工程材料及热成型课件

1第五章金属材料主讲－朱和国南京理工大学材料系2本章学习内容及其重点1、了解本章金属材料的产生背景2、了解金属材料的分类3、了解碳钢中的杂质元素的种类及其作用4、掌握碳钢、合金钢的分类及其牌号5、了解合金化原理（较难）6、掌握合金结构钢的种类、特点及其用途7、了解其它金属材料的性能特点及其用途3本章第一讲：学习内容及其重点1、了解本章金属材料的产生背景2、了解金属材料的分类3、了解碳钢中的杂质元素的种类及其作用4、掌握碳钢、合金钢的分类及其牌号5、作业：二、三、四（1，12，17）4一、金属材料背景性能→结构→理想纯金属的结构→实际纯金属的结构→缺陷→四种强化手段→合金（典型代表是钢）→研究手段是相图→五种基本相图→Fe-C平衡相图→不改变成分时的强化即钢的热处理→改变成分时的强化为合金化即合金钢→钢及其它合金材料统称为金属材料5二、金属材料的分类金属材料黑色金属有色金属钢→合金钢铸铁→合金铸铁分类方法有很多，可见教科书或参考书6三、碳钢中的杂质元素及其作用1）炼铁－还原法原料（矿石）焦炭（还原剂）溶剂（石灰石）高炉生铁高碳高杂质MnSiSPNHO72）炼钢－氧化法生铁脱氧剂（Si铁、Mn铁）炼钢炉降碳（吹氧）、去氧、去杂质钢钢中的杂质元素:Mn、Si、S、P、O、N、H8四、杂质元素的作用：1）Mn：脱氧剂:Mn+FeO→Fe+MnO溶于铁素体:强化F脱硫剂:Mn+S→MnS(Tm=1620℃)2）Si：脱氧剂:Si+FeO→Fe+SiO2溶于铁素体：强化F有益有益93）S：S+Fe→FeS共晶体（FeS+Fe）熔点985℃→热加工时开裂－热脆焊接时：S+O2→SO2↑－焊缝产生气孔4）P：P+Fe→Fe3P，偏析于晶界，低温下脆性增加→冷脆有害有害5）N：应变时效－脆性；淬火时效大塑性冷变形金属放置或加热后FeN析出，脆性↑有害10当钢中含有亲N元素Al、V、Ti、Nb时→氮化物细化晶粒，提高韧性有益6、H：H脆呈白点，强度愈高，H脆倾向愈大7、O：部分溶于F，大部分以氧化物形式存在，降低钢的强度、塑性、韧性和疲劳强度。有害注意：P，S在易切钢中是有益的元素；N在一定条件下也是有益的元素11钢液在浇铸前，根据脱氧程度的不同，钢液呈现出不同的状态，由此分为以下几种：沸腾钢－去氧不干净－F镇静钢－去氧干净－Z半镇静钢－去氧介于两者之间-bZ特殊镇静钢－TZ脱氧剂：Si铁、Mn铁、Al铁等12五、碳钢的牌号碳钢碳素结构钢碳素工具钢铸钢普通碳素结构钢优质碳素结构钢ZG×××－×××sbT×T××C千分之,T-碳Q×××－××含碳万分之，公差为5FAZBbZCTZDEs13碳钢钢号举例普通碳素结构钢：Q215-A,Q235-B·b,优质碳素结构钢：20,45,60,65,70碳素工具钢：T8,T10,T12,T8A,T12A,铸钢：ZG200-400,ZG270-50014碳钢的不足：1）淬透性不高普通碳钢：最大淬透直径10～20mm2）屈强比低，40钢为0.43，而35CrNi3Mo为0.743）回稳性差4）综合性能差5）特殊性能差为此，需向碳钢中添加合金元素→改变成分→合金钢15本章第二讲：主要内容及要求1、复习碳钢的编号、存在的不足、合金元素的种类等2、了解合金化原理（较难！）3、理解和掌握合金钢分类、编号4、了解合金结构钢的分类、编号、合金元素的作用、用途等5、作业：二、三、四（1，12，17）165.2合金化原理一、常用合金元素：碳化物形成元素TiZrVNbWMoCrMnFe强中弱非碳化物形成元素Si、Co、Cu、Al、Ni、B17二、合金元素在钢中的存在方式强碳化物元素－直接形成稳定碳化物，如：TiC、ZrC、VC、NbC中碳化物元素－形成碳化物：Cr23C6、Mo2C、W2C合金渗碳体：(CrFe)3C合金铁素体弱碳化物元素－非碳化物元素－合金铁素体合金渗碳体(MnFe)3C合金铁素体18三、合金元素在钢中的作用1、对基本相的影响Mn192、对平衡相图的影响MnNiCoCNCu－A↑→ES线左下移动－E、S点左移1Cr18Ni9TiZMn130Cr18Ni9Ti形成合金铁素体－影响见图形成合金渗碳体－其稳定性和硬度高于渗碳体A钢20CrVMoWTiAlSiNbZrB→F↑（A↓）→ES线左上移→E、S点左移1Cr17Ti1Cr280Cr13F钢21合金元素对共析温度的影响合金元素对共析成分的影响22E、S点左移的后果：W18Cr4VC:0.7～0.8%Ld′4Cr13C:0.4%P共析3Cr2W8VC:0.3%过共析了3）对热处理的影响（1）对加热（A化）的影响Ni、Co促进，其它阻碍A化本质－C原子的扩散23（2）对A晶粒的影响MnP促进A晶粒长大，其它阻碍晶粒长大本质－Fe原子的扩散（3）对过冷A的影响AlCo→A稳定性降低→C曲线左移→淬透性↓其它：强碳化物元素→C曲线右移且变形中、弱、非碳化物元素→C曲线右移24C曲线右移淬透性↑残余A↑1Cr132Cr1318Cr2NiMo18CrNi4W41Cr18Ni9TiZMn13-1无B区无P区无M区25Ni元素对C=0.5%碳钢的TTT曲线的影响26Cr元素Co元素27合金元素对淬透性的影响28（4）对回火的影响a)提高回火稳定性－Me阻碍M分解b)提高红硬性－500～600℃析出碳化物K弥散强化c)二次淬火－A中的Me析出而Me含量降低，A的稳定性下降，较低温度下分解为回火M或F+碳化物d)回火脆性－MoW能消除高回脆快速冷却也可注意：合金元素必须进入A形成合金A，才能形成合金M，才能有碳化物从M中析出，才能起作用。2930合金钢的牌号合金钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢工程用车、船、桥、建筑机器用渗碳C:0.25%调质C:0.25~0.5%弹簧C:0.5~0.7%滚动轴承C:1%左右易切Y刀具量具模具不锈耐热耐磨MeMeMeMeMe31钢号举例表5-1碳素结构钢的牌号及化学成分（GB700-88）Q235-A·Z42CrMo5CrMnMoT838CrMoAl5CrNiMoCr12T12ACr12MoV（冷挤）3Cr2W8V(热挤)ZG310-57065Mn特殊W18Cr4VZG15CrMn60Si2MnW6Mo5Cr4V2(0.8~0.9)20GCr1500Cr18Ni5Mo3Si245GCr90Cr21Ni5Ti65GCr600Cr19Ni13Mo320CrGCr15SiMn18Cr2NiWA9SiCrW6Mo5Cr4V3(1.1~1.25)325.3合金结构钢一、工程用－低合金结构钢1）成分特点：低碳（≤0.2%）低合金（∑5%）2）合金元素：Mn－主加元素，固溶强化F，降低A→F+P转变温度，增加过冷度，细化晶粒，但一般0.8%VTiNb－细化晶粒、弥散强化CuP－在钢表面形成致密氧化膜钝化，耐蚀同时加效果更佳Cu:0.1~0.55%P:0.06~0.15%Re－消除杂质、净化组织，净化晶界，改变夹杂物的分布形态，改善钢的塑韧性。3）性能特点：强度高、塑韧性好、屈强比高、焊接性好、冷塑加工性好334）常见牌号16Mn－桥、车船、大型容器等、同类碳钢节省20～30%16MnNb－NbC弥散强化，强度高于16Mn，用于大型结构机械16MnCu－Cu钝化耐蚀，用于船等15MnVN－V、N细化晶粒，用于桥、锅炉等14MnMoV－正火得贝氏体，Mo、V提高中温性能，用于石油化工14CrMnMoVB－热轧空冷得贝氏体，强度提高，用于中温高压容器GB/T1591-94GB1591-88Q295Q345Q390Q420Q46009MnV,09MnNb,09Mn2,12Mn09MnCuPTi,12MnV,14MnNb,16Mn,16MnRe,10MnSiCu10MnPNbRe,15MnV,15MnTi,16MnNb15MnVN,14MnVTiRe新旧牌号对照：34二、机器用－渗碳、调质、弹簧、滚动轴承等1）渗碳钢（1）性能要求表面硬度60～65HRC和高耐磨性，而心部高的塑韧性和强度。（2）成分特点C:0.10～0.25％，以保证心部具有足够的塑性和韧性Cr，Ni，Mn，B－淬透性↑，保证心部的强度和韧性；Ti，V，W，Mo－形成稳定的碳化物，阻A长大，增加渗碳层的硬度，提高耐磨性。（3）分类及常用牌号按淬透性高低分35低淬透性渗碳钢－临界淬透直径：20～35mm20Cr,20CrV,20Mn2,20MnV中淬透性渗碳钢－临界淬透直径：25～60mm20CrMn,20CrMnTi,20Mn2TiB,20SiMnVB高淬透性渗碳钢－临界淬透直径：100mm以上18Cr2Ni4WA,20Cr2Ni4应用最广的是20CrMnTi为了节约铬，我国通常采用20Mn2B或20MnVB来代替（4）热处理特点渗碳＋淬火＋低温回火工艺过程复习上一章有关内容36（5）热处理后的组织与性能表面心部组织－高碳回火M+点状碳化物＋残余A性能－58～64HRC组织－淬透：低碳回火M未透：低碳回火M+F+P(S)或F+P,F+S,S等性能－30～45HRC（6）用途及举例汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等。3720CrMnTi渗碳齿轮工艺950～970℃920℃200℃机加工空冷预冷油冷气体渗碳下料→锻造→正火→机加工→渗碳→预冷→淬火→低回→后序382）调质钢（1）性能要求：综合性能好：高强度＋良好的塑韧性。（2）成分特点：C:0.25～0.50%。主加合金元素Cr、Mn、Ni、Si、B等－淬透性↑，形成合金铁素体，强度↑。辅加合金元素Ti、V、Mo、W等，形成稳定碳化物，阻止A长大，细化晶粒，并防止回火脆性。（3）分类及常见牌号低淬透性调质钢：20～40mm：40Cr,40MnB,40Mn2中淬透性调质钢：40～60mm：40CrNi,40CrMnB,35CrMo高淬透性调质钢：60～100mm：40CrMnMo,40CrNiMo39（4）热处理特点淬火＋高回（5）组织：回火索氏体（6）用途及举例拖拉机、汽车、机床等机器上的用于传递动力的轴、连杠、齿轮、螺栓等870℃840℃525℃空冷冷加工油冷水冷连杆螺栓40Cr工艺图下料→锻造→正火→机加工→淬火→高回→后序403）弹簧钢（1）性能要求：高弹性极限；高的屈强比（σs／σb）；高抗疲劳强度；足够的塑韧性；好的淬透性；不易脱碳和过热；易绕卷成型等。特殊的还要具有耐热性、耐蚀性等（2）成分特点：C:0.5～0.70%。主加元素－Si、Mn，淬透性、弹性极限疲劳限及屈强比↑但Si易致脱碳，降低疲劳强度；Mn易致过热，粗化晶粒，降低塑韧性，故需加入其它元素。辅加元素－Cr、W、V、Mo，并提高回稳性。（3）常用牌号65Mn,60Si2MnA,50CrVA,30W4Cr2VA(耐热弹簧锅炉500℃)41（4）热处理特点淬火＋中回（450～550℃）（5）组织：回火屈氏体（6）弹簧加工热卷成形：10mm大型弹簧，仅用于合金弹簧钢（碳钢淬透性）加热：淬火温度＋50～80℃，热卷成形，同时淬火+中回冷卷成形：10mm小型弹簧，1.钢丝或钢带先冷卷成形后淬火＋中回＋喷丸；2.钢丝或钢带冷拉、冷轧（具有高弹性了）后冷卷成形3.钢丝或钢带先淬火＋中回或铅浴等温淬火后冷拉或冷轧再成形，但需＋去应力退火；424）滚动轴承钢（1）性能要求：高硬度、高耐磨性、高接触疲劳强度、足够的韧性和淬透性。在大气和润滑介质中耐蚀，尺寸稳定性好。（2）成分特点：C:0.95～1.10%。主加合金元素Cr（0.4~1.65%）－淬透性↑，形成合金渗碳体，提高耐磨性和疲劳强度↑。辅加合金元素Si、Mn、V－进一步提高淬透性；V溶于A，形成稳定碳化物VC，提高耐磨性，阻止A长大，细化晶粒，防止过热。Si、Mn提高弹性限和强度。（3）常用牌号GCr6,GCr9,GCr15,GCr15SiMn等43此外，无Cr轴承钢：GSiMnVRe,GSiMnMoVRe，GMnMoVRe等渗碳轴承钢：G20CrMo,G20Cr