Al Si等 形成Cr2O3 SiO2 Al2O3等氧化膜 3 提高金属的电极电位 加入合金元素Cr Ni Si等 提高金属基体的电极电位 4 使钢在室温下呈单相组织 加入合金元素Mn Ni Co等能扩大 区 可在室温获得奥氏体钢 加入合金元素Cr Mo W V Ti Si等能扩大 区 可在室温获得铁素体钢 5 减少与消除钢中的各种不均匀现象 偏析 应力 组织等 6 牺牲阳极保护阴极 镶嵌一些比金属或合金基体电极电位更低的金属块 5 化学成分特点 低碳 耐蚀性要求愈高 碳含量愈低 合金元素 主加Cr 辅加Ni Mo Cu Ti Nb Mn等 6 常用的不锈钢 马氏体型不锈钢 铁素体型不锈钢 奥氏体型不锈钢 1 马氏体型不锈钢 Cr13型钢 化学成分特点 Wc 0 1 0 4 WCr 13 热处理特点 铬多碳高 正火后的组体是马氏体 性能 较高的强度 耐磨和耐蚀性 牌号 1Cr13 4Cr13 用途 医疗器械 医用镊子 1Cr13金相组织图 1Cr13供货状态组织 化染 580 2 铁素体型不锈钢 化学成分特点 Wc 0 1 左右WCr 17 热处理特点 不能进行热处理强化 牌号 1Cr17 1Cr17Ti 1Cr28等 用途 化工设备中要求耐蚀性高 塑性好 强度低的容器 管道等 铁素体型不锈钢的用途 硝酸生产装置 合成氨生产装置 3 奥氏体型不锈钢 18 8型钢 化学成分特点 Wc 0 08 0 14 WCr 17 19 WNi 8 11 Cu Ti Mo等 加工特点 不能进行热处理强化 只能冷塑性变形强化 热处理特点 固溶处理 稳定化处理 消除应力退火 牌号 0Cr18Ni9 1Cr18Ni9 0Cr18Ni9Ti 1Cr18Ni9Ti 用途 化工容器 管道等 1Cr18Ni9Ti固溶处理组织金相图 1Cr18Ni9Ti固溶处理组织580 二 耐热钢 1 定义 在高温下具有抗氧化性和高温强度的特殊钢 2 性能要求 抗氧化性 热稳定性 高温强度 热强性 蠕变强度 持久强度 3 提高钢的耐热性的途径 加入合金元素Cr Si Al等 在钢的表面形成稳定 致密的氧化膜 4 提高钢的耐热性的途径 1 固溶强化 加入W Mo Nb Ti V等元素强化基体 提高再结晶温度 2 弥散强化 加入Nb V Ti等元素形成碳化物 在晶内弥散析出 阻碍位错的滑移 提高塑变抗力 5 钢种及用途 抗氧化钢 不起皮钢 奥氏体型钢1Cr18Ni9Ti等 工作温度850 热强钢 珠光体型16Mo 工作温度600 马氏体型1Cr13 工作温度600 奥氏体型18 8型 工作温度850 耐热钢的用途 三 耐磨钢 wear resistantsteel 1 定义 在强烈冲击载荷作用下发生冲击形变硬化的高锰钢 2 性能要求 高硬度 耐磨性 韧性 3 化学成分特点 高碳Wc 1 1 3 高锰WMn 11 14 4 热处理特点 水韧处理 即固溶处理 将铸件加热至高温 1000 1100 并适当保温 使碳化物完全溶入奥氏体中 然后水淬激冷 使碳化物不析出而得到单相奥氏体组织 此时钢的硬度很低 约HB 190 220 但韧性很高 5 室温组织 过饱和单相奥氏体 水韧处理的工艺特征 铸态组织高锰钢 A A 表层MHB500 心部AHB220 A Cm 高锰钢铸态组织 高锰钢铸态组织 化染 58 高锰钢水韧淬火组织金相图 高锰钢水韧淬火组织 化染 58 高锰钢水韧淬火 回火组织金相图 高锰钢水韧淬火 回火组织 化染 105 5 牌号 ZGMn13 1 高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件 如拖拉机的履带板 球磨机的衬板 破碎机的牙板 挖掘机的铲齿和铁路的道岔等 第九章有色金属及其合金 钢 铁以外的金属材料称为非铁金属材料或有色金属材料 非铁金属元素有80余种 一般分为 轻金属 密度不大于4 5g cm3 常用轻金属有铝 镁 钛 钾 钠 钙 锂等 重金属 密度大于4 5g cm3 常用重金属有铜 铅 锌 镍 钴 锑 锡 铋 汞 镉等 贵金属 包括金 银 及铂族元素 高熔点金属 包括钨 钼 钽 铌 锆 铪 钒 铼等 稀土金属 包括钪 钇 和镧系元素 放射性金属 包括钋 镭 锕 钍 铀等元素 半金属 其物理和化学性质介于金属与非金属之间的元素 如硅 硒 砷 硼等 当前 全世界的金属材料总产量约10 11亿t 其中钢铁约占95 是金属材料的主体 非铁金属材料约占5 处于补充地位 但它的作用却是钢铁材料无法代替的 首先 非铁金属是各种合金钢 合金铸铁的合金化元素 添加少量 甚至微量非铁金属于普通钢铁中 可获得各种特殊性能的钢铁材料 从而最大限度发挥了钢铁材料的潜力 许多非铁金属可以纯金属状态应用于工业和科学技术中 如Au Ag Cu Al用作电导体 Ti用作耐腐蚀构件 W Mo Ta用作高温发热体 Al Sn箔材用于食品包装 Hg用于仪表 硅更是电子工业赖以生存和发展的材料 与黑色金属相比 有色金属的产量和使用量都很低 价格也昂贵 但相对于黑色金属 有色金属有许多优良的特性 在工业领域尤其是高科技领域具有极为重要的地位 例如铝 镁 钛 铍等轻金属具有相对密度小 比强度高等特点 广泛用于航空航天 汽车 船舶和军事领域 银 铜 金 包括铝 等贵金属具有优良导电导热和耐蚀性 是电器仪表和通讯领域不可缺少的材料 镍 钨 钼 钽及其合金是制造高温零件和电真空元器件的优良材料 还有专用于原子能工业的铀 镭 铍 用于石油化工领域的钛 铜 镍等 有色金属种类很多 在此只就工业中应用较广的铝 铜 轴承合金做些简单介绍 了解这些材料的典型性能特点 合金化及热处理以及材料一般用途等 第一节铝及其合金一 纯铝铝在工业中是仅次于钢铁的一种重要金属材料 这是由于铝具有如下的特点 1 铝的比重轻 为2 7 是铜的1 3倍 导电导热性好 仅次于银和铜 价格低廉 资源丰富 因此 目前被广泛用于电器工业和热传导机械中 2 铝在大气中有良好的抗腐蚀性 因为铝和氧亲和力强 在大气中铝的表面生成一层致密的A12O3薄膜 可以阻止铝的进 步氧化 3 铝具有面心立方晶格 塑性好 强度低 可经冷塑性变形使其强化 4 纯铝中含有Fe Si等杂质 随着杂质的含量增加 铝的性能将下降 工业纯铝的牌号有L1 L2 L3 L7 L 是铝字的汉语拼音字首 后边的数字表明纯度 数字愈大纯度愈低 含铝量高于99 93 的高纯铝 以LGl LG2 LG3 表示 其数字愈大纯度愈高 如LG5的含铝量 99 99 二 铝合金的分类纯铝的强度很低 不能制造承受载荷的结构零件 为了提高其强度 通常加入 定量的其它元素制成铝合金 这种合金强度较高 并且还可用变形或热处理的方法 进一步提高其强度 根据铝合金的成分及工艺特点 可分为形变铝合金和铸造铝合金两类 可结合铝合金状态图来说明 如课本图9 1所示 由图可知 成分小于D 点的合金在加热时能形成单相固溶体组织 这种合金塑性好 适于压力加工 故称为形变铝合金 成分大于D 点的合金 具有低熔点共晶组织 流动性好 适于铸造 但塑性低 不适于压力加工 故称为铸造铝合金 形变铝合金又可分为两类 成分小于F点的 其固溶体的成分不随温度的变化而变化 所以不能用热处理强化 这种合金称为热处理不能强化的铝合金 成分在F与D 点之间的合金 其固溶体成分随温度的变化而改变 因而可用热处理来强化 故称为热处理能强化的铝合金 铝合金的分类 形变铝合金 铸造铝合金 不能热处理强化铝合金 能热处理强化铝合金 三 铝合金的热处理一 退火 1 形变铝合金的退火 消除应力 硬度不变 消除加工硬化 降低硬度 便于冷塑性加工 2 铸造铝合金的退火 消除应力 均匀成分 二 时效强化 1 定义 在固溶处理后的合金随时间延续而发生进一步强化的现象 2 背景资料 1906年德国Duralumin首次发现 1910年德国A Welmer发明并获专利 1916年用于制造飞机 1938年Guinier Preston建立学说 人工时效 淬火后的铝合金随时间延长而发生的强化现象称为铝合金的 时效强化 或 时效硬化 在室温下进行的时效为自然时效 在加热条件下进行的为人工时效 下图为含4 Cu的铝 铜合金的自然时效曲线 由图可见 在时效开始阶段 强度不大 这段时间称为 孕育期 在此阶段铝合金的塑性好 易于进行铆接 变形等工艺操作 渡过孕育期后 强化速度显著提高 在5 15h内强化速度最快 经4 5昼夜后 强度就达到最高值 含4 Cu的铝合金自然时效曲线 铝合金经淬火后 在不同的温度下进行时效时 其效果也不同 时效温度愈高 时效速度愈快 但其强化效果愈低 含4 Cu的铝合金在不同温度下的人工时效曲线 四 形变铝合金 一 热处理不能强化的形变铝合金 防锈铝合金代号 LF 是 铝防 的汉语拼音字首 主要有Al Mn AI Mg合金 它们不能进行热处理强化 常采用冷变形方法提高其强度 常用的Al Mn合金有LF21 含Mn量在1 1 6 范围内 具有较高的强度并兼有较高的塑性 焊接性以及良好的抗蚀性 AI Mg合金中随着含Mg量的增加 其强度 塑性也增加 但当含Mg量 5 时 其抗应力腐蚀能力降低 当含Mg量 7 时 其塑性 焊接性能也变差 常加入少量Mn 0 3 0 8 以改善合金的抗腐蚀性及提高强度 加入少量的V Ti可细化晶粒 常用牌号有LF5 LF21等 二 热处理强化的铝合金1 硬铝硬铝的代号 LY 是 铝硬 的汉语拼音字首 硬铝基本上是A1 Cu Mg合金 其用途很广 经时效强化后 有很高的强度 硬度 硬铝按其所含合金元素的量以及时效强化效果的不同 分为三类 1 LYll是标准硬铝 也是应用最早的一种 含有中等数量的合金元素 主要的时效强化相是CuA12和CuMgAl2 强化效果较高 退火后有良好的加工工艺性 2 LY12是高合金硬铝 也叫高强度硬铝 含Cu Mg的量较多 强化相与LY11同 但量多 故强化效果更高 具有更高的强度和硬度 但塑性较差 3 LY1是低合金硬铝 含Cu Mg量较少 强化相与前一样 但量少 强度低 塑性好 其时效速度慢 淬火后有充分的时间进行铆接 故常用于作铆钉 又称 铆钉硬铝 硬铝的淬火温度范围很窄 例如LYl2是在490 503 范围内 若低于此温度范围 合金元素溶入量少 降低时效效果 若超过此温度范围 则容易产生过烧现象 硬铝抗蚀性差 在海水中尤甚 因为含Cu量较多 这种固溶体或化合物的电极电位比晶界高 易发生晶间腐蚀 常采用包铝的办法提高其抗蚀性 但包铝的硬铝强度要低些 Al Cu Mg通过时效强化提铝合金强度 但耐蚀性不高 LY1 LY11 LY12 2 超硬铝超硬铝的代号为LC 是 铝超 的汉语拼音字首 A1 Cu Mg Zn合金是目前强度最高的铝合金 常用的有LC4 LC6等 其时效强化相除上述相外 还有强化效果大的MgZn2相A12Mg3Zn3相 它的淬火温度范围较宽 为460 480 自然时效时间很长 需2 3个月 时效后的抗蚀性也降低 所以常采用人工时效 时效温度为120 时间时效为24h 为了提高抗蚀性 可采用提高时效温度的办法 135 145 16h 也可以用包铝的办法 Al Zn Mg Cu通过时效强化和形成的强化相 使铝合金达到最高的硬度和强度 但耐蚀性较差 LC4 LC9 飞机主起落架 3 锻造铝合金锻造铝合金代号为LD 是 铝锻 的汉语拼音字首 Al Mg Si Cu系合金是良好的锻造铝合金 含各种合金元素较少 有良好的热塑性 可铸出高质量的铸锭 锻造复杂的大型锻件 并有较高的机械性能 常用的有LD5 LD7 LDl0等 LD5与LDl0的时效强化相为多种 它们的供应状态 般都经淬火和人工时效处理 Al Mg Si Cu具有良好的热塑性 通过固溶处理和人工时效来提高铝合金的力学性能 LD5 LD6 LD10 压气机叶片 五 铸造铝合金 castaluminumalloy 铸造铝 硅合金铸造铝 铜合金铸造铝 镁合金铸造铝 锌合金 铸造铝合金要具有良好的铸造性能 因此必须有一定数量的共晶组织 其合金元素的含量也较形变铝合金多些 铸造铝合金的塑性差 常采用变质处理和热处理的办法提高其机械性能 铸造铝合金的品种很多 但应用最广泛的是Al Si系合金 一 Al Si系合金AI Si系铸造铝合金 般称为硅铝明 最简单的硅铝明是ZL102 ZL 是 铸铝 的汉语拼音字首 含Si为11 13 经铸造后几乎全部是由粗大针状硅晶体和a固溶体组成的共晶组织 a十Si 这种合金流动性好 熔点低 热裂倾向小 但粗大的硅晶体的存在严重降低合金的机械性能 因此 在生产中常采用 变质处理 提高合金的机械性能 即在浇注前往合金溶液中加入2 3NaF 1 3NaCl混合物的变质剂 加入量为合金重量的2 3 变质处理后 由于共晶点移向右下方 因而使合金处于亚共晶相区 合金中的初晶硅消失 共晶硅由粗针状变成细小点状 并产生初晶a相 因此 合金的性能显著提高 为提高硅铝明的强度 常加入能产生时效强化的Cu Mg等合金元素 称这种合金为特殊硅铝明 它们形成强化相 这类合金除变质处理外 还可淬火时效 进一步强化合金 活塞 裙部为铝硅合金 ZL102合金铸造组织 化染 55 二 Al Cu系合金此类合金含Cu量一般在4 14 之间 由于Cu在Al中有较大的固溶度 且随温度变化而改变 因此可进行时效强化 其强化相为CuAl2 这种合金耐热性好 但抗蚀性差 随着含Cu量的增加 其高温强度提高 但也使脆性增加 因此必须控制其含量 铸造铝 铜合金 ZL201 ZL203 有较高的强度 塑性及耐热性 但铸造性能和耐蚀性较差 铝铜合金铸造组织 化染 210 汽缸头 三 AI Mg系合金这种合金有ZL301 ZL302等 其特点是比重最小 为2 55 强度高 耐蚀性好 但流动性不好 铸造性能差 耐热性低 这类合金时效强化效果甚微 常在淬火状态使用 铸造铝 镁合金 ZL301 ZL302 有较高的强度 韧性及耐蚀性 但铸造性能和耐热性较差 铝镁合金铸造组织 化染 150 鼓风机用密封件 ZL102 及抗空架件 ZL301 四 AI Zn系合金这种合金含锌量较多 比重较大 耐热性差 但铸造性能好 并能自行淬火 因而在铸态下强度较高 可直接使用 其价格便宜 铸造铝 锌合金 ZL401 ZL402 具有良好的铸造性 经变质处理和时效处理后 强度高 但耐蚀性差 大型空压机活塞 ZL401 第二节铜及其合金一 纯铜纯铜又称紫铜 比重为8 96 熔点为1083 纯铜具有良好的导电 导热性及抗大气腐蚀性 其晶体结构为面心立方晶格 因而塑性好 容易进行冷 热加工 强度低 经冷变形后可以提高 但塑性显著下降 纯铜的性能受杂质影响很大 它含的杂质主要有Pb Bi O S和P等 Pb和Bi基本上不溶于Cu 微量的Pb和Bi与Cu在晶界上形成低溶点共晶组织 Cu Bi或Cu Pb 其熔点分别为270 和326 当铜在820 860 的温度范围进行热加工时 低熔点共晶首先发生熔化 造成脆性断裂 即所谓的 热脆性 又由于S O与Cu形成Cu2O与Cu2S脆性化合物 在冷加工时产生破裂 即所谓 冷脆性 因此 在钝铜中必须控制杂质的含量 工业纯铜按含杂质的量可分为四种 T1 T2 T3 T4 T 为铜的汉语拼音字头 其后的数字越大 纯度越低 如T1的含Cu量为99 95 而T4的含Cu量为99 50 余为杂质含量 二 黄铜 brass 普通黄铜 commonbrass 特殊黄铜 specialbrass 黄铜的牌号 Z H90 常用的黄铜 金奖黄铜 H90 弹壳黄铜 H70 H68 日用黄铜 H62 H59 冷凝器管 Cu Zn合金为黄铜 它的色泽美观 加工性能好 黄铜的机械性能受其含Zn量的影响 当Zn的含量低于30 32 时 锌能完全溶解在铜内 形成面心立方晶格的a固溶体 塑性好 并随着含Zn量的增加 其强度和塑性都提高 当含Zn量大于32 后黄铜的组织由a固溶体和体心立方晶格的B 相 B 相在470 以下塑性极差 但少量的B 相存在对强度无影响 因此强度仍然很高 当含Zn量超过45 以后 铜合金组织全部为B 相 强度与塑性急剧下降 黄铜耐海水和大气腐蚀性好 但当含Zn量大于7 特别是大于20 时 这种黄铜经冷加工后 由于有残余应力存在 在潮湿的大气或海水中 尤其在含有氨的环境中 容易产生腐蚀开裂 即 应力腐蚀开裂 现象 或称 季裂 因此 冷加工后的黄铜应该进行低温退火 250 300 保温1 3h 以消除其内应力 常用的单相黄铜有H80 H70等 H 为 黄 的汉语拼音字首 数字表示平均含Cu量 其组织为a固溶体 塑性好 可进行冷 热加工 双相黄铜有H62 H59等 其退火状态组织为a B 由于室温下B 相很脆 故不适于冷变形 需加热至有序化温度以上 使B 转变为无序B相后 便具有良好的塑性 因此可进行热加工变形 特殊黄铜 specialbrass 为了改善黄铜的某些性能 常加入少量合金元素 如A1 Sn Ni Mn等元素可溶入Cu中形成固溶体 提高合金强度及改善耐腐蚀性 加入Si Pb等 可提高耐磨性 Pb还能改善切削性能 加入Fe可细化晶粒 称这类黄铜为特殊黄铜 牌号 HAl59 3 常用的特殊黄铜 海军黄铜 HSn62 1 易切削黄铜 HPb59 1 三 青铜青铜原指人类应用最早的一种Cu Sn合金 但逐渐地把除锌以外的其它元素的铜基合金 也称为青铜 所以青铜包含有锡青铜 铝青铜 铍青铜和硅青铜等 一 锡青铜以Sn为主加元素的铜合金 我国古代遗留下来的钟 鼎 镜 剑等就是这种合金制成的 至今已有几千年的历史 仍完好无损 锡青铜的机械性能受含Sn量的影响 当含Sn量小于5 6 时 Sn溶入Cu中 形成具有面心立方晶格的a固溶体 随着含Sn量的增加 合金的强度和塑性都增加 当Sn的含量超过5 6 时 组织中出现硬而脆的相 具有复杂立方晶格的Cu31Sn8化合物 因而强度还继续增高 但塑性急剧下降 当含Sn量大于20 时 由于有过多的脆相 而使强度显著下降 合金变得很脆 所以工业用锡青铜的含Sn量一般在3 14 之间 含Sn量小于8 的锡青铜具有良好的塑性和一定的强度 适于压力加工 含Sn量大于10 的锡青铜 由于塑性差只适于铸铁 锡青铜铸造时 流动性差 成分偏析倾向大 并易产生分散缩孔及铸件致密性不高等缺陷 但它在凝固时体积收缩小 能获得符合型腔形状的铸件 故适用于铸造对外形尺寸要求较严格的铸件 锡青铜对大气 淡水 海水等的抗蚀性比纯铜 黄铜都高 但对酸类及氨水的抗蚀性差 耐磨性高 它无磁性 无冷脆现象 二 铝青铜铝青铜是以Cu Al为基的合金 其强度高 耐蚀性和铸造性好 当含A1量小于5 时 强度很低 但塑性高 当含量大于7 时 塑性显著下降 因此 实际应用的铝青铜的含A1量一般在5 10 范围内 含A1在5 7 时塑性好 适于冷变形 含铝在10 左右时 强度最高 常以铸态使用 可见淬火后抗拉强度明显提高 铝青铜由于结晶温度区间小 故有良好的流动性 晶内偏析倾向小 缩孔集中 易获得致密的铸件 但A1在熔化过程易形成A12O3 影响流动性 并且凝固时收缩率大 必须
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