第7章钢铁材料.ppt

1、第七章钢铁材料,7-1钢中常存杂质元素对其性能的影响 7-2合金元素在钢中的主要作用 7-3钢的分类与牌号 7-4结构钢 7-5工具钢 7-6特殊性能钢 7-7铸铁,本章重点 1. 钢的分类及各种钢号 2. 常用结构钢、工具钢的组织、性能以及用途,7-1钢中常存杂质元素对其性能的影响,一、硅 来自生铁和脱氧剂 强化F SiO脆性夹杂物，疲劳性能降低 二、锰 来自生铁和脱氧剂 强化F MnS熔点1600（降低S的有害性） 上一页 返回,三、硫 来自生铁和燃料 FeS与Fe形成低熔点共晶（985），产生热脆 MnS易断削 四、磷 来自生铁 强化F 产生冷脆 五、气体元素的影响 H、N、O,7-2合

2、金元素在钢中的主要作用,一.合金元素在钢中的存在形式 形成合金固溶体 形成碳化物 5%时，特殊碳化物，如 Cr7C3、MoC、WC、VC、TiC 。 二.合金元素对铁碳平衡相图的影响 扩大或缩小A、F区域 如，室温下，1Cr18Ni9 为单相A，1Cr17Ti 为单相F。 使共析转变点、共晶转变点 左移； P%增加，或出现Ld 三、对热处理的影响 加热 A化温度提高、时间延长 冷却C曲线右移；Ms，Mf 降低使Ar增加 回火稳定性提高；某些钢产生二次硬化效果；影响回火脆性 上一页 返回,7-3钢的分类与牌号,一.钢的分类 按成分 按质量 按用途 按GB 二.钢的牌号表示方法 字母 数字 化学元

3、素符号 上一页 返回,碳钢牌号表示方法,碳素结构钢 Q+数字+质量等级+脱氧方法，例如Q195 优质碳素结构钢 C%（2位数字）+Mn（低Mn%可以省略），例如20、45、60、65Mn 碳素工具钢 T+ C%（数字）+质量等级，例如T8、 T12A 铸钢 ZG200-400,合金钢牌号表示方法,合金结构钢 C%（2位数字）+元素符号+合金%（1.5%不标注）+质量级别，例如40Cr ， 60Si2Mn 合金工具钢 C%（1%不标注）+元素符号+合金%（1.5%不标注），例如9SiCr； CrWMn 高速钢：不标C%。 W18Cr4V 特殊钢 工具钢与相同，例如Mn13 不锈钢C%标注不同，例

4、如0Cr18Ni9；2Cr13 轴承钢，例如GCr15,7-4结构钢,一.碳素结构钢 普通质量碳素结构钢 优质碳素结构钢 二.低合金结构钢 成分 ： C% 0.2% ；主加元素是Mn 。 性能： 高强度，高韧性，良好焊接性能和冷成形性能。 热处理、组织 ： 热轧空冷，SF 应用举例 低强度级别：16Mn，一般工程结构。 中等强度：15MnVN，大型桥梁、船舶、焊接结构。 高强度：18MnMoNb，高压锅炉、高压容器。 成分变化 对性能影响? 强化方法?,三.表面硬化钢 1.渗碳钢 成分：C% = 0.10.25 % 性能 热处理 正火 渗碳 一次(或二次)淬火 低温回火 组织 表层：回火M 残

5、余 A 碳化物 心部：低C的M或TMF(少量) 应用举例 低淬透性：20Cr，冲击载荷小的耐磨件，如小轴、活塞销、小齿轮。 中淬透性：20CrMnTi，高速较高载有冲击的耐磨件，如汽车齿轮。 高淬透性：18Cr2Ni4WA，重载大截面耐磨件，如柴油机曲轴、连杆。 上一页 返回,2.渗氮钢 牌号和分类 性能 3.表面淬火钢 四.调质钢 成分 ： C% = 0.250.50 %，合金元素可提高淬透性，细化晶粒，消除回火脆性，提高回火稳定性，强化F。 性能 ： 综合机械性能高 热处理 ： 调质 组织 ： S 应用举例 低淬透性：40Cr，一般尺寸重要零件，如齿轮、主轴。 中淬透性：35CrMo，较大

6、截面零件，如曲轴、连杆。 高淬透性：37CrNi3，大截面重载零件，如汽轮机主轴 上一页 返回,五.弹簧钢 成分 : C% = 0.450.70 %， Si,Mn为主要合金元素，可提高淬透性和屈强比，细化晶粒。 性能 :e 、s、屈强比和疲劳抗力高，有足够塑性，耐震动、冲击。 热处理 热轧弹簧：热成型 淬火 + 中温回火 喷丸 冷轧弹簧：淬火 + 中温回火 冷成型 去应力 喷丸 组织 ： T 应用举例 上一页 返回,六.滚动轴承钢 成分 ： C% = 0.951.10 %，主加元素是 Cr，GCr15中含Cr%1.5% . 提高淬透性 合金渗碳体 加Si、Mn、Mo提高淬透性 细化晶粒 高纯净

7、度夹杂少 性能 ： 高接触疲劳强度、高硬度和耐磨性，足够的韧性和淬透性，一定耐蚀能力和良好尺寸稳定性。 上一页 返回, 热处理 球化退火：便于切削, 使碳化物细小均匀,为淬火作准备。 淬火 + 低温回火 冷处理，时效（120140, 1020h）：稳定尺寸，去应力。 组织 M细碳化物少量AR 失效: 磨损、接触疲劳 应用举例 ：高碳铬系；渗碳；不锈钢；高温轴承钢 GCr15：中小型轴承，冷冲模，量具，丝锥、形状复杂的刃具 GCr15SiMn：大型轴承。,七.超高强度钢（自学） 性能：很高的强度和比强度，足够的韧性。 常用牌号及热处理。 八.其它专用结构钢 1.铸钢 牌号、碳% 铸造性能：比铸铁

8、差 组织特征及热处理 浇注温度高晶粒粗大预备热处理？ 表面淬火制造耐磨工件 应用：轧钢机架；水压机横梁、起重机车轮 上一页 返回,2.易切削钢 加P、S、Pb、Ca夹杂物 有利于切削，但力学性能，应用于照相机、手表、缝纫机行业 3.冷锻钢（自学） 4.冷冲压钢：汽车工业用量较大 特点：表面质量好；材料利用率高；供应态使用 性能：屈服强度低、塑性好、变形能力强、冷成形性好 应用：08F、08Al、IF钢,7-5工具钢,一.刃具钢 (一).性能要求 高硬度 高耐磨性 高的热硬性（红硬性） 足够的强度、韧性 (二).常用材料,1.碳素工具钢 性能 热处理及组织 ：球化机加工淬火低温回火 特点：成本低

9、；冷热加工性能好。淬透性低；无热硬性；耐磨性差。适宜低速切削、尺寸小、形状简单、要求不高的刃具。 应用举例 ： T1012 的硬度高，常做钻头、锉刀；T79 韧性较高，常做木工刀具、锤子、錾子、带锯等,2.低合金工具钢 成分： 含 0.91.50 % C ，合金元素5%，如Si、Mn、Cr、W、V 等提高 淬透性、回火稳定性、韧性。 性能 ：耐磨性优于碳素工具钢，无热硬性。 热处理 ： 球化退火 加工 淬火（油冷） 低温回火 最终组织 回火隐晶M + 合金碳化物 + 少量残余A 应用举例 适宜制作形状复杂、受力大、尺寸大的刃具。250以下使用 ，低速切削刃具等。,3.高速钢 成分：含0.71.

10、25%C，合金元素10%，如W、Mo、Cr、V、Co等。 Cr：提高淬透性、回火稳定性、抗腐蚀、弱的二次硬化效果 W、Mo：提高淬透性、二次硬化效果 V：二次硬化效果、细化 性能 高硬度、高耐磨性 ： W2C、VC等弥散硬化。 高热硬性 ： 600 时硬度约HRC62 ，热硬性好。 高淬透性 ：淬透性高，尺寸不太时空冷即可淬火。, 热处理 ： 以 W18Cr4V盘形铣刀 为例 工艺路线：下料 锻造 退火 机加工 预热1-2次淬火 多次高温回火（必要时可冷处理） 喷砂 磨削表面强化后性能进一步提高 （渗氮） 锻造 ： 成型；击碎铸态莱氏体 球化退火： 消除锻造应力，降低硬度，便于切削加工，为淬火

11、作 组织准备。 淬火（1280 ）：增加A和M中合金元素含量，提高热硬性。 回火 ： 三次， AR基本消除 二次硬化 560 回火硬度最高（W2C、VC 弥散析出） 二次淬火 ： AR 中析出合金碳化物，使其合金的浓度下降，MS 上升，在随后的冷却过程中转变为M, 最终组织： 隐晶M+ 粒状合金碳化物 + AR 应用：制作形状复杂、尺寸大、重负荷、快速切削的刃具。 常用：18-4-1；6-5-4-2 失效：磨损、断裂,4.硬质合金 将高熔点、高硬度的金属碳化物粉末和粘结剂混合，压制成型，再经烧结而成的一种粉末冶金材料。 性能 高硬度（HRC69）；热硬性高（可达1000），切削速度高。 耐磨性

12、好，寿命长。 应用 ： 主要做刀具 YG3（WC + 3%Co）： 加工铸铁、有色金属及塑料。 YT5（ WC + 5%TiC + Co ）： 加工合金钢、耐热钢等。,二.模具钢 (一).冷作模具钢 1、用途： 冷冲模、冷镦模、冷挤压模、拉丝模等，工作温度低于200300 2、工作条件 300以下工作；大的压力、弯曲力、冲击、磨损 3、失效 正常磨损；非正常崩刃、变形、开裂 4、性能要求 高硬度、强度和耐磨性，足够的韧性和疲劳性能，热处理变形小。,5、成分 高碳：1.0%以上 加入合金Cr、Mo、W、V等形成耐熔碳化物提高耐磨性 加入合金提高淬透性 6、 热处理及组织 预备热处理？ 最终热处理

13、工艺 ： 淬火（分级） + 低温回火或高温回火 最终组织 ：M+ 合金碳化物 + 少量AR,7、分类及牌号 （1）碳素工具钢（低淬透性） 工艺性好、成本低 淬透性低；耐磨性差、寿命低 制作轻载、精度低、形状简单、尺寸小的模具 热处理工艺及组织同前 如T7A、T10A等， T10A用途最广,（2）低合金工具钢 加合金元素提高淬透性；减少变形；细化晶粒；提高回火稳定性 淬透性、耐磨性比上者提高 制作低、中载、精度较高、形状较复杂、尺寸较大的模具 热处理工艺及组织同前 9Mn2V、9SiCr、CrWMn等,（3）专用冷模具钢 强韧性、耐磨性更高；承载更高 制作重载、精度高、形状复杂的模具 Cr 12

14、型：高碳、高Cr ，例如Cr 12和Cr 12MoV均为莱氏体钢，加大锻造比改善碳化物的不均匀性 高温回火有二次硬化效果；低温回火硬度略低；中温回火韧性好 应用最广、数量大，制作落料模、切边模、拉丝模等,(二).热作模具钢 1、用途：制造各种各种热锻模、热挤压模、压铸模等，工作时型腔表面温度高达600 以上 2、工作条件 成形热固态或液态金属热锻模300-400 热挤压模500-800 压铸模1000 交变热应力；磨损；冲击；高温；腐蚀 3、失效：变形；磨损；开裂；热疲劳 上一页 返回,4、性能要求 高的热硬性和耐磨性 高的抗氧化性 高的热强性和足够的韧性，尤其时热锻模 抗热疲劳能力高、导热性

15、好 淬透性高 5、成分 中C（0.3-0.6%）保证韧性、导热性 加Cr、W、Mo、V、Si、Ni、Mn淬透性、回火稳定性提高 加W、Mo、V 产生二次硬化效果 W、Mo 防止高温回火脆性,6、工艺和组织 （1）热锻模 材料：5 CrMnMo、 5 CrNiMo 热处理等温退火或完全退火预热后淬火（分级、等温）高温回火（注意回火脆性） （2）热挤压模 材料 W系：3Cr2 W8V热疲劳性能差 Cr系：4Cr5MoSiV1（ H13 ）；4Cr5MoSiV（H11） 淬透性好（空冷硬化）、热疲劳性能好、抗氧化、小于600使用 其它：Cr-Mo、W-Mo、基体钢 热处理调质（代替球化退火）淬火高温

16、回火,（3）压铸模 3Cr2 W8V 二次硬化、回火稳定性好，应用广泛。工艺同上 4Cr5Mo2MnVSi（ Y10 ） 硬度低于上者，压铸铝合金 工艺：去应力球化退火预热后淬火多次回火耐腐蚀、抗磨损表面处理（氮化、氮碳共渗、渗Cr、渗Al、渗B）,7、应用 热锻模 ： 5CrMnMo 等；进口模YHD3，根据模具大小、形状等选材 热挤压模 ： 3Cr2W8V、奥氏体耐热钢、镍基高温合金、硬质合金 等，主要根据使用温度选材 压铸模 ：根据压铸金属的种类（铝、镁、铜、锌）及温度选材，其次考虑形状、大小、精度等要求。 铝合金H13、H11、Y10、3Cr2W8V 铜合金 3Cr2W8V、HM1 黑

17、色金属 3Cr2W8V,（三）.成形模具钢 1、被成型的材料 塑料；橡胶、粉末、玻璃、陶土 2、性能 工艺性、耐腐蚀性好 耐磨、耐热、足够的强度和硬度 3、模具使用材料 工具钢；结构钢；不锈钢；耐热钢；有色金属（例如铜合金吹塑模、注射模）,4、应用 塑料模具用钢：渗碳型、调质型、淬硬型、耐腐蚀型（不锈钢） 玻璃模具用钢：不锈钢、热模具钢 陶瓷模具用钢：碳素工具钢、低合金工具钢、冷模具钢、高速钢、热模具钢、滚动轴承钢,三.量具用钢 1、性能要求 ：高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性。 2、应用 简单量具 ： T10A、T12A 等。 高精度量具 ： GCr15、9SiCr、CrWMn 等 3、

18、热处理及组织 （ CrWMn 块规 ） 最终热处理工艺 ： 淬火 + 冷处理 + 低温回火 + 时效处理 最终组织 ： M+ 合金碳化物 + 少量残余A 上一页 返回,7-6特殊性能钢,一.不锈钢 1.金属的腐蚀 化学腐蚀 ： 金属在非电解质中的腐蚀。 电化学腐蚀 ： 金属在电解质中的腐蚀。 抗电化学腐蚀的措施 尽可能保持单相组织 减少原电池形成的可能性 加入合金元素提高基体电极电位。 加入合金元素，使金属表面生成致密的氧化膜 、 钝化膜。 上一页 返回,2.性能：耐腐蚀；工艺性能好（成形、焊接、切削）；足够的力学性能 3.成分 低碳形成的碳化物数量少电池数量少耐腐蚀、成形性好； 高合金单相；

19、提高基体电极电位；氧化膜 耐腐蚀提高 Cr%大于11.7% 作用明显 加入Ni、 Mn、N 易形成单相A 加入Cr、Si、Ti、Nb、Mo 易形成单相F Ti、Nb、Mo 防止Cr23C6晶间析出腐蚀（Ti、Nb、Mo碳化物晶内析出）,4.常用不锈钢 （1） F 不锈钢 低碳、高Cr 单相 形变强化 抗腐蚀性能优于M 不锈钢 成本低于A 不锈钢 、高于M不锈钢 工艺性能好、力学性能差 如 1Cr17，化工设备、食品工业。,（2）M 不锈钢 高Cr、随 C%提高力学性能、耐腐蚀性(碳化物增加;基体电位下降) 多用于力学性能要求高、耐腐蚀性低的工件 1Cr13、2Cr13 调整作结构钢（汽轮机叶片

20、） 3Cr13 、9Cr18 淬火低温回火手术器具及量具、滚动轴承。 热处理 预备热处理：高温回火或等温退火 最终热处理：高温回火,（3） A 不锈钢 低碳、高Cr、高Ni 单相抗腐蚀 成形性、焊接性能、耐腐蚀性好、无磁 切削性能差；力学性能低形变强化提高 成本高于F、M不锈钢 应用： 1Cr18Ni9Ti 用于化工、食品、医疗行业。,热处理,固溶处理 目的：提高耐腐蚀性，与淬火不同软化 工艺：空冷组织A+F+碳化物 10501150 碳化物溶解快冷单相A 稳定化处理（含Nb、V、Ti钢） 目的：消除晶间腐蚀 固溶处理后重新加热850880 含Cr碳化物溶解缓冷含Ti碳化物析出碳全部稳定在Ti

21、C中晶界不会贫Cr 去应力退火： 300350 消除冷加工、焊接残余应力提高抗腐蚀性能,7-7铸铁,一.概述 铸铁：高碳、高硅，杂质多，碳主要以石墨形式存在 特点：生产工艺、设备简单，价格便宜铸造、切削加工性能好；减磨、抗振；但不能锻造 热处理不改变石墨形态和分布,1.铁碳合金双重相图 2.石墨化过程 液态析出 Fe3C加热分解石墨 从A 中析出石墨G 3. 石墨化条件 成分 C%、Si% 容易 S、W、V、Mo、Cr、Mn 阻碍石墨化 冷却速度慢 容易 4.铸铁组织：钢的基体+石墨G,二.灰铸铁（HT）,1、牌号：如 HT100, 100表示30mm试样的最小抗拉强度值为 100MPa 。

22、为什么不用成分表示其牌号？ 2、组织 ： 钢的基体（F、F + P、P) + 片状石墨,3、性能 及特点 抗拉强度、塑韧性低，抗压强度较高 耐磨性、消振性、铸造性和切削加工性好，低的缺口敏感性低 成本低,4、热处理 （1）去应力退火（低温退火） 防止变形、开裂，退火后内应力可以消除90%以上 温度不宜高防止球化、石墨化，一般500550 慢冷 （2）高温退火 消除白口、降低硬度 共析温度以上850900 渗碳体分解石墨 （3）表面淬火 ： 提高导轨表面、汽缸体内壁的耐磨性 为什么零件淬火强化没有多少工程实际意义?,5、孕育处理（变质处理） 孕育目的：浇注前在铁水中加入一定量的硅铁，硅钙等，使P

23、基体细化，石墨变细而均匀，经过这种孕育处理的铸铁，强度、塑韧性低得到明显提高 孕育剂 硅-铁；硅-钙合金；石墨粉 6、应用 ： 如机床床身（要求消振性好）；导轨及汽缸体、轧机、轧辊（要求耐磨）,三.球墨铸铁（QT）,1、牌号 ： 如 QT700-02 , 700 和 02 分别表示 最低抗拉强度 和 最低延伸率。 2、组织 ： 钢的基体（F 、F + P 、P、 S、B下 、M) + 球状石墨（G） 3、性能及特点 4、球化处理：加入稀土、Mg 球状石墨 5、孕育处理：加入Si-Fe、 Si-Ca 细化石墨,6、热处理 （1）低温退火 ： 700760， P F + G ，提高塑韧性 （2）高温退火 ： 900950， Fe3C F + G ，提高塑韧性 （3）正