工业用钢与铸铁工程材料及其热处理.ppt

1、第四章第四章 工业用工业用钢与钢与铸铁铸铁工程材料及其热处理钢1教学基本要求 1.1.熟练掌握工业用钢的分类与编号表示方法；熟练掌握工业用钢的分类与编号表示方法；2.2.熟悉钢铁中合金元素的含量与作用与相应组织。熟悉钢铁中合金元素的含量与作用与相应组织。3.3.了解铸铁的石墨化过程特点与影响；了解铸铁的石墨化过程特点与影响；4.4.熟悉铸铁的分类、牌号、性能特点并基本会选。熟悉铸铁的分类、牌号、性能特点并基本会选。5.5.了解工程材料新发展简介了解工程材料新发展简介工程材料及其热处理钢21 1 概概 述述 一、一、钢钢：以铁为主元素以铁为主元素,含含C C2 2以下以下,并含并含有其它元素的材

2、料。有其它元素的材料。可形变加工的铁碳合金。可形变加工的铁碳合金。1.工业用钢工业用钢(按成分按成分)包括包括非合金钢、低合金钢、非合金钢、低合金钢、合金钢合金钢三类。三类。(必须掌握的内容必须掌握的内容-考试啊考试啊!)按碳质量分数高低划分按碳质量分数高低划分:低低碳钢碳钢(c c0.250.600.60)等均属于非合金钢。等均属于非合金钢。工程材料及其热处理钢3 低合金钢是在非合金钢的基础上加入少量合低合金钢是在非合金钢的基础上加入少量合金元素的钢。金元素的钢。按质量分按质量分 是按钢中主要质量等级分是按钢中主要质量等级分,分为普通质量钢、分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢、特殊优质钢优质

3、钢、高级优质钢、特殊优质钢,其中的磷和其中的磷和硫质量分数如硫质量分数如表表4-14-1所示。所示。按钢的主要性能及使用特性分按钢的主要性能及使用特性分 分为分为工程结构用钢工程结构用钢、机械结构用钢机械结构用钢、工具钢工具钢轴承钢、特殊物理性能钢及其他用钢等。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4 2.2.钢铁产品牌号表示方法钢铁产品牌号表示方法 钢材牌号采用钢材牌号采用“数字加字母数字加字母”表示。力学性表示。力学性能和元素含量能和元素含量用数字表示用数字表示，化学元素采用国际化，化学元素采用国际化学元素符号表示。学元素符号表示。产品名称、用途、冶炼和浇注方法等用汉语产

4、品名称、用途、冶炼和浇注方法等用汉语拼音字母表示拼音字母表示。表表4-24-2为不同类型钢及其牌号表示方法为不同类型钢及其牌号表示方法。工程材料及其热处理钢5 3.3.钢铁及合金统一数字代号体系钢铁及合金统一数字代号体系 GB/T17616-1998GB/T17616-1998对钢铁及合金产品牌号规定对钢铁及合金产品牌号规定了统一数字代号，与现行的了统一数字代号，与现行的GB/T221-2000GB/T221-2000钢铁钢铁产品牌号表示方法等同时并用。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。行存储和

5、检索，便于生产和使用。统一数字代号统一数字代号由固定的由固定的6 6位符号组成位符号组成，左边，左边第第1 1位用大写拉丁字母作前缀位用大写拉丁字母作前缀(“I”(“I”和和“0”0”除外除外),),后接后接5 5位阿拉伯数字。位阿拉伯数字。工程材料及其热处理钢6 每个统一数字只适用于一个每个统一数字只适用于一个产品牌号产品牌号。例如：例如：U20202U20202，表示表示20(20(非合金钢非合金钢)优质碳结优质碳结钢钢钢钢；A73402A73402表示合金调质钢中的表示合金调质钢中的40MnVB40MnVB。非合金钢非合金钢，(俗说：俗说：碳素结构钢碳素结构钢)简称：碳钢简称：碳钢 由于

6、价格低廉、易于获取，通过碳含量的控由于价格低廉、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。基本需求，因而应用广泛。二、常存元素对碳钢性能的影响二、常存元素对碳钢性能的影响(了解了解)工程材料及其热处理钢7 1.1.碳碳(C)(C)作用作用 碳对碳钢的组织和性能影响很大。碳对碳钢的组织和性能影响很大。如图示如图示 总趋势是：状态图中自左向右，含碳量增加，总趋势是：状态图中自左向右，含碳量增加，FeFe3 3C C增加，硬度直线上升，塑韧性急速下降，强增加，硬度直线上升，塑韧性急速下降，强度先升后降。度先升后

7、降。2.2.锰锰 (MnMn)作用作用 脱氧，脱氧，FeOFeO还原还原FeFe；与；与S S作用作用MnSMnS降低热脆降低热脆性；提高强度、硬度。属有益元素。性；提高强度、硬度。属有益元素。3.3.硅硅 (Si Si)作用作用 工程材料及其热处理钢8 与钢液中与钢液中FeOFeO生成炉渣生成炉渣,提高钢质量；溶于提高钢质量；溶于F F中中,固溶强化固溶强化,有益元素。有益元素。4.4.硫硫 S S 作用：作用：形成形成FeSFeS(熔点熔点11901190）,在晶界在晶界 处处,在在1100 1100 1200 1200 时时,压力加工压力加工,产生脆裂。产生脆裂。“热脆热脆”,有有害元素

8、。害元素。5.5.磷磷P P 作用作用：全部溶于全部溶于F F中，固溶强化；中，固溶强化；R Rm m、HBW,HBW,在在低温下引起脆断低温下引起脆断“冷脆冷脆”,有害元素。有害元素。工程材料及其热处理钢9 三、合金元素在钢中的作用三、合金元素在钢中的作用 钢是以钢是以FeFe为基的为基的Fe-CFe-C合金合金,加入的合金元素与加入的合金元素与FeFe和和C C之间以及合金元素之间的相互作用是合金结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。构和组织变化的基础。并且直接影响着钢中的组织和相变过程并且直接影响着钢中的组织和相变过程,达到改达到改变钢的性能的目的。变钢的性能的目的

9、。1.1.合金元素对钢中基本相的影响合金元素对钢中基本相的影响 强化铁素体强化铁素体 工程材料及其热处理钢10 大部分合金元素加入钢中都能或多或少地溶大部分合金元素加入钢中都能或多或少地溶入入F F而形成合金而形成合金F F,由于溶入元素的原子直径与铁的由于溶入元素的原子直径与铁的原子直径有差别原子直径有差别,引起引起F F的晶格畸变的晶格畸变,使塑性变形抗使塑性变形抗力增加力增加,形成固溶强化形成固溶强化,使强度、硬度升高使强度、硬度升高,但塑性但塑性和韧性有所下降。和韧性有所下降。而其中而其中CrCr2%2%、NiNi5%5%、MnMn1.5%1.5%时时,在强化在强化F F的同时的同时,

10、仍能提高韧性。仍能提高韧性。常见合元常见合元对铁素体硬度和冲击韧度的影响对铁素体硬度和冲击韧度的影响.工程材料及其热处理钢11 形成合金碳化物形成合金碳化物 据合金元素与碳亲和的能力据合金元素与碳亲和的能力,由强到弱顺序是：由强到弱顺序是：钛、钒、铌、钨、钼、铬、锰和铁钛、钒、铌、钨、钼、铬、锰和铁,可将合金元可将合金元素分成：素分成：1.1.弱碳化物形成元素弱碳化物形成元素 如锰、铁如锰、铁,如如(Fe,Fe,MnMn)3 3C C等类稳定性较差的合金渗等类稳定性较差的合金渗碳体或渗碳体。碳体或渗碳体。中强碳化物形成元素中强碳化物形成元素 工程材料及其热处理钢12 如铬、钼、钨等含量较低如铬

11、、钼、钨等含量较低(0.5%(0.5%3%)3%)时时,有有部分合金元素溶入渗碳体部分合金元素溶入渗碳体,置换其中的铁原子而置换其中的铁原子而形成合金形成合金FeFe3 3C C,如如(FeFe，Cr)Cr)3 3C C、(Fe(Fe，W)W)3 3C C等。等。合金渗碳体较渗碳体更稳定，硬度也较高，是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。一般低合金钢中碳化物的主要存在形式。强碳化物形成元素强碳化物形成元素 如钛、钒、铌及钨、钼含量大于如钛、钒、铌及钨、钼含量大于5%5%时时)主要主要与碳形成特殊碳化物，如与碳形成特殊碳化物，如TiCTiC、VCVC、Nb

12、CNbC、WW2 2C C、M M0202C C等。等。工程材料及其热处理钢13 特殊碳化物与合金特殊碳化物与合金FeFe3 3C C的晶格结构不同的晶格结构不同,属属于具有复杂晶格的间隙化合物于具有复杂晶格的间隙化合物,具有更高的熔点、具有更高的熔点、硬度和耐磨性硬度和耐磨性,也更为稳定。也更为稳定。尤其是在钢中弥散分布时尤其是在钢中弥散分布时,能显著提高钢的强能显著提高钢的强度、硬度和耐磨性度、硬度和耐磨性.而不明显降低其韧性而不明显降低其韧性,这对提这对提高工模具的使用性能极为有利高工模具的使用性能极为有利,但在加工工艺中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必须采用较

13、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。才能更好的发挥钢材潜力。工程材料及其热处理钢14 2.2.合金元素对合金元素对Fe-FeFe-Fe3 3C C相图的影响相图的影响 1)1)改变改变A A区的范围区的范围 扩大扩大A A区的元素区的元素 添加镍、锰、钴、铜等元素会扩大添加镍、锰、钴、铜等元素会扩大A(A(相相)区区,使使GSGS线向左下方移动线向左下方移动,共析转变温度与共析成分共析转变温度与共析成分向低温、低碳方向移动。向低温、低碳方向移动。若钢中含有大量这类元素若钢中含有大量这类元素,会使相图中会使相图中相区相区域扩展到室温以下域扩展到室温以下,室温可形成单相室温可形

14、成单相A A组织组织,称为称为A A钢钢,如如Mn13Mn13耐磨钢耐磨钢、1212Cr18Ni9Cr18Ni9钢等均属于钢等均属于A A钢。钢。工程材料及其热处理钢15 缩小奥氏体区的元素缩小奥氏体区的元素 添加铬、钨、钼、钒、钛、铝、硅等元素缩添加铬、钨、钼、钒、钛、铝、硅等元素缩小奥氏体小奥氏体(相相)区区,使使GSGS线向左上方移动线向左上方移动,共析转共析转变温度与共析成分向高温、低碳方向移动。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若钢中加入大量这类元素,可能使可能使相区完全相区完全消失消失,室温形成稳定的单相室温形成稳定的单相F F组织组织,此称为此称为F F

15、钢。钢。如如工业用高硅变压器钢、含工业用高硅变压器钢、含17%17%28%28%CrCr的的高铬不锈钢等都属于高铬不锈钢等都属于F F钢钢。工程材料及其热处理钢16 图图4-34-3为合金元素（为合金元素（MnMn和和CrCr）对）对Fe-FeFe-Fe3 3C C相图的相图的影响影响.2)2)改变相图中改变相图中E E、S S点的位置点的位置 合金元素加入钢中均使合金元素加入钢中均使Fe-FeFe-Fe3 3C C相图中的相图中的S S点、点、E E点左移。点左移。S S点左移点左移,表明合金钢中共析成分的碳质量分数表明合金钢中共析成分的碳质量分数减少减少,即即C C0.77%0.77%。E

16、 E点左移点左移,则表明出现则表明出现L Ld d的碳质量分数降低。的碳质量分数降低。例如例如,c c=0.4%=0.4%的碳钢原属亚共析钢的碳钢原属亚共析钢,但加入质但加入质工程材料及其热处理钢17 量分数量分数13%13%的铬元素后的铬元素后,则成为共析钢则成为共析钢,如如4 4Cr13Cr13不不锈钢锈钢。又如又如w w=18%=18%的高速钢的高速钢,即使其即使其c c仅仅0.7%0.7%0.8%,0.8%,铸态组织中就出现了合金铸态组织中就出现了合金L Ld d,也称称为也称称为L Ld d钢钢。显然显然,合金元素使合金元素使Fe-FeFe-Fe3 3C C相图的相变点发生改相图的相变点发生改变变,不再适用于合金钢不再适用于合金钢。因此因此,合金钢的热处理等工艺应根据多元铁基合金钢的热处理等工艺应根据多元铁基合金系相图分析合金系相图分析。工程材料及其热处理钢18 3.3.合金元素对钢的热处理的影响合金元素对钢的热处理的影响 1)1)合金元素对钢加热转变的影响合金元素对钢加热转变的影响 合金钢的合金钢的A A化的基本过程与非合金钢一样化的基本过程与非合金钢一样,也也有晶核形成有