工程材料及热成型课件

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1、*1第五章第五章金属材料金属材料 主讲朱和国主讲朱和国南京理工大学材料系南京理工大学材料系*2本章学习内容及其重点1、了解本章金属材料的产生背景2、了解金属材料的分类3、了解碳钢中的杂质元素的种类及其作用4、掌握碳钢、合金钢的分类及其牌号5、了解合金化原理（较难）6、掌握合金结构钢的种类、特点及其用途7、了解其它金属材料的性能特点及其用途*3本章第一讲：学习内容及其重点 1、了解本章金属材料的产生背景 2、了解金属材料的分类 3、了解碳钢中的杂质元素的种类及其作用 4、掌握碳钢、合金钢的分类及其牌号 5、作业：二、三、四（1，12，17）*4一、金属材料背景性能结构理想纯金属的结构实际纯金属的

2、结构缺陷四种强化手段合金（典型代表是钢）研究手段是相图五种基本相图Fe-C平衡相图不改变成分时的强化即钢的热处理改变成分时的强化为合金化即合金钢钢及其它合金材料统称为金属材料*5二、金属材料的分类金属材料黑色金属有色金属钢合金钢铸铁合金铸铁分类方法有很多，可见教科书或参考书*6三、碳钢中的杂质元素及其作用1）炼铁还原法原料（矿石） 焦炭（还原剂 ） 溶剂（石灰石 ）高炉 生铁高碳高杂质Mn Si S P N H O*72）炼钢氧化法生铁脱氧剂（Si铁、Mn铁）炼钢炉降碳（吹氧） 、去氧、去杂质钢钢中的杂质元素:Mn、Si、S、P、O、N、H*8四、杂质元素的作用：1）Mn：脱氧剂:Mn+FeO

3、 Fe+MnO溶于铁素体:强化F脱硫剂:Mn +SMnS(Tm=1620)2）Si：脱氧剂:Si+FeO Fe+SiO2溶于铁素体 ：强化F 有益有益*93）S ：S+FeFeS 共晶体（FeS+Fe）熔点985 热加工时开裂热脆焊接时：S+O2 SO2焊缝产生气孔4）P：P+Fe Fe3P，偏析于晶 界，低温下脆性增加冷脆有害有害5）N：应变时效脆性；淬火时效大塑性冷变形金属放置或加热后FeN析 出，脆性有害*10当钢中含有亲N元素Al、V、Ti、Nb时氮化物细化晶粒，提高韧性有益6、H：H脆呈白点，强度愈高，H脆倾向愈大7、O：部分溶于F，大部分以氧化物形式存在 ，降低钢的强度、塑性、韧性

4、和疲劳强度。有害注意：P，S在易切钢中是有益的元素； N在一定条件下也是有益的元素*11钢液在浇铸前，根据脱氧程度的不同，钢液呈现出不同的状态，由此分为以下几种：沸腾钢去氧不干净F镇静钢去氧干净Z半镇静钢去氧介于两者之间-bZ特殊镇静钢TZ脱氧剂：Si铁、Mn铁、Al铁等*12五、碳钢的牌号碳钢碳素结构钢碳素工具钢铸钢普通碳素结构钢优质碳素结构钢ZG s bT T C千分之,T-碳Q 含碳万分之，公差为5F A Z B bZ C TZ DEs*13碳钢钢号举例普通碳素结构钢：Q215-A, Q235-Bb,优质碳素结构钢：20, 45, 60, 65,70碳素工具钢：T8,T10,T12,T8

5、A,T12A,铸钢：ZG200-400,ZG270-500*14碳钢的不足：1）淬透性不高 普通碳钢：最大淬透直径1020mm2）屈强比低，40钢为0.43，而35CrNi3Mo为0.743）回稳性差4）综合性能差5）特殊性能差为此，需向碳钢中添加合金元素 改变成分合金钢*15本章第二讲：主要内容及要求1、复习碳钢的编号、存在的不足、合金元素的 种类等2、了解合金化原理（较难！）3、理解和掌握合金钢分类、编号4、了解合金结构钢的分类、编号、合金元素的 作用、用途等5、作业：二、三、四（1，12，17）*165.2合金化原理一、常用合金元素：碳化物形成元素Ti Zr V Nb W Mo Cr M

6、n Fe强 中 弱非碳化物形成元素Si、Co、Cu、Al、Ni、B*17二、合金元素在钢中的存在方式 强碳化物元素直接形成稳定碳化物，如 ： TiC、ZrC、VC、NbC中碳化物元素形成碳化物：Cr23C6、Mo2C、W2C合金渗碳体：(CrFe)3C合金铁素体弱碳化物元素非碳化物元素合金铁素体合金渗碳体 (MnFe)3C 合金铁素体*18三、合金元素在钢中的作用1、对基本相的影响Mn*192、对平衡相图的影响Mn Ni Co C N CuAES线左下移动E、S点左移1Cr18Ni9TiZMn130Cr18Ni9Ti形成合金铁素体影响见图形成合金渗碳体其稳定性和硬度高于渗碳体A钢*20Cr V

7、 Mo W Ti Al Si Nb Zr BF（A）ES线左上移E、S点左移1Cr17Ti1Cr280Cr13F钢*21合金元素对共析温 度的影响合金元素对共析成分的 影响*22E、S点左移的后果：W18Cr4V C:0.70.8% Ld4Cr13 C:0.4% P 共析3Cr2W8V C:0.3% 过共析了3）对热处理的影响（1）对加热（A化）的影响Ni、Co促进，其它阻碍 A化本质C原子的扩散*23（2）对A晶粒的影响Mn P 促进A晶粒长大，其它阻碍 晶粒长大本质Fe原子的扩散（3）对过冷A的影响Al Co A稳定性降低C曲线左移淬透性其它：强碳化物元素C曲线右移且变形中、弱、非碳化物元

8、素C曲线右移 *24C曲线右移淬透性残余A1Cr13 2Cr1318Cr2NiMo 18CrNi4W41Cr18Ni9Ti ZMn13-1无B区无P区无M区*25Ni元素对C=0.5%碳钢的TTT曲线的影响*26Cr元素Co元素*27合金元素对淬透性的影响*28（4）对回火的影响a)提高回火稳定性Me阻碍M分解b)提高红硬性 500600析出碳化物K弥散强化c)二次淬火A中的Me析出而Me含量降低，A的 稳定性下降，较低温度下分解为回火M或F+碳化 物d)回火脆性Mo W能消除高回脆 快速冷却也可注意：合金元素必须进入A形成合金A，才能形成 合金M，才能有碳化物从M中析出，才能起作用 。*29

9、*30合金钢的牌号合金钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢工程用 车、船、桥、建筑机器用渗碳C:10 mm大型弹簧，仅用于合金弹簧钢（碳钢淬透性）加热：淬火温度5080，热卷成形，同时淬火+中回冷卷成形：10%）-高速钢，高铬钢（ 一）低合金刀具钢 ）成分特点：高碳（C=0.751.5%）合金元素Cr、Si、W、MnCr提高淬透性，形成合金渗碳体(FeCr)3C，提高耐磨性Si提高淬透性，提高回稳性，与Cr同时加入，提高硬度W主要以W2C,WC存在，也可形成(FeW)3C,碳化物细化晶 粒，改善韧性。Mn提高淬透性。*47）热处理 球化退火淬火低回）组织：高碳回火马氏体碳化物残余奥氏体）性能：60

10、HRC）常用牌号：9SiCr,Cr, CrMn,CrWMn,9Mn2V）CrWMn刀具热处理工艺路线：时效处理油冷140160冷处理1101206508208401101207578低回 去应力精磨研磨*48(二)高速钢 ）成分特点：高碳Cr淬透性；W、Mo热硬性；V 细化晶粒，提高耐磨性。退火态W、Mo以M6C型存在，560回火时，溶入A中的W、 Mo形成W2C或Mo2C弥散分布，造成二次硬化。）热处理 淬火三次560 回火 ）组织：高碳回火马氏体碳化物残余奥氏体 ）性能：60HRC）常用牌号： W18Cr4V(C=0.70.8%)，9W18Cr4V, W6Mo5Cr4V2(C=0.80.9

11、%), W6Mo5Cr4V3(C=1.101.25%)*49）W18Cr4V高速钢热处理工艺路线：12701280油冷840870560，2h560，2h560，2h*50高速钢的三种类型：1）钨系：W18Cr4V（1841），脆性大，逐渐淘汰2）钨鉬系：W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)（C:0.80.9%） W6Mo5Cr4V3(6-5-4-3)（C:1.11.25%）脆性降低，韧性提高，但过热、脱碳倾向增大3）超硬系：W13Cr4V2Co8W6Mo5Cr4V2Al超硬，但脆性也最大。*512）模具钢（一）冷模合金工具钢 ）性能要求：高硬度、高强度、高的耐磨性、高的疲劳强度和韧性，；热

12、处理变形小。 ）成分特点：高C（ 1.0%2.0% ）；Cr、Mo、W、V形成难熔碳化物，提高耐磨性。 碳化物能极大提高钢的耐磨性，Cr提高淬透性。 ）常用钢号：9Mn2V,9SiCr,CrWMn,GCr15,Cr12,Cr12MoV W6Mo5Cr4V2(高速钢) 冷模钢热模钢*52）典型：Cr12:热处理有两种：一次硬化和两次硬化一次硬化法：淬火低回(150180)二次硬化法：淬火510520多次回火，产生二次硬化 组织：高碳回火马氏体碳化物残余A（二）热模钢 ）性能要求：高的硬度、高的热硬性和高温耐磨性、高的抗氧化性能、高的热强性和足够的韧性、高的热疲劳抗力、高的淬 透性和导热性。 ）成

13、分特点：中碳0.300.60%； Cr、Ni、Mn、Si提高淬透 性，Cr与Ni一起提高回火稳定性。Ni增加韧性和耐热疲劳性能 ；Mo防止第二类回火脆性，提高高温强度和回稳性 *53）常见钢号：5CrMnMo，5CrNiMo，5Cr2W8V，4Cr5W2VSi）热处理：淬火高回）组织：回火索氏体3）量具钢）性能要求：高硬度(大于56HRC)和耐磨性及高的尺寸稳 定性。良好的磨削加工性，使量具能达到小的表面粗糙度 。形状复杂的量具还要求淬火变形小。 ）常用钢种：量具没有专门的钢种，碳素工具钢、合金工 具钢和滚动轴承钢都可以制造量具。 *54）热处理特点：保证硬度的前提下，尽量降低淬火温度； 淬火

14、后进行7080冷处理，再低温回火处理；120 130时效处理；磨削后还要进行120130时效处理，甚至多次。 举例GCr15块规工艺路线:8801016010 140200-70-801201301201304h2h2h6h*55特殊性能钢分类不锈钢耐热钢耐磨钢一、不锈钢1、性能要求（1）良好的耐蚀性能（2）合适的力学性能（3）良好的工艺性能*562、成分特点：（1）C：低C（11.7%时，F电极电位从-0.56V +0.12V，低于该值提高不明显。Cr12、Cr12MoV含C量高，形 成C化物，使基体含Cr量11.7%，故它们不是不锈钢2）形成钝化膜Cr、Al、Si在表面形成氧化模，Cr最有

15、效，Mo、Cu可增强钝化 3）单相化 A化：Mn Ni Co 等 F化：Cr V Mo W Ti Nb等*573、常见类型1）马氏体型：低中碳Cr13型：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13高碳Cr18型：9Cr18、9Cr18MOV 可热处理强化、 价低，但耐蚀性、焊接性、塑性加工能力均低 2）铁素体型：C低，0Cr13 1Cr17 1Cr28 不可热处理强化，硬 度低、塑性好、焊接性好。使用状态：退火或正火态。热处理时（晶粒粗化脆性、相析出脆性475脆性） 3）奥氏体型：低C高Cr高Ni 0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti00Cr17Ni12Mo2、1Cr17Mn9等，强度