铸钢基本知识2ppt课件

西安交通大学材料学院周根树,铸钢基本知识,1,铸钢的分类及牌号表示方法铸钢中常见元素及其作用力学性能热处理原理及工艺,主要内容,2,1.铸钢的分类及牌号表示方法,3,1.1铸钢的分类,4,1.2.1铸钢代号“ZG”,Z-铸造，G-钢1.2.2以强度表示的铸钢牌号ZG后面两组数据表示强度，第1组表示屈服强度，第2组表示抗拉强度，单位MPa.如：ZGD650-830,屈服强度,抗拉强度,铸钢代号,1.2铸钢牌号及表示方法,5,1.2.3以化学成分表示的铸钢牌号1）碳的标注“ZG”后面的一组数据表示名义万分碳含量；当含碳量大于1时，不标注含碳量；平均碳含量小于0.1%的铸钢，其第1位数前加0；牌号中碳的名义含量用上限表示。,6,2）合金元素的标注碳含量后面排列各主要元素符号，每个元素后面用整数标出名义百分含量;锰元素的平均含量小于0.9时，不标注元素符号。平均含量为0.9-1.4%时，只标符号；其他合金元素平均含量为0.9-1.4%时，符号后面标注1。钼元素的平均含量小于0.15%，其它元素平均含量小于0.5%，不标元素符号。,7,钼元素的平均含量介于0.15-0.9%，只标注元素符号，不标含量。当钛、钒元素的平均含量小于0.9%，铌、硼、氮、稀土等微量元素的平均含量小于0.5%时，只标注元素符号，不标含量。当主要合金元素多于三种时，可以在牌号中只标注前二种或前三种元素的名义含量。元素符号的标注顺序按照含量递减排列，若两种元素含量相同，则按字母顺序排列。,8,9,10,2.铸钢中常见元素及其作用,11,为提高碳钢的力学性能、淬透性及回火稳定性，在钢中添加一定量的合金元素合金钢。常用的合金元素有：Cr、Mn、Ni、Co、Cu、Si、Al、B、W、Mo、V、Ti、Nb、Zr、Re等。,12,2.1合金元素的作用,2.1.1合金元素存在形式,合金元素在钢中的存在形式多样，还会改变相图，影响相变。,合金元素在钢中的存在形式,固溶体,化合物,游离态,固溶体,碳化物,金属间化合物,非金属夹杂物,合金渗碳体,特殊碳化物,13,例：形成合金F合金元素溶入F后，由于原子半径和晶格类形的差异，必然引起晶格畸变，产生固溶强化，使的强度、硬度，而塑、韧性略有下降。P、Si、Mn、Ni是显著的强化元素。,固溶于F、A、M中Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W,固溶体,14,它是合金元素溶入渗碳体中并置换部分铁原子而形成的碳化物。(Fe,Me)3CMe代表Mn、Cr等合金元素。合金渗碳体比一般渗碳体稳定，硬度高，所以可以提高耐磨性。,如（Fe,Mn)3C、（Fe,Cr)3C、（Fe,Mo)3C、（Fe,W)3C、等,合金渗碳体,15,由中强或强碳化物形成元素形成的碳化物。其共同特点是：熔点高、硬度高、稳定性高、很难溶入中。,VC、TiC、NbC、ZrC、WC、MoCW2C、Mo2C、Cr23C6、Cr3C7、Fe3Mo3C、Fe3W3C、,特殊碳化物,16,金属间化合物,FeS、FeCr、Ni3Al、Ni3Ti、Fe2W,非金属夹杂物,Al2O3、AlN、SiO2、TiO2、MnS,游离态,如Pb、Cu等,17,除Mn外，所有合金元素都阻碍钢在加热时A晶粒的长大，尤其是Ti、V、Nb、Zr、Al等，可形成C、N化物，阻碍晶界迁移，细化晶粒。,1）细化奥氏体晶粒,2.1.2合金元素改善钢的热处理工艺性能,18,除Co外，固溶于A中的合金元素总是不同程度的增加稳定性，延缓的转变，使C曲线右移，淬透性提高。合金钢可选择油淬，高合金钢甚至空冷即可获得M组织。,2）改变C曲线形状,19,非碳化物形成元素及Mn，使C曲线右移。Mn,Ni,Cu,20,碳化物形成元素使C曲线右移，还改变C曲线形状。使P转变和B转变明显分开成两个转变图。Cr使B转变图右移的作用大于使P转变右移的作用。,21,碳化物形成元素Mo、W等使P转变图右移的作用大于使B转变右移的作用。空冷可获得B组织。,22,3）提高回火抗力，产生二次硬化，防止第二类回火脆性,回火抗力是指淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力，又称回火稳定性。合金元素固溶于淬火M中可减慢碳的扩散，阻碍碳化物从过饱和固溶体中析出，推迟M的分解，延缓硬度下降，因此，合金钢具有较高的回火抗力。,在相同回火温度下，含碳量相同的合金钢的硬度较碳钢高。,在要求相同硬度条件下，合金钢的回火温度高，塑韧性好。,23,一些含Cr、Mo、V等合金元素较多的合金钢，在500600范围内回火时，由于沉淀析出这些合金元素的碳化物并呈弥散状分布，因而对材料起到沉淀强化的作用。淬火钢在较高温度回火时，硬度不降低反而升高的现象称为二次硬化。,24,固溶强化第二相强化细晶强化,1）提高钢的强度,2.1.3合金元素提高钢的使用性能,25,Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W等合金元素固溶于F、A、M中引起晶格畸变，增加位错运动的阻力，产生强化。,（1）固溶强化,硬度提高,韧性降低,26,Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr等合金元素在钢中能够形成各种碳化物合金碳化物。,根据元素与碳亲和力的强弱，合金元素分为强碳化物形成元素：V、Ti、Nb、Zr弱碳化物形成元素：Mn中强碳化物形成元素：Cr、Mo、W,（）第二相强化,27,合金碳化物,合金渗碳体,特殊碳化物,28,它是合金元素溶入渗碳体中并置换部分铁原子而形成的碳化物。(Fe,Me)3CMe代表弱及中强碳化物形成元素Mn、Cr、Mo、W等合金元素。合金渗碳体比一般渗碳体稳定，加热时难溶入A中，也不易聚集长大，可阻碍位错运动，从而提高钢的强、硬度，提高耐磨性。,合金渗碳体,29,一般低合金结构钢中主要的合金元素为：Mn、Cr、Mo等，故在此类钢中主要形成的是合金渗碳体。,30,由中强或强碳化物形成元素形成的碳化物。其共同特点是：熔点高、硬度高、稳定性高、很难溶入中。,特殊碳化物,31,具有简单晶体结构的间隙化合物WC、Mo2C、VC、TiC具有复杂晶体结构的碳化物Cr23C6、Cr7C3、Fe5W3C,特殊碳化物的晶体结构与渗碳体不同，可分为：,32,V、Ti、Nb、Zr、Al等合金元素可是显著细化A、F晶粒及M，提高钢的强度、硬度，并能提高钢塑性和韧性。,（）细晶强化,钢的其它强化手段，提高强度、硬度是以降低塑、韧性为代价的。只有细晶强化既可以提高钢的强度和硬度，又能提高钢的塑性和韧性。,33,合金元素固溶于铁素体及奥氏体中，会改变同素异构转变温度A4、A3共析温度A1共析成分S奥氏体中碳的最大溶解度点E,）使钢获得特殊性能,合金元素加入钢中后会改变相图，使钢在室温下得到单相组织，并可形成致密的氧化膜和金属间化合物，使钢获得耐蚀性及耐热性。,（）形成单相组织,34,特点：A4、A3，相区扩大扩大相区并与-Fe形成无限固溶体的元素Ni、Mn等部分扩大相区与-Fe形成有限固溶体的元素C、N、Cu等。,扩大相区合金元素（稳定元素）,35,扩大相区并与-Fe形成无限固溶体,部分扩大相区并与-Fe形成有限固溶体,36,特点：A3、A4，相区缩小缩小并完全封闭相区的元素Cr、V、Mo、W、Ti、Al、Si等仅使相区部分缩小而不闭的元素、b、Ta、Zr等。,缩小相区的元素（稳定元素）,37,缩小并完全封闭区并与形成无限固溶体,缩小并完全封闭区并与形成有限固溶体,部分缩小区而不封闭,38,当钢中wNi=9%，wMn=13%时，可使A3降低至室温，此时钢在室温下为单相奥氏体组织，称为奥氏体钢。此类钢具有耐蚀、耐高温、抗磨损等特殊性能。当钢中wCr=1728%时，可使奥氏体区消失，此时钢在室温下为单相铁素体组织，称为铁素体钢。此类钢也具有耐蚀、耐高温等特殊性能。,39,合金元素Si、Cr、Al、Ni、W、Mo、Ti等加入钢中后，会形成致密氧化膜SiO2、Cr2O3、Al2O3等金属间化合物FeSi、FeCr、Ni3Al、Ni3Ti、Fe2W、Fe2Mo等,（）形成致密氧化膜或金属间化合物,40,致密的氧化膜覆盖在钢的表面上，可提高钢的耐蚀性和高温抗氧化性；金属间化合物可阻碍位错在高温下的运动，提高钢的蠕变抗力，及高温强度。,41,细化A晶粒,提高淬透性,提高回火抗力,固溶强化,Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W,第二相强化,扩大A相,扩大F相,形成致密氧化膜,42,43,3.力学性能,43,3.1零件在常温静载下的力学性能,材料在外力作用下产生的形状或尺寸的变化。,变形,变形,弹性变形,塑性变形,外力去除后可恢复,外力去除后不可恢复,44,常温静载试验方法,静拉伸压缩弯曲扭转硬度,45,工程材料静拉伸时的应力-应变行为,低碳钢拉伸应力-应变曲线,s:均匀塑性变形,达到b:集中塑性变形，产生颈缩,变形量达k点后，发生断裂,46,弹性变形,屈服塑性变形,均匀塑性变形,不均匀集中塑性变形,断裂,47,以下力学性能指标均对成分、组织敏感,e：弹性极限p：比例极限s：屈服极限，屈服强度b：强度极限，抗拉强度：延伸率,新国标：ReL:下屈服强度ReH:上屈服强度A:延伸率,48,低碳钢，正火、退火、调质态的中碳钢或低、中碳合金钢和有些铝合金及某些高分子材料都具有上图所示的应力-应变行为。即在拉伸应力的作用下的变形过程分为四个阶段：弹性变形、屈服塑性变形、均匀塑性变形、不均匀集中塑性变形。,49,其它类型材料的应力-应变曲线,大多数纯金属(Al,Cu,Au,Ag),变形分为三个阶段，无屈服塑性变形阶段,脆性材料（陶瓷、白口铸铁、淬火高碳钢及高碳合金钢）,只有弹性变形阶段,高弹材料(橡胶),只有非线性弹性变形一个阶段，且弹性变形能力强，弹性变形率可达1001000。,50,衡量材料塑性的指标,伸长率、断面收缩率,L0、A0：拉伸试样的原始标距长度、原始截面积；L、A：拉伸试样断裂后的标距长度、颈缩处最小截面积,51,过量变形失效,过量弹性变形过量塑性变形,52,过量弹性变形,镗床的镗杆的过量弹性变形会降低被加工零件的精度甚至造成废品；齿轮轴的过量弹性变形会影响齿轮的正常啮合，加速磨损，增加噪声；弹簧的过量弹性变形会影响其减振和储能驱动作用。,零件在在一定载荷作用下，只允许一定量的弹性变形，过量弹性变形会造成零件失效。,53,零件在受力时抵抗弹性变形的能力称为零件的刚度。,54,材料抵抗弹性变形的性能指标,弹性变形阶段，-曲线的斜率tanE，称为材料的拉伸弹性模量，它表示材料抵抗弹性变形的能力。,55,当材料受纯剪切时，同样有：,G为切变弹性模量,56,表1-1各类材料室温弹性模量,57,3.2冲击韧性,衡量指标：冲击吸收功Ak冲击韧度ak(akAk/Fk),材料在冲击载荷下吸收塑性变形功和断裂功的能力。是材料强度和塑性的综合表现。,58,59,工程中常将材料的屈服强度与冲击韧性结合在一起用于零件及结构的设计。焊接结构设计中，除了强度的要求外，规定焊接接头冲击吸收功Ak27J,冲击韧性的应用,60,-59,-12,4,16,24,79,低强度铁素体钢冲击断口照片,61,系列冲击试验,奥氏体钢,低强度铁素体钢,高强度钢,62,温度对材料的韧性影响很大，材料由韧性状态转变为脆性状态的温度称为韧脆转变温度，Tk。Ak越高，Tk越低，则材料的韧性越好。Ak是对材料的成分和组织敏感的力学性能指标。钢韧性最高，无明显的Tk，低温韧性好；低强度铁素体钢韧性次之，有明显的Tk，低温韧性差；高强度M钢韧性最差，即使室温韧性也很低。,63,4.热处理原理及工艺,64,4.1.1热处理分类,65,4.1.2常见加热缺陷,1)氧化危害：影响尺寸精度和表面质量2)脱碳：表层含碳量低于内部的现象危害：表层的硬度及强度3)过热：加热温度过高，保温时间过长，引起奥氏体晶粒显著粗化的现象。危害：易形成魏氏体或晶间网状渗碳体；塑、韧性下降4)过烧：加热温度太高，引起晶界氧化甚至熔化的现象。危害：易形成魏氏体、晶粒粗大或晶间网状渗碳体；易发生开裂。,66,4.2钢的热处理原理,4.2.1钢在加热时的组织转变奥氏体的形成,形核,长大,碳化物溶解,成分均匀化,67,加热/冷却时相图的变化,c-加热r-冷却,68,奥氏体晶粒,晶粒度:每平方英寸上的平均晶粒数n=2G-1,n-晶粒度,G-晶粒度等级G=14,粗晶粒;G=510,细晶粒本质晶粒度:在(93010)OC保温3-8小时后测定的奥氏体晶粒大小.主要决定于成分和脱氧剂.实际晶粒度:具体条件下奥氏体实际晶粒大小.与加热条件和热加工条件相关.,69,70,影响奥氏体晶粒大小的因素,加热温度和保温时间温度越高,时间越长,晶粒增大加热速度:快,起始晶粒小化学成分:稳定碳化物元素阻碍晶粒长大原始组织:原始组织细,则加热后晶粒也小,71,4.2.2过冷奥氏体的冷却转变,1.过冷奥氏体：低于奥氏体平衡转变温度的奥氏体2分类：等温转变（TTT）:相变在恒温下进行连续转变（CCT）:相变在连续冷却过程中进行3.非平衡组织:贝氏体,马氏体,72,过冷奥氏体等温转变,1TTT图或C曲线1)各线的意义:相变起始线相变结束线Ms-M相变起始温度Mf-M相变终了温度2)符号P珠光体；S索氏体；T托氏体；B上上贝氏体；B下下贝氏体；M马氏体3)鼻温：对应最短孕育期的温度,73,2C曲线影响因素,1）成分越接近共析点，C曲线越右移；除Co外，合金元素使曲线向右移动。合金元素还改变C曲线形状。2）晶粒度晶粒粗，C曲线越右移3）奥氏体化温度和时间：，C曲线越右移。,74,75,过冷奥氏体连续冷却转变,1.CCT图,76,2.TTT曲线与CCT曲线的对比,1)CCT曲线位于TTT曲线的右下方;2)共析钢(和共析钢)的CCT曲线无贝氏体区;3)临界冷却速度Vc由CCT曲线获得.冷却速度Vc:可获得全部马氏体的最小冷速,77,2.TTT曲线与CCT曲线的应用,1）根据温度和冷速预测组织与性能。2）确定热处理工艺。,78,4.3钢的退火与正火,4.3.1退火1定义：加热到一定温度，保温后随炉缓慢冷却，获得平衡组织的工艺。2.分类:完全退火均匀化退火球化退火再结晶退火去应力退火去氢退火,79,3.退火工艺,1)完全退火目的：消除不均匀的内部组织和过热组织加热温度：Ac3+2050OC应用：消除铸、锻件过热组织。其他:等温退火:完全奥氏体化后快冷至Ar下等稳,再空冷至室温不完全退火:加热到两相区保温,80,2）均匀化退火（扩散退火）,目的：消除成分的不均匀性加热温度：Ac3+100150OC应用：铸件枝晶偏析的消除,81,3）球化退火,目的：得到球状珠光体组织稳定碳化物，塑性提高，硬度下降。工艺一次加热球化:Ac1+2030OC，炉冷等温球化:在Ar下保温周期球化:在A1线上下循环加热-保温-冷却-保温-加热应用：共析、过共析钢预先热处理；低、中碳钢提高冷成形性。,82,83,4）去应力退火,目的：消除残余应力加热温度：550650OC冷却：缓冷,84,5）再结晶退火,目的：消除加工硬化加热温度：TR+150250OC应用：冷变形金属制品,85,6）去氢退火,目的：去氢工艺：加热温度Ac3，鼻温处等温,86,87,4.3.2正火,1.定义：加热到一定温度，保温后空冷，获得近平衡组织的工艺。2.组织特征：珠光体含量；晶粒尺寸；珠光体片间距3.性能特征：硬度、强度4.目的及应用低、中碳钢改善切削性能消除网状渗碳体（球化退火予处理）代替调质处理（感应淬火予处理）最终热处理(铸件),88,4.3.3退火、正火常见缺陷与控制,1.退火硬度偏高原因：退火温度低、冷速快改善：重新退火2.球化不完全特征:出现细片状或点状珠光体改善：重新球化3.退火时形成石墨（黑脆）原因：退火温度高、保温时间长、反复退火改善：正火,4.正火组织出现网状渗碳体原因：冷速不足改善：加快冷速5.反常组织特征:亚共析钢中出现非共析渗碳体,过共析钢中出现游离铁素体.原因:在Ar1附近冷却过慢改善:重新退火,89,4.4钢的淬火,1定义：经过奥氏体化的钢以大于临界冷速VC的速度冷却，获得不平衡组织的工艺。2淬火目的提高强度、硬度及耐磨性与回火结合提高综合力学性能改变物理或化学性能,90,4.4.1淬火加热,1加热温度亚共析钢：Ac3+3050OC共析、过共析钢：Ac1+3050OC合金钢：2加热时间经验公式：=D加热系数K-装炉系数D-工件有效厚度,91,4.4.2淬火介质,1理想淬火介质鼻温处快冷，其余慢冷原因：既得到非平衡组织，又减小应力,92,2.常用冷却介质,1）分类有物态变化：水、油、盐水、碱水、有机淬火液无物态变化：熔盐、熔碱、熔融金属2）冷却能力盐水、碱水水油、有机淬火液熔盐、熔碱；流动介质静态介质不足：前者低温冷速太快，后者高温冷速不足,93,4.4.3淬火方法,1单介质淬火：一种介质（包括预冷淬火）优点：简便应用：简单工件2双介质淬火：接近MS点时换缓冷介质优点：可减小淬火开裂缺点：技术要求高应用：高碳钢3分级淬火：接近MS点时换熔盐、熔碱介质保温，温度均匀后再空冷。优点：形状复杂、小尺寸合金钢4等温淬火：在大于或小于MS的熔盐、熔碱介质中长时间保温，形成贝氏体或部分马氏体，再空冷。优点：淬火应力最小应用：获得下贝氏体或马氏体5.冰冷处理：在零度以下的冷却，称冰冷处理特点：应力大应用：减少残余奥氏体;作用:提高硬度、提高尺寸稳定性、尺寸修复,94,95,4.4.4钢的淬透性,1.淬透性：钢淬火时获得马氏体的倾向（能力）。取决于VC。2.淬硬性：钢在正常淬火条件下能够得到的最高硬度值。主要取决于含碳量。3.淬硬层深度：工件表面至半马氏体区的厚度。4.淬透性与淬硬层深度的关系当工件中心淬硬时称淬透。淬硬层深度与淬透性、工件大小、淬火工艺有关。5.淬透性的应用材料选择冷却介质选择预测截面上硬度分布,96,50%M,97,4.4.5淬火缺陷及质量控制,变形、开裂硬度不足软点过热、过烧、脱碳、氧化,98,（1）.热处理应力,1)分类热应力:由于各部位冷速不同而造成的收缩受阻所产生的应力。相变（组织应力）:由于固态相变时的体积变化受阻而产生的应力。2)淬火时的组织应力最大。,99,100,（2）.变形,1)形式：体积变化形状变化2)原因:应力大于屈服强度,101,（3）.淬火开裂,类型根本原因：拉应力作用,102,103,（4）.硬度不足,原因未淬透；有未溶铁素体；残余奥氏体过多,控制提高冷速提高加热温度冰冷处理,104,（5）.软点,定义：工件表面局部硬度不足原因：工件表面气泡、涂料等。