工程材料及成型技术基础第5章 金属材料ppt精选课件

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0.252.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0035。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GB70088,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-AF即表示屈服点数值为235Nmm2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500600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0.250.6%）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510%）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。,Q235AF,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(0.91.2)%者及含碳量小于0.6%、含锰量(0.71.0)%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(0.71.0)%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(1.31.5)%。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(0.70.8)%，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0.951.15%），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(commonlowalloyedsteel),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,Wc0.25%,Wc=0.150.25%,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(500650),Wc=0.250.6%,Wc=0.250.5%,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(450550),碳素弹簧钢,合金弹簧钢,化学成分,热处理后的组织,Wc=0.60.9%,Wc=0.50.7%,合金元素:Si、Mn、Cr、V、W、Mo等。,T回,制造尺寸小于815mm的小型弹簧。,T回,制造尺寸在2025mm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(810)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(450550)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(250300),保温(12)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(350450)，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(35)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=0.91.1%。主加Cr,0.41.65%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(feecuttingsteel),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=0.080.3%Pb:WPb=0.150.25%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(highspeedsteel),(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;1841钢,(2)化学成分特点:,高碳0.71.5%:,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(2025%),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2025%。,*第一次回火后A残约剩1518%。,*第二次回火后A残约剩35%。,*第三次回火后A残约剩12%。,回火后的组织:M回+Cm+A残(12%),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200300。,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0.30.6%;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12%;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(9501000)(150180)*二次硬化法:淬火+三次回火(11001000)(510520),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0.91.5%;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(heatresistantsteel)耐磨钢(wearresistantsteel),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=0.10.4%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:1Cr134Cr13,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-188型钢,化学成分特点:Wc=0.080.14%WCr=1719%WNi=811%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=11.3%高锰WMn=1114%,4.热处理特点:,水韧处理。（即固溶处理）-将铸件加热至高温（10001100）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(190220)，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：2.5-4.0C，1.03.0Si,0.5-1.4Mn，0.01-0.5P,0.02-0.20S。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5070；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FeFe3C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340A，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FeFe3C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%40%，wSi=1.0%25%，wMn=O5%1.4%，wSO.15%，wP0.3%。(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GB943988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500600，经48h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850900，保持25h，使Fe3C分解，然后随炉缓冷至400500，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%，wS0.2%，wP0.1%。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，KTH35010，KTH33008，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%，wS5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(0.30.8)，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490503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。,AlCuMg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23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(135145，16h)，也可以用包铝的办法。,AlZnMgCu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。,AlMgSiCu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1113。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23NaF+13NaCl混合物的变质剂(加入量为合金重量的23)。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414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(ZL201ZL203):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820860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