工程材料及成型技术基础第5章 金属材料ppt课件

1 第一节碳钢一 常存杂质对碳钢性能的影响碳钢是指含碳量小于2 11 的铁碳合金 但实际使用的碳钢并不是单纯的铁碳合金 除碳以外 还含有少量的锰 硅 硫 磷等 这些元素是从矿石 燃料和冶炼等渠道进入钢中的 这些元素统称为杂质 它们对钢的性能有一定的影响 下面作简要介绍 第六章金属材料 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 5 二 碳钢的分类碳钢的分类方法很多 下面介绍三种 一 按钢的含碳量分1 低碳钢含碳量 0 25 2 中碳钢含碳量在0 25 0 6 之间3 高碳钢含碳量 0 6 6 二 按钢的质量分类主要是根据钢中含有害杂质S P的多少来分 1 普通碳素钢钢中S P的含量分别为 0 05 和0 045 2 优质碳素钢钢中S P的含量均 0 035 3 高级优质碳素钢钢中S P的含量分别 0 020 和0 030 7 三 按用途分类1 碳素结构钢这类钢主要用于制造各种工程构件 如桥梁 船舶 建筑等 和机器零件 如齿轮 轴 螺钉 螺母 连杆等 这类钢一般属于低碳钢和中碳钢 2 碳素工具钢这类钢主要用于制造各种刀具 量具 模具 这类钢含碳量较高 属于高碳钢 8 三 碳钢的编号和用途为了生产 加工处理和使用不致造成混乱 对各种钢材进行命名和编号 一 碳素结构钢碳素结构钢是工程中应用最多的钢种 其产量约占钢总产量的70 80 按国家标准GB700 88 碳素结构钢分为五类20种 如表所示 9 碳素结构钢的牌号是以钢材厚度 或直径 不大于16mm钢的屈服点 s 数值划分的 并且还有质量等级和脱氧方法的细划分 表中的符号 代号的意义如下 Q 钢屈服点 屈 字汉语拼音首位字母 A B C D 分别为质量等级 F 沸腾钢 沸 字汉语拼音首位字母 b 半镇静钢 半 字汉语拼音首位字母 用小写b为便于与质量等级B级相区别 10 Z 镇静钢 镇 字汉语拼音首位字母 TZ 特殊镇静钢 特镇 两字汉语拼音首位字母 在牌号组成表示方法中 Z 与 TZ 符号予以省略 例如 Q235 A F即表示屈服点数值为235N mm2的A级沸腾钢 11 碳素结构钢的应用 Q195 Q215A Q215B塑性较高 有一定强度 通常轧制成薄板 钢筋 钢管 型钢等 用作桥梁 钢结构等 也在机械制造中用作铆钉 螺钉 地脚螺栓 轴套 开口销 拉杆 冲压零件等 12 Q235A Q235B Q235C Q235D强度较高 可用作转轴 心轴 拉杆 摇杆 吊钩 链等 Q255A Q255B Q275强度更高 可用作工具 轧辊 主轴 摩擦离合器 刹车钢带等 13 二 优质碳素结构钢这类钢中有害杂质及非金属夹杂物含量较少 化学成分控制得也较严格 塑性和韧性较高 多用于制造较重要零件 这类钢的编号方法是以平均含碳量万分数表示 例如 平均含碳量为0 45 的优质碳素结构钢 就称为45号钢 14 三 碳素工具钢这类钢的编号方法是在 碳 或 T 后加一数字 数字表示钢的平均含碳量的千分数 例如 碳7 或T7 碳12 T12 分别表示平均含碳量为0 7 和1 2 的碳素工具钢 碳素工具钢都是优质钢 若为高级优质碳素工具钢 则在钢号后面加一个 高 字或 A 例如碳12高 或T12A 15 1 镇静钢 killedsteel 钢液在浇注前用锰铁 硅铁和铅进行了充分脱氧 Wo 0 01 左右 成分较均匀 组织较致密 主要用于机械性能要求较高的零件 2 沸腾钢 boilingsteel 钢液在浇注仅前进行轻度假脱氧 Wo 0 03 0 07 成分偏析较严重 组织不致密 机械性能不均匀 冲击韧性差 常用于要求不高的零件 3 半镇静钢 balancedsteel 半镇静钢是脱氧过程介于镇静钢和沸腾钢之间的钢 是用锰铁和硅铁进行脱氧 其质量也介于二者之间 可代替部分镇静钢 一般不适于做重要零件 第二节合金钢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 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 138 铸铁 第一节概述一 铸铁的成分和特性铸铁是含有碳 硅等的铁碳合金 常用铸铁的成分大致为 2 5 4 0 C 1 0 3 0 Si 0 5 1 4 Mn 0 01 0 5 P 0 02 0 20 S 可见 与钢相比 铸铁含C Si S P较多 此外 有时还含有 定量的合金元素 如Cr Mo V Cu A1等 139 铸铁的强度 塑性 韧性较钢为差 不能进行锻造 但它却具有优良的铸造性能 良好的减摩性 耐磨性 消震性和切削加工性 以及缺口敏感性低等 系列优点 再加上生产工艺及设备简单 价格低廉 因些 铸铁广泛应用于机械制造 冶金 石油化工 交通等工业部门 据统计 按重量百分比计算 在农业机械中铸铁件约占40 60 汽车 拖拉机中约占50 70 机床中约占60 90 铸铁之所以具有这些特性 除了因为它具有接近共晶的成分 熔点低 流动性好 易于铸造外 还因为它的C Si含量高 大部分的碳呈游离的石墨状态存在 140 二 铸铁的石墨化 一 Fe Fe3C与Fe C双重相图实践证明 含C Si较高的铁水在缓冷时 可自液相中直接析出石墨 渗碳体在高温长时间的停留也能分解为铁的固溶体和石墨 这表明 渗碳体是 个亚稳定的相 石墨才是稳定相 因此 描述铁碳合金的结晶过程应有两个相图 个是Fe Fe3C相图 一个是Fe C 石墨 相图 把两者迭合在一起 即为Fe Fe3C与Fe C 石墨 双重相图 图中实线表示Fe Fe3C相图 部分实线再加上虚线表示Fe C相图 141 石墨是碳的 种结晶形态 具有六方晶格 原子呈层状排列 同一层晶面上碳原子间距为1 42A 相互间呈共价键结合 结合力强 层与层之间的距离为3 40A 原子间呈分子键结合 结合力较弱 因此 石墨结晶形态常易发展为片状 强度 硬度 塑性极低 石墨的这些特性很大程度地影响着铸铁的性能 142 二 石墨化过程石墨化过程是指铸铁中析出碳原子形成石墨的过程 可将石墨化过程分为 二个阶段 高于共析转变温度的石墨化过程叫石墨化第一阶段 它包括 从过共晶铁水中析出一次石墨 共晶转变中形成的共晶石墨 从奥氏体中析出的二次石墨 由 次渗碳体和共晶渗碳体分解析出的石墨以及由于二次渗碳体分解而析出的石墨 低于共析转变温度的石墨化过程叫石墨化的第二阶段 它包括共析转变过程形成的石墨 共析渗碳体分解而形成的石墨以及由铁素体中析出的石墨 143 三 影响铸铁石墨化的因素因素较多 其中化学成分和冷却速度是影响石墨化的主要因素 1 化学成分的影响碳和硅都是强烈促进石墨化的元素碳和硅都是强烈促进石墨化的元素 磷也是促进石墨化的元素 但其作用较弱 硫是强烈阻碍石墨化的元素2 冷却速度的影响冷却速度快 铸铁容易产生白口铸铁组织 冷却速度慢 碳原子扩散充分 有利于石墨化过程充分进行 铸铁容易获得灰口铸铁组织 144 三 铸铁的分类根据铸铁在结晶过程中石墨化程度的不同 铸铁可分为三大类 一 灰口铸铁这类铸铁第一阶段石墨化得到充分进行 绝大部分的碳都以石墨的形态存在 以Fe3C形式在的碳量不大于0 68 其断口呈暗灰色 工业上所用的铸铁绝大部分是属于这类铸铁 二 白口铸铁这类铸铁的石墨化过程全部被抑制 完全按照Fe Fe3C相图进行结晶 其断口呈银白色 性硬脆 不易加工 直接铸成机械零件使用的很少 145 三 麻口铸铁这类铸铁第一阶段石墨化得到部分进行 第二阶段石墨化未能进行 其组织介于上述二者之间 具有较大的硬脆性 工业上也很少应用 146 灰口铸铁的性能除与成分及基体组织有关外 还取决于石墨的形状 大小 数量与分布 因此 灰口铸铁又可按石墨的形状来分类 1 灰铸铁此类铸铁中石墨呈片状 这类铸铁的机械性能不太高 但生产工艺简单 价廉 在工业上得到广泛的应用 2 可锻铸铁此类铸铁中石墨呈团絮状 其机械性能较高 但生产周期长 成本高 用来制造一些重要的小件 3 球墨铸铁此类铸铁中石墨呈球状 机械性能高 生产工艺比可锻铸铁简单 近年来日益得到广泛的应用 已成功地代替了部分碳钢和合金钢制造某些重要零件 147 第二节常用铸铁一 灰铸铁 一 灰铸铁的成分 组织 性能和用途 1 化学成分灰铸铁的化学成分一般为 wC 2 5 4 0 wSi 1 0 2 5 wMn O 5 1 4 wS O 15 wP 0 3 2 组织由于石墨化程度的不同 灰铸铁的组织特点是具有片状石墨 其基体则分为三种 铁素体 F 片状石墨 G 软而强度低 铁素体 F 珠光体 P 片状石墨 G 其性能介于二者之间 珠光体 P 片状石墨 G 强度 硬度较高 148 性能灰铸铁的组织可看做是钢的基体加片状石墨 因石墨的强度极低 故可把石墨片看作是一些微裂纹 把灰铸铁看做是含有许多微裂纹的钢 裂纹分割了金属基体 而且在尖端处还会产生应力集中 所以灰铸铁的抗拉强度 塑性和韧性不如钢 石墨片的量愈多 尺寸愈大 其影响也愈大 但石墨片的存在 对灰铸铁的抗压强度影响不大 149 由于灰铸铁在凝固冷却过程中析出比容较大的石墨 从而使灰铸铁的收缩率减小 由于石墨片分割了金属基体 从而使灰铸铁的切屑容易脆断 使灰铸铁的切削加工性良好 由于石墨本身的润滑作用 以及当它从基体中掉落后所遗留下的孔洞具有存油的作用 故使灰铸铁有优良的减摩性 由于石墨组织松软 能吸收振动 使灰铸铁具有良好的消振性 又由于石墨片本身相当于许多裂纹 使灰铸铁具有低的缺口敏感性 150 综合上述力学性能石墨虽然降低了灰铸铁的力学性能 但却使灰铸铁获得了许多钢所不及的优良性能优良的性能 良好的铸造性能 良好的减震性 较低的缺口敏感性 良好的切削加工性 良好的减摩性 良好的抗压性能 151 由于灰铸铁具有以上一系列的特点 故被广泛地用来制造各种承受压力和要求消振性好的床身 机架 箱体 壳体和经受摩擦的导轨 缸体 活塞环等 按GB9439 88规定 灰铸铁有六个牌号 HTl00 HTl50 HT200 HT250 HT300和HT350 HT表示 灰铁 汉语拼音的字首 后续数字表示最低抗拉强度 MPa 的值 152 153 二 灰铸铁的热处理由于热处理只能改变灰铸铁的基体组织 而不能改变石墨片的形态 故利用热处理来提高灰铸铁的机械性能的效果不大 灰铸铁常用的热处理方法有 154 1 消除内应力的退火铸件在冷却过程中 因各部分的冷却速度不同 会在铸件内产生很大的内应力 有时甚至变形开裂 而且在随后的切削加工之后还会因应力的重新分布而引起变形 所以凡大型或复杂的铸件 或精度要求较高的铸件 在切削加工之前 通常要进行 次消除内应力的退火 有时甚至在粗加工之后还要进行 次去应力退火 去应力退火的方法是将铸件缓慢升温至500 600 经4 8h的保温 再缓慢冷却下来 由于是在共析温度以下进行的退火 故也叫低温退火 经过低温退火 可消除90 以上的内应力 155 2 改善切削加工性的退火铸件的表面 转角处或是薄壁处 由于冷速较快 常不免会出现白口组织 致使切削加工 难以进行 为了降低硬度 必须进行高温退火 方法是将铸件加热到850 900 保持2 5h 使Fe3C分解 然后随炉缓冷至400 500 而后出炉空冷 3 表面淬火有些铸件 如机床导轨的表面 气缸的内壁 需要有较高的硬度和耐磨性 常需表面淬火 156 二可锻铸铁可锻铸铁俗称玛钢 马铁 蠕墨铸铁的生产过程是 首先浇注成白口铸铁件 然后经可锻化退火 可锻化退火使渗碳体分解为团絮状石墨 而获得可锻铸铁件 157 1 可锻铸铁的化学成分 组织和性能1 可锻铸铁的化学成分是 wC 2 2 2 8 wSi 1 0 1 8 wMn 0 3 0 8 wS 0 2 wP 0 1 可锻铸铁的生产 首先是浇铸成白口铁铸件 然后进行石墨化退火 为此 必须使铸铁的成分有较低的碳 硅含量 保证在通常的冷却条件下铸件能获得全部白口 但碳 硅含量也不能太低 否则将使退火时间大大延长 增加生产成本 2 可锻铸铁的组织有二种类型 铁素体 F 团絮状状石墨 G 珠光体 P 团絮状石墨 G 158 3 性能由于可锻铸铁中的石墨呈团絮状 对基体的割裂作用较小 因此它的力学性能比灰铸铁高 塑性和韧性好 但可锻铸铁并不能进行锻压加工 可锻铸铁的基体组织不同 其性能也不一样 其中黑心可锻铸铁具有较高的塑性和韧性 而珠光体可锻铸铁具有较高的强度 硬度和耐磨性 159 按GB944一88规定 黑心可锻铸铁有四个牌号 KTH300 06 KTH350 10 KTH330 08 KTH370 12 160 珠光体可锻铸铁有四个牌号 KTZ450 06 KTZ550 04 KTZ650 2 KTZ700 02 白心可锻铸铁亦有四个牌号 KTB350 04 KTB380 12 KTB400 05 KTB450 07 KT一表示可锻铸铁 后续的H一表示黑心 Z一表示珠光体 B一表示白心 后续的第一组数字表示最低抗拉强度值 MPa 后续的第二组数字表示最低延伸率值 161 可锻铸铁主要用来制作一些形状复杂 要求塑性较好 韧性较大 耐振 耐蚀的薄壁铸件 但可锻铸铁生产周期长 工艺复杂 成本较高 近年来有些可锻铸铁件已部分地被球墨铸铁所代替 162 163 三 球墨铸铁球墨铸铁是20世纪50年代发展起来的一种新型铸铁 它是经过球化处理后得到的 球化处理的方法是在铁液出炉后 浇注前加入一定量的球化剂 稀土镁合金等 和孕育剂 使石墨呈球状析出 由于球墨铸铁具有优良的机械性能 生产工艺简便 成本低廉 因此球墨铸铁近年来获得迅速的发展 广泛地应用 164 一 球墨铸铁的化学成分 组织和性能 1 球墨铸铁的化学成分是 wC 3 6 3 9 wSi 2 0 2 8 wMn 0 6 0 8 wS 0 04 wP 0 1 wMg 0 03 0 05 2 组织球墨铸铁的组织可分为四种类型 铁素体 F 球状石墨 G 铁素体 F 珠光体 P 球状石墨 G 珠光体 P 球状石墨 G 下贝氏体 B下 球状石墨 G 铁素体球墨铸铁显微组织 165 3 性能球墨铸铁的力学性能与基体的类型以及球状石墨的大小 形状及分布状况有关 由于球状石墨对基体的割裂作用最小 又无应力集中作用 球墨铸铁基体的强度 塑性和韧性可以充分发挥 所以 球墨铸铁与灰铸铁相比 有高的强度和良好的塑性与韧性 它的某些性能可以与钢相媲美 如屈服点比碳素结构钢高 疲劳强度接近中碳钢 同时 它还具有灰铸铁的减震性 减磨性和小的缺口敏感性等优良性能 球墨铸铁中的石墨球的圆整度越好 球径越小 分布越均匀 则球墨铸铁的力学性能就越好 166 珠光体球铁常用于制造曲轴 连杆 凸轮轴 机床主轴 水压机气缸 缸套 活塞等 铁索体球铁用于制造压阀 机座 汽车后桥壳等 根据GBl348 88规定 球墨铸铁有七个牌号 QT400 18 QT400 15 QT450 10 QT500 7 QT600 3 QT700 2 QT800 2 QT900 2 QT代表球墨铸铁 后续的两组数字 分别表示最低抗拉强度 N mm2 及最低延伸率的值 球墨铸铁的缺点是 凝固时的收缩较大 对原铁水的成分要求较严格 因而对熔炼和铸造工艺的要求较高 此外 它的消振能力比不上灰铸铁 167 168 二 球墨铸铁的热处理球墨铸铁的热处理原理与钢相似 但由于球墨铸铁中含有较高的Si与C 因而又具有其特点 如球墨铸铁的共析转变温度显著升高 并变成为一个相当宽的温度范围 随着含Si量的增加 共析转变温度升高 转变温度范围加宽 在这一温度范围内铁素体 奥氏体和石墨三相共存 奥氏体等温转变曲线显著右移 且珠光体和贝氏体转变曲线明显分开 形成两个 鼻子 这使临界冷却速度降低 淬透性增大 回火稳定性增加 169 球墨铸铁常用的热处理工艺有 1 退火 1 消除内应力退火球墨铸铁的铸造应力较大 对于不再进行其它热处理的球墨铸铁 常要进行消除内应力退火 将铸件加热到500 600 保温2 8h 然后缓冷 在退火过程中 内部组织不发生变化 2 低温退火铸态球墨铸铁的基体往往包含铁索体和珠光体 为了获得较高的塑性 韧性 要求具有铁素体基体的球墨铸铁 这就必须使珠光体中的Fe3C分解 其办法是 将铸件加热到700 760 左右 保温2 8h 然后随炉冷至600 出炉空冷 最终组织为铁素体基体上分布着球状石墨 170 3 高温退火由于球墨铸铁白口倾向较大 在铸态组织内往往存在自由渗碳体 为了使自由渗碳体分解 获得铁素体基体的球墨铸铁件 则进行高温退火 其 工艺如课本图8 11所示 最终组织为铁素体基体上分布着球状石墨 171 2 正火正火的目的是为了增加基体中珠光体的数量 提高强度和耐磨性 球墨铸铁的正火可分为高温正火和低温正火 1 高温正火将铸件加热到共析温度范围以上50 70 当Si含量为2 3 时 般加热到880 920 保温1 3h 使组织全部奥氏体化 然后出炉空冷 获得珠光体型的基体组织 172 2 低温正火将铸件加热到共析相变温度范围上限以下 一般在840 880 保温1 4h 然后出炉空冷 正火后的基体组织为珠光体和铁素体 强度比高温正火略低 但塑性和韧性较高 低温正火要求原始组织中无自由渗碳体 否则影响机械性能 由于球墨铸铁的导热性差 过冷倾向大 正火 尤其是风冷或喷雾冷却 后有较大内应力 故在正火后还要进行去应力回火 其办法是 加热到550 600 保温3 4h 然后出炉空冷 使内应力基本消除而组织不变 173 3 调质处理对于受力复杂 截面大 综合机械性能要求较高的铸件 如连杆 曲轴等 则进行调质处理 调质处理的淬火温度为共析转变温度范围以上30 50 当含2 3 Si的铸铁为860 900 通常用油淬 然后在550 600 回火2 4h 最终组织为回火索氏体与球状石墨 174 4 等温淬火对于 些要求综合机械性能较高 且外形又较复杂 热处理易变形开裂的零件 如齿轮 凸轮等 可采用等温淬火 它的工艺是 加热860 900 适当保温后 迅速移至250 300 的盐浴中等温30 90min 然后取出空冷 一般不再回火 等温后的组织为下贝氏体加球状石墨 等温淬火是提高球墨铸铁综合机械性能的一个有效办法 但只适用于截面尺寸不大的零件 175 第三节合金铸铁有时对铸铁不仅要求具有一定的机械性能 还要求它具有某些特殊的性能 如耐磨 耐热 耐蚀等 这些性能可通过合金化来达到 即所谓合金铸铁 176 1 耐磨铸铁耐磨铸铁是指不易磨损的铸铁 根据工作条件的不同 分为以下两类 1 抗磨铸铁在干摩擦及抗磨料磨损条件下工作的零件 如轧辊 犁铧 抛丸机叶片 球磨机磨球等 应具有均匀的高硬度和必要的韧性 白口铸铁白口铸铁生产简便 价格低廉 但脆性大 适用于冲击载荷不大的犁铧等抗磨铸件和清理抛丸机中的铁丸等 177 冷硬铸铁在造型时 在铸件要求抗磨的部位作成金属型 其余部位用砂型 并适当调整化学成分 如降低含硅量 使其要求抗磨处得到白口组织 而其余部位韧性较好 可承受一定的冲击 生产中采用此类 激冷 方法获得的抗磨铸铁称为冷硬铸铁 主要用于制造轧辊 车轮 凸轮轴等 高铬白口铸铁向白口铸铁中加入少量的铬 钼 钨 钒 硼等元素 使之形成合金渗碳体 可提高其抗磨性 但韧性改善不多 高铬白口铸铁合金元素含量高 价格昂贵 但用其制造的零件比高锰钢提高寿命几倍甚至十几倍 最终经济效益十分显著 178 中锰耐磨球墨铸铁含有wMn 5 9 5 wSi 3 3 5 的中锰耐磨球墨铸铁 铸态组织为马氏体 奥氏体 碳化物和球状石墨 具有较高的耐磨性和较好的强度与韧性 不需贵重合金元素 可用冲天炉熔炼 成本低 可代替高锰钢或锻钢制造受冲击的一些抗磨零件 中锰耐磨球墨铸铁适用于制造犁铧 粉碎机锤头 球磨机磨球 衬板等 179 2 减摩铸铁在润滑条件下工作的零件 如机床导轨 汽缸套 活塞环 轴承等 其组织应为软基体上分布硬质点 强化相 软基体磨损后形成沟槽 起储油和润滑作用 硬质点起支承作用 常用的减摩铸铁有普通高磷铸铁和合金高磷铸铁 在孕育铸铁中加入磷 wP 0 4 0 6 磷在铸铁中以磷共晶形式存在 呈断续网状分布 形成坚硬骨架 能大大提高铸铁的耐磨性 这种铸铁称为普通高磷铸铁 在普通高磷铸铁基础上加入适量的铬 钼 钨 铜 钒 钛等元素 以细化组织 增加珠光体含量 形成高硬度的碳化和氮化物 提高铸铁的韧性 强度和耐磨性 这种铸铁称为合金高磷铸铁 可制作发动机缸套 机床导轨等零件 180 2 耐热铸铁耐热铸铁是指可以在高温下使用 其抗氧化或抗生长性能符合使用要求的铸铁 生长 是指由于氧化性气体沿石墨片边界和裂纹渗入铸铁内部造成的氧化 以及因Fe3C分解而发生的石墨化引起铸件体积膨胀 向铸铁中加入铝 硅 铬等元素 使铸件表面形成一层致密的SiO2 Al2O3 CrO3等氧化膜 能明显提高高温下的抗氧化能力 同时能够使铸铁的基体变为单相铁素体 此外 硅 铝可提高相变点 使其在工作温度下不发生固态相变 可减少由此而产生的体积变化和显微裂纹 铬可形成稳定的碳化物 提高铸铁的热稳定性 常用的耐热铸铁有中硅铸铁 高铬铸铁 镍铬硅铸铁等 主要用于制造加热炉附件 如炉底板 送链构件 换热器等 181 3 耐蚀铸铁耐蚀铸铁是指能耐化学 电化学腐蚀的铸铗 在铸铁中加入铬 硅 铝 钼 铜 镍等合金元素 可使铸件表面