【精品文档】工程材料基础

4.4特殊性能钢特殊性能钢是指具有特殊物理、化学、力学性能的钢种。•不锈钢•耐热钢•低温钢•耐磨钢一、不锈钢及镍基耐蚀合金在自然环境或一定工业介质中具有耐腐蚀性能的钢称不锈钢。广泛应用于石油、化工等领域。（一）成分及性能特点•wC=0.03～0.95%，从耐蚀角度C越低越好，可以防止Cr23C6。•wMe=12～38%•常加入：Cr、Ni、Si、Al、Mo、Ti、Nb主要作用1）提高电极电位，2）室温获得单相组织，3）在钢表面形成致密氧化膜，4）形成稳定碳化物和金属间化合物。Cr的影响电极电位Cr含量失重电极电位12.5%失重（二）常用不锈钢及其热处理①M型不锈钢②F型不锈钢③A型不锈钢④A－F型不锈钢⑤沉淀硬化型不锈钢1.M型不锈钢淬透性好，空冷时可形成M；合金元素单一，在氧化性介质中（如大气、水蒸气、氧化性酸）有较好的耐蚀性。且耐蚀性还随着含碳量的增加而降低。1)成分及性能特点wC=0.1～1.0%wCr=12～18%2)典型牌号1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、9Cr18因为Cr加入，使共析点转移到0.3%附近，3Cr13、4Cr13分别属于共析钢和过共析钢，工业上一般把1Cr13、2Cr13作为结构钢用，3Cr13、4Cr13、9Cr18作为工具钢用。3)热处理材料：1Cr132Cr13热处理:调质组织：S回用途：汽轮机叶片蒸气管附件材料：3Cr134Cr139Cr13热处理:淬火+低温回火组织：M回用途：医疗器械刃具2.F型不锈钢和M型不锈钢相比，由于含碳的降低，含铬量增加，致使钢从室温加热到1000℃均为单相F，不发生F→A。F不锈钢的耐蚀性、塑性、焊接性均优于M不锈钢。但其强度较低，主要用于对力学性能要求不高，但对耐蚀性要求很高的机器零件和结构。wC＜0.15%，wCr=12～30%，1)成分及性能特点0Cr131Cr171Cr282)典型牌号3)热处理材料：0Cr13,1Cr17,1Cr28热处理:退火，或者正火组织：F用途：对耐蚀性能要求很高的机器零件硝酸吸收塔热交换器磷酸槽3.A型不锈钢不仅仅有高的耐腐蚀性，还有高的塑性，低温韧性，加工硬化能力与良好的焊接性。广泛应用于制造硝酸、有机酸、盐、碱等工业中的机械零件及构件。wC＜0.12%，wCr=17～25%，WNi=8～29%Ni扩大A，Cr提高电极电位，A不锈钢的耐蚀性比M不锈钢有进一步的提高1)成分及性能特点0Cr18Ni91Cr18Ni91Cr18Ni9Ti……2)典型牌号3)热处理材料：0Cr18Ni9,1Cr18Ni9,1Cr18Ni9Ti热处理:固溶处理组织：A用途：广泛应用于硝酸，有机酸，盐，碱等工业中的机械零件及构件4)晶间腐蚀晶间腐蚀主要原因贫铬理论－晶界析出Cr23C6对策1.降碳2.添加强碳化物形成元素Ti,Nb3.固溶处理或者退火处理沿晶断口材料：2Cr17材料：18-8钢4.A-F型不锈钢这是双相不锈钢，兼有A不锈钢和F不锈钢的特性。不仅仅有良好的耐蚀性，还有较高的抗SCC能力，抗晶间腐蚀能力及良好的焊接性。适合于制作硝酸工业与尿素、尼龙生产的零件和设备。在18-8的基础上调整Cr、Ni的含量，并加入适量的Mn、Mo、W、Cu、N等而形成的双相不锈钢。1)成分及性能特点1Cr21Ni5Ti1Cr17Mn9Ni3Mo3Cu2N1Cr18Mn10Ni5Mo3N……2)典型牌号3)热处理材料：1Cr21Ni5Ti,1Cr17Mn9Ni3Mo3CuN1Cr18Mn10Ni5Mo3N热处理:1000～1100℃淬火组织：A+F用途：硝酸工业与尿素尼龙生产设备及零件5.沉淀硬化型不锈钢对于复杂的零件，形变强化很难应用，所以在18-8基础上降低Ni加入适量的Al,Cu,Mo,Nb等以便在热处理中析出金属间化合物，实现沉淀强化—沉淀强化不锈钢。在18-8的基础上降低Ni的含量，并加入适量的Al、Cu、Mo、Nb等而形成的沉淀强化不锈钢。1)成分及性能特点0Cr17Ni7Al0Cr15Ni7Mo2Al……2)典型牌号3)热处理材料：0Cr17Ni7Al0Cr15Ni7Mo2Al热处理:固溶处理(1060℃空冷)获得A750～760℃空冷获得A+M560～570℃时效析出金属间化合物如：Ni3Al组织：A+M+金属间化合物用途：高强度，高硬度，耐腐蚀的化工机械设备（三）镍基耐蚀合金在自然环境或一定工业介质中具有耐腐蚀性能的合金称耐蚀合金。广泛应用于石油、化工等领域。1)成分及性能特点•低碳高合金wC=0.03～0.2%，•wMe=30～48%Me:Cu、Cr、Fe、Mn、Mo、Nb、TiCu、Fe、Mn溶于Ni中，形成单相固溶体组织，减轻电化学腐蚀；Cr提高电极电位，形成Cr2O3保护层；Mo、Nb、Ti形成稳定碳化物NbC、TiC，和金属间化合物Ni3Mo、Ni3Ti、Ni3Nb。2)典型分类①锻造镍②镍-铜合金蒙乃尔(Monel)合金③镍-铬-铁合金因科镍(Inconel)合金3)锻造镍A.特点耐蚀性特强，强度较高，耐高温和低温B.用途制作与强酸、强碱接触的泵壳，容器，火箭，导弹耐蚀零件。B.常用牌号200和2014)镍-铜合金A.特点别称蒙乃尔(Monel)合金,耐蚀性特强，在氢氟酸中的耐蚀性居所有金属材料之首。B.用途制作与氢氟酸接触的零构件。C.常用牌号Ni-29.5Cu,(MonelK-500)Ni-31Cu-1.5Mn-1.4Fe,(Ni66Cu31Fe)Ni-28Cu-1.5Mn-2.5Fe,(Ni68Cu28Fe)5)镍-铬-铁合金A.特点别称因科镍(Inconel)合金,优良的耐蚀性，高温强度高，辐照稳定性好。B.用途制作高温下要求耐腐蚀的零构件。C.常用牌号Inconel600(Ni-15.5Cr-10Fe)Inconel706(Ni-16Cr-27.6Fe-2.9Nb-1.8Ti)Inconel718(Ni-19Cr-18.5Fe-5.1Nb-3Mo-0.9Ti)二、耐热钢和高温合金耐热钢和高温合金是指在高温下具有高热稳定性和热强性的特殊钢和合金。主要用于制造工业加热炉、高压锅炉、汽轮机、内燃机、航空发动机、热交换器等在高温下工作的构件和零件。•性能要求：高的热稳定性，即具有高温抗氧化能力。高的热强性，即具有高的抗蠕变抗力和持久强度。1)成分及性能特点（一）耐热钢常用耐热钢分类：P耐热钢M耐热钢F耐热钢A耐热钢2)典型分类(1)P型耐热钢这类钢在正火状态下的显微组织是P+F。由于合金元素含量少，因而热膨胀系数小，导热性好，并有良好的冷、热加工性能。广泛用于制造工作温度＜600℃的锅炉及管道、压力容器、汽轮机转子等。wC=0.1～0.4%加入Cr、Mo、W、V等主要是强化F，防止高温下片状Fe3C的球化和石墨化，提高钢的高温强度。①成分及性能特点12CrMo、15CrMoV、25Cr2MoVA②典型牌号(2)M型耐热钢这类钢淬透性好，空冷就能得到M。低C高Cr钢：在Cr13的基础上加入Mo、W、V、Ti、Nb等以便强化F，形成稳定的碳化物，提高钢的强度。中C铬硅钢：其抗氧化性能好、蠕变抗力高、还有较高的硬度和耐磨性。①成分及性能特点•1Cr11MoV、1Cr12WMoV低碳高铬钢，在500℃以下具有良好的蠕变抗力和优良的消震性，最宜于制造汽轮机叶片，故又称叶片钢•4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo主要用于制造使用温度低于750℃的发动机排气阀，故称气阀钢②典型牌号(3)F型耐热钢这类钢抗氧化强，但高温强度低，焊接性差，脆性大，多用于受力不大的加热炉部件。是在F不锈钢的基础上加入Si、Al等合金元素，提高其抗氧化性能。①成分及性能特点1Cr13Si3、1Cr13SiAl、1Cr18Si2等②典型牌号(4)A型耐热钢这类钢有高的热强性和抗氧化性，高的塑性和冲击韧性，良好的焊接性和冷成形性。主要用于制造工作温度在600℃～850℃间的高压锅炉过热器、汽轮机叶片、叶轮、发动机气阀等。是在A不锈钢的基础上加入W、Mo、V、Ti、Nb、Al等元素，以强化A，形成稳定碳化合物和金属间化合物，提高钢的高温强度。①成分及性能特点1Cr18Ni12Ti、1Cr15Ni36W3Ti、4Cr14Ni14W2Mo等②典型牌号(4)沉淀硬化型耐热钢这类钢和沉淀硬化不锈钢基本相同典型牌号：0Cr17Ni4Cu4Nb0Cr17Ni7Al（二）高温合金对于航空、航天飞机的零构件，如喷气发动机的压气机燃烧室、涡轮、尾喷管等等，在800℃以上温度长期服役，耐热钢已经不能满足抗氧化和高温强度的要求，这时候就应该选用高温合金。分类：铁基、镍基、钴基、铌基、钼基1)铁基高温合金单相A组织，抗氧化性好，冷加工成形和焊接性好，用于制造形状复杂、需经冷压和焊接成形、但受力不大，主要要求在800℃～900℃下抗氧化能力强的零件。如喷气发动机的燃烧室、火焰筒等等。是在A耐热钢的基础上增加Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、Nb、Al等，以形成单相A组织提高抗氧化性，并提高再结晶温度，以及形成弥散分布的稳定碳化合物和金属间化合物，提高合金的高温强度。(1)成分及性能特点GH1035、GH2036、GH1130、GH2132等(高合GH）(2)典型牌号2)镍基高温合金单相A组织，抗氧化性好，高温强度高，用于制造在800℃～900℃以下受力的零件。如涡轮机叶片等。这类合金是以Ni为基。加入Cr、W、Mo、Co、V、Ti、Nb、Al等，以形成Ni为基的固溶体。产生固溶强化并提高再结晶温度，以及形成弥散分布的稳定碳化合物和金属间化合物，提高合金的高温强度。(1)成分及性能特点GH3030、GH4033、GH4037、GH3039、GH3044等(2)典型牌号三、低温钢低温钢是指工作温度在0℃以下的零件和结构件钢种。广泛用于低温下工作的设备，如冷冻设备、制氧设备、石油液化设备、航天工业用的高能推进剂液氢、液氮等液体燃料的制造、贮运装置、寒冷地区（如北极、南极）开发所用的机械设施等等。1)用途性能要求：冲击韧性FATTFractureAppearanceTransitionTemperature.断口形貌转化温度。2)FATT试验温度剪切面积比例％FATT剪切面积比例％FATT50C、S、P会↑FATT，Mn、Ni会↓FATT,BCC随T↓韧性显著降低，FCC随T↓影响不大。3)成分及性能特点常用低温钢低碳锰钢镍钢A不锈钢4)典型低温钢四、耐磨钢广义地讲，耐磨钢是指用于制造高耐磨零件及构件的一些钢种。有高碳铸钢、硅锰结构钢、高碳工具钢以及滚动轴承钢等，但通常指高锰钢。高锰钢的成分高的C0.9～1.5%适量Si0.3～0.8%低S＜0.05%低P＜0.10%高锰钢经热处理后能得到单一的A，韧性好，但硬度低，200HBS，但当其受到剧烈冲击及高压力作用时，其表层的A将迅速产生加工硬化，同时伴有A→M，导致表层的硬度提高到450～500HBS，从而形成硬而耐磨的表面，但其内部仍然保持原有的低硬度状态。当表面一层磨损以后，新的表面将继续产生加工硬化并获得高的硬度。高锰钢的性能由于高锰钢具有很高的加工硬化能力，切削加工十分困难，所以基本上是铸造成型的，故其钢号用ZG铸钢表示如：ZGMn13典型牌号要点总结熟悉合金元素在钢中存在的形式和作用掌握第一第二类回火脆性了解典型钢号的特点合金元素在钢中的存在形式固熔体化合物游离态固熔于F、A、M中Ni、Si、Co、Mn、Cr、Mo、W碳化物金属间化合物非金属夹杂物合金渗碳体特殊碳化物如Pb、Cu等2)合金元素在钢中作用细化A晶粒Ti、V、Nb、Zr、Al提高淬透性除Co以外，如Mn、Cr、W、Mo提高回火抗力Cr、W、Mo、V固溶强化Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W第二相强化Mn、Cr、Mo、W扩大A相Ni、Mn、Cu、N扩大F相Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al形成致密氧化膜Si、Al、Ni、Cr、W、Mo、Ti第一类回火脆性第二类回火脆性。第一类回火脆性的防止一般认为，低温回火脆性是由于M分解时沿M板条或片的界