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1、第六章第六章 常用金属材料常用金属材料 第一节 工业用钢 l工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类 l碳素钢是指含碳量低 于2 11 的铁碳合金 l合金钢是指为了提高钢 的性能 在碳钢基础上 有意加入一定量合金元 素所获得的铁基合金 钢的分类及编号 一 钢的分类 中碳钢 0 25 0 6 C 高碳钢 0 6 C 低碳钢 0 25 C 低合金钢 合金元素总量WMe 5 中合金钢 合金元素总量WMe 5 10 高合金钢 合金元素总量WMe 10 碳素钢 合金钢 1 按化学成分分 钢 类 碳 素 钢合 金 钢 PSPS 普通质量钢 0 045 0 045 0 045 0 045 优质钢 0 03
2、5 0 035 0 035 0 035 高级优质钢 0 030 0 030 0 025 0 025 特级优质钢 0 025 0 020 0 025 0 015 n2 按冶金质量分 n钢的质量是以磷 硫的含量来划分的 n分为普通质量钢 优质钢 高级优质钢和特级优质钢 n根据现行标准 各质量等级钢的磷 硫含量如下 3 按冶炼方法分 转炉炼钢 平炉炼钢 平炉钢 转炉钢 电炉钢 按 炉 别 分 沸腾钢 脱氧不充分 浇注时C与O反应发 镇静钢 脱氧充分 组织致密 成材率低 半镇静钢 介于前两者之间 生沸腾 这种钢成材率高 但不致密 按脱氧程度分 特殊镇静钢 4 按金相组织分 珠光体钢 贝氏体钢 马氏体钢
3、 铁素体钢 奥氏体钢 莱氏体钢 按正火组织分 亚共析钢 共析钢 过共析钢 按退火组织分 电弧炉炼钢 5 按用途分 工程用钢 建筑 桥梁 船舶 车辆 渗 碳 钢 调 质 钢 弹 簧 钢 滚动轴承钢 耐 磨 钢 机器用钢 结 构 钢 刃具钢 模具钢 量具钢 工 具 钢 不锈钢 耐热钢 特 殊 性能钢 挤压模具 n 强化铁素体 提高钢的强度和硬度 l钢中的常存元素一般是指Mn Si P S 是由原料 带入或脱氧残留的元素 n 消除硫的有害作用 n 具有一定的脱氧能力 降低钢的脆性 n1 Mn是有益元素 其作用是 一 杂质元素对钢性能的影响 n 强化铁素体 l2 Si 0 4 时是有益 元素 作用为
4、合金晶界的低熔点硫化物共晶 n 增加钢液流动性 n3 S 是有害元素 n常以FeS形式存在 易与Fe在晶界上形成低熔点 共晶 985 热加工时 1150 1200 由于 其熔化而导致开裂 称热脆性 n钢中的硫应控制在0 045 以下 nMn可消除硫的有害作用 钢中的MnS夹杂 比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生 冷脆性于1938年冬发生断裂坠入河中 nFeS Mn Fe MnS nMnS熔点高 1620 n4 P 也是有害元素 n能全部溶入铁素体中 使 钢在常温下硬度提高 塑 性 韧性急剧下降 称冷 脆性 nP一般控制在0 045 以下 n5 气体元素 钢中TiN夹杂 钢中氧化物夹杂 n N 室
5、温下N在铁素体中溶解 度很低 钢中过饱和N在常温放 置过程中以FeN Fe4N形式析出 使钢变脆 称时效脆化 n加Ti V Al等元素可使N固定 消除时效倾向 n O 氧在钢中以氧化物的形 式存在 其与基体结合力弱 不易变形 易成为疲劳裂纹源 n H 常温下氢在钢中的溶解度也很低 当氢在钢 中以原子态溶解时 降低韧性 引起氢脆 钢中白点钢中白点钢的氢脆断口 钢的氢脆断口 n当氢在缺陷处以分子态析出时 会产生很高内压 形成微裂纹 其内壁为白色 称白点或发裂 焦 炭 铁 矿 石 石灰石 高 炉 炼 铁 炼 钢 生 铁 炼 钢 铸 钢 锭 铸造生铁 铸造 轧制 各种型材锻件 锻造 铸钢 冷冲压 热处
6、理 切削 加工 机 械 产 品 锻造 冶炼厂 机械厂 钢铁生产加工过程概略图 二 碳素钢的牌号和用途 1 1 普通 普通碳素结构钢 螺纹钢螺纹钢 圆钢圆钢 用 符号 数字 表示 例 Q 2 3 5 屈服强度 汉语拼音 字头 表示该钢的屈服强 度值不小于235MPa n普通碳素结构钢 化学成分特点 低碳 147J cm2 无磁性 使用 表层 加工硬化 心部 高塑韧性 铁路道岔 挖掘机 坦克的履带 防弹板 保险箱等 吸料 器的电磁铁罩 按用途分为 刃具钢 模具钢 量具钢 模具 刃具刃具 量具量具 三 合金工具钢 三 合金工具钢 n牌号 合金元素及含量 千分之几的含碳量 9 Si Cr W18 Cr
7、4 V 1 合金刃具钢 刃具钢是制造各种车刀 铣刀 钻头等切削工具的金 属材料 刃具钢的性能要求 高的硬度和耐磨性 HRC 60 高的热硬性 红硬性 热硬性 刃具在高温下保持高硬度的能力 足够的塑性和韧性 刃具钢的成分特点 高碳 以保证高的硬度 并形成足够多的碳化物以提 高耐磨性 合金元素 提高淬透性的元素Cr Ni Mn Si等 提高热硬性的元素W Mo V Co等 l低合金工具钢 化学成分特点 高碳 0 75 1 5 合金元素 Cr Mn Si W V等 高的含碳量保证高硬度及形成足够的碳化物 提高耐磨性和热硬性 典型钢号 9SiCr CrWMn l低合金工具钢 化学成分特点 高碳 0 7
8、5 1 5 合金元素 Cr Mn Si W V等 高的含碳量保证高硬度及形成足够的碳化物 提高耐磨性和热硬性 典型钢号 9SiCr CrWMn l低合金工具钢 热处理特点 预备热处理 球化退火 最终热处理 淬火 830 860 C 低温回火 180 200 C 组织和性能 组织 M回 k A 硬度 HRC61 63 应用 丝锥 板牙 钻头 铰刀等 刃具 丝锥 刃具 板牙 刃具 铰刀 l高速钢 化学成分特点 高碳 0 70 1 6 合金元素 W Mo Cr V Co等 高的含碳量保证形成足够的碳化物 提高热硬性 典型钢号 W18Cr4V l高速钢 热处理特点 锻造 等温退火 淬火 1280 C
9、回火 560 C 3次 组织和性能 组织 M回 k A 硬度 HRC62 应用 高速车刀 拉刀 钻头等 使大块的碳化物破碎 等同于球化退火 消除A 产生二次硬化 刃具 拉刀 W18Cr4V钢的铸态组织 组织中含有大量 鱼骨 状碳化物 W18Cr4V钢的退火组织 碳化物基本上呈颗粒状 W18Cr4V钢的淬火组织 M k A W18Cr4V钢的回火组织 M回 k A 少量 2 模具钢 模具钢是制造各种冲模 挤压模 锤锻模等模 具的金属材料 根据模具的工作条件 模具钢分为冷作模具钢 和热作模具钢两类 2 合金模具钢 模具钢的性能要求 冷作模具钢 高的硬度和耐磨性 HRC58 60 高的强度和足够的韧
10、性 良好的工艺性能 热处理变形小 淬透性高 热作模具钢 良好的综合力学性能 高的高温强度 良好的韧性 良好的抗热疲劳性能和热磨损性能 良好的抗氧化和耐腐蚀性能 模具钢的成分特点 冷作模具钢 高碳 以保证高的硬度 并形成足够多的碳化物以提高 耐磨性 合金元素 Cr Mo V W等 提高淬透性 细化晶粒 热作模具钢 中碳 以保证良好的综合力学性能 合金元素 Cr Ni Mn W Mo V等 Cr Ni Mn Mo提高淬透性 Cr Mo提高回火抗力 Cr W Mo缩小 区 提高A1温度 提高抗冷热疲劳性能 l冷作模具钢 化学成分特点 高碳 1 4 2 3 合金元素 Cr Mo V W等 高的含碳量保
11、证形成足够的碳化物 提高硬度 及耐磨性 典型钢号 碳素工具钢 低合金工具钢 高碳高铬的Cr12 型模具钢 Cr12MoV Cr12型模具钢 l冷作模具钢 热处理特点 预备热处理 球化退火 850 870 C 最终热处理 淬火 980 1030 C 低温回火 160 180 C 组织和性能 组织 M回 k A 硬度 HRC61 63 应用 冷冲模 冷挤压模 拉丝模等 汽车冲压模具 汽车外板冷冲模 模具 拉丝模 l热作模具钢 化学成分特点 中碳 0 5 0 6 合金元素 Cr Ni Mn W Mo V等 典型钢号 热锻模 5CrMnMo 热处理 完全退火 淬火 820 850 C 中温回火或高温回
12、火 组织 T回或S回 热挤压模或压铸模 3Cr2W8V 热处理 球化退火 淬火 1050 1150 C 回火 550 C 2 3次 组织 M回 k A 硬度 HRC49 55 应用 热锻模 热挤压模 压铸模等 汽车四缸压铸模 3 合金量具钢 量具钢是制造计量工件尺寸的工具的金属材料 量具钢的性能要求 保持尺寸精度 或尺寸稳定性 是量具最基本的性能要求 高的硬度和耐磨性 58 64HRC 高的组织稳定性 尽量减少残余奥氏体量 良好的耐腐蚀性 量具钢的成分特点 高碳 以保证高的硬度 并形成足够多的碳化物以提 高耐磨性 合金元素 Cr Mn W等 提高淬透性 耐磨性 l量具钢 化学成分特点 高碳 0
13、 9 1 5 合金元素 Cr Mn W等 高的含碳量保证形成足够的合金碳化物提高硬度 及耐磨性 典型钢号 低合金工具钢 CrWMn GCr15 碳素工具钢 T10 T12 l量具钢 热处理特点 球化退火 淬火 冷处理 长时间低温回火 人 工时效 组织和性能 组织 M回 k A 少量 硬度 HRC58 64 应用 游标卡尺 千分尺 直尺 塞尺 块规等 淬火后继续冷至 70 80 C 减少A 提高钢的组织稳定性 低温回火后在120 130 C长时间保温 进一步稳定尺寸 图 CrWMn钢制量具的热处理工艺 球化退火 淬火 冷处理 长时间低温回火 人工时效 量具 千分尺 量具 塞尺 量具 块规 一 不
14、锈钢 不锈钢是能抵抗大气或酸等化学介质 腐蚀的钢种 不锈钢又称不锈耐酸钢 金属腐蚀的形式 化学腐蚀 是金属与介质直接发生化学作用的 结果 如氧化 电化学腐蚀 是金属在电解质中由于形成原电池 而引起的腐蚀 电化学腐蚀是金属腐蚀的主要形式 四 特殊钢 化工管 道的腐 蚀 裂解管内 壁的高温 腐蚀减薄 Fe Cu原电池原理图 H2SO4水溶液 FeCu H2 e Fe2 合金中的原电池 在合金中 由于组成合金的相 不同 而不同相的电极电位有高有 低 因此就会形成无数个原电池 例如 钢中的珠光体 由F和Fe3C组 成 F的电极电位低 为阳极 Fe3C的电极电位高 为阴极 如果 钢的表面覆盖了酸性介质
15、如酸雨 则作为阳极的F 钢的基体 就会被腐蚀掉 从而造成钢的腐蚀 防止金属电化学腐蚀的措施 l 室温下获得单相组织 例如 加入 24 Ni 室温下可获得单相奥氏体组织 l 提高金属基体的电极电位 例如 加入 13 Cr Fe的电极电位从 0 56V跃增至0 2V l 金属表面形成钝化膜 例如 加入Cr Al Si可在金属的表面形成致密的氧化膜 将金属与介质分隔开 l铁素体不锈钢 化学成分特点 高铬低碳 碳含量 0 15 铬含量 12 30 典型钢号 Cr17型 1Cr17 随Cr 的增加 基体电极电位提高 并在室温获 得单相F l铁素体不锈钢 热处理特点及组织 铁素体不锈钢在加热 冷却时不发生
16、组织转变 组织始终为F 因此不能通过热处理进行强化 铁素体不锈钢可采用冷塑性变形 通过加工硬化 提高强度 应用 硝酸 氮肥 磷酸工业中的耐蚀零件 合成氨厂合成氨厂 硝酸生产装置 铁素体不 锈钢制品 n广泛用于硝酸和氮肥工 业的耐蚀件 1Cr17削片刀 铁素体不锈钢水加热器铁素体不锈钢水加热器 l马氏体不锈钢 化学成分特点 碳含量 0 1 0 45 铬含量 12 14 典型钢号 Cr13型 1Cr13 2Cr13 3Cr13 4Cr13 随C 的增加 强度 硬度增大 但耐腐蚀性降 低 l马氏体不锈钢 热处理特点及组织 预备热处理 完全退火或高温回火 最终热处理 淬火 1000 1100 C 回火 对1Cr13 2Cr13 高温回火 600 700 C 组织 S回 对3Cr13 4Cr13 低温回火 200 300 C 组织 M回 应用 1Cr13 2Cr13 汽轮机叶片 水压机阀等 3Cr13 4Cr13 医用手术刀 耐蚀弹簧等 n1Cr13 2Cr13 用于要求塑韧性 较高的耐蚀件 如汽轮机叶片等 汽轮机叶片 透平转轮 n 3Cr13 4Cr13 医疗器械 不锈钢刀 n用于要求耐蚀 耐
