工程材料与加工 教学课件 ppt 作者 李龙根 第三章　钢铁材料及应用

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1、第三章 钢铁材料及应用,第一节 碳 素 钢 第二节 合 金 钢 第三节 铸 铁,第一节 碳 素 钢,一、常存杂质元素对碳钢性能的影响 碳钢中除主要成分铁、碳外，在冶炼过程中还不可避免地带入一些其他元素，这些元素对钢的性能及质量有很大影响。 1.硅(Si)、锰(Mn)元素的影响 2.硫(S)、磷(P)元素的影响 二、常用碳钢的分类 碳钢的分类方法很多，常用的分类方法有以下几种： (一)按钢中碳的质量分数分类 (1)低碳钢 wC0.25。 (2)中碳钢 0.25 wC0.6。 (3)高碳钢 wC0.6。 (二)按钢的冶金性质分类,第一节 碳 素 钢,(三)按用途分类 (1)碳素结构钢 主要用于制造

2、各种工程构件(如桥梁、船舶、建筑构件等)和机器零件(如齿轮、轴、螺钉、螺栓、连杆等)。 (2)碳素工具钢 主要用于制造各种刃具、量具、模具等。 三、碳钢的牌号、性能及用途 1.碳素结构钢,第一节 碳 素 钢,表3-1 碳素结构钢的牌号、主要成分、力学性能及用途,2.优质碳素结构钢 3.碳素工具钢,第一节 碳 素 钢,表3-2 常用优质碳素结构钢的牌号、主要成分、力学性能及用途,第一节 碳 素 钢,表3-3 碳素工具钢的牌号、主要成分、性能及用途,4.铸造碳钢,第一节 碳 素 钢,表3-4 铸造碳钢的牌号、主要成分、性能及用途,第二节 合 金 钢,一、概述 碳钢的价格低廉，容易加工；碳钢通过碳量

3、的增减和不同的热处理，它的性能可以得到改善，能满足很多生产上的要求。但是由于碳钢还存在着以下几个主要缺点，使它的应用受到一定限制。 (1)碳钢的淬透性低 碳钢制成的零件尺寸不能太大，否则淬不透，出现内外性能不均匀。 (2)回火抗力差 碳钢淬火后，只有经低温回火才能保持高硬度，若其回火温度超过200，其硬度就显著下降。 (3)碳钢不能满足一些特殊性能的要求 如耐热性、耐蚀性、耐低温性(低温下高韧性)。 (一)合金钢的分类 1.按用途分类,第二节 合 金 钢,(1)合金结构钢 用于制造各种机械零件和工程结构的钢。 (2)合金工具钢 用于制造各种工具的钢，包括合金刃具钢、合金模具钢和合金量具钢等。

4、(3)特殊性能钢 有某种特殊物理或化学性能的钢，主要包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。 2.按合金元素总量分类 (1)低合金钢 合金元素总含量小于5(质量分数)。 (2)中合金钢 合金元素总含量介于510(质量分数)之间。 (3)高合金钢 合金元素总含量大于10(质量分数)。 3.按正火后组织分类 (二)合金钢的编号 1.合金结构钢,第二节 合 金 钢,2.合金工具钢 3.特殊性能钢 4.滚动轴承钢 二、合金元素在钢中的作用 合金元素在钢中可以两种形式存在：一是溶解于碳钢原有的相中，另一种是形成某些碳钢中所没有的新相。在一般的合金化理论中，按与碳亲合力的大小，可将合金元素分为碳化物形成元素与非碳化

5、物形成元素两大类。常用的合金元素有以下几种： (一)合金元素对钢中基本相的影响 (二)合金元素对铁碳相图的影响 1.扩大奥氏体区的元素,第二节 合 金 钢,图3-1 锰、铬对奥氏体区的影响,2.缩小奥氏体区的元素,第二节 合 金 钢,(三)合金元素对钢的热处理的影响 1.合金元素对加热转变的影响 (1)大多数合金元素( 除镍、钴以外)都减缓钢的奥氏体化过程。 (2)几乎所有的合金元素(除锰以外)都能阻止奥氏体晶粒的长大，细化晶粒。 2.合金元素对冷却转变的影响 (1)大多数合金元素(除钴以外)，都能提高过冷奥氏体的稳定性，使奥氏体等温转变图位置右移，临界冷却速度减小，从而提高钢的淬透性。,第二

6、节 合 金 钢,图3-2 合金元素对奥氏体等温转变图的影响,(2)除钴、铝外，多数合金元素溶入奥氏体后，使马氏体转变温度Ms和Mf点下降，钢的Ms点越低，Ms点至室温的温度间隔就越小，在相同冷却条件下转变成马氏体的量越少。,第二节 合 金 钢,3.合金元素对淬火钢回火转变的影响 (1)对淬火钢回火稳定性的影响。 (2)一些碳化物形成元素如铬、钨、钼、钒等，在回火过程中有二次硬化作用。 (3)含铬、镍、锰、硅等元素的合金结构钢，在450600范围内长期保温或回火后缓冷均出现高温回火脆性。 (四)合金元素对钢的机械和工艺性能的影响 1.合金元素对强度的影响 (1)固溶强化 溶质原子由于与基体原子的

7、大小不同，因而使基体晶格发生畸变，造成一个弹性应力场。 (2)细晶强化 晶界或其他界面可以有效地阻止位错通过，因而可以使金属强化。,第二节 合 金 钢,(3)弥散强化 合金元素加入到金属中，在一定的条件下会析出第二相粒子。 2.合金元素对塑性和韧性的影响 3.合金元素对钢的工艺性能的影响 (1)合金元素对铸造性能的影响 铸造性能主要与钢的固相线与液相线温度的高低和它们之间的温度差(结晶区间)有关。 (2)合金元素对锻造性能的影响 由于合金元素的影响，许多合金钢，特别是含有大量碳化物的合金钢与普通碳钢相比，高温强度很高，热塑性明显下降，锻造时容易锻裂。 (3)合金元素对焊接性能的影响 在钢的焊接

8、性能中，最重要的是钢的焊后开裂的敏感性和焊接区的硬度。,第二节 合 金 钢,(4)合金元素对切削性能的影响 由于许多合金钢含有大量硬而脆的碳化物，所以其切削加工性能比普通碳钢差。 三、合金结构钢 合金结构钢是在碳素结构钢的基础上，适当地加入一种或几种合金元素而获得的钢。它用于制造重要的工程结构和机械零件，是用途最广、用量最大的一类合金钢。 (一)低合金结构钢,表3-5 常用低合金结构钢的牌号、性能及用途,第二节 合 金 钢,表3-5 常用低合金结构钢的牌号、性能及用途,(二)合金渗碳钢,第二节 合 金 钢,图3-3 活塞销(20Cr),(三)合金调质钢(表3-7),第二节 合 金 钢,表3-6

9、 常用合金渗碳钢的牌号、热处理、性能及用途,第二节 合 金 钢,表3-7 常用合金调质钢的牌号、热处理、性能及用途,第二节 合 金 钢,表3-7 常用合金调质钢的牌号、热处理、性能及用途,(四)合金弹簧钢(表3-8),第二节 合 金 钢,表3-8 常用合金弹簧钢的牌号、热处理、性能及用途,(1)热成形弹簧 当弹簧丝直径或钢板厚度大于1015mm时，一般采用热成形。 (2)冷成形弹簧 对于直径小于810mm的弹簧，一般采用冷拔钢丝冷卷而成。 (五)滚动轴承钢,第二节 合 金 钢,图3-4 滚动轴承钢制成的滚动轴承,第二节 合 金 钢,表3-9 常用滚动轴承钢的牌号、热处理及用途,表3-9 常用滚

10、动轴承钢的牌号、热处理及用途,四、合金工具钢,第二节 合 金 钢,碳素工具钢价格便宜，但其热硬性差(刀具切削部分的温度高于200时，硬度、耐磨性会显著降低)，淬透性低，且容易变形和开裂。尺寸大、精度高，形状复杂及工作温度较高的工具、模具都采用合金工具钢制造。按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢三大类。各类钢的实际使用范围并非绝对，可以交叉使用。如某些低合金刃具钢也可用于制造冷冲模或量具。 (一)合金刃具钢,图3-5 合金刃具钢制成的各种工具,第二节 合 金 钢,1.低合金刃具钢 2.高速钢 (1)高速钢的成分特点 高速钢的含碳量较高，wC在0.751.60的范围内，并含有大量的碳化物形成元素钨、钼

11、、铬、钒等。 (2)高速钢的锻造 高速钢铸态组织中含有大量的鱼骨状碳化物，分布很不均匀，显著降低了钢的力学性能，特别是韧性。 (3)高速钢的热处理 高速钢的热处理包括退火、淬火和回火，其特点是退火温度低，淬火温度高，回火温度高且次数多。 退火。为了消除坯料在锻造时产生的内应力，降低硬度，细化晶粒，为切削加工和淬火作准备，高速钢在锻后必须及时进行球化退火。退火温度为Ac1+3050，退火后的组织为索氏体和粒状合金碳化物，硬度为207255HBW。,第二节 合 金 钢, 淬火。高速钢只有在正确的淬火及回火后才能获得优良的性能。高速钢的淬火加热温度很高(12001300)，目的是为了使碳化物尽可能多

12、地溶入奥氏体，从而提高淬透性、回火稳定性和热硬性。由于高速钢的导热性较差，故淬火加热时必须进行一至二次预热。高速钢淬火后的组织是隐晶马氏体、粒状碳化物及25左右的残余奥氏体。 回火。高速钢淬火后应立即回火，一般在550570回火三次。在此温度范围内回火时，钨、钼、钒的碳化物从马氏体和残余奥氏体中析出，呈弥散分布，使钢的硬度明显上升。同时由于残余奥氏体转变成马氏体，也使硬度上升，从而形成二次硬化。高速钢回火后硬度可达6366HRC。,第二节 合 金 钢,(4)常用高速钢 高速钢的种类很多，应用最多的有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2和W9Mo3Cr4V三种。 (二)合金模具钢 1.冷作模具钢

13、 2.热作模具钢 (三)合金量具钢 五、特殊性能钢 特殊性能钢是指具有特殊物理、化学或力学性能的合金钢。其种类很多，在机械制造业中应用较多的有不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。 (一)不锈钢 1.马氏体不锈钢,第二节 合 金 钢,2.铁素体不锈钢 3.奥氏体不锈钢 (二)耐热钢 1.珠光体耐热钢 2.铁素体耐热钢 3.马氏体耐热钢 4.奥氏体耐热钢 (三)耐磨钢,第三节 铸 铁,一、铸铁的石墨化 (一)Fe-Fe3C和Fe-C双重相图,图3-6 Fe-FC和Fe-C双重相图,第三节 铸 铁,(二)铸铁的石墨化过程,表3-10 铸铁组织与石墨化进行程度之间的关系,(三)影响石墨化程度的主要因素 1.化学

14、成分的影响 2.温度及冷却速度的影响 二、常用铸铁,第三节 铸 铁,铸铁中的石墨形态、尺寸以及分布状况对性能影响很大。铸铁中石墨状况主要受铸铁的化学成分及工艺过程的影响。通常，铸铁中石墨形态（片状或球状）在铸造后即形成；也可将白口铸铁通过退火，让其中部分或全部的碳化物转化为团絮状形态的石墨。工业上使用的铸铁可分为普通灰铸铁、蠕墨铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和特殊性能铸铁等。 (一)灰铸铁 1.灰铸铁的化学成分和组织特征,图3-7 铁素体灰铸铁显微组织,第三节 铸 铁,2.灰铸铁的牌号、性能及用途,表3-11 灰铸铁的牌号、力学性能及用途,(1)力学性能低，其抗拉强度和塑性韧性都远远低于钢 这是由于

15、灰铸铁中片状石墨(相当于微裂纹)的存在，,第三节 铸 铁,不仅在其尖端处引起应力集中，而且破坏了基体的连续性，这是灰铸铁抗拉强度很差，塑性和韧性几乎为零的根本原因。 (2)耐磨性与减振性好 由于铸铁中石墨有利于润滑及贮油，所以耐磨性好。 (3)工艺性能好 由于灰铸铁含碳量高，接近于共晶成分，故熔点比较低，流动性良好，收缩率小，因此适宜于铸造结构复杂或薄壁铸件。 3.灰铸铁的孕育处理 (二)球墨铸铁,第三节 铸 铁,图3-8 球墨铸铁的显微组织 a)珠光体+铁素体基球墨铸铁 b)铁素体基球墨铸铁,1.球墨铸铁的化学成分和组织特征 2.球墨铸铁的牌号、性能特点及用途,第三节 铸 铁,表3-12 球

16、墨铸铁的牌号、力学性能及用途,(三)蠕墨铸铁 1.蠕墨铸铁的化学成分和组织特征 2.蠕墨铸铁的牌号、性能特点及用途,第三节 铸 铁,表3-13 蠕墨铸铁的牌号、力学性能及用途,(四)可锻铸铁 1.可锻铸铁的化学成分 2.可锻铸铁的牌号、性能特点及用途,第三节 铸 铁,表3-14 可锻铸铁的牌号、力学性能及用途,(五)特殊性能铸铁 1.耐磨铸铁 (1)耐磨灰铸铁 在灰铸铁中加入少量合金元素(如磷、钒、铬、钼、锑、稀土等)可以增加金属基体中珠光体数量，且使珠光体细化，同时也细化了石墨。,第三节 铸 铁,(2)中锰球墨铸铁 在稀土-镁球铁中加入wMn=5.0%9.5%，控制wSi=3.3%5.0%，其组织为马氏体+奥氏体+渗碳体+贝氏体+球状石墨，具有较高的冲击韧度和强度，适用于同时承受冲击和磨损条件下使用，可代替部分高锰钢和锻钢。 2.耐热铸铁 3.耐蚀铸铁 三、铸铁的热处理 除了可锻铸铁退火将渗碳体分解为团絮状石墨外，铸铁的热处理目的在于两方面：一是改变基体组织，改善铸铁性能，二是消除铸件应力。 (一)时效 (二