《工程材料与热加工基础》ppt课件

1、 第五章 工业用钢机械工程系金工教研室.第七章 工业用钢钢的根底知识构造钢工具钢特殊性能钢. 第一节 钢的根底知识一.合金元素对钢的组织和性能的影响 杂质及合金元素与铁和碳的作用。 合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。 合金元素对钢的热处置的影响。.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任务下开裂 ( 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：

2、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，构成微 裂纹，其内壁为白色， 称白点或发裂。钢中白点.二)合金元素与铁和碳的作用1.溶于基体中构成合金 F 或合金 A 。2.与碳作用构成合金碳化物(Fe,Cr)3C。3.单独构成特殊碳化物 TiC、VC 。.1.溶于基体中构成合金F或合金A.1.溶于基体中构成合金F或合金A.2.与碳作用构成合金碳化物 Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱强 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。. 碳化

3、物构成元素在周期表中都是位于铁元素的左边的过渡族金属元素,它们都有一个未填满的d电子亚层,当构成碳化物时,碳原子首先将其价电子填入金属原子未填满的d电子亚层,使构成的碳化物具有金属键结合的性质,金属原子的d电子亚层愈不满(周期表中,在铁左边离铁愈远),那么其与碳的亲和力愈强,构成碳化物的才干愈大,愈稳定,而且不易分解。.3.单独构成特殊碳化物 熔点、硬度、耐磨性最高。 稳定性最高。TiC、NbC、VC。.三)合金元素对Fe-Fe3C相图的影响扩展奥氏体区减少奥氏体区改动共晶点和共析点的参数.1.扩展奥氏体区的合金元素Mn、Ni、Co等元素。作用: 使A3线温度下降, A4线温度上升。. Mn

4、元素对奥氏体区的影响.2.减少奥氏体区的合金元素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.改动共晶点和共析点参数的元素几乎一切的合金元素。作用: 使S点和E点的成分向左移。 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置的影响加热时对奥氏体构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构成的影响除Mn 元素外,一切合金元素的加 入,均使奥氏体的构成速度减慢。强碳化物构成元素能剧烈的阻止奥 氏体晶粒长大( Ti、V、Zr、Nb 等)。

5、非碳化物构成元素能细微的阻止奥 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, 一切的合金元素均使 钢的 TTT 曲线向右移。 除 Co、Al 元素外, 一切的合金元素 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添加 二次硬化的产生 产生回火脆性 . W、Mo、V 等碳化物在550时,使钢到达最高硬度, 产生二次硬化。. Cr-Ni 钢的回火脆性表示图. 防止第二类回火脆性的产生的方法:在500600 快速冷却。参与合金元素W、Mo。.二.合金元

6、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 缺乏与缺陷。 W、Mo、V、Ti、Nb。.三、碳素钢的编号及用途 1.碳素构造钢: Q 235 A F沸腾钢A等级235 MPa屈服强度.2.优质碳素构造钢* 45 - Wc = 45%00* 较高锰质量分数的优质碳素构造钢 45Mn - Wc = 45%00 ; WMn = 0.7%1.0%.3.碳素工具钢T 12 A高级优质 Wc = 12%0碳素工具钢.4.铸造碳钢ZG 200 - 400b 400MPas 200MPa铸钢. 第二节

7、合金构造钢 ( Alloy Constructional Steel )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 ( common low alloyed steel )1.化学成分: 碳素构造钢 + 合金元素主加合金元素: Mn 1.8 %以内。辅加合金元素:V、Ti、Nb、B。.一.普通低合金钢2.牌号: Q 345 C 质量等级345 MPa屈服强度.一.普通低合金钢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 型钢构造。 Q390钢含V、Ti、

8、Nb，强度 高，用于中等压力的容器。万吨远洋轮.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.渗碳钢的热处置特点:渗碳 淬火 + 低温回火(180200)表硬里韧.Wc 0.25 %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碳素渗碳钢合金渗碳钢化学成分热处置后的组织.4.合金渗碳钢的牌号20 Mn2 Ti A等级:高级优质含钛量WTi1.5 %含锰量WMn 2 %含碳量WC 20 %00.5.典型合金渗碳钢种引见 低淬透性合金渗

9、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。20 CrMn、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 ).5.典型合金渗碳钢种引见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. 20 CrMnTi 钢制造齿轮的热处置工艺曲线.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

10、求:中碳3.调质钢的热处置特点: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回碳素调质钢合金调质钢化学成分热处置后的组织心部: P + F表层: S回心部: S回.4.合金调质钢的牌号40Cr40Mn40MnB35CrMo38 Cr Mo Al A25Cr2Ni4WA.5.典型合金调质钢种引见 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。38 CrSi、35 CrMo 等。圆锥齿轮柴油机凸轮轴常用于制造较

11、小的齿轮、轴、螺栓等零件。.5.典型合金调质钢种引见 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 。38 Cr Mo Al A、40 Cr Mn Mo、25 Cr2 Ni4 W A等。. 40Cr钢制造连杆螺栓的热处置工艺曲线.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。2.对弹簧钢含碳量的要求:中、高碳。3.热成型弹簧钢的热处置特点:淬火 + 中温回火( 450550 ).碳素弹簧钢合金弹簧钢化学成分热处置后的组织Wc = 0.60.9 %Wc = 0.50.7 %合金元素: Si、Mn

12、、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6565 Mn55 Si 2 Mn60 Si 2 Mn50 Cr V A50 Cr Mn A55 Si Mn Mo V Nb.5.冷成形弹簧消费工艺特点 用于消费尺寸小于815mm的小型弹簧,常用弹簧钢丝(片)冷绕成形,其制造方法有: T组织冷成型+200300去应力 退火。60、75、85、65 Mn。 T回组织冷成型+去应力退火。 退火组织冷成型+淬火+中温回火。 55Si2Mn、60Si2MnA、50CrVA。.汽车板簧大型热卷弹簧热卷大弹簧簧弹丝.五.滚动轴承钢 (

13、 bearing steel )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;高的纯真度;滚珠轴承滚针轴承滚柱轴承.五.滚动轴承钢 ( bearing steel )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。.五.滚动轴承钢 ( bearing steel )3.热处置特点:球化退火+ 淬火+ 低温回火极细回火马氏体+细粒状碳化物+少量剩余奥氏体.4.滚动轴承钢的牌号G Cr9 Si Mn 含Mn量WMn1.5 % 含Si量WSi1.5 % 含Cr量WCr 0.9 % 滚动轴承钢.5.铬轴承钢制造轴

14、承的工艺道路锻造 球化退火 机加工 淬火 + 冷处置 ( 60 80;1h ) 低温回火 磨削加工 稳定化处置 ( 120 130；5 10h ). 六.易切削钢( fee cutting steel )2.性能要求:降低切削力和切削热,减少刀具磨损,延伸刀具寿命,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资料。S:Ws = 0.080.3%Pb:WPb=0.150.25%Ca:微量.4.易切削钢的牌号Y 40 Mn 含锰量WMn 1.5 % 含碳量WC 0.4 % 易切削钢.5.易切削钢的热处置工艺特点 低碳易切削钢 ( Y12、Y15、Y20

15、 ) 渗碳或淬火成低碳马氏体。 中碳易切削钢 ( Y40 ) 调质及外表淬火。. 第三节 合金工具钢合金刃具钢 ( alloy cutting steel )合金模具钢 ( alloy die steel )合金量具钢( alloy measuring steel ).量 具刃 具模 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.热处置特点: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。一.碳素刃具钢锉 刀手 锤.二.合金刃具钢种类 : 低合金刃具钢 ;

16、高速钢。牌号 :合金元素及含量千分之几的含碳量 9 Si Cr W18 Cr4 V.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,任务温度不超越300。2.化学成分特点:*高碳*参与Cr、Mn、Si、 W、V 等合金元素。3.热处置特点:球化退火 淬火 + 低温回火 . 9 SiCr 钢板牙热处置工艺曲线板牙.2.高速钢 ( high speed steel )(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、风钢 ; 18 4 1 钢车刀铣刀钻头.(2) 化学成分特点:高碳 0.71.5%:钨 1

17、8%:钼 5%:铬 4%:钒1.5%: 保证高硬度退火形状下构成M6C碳化物,在560左右回火时, 弥散析出W2C, 呵斥二次硬化, 提高钢的红硬性。1%Mo的作用等同于2%W。构成Cr23C6碳化物;提高钢的淬透性。构成VC, 硬度极高, 提高钢的硬度和耐磨性, 产生二次硬化。.(3) W18Cr4V钢的消费工艺及热处置特点铸造 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铸造组织 130 . W18Cr4V钢的铸态组织W18Cr4V

18、铸态组织 420 .锻造:鱼骨状碳化物不能用热处置来消除,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, 为淬火作好组织预备。球化退火后的组织 : S + 粒状 Cm W18Cr4V球化退火组织 420 . W18Cr4V钢的热处置过程表示图.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

19、回火后A残约剩12 %。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( alloy die steel )热作模钢:任务温度为600以上。冷作模钢:任务温度为200300。.一) 热作模钢 ( hot die steel )1.性能要求:高的热硬性、高温耐磨性;高的抗氧化才干;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

20、0.30.6 %;合金元素:Cr、Ni、Mn、 Si、Mo、W、V。曲轴模具.3.热处置特点: *热锻模钢: 5 CrMnMo 热处置工艺: 淬火 + 550回火 热处置后的组织: S回或T回 温度时间500820850预冷油冷530550回火.3.热处置特点: *热压模钢: 3 Cr2W8V 热处置工艺: 淬火 + 600三次回火 热处置后的组织: M回 + Cm粒状汽车四缸压铸模.二) 冷作模钢 ( cold die steel )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;热处置变形小;2.化学成分特点:高碳 12 %;合金元素:Cr, Mo、W、V。汽车冲压

21、模具.3.热处置特点: *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 )热处置后的组织: 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;热处置变形小; 尺寸稳定;良好的耐蚀性;卡 尺量 规千分尺.3.热处置特点:4.热处置后的组织: M回 + Cm淬火 冷处置 ( - 70 - 80 ) 低温回火 时效处置 ( 120130,几十小时 ) 5.牌号: CrWMn、4Cr1

22、3、GCr15、 9SiCr、T12A、60等。2.化学成分特点:高碳 0.91.5 %;合金元素:Cr, Mn、W。. CrWMn钢制造块规退火后的热处置工艺650820840油冷3h-70-80 冷处置1401603h11012036h时效处置精磨3h研磨温度时间. 第四节 特殊性能钢不锈钢 ( stainless steel )耐热钢 ( heat resistant steel )耐磨钢 ( wear resistant steel ). 一.不锈钢 ( stainless steel )1.定义: 在腐蚀介质中具有很高的抗腐 蚀才干的钢。2.概念:*在空气中的年腐蚀量为0.01mm

23、以内的钢, 称为在空气中运用的 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、强碱介质中运用的不锈钢。.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 ( 枯燥气体和 非电解质溶液 ) 发生化学 反响而产生的腐蚀。 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 ) 发生电化学反响而产生 的腐蚀。. 电化学腐蚀过程表示图. 珠光体电化学腐蚀表示图.4.金属的防腐措施:1)覆盖层维护: 涂漆、电镀、发蓝、磷化等工艺。2)构成氧化层: 参与合金元素Cr、Al、Si 等,构成Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜

24、。 3)提高金属的电极电位: 参与合金元素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:参与合金元素 Mn、Ni、Co等能扩展 区,可在室温获得奥氏体钢。参与合金元素 Cr、Mo、W、V、Ti、 Si 等能扩展区,可在室温获得铁素体 钢。5)减少与消除钢中的各种不均匀景象: 偏析、应力、组织等。6)牺牲阳极维护阴极 : 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

25、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 %热处置特点:正火后的组体是马氏体。牌号: 1Cr134Cr13用途: 医疗器械医用镊子. 1Cr13金相组织图1Cr13供货形状组织 ( 化染 ) 580 .2)铁素体型不锈钢化学成分特点: Wc = 0.1 %左右 WCr = 17 %热处置特点: 不能进展热处置强化。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消费安装合成氨消费安装.3)奥氏体型不锈钢-18 8型钢化学成分特点: Wc =

26、0.08 0.14 % WCr = 1719 % WNi = 811 % Cu、Ti、Mo等。加工特点:不能进展热处置强化,只能 冷塑性变形强化。.热处置特点:固溶处置;稳定化处置; 消除应力退火。牌号: 0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、 0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti用途: 化工容器、管道等。大型化工储罐(304)管板换热器 ( 304 ). 1Cr18Ni9Ti固溶处置组织金相图1Cr18Ni9Ti固溶处置组织 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 )蠕变强度耐久强度.3.提高钢的耐

27、热性的途径: 参与合金元素Cr、Si、Al等,在 钢的外表构成稳定、致密的氧化膜。4.提高钢的耐热性的途径: 1)固溶强化:参与W、Mo、 Nb、Ti、 V等元素强化基体;提高再结晶温度。 2)弥散强化:参与Nb、V、Ti等元素形 成碳化物,在晶内弥散析出,妨碍位错 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,任务温度 850。热强钢珠光体型 16Mo，任务温度 600。马氏体型1Cr13，任务温度 600。奥氏体型18-8型，任务温度 850。.耐 热 钢 的 用 途发动机叶片航空发动机汽轮机叶片汽车阀门.三.耐磨钢( wear-resistant steel )1.定义: