《工業(yè)用鋼鐵材料》PPT課件.ppt

1、第六章 工業(yè)用鋼鐵材料,不銹鋼帶,6.1 碳鋼 6.2 合金鋼 6.3 常用鑄鐵材料,6.1 碳鋼,一、碳鋼中的雜質(zhì),1錳 有益；0.25-0.80% a. 脫氧劑： 降低FeO脆性， b. 脫硫劑： Mn+SMnS(降低S的有害作用) 熱加工性能 c.固溶強(qiáng)化，使性能更優(yōu)。,2Si 有益 a. 脫氧脆性 b. 固溶強(qiáng)化,4硫 有害,5 O、N、H O 機(jī)械性能 ，強(qiáng)度、塑性降低，有害元素 N 產(chǎn)生蘭脆，有害元素 若鋼中存在Al、V、Ti蘭脆消失強(qiáng)度，硬度提高 H 氫脆、白點(diǎn)，有害元素,二、碳鋼的分類(lèi),1碳含量 ：低碳鋼C%0.6% 2質(zhì)量 （S、P雜質(zhì)含量）： 普碳鋼、優(yōu)質(zhì)碳素鋼、高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳

2、素鋼 3按用途 ：碳素結(jié)構(gòu)鋼、碳素工具鋼、鑄鋼,三、碳鋼的牌號(hào)及作用,1普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 碳素結(jié)構(gòu)鋼分為五類(lèi)20種，其牌號(hào)主要依據(jù)鋼材的厚度（或直徑）不大于16mm的鋼的屈服強(qiáng)度數(shù)值進(jìn)行劃分，然后以鋼的質(zhì)量等級(jí)和脫氧方法進(jìn)行細(xì)分。其牌號(hào)中符號(hào)的意義如下： Q代表鋼的屈服點(diǎn)字母。 A、B、C、D反映碳素結(jié)構(gòu)鋼中有害元素（S、P）含量多少的質(zhì)量 等級(jí)符號(hào)，按字母順序，等級(jí)高含S、P量下降。 F、b、Z、TZ表示脫氧方法的符號(hào)。其中 F沸騰鋼、b半鎮(zhèn)靜鋼、Z鎮(zhèn)靜鋼、TZ特殊鎮(zhèn)靜鋼。,2優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼,鋼號(hào)用平均碳含量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)的數(shù)字表示。如：08F （F表沸騰鋼），20A（后有“A”表高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼） ，4

3、5，15Mn （表含Mn量高） 。 制作各種機(jī)器零件，一般進(jìn)行熱處理。 08F 塑性好，冷沖壓件 10，20 冷沖壓件，焊接件，滲碳處理。 35，45，40，50 齒輪、軸類(lèi) 60，65 彈簧,3碳素工具鋼,0.65-1.35C%， 用以制作刃具、量具、模具 鋼號(hào)用平均碳含量的千分?jǐn)?shù)的數(shù)字和T一起表示。 如：T10A （1.0%C，A表示高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼）, T9 （0.9%C） ,T12 （ 1.2%C,） T7，T8，強(qiáng)度，韌性較高，可制作沖頭、鑿子、榔頭 T9、T10、T11，強(qiáng)度，韌性適中，可制作鉆頭、刨刀、絲錐、手鋸及冷作模具。 T12，T13， 硬度很高，韌性低，可制作銼刀、刮刀

4、、量規(guī)。,4鑄鋼,“ ZG”加平均碳含量萬(wàn)分?jǐn)?shù)表示，如：ZG25 （ 0.25%C）， ZG45 （0.45%C） 形狀復(fù)雜，需要一定強(qiáng)度、塑性和韌性的零件。,6.2 合金鋼(Alloyed Steel),一、合金鋼的編號(hào),二、合金元素對(duì)鋼的組織和性能的影響,合金元素與鐵和碳的作用。,合金元素對(duì)Fe-Fe3C相圖的影響。,合金元素對(duì)鋼的熱處理的影響。,1.溶于基體中形成合金F 或合金A 。,2.與碳作用形成合金碳化物(Fe,Cr)3C。溶于滲碳體！,3.單獨(dú)形成特殊碳化物,Me在鋼中的存在方式,一)合金元素與鐵和碳的作用,A、擴(kuò)大區(qū)并與 -Fe無(wú)限互溶的Fe-Me相圖（Me=Mn、Ni、Co)

5、室溫下形成單相A,B、部分?jǐn)U大區(qū)的Fe-Me相圖（Me=C、N、Cu),（a）擴(kuò)大相區(qū)元素（奧氏體穩(wěn)定化元素） A4，A3 Mn,Ni,Co作用最強(qiáng)，使相消失， 相擴(kuò)大至室溫。 Co, C, N, Cu作用次之。,二)合金元素對(duì)Fe-Fe3C相圖的影響,（1）影響A和F存在的范圍,Notes: 除Mn外均為非碳化合物形成元素，而Mn的碳化物穩(wěn)定性也是最差的！,主要還是以固溶形式存在！,Mn 元素對(duì)奧氏體區(qū)的影響,（b）縮小 相區(qū)元素 （F穩(wěn)定化元素）A3，A4 Cr,Mo,W,V,Ti,Al,Si作用強(qiáng)，可使相區(qū)完全封閉。 B,Nb,Zr作用次之。,Me對(duì)鐵碳相圖的影響,Notes: 除Al、

6、Si外均為強(qiáng)碳化合物形成元素！,Cr 元素對(duì)奧氏體區(qū)的影響,（2）使S、E點(diǎn)大大左移,Me對(duì)鐵碳相圖的影響,合金元素對(duì) S 點(diǎn)成分的影響,合金元素對(duì)A1線的影響,Why:3Cr2W8V 熱模具鋼0.3%C 卻屬過(guò)共析鋼？ W18Cr4V 高速鋼鑄態(tài)下（1.0%C） 出現(xiàn)萊氏體組織？,三、合金元素對(duì)熱處理的影響,1、對(duì)加熱轉(zhuǎn)變的影響 （1）影響A形成速度 （a）(Cr,Mo,W,V)碳化物形成元素，推遲A轉(zhuǎn)變； （b）非碳化物形成元素：Co、Ni加快A形成；Al、Si、Mn影響不大 （2）影響A晶粒長(zhǎng)大 （a）強(qiáng)烈阻礙：V、Ti、Nb、Zr(生成特殊碳化物：高熔點(diǎn)、顆粒、彌散間隙) （b）中等阻

7、礙：W、Mo、Cr （c）影響不大：Si、Ni、Cu （d）促進(jìn)長(zhǎng)大：Mn（只在高溫下和碳結(jié)合）、P、B,a.碳化物穩(wěn)定性 b.阻礙C在相中的擴(kuò)散,（1）提高淬透性：除Co以外的固溶于A中合金元素。常用：Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B （2）Ms、Mf溫度下降（殘余A增加）：除Co、Al以外： Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si 強(qiáng) 弱 （3）影響M形態(tài)：Ni、Cr、Mn、Mo、Co增大片狀M形成傾向,2、對(duì)過(guò)冷A轉(zhuǎn)變的影響,位置： 形狀 轉(zhuǎn)變臨界溫度,非碳化合物（Al,Ni,Cu,Si）：不改變形狀 碳化物(Mn,Cr,Mo,W,V,Nb,Zr,Ti)：分離成上下兩個(gè)C曲線：,P區(qū),區(qū),3、

8、對(duì)回火轉(zhuǎn)變的影響,（1）提高回火穩(wěn)定性：V、Si、Mo、W、Ni、Mn、Co （2）產(chǎn)生二次硬化：A M：Mn、Mo、W、Cr、V 、 (Ni、Co協(xié)同） 沉淀硬化：V、Mo、W、Cr、(Ni、Co協(xié)同） （3）影響回火脆性（第二類(lèi)回火脆性450-600oC高溫，與P有關(guān)）： （a）增大第二類(lèi)回火脆性：Mn、Cr、Ni （b）消除第二類(lèi)回火脆性：Mo(0.5%)、W(1%),防止第二類(lèi)回火脆性的產(chǎn)生的方法:,在500600 快速冷卻。,加入合金元素W、Mo。,四、合金元素對(duì)鋼的性能的影響,1.主加元素: 對(duì)提高鋼的性能起主要作用。 Si、Mn、Cr、Ni、B。,2.輔加元素: 配合主加元素進(jìn)一

9、步提高鋼的性能, 彌補(bǔ)主加元素的不足與缺陷。 W、Mo、V、Ti、Nb。,（一）合金元素對(duì)鋼的強(qiáng)度的影響,1鋼的強(qiáng)化機(jī)制,a. 固溶強(qiáng)化,碳、硼等溶質(zhì)原子對(duì)aFe強(qiáng)度的影響,溶質(zhì)原子晶格畸度與位錯(cuò)相互作用 阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化。,Mn，Si是主要強(qiáng)化 元素,第六章 工業(yè)用鋼鐵材料,b. 細(xì)晶強(qiáng)化,Nb，V，Al，Ti,晶界阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化,c. 位錯(cuò)強(qiáng)化,位錯(cuò)增殖并相互作用 阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化,d. 第二相強(qiáng)化,第二相粒子阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)強(qiáng)化。,2鋼的強(qiáng)化,（1）熱處理（淬火回火）綜合利用四種強(qiáng)化手段 固溶強(qiáng)化：過(guò)飽和C和Me， 位錯(cuò)強(qiáng)化：高密度位錯(cuò) 細(xì)晶強(qiáng)化：極細(xì)小、不同取向的馬氏體束 第二相強(qiáng)化：析

10、出細(xì)小碳化物粒子 基本保持了淬火態(tài)的細(xì)小晶粒、高密度位錯(cuò)及一定的固溶強(qiáng)化作用。,淬火形成：,+ 回火,（二）合金元素對(duì)鋼的韌性的影響,鋼的合金化主要目的及作用：,（一）首要目的提高淬透性：影響曲線右移和改變形狀，保證淬火時(shí)容易獲得馬氏體。為進(jìn)一步強(qiáng)韌化提供保障。 （二）第二目的提高鋼的回火穩(wěn)定性：使鋼回火析出的碳化物更細(xì)小，均勻和穩(wěn)定；并使馬氏體的微細(xì)晶粒及高密度錯(cuò)保持較高的溫度。 （三）其它：有的合金能產(chǎn)生二次硬化、良好的高溫性能、耐腐蝕性能等。,（三）合金元素對(duì)鋼的工藝性能的影響,（1）鑄造性能：Cr、Mo、V、Ti、Al使之惡化 （2）塑性加工性能： 熱加工： Cr、Mo、W熱塑性下降

11、合金鋼加熱冷卻需緩慢 冷加工：固溶合金元素多提高冷加工硬化率， Si、Ni、Cr、Cu降低深沖性能 Nb、Ti、Zr（改善硫化物形態(tài)）提高沖壓性能 （3）焊接性能：C%越高，合金元素多降低焊接性能 少量 V、Ti可提高焊接性能 （4）切削性能（HB170-230）：一般合金鋼比碳鋼難切削 易切削鋼：S(0.08-0.30%)、P(0.08-0.15%)、 Pb(0.10-0.30%) （5）熱處理性能：淬透性（高）、變形與開(kāi)裂傾向（大）、過(guò)熱敏感性（P、Mn、Si大）、回火脆化傾向（ P主導(dǎo)、Mn、Cr、Ni協(xié)同）、氧化脫碳傾向（Si大，Ni、Mo次之）,五、合金結(jié)構(gòu)鋼和合金工具鋼 ( All

12、oy Constructional Steel 化學(xué)熱處理(如氮化) (38CrMoAl氮化鋼),表面耐磨,4、合金彈簧鋼（0.5-0.7%C）,成分特點(diǎn)與合金化原則：,中高C：0.45%0.70% 主: Si,Mn：提高淬透性，提高屈強(qiáng)比 輔: Cr, Mo, W, V：細(xì)化晶粒, 耐沖擊, 高溫強(qiáng)度好 控制雜質(zhì)：優(yōu)質(zhì)（S0.04%, P 0.04% ） 或高級(jí)優(yōu)質(zhì)（S0.03%, P 0.035% ）,典型鋼號(hào)及其應(yīng)用,熱處理特點(diǎn),以Si,Mn合金化：65Mn, 60Si2Mn 用于汽車(chē)、拖拉機(jī)、機(jī)車(chē)的板簧和螺旋彈簧 以Cr,V,W合金化：50CrVA 350400以下重載、較大型彈簧 如

13、閥門(mén)彈簧、高速柴油機(jī)氣門(mén)彈簧.,大型彈簧：熱成形：熱軋鋼絲、鋼板熱成形法彎曲成型 淬火+中溫回火噴丸 小尺寸彈簧：冷成形法 鉛浴450-550oC等溫冷拔鋼絲 冷卷成型去應(yīng)力退火噴丸 淬火+中溫回火冷卷成型去應(yīng)力退火 冷卷成型淬火+中溫回火,5、滾珠軸承鋼 （0.95-1.15%C）,高C：0.95%1.10%，GCr15中含C%1.5% 主：基本合金元素Cr（0.40-1.65）： 提高淬透性; 細(xì)化;提高耐磨性和接觸疲勞抗力; 輔加元素：Si,Mn提高淬透性; V提高耐磨性,防止過(guò)熱 純度要求極高（S0.02%, P0.027%）,性能特點(diǎn),高接觸疲勞強(qiáng)度 高硬度和耐磨性 足夠的韌性和淬透

14、性 一定耐蝕能力和良好尺寸穩(wěn)定性,用途：滾動(dòng)軸承的滾動(dòng)體、內(nèi)外套圈 密量具、模具、機(jī)床絲杠,典型鋼號(hào)及其應(yīng)用,熱處理特點(diǎn),Cr軸承鋼：GCr15中小型軸承；冷沖模,量具,絲錐。 添加Mn,Si,Mo,V的軸承鋼： GCr15SiMo,GSiMnMoV制造大型軸承.,正火：消除網(wǎng)狀Cem 球化退火：便于切削, 使(碳化物)細(xì)小均勻,為淬火作準(zhǔn)備 淬火：細(xì)針M+A 冷處理（-60-80 ）：(精密零件)尺寸穩(wěn)定 低溫回火： M 時(shí)效：120140,1020h去應(yīng)力,穩(wěn)定尺寸,6、合金工具鋼 (0.6-1.5%C)刃具鋼、模具鋼、量具鋼,典型鋼號(hào)及其應(yīng)用,低合金刃具鋼（250-300oC） Si-C

15、r系:9SiCr如,板牙,絲錐,冷沖模, 木工工具,低速切削刃具 Cr-W-Mn系:CrWMn 如拉刀,沖模,樣板,量規(guī) 高速鋼高速切削刃具（ 600oC） W系:W18Cr4V熱硬性突出，降低熱處理脫碳、過(guò)熱傾向 W-Mo系:W6Mo5Cr4V2熱塑性、韌性突出,熱處理特點(diǎn),低合金刃具鋼 正火球化退火機(jī)加工淬火低溫回火 高速鋼 鍛造（萊氏體碎化）球化退火(預(yù)熱)淬火(1220-1280oC) 回火(550-570oC，三次),雙頭鉆,高速鋼刀具,（2）合金模具鋼(略),性能特點(diǎn),冷模具鋼 高硬度:HRC58-62 高耐磨性 足夠韌性與疲勞抗力 熱處理變形小 熱模具鋼 高的熱硬性和高溫耐磨性

16、高的抗氧化性 高的熱強(qiáng)性 足夠高的韌性與熱疲勞抗力,用途冷模具、熱模具,典型鋼號(hào)及其應(yīng)用,冷模具：一般低合金刃具鋼 大型Cr12型鋼， Cr12MoV 冷擠壓模6Cr4Mo3Ni2WV(基體鋼)， Ni18Co9Mo5TiAl(馬氏體時(shí)效鋼) 熱鍛模：韌性高，熱硬性不高：5CrMnMo、5CrNiMo 熱強(qiáng)度高：3Cr2W8V,熱處理特點(diǎn)與使用態(tài)組織,冷模具： 低合金刃具鋼：正火球化退火淬火低溫回火 Cr12型鋼：950-1000oC淬火150-180oC低溫回火 1100-1150oC淬火510-520oC多次回火 使用態(tài)組織： M合金 少量A 熱模具： 熱鍛模：淬火550oC高溫回火S-T

17、組織 熱壓模：淬火600oC多次回火M粒狀,六、特殊性能鋼不銹鋼,1抗腐蝕原理,. 金屬腐蝕的方法(化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕) . 金屬腐蝕破壞的方式: 均勻腐蝕 晶間腐蝕 點(diǎn)腐蝕 應(yīng)力腐蝕 腐蝕疲勞,不銹鋼帶,d.不銹鋼的合金化原理： 含C量盡可能低；一般0.1-0.2，刃具和軸承0.85-0.95（同時(shí) Cr ） 加入Crn/8定律含量12.5%電極電位躍升(如M不銹鋼)； 含Cr量12.7%單相F(如F不銹鋼)； 加入Ni 單相A或F+A(如A不銹鋼)； 加入Ti、Nb 晶界腐蝕,c.金屬抗腐蝕的原理： 單相組織原電池形成可能性，金屬電極電位抗腐蝕； 電極電位差、陽(yáng)極電極電位； 表面保護(hù)膜鈍

18、化,2常用不銹鋼,按照不銹鋼在高溫（9001100）加熱并在空氣中冷卻后的基本組織，不銹鋼可以分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼、奧氏體鐵素體不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼。,固溶處理：1000保溫，碳化物全部溶入中，快速冷卻，防止 析出，獲得單一 穩(wěn)定化處理（Ti,Nb）：T: (Cr,Fe)23 C6溶解，Ti C, NbC化合不分解，防止(Cr,Fe)23 C6析出產(chǎn)生晶間腐蝕。,63 常用鑄鐵材料,一、 石墨化, 鑄鐵中的碳以石墨的形式析出的過(guò)程， 稱(chēng)為石墨化。,石墨化程度 ，G數(shù)量 ，基體中P數(shù)量 所以，石墨化程度決定了鑄鐵的組織：,按石墨形態(tài)分類(lèi),2、鑄鐵的組織和分類(lèi),a. 灰口

19、鑄鐵 片狀石墨 b. 可鍛鑄鐵 團(tuán)絮狀 c. 球墨鑄鐵 球狀 d. 蠕墨鑄鐵 蠕蟲(chóng)狀,3、影響石墨化的因素：,Fe-C合金的五大元素：C, Si, P, Mn, S,(1) 、化學(xué)成分,C是G的形成元素，C% ， G化；,碳當(dāng)量：CE=C+1/3(Si+P),(2) 、冷卻速度(V冷),G化是靠原子擴(kuò)散進(jìn)行的，需要溫度、時(shí)間,二、灰口鑄鐵,1、灰口鑄鐵的組織,灰口鑄鐵的組織是由鋼的基體組織與片狀石墨組成。 鋼的基體：鐵素體、鐵素體珠光體、珠光體， 三種灰口鑄鐵：F灰口鑄鐵、F+P灰口鑄鐵、P灰口鑄鐵（如圖所示）。 其中珠光體灰口鑄鐵的強(qiáng)度最高，應(yīng)用最廣泛。,鐵素體基體組織,鐵素體基體+片狀石墨

20、 X100,鐵素體基體+片狀石墨 X500,珠光體基體組織,珠光體基體+片狀石墨 X100,珠光體基體+片狀石墨 X500,鐵素體+珠光體基體組織,鐵素體和珠光體基體+片狀石墨 X100,X500,2、灰口鑄鐵的牌號(hào),如HT100, 表示30mm試樣的最小抗拉強(qiáng)度值 100MN/m2,灰口鑄鐵常見(jiàn)牌號(hào)組織,（1） HT200、HT250、HT300多屬孕育鑄鐵 （2）牌號(hào)越高，鑄造性能越差，強(qiáng)度越高 （3）同一牌號(hào)，壁厚增加，抗拉強(qiáng)度下降,說(shuō)明：,3、灰口鑄鐵的熱處理,（1）、去應(yīng)力退火 目的：消除鑄造內(nèi)應(yīng)力，防止鑄件開(kāi)裂惑減少變形 （2）、改善切削加工性的退火 目的：消除白口組織，改善切削加

21、工性 （3）、表面淬火 目的：提高表面的硬度和耐磨性，其方法有火焰淬火、感應(yīng)淬火和電接觸淬火。,熱處理只能改變鑄鐵的基體組織， 不能改變石墨的形態(tài)和分布。,效果不大,二、可鍛鑄鐵,完全白口鑄鐵，經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間石墨化退火（900980oC）,1牌號(hào) F可鍛鑄鐵KT3006 最低抗拉強(qiáng)度和延伸率 P可鍛鑄鐵KTZ4505 最低抗拉強(qiáng)度和延伸率 2熱處理 a）鑄造純白口鑄鐵 b）經(jīng)長(zhǎng)時(shí)間石墨化 c）控制不同冷速獲得F 和P基體的可鍛鑄鐵。,可鍛鑄鐵顯微組織,基體+團(tuán)絮狀石墨 X100,基體+團(tuán)絮狀石墨 X500,腐蝕后,F+P基體+團(tuán)絮狀石墨 X100,F+P基體+團(tuán)絮狀石墨 X500,三、球墨鑄鐵,1、

22、組織與性能：(F, F+P, P) + 球狀G,G球?qū)w的割裂、應(yīng)力集中減小到最低程度，所以， 機(jī)械性能大大提高。,珠光體鐵素體球墨鑄鐵,在鑄態(tài)下，球墨鑄鐵的基體組織一般為：鐵素體珠光體少量自由滲碳體。經(jīng)熱處理后可獲得基體為平衡組織的球墨鑄鐵：,QT40017 表示最低抗拉強(qiáng)度值是400MPa和最低延伸率17,2、球墨鑄鐵的牌號(hào),3、球墨鑄鐵的熱處理,特點(diǎn),（1）共析轉(zhuǎn)變溫度顯著提高，并變成一個(gè)相當(dāng)寬的溫度范圍，而不是恒定的共析轉(zhuǎn)變溫度。 （2）當(dāng)在共析轉(zhuǎn)變溫度之上加熱且球墨鑄鐵的基體組織完全奧氏體化后，若繼續(xù)升高溫度或延長(zhǎng)保溫時(shí)間，則奧氏體中的含碳量將因石墨的溶入而增加。 （3）使C曲線右移，并形成兩個(gè)“鼻子”，這使淬火臨界冷卻速度降低，淬透性增大，因此一般中小鑄