工程材料及热成型课件.ppt

1、第五章 金属材料主讲朱和国 南京理工大学材料系,本章学习内容及其重点 1、了解本章金属材料的产生背景 2、了解金属材料的分类 3、了解碳钢中的杂质元素的种类及其作用 4、掌握碳钢、合金钢的分类及其牌号 5、了解合金化原理（较难） 6、掌握合金结构钢的种类、特点及其用途 7、了解其它金属材料的性能特点及其用途,本章第一讲：学习内容及其重点 1、了解本章金属材料的产生背景 2、了解金属材料的分类 3、了解碳钢中的杂质元素的种类及其作用 4、掌握碳钢、合金钢的分类及其牌号 5、作业：二、三、四（1，12，17）,一、金属材料背景,性能结构理想纯金属的结构实际纯金 属的结构缺陷四种强化手段合金（典 型

2、代表是钢）研究手段是相图五种基本 相图Fe-C平衡相图不改变成分时的强化即 钢的热处理改变成分时的强化为合金化 即合金钢钢及其它合金材料统称为金属材料,二、金属材料的分类,金属材料,黑色金属,有色金属,钢合金钢,铸铁合金铸铁,分类方法有很多，可见教科书或参考书,三、碳钢中的杂质元素及其作用 1）炼铁还原法,原料（矿石） 焦炭（还原剂） 溶剂（石灰石）,高炉,生铁,高碳,高杂质,Mn Si S P N H O,2）炼钢氧化法,生铁 脱氧剂（Si铁、Mn铁）,炼钢炉,降碳（吹氧）、 去氧、去杂质,钢,钢中的杂质元素:Mn、Si、S、P、O、N、H,四、杂质元素的作用：,1）Mn：脱氧剂:Mn+Fe

3、O Fe+MnO 溶于铁素体:强化F 脱硫剂:Mn +SMnS(Tm=1620),2）Si：脱氧剂:Si+FeO Fe+SiO2 溶于铁素体 ：强化F,有益,有益,3）S ：S+FeFeS 共晶体（FeS+Fe） 熔点985 热加工时开裂热脆 焊接时：S+O2 SO2焊缝产生气孔,4）P：P+Fe Fe3P，偏析于晶界，低温下脆性增加冷脆,有害,有害,5）N：应变时效脆性；淬火时效 大塑性冷变形金属放置或加热后FeN析出，脆性,有害,当钢中含有亲N元素Al、V、Ti、Nb时氮 化物细化晶粒，提高韧性,有益,6、H：H脆呈白点，强度愈高，H脆倾向愈大,7、O：部分溶于F，大部分以氧化物形式存在，

4、降低钢的强度、塑性、韧性和疲劳强度。,有害,注意：P，S在易切钢中是有益的元素； N在一定条件下也是有益的元素,钢液在浇铸前，根据脱氧程度的不同，钢液 呈现出不同的状态，由此分为以下几种：,沸腾钢去氧不干净F 镇静钢去氧干净Z 半镇静钢去氧介于两者之间-bZ 特殊镇静钢TZ,脱氧剂：Si铁、Mn铁、Al铁等,五、碳钢的牌号,碳钢,碳素结构钢,碳素工具钢,铸钢,普通碳素结构钢,优质碳素结构钢,Q , ,含碳万分之，公差为5,F A Z B bZ C TZ D E,s,碳钢钢号举例 普通碳素结构钢：Q215-A, Q235-Bb, 优质碳素结构钢：20, 45, 60, 65,70 碳素工具钢：T

5、8,T10,T12,T8A,T12A, 铸钢：ZG200-400,ZG270-500,碳钢的不足： 1）淬透性不高 普通碳钢：最大淬透直径1020mm 2）屈强比低，40钢为0.43，而35CrNi3Mo为0.74 3）回稳性差 4）综合性能差 5）特殊性能差 为此，需向碳钢中添加合金元素 改变成分合金钢,本章第二讲：主要内容及要求 1、复习碳钢的编号、存在的不足、合金元素的种类等 2、了解合金化原理（较难！） 3、理解和掌握合金钢分类、编号 4、了解合金结构钢的分类、编号、合金元素的作用、用途等 5、作业：二、三、四（1，12，17）,5.2合金化原理 一、常用合金元素： 碳化物形成元素 T

6、i Zr V Nb W Mo Cr Mn Fe 强 中 弱 非碳化物形成元素 Si、Co、Cu、Al、Ni、B,二、合金元素在钢中的存在方式,强碳化物元素直接形成稳定碳化物，如： TiC、ZrC、VC、NbC,中碳化物元素,形成碳化物：Cr23C6、Mo2C、W2C 合金渗碳体：(CrFe)3C 合金铁素体,弱碳化物元素,非碳化物元素合金铁素体,合金渗碳体 (MnFe)3C 合金铁素体,三、合金元素在钢中的作用 1、对基本相的影响,Mn,2、对平衡相图的影响 Mn Ni Co C N CuA ES线左下移动E、S点左移 1Cr18Ni9Ti ZMn13 0Cr18Ni9Ti,形成合金铁素体影响

7、见图 形成合金渗碳体其稳定性和硬度高于渗碳体,A钢,Cr V Mo W Ti Al Si Nb Zr B F（A）ES线左上移 E、S点左移,1Cr17Ti 1Cr28 0Cr13,F钢,合金元素对共析温度的影响,合金元素对共析成分的影响,E、S点左移的后果： W18Cr4V C:0.70.8% Ld 4Cr13 C:0.4% P 共析 3Cr2W8V C:0.3% 过共析了,3）对热处理的影响 （1）对加热（A化）的影响 Ni、Co促进，其它阻碍 A化本质C原子的扩散,（2）对A晶粒的影响 Mn P 促进A晶粒长大，其它阻碍 晶粒长大本质Fe原子的扩散 （3）对过冷A的影响 Al Co A稳

8、定性降低C曲线左移淬透性 其它：强碳化物元素C曲线右移且变形 中、弱、非碳化物元素C曲线右移,C曲线右移,淬透性,残余A,1Cr13 2Cr13,18Cr2NiMo 18CrNi4W4,1Cr18Ni9Ti ZMn13-1,无B区,无P区,无M区,Ni元素对C=0.5%碳钢的TTT曲线的影响,Cr元素,Co元素,合金元素对淬透性的影响,（4）对回火的影响,a)提高回火稳定性Me阻碍M分解 b)提高红硬性 500600析出碳化物K弥散强化 c)二次淬火A中的Me析出而Me含量降低，A的稳定性下降，较低温度下分解为回火M或F+碳化物 d)回火脆性Mo W能消除高回脆 快速冷却也可 注意：合金元素必

9、须进入A形成合金A，才能形成合金M，才能有碳化物从M中析出，才能起作用。,合金钢的牌号,合金钢,合金结构钢,合金工具钢,特殊性能钢,工程用 车、船、桥、建筑,机器用,渗碳C:0.25% 调质C:0.250.5% 弹簧C:0.50.7% 滚动轴承C:1%左右 易切 Y,刀具 量具 模具,不锈 耐热 耐磨,Me,Me Me,Me Me,钢号举例,表5-1 碳素结构钢的牌号及化学成分（GB700-88）,Q235-AZ 42CrMo 5CrMnMo T8 38CrMoAl 5CrNiMo Cr12 T12A Cr12MoV（冷挤） 3Cr2W8V(热挤) ZG310-570 65Mn 特殊W18Cr

10、4V ZG15CrMn 60Si2Mn W6Mo5Cr4V2(0.80.9) GCr15 00Cr18Ni5Mo3Si2 45 GCr9 0Cr21Ni5Ti 65 GCr6 00Cr19Ni13Mo3 20Cr GCr15SiMn 18Cr2NiWA 9SiCr W6Mo5Cr4V3(1.11.25),5.3合金结构钢,一、工程用低合金结构钢 1）成分特点：低碳（0.2%） 低合金（5%） 2）合金元素： Mn主加元素，固溶强化F，降低AF+P转变温度，增加过冷度，细化晶粒，但一般0.8% V Ti Nb细化晶粒、弥散强化 Cu P在钢表面形成致密氧化膜钝化，耐蚀同时加效果更佳 Cu:0.1

11、0.55%P:0.060.15% Re消除杂质、净化组织，净化晶界，改变夹杂物的分布形态，改善钢的塑韧性。 3）性能特点：强度高、塑韧性好、屈强比高、焊接性好、冷塑加工性好,4）常见牌号 16Mn桥、车船、大型容器等、同类碳钢节省2030% 16MnNbNbC弥散强化，强度高于16Mn，用于大型结构机械 16MnCuCu钝化耐蚀，用于船等 15MnVNV、N细化晶粒，用于桥、锅炉等 14MnMoV正火得贝氏体，Mo、V提高中温性能，用于石油化工 14CrMnMoVB热轧空冷得贝氏体，强度提高，用于中温高压容器,新旧牌号对照：,二、机器用渗碳、调质、弹簧、滚动轴承等,1）渗碳钢 （1）性能要求

12、表面硬度6065HRC和高耐磨性，而心部高的塑韧性和强度。 （2）成分特点 C:0.100.25，以保证心部具有足够的塑性和韧性 Cr，Ni，Mn，B淬透性，保证心部的强度和韧性； Ti，V，W，Mo形成稳定的碳化物，阻A长大，增加渗碳 层的硬度，提高耐磨性。 （3）分类及常用牌号 按淬透性高低分,低淬透性渗碳钢临界淬透直径：2035 mm 20Cr, 20CrV, 20Mn2, 20MnV 中淬透性渗碳钢临界淬透直径： 2560 mm 20CrMn, 20CrMnTi, 20Mn2TiB, 20SiMnVB 高淬透性渗碳钢临界淬透直径： 100 mm以上 18Cr2Ni4WA, 20Cr2N

13、i4 应用最广的是20CrMnTi 为了节约铬，我国通常采用20Mn2B或20MnVB来代替 （4）热处理特点 渗碳淬火低温回火 工艺过程复习上一章有关内容,（5）热处理后的组织与性能,表面,心部,组织高碳回火M+点状碳化物残余A 性能5864HRC,组织淬透：低碳回火M 未透：低碳回火M +F+P(S) 或F+P,F+S,S等 性能3045HRC,（6）用途及举例 汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等。,20CrMnTi渗碳齿轮工艺,950970,920,200,机加工,空冷,预冷,油冷,气体渗碳,下料锻造正火机加工渗碳预冷淬火低回后序,2）调质钢 （1）性能要求： 综合性能

14、好：高强度良好的塑韧性。 （2）成分特点：C:0.250.50%。 主加合金元素Cr、Mn、Ni、Si、B等淬透性，形成合金铁素体，强度。 辅加合金元素Ti、V、Mo、W等，形成稳定碳化物，阻止A长大，细化晶粒，并防止回火脆性。 （3）分类及常见牌号 低淬透性调质钢：2040 mm：40Cr , 40MnB, 40Mn2 中淬透性调质钢：4060 mm：40CrNi, 40CrMnB,35CrMo 高淬透性调质钢：60100 mm：40CrMnMo, 40CrNiMo,（4）热处理特点 淬火高回 （5）组织 ：回火索氏体 （6）用途及举例 拖拉机、汽车、机床等机器上的用于传递动力的轴、连杠、

15、齿轮、螺栓等,870,840,525,空冷,冷加工,油冷,水冷,连杆螺栓40Cr工艺图,下料锻造正火机加工淬火高回后序,3）弹簧钢 （1）性能要求： 高弹性极限；高的屈强比（sb ）；高抗疲劳强度；足够的塑韧性；好的淬透性；不易脱碳和过热； 易绕卷成型等。特殊的还要具有耐热性、耐蚀性等 （2）成分特点：C:0. 50.70%。 主加元素Si、Mn，淬透性、弹性极限疲劳限及屈强比 但Si易致脱碳，降低疲劳强度；Mn易致过热，粗化晶粒，降低塑韧性，故需加入其它元素。 辅加元素Cr、W、 V、Mo ，并提高回稳性。 （3）常用牌号 65Mn, 60Si2MnA, 50CrVA,30W4Cr2VA(耐

16、热弹簧锅炉500),（4）热处理特点 淬火中回（450550） （5）组织 ：回火屈氏体 （6）弹簧加工 热卷成形：10 mm大型弹簧，仅用于合金弹簧钢（碳钢淬透性） 加热：淬火温度5080，热卷成形，同时淬火+中回 冷卷成形： 10 mm小型弹簧， 1.钢丝或钢带先冷卷成形后淬火中回喷丸； 2.钢丝或钢带冷拉、冷轧（具有高弹性了）后冷卷成形 3 .钢丝或钢带先淬火中回或铅浴等温淬火后冷拉或冷轧再成形，但需去应力退火；,4）滚动轴承钢 （1）性能要求：高硬度、高耐磨性、高接触疲劳强度、足够的韧性和淬透性。在大气和润滑介质中耐蚀，尺寸稳定性好。 （2）成分特点：C:0.951.10%。 主加合金

17、元素Cr（0.41.65%）淬透性，形成合金渗碳 体，提高耐磨性和疲劳强度。 辅加合金元素Si、Mn、V 进一步提高淬透性；V溶于A，形 成稳定碳化物VC，提高耐磨性，阻止A长大， 细化晶粒，防止过热。 Si、Mn提高弹性限和强度。 （3）常用牌号 GCr6,GCr9,GCr15,GCr15SiMn等,此外，无Cr轴承钢：GSiMnVRe,GSiMnMoVRe，GMnMoVRe等 渗碳轴承钢：G20CrMo,G20Cr2Ni4A,G20CrNi2Mo等 不锈轴承钢：9Cr18,9Cr18Mo 高温轴承钢：Cr4Mo4V （4）热处理 球化退火，淬火低回 精密轴承：需在淬火后进行一次深冷处理（7

18、0）。回火磨削后再进行一次稳定尺寸处理（120130 ，保温1020h） （5）性能 6264HRC,5）易切钢：YMe 常用的有：Y12,Y12Pb,Y15,Y20,Y40Mn等。 6）合金铸钢：ZG Me 常用的有：ZG40Mn, ZG40Mn2, ZG50Mn2, ZG35SiMnMo等 本讲小结 主要介绍了合金化原理，合金钢的编号、分类、合金结构钢的编号、分类、合金元素的作用、特点和用途。其中合金化原理较难，须课后复习强化。,本章第三讲 ：主要内容及要求 1、了解合金工具钢、特殊性能钢的分类、特点及用途 2、作业：二、三、四（1、12、17） 一、合金工具钢包括刀具、量具和模具三种 1

19、）刀具合金钢 （1）性能要求：高硬度、高耐磨性、高红硬性，高强韧性，低脱碳敏感性（热处理时刃不脱碳或少脱碳，保证高硬度）,（2）分类: 低合金刀具钢（10%）-高速钢，高铬钢 （ 一）低合金刀具钢 ）成分特点：高碳（C=0.751.5%） 合金元素Cr、Si、W、Mn Cr提高淬透性，形成合金渗碳体(FeCr)3C，提高耐磨性 Si提高淬透性，提高回稳性，与Cr同时加入，提高硬度 W主要以W2C,WC存在，也可形成(FeW)3C,碳化物细化晶 粒，改善韧性。 Mn提高淬透性。,）热处理 球化退火淬火低回 ）组织：高碳回火马氏体碳化物残余奥氏体 ）性能：60HRC ）常用牌号：9SiCr,Cr,

20、 CrMn,CrWMn,9Mn2V ）CrWMn刀具热处理工艺路线：,时效处理,油冷,140160,冷处理,110120,650,820840,110120,7578,低回,去应力,精磨,研磨,(二)高速钢 ）成分特点：高碳 Cr淬透性；W、Mo热硬性；V 细化晶粒，提高耐磨性。 退火态W、Mo以M6C型存在，560回火时，溶入A中的W、Mo形成W2C或Mo2C弥散分布，造成二次硬化。 ）热处理 淬火三次560 回火 ）组织：高碳回火马氏体碳化物残余奥氏体 ）性能：60HRC ）常用牌号： W18Cr4V(C=0.70.8%)，9W18Cr4V, W6Mo5Cr4V2(C=0.80.9%),

21、W6Mo5Cr4V3(C=1.101.25%),）W18Cr4V高速钢热处理工艺路线：,12701280,油冷,840870,560，2h,560，2h,560，2h,高速钢的三种类型： 1）钨系：W18Cr4V（1841），脆性大，逐渐淘汰 2）钨鉬系：W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)（C:0.80.9%） W6Mo5Cr4V3(6-5-4-3)（C:1.11.25%） 脆性降低，韧性提高，但过热、脱碳倾向增大 3）超硬系：W13Cr4V2Co8 W6Mo5Cr4V2Al 超硬，但脆性也最大。,2）模具钢,（一）冷模合金工具钢 ）性能要求：高硬度、高强度、高的耐磨性、高的疲劳强度和 韧

22、性，；热处理变形小。 ）成分特点：高C（ 1.0%2.0% ）； Cr、Mo、W、V形成难熔碳化物，提高耐磨性。 碳化物能极大提高钢的耐磨性，Cr提高淬透性。 ）常用钢号：9Mn2V,9SiCr,CrWMn,GCr15,Cr12,Cr12MoV W6Mo5Cr4V2(高速钢),冷模钢,热模钢,）典型：Cr12: 热处理有两种：一次硬化和两次硬化 一次硬化法：淬火低回(150180) 二次硬化法：淬火510520多次回火，产生二次硬化 组织：高碳回火马氏体碳化物残余A （二）热模钢 ）性能要求：高的硬度、高的热硬性和高温耐磨性、高的抗氧化性能、高的热强性和足够的韧性、高的热疲劳抗力、高的淬透性和

23、导热性。 ）成分特点：中碳0.300.60%； Cr、Ni、Mn、Si提高淬透性，Cr与Ni一起提高回火稳定性。Ni增加韧性和耐热疲劳性能；Mo防止第二类回火脆性，提高高温强度和回稳性,）常见钢号： 5CrMnMo，5CrNiMo，5Cr2W8V，4Cr5W2VSi ）热处理：淬火高回 ）组织：回火索氏体 3）量具钢 ）性能要求：高硬度(大于56HRC)和耐磨性及高的尺寸稳定性。良好的磨削加工性，使量具能达到小的表面粗糙度。形状复杂的量具还要求淬火变形小。 ）常用钢种：量具没有专门的钢种，碳素工具钢、合金工具钢和滚动轴承钢都可以制造量具。,）热处理特点：保证硬度的前提下，尽量降低淬火温度；淬火

24、后进行7080冷处理，再低温回火处理；120130时效处理；磨削后还要进行120130时效处理，甚至多次。 举例GCr15块规工艺路线:,88010,16010,140200,-70-80,120130,120130,4h,2h,2h,6h,特殊性能钢,分类,不锈钢 耐热钢 耐磨钢,一、不锈钢 1、性能要求（1）良好的耐蚀性能 （2）合适的力学性能 （3）良好的工艺性能,2、成分特点： （1）C：低C（11.7%时，F电极电位从-0.56V +0.12V，低于该值提高不明显。Cr12、Cr12MoV含C量高，形成C化物，使基体含Cr量11.7%，故它们不是不锈钢 2）形成钝化膜 Cr、Al、S

25、i在表面形成氧化模，Cr最有效，Mo、Cu可增强钝化 3）单相化 A化：Mn Ni Co 等 F化：Cr V Mo W Ti Nb等,3、常见类型,1）马氏体型：低中碳Cr13型：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13 高碳Cr18型：9Cr18、9Cr18MOV 可热处理强化、 价低，但耐蚀性、焊接性、塑性加工能力均低 2）铁素体型：C低，0Cr13 1Cr17 1Cr28 不可热处理强化，硬 度低、塑性好、焊接性好。使用状态：退火或正火态。 热处理时（晶粒粗化脆性、相析出脆性475脆性） 3）奥氏体型：低C高Cr高Ni 0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti 00Cr17Ni12Mo2、1Cr17Mn9等，强度低、Cr23C6析 出，晶间贫Cr，晶间腐蚀倾向增大。加入Ti、Nb等形 成TiC、NbC等，阻止形成Cr23C6，防止晶间腐蚀。,4）双相型：A-F 1Cr21Ni5Ti、1Cr18Mn10Ni5MoN 兼有A、F两者的特点 5）沉