《工程材料与热加工基础》

工程材料与热加工基础—程晓宇《工程材料与热加工基础》第五章工业用钢机械工程系金工教研室工程材料与热加工基础—程晓宇第七章工业用钢•钢的基础知识•结构钢•工具钢•特殊性能钢工程材料与热加工基础—程晓宇第一节钢的基础知识一.合金元素对钢的组织和性能的影响杂质及合金元素与铁和碳的作用。合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。合金元素对钢的热处理的影响。工程材料与热加工基础—程晓宇一）杂质和气体的影响Mn—脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。Si—有很强的固溶强化作用,能脱氧。1.有益元素工程材料与热加工基础—程晓宇2.有害元素:P—有很强的固溶强化作用,低温韧性差(冷脆)。S—能引起钢在热加工时或高温工作下开裂(热裂)。工程材料与热加工基础—程晓宇3.气体元素:N：钢中过饱和N在常温放置过程中会发生时效脆化。加Ti、V、Al等元素可消除时效倾向。O：钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源。H：原子态的过饱和氢时将降低韧性,引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。钢中白点工程材料与热加工基础—程晓宇二)合金元素与铁和碳的作用1.溶于基体中形成合金F或合金A。2.与碳作用形成合金碳化物(Fe,Cr)3C。3.单独形成特殊碳化物TiC、VC。工程材料与热加工基础—程晓宇1.溶于基体中形成合金F或合金A工程材料与热加工基础—程晓宇1.溶于基体中形成合金F或合金A工程材料与热加工基础—程晓宇2.与碳作用形成合金碳化物Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱强弱碳化物元素:Fe、Mn。中强碳化物元素:Cr、Mo、W。强碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。工程材料与热加工基础—程晓宇碳化物形成元素在周期表中都是位于铁元素的左边的过渡族金属元素,它们都有一个未填满的d电子亚层,当形成碳化物时,碳原子首先将其价电子填入金属原子未填满的d电子亚层,使形成的碳化物具有金属键结合的性质,金属原子的d电子亚层愈不满(周期表中,在铁左边离铁愈远),则其与碳的亲和力愈强,形成碳化物的能力愈大,愈稳定,而且不易分解。工程材料与热加工基础—程晓宇3.单独形成特殊碳化物熔点、硬度、耐磨性最高。稳定性最高。TiC、NbC、VC。工程材料与热加工基础—程晓宇三)合金元素对Fe-Fe3C相图的影响•扩大奥氏体区•缩小奥氏体区•改变共晶点和共析点的参数工程材料与热加工基础—程晓宇1.扩大奥氏体区的合金元素Mn、Ni、Co等元素。作用:使A3线温度下降,A4线温度上升。工程材料与热加工基础—程晓宇Mn元素对奥氏体区的影响工程材料与热加工基础—程晓宇2.缩小奥氏体区的合金元素Cr、Mo、W、V、Ti、Si等元素。作用:使A3线温度上升,A4线温度下降。工程材料与热加工基础—程晓宇Cr元素对奥氏体区的影响工程材料与热加工基础—程晓宇3.改变共晶点和共析点参数的元素几乎所有的合金元素。作用:使S点和E点的成分向左移。使A1线的温度变化。工程材料与热加工基础—程晓宇合金元素对S点成分的影响工程材料与热加工基础—程晓宇合金元素对A1线的影响工程材料与热加工基础—程晓宇四)合金元素对钢的热处理的影响•加热时对奥氏体形成的影响•对过冷奥氏体转变的影响•对回火转变的影响工程材料与热加工基础—程晓宇1.合金元素对加热时奥氏体形成的影响除Mn元素外,所有合金元素的加入,均使奥氏体的形成速度减慢。强碳化物形成元素能强烈的阻止奥氏体晶粒长大(Ti、V、Zr、Nb等)。非碳化物形成元素能轻微的阻止奥氏体晶粒长大(Si、Ni、Cu、Co等)。工程材料与热加工基础—程晓宇2.合金元素对过冷奥氏体转变的影响除Co元素外,所有的合金元素均使钢的TTT曲线向右移。除Co、Al元素外,所有的合金元素都使马氏体转变温度下降。提高钢的淬透性,常用的元素有:Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。工程材料与热加工基础—程晓宇3.合金元素对回火转变的影响回火抗力的增加二次硬化的产生产生回火脆性工程材料与热加工基础—程晓宇W、Mo、V等碳化物在550℃时,使钢达到最高硬度,产生二次硬化。工程材料与热加工基础—程晓宇Cr-Ni钢的回火脆性示意图工程材料与热加工基础—程晓宇防止第二类回火脆性的产生的方法:在500～600℃快速冷却。加入合金元素W、Mo。工程材料与热加工基础—程晓宇二.合金元素在钢中的作用1.主加元素:对提高钢的性能起主要作用。Si、Mn、Cr、Ni、B。2.辅加元素:配合主加元素进一步提高钢的性能,弥补主加元素的不足与缺陷。W、Mo、V、Ti、Nb。工程材料与热加工基础—程晓宇三、碳素钢的编号及用途1.碳素结构钢:Q235—A·F沸腾钢A等级235MPa屈服强度工程材料与热加工基础—程晓宇2.优质碳素结构钢*45---Wc=45%00*较高锰质量分数的优质碳素结构钢45Mn---Wc=45%00;WMn=0.7%～1.0%工程材料与热加工基础—程晓宇3.碳素工具钢T12A高级优质Wc=12%0碳素工具钢工程材料与热加工基础—程晓宇4.铸造碳钢ZG200-400σb≥400MPaσs≥200MPa铸钢工程材料与热加工基础—程晓宇第二节合金结构钢(AlloyConstructionalSteel)•普通低合金钢•合金渗碳钢•合金调质钢•弹簧钢•滚动轴承钢•易切削钢工程材料与热加工基础—程晓宇一.普通低合金钢(commonlow–alloyedsteel)1.化学成分:碳素结构钢+合金元素主加合金元素:Mn1.8%以内。辅加合金元素:V、Ti、Nb、B。工程材料与热加工基础—程晓宇一.普通低合金钢2.牌号:Q345C质量等级345MPa屈服强度工程材料与热加工基础—程晓宇一.普通低合金钢Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度高，用于石化中温高压容器。压力容器南京长江大桥Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的容器。万吨远洋轮工程材料与热加工基础—程晓宇二.碳素渗碳钢及合金渗碳钢1.对渗碳钢的性能要求:2.对渗碳钢的含碳量的要求:低碳3.渗碳钢的热处理特点:渗碳淬火+低温回火(180～200℃)表硬里韧Wc≤0.25%Wc=0.15～0.25%合金元素:Cr、Mn、Ni、B、V、W、Mo、Ti等。表层:M回+Fe3C+A残心部:F+P表层:M回+Cm+A残心部:低碳M回+F碳素渗碳钢合金渗碳钢化学成分热处理后的组织工程材料与热加工基础—程晓宇4.合金渗碳钢的牌号20Mn2TiA等级:高级优质含钛量WTi≤1.5%含锰量WMn2%含碳量WC20%00工程材料与热加工基础—程晓宇5.典型合金渗碳钢种介绍低淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量＜3%15Cr、20Cr、20Mn2。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。中淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在4%左右。20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。柴油机凸轮轴活塞销(20Cr)工程材料与热加工基础—程晓宇5.典型合金渗碳钢种介绍高淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在4%～6%。18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。柴油机曲轴工程材料与热加工基础—程晓宇20CrMnTi钢制造齿轮的热处理工艺曲线工程材料与热加工基础—程晓宇三.碳素调质钢及合金调质钢1.对调质钢的性能要求:既强又韧2.对调质钢的含碳量的要求:中碳3.调质钢的热处理特点:淬火+高温回火(500～650℃)Wc=0.25～0.6%Wc=0.25～0.5%合金元素:Cr、Mn、Ni、B、Si、V、W、Mo、Ti等。表层:S回碳素调质钢合金调质钢化学成分热处理后的组织心部:P+F表层:S回心部:S回工程材料与热加工基础—程晓宇4.合金调质钢的牌号40Cr40Mn40MnB35CrMo38CrMoAlA25Cr2Ni4WA工程材料与热加工基础—程晓宇5.典型合金调质钢种介绍低淬透性调质钢钢含合金元素总量＜3%。40Cr、40MnB等。中淬透性调质钢钢含合金元素总量在4%左右。38CrSi、35CrMo等。圆锥齿轮柴油机凸轮轴常用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。工程材料与热加工基础—程晓宇5.典型合金调质钢种介绍高淬透性调质钢钢含合金元素总量在4%～10%。制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的零件等。38CrMoAlA、40CrMnMo、25Cr2Ni4WA等。工程材料与热加工基础—程晓宇40Cr钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线工程材料与热加工基础—程晓宇四.碳素弹簧钢及合金弹簧钢1.对弹簧钢的性能要求:高的σe、高的σs/σb、高的σ-1、良好的韧。2.对弹簧钢含碳量的要求:中、高碳。3.热成型弹簧钢的热处理特点:淬火+中温回火(450～550℃)碳素弹簧钢合金弹簧钢化学成分热处理后的组织Wc=0.6～0.9%Wc=0.5～0.7%合金元素:Si、Mn、Cr、V、W、Mo等。T回制造尺寸小于Φ8～15mm的小型弹簧。T回制造尺寸在Φ20～25mm左右的弹簧。工程材料与热加工基础—程晓宇4.合金弹簧钢的牌号6565Mn55Si2Mn60Si2Mn50CrVA50CrMnA55SiMnMoVNb工程材料与热加工基础—程晓宇5.冷成形弹簧生产工艺特点用于生产尺寸小于Φ8～15mm的小型弹簧,常用弹簧钢丝(片)冷绕成形,其制造方法有:T组织冷成型+200～300℃去应力退火。60、75、85、65Mn。T回组织冷成型+去应力退火。退火组织冷成型+淬火+中温回火。55Si2Mn、60Si2MnA、50CrVA。工程材料与热加工基础—程晓宇汽车板簧大型热卷弹簧热卷大弹簧簧弹丝工程材料与热加工基础—程晓宇五.滚动轴承钢(bearingsteel)1.性能要求:高的硬度强度和耐磨性;高的接触疲劳强度;足够的韧性和耐蚀性;高的纯净度;滚珠轴承滚针轴承滚柱轴承工程材料与热加工基础—程晓宇五.滚动轴承钢(bearingsteel)2.化学成分特点:高碳,Wc=0.9～1.1%。主加Cr,0.4～1.65%辅加Si、Mn。优质钢材。工程材料与热加工基础—程晓宇五.滚动轴承钢(bearingsteel)3.热处理特点:球化退火+淬火+低温回火极细回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体工程材料与热加工基础—程晓宇4.滚动轴承钢的牌号GCr9SiMn含Mn量WMn≤1.5%含Si量WSi≤1.5%含Cr量WCr≈0.9%滚动轴承钢工程材料与热加工基础—程晓宇5.铬轴承钢制造轴承的工艺路线锻造球化退火机加工淬火+冷处理(–60～–80℃;1h)低温回火磨削加工稳定化处理(120～130℃；5～10h)工程材料与热加工基础—程晓宇六.易切削钢(fee–cuttingsteel)2.性能要求:降低切削力和切削热,减少刀具磨损,延长刀具寿命,改屑性能,提高切削速度。3.化学成分特点:1.用途:适用于高速切削和在自动加工机床上加工的材料。S:Ws=0.08～0.3%Pb:WPb=0.15～0.25%Ca:微量工程材料与热加工基础—程晓宇4.易切削钢的牌号Y40Mn含锰量WMn≤1.5%含碳量WC0.4%易切削钢工程材料与热加工基础—程晓宇5.易切削钢的热处理工艺特点低碳易切削钢(Y12、Y15、Y20)渗碳或淬火成低碳马氏体。中碳易切削钢(Y40)调质及表面淬火。工程材料与热加工基础—程晓宇第三节合金工具钢合金刃具钢(alloycuttingsteel)合金模具钢(alloydiesteel)合金量具钢(alloymeasuringsteel)工程材料与热加工基础—程晓宇量具刃具模具工程材料与热加工基础—程晓宇一.碳素刃具钢1.性能要求:高硬度、高耐磨性,有一定的强度和韧性。2.化学成分特点:高碳。3.热处理特点:淬火+低温回火4.组织:M回+Fe3C+A残工程材料与热加工基础—程晓宇5.用途:用于低速、低温(＜200℃）、低