材料及热加工工艺

材料及热加工工艺复习资料4§1概述一.钢中常存杂质1.锰（Mn）有益2.硅（Si）有益2.硫（S）有害，不溶于Fe.以FeS存在，FeS塑性差，严重是FeS与γ–Fe形成低熔点(989℃)共晶体，分布A晶界，1000~1200℃压力加工时，晶界上共晶体已熔化，晶粒脱落，钢极脆，这种现象称为热脆。∴S应严格控制2.磷（P）有害冷脆性----在低温使使钢严重变脆的现象称为冷脆。∴P应严格控制3.氧（O）影响大4.氢（H）氢脆危险5.氮（N）同氢氮的时效-----使钢变脆6.非金属夹杂物二.合金元素在钢中的主要作用非常复杂常用：Mn.Si.Cr.Ni.W.Mo.V.Ti.Nb.Zr.B.Xt…根据与非碳化物形成元素：Ni.Si.Co.Cu.AI.B…碳亲合分碳化物形成元素：由弱→强Mn.Cr.W.Mo.V.Nb.Ti.Zr….即Mn最弱；Zr最强。（1）溶于F内，形成合金F；如α-Fe(Cr.Ni.Mn)★在钢中存在形式（2）溶于渗碳体内，形成合金渗碳体；如(FeCr)3C；或者单独形成特殊碳化物，如Fe3W3C.Cr23C6.Mo2C1、合金元素对钢基本相的影响（对机性影响）基本相：F.Fe3C（1）合金元素固溶于铁素体，产生固溶强化作用（强化F）∴大多数元素溶于F，σb↑.HB↑.δ↓.ak↓注意.Cr.Ni.（2）合金元素溶于渗碳体或形成特殊碳化物，产生强化作用（或溶于渗碳体形成合金渗碳体强化钢）弱碳化物形成元素形成Fe3C型合金渗碳体如（FeMn）3C.(FeCr)3C还形成特殊碳化物如Cr23C6.Mo2C.W2C.MoC.WC.强碳化物形成元素V.Nb.Ti.Zr总是形成更稳定特殊碳化物如TiC.VC.NbC.ZrC…..合金Fe3C.特殊碳化物比Fe3C有更高的熔点和稳定性，难溶于A，阻碍A晶粒长大，也难聚集长大，硬度高，合理分布↑σb和耐磨性。与碳亲合力越强，形成碳化物越稳定，稳定性越高的碳化物越难溶于A，（TiC1000℃才溶）越难聚集长大，这些碳化物熔点.硬度越高。碳化物呈细小颗粒均布于钢基体上，将起弥散强化作用，碳化物↑.σb↑.HB↑.耐磨性↑.δ↓.ak↓注：（1）与碳亲合力由强到弱，优先形成特殊碳化物，最后形成合金渗碳体，C足够，存在于碳化物中，C不足才溶于F.中；（2）由于合金Fe3C和特殊碳化物硬度比Fe3C高，呈细小颗粒均布.↑HB同时.并不↑脆性；只有粗大.网状.带状Fe3C存在时，才↓ak.↑脆性；碳化物呈细小颗粒分布，不↓ak，进一步强化F，↑机械性能。（3）合金Fe3C有较高的稳定性，一般温度不溶于A，阻碍晶粒长大得细晶粒，改善韧性.σb和热处理特性。2.合金元素对Fe—Fe3C相图的影响主要是A转变温度（A1.A3.A4及Accm）以及点S.E位置(1)扩大A区的元素Fcc:Ni.Mn.Cu.NS.E向左下方，A1.A3下降，A4上升，A区扩大Ni.Mn量高，室温得稳定的A组织，即获得奥氏体钢（2）缩小A区的元素Cr.W.Mo.Si.V.TiS.E向左上方，A1A3上升，A4下降，A区缩小F→A转变被抑制，Cr很高，A区缩小以至消失，∴元素量很高可在室温.高温都得F，加热和冷却时都无相变发生的单相铁素体组织的钢称为铁素体钢。钢具有特殊性能（3）改变共析成分点（S）和E点成分几乎所有元素都使S点.E点左移S点左移：原亚共析钢有可能成为共析或过共析组织的钢.3Cr2W8E点左移：莱氏体有可能在远远2.11%C的合金钢中出现，这种钢成为莱氏体钢。W18Cr4V(4)改变A1.A3.及Acm一般除Mn.Ni.N外，其余元素均使A1.上升，同时改变A3.及Acm。(5)可形成单相A或F钢★3.合金元素对钢相变过程的影响（对热处理…）（对钢在加热和冷却…）（1）合金元素对奥氏体形成的影响1）改变奥氏体形成的速度2）阻碍A晶粒长大，起细化晶粒作用除Mn.P外几乎所有元素都能,20CrMnTi中Ti.50CrV中V都细化晶粒.（2）合金元素对奥氏体转变的影响1）对“C”曲线的影响除Co外，几乎所有元素溶于A，↑A冷的稳定性，使“C”曲线右移，↑淬透性。2）对Ms.Mf点的影响除Co.AI外，几乎所有元素均使Ms↓.Mf↓.A‘↑（3）合金元素对回火转变的影响表现三方面1）提高回火稳定性回火稳定性------是指淬火钢在回火时抵抗软化的能力。或称回火抗力（或称抗回火性）。∴相同碳量，碳钢和合金钢，同一温度回火，合金钢有较高的强度和硬度；或者说，碳量相同，要得到同一硬度和强度时，则合金钢回火温度要高，保温时间要长，对消除残余应力.↑δ.↑ak.稳定组织都是非常有利的。回火稳定性↑，钢在比较高的温度下仍能保持高的硬度和耐磨性，即红硬性。2）产生二次硬化二次硬化-----钢在一次或多次回火后提高硬度的现象。∵特殊碳化物析出，残余A转变为M或B所致。这些特殊碳化物在钢中起弥散强化作用。由强碳化物形成元素在500~600℃回火各自形成弥散分布的特殊碳化物颗粒而产生二次硬化（次生硬化）的现象，又称弥散强（硬）化。还有:A‘→M.A’→B下使HB↑，这个现象叫做二次淬火（二次硬化）。工具钢有实用意义。3）引起回火脆性以及回火脆性的削弱在250~350℃和500~650℃两个温度范围内回火时，韧性不升高，反而明显↓，这种随回火温度↑而韧性↓的现象，称为钢的回火脆性。第一类（低温）回火脆性250~350℃第二类（高温）回火脆性500~650℃3.合金元素使钢获得特殊性能三.钢的分类和编号原则1.分类普通钢S≤0.05%P≤0.045%按冶金质量分（S、P）优质钢S.P均≤0.035%高级优质钢S.P均≤0.025%+A特级优质钢S≤0.015%P≤0.025%+E沸腾钢F半镇静钢b按脱氧方法.程度分镇静钢Z省略特殊镇静钢TZ省略低碳钢≤0.25%C碳钢中碳钢0.25~0.60%C按化学成分分高碳钢≥0.60%C低合金钢合金元素≤5%合金钢中合金钢合金元素5~10%高合金钢合金元素≥10%碳素结构钢Q235优质碳素结构钢45结构钢低合金结构钢（普低钢）16Mn.合金渗碳钢（低.中.高淬透性）20CrMnTi合金调质钢（低.中.高淬透性）40Cr合金结构钢合金弹簧钢60Si2Mn滚动轴承钢GCr15易切削钢Y20★按用途分碳素T10刃具钢低（9SiCr）.高（W18Cr4V）合金硬质YG6工具钢模具钢热作5CrNiMo冷作Cr12MoV量具钢CrWMn不锈钢1Cr13.1Cr18Ni9Ti特种性能钢耐热钢4Cr9Si2耐磨钢ZGMn132.钢编号原则GB221—79字母+数字+化学元素符号+数字+字母（1）（2）（3）（4）（5）（1）专门用途钢类型“G”“滚动”，“Y”易切削，一般不用第一项字母（2）含碳量：结构钢两位数.万分之一单位工具钢：C≥1%数字略C1%标一位数数字，以千分之一为单位（3）合金元素符号（4）合金元素含量名义百分数1.5%不标（5）字母质量级别“A”高级优质；“E”特级优质★§2结构钢-----用于制造各种机器零件和工程结构的钢。一.碳素结构钢GB700—88Q+数值+A.B.C.D+F（沸腾）+b（半镇静）“屈”尺寸≤16mm时σs↓脱氧方法无b.F为镇静Z.TZ省略中一个（质量等级依次提高）Q195.Q215.Q235.Q255.Q275旧国标GB700-79分三类（1）甲类钢按机性供应钢号A1~A7A3应用最广相当Q235A（2）乙类钢按化学成分供应钢号B1~B7（3）特类钢按两方面供应钢号C1~C7数↑.C↑.σb↑.σs↑.HB↑.δ↓.ak↓二.优质碳素结构钢牌号：两位数表示单位为1/10000除08钢外号间隔为5作重要件：（1）10~15低碳渗碳件（2）35~45中碳调质综合性好广泛应用45C0.45%（3）60以上弹簧钢.耐磨件三.低合金结构钢（普低钢）主加：Si.Mn.Cr.Ni.B碳素结构钢+少量合金元素〈3%辅加：W.Mo.V.Ti.Nb∵σs碳素钢∴又称低合金高强度钢广泛应用16Mn1.性能要求（特点）（1）较高强度.良好的韧性（2）良好的冷弯性能和焊接性能（3）抗大气.海水等介质腐蚀的能力2.化学成分（1）低碳〈0.20%（2）主加Mn（3）辅加：Ti.V.Nb.Mo.Cu.P.N（4）加少量Xt3.牌号：两位数+元素符号+平均含量（〈1.5%不标〉C量1/10000强度等级以σs分有21级常见6级热轧.正火状态使用295N/mm230Kgf/mm2345N/mm235Kgf/mm2}低等级16Mn35Kg级广泛应用390N/mm240Kgf/mm2440N/mm245Kgf/mm2490N/mm250Kgf/mm2}高等级539N/mm255Kgf/mm24.用途：广泛应用于桥梁.船舶.车辆.建筑.压力容器等大型结构.锅炉.高压容器.钢结构.汽车.挖土机.拖拉机.汽车大梁…四.合金结构钢优质碳素结构钢+合金元素(Cr.Mn.Si.Ni.B…)牌号：两位数+元素符号+平均含量（〈1.5%不标〉C量1/10000重要件用性能要求：良好的综合力性；高的淬透性保证：化学成分；热处理途径：低碳钢淬火+低回低碳M回中碳钢调质S回GB3077-881.渗碳钢-----用于制造渗碳件的钢（1）满足性能化学成分特点表硬心强韧1）低碳量0.1~0.25%C2）主加Cr.Mn.Ni.B3）辅加Ti.V.W.Mo（2）常用牌号按淬透性分三类1）低淬透性合金渗碳钢低强度20Cr.20Mn22）中淬透性合金渗碳钢中强度20CrMnTi3）高淬透性合金渗碳钢高强度12Cr2Ni4.20Cr2Ni4.18Cr2Ni4WA(3)热处理特点预备：正火↑硬度以利切削最终：渗碳+淬火+低温回火低C0.1~0.25%渗为直接.一次.二次200℃左右高C0.8~1.05%（4）组织：表层高碳M回+碳化物+A‘（少）60~62HRC心部低碳M回40HRC未淬透时F+S20HRC高淬透性钢.表层大量A‘硬度不足.附加处理---冷处理A‘→M渗碳钢零件.良好的综合力性.则只淬火+低回.低碳M回.满足。（5）合金渗碳钢应用举例1）20CrMnTi钢车辆变速齿轮.离合器轴.伞齿轮加工工艺路线：下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火+低回→喷丸→磨齿分析：正火170~210HBS渗碳930℃淬火870~880℃油淬.200℃低回组织性能：表层M回+合金碳化物+A‘58~60HRC中心F+P低碳M回35~45HRC满足齿轮：表硬心强韧2）18Cr2Ni4W钢坦克.内燃机车重载齿轮2.调质钢——经过调质处理（淬火+高回）后使用的碳素钢和合金结构钢。多为中碳（1）性能要求：高的强度与良好的塑性.韧性相配合。即“既强又韧”（2）化学成分特点兼顾强度和韧性1）中碳量0.25~0.50%保证良好的综合力性2）主加元素Cr.Ni.Mn.Si.B3）辅加元素Mo.W.V.AI.Ti(3)常用牌号.分类.用途按淬透性和强度分三类1）低淬透性合金调质钢低强度40Cr.40MnB.40MnVB2）中淬透性合金调质钢中强度30CrMnSi.38CrSi3）高淬透性合金调质钢高强度37CrNi3.40CrNiMoA.40CrMnMo按调质钢所含元素分：1）碳钢类40.452）锰钢类40Mn2.40MnVB3）铬钢类40Cr4）铬镍钢类40CrNiMo.25Cr2Ni4W5）铬锰钢类常用40CrMnMoVBA代35CrNi3MoA(2)调质钢热处理特点1）预备热处理正火.退火2）调质处理淬火+高回（500~650℃）S回良好的综合机性3）局部热处理高频淬火+低回表层M回50~55HRC左右专用氮化处理38CrMoAIAIN作用（5）合金调质钢应用实例机床主轴40Cr.齿轮40Cr.连杆螺栓40Cr.中型载重汽车半轴40Cr加工工艺路线：下料→锻造→正火→机加工→调质→盘部钻孔→磨花键五.易切削结构钢1.钢的切削性切削性抗力----是指工件表面撕裂和切离的抵抗力.230HBS左右切削性最好2.合金元素对切削性能的影响在结构钢中加入合金