第十一章工业用钢.ppt

第十一章工业用钢,主讲人：黄建平单位：材料科学与工程学院电话mail：hjphit_1983,退火、正火、淬火、回火工艺介绍、目的、组织、性能与应用。各种工艺的优缺点。淬透性和淬硬性,第十章内容回顾,本章主要内容：11.1概述11.2合金元素在钢中的作用11.3合金结构钢11.4工具钢11.5特殊性能钢,第十一章工业用钢,本章重点:1合金元素对钢的组织与性能影响规律；2各类钢主要的性能要求、成分及合金化特点，合金元素的主要作用，主要的热处理方法、应用;3各类钢的典型钢种。,本章目的：1介绍合金钢的概念及其分类、编号的方法；2揭示合金元素在钢中的作用，即合金化原理；3分别介绍各种主要类型的合金钢。,第十一章工业用钢,一多钢种原因碳钢优点：价廉、实用；力性随碳含量显著变化。碳钢的性能缺点：（1）淬透性低；水淬，D临=1020mm（2）强度、屈强比较低；20钢与16Mn的s：240、360MN/m2；40钢与35CrNi3Mo的s/b：0.43、0.74,11.1概述,(3)回火稳定性差，综合机性不高；碳素工具钢T使200,V切5m/min;(4)不能满足特殊性能要求-合金钢的产生,11.1概述,二钢分类及编号,1钢分类（1）按化学成分：碳钢低、中、高碳钢：0.25%；0.6%合金钢低、中、高合金钢：5%；10%）为改善钢的性能，冶炼时在碳钢的基础上特意加入一定的合金元素所获得的钢。,11.1概述,（2）按用途：结构钢：工程构件、机器零件工具钢：刃、量、模特殊性能钢：耐热、耐蚀、磁性（3）按质量等级：普通、优质、高级优质；实际中往往采取综合法：高级优质合金工具钢,11.1概述,2钢编号,反映：成分、用途（1）碳钢（碳素结构钢、碳素工具钢）普通碳素结构钢（0.06%0.4%）力性要求Q195、Q215、Q235-AF、Q255、Q275；Q295、Q345、Q345、Q390、Q420、Q460-为构件用钢:建筑、桥梁、船舶、压力容器、管道等,11.1概述,优质碳素结构钢(0.06%0.70%)成分,08F、10、20:,塑韧性、焊接性好冷冲、焊接、渗碳件,调质后综合性能好调质件,强度高、弹性极限高弹性元件,25、30、35、40、45:,50、60、65:,11.1概述,碳素工具钢（0.65%1.35%）T7、T8：一定韧性冲头、锤子、凿子,T9、T10：硬度高、韧性适中；钻头、手锯条、刨刀,T12(A)、T13：硬度高、韧性低锉、刮刀、量具低速运转的工具,11.1概述,（2）合金钢,C%Me%合金结构钢：1/万1/百合金工具钢：1/千特殊性能钢：1/千,例：40Cr合金结构钢；9CrSi合金工具钢CrWMo合金工具钢；1Cr18Ni9不锈钢特殊：GCr151.5%Cr0Cr18Ni90.08%0600Cr18Ni91.5%;Cr2%;Ni5%时韧性明显下降限量使用,11.2合金元素在钢中的作用,2形成合金碳化物,根据与碳的亲和力，合金元素分为两类：,非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Al、Si、N、B,碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti以上由弱至强,11.2合金元素在钢中的作用,弱碳化物形成元素、中强碳化物形成元素可置换渗碳体中的铁原子(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C,（1）形成合金渗碳体,意义：合金渗碳体较渗碳体稳定，熔点和硬度更高,低合金钢中的主要强化相,11.2合金元素在钢中的作用,（2）形成特殊碳化物,强碳化物形成元素、或较高含量的中强碳化物形成元素（5%）：VC、TiC、WC、Mo2C、Cr23C6、Cr7C3形成特殊碳化物,特殊碳化物较合金渗碳体稳定性更高，熔点与硬度也更高耐较高温度的强化相,高合金钢中的主要强化相,11.2合金元素在钢中的作用,小结：碳在钢中的存在形式及作用：(1)固溶于铁基体中；(2)形成各类碳化物,固溶强化、,第二相强化，提高耐磨性,11.2合金元素在钢中的作用,二合金元素对铁碳相图的影响1影响奥氏体、铁素体存在范围,11.2合金元素在钢中的作用,意义：在室温下可能获得单相奥氏体组织或单相铁素体组织奥氏体钢,扩大相区，缩小相区使A3，A4：Cr、W、Mo、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr,扩大相区，使A3，A4：Ni、Mn、Co、Cu、C、N,11.2合金元素在钢中的作用,2影响相图临界点（S、E)）*所有合金元素均使S、E点左移40Cr13过共析钢；W18Cr4V莱氏体钢,11.2合金元素在钢中的作用,三对钢热处理的影响,1对加热时相转变的影响：大多数合金元素（Ni、Co除外）都使奥氏体的长大减慢，成分均匀化难度加大大多数合金钢比碳钢加热温度高，保温时间长；但须考虑合金元素对A3的影响，例含Mn钢,11.2合金元素在钢中的作用,2对冷却转变（C曲线）的影响：实质为对C曲线的影响：(1)使C曲线位置和形状改变：,典型应用：含Mo的贝氏体钢的设计原理,非碳化物形成元素改变位置，不改变形状,碳化物形成元素改变位置与形状，使P、B转变分离,11.2合金元素在钢中的作用,11.2合金元素在钢中的作用,(2)大部分合金元素使C曲线右移；意义：提高淬透性合金元素提高淬透性的顺序(由强至弱)：Mo、Mn、W、Cr、Ni、Cu、Si、V另B元素：添加0.0005%0.0035%量显著提高淬透性,11.2合金元素在钢中的作用,(3)大部分合金元素Ms、Mf,AR%;高碳、高合金钢的多次回火工艺，目的之一是减少AR%。,注：合金元素需溶入奥氏体中；含较多提高淬透性元素的钢可能在空冷条件下获马氏体例如：W18Cr4V,11.2合金元素在钢中的作用,3合金元素对回火过程的影响,(1)提高钢的回火稳定性,回火稳定性定义：钢在回火过程中抵抗软化的能力。,原因：合金元素推迟回火各个阶段，增强钢抵抗软化能力提高钢的回火稳定性。合金碳化物稳定性高,11.2合金元素在钢中的作用,意义：,（1）在相同温度下回火，合金钢比碳钢有更高的强硬度；,（2）相同强度下合金钢比碳钢可在更高温度下回火，有更好韧性。,11.2合金元素在钢中的作用,（2）产生二次硬化,二次硬化：含较多W、Mo、V、Ti及较高C%的钢回火时，硬度不是随回火温度升高单调下降，而是到某一温度后反而开始增大（400），并在另一更高温度（550）达到峰值。,11.2合金元素在钢中的作用,原因：,马氏体中析出Mo2C、VC、TiC即特殊碳化物在相的位错区沉淀析出，与相共格共格强化与弥散强化二次淬火：回火中未分解的AR在随后冷却到T0.4%时，焊接性差碳当量0.2%焊接性较好,构件用钢只能微合金化、低合金化,11.3合金结构钢,(2)Me(3%)微合金化或低合金化Mn（0.81.7%）元素作用：固溶强化、增加珠光体量、细化珠光体V、Ti、Nb：弥散强化、细化晶粒Cu、P：耐蚀,11.3合金结构钢,4典型钢种：Q295、Q345、Q390、Q420、Q460新标准GB/T1591-94旧标准GB/1591-8816Mn、15MnV、14MnNb等AE：代表质量等级（由低到高），主要是S、P含量的差异,11.3合金结构钢,新旧标准低合金结构钢牌号对照,11.3合金结构钢,11.3合金结构钢,11.3合金结构钢,5热处理：正火使用状态：热轧（组织：细铁素体索氏体）与相同碳含量碳钢相比，低合金高强度钢综合性能更佳：强度更高：25150塑韧性更好：1525，ak6080%;脆性转变温度(TK)更低；,11.3合金结构钢,二渗碳钢,渗碳定义：在增碳的活性介质中，钢的表面为碳所饱和而获得高碳的渗层组织，称为渗碳。目的：提高零件表面硬度、耐磨性和疲劳强度。渗碳钢用作整体受冲击或交变应力，表面受磨损的零件，这些零件要求表面硬、心部韧，如机床、汽车、拖拉机的变速齿轮等。,11.3合金结构钢,1成分特点：,Me：Cr、Ni、Mn、B、Mo、W、Si；V、Ti、Nb,淬透性，强韧性,阻碍A晶粒长大,低C（0.1%0.25%）,11.3合金结构钢,2典型渗碳钢种,(1)低淬透性20Cr、20Mn2、20MnV、20CrV合金总量100mm,高载荷、重要耐磨件,中等载荷件,11.3合金结构钢,3热处理及使用状态的组织：热处理前渗层组织：（1）热处理工艺：渗碳+淬火+低温回火（2）组织：表面：高碳回火马氏体心部：低碳回火马氏体4性能：表面硬耐磨；心部韧抗冲击。,11.3合金结构钢,二、渗碳后缓冷的组织,11.3合金结构钢,11.3合金结构钢,三调质钢,调质工艺：淬火+高温回火，1用途：汽车、拖拉机、机床等的重要零件如：轴类、连杆、齿轮、螺栓等2性能要求受力复杂：较大的循环载荷、复合应力高强度、良好塑韧性、高的疲劳强度要求高的综合机械性能。,11.3合金结构钢,（1）中C（0.25%0.5%）C过低：淬硬性不够回火后强度不够C过高：韧性不够,（2）加入提高淬透性合金元素Cr、Ni、Mn、Si、B；,3成分特点：,（3）加入防第二类回火脆性元素W、Mo等（4）细化奥氏体晶粒元素W、Mo、V、Al,11.3合金结构钢,4典型钢种：(1)低淬透性40Cr、40MnB、40MnVBD水淬临界大约2040mm,（2）中淬透性40CrMn、40CrNi、40CrMnTi、35CrMoD水淬临界大约4060mm,（3）高淬透性40CrNiMo、30CrNi3，D水淬临界大于60mmD水淬临界60100mm,5热处理工艺：淬火+高温回火使用态组织：回火索氏体,11.3合金结构钢,11.3合金结构钢,11.3合金结构钢,11.3合金结构钢,四弹簧钢,1用途：制作各种弹性元件以产生较大弹性变形，起缓和冲击、吸收振动等作用。2性能要求：高的弹性极限，屈强比、疲劳强度、塑性和韧性,11.3合金结构钢,3成分特点,(1)中高碳:合金弹簧钢:0.4%0.7%C;碳素弹簧钢：0.60.9%C,(2)Me：Mn、Cr、Si：淬透性，固溶强化,Si：S/b(屈强比)W、Mo：防第二类回火脆性,11.3合金结构钢,4典型钢种：65Mn、60Si2Mn、60Si2MnWA,11.3合金结构钢,5成型与热处理工艺：（1）冷成型弹簧小型(d1015mm)热轧钢丝或钢板淬火+中温回火弹簧钢使用态组织：回火屈氏体或屈氏体,c.铅浴淬火冷拉钢丝铅浴等温淬火获屈氏体冷拔、成卷1600MPa，强度高但不均匀,11.3合金结构钢,五滚动轴承钢,1用途：滚动轴承的滚动体、内外套圈等。2性能要求：点、线接触高的压应力：15005000MPa交变应力高的接触疲劳摩擦高硬度与耐磨性：HRC6264大气、润滑油介质耐蚀性,11.3合金结构钢,3成分特点：,(1)高碳:0.951.15%C(2)低铬(0.41.65%Cr):提高淬透性；形成碳化物(3)其它元素：Mn、Si：淬透性(4)高的冶金质量：*夹杂物与碳化物的控制,11.3合金结构钢,4典型钢种,5热处理及使用态组织：热处理工艺：球化退火+淬火+低温回火使用态组织：高碳回火马氏体+弥散细小碳化物,可用作工具钢,11.3合金结构钢,11.3合金结构钢,11.3合金结构钢,11.3合金结构钢,11.4工具钢,工具钢分类：刃具钢、模具钢、量具钢。,一、刃具钢(一)用途：切削刀具：车刀、铣刀、钻头、锯、丝锥、板牙等受力：弯曲、扭转、剪切、冲击、震动、磨擦失效形式：磨损、崩刃、卷刃、折断等,(二)性能要求：（1）高硬度(HRC60)（2）高耐磨性（3）高的热稳定性或红硬性热稳定性：钢在使用变热过程中保持其原金相组织与性能的能力。红硬性：钢在高温条件下保持足够高硬度的能力。可用多次高温回火后在室温条件下测得的硬度表示。(4)一定的韧性：抗拉压弯扭，抗冲击,刃具钢共性要求,不同刃具的性能要求有一定差异,基体组织：高碳马氏体,11.4工具钢,(三)典型刃具钢种及成分、组织、热处理特点刃具钢按成分分为：碳素刃具钢、低合金刃具钢、高合金刃具钢高速钢1碳素工具钢(1)成分特点：高碳（0.65%1.35%C）,碳的作用：提高硬度与耐磨性作用机理：、固溶于基体；、形成Fe3C,11.4工具钢,(2)热处理及使用态组织：,a.预备热处理：球化退火目的：、软化组织；、细化、均匀化组织,b.最终热处理：淬火低温回火使用态组织：细针状高碳回火马氏体粒状Fe3CAR,11.4工具钢,11.4工具钢,(3)典型钢种T7、T8：T9、T10：T12、T13：,一定韧性的冲头、锤子、凿子,硬度高、韧性适中的钻头、手锯条、刨刀,硬度高、韧性低的锉、刮刀等,11.4工具钢,(4)碳素刃具钢的应用,优点：加工工艺简单；成本低；常温下硬度足够。,11.4工具钢,缺点：热稳定性较差：T200,HRC15mm时：水淬下仅表面淬硬工件尺寸受限，内应力及变形大,应用：手动工具或低速运转的工具；尺寸较小、对变形要求不高的工具切削软金属或木工工具,11.4工具钢,2低合金刃具钢(1)化学成分特点a.高碳：0.9%1.5%C;进一步提高硬度与耐磨性b.加入淬透性元素:Cr、Mn、Si；c.加入硬度与耐磨性元素:W、Vd.加入回火稳定性元素：Si注意：合金元素的综合作用合金总量15%,添加了大量碳化物形成元素W、Mo、Cr、V等Cr:淬透性；回火后形成细小碳化物W、Mo：高的红硬性；二次硬化V：红硬性；细化晶粒,11.4工具钢,(3)热处理特点：莱氏体钢粗大的共晶碳化物a.反复锻造；打碎粗大的鱼骨状共晶碳化物,(2)典型钢种：W18Cr4V；Mo8Cr4V2;W6Mo5Cr4V2,11.4工具钢,11.4工具钢,b.分级预热（600、800）；c.高温淬火（12501300）；d.分级淬火（600、400）；e.多次回火（550，三次以上）目的：产生二次硬化；消除残余奥氏体淬火：2030AR一次回火：15AR二次回火：57AR三次回火：12AR。,11.4工具钢,11.4工具钢,11.4工具钢,(4)高速钢组织淬火组织：隐晶马氏体+粒状碳化物+2030AR回火组织：极细回火马氏体+大量粒状碳化物+少量（12.7%单相铁素体,11.5特殊性能钢,（3）可形成致密氧化物元素：要求：结构致密、不溶于腐介、高电阻CrCr2O3;AlAl2O3;SiSiO2；MoO3;,不锈钢中不可缺的元素：Cr13%,Cr的作用：提高基体电极电位；形成致密氧化膜；一定条件下形成单相铁素体,11.5特殊性能钢,碳对钢耐腐蚀性的影响,总体不利：形成碳化物，增加微电池数；形成Cr的碳化物，降低Cr%,降低基体电极电位；造成晶间腐蚀,故不锈钢中通常C%13%,n/8；添加Ni:单相奥氏体加Mo、Cu抗非氧化性酸Ti、Nb抗晶间腐蚀Mn、N替代Ni,11.5特殊性能钢,4典型不锈钢,Cr17型：C15%铁素体型(低碳高铬)10Cr17、10Cr17Mo2Ti,按正火态组织分为：M、F、ACr13型：0.1%1.0%C;1318Cr马氏体型(较高碳；较低Cr)12Cr13、20Cr13、30Cr13、95Cr18,18-8型：C0.1%;18%Cr,9%Ni奥氏体型（低碳高铬高镍）12Cr18Ni9、12Cr18Ni9Ti、06Cr18Ni9(Ti),11.5特殊性能钢,习题与思考题,1钢分类的方法有哪几种？钢中常用合金元素有哪些是