第七章钢铁材料1

1、1机械工程材料机械工程材料主讲教师：吴宜勇电话：864124622主要内容绪论第一章 材料的内部结构第二章 结晶与显微组织第三章 工程材料的力学性能第四章 工程材料的物理、化学性能第五章 工程材料的强化理论第六章 钢的热处理与马氏体相变强化第七章 钢铁材料第八章 有色金属及其合金3第七章第七章 钢铁材料钢铁材料l定义：钢铁材料通常包括钢和铸铁钢和铸铁，包含所有实用实用的Fe-CFe-C基合金基合金实用: v成分可调，易于冶炼（可制造性可制造性）v综合性能（可使用性可使用性）好，机械性能尤为突出v资源丰富（存在性存在性）钢: 含碳量小于2.11%；铸铁：含碳量大于2.11%l学习目的：通过对钢铁

2、材料的学习,举一反三,为在工程中正确选择和使用材料打下理论基础Fe-C基合金: 以Fe-C主要元素, 加入其他合金元素改性4第七章第七章 钢铁材料钢铁材料7.1 概述概述钢材分类钢材分类钢材牌号钢材牌号7.2 普通结构钢普通碳素钢普通低合金高强度钢7.3 优质结构钢渗碳钢调质钢弹簧钢轴承钢7.4 工具钢刃具钢模具钢量具钢7.5 特殊性能钢不锈钢耐热钢其他特殊钢7.6 铸铁概述铸铁的石墨化常用普通铸铁57.1.1 钢铁材料的分类1.成份分类2. 供应状态 显微组织低碳低碳(C0.25%)；中碳中碳(0.25%C0.6%)；低合金低合金(含量含量5%)；中合金中合金(5%含量含量10%)；亚共析钢

3、亚共析钢(C0.77%)；珠光体，贝氏体，马氏体珠光体，贝氏体，马氏体奥氏体，过渡混合组织奥氏体，过渡混合组织碳钢碳钢合金钢合金钢退火态退火态正火态正火态7.1 概述67.1.1 钢铁材料的分类7.1 概述3.冶金质量4.用途普通质量钢普通质量钢(P 0.045%, S 0.05%)优质钢优质钢(P 0.035%, S 0.035%)高级优质钢高级优质钢(P 0.025%, S 0.025%)工程结构钢：建筑、桥梁、船舶、工程结构钢：建筑、桥梁、船舶、 车辆、压力容器车辆、压力容器机器零件用钢：渗碳钢；调质钢；机器零件用钢：渗碳钢；调质钢； 弹簧钢；轴承钢弹簧钢；轴承钢工具钢：刃具钢；模具钢；

4、量具钢工具钢：刃具钢；模具钢；量具钢特殊性能钢：不锈钢；耐热钢；耐寒钢特殊性能钢：不锈钢；耐热钢；耐寒钢问题：按用途分类的各类钢，在成分上、冶金问题：按用途分类的各类钢，在成分上、冶金质量上和供应态显微组织的特点？质量上和供应态显微组织的特点？77.1.2 钢的编号7.1 概述 钢编号原则：我国采用国际化学符号、数字及汉语拼音并用的原则国际化学符号: 材料组成(一般指除基本元素以外的合金元素), 如Ni, Co, Cr, W, Mn, Si等汉语拼音: 用于说明材料的产品名称、用途、冶炼和浇铸方法等。表7-1列出了部分钢号中的汉语拼音字符的意义举例，举例，16Mn, 16Mnq, GCr15,

5、 T10, T10A等等数字: 一般表示某组成元素的含量(用整数), 表示方法根据材料不同87.1.2 钢的编号7.1 概述表表7-17-197.1.2 钢的编号7.1 概述1. 普通结构钢：普通碳素结构钢（普碳钢）：普通碳素结构钢（普碳钢）：钢号由代表屈服点的拼钢号由代表屈服点的拼音字母音字母Q、屈服强度数值（单位为、屈服强度数值（单位为MPa）、钢材的质）、钢材的质量等级符号（量等级符号（A、B、C、D）以及钢的冶炼脱氧方法）以及钢的冶炼脱氧方法（F、b、Z、TZ）等四部分按顺序组成。）等四部分按顺序组成。举例：举例：Q235-A.F表示该材料的屈服强度为表示该材料的屈服强度为235MPa

6、，质量，质量等级等级A，F指沸腾钢指沸腾钢普通低合金结构钢（普低钢）：普通低合金结构钢（普低钢）：钢号由钢号由“数字数字a+（元（元素符号素符号+数字数字b）+（元素符号（元素符号+数字数字c）+”组成。组成。v数字数字a a：为两位整数，表示钢材含碳量的万分数为两位整数，表示钢材含碳量的万分数v数字数字b b，cc：为一位或两位整数，表示钢材含有合为一位或两位整数，表示钢材含有合金元素的百分数。金元素的百分数。107.1.2 钢的编号7.1 概述2. 优质碳素结构钢优质碳素结构钢: 平均碳含量两位数平均碳含量两位数-万分数。万分数。45钢钢3. 碳素工具钢碳素工具钢: “T” + 平均碳含量

7、平均碳含量-千分数。千分数。T8; T10; T8A4. 合金结构钢合金结构钢: 牌号表示法与普低钢类似。牌号表示法与普低钢类似。60Si2Mn5. 合金工具钢合金工具钢: 平均碳含量千分数平均碳含量千分数 + 合金元素合金元素+含量含量%。9Mn2V C1%时不标注含碳量。时不标注含碳量。CrMn (C:1.31.5%) 高速钢：不标注含碳量。高速钢：不标注含碳量。W18Cr4V (C:0.70.8%)6. 滚动轴承钢滚动轴承钢: 一般含碳量为一般含碳量为0.951.15%，不标注。钢号前加注不标注。钢号前加注“G”。GCr157. 不锈钢及耐热钢不锈钢及耐热钢: 平均碳含量平均碳含量-千分

8、数。千分数。9Cr18 (C0.9%, Cr18%)。含碳量小于。含碳量小于0.03%及及0.08%时，在时，在钢号前分别加钢号前分别加“00”及及“0”， 00Cr18Ni10117.2 普通结构钢构件钢损伤破坏例: Titanic 号沉船与构件(船用)钢Titanic Sinking of The Titanic 按照常规的拉伸试验,强度-塑性指标满足船用结构的要求 但是杂质含量较高 高的韧-脆转变温度, 不适于低温服役 Tatanic撞击冰山的温度为-2CASTM A36 (Q235)钢样品钢样品Charpy冲击能冲击能-温度试验温度试验-韧性韧性127.2 普通结构钢 桥梁与构件钢美国

9、旧金山金门大大桥美国旧金山金门大大桥 九江长江大桥（九江长江大桥（15MnVNq）首次采）首次采用高强度用高强度15MnVNq钢材（屈服强度钢材（屈服强度420MPa）武汉长江大桥（武汉长江大桥（Q235qQ235q）南京长江大桥（南京长江大桥（16Mnq16Mnq）, ,屈服强度屈服强度350MPa 。137.2 普通结构钢7.2.1构件用钢的性能要求和选材1.使用性能：保证钢材安全可靠服役的性能要求 构件用钢使用特点：4.在一定温度与环境条件下1.用于制作工程结构, 冶炼简便, 成本低, 用量大3.长期承受静载2.供应态使用, 使用时一般没有相对运动 构件用钢性能要求：（1）力学（机械性能

10、）：刚度、塑变抗力、断裂抗）力学（机械性能）：刚度、塑变抗力、断裂抗力、塑性、缺口敏感性、冷脆倾向力、塑性、缺口敏感性、冷脆倾向（2）化学稳定性：耐环境（大气、海水、河水、工）化学稳定性：耐环境（大气、海水、河水、工业环境）腐蚀能力业环境）腐蚀能力147.2 普通结构钢7.2.1构件用钢的性能要求和选材 构件用钢性能要求：2. 工艺性能: 满足构件服役时形状和连接要求的性能（1 1）冷变形性能：）冷变形性能：（2 2）焊接性能：）焊接性能：a. a. 变形抗力反映了通过变形变形抗力反映了通过变形制备成设计形状部件的难制备成设计形状部件的难易程度易程度b. b. 承受一定量的塑性变形时承受一定量

11、的塑性变形时产生变形、开裂或其它缺产生变形、开裂或其它缺陷的倾向性陷的倾向性c. c. 冷变形前后的性能变化冷变形前后的性能变化 a. a. 焊接接头性能焊接接头性能b. b. 焊接时形成裂缝的倾向焊接时形成裂缝的倾向 构件用钢选材原则：1.选材首先满足工艺性能的要求，并充分考虑其力学性能2.材料的成分以低碳钢(CAc3-心部组织细化，表面Ar多 淬火温度： Ac1Ac3-心部有未溶粗大F, 表面性能好两次加热淬火：渗碳缓冷后进行两次加热淬火 第一次淬火温度Ac3：细化心部组织，消除表面网状碳化物 第二次淬火温度稍高于Ac1点(780820C)：表面组织细化（隐晶M)，Ar适量，碳化物分布均匀

12、 钢渗碳后的热处理-回火渗碳件淬火后都要经过180200 C低温回火7.3 优质结构钢237.3.1 渗碳钢(3)：渗碳后的组织和缺陷 渗碳后表面碳含量约为0.81.2% 解释组织结构变化？ 主要的渗碳缺陷：黑色组织：内氧化引起反常组织：先共析渗碳体周围出行铁素体，钢中含氧过高引起。渗层深度不均匀:原始组织不均匀；钢表面污染或氧化。表面贫碳脱碳: 炉内碳势过低; 渗后热处理氧化7.3 优质结构钢247.3.1 渗碳钢(4)：工程用渗碳钢1. 渗碳钢的工作条件：零件有较高的强度和可靠性零件有较高的强度和可靠性零件会受到较大的表面摩擦零件会受到较大的表面摩擦零件会受大较大的冲击作用零件会受大较大的

13、冲击作用2. 渗碳钢的性能要求：常用渗碳钢零件：齿轮，凸轮，活塞销一定的强度和塑性，以抵抗拉伸、弯曲和扭转等变形破坏一定的强度和塑性，以抵抗拉伸、弯曲和扭转等变形破坏表面较高的硬度和耐磨性，以抵抗磨损和表面接触疲劳表面较高的硬度和耐磨性，以抵抗磨损和表面接触疲劳较高的韧性，以承受强烈的冲击作用较高的韧性，以承受强烈的冲击作用较好的抗疲劳破坏能力，以抵抗循环载荷的作用较好的抗疲劳破坏能力，以抵抗循环载荷的作用7.3 优质结构钢257.3.1 渗碳钢(4)：工程用渗碳钢渗碳钢零件齿轮的主要失效形式齿跟因过载、冲击或疲劳断裂齿跟因过载、冲击或疲劳断裂过载齿形流变过载齿形流变接触疲劳麻点接触疲劳麻点过

14、载、润滑不当或过热过载、润滑不当或过热引起的表面粘着磨损引起的表面粘着磨损磨粒或麻点破坏磨粒或麻点破坏7.3 优质结构钢267.3.1 渗碳钢(4)：常用渗碳钢7.3 优质结构钢277.3.1 渗碳钢(5)：合金化及加工工艺渗碳钢“外硬里韧”的力学性能特点通过选择低碳钢的表面渗碳来满足，但低碳钢是满足不了高性能零件的要求，这主要是由于：1）形状、尺寸变化：高的淬透性要求）形状、尺寸变化：高的淬透性要求2）长寿命可靠性：更高的表面耐磨性和整体机械性能）长寿命可靠性：更高的表面耐磨性和整体机械性能的要求的要求合金化合金化元素Cr, Mn, Ni, Mo, B, Ti2020Cr20CrMnTi7.

15、3 优质结构钢287.3.1 渗碳钢(5)：合金化及加工工艺 零件加工工艺路线：注意热处理工艺要求下料下料锻造锻造正火正火机械加工机械加工渗碳渗碳低温回火低温回火磨削精加工磨削精加工装配装配预冷淬火预冷淬火问题：试说明渗碳钢各热处理工艺选择的目的，正火、淬火温度和回火温度？并说明原因。7.3 优质结构钢297.3.1 渗碳钢(5)：渗碳钢零件组织预备热处理（正火）：F+S最终热处理-淬火+低温回火改善组织利于机加工硬度HB170-210表面心部M回+碳化物粒+Ar完全淬透不完全淬透M回+FF + S问题：试说明表面至心部的组织过渡情况？7.3 优质结构钢30317.3.2 调质钢(1)：特点和

16、要求调质钢概念：经淬火加高温回火而使用的结构钢组织特点: 回火索氏体性能特点：综合机械性能好 调质钢的工作条件及性能要求：使用调质钢的零件：机床主轴，曲轴，连杆工作条件：承受较大弯矩，传递扭矩承受较大弯矩，传递扭矩受交变应力，已产生疲劳受交变应力，已产生疲劳启动或刹车时受冲击启动或刹车时受冲击与轴承配合部有磨损与轴承配合部有磨损7.3 优质结构钢327.3.2 调质钢(1,2)：特点和要求,常用调质钢 调质钢的性能要求：高的屈服强度和疲劳极限高的屈服强度和疲劳极限良好的塑性韧性良好的塑性韧性局部优良耐磨性局部优良耐磨性较好淬透性较好淬透性2. 常用调质钢：中碳(合金)钢, 如45, 40Cr,

17、 38CrMoAl调质处理低碳钢低碳钢中碳钢中碳钢高碳钢高碳钢韧性好，但强度过低韧性好，但强度过低强度韧性最佳配合强度韧性最佳配合强度高，但韧性偏低强度高，但韧性偏低7.3 优质结构钢337.3.2 调质钢(2)：常用调质钢7.3 优质结构钢34中碳钢的调制处理实现零件良好的综合机械性能要求，但中碳钢满足不了高性能零件的要求，由于：1）高的淬透性要求2）更高的整体机械性能和局部表面耐磨性的要求合金化合金化合金化元素合金化元素Cr, Mn, Ni, Si, B, W, Mo, Ti, V主要提高淬透性主要提高淬透性细化晶粒，提高回火细化晶粒，提高回火稳定性稳定性, 抑制回火脆抑制回火脆比较：比较

18、：4540Cr38CrMoAl7.3.2 调质钢(3)：调质钢合金化7.3 优质结构钢357.3.2 调质钢(3)：调质钢热处理与加工工艺下料下料锻造锻造预备热处理机械加工机械加工调质局部感应淬火磨削精加工磨削精加工装配装配铣键槽铣键槽以车床主轴(多阶梯中小尺寸轴)为例, 性能要求：承受交变弯曲和扭转应力；有冲击作用；键槽部分有磕碰或滑动，轴承部分摩擦，提高局部耐磨性预备热处理：正火或完全退火预备热处理：正火或完全退火改善性能改善性能(HB220)改善组织改善组织(细小细小S)试确定45钢的正火温度，指出正火后组织7.3 优质结构钢367.3.2 调质钢(3)：调质钢热处理与加工工艺 感应淬火

19、是一种表面强化处感应淬火是一种表面强化处理工艺。利用感应电流加热理工艺。利用感应电流加热工件，并快速冷却而在表面工件，并快速冷却而在表面获得马氏体的工艺获得马氏体的工艺交变磁场感应电流趋肤效应表面加热快速冷却表面获得马氏体7.3 优质结构钢377.3.2 调质钢(3)：表面高频淬火组织1000 表面回火组织1000 心部组织7.3 优质结构钢387.3.3 弹簧钢(1)：使用条件和性能要求弹簧类零件的使用条件及性能要求 概念：用于制造弹簧或类似弹簧性能零件的钢种。常用零件：汽车蝶板弹簧，仪表弹簧，汽阀弹簧主要作用和使用条件间断吸收能量间断吸收能量缓和机械振动和冲击缓和机械振动和冲击周期性储存能

20、量周期性储存能量主要失效形式疲劳断裂疲劳断裂塑性变形，失去弹性塑性变形，失去弹性7.3 优质结构钢397.3.3 弹簧钢(1)：使用条件和性能要求弹簧类零件的使用条件及性能要求弹簧钢的性能要求1 1）高的屈服强度、疲劳强度和高的屈强比）高的屈服强度、疲劳强度和高的屈强比2 2）一定的塑性和韧性）一定的塑性和韧性3 3）好的淬透性，以保持零件组织均匀性）好的淬透性，以保持零件组织均匀性4 4）在高温和腐蚀介质下工作时，有好的环）在高温和腐蚀介质下工作时，有好的环境稳定性境稳定性7.3 优质结构钢407.3.3 弹簧钢(2)：常用弹簧钢及其合金化弹簧钢分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢弹簧钢零件性能以强度

21、要求为主弹簧钢成分特点含碳量较高（含碳量较高（0.50.9%)以以Si、Mn为主要合金化元素为主要合金化元素以以Cr、W、V为辅合金化元素为辅合金化元素讨论：讨论：1.1.说明含碳量较高的原因？说明含碳量较高的原因？2.2.合金元素合金元素SiSi、MnMn在弹簧钢中的作用在弹簧钢中的作用3.Cr3.Cr、W W、V V的作用又是什么？的作用又是什么？ 7.3 优质结构钢417.3.3 弹簧钢(2)：常用弹簧钢7.3 优质结构钢427.3.3 弹簧钢(3)：弹簧钢的热处理及加工工艺l弹簧钢按成形方法分为冷成形和热成形两类冷成形，即强化后成形的弹簧（丝径小于冷成形，即强化后成形的弹簧（丝径小于8

22、10mm810mm的弹簧或钢丝）的弹簧或钢丝）冷成形弹簧表面质量好冷成形弹簧表面质量好多次冷拔的钢丝强度可达多次冷拔的钢丝强度可达1600MPa1600MPaA体化体化等温铅淬等温铅淬(450550C)获得细小珠光体获得细小珠光体冷拔成形冷拔成形去应力退火去应力退火(250300 C )最终成形最终成形均匀组织均匀组织直接冷拔直接冷拔680 C中间退火中间退火7.3 优质结构钢437.3.3 弹簧钢(3)：弹簧钢的热处理及加工工艺l弹簧钢按成形方法分为冷成形和热成形两类热成形，即成形后强化的弹簧（大中型弹簧）热成形，即成形后强化的弹簧（大中型弹簧）热成形时材料表面会有氧化、脱碳，弹簧表面质热成

23、形时材料表面会有氧化、脱碳，弹簧表面质量不好，故增加喷丸处理量不好，故增加喷丸处理汽车板簧用汽车板簧用60Si2Mn钢热成型，经喷丸处理后使钢热成型，经喷丸处理后使用寿命提高（用寿命提高（35）倍）倍A体化体化热卷成形热卷成形中温回火（中温回火（350450C）表面喷丸处理表面喷丸处理成品出厂成品出厂余热淬火余热淬火试说明弹簧钢中温回火组织及其性能试说明弹簧钢中温回火组织及其性能7.3 优质结构钢44概念：主要用于制造滚动轴承零件的钢种。滚动轴承由内套、外套、滚动体及保持架组成滚动轴承滚动轴承内内 套套外外 套套滚动体滚动体保持架保持架轴承钢轴承钢低碳钢冲低碳钢冲制成形制成形7.3.4 滚动轴

24、承钢(1)：轴承的组成 7.3 优质结构钢45 工作条件和失效形式工作条件失效形式失效形式高速运转，受载面积小滚动及滑动摩擦机器震动冲击长期工作稳定交变载荷，接触疲劳交变载荷，接触疲劳表面磨损擦伤表面磨损擦伤冲击变形损伤冲击变形损伤尺寸不稳定，配合不好尺寸不稳定，配合不好环境和润滑油腐蚀环境和润滑油腐蚀7.3.4 滚动轴承钢(2)：工作条件和性能要求 7.3 优质结构钢46 失效轴承的形貌特征7.3.4 滚动轴承钢(2)：工作条件和性能要求 7.3 优质结构钢47 轴承钢使用性能要求1）高而均匀的表面硬度(HRC61-65)，提高耐磨性2）高的弹性极限和接触疲劳强度3）良好的组织均匀性和尺寸稳

25、定性4）一定的耐蚀性和足够的韧性5）好的淬透性为什么轴承钢还要有好的淬透性？这与其为什么轴承钢还要有好的淬透性？这与其失效特征有什么关系？失效特征有什么关系？7.3.4 滚动轴承钢(2)：工作条件和性能要求 7.3 优质结构钢48l高含碳量：一般为0.951.15%，保证高强度高耐磨性马氏体中有足够含碳量马氏体中有足够含碳量钢有足够的弥散碳化物钢有足够的弥散碳化物l加入Cr、Mn、Si合金化元素提高淬透性提高淬透性强化铁素体强化铁素体稳定碳化物稳定碳化物细化组织细化组织提高回火稳定性和尺寸稳定性提高回火稳定性和尺寸稳定性l高的接触疲劳极限对材料中的微小缺陷敏感：高的冶金质量要求，S, P0.0

26、2%7.3.4 滚动轴承钢(3)：轴承钢成分及合金化 7.3 优质结构钢49v在轧钢、矿山机械中受冲击载荷较大的大型轴承可选在轧钢、矿山机械中受冲击载荷较大的大型轴承可选用渗碳钢制造，如用渗碳钢制造，如20NiMo, 20Cr2Ni4WA20NiMo, 20Cr2Ni4WA等等v高温轴承选用高合金钢制造，如高温轴承选用高合金钢制造，如Cr4Mo4V, 9Cr18MoCr4Mo4V, 9Cr18Mo7.3.4 滚动轴承钢(4)：常用轴承钢7.3 优质结构钢50 以GCr15为例，轴承的加工工艺路线如下：锻造锻造正火正火球化退火球化退火淬火淬火冷处理冷处理(-60-80(-60-80C )C )低

27、温回火低温回火机加工成型机加工成型磨削磨削去应力回火去应力回火1. 1.说明每一个热处理步骤的作用，生成说明每一个热处理步骤的作用，生成的组织和相关性能？的组织和相关性能？7.3.4 滚动轴承钢(5)：加工工艺与热处理7.3 优质结构钢5152 定义：用于制造各种加工和测量工具的钢，包括刃具、磨具和量具。工具钢的通用性能高硬度、高耐磨性高温硬度和高温稳定性较好的韧性和淬透性较高含碳量高回火稳定性（合金化）杂质含量低(S，P0.02%)下料下料锻造锻造预备预备热处理热处理机械加工机械加工最终热处理最终热处理精加工及表面处理精加工及表面处理装配装配 工具钢的一般加工工艺：7.4 工具钢工具钢的成分

28、要求537.4 工具钢54刃具钢的工作条件及性能要求刃具：车、钳、铣、刨、钻、锯等刃具钢：制造用于切削加工零件的钢材性能要求性能要求高硬度、高耐磨性高硬度、高耐磨性高温稳定性，高温稳定性，红硬性红硬性较好的韧性和淬透性较好的韧性和淬透性快速切削摩擦摩擦生热，温度达500C切削震动和冲击工作条件7.4.1 刃具钢(1)：工作条件与性能要求7.4 工具钢55定义：材料在受热条件下仍能保持足够高的硬度和切削能力的特性红硬性物理表征：以多次高温回火(600C)后的室温硬度表示以保持一定硬度(HRC60)而能使用的最高回火温度表示红硬性物理本质：抗高温回火的软化能力，材料的回火抗力7.4.1 刃具钢(2

29、)：红硬性7.4 工具钢56 刃具钢分类：碳素刃具钢、低合金刃具钢、高速钢1) 碳素刃具钢：T8, T10, T12, T8A特点适用范围：适用于手工工具，小尺寸低速刃具、模具。加工低硬度材料耐磨、加工性好价格便宜满足一般工具工作条件红硬性低(200C),淬透性差说明T8钢的预备热处理和最终热处理工艺7.4.1 刃具钢(3)：碳素刃具钢及其加工工艺7.4 工具钢57 低合金刃具钢：合金元素(Cr, W, Mn.)含量不超过35%适用范围：适用于优质手工工具，较大尺寸普通刃具、模具。加工低硬度材料高硬度，耐磨、加工性好价格较便宜工具性能较碳素钢的好特点红硬性提高(300C)淬透性好以CrWMn钢

30、为例，说明合金元素含量及其作用7.4.1 刃具钢(4)：低合金刃具钢7.4 工具钢587.4.1 刃具钢(3, 4)：常用碳素刃具钢7.4 工具钢597.4.1 刃具钢(3, 4)：常用低合金刃具钢7.4 工具钢60高速钢：用于高速切削以及大尺寸复杂的工具钢高速钢：用于高速切削以及大尺寸复杂的工具钢 性能特点: 高硬度、耐磨性, 高红硬性, 高淬透性 成份特点：高碳含量, 高合金含量, 高冶金质量 常用高速钢：钨系、钼系、钨钼系7.4.1 刃具钢(5)：高速钢7.4 工具钢61高碳含量：0.71.65%W、MoCrV获得高碳马氏体形成足量碳化物回火稳定性、红硬性二次硬化效应溶入A, 提高淬透性

31、形成碳化物细化奥氏体提高耐磨性、红硬性其它元素(Ti,Co,Al,B) 主要是提高材料硬度和红硬性7.4.1 刃具钢(5)：高速钢7.4 工具钢62原因原因高碳高合金含量目的目的消除碎化粗大共晶组织目的目的消除应力，调整性能HB230, S+粒状Carbide原因原因充分A化，防止过热过烧提高淬透性，稳定M5）高温淬火 12501300C1）莱氏体钢2）反复锻造3）球化退火4）机械加工6）高温回火多次回火，多级回火M隐+粒状Carbide+A残7.4.1 刃具钢(5)：高速钢组织及热处理7.4 工具钢637.4.1 刃具钢(5)：高速钢组织及热处理7.4 工具钢647.4.1 刃具钢(5)：高

32、速钢组织及热处理7.4 工具钢 二次淬火：淬火高速钢（高合金钢）含有大量的残余奥氏体，在高温回火冷却过程中，高合金含量残余奥氏体转变为马氏体的过程，称为二次淬火 二次硬化：淬火高速钢在高温回火时，马氏体分解产生大量合金碳化物，弥散强化效果显著；同时高温回火时的二次淬火效应也强化了钢材。以至在较高温回火时钢的强硬性再次升高的现象，称二次硬化651) 冷作模具：冷态下变形加工材料的模具。冷冲、冷轧、冷镦、拉丝模等。工作条件:与刃具类似。但冷态加工模具, 磨损面大; 冷冲冷镦模受到的冲击大,模具对尺寸精度要求高性能要求: 与刃具钢类似, 耐磨耐冲击性要求更高; 尺寸稳定性要求更高, 但红硬性要求较低

33、2) 常规冷作模具：大部分刃具钢都可以用来制作某些冷作模具。T8A, T12A, Cr2, 9CrSi制作负荷不大，尺寸小和精度要求不高的模具。 缺点：淬透性差，热处理变形大，耐磨不足，寿命短7.4.2 模具钢(1)：冷作模具钢7.4 工具钢663) 专用冷模钢：Cr12型钢为莱氏体钢，其制作模具的加工工艺与高速钢的加工工艺类似4) 高速钢也是一种优异的冷模钢7.4.2 模具钢(1)：冷作模具钢7.4 工具钢671）热作模具：材料热加工或热成形的模具。热锻模、热挤压模、压铸模、热轧模等。工作条件：与刃具类似。但模具整体反复受热和冷却;热态加工时摩擦冲击多用大；模具尺寸精度要求高性能要求：良好的

34、综合机械性能；表面耐磨性好，一定的红硬性；抗热疲劳热疲劳性能好；性能好；淬透性高热疲劳失效：热作模具服役时反复加热和冷却引起的热应力以及表面氧化共同作用导致的材料失效过程材料保持常温和高温强韧性; 抗氧化性; 抗蠕变性能物理本质7.4.2 模具钢(2)：热作模具钢7.4 工具钢683) 热作模具钢的合金化原则：足够碳含量保证淬火回火后模具的硬度和韧性合金元素提高回火稳定性、淬透性、耐磨性和热疲劳性能强度性能要求较高时, 含碳量较高; 韧性要去较高时, 含碳量较低; 氧化性要求较高时Cr、W、V等元素行量较高 2) 常规热作模具：热模钢一般使用中碳调质钢，但含有较多的合金化元素(原因?)。工程常

35、见的模具钢如：5CrNiMo, 5CrMnMo, 3Cr2W8V7.4.2 模具钢(2)：热作模具钢7.4 工具钢697.4.2 模具钢(2)：热作模具钢7.4 工具钢701）塑料模具：用于对塑料材料进行成形加工的模具。包括热固性塑料成形和热塑性塑料成形模具。工作条件：有摩擦磨损，尤其对热固性塑料加工。模具反复受热和冷却，冷热循环；模具形状复杂，尺寸精度要求高；塑料对模具的化学腐蚀作用。性能要求：v足够的强韧性v表面耐磨抗腐蚀, 表面硬度应在HRC45以上v表面光洁度高, 脱模性好。一般需进行表面改性处理v热处理变形小, 以保证互换性和配合精度v钢材纯净杂质少, 偏析小7.4.2 模具钢(3)

36、：塑料模具钢7.4 工具钢71 小尺寸成形模具钢(材料): 工业纯铁, 低碳钢10, 15, 20Cr 中小尺寸形状不复杂模具钢：T7A, T10A, CrWMn, Cr12等下料下料锻造锻造正火正火粗加工粗加工渗碳淬火渗碳淬火低温回火低温回火镀铬镀铬装配装配抛光抛光抛光抛光下料下料锻造锻造球化退火球化退火粗加工粗加工调质调质精加工精加工镀铬镀铬装配装配抛光抛光抛光抛光7.4.2 模具钢(3)：塑料模具钢7.4 工具钢2）常用塑料模具钢及加工工艺72 大尺寸复杂形状模具用4Cr5MoSiV 复杂精密成形模具钢：18CrMnNi, 12Cr2Ni4WA加工工艺与渗碳钢类似 加工塑料具有强腐蚀性：

37、马氏体不锈钢模具1Cr13, 2Cr13加工工艺见马氏体不锈钢的加工工艺（后续课程）下料下料锻造锻造完全退火完全退火粗加工粗加工调质调质精加工精加工镀铬镀铬装配装配抛光抛光抛光抛光7.4.2 模具钢(3)：塑料模具钢7.4 工具钢2）常用塑料模具钢及加工工艺73工作条件与性能要工作条件与性能要求：求：v保证长期存放和使用中尺寸不变，形状不变-尺寸稳定性v存放使用时不磨损、不腐蚀-环境稳定性量具钢：用于制造度量工件尺寸的工具材料成份特点及对策：高碳含量，回成份特点及对策：高碳含量，回火并得到稳定火并得到稳定Mv用低变形钢：CrMn, CrWMnv淬火前调质处理，可减少淬火变形v淬火后冷处理，降低

38、Ar；长时间低温回火，稳定材料组织v电镀铬防护处理，提高装饰和耐磨耐蚀性7.4.3 量具钢(1)：基本特点7.4 工具钢74GCr15冶炼质量好冶炼质量好, 淬透性好淬透性好, 尺寸稳定性及耐尺寸稳定性及耐磨性好磨性好, 有优秀的量具材料。其加工工艺与轴有优秀的量具材料。其加工工艺与轴承钢类似承钢类似锻造锻造正火正火球化退火球化退火淬火淬火冷处理冷处理(-60-80 C )低温回火低温回火机加工成型机加工成型磨削磨削去应力回火去应力回火镀铬表面防护和计量刻度标定镀铬表面防护和计量刻度标定/标识标识7.4.3 量具钢(2)：常用材料及热处理7.4 工具钢加工工艺加工工艺757.4.3 量具钢(2

39、)：常用材料及热处理7.4 工具钢7677 概念：具有特殊的物理化学性能并可在特殊环境下工作的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢和低温用钢等 主要作用和使用条件在腐蚀性介质中服役在腐蚀性介质中服役腐蚀介质中保持状态稳定腐蚀介质中保持状态稳定腐蚀速度极慢腐蚀速度极慢主要失效形式和因素电化学腐蚀电化学腐蚀氧化腐蚀氧化腐蚀原电池作用原电池作用7.5.1 不锈钢(1)：使用条件及失效形式7.5 特殊性能钢应力腐蚀应力腐蚀787.5.1 不锈钢(1)：使用条件及失效形式7.5 特殊性能钢79尽量获得单相均匀组织降低碳含量加入合金元素，Fe+9%NiA(单相)提高金属基体腐蚀电位Fe+(x/8)Cr，电位阶梯式

40、升高, 腐蚀率下降其他合金元素的作用形成表面防护膜钢中加入Cr, Si, Al合金元素，易在表面形成致密钝化膜7.5.1 不锈钢(2)：不锈钢合金化(材料设计)原则7.5 特殊性能钢80不锈钢主要的成分特点：o低碳含量o含有Cr, Ni等合金元素o含有Al、Si、Ti、Nd等合金元素说明加入Ti、Nb的作用是什么？7.5.1 不锈钢(3)：不锈钢成分特点和分类7.5 特殊性能钢不锈钢分类：以供应态(正火)组织分类o马氏体型不锈钢(Cr13型)o铁素体型不锈钢(Cr17、Cr25型）o奥氏体型不锈钢(18-8型)o双相不锈钢o沉淀硬化型不锈钢81马氏体型不锈钢成分特点：v含碳0.10.4%v含铬

41、1218%v其它元素Mo、V、Si、Cu等说明各元素及其含量变化对材料性能影响？ 7.5.1 不锈钢(4)：马氏体不锈钢7.5 特殊性能钢马氏体型不锈钢性能特点：含碳量较高，力学性能好热加工性能好切削加工性好耐蚀性随含碳量升高而降低82常用马氏体不锈钢：1Cr13, 2Cr13, 3Cr13, 9Cr18, 1Cr17Ni2 1Cr13, 2Cr13优良的抗大气、蒸汽介质腐蚀，耐蚀结构钢。用于制作汽轮机叶片、热烈设备配件、锅炉附件等热处理：淬火+高温回火(S回)，注意回火脆 3Cr13, 4Cr13耐蚀性下降，但力学性能好。用于制作不锈钢工具，如医疗器械、刃具、热油泵轴等热处理：淬火+低温回火

42、(M回)(HRC50)7.5.1 不锈钢(4)：马氏体不锈钢7.5 特殊性能钢83铁素体不锈钢的成分特点v含碳小于0.15%v含铬1730%v其它元素Mo、V、Ti等铁素体型不锈钢的性能特点v耐蚀性较马氏体不锈钢好v单相铁素体，无相变强化v塑性、可焊性好v有金属间化合物引起的高温脆性常用铁素体型不锈钢：v1Cr17, 1Cr17Ti, 1Cr28, 1Cr25Ti等v主要用于力学性能要求不高、耐蚀性要求高的环境下，如化工生产结构件试说明如何提高铁素体型不锈钢的力学性能？ 7.5.1 不锈钢(4)：铁素体不锈钢7.5 特殊性能钢84奥氏体不锈钢的成分特点v含碳小于0.1%v含铬18%, 含镍81

43、1%v其它元素Mo、Nb、Ti等奥氏体型不锈钢的性能特点v耐蚀性优秀v单相奥氏体，但有强加工硬化v塑性、可焊性好v有应力腐蚀倾向，注意加工应力常用奥氏体型不锈钢：v1Cr18Ni9Ti, 0Cr18Ni9, 00Cr18Ni9等v主要用于各类耐腐蚀环境下结构件7.5.1 不锈钢(4)：奥氏体不锈钢(18-8钢)7.5 特殊性能钢85高温下使用高温下使用高温氧化环境使用高温氧化环境使用高温腐蚀环境使用高温腐蚀环境使用高温氧化，腐蚀高温氧化，腐蚀高温强度不足高温强度不足耐热钢性能要求耐热钢使用条件主要失效形式7.5.2 耐热钢(1)：工作条件与性能要求7.5 特殊性能钢高温抗氧化性高温抗氧化性高温

44、强度高温强度861）抗氧化性：抗氧化性不是指其不氧化，而是指其能很快在表面形成致密氧化膜，使材料不再继续氧化提高钢抗氧化性的主要合金化元素：Cr，Si，Al2）高温强度：又称热强性，钢在高温下抵抗塑性变形和破断的能力。通常以蠕变极限和持久强度蠕变极限和持久强度表示强化方式：固溶强化晶界强化与常温细晶强化不同弥散强化7.5.2 耐热钢(2)：高温性能及对策7.5 特殊性能钢873.5 蠕变试验 蠕变概念 是指材料在较高的恒定温度下，外加应力低于屈服极限时，随着时间的延长逐渐发生缓慢的塑性变形直至断裂的现象 883.5 蠕变试验 蠕变性能指标蠕变极限 持久强度 表征材料在高温载荷长表征材料在高温载

45、荷长期作用下抵抗断裂的能期作用下抵抗断裂的能力，以试样在给定温度力，以试样在给定温度T()经规定时间经规定时间t(h,小小时时)发生发生断裂的应力断裂的应力作作为持久强度为持久强度以在给定温度以在给定温度T()下和规定的试验时下和规定的试验时间间t(h,小时小时)内，使内，使试样产生试样产生一定蠕变一定蠕变伸长量伸长量的应力作为的应力作为蠕变极限蠕变极限 (893.5 蠕变试验 蠕变数据的表达方式：蠕变极限 903.5 蠕变试验 蠕变数据的表达方式:持久强度 917.5.2 耐热钢(3)：常用耐热钢7.5 特殊性能钢珠光体型耐热钢：16Mo, 15CrMo, 12CrMoVv使用温度：2505

46、50 Cv主要应用：锅炉、压力容器、热交换器和气阀等耐热件马氏体型耐热钢：1Cr13, 2Cr13, 4Cr9Si2, 4Cr10Si2Mov使用温度：550600 Cv主要应用：叶片、阀门奥氏体型耐热钢：使用温度600700 Cv固溶强化型18-8不锈钢：加热管，排气管v沉淀硬化型耐热钢：4Cr13Ni8Mn8MoVNb(GH36)，增压涡轮，叶片材料和高温紧固件v金属间化合物强化耐热钢：0Cr15Ni26MoTi2AlVB(GH132)927.5.2 其他特殊性能钢(1)：耐磨钢7.5 特殊性能钢耐磨钢：专指在强烈冲击载荷或高压条件下发生表面硬化而具有高耐磨性的高锰钢v材料：ZGMn13。

47、含碳0.81.4%，含Mn1114%v铸态组织：A+碳化物(Fe,Mn)3Cv热处理：水韧处理固溶A体化(1100C)，水淬；v热处理组织：A；热处理后性能：HB190-220；韧性很高应用：材料被强烈冲击或摩擦时，A产生强烈的加工硬化，并在表面诱发生成形变马氏体，表面硬度急剧升值HB500550注意：一般机器零件的工作条件，耐磨钢的耐磨性不及渗碳钢和其它高硬度钢材高锰钢水韧处理后不能进行回火处理，否则钢材会脆化937.6.1 铸铁的特征及其分类7.6 铸铁铸铁：含碳量大于2.11%的Fe-C基合金铸铁主要特征：vC2.54%, Si13%, Mn0.51.4%, P0.010.5%, S0.

48、020.2%v生产工艺简单，成本低廉v工艺性能好，铸造性能、切削价共性能优良v耐磨减摩性好，缺口敏感性低v机械性能可调主要应用及分类：v按碳在铸铁中的存在形式及石墨形态分类：白口铁、灰口铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁v铸铁主要应用：机床构件、内燃机气缸和活塞等，农用机械等94实用铸铁中的碳大部分或全部以石墨的形式存在v碳全部以碳化物的形式存在的白口铁没有实用价值。因此碳的石墨化就十分重要了铁-碳双重相图7.6.2 铸铁的石墨化7.6 铸铁95石墨化过程的两个阶段共晶转变石墨初生(一次)石墨Fe3CI, Fe3CE, Fe3CII分解石墨Fe3Cs, Fe3CIII分解石墨第一阶段石墨化第二阶段石墨化7.6.2 铸铁的石墨化7.6 铸铁96石墨化组织：v完全石墨化组织：F + Gv非完全石墨化组织：(F + P) + G或P + G石墨化的影响因素v化学成分：促进石墨化元素: 常存元素C, Si, P;合金元素Co, Cu, Ni, Al阻碍石墨化元素: 常存元素S, Mn;合金元素:所有碳化物形成元素和Mg, Ce, Bv冷却速率：冷却速率小，过冷