金属学与热处理1222概要

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1、第十一章 工具用钢 结构钢： 1）工程结构钢：用作工程结构的钢，大多为普通质量的钢，适于 制造承受静载荷作用的工程结构件 2）机械结构用钢：用作机械零件的钢，大都为优质或高级优质的 结构钢，可承受动载荷 一、碳素结构钢 成分：碳含量在0.06%-0.38%之间，有害元素和非金属夹杂物较多 。 牌号：Q+屈服强度值+质量等级+脱氧方法，共包含Q195、Q215、 Q235、Q275五个牌号 质量等级：A、B、C、D 脱氧方法：F、Z、TZ 知识回顾 二、低合金高强度结构钢（HSLA钢） 低合金高强度结构钢：在碳素结构钢的基础上加入少 量的合金元素而制成的。 牌号：Q+屈服强度值+质量等级，共包含

2、Q295、Q345、 Q390、Q420、Q460五个牌号 质量等级：A、B、C、D、E 1、化学成分 低碳：碳含量在0.1%0.2% 合金元素：主加元素-Mn（0.8%1.7） 其他元素：Si、V、Nb、Ti、Mo、RE等 2、性能特点 （1）高的屈服强度与良好的塑韧性：合金元素强化铁素体；细化 铁素体晶粒；增加珠光体数量（使S点左移）；形成碳化物、氮化 物，从固溶体中析出，产生弥散强化作用。 （2）良好的焊接性：碳含量低，合金元素少，塑性好，不易在焊 缝区产生淬火组织及裂纹，且V、Nb、Ti等可抑制焊缝区晶粒的长 大，因而具有良好的焊接性。 （3）良好的耐蚀性：Cu、P可提高抗大气的腐蚀性

3、。 三、优质碳素结构钢及合金结构钢 1、优质碳素结构钢 牌号：两位数字表示，例如08钢，45钢 牌号含义：表示含碳量的万倍，如45钢，碳含量为 0.45%，08钢，碳含量为0.08% 2、合金结构钢 合金结构钢：在优质碳素结构钢的基础上加入一些合 金元素而形成的钢种。属于低、中合金钢。 合金结构钢的牌号：三部分组成“数字+元素符号+数 字” 如：20Mn2 二、机器零件用钢合金化特点 主加 元素 Cr、Mn、Si、Ni。 主要作用：淬透性和力学性能。 辅加 元素 Mo、W、V、B等 过热敏感性，回脆，淬透性。 最佳 范围 获得最佳性能称为极限合金化理论 结构钢常用范围为：1.2%Si, 2%M

4、n， 12%Cr, 14%Ni， 0.5%Mo，0.2%V, 18%，热硬 性增加不明显，且碳化物不均匀性增加，塑性降低，加工困难。 Mo：作用与W相似，1%的Mo取代1.8%的W Cr：均为4%，主要存在与M6C中 V：强碳化物形成元素，提高钢的硬度、耐磨性与热硬性，回火时 产生二次硬化 3）常用的高速工具钢： 1）W18Cr4V（18-4-1）：使用最广的钨系高速钢 2）W6Mo5Cr4V2（6-5-4-2）：钨钼系高速钢 （2）高速工具钢的铸态组织与锻造 铸态组织：鱼骨状 消除措施：锻造（锻打） W18Cr4V锻造组织 W18Cr4V铸态组织 （3）高速工具钢的退火 球化退火：改善可加工

5、性，消除残余应力 （4） 高速工具钢的退火 加热：预热 淬火温度：1300 回火：三次回火 *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 %。 *第三次回火后A残约剩12 %。 二、模具钢 1、冷作模具钢 冷作模具钢：冷冲模、冷挤压模 性能要求：高硬度、高耐磨性及足够的强度和韧性 汽车冲压模具 常用的冷作模具钢： （1）碳素工具钢：T10A； （2）低合金冷作模具钢：9Mn2V、CrWMn； （3）Cr12型钢：Cr12MoV （4）高碳中铬钢：Cr4W2MoV （5）其他：降碳高速钢等 Cr12型钢的硬化方法： 1）一次硬化法：低淬+低回 2

6、）二次硬化法：高淬+多次回火 2、热作模具钢 热作模具钢：制造使加热的固态或液态金属在压力下成形的模具 热作模具：热锻模、压铸模 热锻模：模膛制成与所需锻件凹凸相反的相应形状。将锻件坯料 加热到金属的再结晶温度上的锻造温度范围内，放在锻模上，再 利用锻造设备的压力将坯料锻造成锻件。 挤压模：用于将金属挤压成形的模具。挤压模的挤压筒为凹模， 冲头为凸模。由于金属需要在很大的压强下才能从凹模挤出成形 ，因此，挤压筒和反挤压的凹模需要有很高的强度。 压铸模：将熔融合金在高压、高速条件下充型，并在高压下冷却 凝固成形的精密铸造方法。 （1）热锻模用钢： 热锻模的工作条件：高温、冲击力、时冷时热、磨损

7、性能要求：足够的强度、韧性与耐磨性；好的热疲劳抗力；高的 淬透性以获得好的整体性能 化学成分：中碳（0.3%0.6%）、Cr、Mn、Ni、Si 常用的热锻模用钢：5CrNiMo、5CrMnMo （2）压铸模用钢： 工作条件：高温、长时间与高温液体接触 性能要求：高的热疲劳抗力，抗高温金属液的腐蚀、冲刷 常用的压铸模用钢：3Cr2W8V （3）塑料模具用钢： 工作条件：持续受热、受压，并受一定程度的摩擦和有害气体的腐 蚀 性能要求：足够的强度、韧性，较高的耐磨性和耐蚀性 常用钢：3Cr2Mo 三、量具钢 卡 尺量 规千分尺 性能要求：高硬度、高耐磨性、高的尺寸稳定性，良好的磨削加 工性 常用钢：

8、8MnSi、9SiCr、Cr2、W钢等 尺寸稳定性： 不稳定的原因：残余奥氏体的转变；马氏体在室温下的分解；热 处理及机械加工过程中的残余应力导致的变形 解决方法：淬火后立即进行低温回火，精密零件还需要进行一次 稳定化处理 第五节 特殊性能钢 一、不锈钢 不锈钢：抵抗大气腐蚀的钢 耐酸钢：抵抗化学介质腐蚀的钢 1、金属的腐蚀 （1）腐蚀的概念：金属表面与外界介质作用而逐渐破坏 的现象 种类：化学腐蚀和电化学腐蚀 （2）提高耐蚀性的途径 1）形成钝化膜 2）提高电极电位 3）形成单相组织 2、常用不锈钢 （1）按化学成分分：铬不锈钢、镍铬不锈钢、铬锰不锈钢 （2）按金相组织分：马氏体型不锈钢、铁

9、素体型不锈钢、奥 氏体型不锈钢、奥氏体-铁素体型不锈钢及沉淀硬化型不锈钢 （3）典型牌号： Cr13型：12Cr13、30Cr13，06Cr13Al等 Cr17型：10Cr17、68Cr17等 Cr27-30型：008Cr30Mo2 18-8型：10Cr18Ni9Ti（或1Cr18Ni9Ti）、10Cr18Ni9、 008Cr18Ni9（或0Cr18Ni9）等 二、耐热钢 耐热性：材料在高温下兼有抗氧化与高温强度的综合 性能 （1）高温抗氧化性及提高途径： 高温抗氧化性：在金属表面形成一层致密的氧化膜使 钢不再继续氧化。 提高途径：合金化，加入Cr、Al、Si等 （2）高温强度概念及提高途径

10、金属在高温下长期受载的特点：强度下降及蠕变 提高途径：提高再结晶温度；弥散强化；适当“粗化 ”晶粒 三、耐磨钢 耐磨钢：在巨大压力和强烈冲击载荷作用下才能发生 硬化的高锰钢 典型代表：ZGMn13 特点：高碳高锰 球磨机 挖掘机颚式破碎机 高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件 。如拖拉机的履带板、球磨机的衬 板、破碎机的牙板、挖掘机的铲齿 和铁路的道岔等。 铁路道岔 履带 球磨机衬板 挖 掘 机 铲 齿 钢钢 号钢钢 种合金元素的主要作用热处热处理特点使用状态态下组织组织 Q345 低合金高强度 结结构钢钢 Mn:强化F，增加P量，降低 冷脆转变转变温度 热轧热轧空冷F+P 65Mn弹弹

11、簧钢钢Mn:提高淬透性，强化F淬火+中温回火T回 ZGMn13耐磨钢钢Mn:获获得单单相A组织组织水韧处韧处理表:M+碳化物 心:A 20Cr渗碳钢钢Cr:提高淬透性，强化F 渗碳+淬火+低温 回火 表: M回+颗颗粒状碳化物+A 心: M回+F 40Cr调质钢调质钢Cr:提高淬透性，强化F调质处调质处 理S回 9SiCr低合金工具钢钢Cr:提高淬透性淬火+低温回火 M回+颗颗粒状碳化物+A (少 量) GCr15滚动轴滚动轴 承钢钢 Cr:提高淬透性，耐磨性、 耐蚀蚀性 淬火+低温回火 M回+颗颗粒状碳化物+A (少 量) 1Cr13 马马氏体不锈锈 钢钢 Cr:提高耐蚀蚀性淬火+高温回火S

12、回 5CrNiMo热热作模具钢钢Cr、Ni:提高淬透性，强化F淬火+高温回火S回 Mo:防止高温回火脆性 Cr12MoV冷作模具钢钢Mo:细细化晶粒，提高耐磨性淬火+低温回火 M回+颗颗粒状碳化物+A (少 量) W18Cr4V高速钢钢V:提高耐磨性、热热硬性淬火+低温回火 M回+颗颗粒状碳化物+A (少 量) 1Cr18Ni9Ti不锈钢锈钢Ti:防止晶间间腐蚀蚀固溶处处理A 第十二章 铸铁 第一节 概述 铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金，还含有Si、Mn 和其他一些杂质元素。 同钢相比，铸铁熔炼简便、成本低廉，虽然强度、塑 性和韧性较低，但是具有优良的铸造性能、很高的减 摩和耐磨性、良好

13、的消振性和切削加工性以及缺口敏 感性低等一系列优点。因此得到了广泛应用。 根据根据碳在铸铁中存在的形式碳在铸铁中存在的形式，铸铁可分为以下三种 ，铸铁可分为以下三种 ： （1 1）白口铸铁）白口铸铁 碳全部或大部分以碳全部或大部分以渗碳体渗碳体形式存在，断裂时断形式存在，断裂时断 口口呈白亮颜色呈白亮颜色。 （2 2）灰铸铁）灰铸铁 碳大部分或全部以碳大部分或全部以游离的石墨游离的石墨形式存在，断裂时形式存在，断裂时 断口断口呈暗灰色呈暗灰色。 根据石墨的形态，灰铸铁可分为：根据石墨的形态，灰铸铁可分为： 普通灰铸铁，石墨呈片状；普通灰铸铁，石墨呈片状； 球墨铸铁，石墨呈球状；球墨铸铁，石墨呈

14、球状； 可锻铸铁，石墨呈团絮状；可锻铸铁，石墨呈团絮状； 蠕墨铸铁，石墨呈蠕虫状。蠕墨铸铁，石墨呈蠕虫状。 （3 3）麻口铸铁）麻口铸铁 碳碳既以渗碳体形式存在，又以游离态石墨形式既以渗碳体形式存在，又以游离态石墨形式 存在存在。 铸铁与钢具有相同的基体组织，主要有铸铁与钢具有相同的基体组织，主要有铁素体、铁素体、 珠光体及铁素体加珠光体珠光体及铁素体加珠光体三类。三类。 由于由于基体组织不同基体组织不同，灰铸铁可分为，灰铸铁可分为铁素体灰铸铁铁素体灰铸铁 、珠光体灰铸铁、铁素体加珠光体灰铸铁、珠光体灰铸铁、铁素体加珠光体灰铸铁。 一、铸铁组织的形成 n n 铸铁中石墨的结晶过程叫做铸铁中石墨

15、的结晶过程叫做石墨化过程石墨化过程。 铸铁的组织与石墨形态及石墨化进行的程度有关! 铸铁的组织=基体+石墨 石墨的形态(基体一定)取决于第一阶段石墨化过程 两个阶段石墨化都进行彻底 : + G 第二阶段石墨化不彻底 : + P + G 第二个阶段石墨化未进行 : P + G 若两个阶段石墨化都没进行: 白口 石墨化进进行的程度不同,将得到不同的基体组织组织 影响铸铁石墨化的因素 1 1、化学成分、化学成分 C、 Si、P、Al、Cu、Ni 、Co促进石墨化过程； S、Mn、 Cr、W、Mo、V 阻碍石墨化过程。 wc，有利于石墨的形核； wSi ，共晶温度，共晶点成分，也有利于石墨的 析出 2

16、冷却速度冷却速度愈低，愈有利于石墨化过程。 铸铁的冷却速度取决于铸件壁厚，铸件越厚，冷却速铸铁的冷却速度取决于铸件壁厚，铸件越厚，冷却速 度越小。度越小。 二、石墨与基体对铸铁性能的影响 石墨十分松软而脆弱，抗拉强度在20MPa以下，伸长率 趋近于零。因此，石墨就像基体组织中的孔洞和裂缝 ，可以把铸铁看成是含有大量孔洞和裂缝的钢。 石墨的数量、大小和分布对铸铁的性能有显著影响。 改善石墨形状是提高铸铁性能的一条最重要的途径。 铸铁基体中铁素体相越多， 铸铁塑性越好；基体中珠光 体数量越多，则铸铁的抗拉 强度和硬度越高（见右图） 。 只有当石墨为团絮状、蠕虫状或球状时，改变基体组 织才能显示出其对性能的影响。 强化铸铁时，一方面要改变石墨的数量大小、形态和 分布，尽量减少石墨的有害作用；另一方面又可通过 合金化、热处理或表面处理方法调整基体组织，提高 基体性能，以改变铸铁的强韧性。