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1、工程材料及其热处理钢,1,第四章 工业用钢与铸铁,工程材料及其热处理钢,2,教学基本要求,1.熟练掌握工业用钢的分类与编号表示方法； 2.熟悉钢铁中合金元素的含量与作用与相应组织。 3.了解铸铁的石墨化过程特点与影响； 4.熟悉铸铁的分类、牌号、性能特点并基本会选。 5.了解工程材料新发展简介,工程材料及其热处理钢,3,1 概 述,一、钢：以铁为主元素,含C2以下,并含有其它元素的材料。可形变加工的铁碳合金。 1.工业用钢(按成分)包括非合金钢、低合金钢、合金钢三类。(必须掌握的内容-考试啊!) 按碳质量分数高低划分: 低碳钢(c0.60)等均属于非合金钢。,工程材料及其热处理钢,4,低合金钢
2、是在非合金钢的基础上加入少量合金元素的钢。 按质量分 是按钢中主要质量等级分,分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢、特殊优质钢,其中的磷和硫质量分数如表4-1所示。 按钢的主要性能及使用特性分 分为工程结构用钢、机械结构用钢、工具钢轴承钢、特殊物理性能钢及其他用钢等。,工程材料及其热处理钢,6,3.钢铁及合金统一数字代号体系 GB/T17616-1998对钢铁及合金产品牌号规定了统一数字代号，与现行的GB/T221-2000钢铁产品牌号表示方法等同时并用。 统一数字代号有利于现代化数据处理设备进行存储和检索，便于生产和使用。 统一数字代号由固定的6位符号组成，左边第1位用大写拉丁字母作前缀(“I
3、”和“0”除外),后接5位阿拉伯数字。,工程材料及其热处理钢,7,每个统一数字只适用于一个产品牌号。 例如：U20202，表示20(非合金钢)优质碳结钢钢；A73402表示合金调质钢中的40MnVB。 非合金钢，(俗说：碳素结构钢)简称：碳钢 由于价格低廉、易于获取，通过碳含量的控制和热处理可使其性能得到改善，能满足生产的基本需求，因而应用广泛。 二、常存元素对碳钢性能的影响(了解),工程材料及其热处理钢,8,1.碳(C )作用 碳对碳钢的组织和性能影响很大。如图示 总趋势是：状态图中自左向右，含碳量增加， Fe3C增加，硬度直线上升，塑韧性急速下降，强度先升后降。 2.锰 (Mn)作用 脱氧
4、，FeO还原Fe；与S作用MnS降低热脆性；提高强度、硬度。属有益元素。 3.硅 ( Si)作用,工程材料及其热处理钢,9,与钢液中FeO生成炉渣,提高钢质量；溶于F中,固溶强化,有益元素。 4.硫 S 作用： 形成FeS(熔点1190）,在晶界 处,在1100 1200 时,压力加工,产生脆裂。“热脆”,有害元素。 5.磷P 作用： 全部溶于F中，固溶强化；Rm、HBW,在低温下引起脆断“冷脆”,有害元素。,工程材料及其热处理钢,10,三、合金元素在钢中的作用 钢是以Fe为基的Fe-C合金,加入的合金元素与Fe和C之间以及合金元素之间的相互作用是合金结构和组织变化的基础。 并且直接影响着钢中
5、的组织和相变过程,达到改变钢的性能的目的。 1.合金元素对钢中基本相的影响 强化铁素体,工程材料及其热处理钢,11,大部分合金元素加入钢中都能或多或少地溶入F而形成合金F,由于溶入元素的原子直径与铁的原子直径有差别,引起F的晶格畸变,使塑性变形抗力增加,形成固溶强化,使强度、硬度升高,但塑性和韧性有所下降。 而其中Cr2%、 Ni5%、 Mn1.5%时,在强化F的同时,仍能提高韧性。 常见合元对铁素体硬度和冲击韧度的影响.,工程材料及其热处理钢,12,形成合金碳化物 据合金元素与碳亲和的能力,由强到弱顺序是： 钛、钒、铌、钨、钼、铬、锰和铁,可将合金元素分成： 1.弱碳化物形成元素 如锰、铁,
6、如(Fe,Mn)3C等类稳定性较差的合金渗碳体或渗碳体。 中强碳化物形成元素,工程材料及其热处理钢,13,如铬、钼、钨等含量较低(0.5%3%)时,有部分合金元素溶入渗碳体,置换其中的铁原子而形成合金Fe3C ,如(Fe，Cr)3C、(Fe，W)3C等。 合金渗碳体较渗碳体更稳定，硬度也较高，是一般低合金钢中碳化物的主要存在形式。 强碳化物形成元素 如钛、钒、铌及钨、钼含量大于5%时)主要与碳形成特殊碳化物，如TiC、VC、NbC、W2C、M02C等。,工程材料及其热处理钢,14,特殊碳化物与合金Fe3C的晶格结构不同,属于具有复杂晶格的间隙化合物,具有更高的熔点、硬度和耐磨性,也更为稳定。
7、尤其是在钢中弥散分布时,能显著提高钢的强度、硬度和耐磨性.而不明显降低其韧性,这对提高工模具的使用性能极为有利,但在加工工艺中必须采用较大的锻造比和适当的热处理工艺配合才能更好的发挥钢材潜力。,工程材料及其热处理钢,15,2.合金元素对Fe-Fe3C相图的影响 1)改变A区的范围 扩大A区的元素 添加镍、锰、钴、铜等元素会扩大A(相)区,使GS线向左下方移动,共析转变温度与共析成分向低温、低碳方向移动。 若钢中含有大量这类元素,会使相图中相区域扩展到室温以下,室温可形成单相A组织,称为A钢,如Mn13耐磨钢、12Cr18Ni9钢等均属于A钢。,工程材料及其热处理钢,16,缩小奥氏体区的元素 添
8、加铬、钨、钼、钒、钛、铝、硅等元素缩小奥氏体(相)区,使GS线向左上方移动,共析转变温度与共析成分向高温、低碳方向移动。 若钢中加入大量这类元素,可能使相区完全消失,室温形成稳定的单相F组织,此称为F钢。 如工业用高硅变压器钢、含17%28%Cr的高铬不锈钢等都属于F钢。,工程材料及其热处理钢,17,图4-3为合金元素（Mn和Cr）对Fe-Fe3C相图的影响. 2)改变相图中E、S点的位置 合金元素加入钢中均使Fe-Fe3C相图中的S点、E点左移。 S点左移,表明合金钢中共析成分的碳质量分数减少,即C0.77%。 E点左移,则表明出现Ld的碳质量分数降低。 例如, c=0.4%的碳钢原属亚共析
9、钢,但加入质,工程材料及其热处理钢,18,量分数13%的铬元素后,则成为共析钢,如4Cr13不锈钢。 又如w=18%的高速钢,即使其c仅0.7%0.8%,铸态组织中就出现了合金Ld,也称称为Ld钢。 显然,合金元素使Fe-Fe3C相图的相变点发生改变,不再适用于合金钢。 因此,合金钢的热处理等工艺应根据多元铁基合金系相图分析。,工程材料及其热处理钢,19,3.合金元素对钢的热处理的影响 1)合金元素对钢加热转变的影响 合金钢的A化的基本过程与非合金钢一样,也有晶核形成,长大及碳化物溶解和均匀化等过程。 而这些过程基本上是由碳的扩散来控制。 除钴、镍外，大多数合金元素特别是强碳化物形成元素,如钛
10、、钒、钨、钼、铬等,因形成的碳化物稳定性高,难溶,可显著阻碍碳的扩散,减缓A的形成。,工程材料及其热处理钢,20,对含这些元素的合金钢,采用升高加热温度和延长保温时间,使合元溶入A,提高钢的淬透性。 非碳化物形成元素和弱碳化物形成元素,如铝、硅、锰等,则对A转变速度影响不大。 2)合金元素对钢冷却转变的影响 合金元素对过冷A分解的影响 合金元素(除钴外)溶入A后,使铁、碳原子扩散困难,过冷A稳定性增加,C曲线右移，其形状与非,工程材料及其热处理钢,21,合金钢相似(图4-4a),降低了钢的临界冷却速度,增大了钢的淬透性,减少了钢的淬火变形与开裂。 而铬、钼、钨等强碳化物形成元素溶入A,由于它们
11、对推迟P转变与B转变的作用不同,除使C曲线右移外,还使C曲线出现两个鼻尖(图4-4b),上部是P转变区,下部是B转变区,在两区之间的过冷A有较大的稳定性。 由于多种合金元素同时加入,使C曲线右移,增加了M临界冷却速度,使钢淬透性的得到提高,工程材料及其热处理钢,22,目前淬透性好的钢多采用“多元少量”的原则。 合金钢淬透性好,在生产中具有非常重要的意义,淬火时大多数可在油中冷却,减少工件变形与开裂倾向；特别是大截面工件,淬火后得到较大的淬硬深度,可提高其承载能力。 合金元素对M转变的影响 除钴、铝外,由于大多数合金元素都使M转变点Ms及Mf的温度下降。,工程材料及其热处理钢,23,Ms和Mf越
12、低,淬火后A量就越多,从而降低了钢淬火后的硬度。 淬火组织不稳定。合元中锰、铬、镍的影响尤其明显。 利用冷处理或多次回火减少A量,但这要根据零件性能要求而定。 图4-5表示不同合金元素对c=1.0%的钢淬火后A(残余奥氏体)量的影响。,工程材料及其热处理钢,24,3)合金元素对钢回火转变的影响 提高淬火钢的回火稳定性 回火稳定性是指淬火钢件在回火时,抵抗软化的能力,也称耐回火性。 合金元素溶入M后,使原子的扩散速度减慢,延缓了回火时的转变,要采用比非合金钢更高的回火温度才发生M分解、A分解及碳化物析出聚集长大,即提高了回火稳定性。,工程材料及其热处理钢,25,因此,在同一温度回火,合金钢的强度
13、、硬度比非合金钢高,其淬火残余应力消除的更彻底,塑性、韧性较高。 碳化物形成元素铬、钨、钼、钒、铌等对提高回火稳定性有较强的作用。而非碳化物形成元素硅亦可以明显减慢M的分解速度。 产生二次硬化现象 含有中强或强碳化物形成元素(如钨、钼、钛)的钢,在回火温度升高到500600时,其硬度,工程材料及其热处理钢,26,并不降低,反而升高,这种回火时硬度升高的现象称为二次硬化。 因为,上述合金含量较多的合金钢,在该温度内回火时,会从M中析出高度弥散分布在基体上的特殊碳化物,如W2C、Mo2C、VC等。 这些特殊碳化物阻碍位错运动,起到弥散强化作用,使钢的硬度反而升高现象,如图4-6所示。 二次硬化对高
14、温下工作的钢,尤其是高速切削工具及热加工模具等特别重视的性能。,工程材料及其热处理钢,27,2 工程结构钢,一、概述 工程结构用钢指用于桥梁、车辆、压力容器、船舶、建筑、电站和国防等工程结构的钢,包括用于工程结构的非合金钢、低合金钢和合金钢。 这类钢在使用前,多数要进行焊接、变形加工等,所以大多数工程结构用钢的碳含量较低(c 0.25%),多以正火或热轧后钢带,钢板,钢管,型钢等型材提供给用户。,工程材料及其热处理钢,28,只有少数工程用的合金钢经过其他热处理后使用! 二、碳素结构钢(非合金结构钢) 牌号由代表屈服点的字母Q、 屈服点数值、 质量等级符号、 脱氧方法四部分组成。 其中质量等级分
15、别用A、B、C、D表示。 A的S、P量高,D的S、P量最低,且质量最好。 如：Q235-A . F Q-“屈”字汉语拼音字首，读“屈”。,工程材料及其热处理钢,29,235-Rm(b)235MPa A-质量等级 A级 F-脱氧方法，指“沸腾钢”,一般不标。 牌号:Q195、Q215、Q235、Q255、Q275五类. 用途:用于制作螺钉、螺栓、螺母、角钢、垫圈、焊接钢管等,详见参考书P63表44。 2.优质碳素结构钢 S、P含量较低，用于重要零件,工程材料及其热处理钢,30,三、低合金高强度结构钢和合金结构钢 1.低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是一种低碳、低合金含量的结构钢.又称为普低钢。 其c0.2%,合金元素的含量3%。 相比相同含碳量的碳素结构钢的强度提高了20%30%以上,节约钢材20%30%以上,相同载荷可使构件自重轻、强度高又可靠。,工程材料及其热处理钢,31,主要用于建筑结构、桥梁、船舶、车辆、铁道、高压容器、石油天然气管线等工程结构件。 例如,主跨度128m的武汉长江大桥建造时采用的钢材是Q235(A3)钢； 主跨度160m的南京长江大桥建造时应用的Q345(16Mn)钢； 主跨度216m的九江长江大桥建造时选用的Q420(15MnVN)钢。,工程材料及其热处理钢,32,性能特点 屈服强度、塑性和韧性较高。 冷成形
