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1、预预 习习 内内 容容3.1 3.1 用途广泛的工程塑料用途广泛的工程塑料3.2 3.2 可以流动的晶体可以流动的晶体 液晶高分子材料液晶高分子材料 ( (参见教材参见教材P84P8496)96)本次课程内容本次课程内容l l2.1.52.1.5 微合金非调质钢（微合金非调质钢（P32P32 3535）l l2.62.6 阿波罗飞船登月所用天线阿波罗飞船登月所用天线与形状记与形状记忆合金材料（忆合金材料（P306P306 312312）l l1.61.6 “ “资料查询与新型材料综述资料查询与新型材料综述”写法写法指导（指导（P9P91515）柴油机连杆2.2.1.6 1.6 微合金非调质钢与
2、贝氏体钢微合金非调质钢与贝氏体钢l l1 1. .常用调质钢回顾常用调质钢回顾l l2.2.微合金非调质钢微合金非调质钢l l3.3.贝氏体钢贝氏体钢1 1. . 常用调质钢回顾常用调质钢回顾l 淬火成马氏体后在500650之间的温度范围内回火的调质处理用结构钢，称为调质钢。经调质处理后，钢的强度，塑性韧性具有良好的配合（即具有良好的综合力学性能）。调质钢在化学成分上是中碳（0.250.5%C）的碳钢、低合金钢和中合金钢，其对应组织为S回火。调质钢种有45，Cr系（40Cr、40CrSi），Cr-Mn系（40CrMn），Cr-Ni系（40CrNiMo），含硼钢（40MnB）等。回火索氏体回火索
3、氏体 轴套类零件轴套类零件调质件（螺杆）柴油机凸轮轴破碎机主轴 结构结构特点特点: :1.多数是由同轴的回转体组成；2.径向尺寸远远大于轴向尺寸；3.零件上常见结构：均匀分布的孔、轮辐，键槽、等结构。轮盘类零件高强螺栓柴油机连杆齿轮曲轴曲轴调质钢的力学性能要求调质钢的力学性能要求l在机器制造业中，调质钢常用来制造各种轴类零件、连杆、高强度螺栓等，受力状况较复杂。例如，轴类零件工作时，既传递转距又承受弯曲作用，承受的力是交变动负荷；有时还承受一定冲击载荷作用；轴颈部位还作相对运动，产生一定的摩擦磨损。其力学性能要求：力学性能要求：高的屈服点和疲劳强度，良好的冲击韧度和塑性，即具有具有良好的综合力
4、学性能。同时，还要考虑断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率等性能。良好的综合力学性能。同时，还要考虑断裂韧度和疲劳裂纹扩展速率等性能。一般调质钢的性能范围大致为：b8001200MPa，S7001000MPa，815，K60120J/cm2，TK40。调质处理车间调质处理车间调质钢的热处理工艺特点调质钢的热处理工艺特点l l预备热处理预备热处理 退火（正火）；l l最终热处理最终热处理 调质（表面淬火）。真空淬火炉真空淬火炉网带式回火电炉网带式回火电炉调质钢的淬透性、合金化与热处理调质钢的淬透性、合金化与热处理l为保证工件表层足够深度能够被淬透从而得到较高的强度,要求钢材应具有足够应具有足够淬透性（如右
5、下图所示）淬透性（如右下图所示）,在钢中添加适量的添加适量的CrCr、MnMn、MoMo、NiNi、B B等合金元素可等合金元素可明显提高钢的淬透性和强度。明显提高钢的淬透性和强度。钢中合金元素含量越高,其淬透性以及强度也就越高,但相应的生产成本也就明显增加。含硼钢由于合金成本方面的优势具有重要的发展潜力。此外,淬火介质的冷却能力越大,淬硬层越深。 为保证工件在调质淬火处理时不产生明显的热处理变形,又要求钢中合金元素含量应控制在合理范围内,且淬火介质的冷却能力也受到一定限制。严格控制碳含量及合金元素含严格控制碳含量及合金元素含量的波动范围可实现均匀的淬透性量的波动范围可实现均匀的淬透性( (窄
6、淬透性窄淬透性带带) )并明显降低热处理变形。并明显降低热处理变形。典型调质钢简介典型调质钢简介连杆螺栓及其热处理工艺曲线图连杆螺栓及其热处理工艺曲线图内燃机曲轴内燃机曲轴想想 一一 想想 ：？：？微微合合金金非非调调质质钢钢2. 2. 节能降耗的非调质机械结构钢节能降耗的非调质机械结构钢l l（1 1）微合金非调质钢的概念与发展过程）微合金非调质钢的概念与发展过程l l（2 2）微合金非调质钢的分类）微合金非调质钢的分类l l（3 3）微合金非调质钢应用现状与实例分析）微合金非调质钢应用现状与实例分析l l（4 4）微合金非调质钢发展与研究动向）微合金非调质钢发展与研究动向 （1 1）微合金
7、非调质钢的概念与发展过程）微合金非调质钢的概念与发展过程l第二次石油危机后，在节能动力推动下和微合金化技术基础上，19721972年德国蒂森特钢公司年德国蒂森特钢公司开发成功第一代非调质钢第一代非调质钢49MnVS349MnVS3（F+PF+P组织类型）组织类型）以来,世界各国对此产生了浓厚的兴趣,都竞相研究和应用非调质钢,由于韧性差,限制了应用范围。l l第二代非调质钢开发于第二代非调质钢开发于8080年代初年代初, , 主要有铁素体主要有铁素体- -珠光体和贝氏体型两大类珠光体和贝氏体型两大类, , 是当前用量最大的非调质钢,为提高为提高F-PF-P型非调质钢的韧性型非调质钢的韧性, ,开
8、发了一系列新技术开发了一系列新技术: :晶粒细化法、促进晶内晶粒细化法、促进晶内F F (IGF)(IGF)形成技术、氧化物冶金技术形成技术、氧化物冶金技术; ;贝氏体型非调质钢具有良好的强韧性贝氏体型非调质钢具有良好的强韧性, , 适合于代替合金调质适合于代替合金调质钢钢; ; 为改善非调质钢切削性能为改善非调质钢切削性能, , 各国又研制了易切削非调质钢。各国又研制了易切削非调质钢。l l19981998年美国的年美国的WrightWright提出第三代非调质钢概念提出第三代非调质钢概念, , 特点是碳含量低碳含量低, , 其组织为回火其组织为回火M,M, 具有较具有较高的强度和良好的韧性
9、高的强度和良好的韧性, , 称为低碳称为低碳MM型高强度高韧性非调质钢。型高强度高韧性非调质钢。l l我国自我国自19811981年开始研制非调质钢年开始研制非调质钢, ,于于19951995年完成了年完成了9 9个钢种列标。个钢种列标。在B/T15712-1995非调质机械结构钢标准中,按加工方法的不同,将非调质钢分为锻造和切削两类共9个钢号,全部为中碳V系、Mn-V系F-P型,强度范围在650800 MPa。除列标钢种之外,近几年还研制了25MnSiV(Ti)、38MnV(Ti)、35MnVNb、45MnVNb等P-F型非调质钢,但强度级别并没有明显突破;另外,还开发了一批低碳B、低碳M非
10、调质钢,如12Mn2VB12Mn2VB、5Mn2VB5Mn2VB、10Mn2CrVB10Mn2CrVB、18Mn2VTiB18Mn2VTiB等。等。何谓何谓“微合金非调质结构钢微合金非调质结构钢” ” 呢呢 ？l20世纪70年代初发生的石油能源危机，节能、机械产品和车辆的轻量化、减少CO2温室气体排放的呼声越来越高，随着人们对能源和环保问题的日益关注，发展节能、环保、低成本的“绿色钢材”非调质钢，替代能耗高、周期长、污染严重的调质钢零件已经成为发展工业用钢的必然趋势。l l何谓何谓“微合金非调质钢微合金非调质钢”？ 如下图所示为调质钢（b图）和非调质钢（a图）这两类钢典型的生产工艺流程。由比较
11、可见，非调质钢由于取消了淬火回火等工序，从而简化了生产工艺流程，提高材料利用率，改善零件质量，降低能耗和制造成本（25%38%），减少污染，绿色环保。 （a a） （b b）图图2.# 2.# 非调质钢（非调质钢（a a）与调质钢（）与调质钢（b b）典型）典型工艺工艺何谓何谓“微合金非调质结构钢微合金非调质结构钢” ” 呢呢 ？l l何谓何谓“非调质机械结构钢非调质机械结构钢 ” ”？ 通过微合金化、控制轧制（锻制）和控制冷却等强韧化通过微合金化、控制轧制（锻制）和控制冷却等强韧化方法，取消了调质处理，达到或接近调质钢力学性能的一类方法，取消了调质处理，达到或接近调质钢力学性能的一类优质或特
12、殊质量结构钢。简称优质或特殊质量结构钢。简称“ “非调质钢非调质钢” ”。（。（GB/T15712-GB/T15712-20082008非调质机械结构钢非调质机械结构钢给出的定义给出的定义） 微合金非调质钢的强韧化途径微合金非调质钢的强韧化途径l li i优化成分，提高强韧性优化成分，提高强韧性l l“降降C C增增MnMn”。降C可明显提高钢的韧性，其强度损失可由增加Mn含量补偿。l l“多元适量，复合加入多元适量，复合加入”的合金化基本原则。微合金化元素的合金化基本原则。微合金化元素V V、TiTi、NbNb和和N N等等，以细晶强化和沉淀强化等方式同时提高材料的强度和韧性。但最常用的是V
13、，通常V的质量分数在0.060.13；N是十分有益元素，N以化合物的形式存在，其主要作用是促进V的析出，提高沉淀析出强化效果，细化晶粒，提高TiN的稳定性用和节约V合金等。S S可细化晶粒，促进晶内F析出，提高强韧性，同时也可改善切削加工工艺性能。 l l均含有一定量均含有一定量MnMn元素。元素。在非调质钢中均含有0.60%1.00%或1.00%1.50%的Mn（因大于1.5时，将降低其韧性）。Mn、Cr以固溶强化方式强化基体组织，提高淬透性，增加钢的强韧性。 微合金非调质钢的冶金工艺特点微合金非调质钢的冶金工艺特点l li i冶炼冶炼 l冶炼非调质钢时，均要首先充分脱氧，然后再进行合金化。
14、保证钢中含有稳定和适量的N，对控制微合金非调质钢的性能是十分重要的。非调质钢在冶炼时常加入Al、Ti等元素，通过析出AlN、TiN来钉扎A晶界，提高A晶粒长大激活能量，在加热时阻止晶粒长大，在形变过程中抑制A再结晶，细化A晶粒。微合金元素的复合加入比单独加入作用更大。l lii ii先进的先进的TMCPTMCP技术技术 l微合金化与TMCP相结合，才能充分发挥微合金化元素的作用，才能达到最佳的强韧化效果。对于轧制(锻制)并经切削加工后使用的非调质钢来说，轧制(锻制)工艺将决定零件的最终性能。 微合金非调质钢的性能特点微合金非调质钢的性能特点l li i力学性能力学性能 具有与碳素及合金结构钢调
15、质后同样强度。具有与碳素及合金结构钢调质后同样强度。虽其韧性稍差，但采取虽其韧性稍差，但采取某些韧化措施后，也可达相应韧性水平。与调质态使用的机械结构钢相比，某些韧化措施后，也可达相应韧性水平。与调质态使用的机械结构钢相比，微合金非微合金非调质钢对尺寸调质钢对尺寸( (体积体积) )效应不敏感，使其力学性能、尤其硬度值在零件截面上分布较均效应不敏感，使其力学性能、尤其硬度值在零件截面上分布较均匀，这一点对大型零、部件尤为可贵和重要。匀，这一点对大型零、部件尤为可贵和重要。l lii ii工艺性能工艺性能 良好的切削加工性能。在硬度相同情况下，具有F-P组织的非调质钢，其切削加工性能比具有回火其
16、切削加工性能比具有回火S S组织的调质钢好组织的调质钢好。为进一步改善非调质钢的切削加工性，可适量单独添加某易切削元素如可适量单独添加某易切削元素如S S或或PbPb及及CaCa、Te(Te(碲碲) )、Se(Se(硒硒) )等，或复合添加等，或复合添加这些元素。这些元素。 l良好的表面强化特性。很多机械零件，为提高其表面耐磨性和疲劳强度，都进行表面强化处理。其具有良好高、中频感应加热淬火特性。与同等强度级别调质钢相比，其具有良好高、中频感应加热淬火特性。与同等强度级别调质钢相比，在同样氮化和软氮化工艺条件下，非调质钢的渗层可得到更高硬度；更深渗层深度；在同样氮化和软氮化工艺条件下，非调质钢的渗层可得到更高硬度；更深渗层深度；氮化处理后心部硬度也不降低。氮化处理后心部硬度也不降低。试验表明，非调质钢具有良好的表面强化特性。非调质钢的力学性能及其应用非调质钢的力学性能及其应用技术经济性能特点技术经济性能特点 表表2 2.6 .6 调质与非调质钢制造机械零件工艺流程比较调质与非调质钢制造机械零件工艺流程比较 从表2.6可看出，采用非调质钢制造零件，与调质钢相比，最大的不同就是省去了热处理工
