第六章 钢铁材料4(特殊性能用钢)

7.5特殊性能钢•具有特殊的物理化学性能并可在特殊环境下工作的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢和低温用钢等1.不锈钢的使用条件及材料设计原则主要作用和使用条件在腐蚀性介质中保持稳定腐蚀速度极慢主要失效形式7.5.1不锈钢电化学腐蚀氧化腐蚀；应力腐蚀原电池作用不锈钢的材料设计原则尽量获得单相均匀组织提高金属基体腐蚀电位形成表面防护膜Fe+9%NiA(单相）降低碳含量Fe+(x/8)Cr电位阶梯式升高Cr,Si,Al在表面形成致密钝化膜不锈钢主要的成分特点：o低碳含量o含有Cr,Ni等合金元素o含有Al、Si、Ti、Nd等合金元素加入Ti、Nb的作用是什么？2.不锈钢的分类及常用不锈钢1)不锈钢分类：按供应态（正火）组织分马氏体型不锈钢(Cr13型)铁素体型不锈钢(Cr17、Cr25型）奥氏体型不锈钢(18-8型)双相不锈钢沉淀硬化型不锈钢2）马氏体不锈钢：马氏体型不锈钢成分特点：含碳0.1~0.4%含铬12~18%其它元素Mo、V、Si、Cu等说明个元素及其含量变化对材料性能影响？2）马氏体不锈钢：马氏体型不锈钢性能特点：含碳量较高，力学性能好热加工性能好切削加工性好耐蚀性随含碳量升高而降低常用马氏体不锈钢：1Cr13,2Cr13,3Cr13,9Cr18,1Cr17Ni21Cr13,2Cr13优良的抗大气、蒸汽介质腐蚀，耐蚀结构钢。用于制作汽轮机叶片、热烈设备配件、锅炉附件等热处理：淬火+高温回火(S回)，注意回火脆3Cr13,4Cr13耐蚀性下降，但力学性能好。用于制作不锈钢工具，如医疗器械、刃具、热油泵轴等热处理：淬火+低温回火(M回)(HRC50)3）铁素体型不锈钢铁素体型不锈钢的成分特点含碳小于0.15%含铬17~30%其它元素Mo、V、Ti等铁素体型不锈钢的性能特点耐蚀性较马氏体不锈钢好单相铁素体，无相变强化塑性、可焊性好有金属间化合物引起的高温脆性常用铁素体型不锈钢：1Cr17,1Cr17Ti,1Cr28,1Cr25Ti,1Cr17Mo2Ti等主要用于对力学性能要求不高、但耐蚀性要求高的环境下，如化工生产结构件试说明如何提高铁素体型不锈钢的力学性能？4）奥氏体型不锈钢（18-8型）奥氏体型不锈钢的成分特点含碳小于0.1%含铬18%,含镍8~11%其它元素Mo、Nb、Ti等奥氏体型不锈钢的性能特点耐蚀性优秀单相奥氏体，但有强加工硬化塑性、可焊性好有应力腐蚀倾向，注意加工应力常用奥氏体型不锈钢：1Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni9,00Cr18Ni9等各类耐腐蚀环境下结构件5）其他类型不锈钢•双相不锈钢：A+(5~20%)抗应力腐蚀性能更好并具有更好的抗晶间腐蚀能力和抗热裂性能0Cr21Ni5Ti,1Cr18Mn10Ni5Mo3Si2•沉淀硬化型不锈钢：解决奥氏体不锈钢强度不足，加工硬化引起的应力腐蚀问题加入Ni、Al、Ti、Nb形成金属间化合物Ni3Al，Ni3Nb，强化A不锈钢但不影响其耐蚀性用于高强高硬度且要求耐蚀性的条件下7.5.2耐热钢1.耐热钢的工作条件和性能要求高温下使用高温氧化环境使用高温腐蚀环境使用高温氧化高温强度不足钢的耐热性包括高温抗氧化性和高温强度两个方面使用条件主要失效形式1)高温抗氧化性：材料的抗氧化性不是指其不氧化，而是指其能很快在表面形成致密氧化膜，使材料不再继续氧化主要合金化元素：Cr，Si，Al2）高温强度：又称热强性，钢在高温下抵抗塑性变形和破断的能力。通常以蠕变极限和持久强度表示强化方式：固溶强化晶界强化弥散强化2.常用耐热钢•分类：按组织分类珠光体型耐热钢：16Mo,15CrMo,12CrMoV使用温度：250~550°C主要应用：锅炉、压力容器、热交换器和气阀等耐热件马氏体型耐热钢：1Cr13,2Cr13,4Cr9Si2,4Cr10Si2Mo使用温度：550~600°C主要应用：叶片、阀门奥氏体型耐热钢：使用温度：600~700°C固溶强化型18-8不锈钢：加热管，排气管；沉淀硬化型耐热钢：4Cr13Ni8Mn8MoVNb(GH36)，增压涡轮，叶片材料和高温紧固件金属间化合物强化耐热钢：0Cr15Ni26MoTi2AlVB(GH132)7.5.3其他特殊钢1.耐磨钢：专指在强烈冲击载荷或高压条件下发生表面硬化而具有高耐磨性的高锰钢。材料：ZGMn13。含碳0.8~1.4%，含Mn11~14%铸态组织：A+碳化物（Fe,Mn)3C热处理：水韧处理——固溶A体化（~1100°C），水淬组织：A；硬度：HB190-220；韧性很高应用：材料被强烈冲击或摩擦时，A产生强烈的加工硬化，并在表面诱发生成形变马氏体，表面硬度急剧升值HB500~550。注意：一般机器零件的工作条件，耐磨钢的耐磨性不即渗碳钢和其它高硬度钢材。高锰钢水韧处理后不能进行回火处理，否则钢材会脆化2.耐寒钢：一般指用于制造、储运液化气体用设备的钢材，也可用于航天真空工业。性能要求：足够的低温强度、低温韧性，可焊性和耐蚀性奥氏体型低温用钢：18-8型不锈钢（-200°C)铁素体型钢：主要适用于地球环境下的寒冷地带结构材料。16MnRE,09Mn2VRE,09MnTiCuRE主要耐寒钢：说明耐寒钢的成分设计原则。低碳马氏体型低温用钢：1Ni9（-196°C)7.6铸铁7.6.1概述铸铁：含碳量大于2.11%的Fe-C基合金。主要特征：C2.5~4%,Si1~3%,Mn0.5~1.4%,P0.01~0.5%,S0.02~0.2%工艺性能好，铸造性能、切削价共性能优良生产工艺简单，成本低廉耐磨减摩性好，缺口敏感性低。机械性能较好主要应用及分类：按碳在铸铁中的存在形式及石墨形态分类：铸铁主要应用：白口铁、灰口铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁机床构件、内燃机气缸和活塞等，农用机械等7.6.2铸铁的石墨化实用铸铁中的碳大部分或全部以石墨的形式存在碳全部以碳化物的形式存在的白口铁没有实用价值。因此碳的石墨化就十分重要了！1.铁-碳双重相图：2.铸铁的石墨化过程•按温度石墨化过程可分为两个阶段：完全石墨化组织：F+G共晶转变石墨初生(一次)石墨Fe3CI,Fe3CE,Fe3CII分解石墨Fe3Cs,Fe3CIII分解石墨第一阶段石墨化第二阶段石墨化非完全石墨化组织：(F+P)+G或P+G3.影响石墨化的因素1)化学成分：促进石墨化元素阻碍石墨化元素2）冷却速率：冷却速率小，过冷度小，利于石墨化过程冷却速率大，过冷度大，利于碳化物形成过程冷却速率由铸模类型、浇铸温度、铸件壁厚和尺寸等决定常存元素C、Si、P合金元素Co,Cu,Ni,Al常存元素S、Mn合金元素:所有碳化物形成元素及Mg、Ce、B等7.6.3常用普通铸铁1.灰口铸铁•性能特点：(与普通钢材相比）机械性能低：片状石墨的片状特征决定的石墨=20MPa，HB=3~5，=0优异的耐磨性和消震性工艺性能好•成份特点：2.5~4.0%C,1~3%Si,0.25~1%Mn,0.02~0.2%S,0.05~0.5%P•组织特征：片状石墨+钢基体根据石墨化程度的不同，钢基体可为F，F+P，P•灰铁牌号：HT200•灰口铁的热处理：可以改变钢基体的组织结构，但不能改变石墨的形态和分布去应力退火：保证尺寸稳定和防止变形开裂消除白口退火：加热至第一阶段石墨化温度（800~950°C）表面淬火：增加表面的硬度和耐磨性2.可锻铸铁•性能特点：(与普通钢材相比）机械性能：较灰铁大大提高，团絮状石墨应力敏感性小优异的耐磨性和消震性工艺性能好•成份特点：2.4~2.7%C,1.4~1.8%Si,0.5~0.7%Mn,0.025%S,0.008%P。另应加入B、Al、Bi等孕育剂，促进石墨化•组织特征：团絮状石墨+钢基体根据石墨化程度的不同，钢基体可为F，F+P，P•可铁牌号：KTH300-06;KTZ700-02•可铁热处理：可铁石墨化都是在固态下完成的石墨化工艺：三阶段石墨化退火3.球墨铸铁•性能特点：(与普通钢材相比）机械性能：较可铁又大大提高，球状石墨应力敏感性进一步小。性能接近于某些钢材保持灰铁好的耐磨，消震性较灰铁降低较多工艺性能好。还可进行强化热处理！•成份特点：3.8~4.0%C,2.0~2.8%Si,0.6~0.8%Mn,0.04%S,0.01%P。常用Mg、RE及稀土镁作为铸铁孕育剂•组织特征：球状石墨+钢基体根据石墨化程度的不同，钢基体可为F，F+P，P•球铁牌号：QT420-10•球铁热处理：球铁的性能是由相应钢基体性能决定的石墨化退火工艺；去应力退火工艺钢基体的热处理：正火、淬火回火、等温及表面淬火4.蠕墨铸铁•性能特点：机械性能：与球铁类似保持灰铁好的耐磨，消震性与灰铁类似工艺性能好。可进行强化热处理！•成份特点：3.5~3.9%C,2.1~2.8%Si,0.4~0.8%Mn,0.1%S,0.1%P。常用稀土硅铁、稀土硅铁钙及稀土镁等作为蠕化剂•组织特征：蠕虫状石墨（长径比2~10）+钢基体•蠕铁牌号：RT420-10•蠕铁热处理：蠕铁热处理与球铁类似钢基体可为F，F+P，P蠕虫石墨与球状石墨共存第七章钢铁材料7.1概述钢材分类钢材牌号7.2普通结构钢普通碳素钢普通低合金高强度钢7.3优质结构钢渗碳钢调质钢弹簧钢轴承钢7.4工具钢刃具钢模具钢量具钢7.5特殊性能钢不锈钢耐热钢其他特殊钢7.6铸铁概述铸铁的石墨化常用普通铸铁第七章总结•了解钢铁材料的分类，熟悉钢材牌号•熟悉常用钢铁材料的成分、组织结构与其工程使用性能间的关系•熟悉不同材料加工工艺（尤其热处理工艺）与相应组织及其使用性能间关系•了解各工程零构件和工具的使用条件和性能要求，并可通过相应的失效形式选择所需钢铁材料•熟悉一些新的概念：红硬性、二次硬化、热疲劳、高速钢、热强性、尺寸稳定化、石墨化组成-结构-性质-工艺过程之间关系示意图合成与制备过程使用性能性质组成与结构（化学）（工程）（物理学）