第七章钢铁材料ppt课件.ppt

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1、1,机械工程材料,主讲教师：吴宜勇电话：86412462,2,主要内容,绪论第一章 材料的内部结构第二章 结晶与显微组织第三章 工程材料的力学性能第四章 工程材料的物理、化学性能第五章 工程材料的强化理论第六章 钢的热处理与马氏体相变强化第七章 钢铁材料第八章 有色金属及其合金,3,第七章 钢铁材料,定义：钢铁材料通常包括钢和铸铁，包含所有实用的Fe-C基合金,实用: 成分可调，易于冶炼（可制造性）综合性能（可使用性）好，机械性能尤为突出资源丰富（存在性）,钢: 含碳量小于2.11%；铸铁：含碳量大于2.11%,学习目的：通过对钢铁材料的学习,举一反三,为在工程中正确选择和使用材料打下理论基础

2、,Fe-C基合金: 以Fe-C主要元素, 加入其他合金元素改性,4,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,5,7.1.1 钢铁材料的分类,1.成份分类,2. 供应状态 显微组织,7.1 概述,6,7.1.1 钢铁材料的分类,7.1 概述,3.冶金质量,4.用途,工程结构钢：建筑、桥梁、船舶、 车辆、压力容器,机器零件用钢：渗碳钢；调质钢； 弹簧钢；轴承钢,工具钢：刃具钢；模具钢；量具钢

3、,特殊性能钢：不锈钢；耐热钢；耐寒钢,问题：按用途分类的各类钢，在成分上、冶金质量上和供应态显微组织的特点？,7,7.1.2 钢的编号,7.1 概述,钢编号原则：我国采用国际化学符号、数字及汉语拼音并用的原则,国际化学符号: 材料组成(一般指除基本元素以外的合金元素), 如Ni, Co, Cr, W, Mn, Si等,汉语拼音: 用于说明材料的产品名称、用途、冶炼和浇铸方法等。表7-1列出了部分钢号中的汉语拼音字符的意义,举例，16Mn, 16Mnq, GCr15, T10, T10A等,数字: 一般表示某组成元素的含量(用整数), 表示方法根据材料不同,8,7.1.2 钢的编号,7.1 概述

4、,表7-1,9,7.1.2 钢的编号,7.1 概述,10,7.1.2 钢的编号,7.1 概述,2. 优质碳素结构钢: 平均碳含量两位数-万分数。45钢,3. 碳素工具钢: “T” + 平均碳含量-千分数。T8; T10; T8A,4. 合金结构钢: 牌号表示法与普低钢类似。60Si2Mn,5. 合金工具钢: 平均碳含量千分数 + 合金元素+含量%。9Mn2V C1%时不标注含碳量。CrMn (C:1.31.5%) 高速钢：不标注含碳量。W18Cr4V (C:0.70.8%),6. 滚动轴承钢: 一般含碳量为0.951.15%，不标注。钢号前加注“G”。GCr15,7. 不锈钢及耐热钢: 平均碳

5、含量-千分数。9Cr18 (C0.9%, Cr18%)。含碳量小于0.03%及0.08%时，在钢号前分别加“00”及“0”， 00Cr18Ni10,11,7.2 普通结构钢,构件钢损伤破坏例: Titanic 号沉船与构件(船用)钢,Titanic,Sinking of The Titanic,按照常规的拉伸试验,强度-塑性指标满足船用结构的要求但是杂质含量较高高的韧-脆转变温度, 不适于低温服役Tatanic撞击冰山的温度为-2C,ASTM A36 (Q235)钢样品Charpy冲击能-温度试验-韧性,12,7.2 普通结构钢,桥梁与构件钢,美国旧金山金门大大桥,九江长江大桥（15MnVNq

6、）首次采用高强度15MnVNq钢材（屈服强度420MPa）,武汉长江大桥（Q235q）,南京长江大桥（16Mnq）,屈服强度350MPa 。,13,7.2 普通结构钢,7.2.1构件用钢的性能要求和选材,1.使用性能：保证钢材安全可靠服役的性能要求,构件用钢使用特点：,4.在一定温度与环境条件下,1.用于制作工程结构, 冶炼简便, 成本低, 用量大,3.长期承受静载,2.供应态使用, 使用时一般没有相对运动,构件用钢性能要求：,（1）力学（机械性能）：刚度、塑变抗力、断裂抗力、塑性、缺口敏感性、冷脆倾向,（2）化学稳定性：耐环境（大气、海水、河水、工业环境）腐蚀能力,14,7.2 普通结构钢,

7、7.2.1构件用钢的性能要求和选材,构件用钢性能要求：,2. 工艺性能: 满足构件服役时形状和连接要求的性能,（1）冷变形性能：,（2）焊接性能：,a. 变形抗力反映了通过变形制备成设计形状部件的难易程度b. 承受一定量的塑性变形时产生变形、开裂或其它缺陷的倾向性c. 冷变形前后的性能变化,a. 焊接接头性能b. 焊接时形成裂缝的倾向,构件用钢选材原则：,1.选材首先满足工艺性能的要求，并充分考虑其力学性能,2.材料的成分以低碳钢(C0.2%)为主；材料组织: 大量F+少量P,3.构件材料供应态（热轧空冷正火态）直接使用；特殊情况下使用淬火回火态,15,7.2 普通结构钢,7.2.2 普通碳素

8、结构钢（普碳钢）,普碳钢的生产与用途占钢总产量的7080%制成各种型材，主要用作工程结构(建筑、车辆等)少量用作普通零件,类别与特点（国标GB700-88)五类：Q195, Q215, Q235, Q255, Q275(表7-2，7-3）,Q195碳含量低，塑性好。也常用于制铁钉、丝、各种薄板和冲压件Q215, Q235, Q255也可制普通零件，如铆钉、螺钉和不重要的渗碳件Q275属中碳钢。可代替30或40钢做普通零件特殊用途：更具特殊构件的要求，调整材料的成分和生产工艺制成特殊用途钢。如Q235q, 20g, C20,16,7.2 普通结构钢,7.2.2 普通碳素结构钢（普碳钢）,17,7

9、.2 普通结构钢,7.2.2 普通碳素结构钢（普碳钢）,18,7.2 普通结构钢,7.2.3 普通低合金结构钢（普低钢）,普低钢的出现与特点适应大型工程结构(大型桥梁、压力容器及船舶等), 减轻重量、提高构件可靠性既节约材料而发展起来的成分上属低碳低合金钢, 但强度高, 又称高强度低合金钢(HSLA)低碳：满足构件用钢工艺性能的要求低合金：加入以Mn为主的合金元素，以及V、Ti、Nb、N等。提高力学性能和其它使用性能,通用钢材：按屈服强度高低分为300MPa、350MPa、400MPa、450MPa、500MPa和650MPa六个级别（表7-4）,问题：加入合金元素提高钢材性能的原因？,19,

10、7.2 普通结构钢,7.2.3 普通低合金结构钢（普低钢）,比较Q235、16Mn及16MnNb成分、结构和性能差异，说明其原因,20,7.3 优质结构钢,包括优质碳素结构钢和优质合金结构钢重要机器零件、工具和其它特殊用途, 本节主要介绍机器零件用钢，即渗碳、调质、弹簧和轴承用钢工作条件：复杂的动静载荷和特殊环境首先满足使用性能（强度、塑性和韧性的有机结合）提高加工和热处理工艺性,21,7.3.1 渗碳钢(1)：概念,目的：获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳和弯曲疲劳强度渗碳材料及其性能低(中)碳钢或低(中)碳合金钢一定的整体强度和良好的塑性韧性渗碳过程的分类渗剂状态：固体、液体和气体可控

11、气氛渗碳和真空渗碳渗碳温度：900930C (为什么？)渗碳后热处理渗碳组织渗碳缺陷,渗碳概念：钢件在渗碳介质中加热和保温，碳原子渗入表面，获得一定的表面碳含量及碳浓度梯度的工艺,7.3 优质结构钢,22,7.3.1 渗碳钢(2)：渗碳后的热处理,钢渗碳后的热处理-淬火直接淬火：适用于气体和液体渗碳操作简单，效率高；变形和表面脱碳倾向小A体晶粒较大，不利于零件的机械性能。适宜本质细晶粒钢一次加热淬火：渗碳缓冷后再次加热淬火淬火温度： Ac3-心部组织细化，表面Ar多淬火温度： Ac1Ac3-心部有未溶粗大F, 表面性能好两次加热淬火：渗碳缓冷后进行两次加热淬火第一次淬火温度Ac3：细化心部组织

12、，消除表面网状碳化物第二次淬火温度稍高于Ac1点(780820C)：表面组织细化（隐晶M)，Ar适量，碳化物分布均匀钢渗碳后的热处理-回火渗碳件淬火后都要经过180200 C低温回火,7.3 优质结构钢,23,7.3.1 渗碳钢(3)：渗碳后的组织和缺陷,渗碳后表面碳含量约为0.81.2%解释组织结构变化？主要的渗碳缺陷：黑色组织：内氧化引起反常组织：先共析渗碳体周围出行铁素体，钢中含氧过高引起。渗层深度不均匀:原始组织不均匀；钢表面污染或氧化。表面贫碳脱碳: 炉内碳势过低; 渗后热处理氧化,7.3 优质结构钢,24,7.3.1 渗碳钢(4)：工程用渗碳钢,1. 渗碳钢的工作条件：,零件有较高

13、的强度和可靠性,零件会受到较大的表面摩擦,零件会受大较大的冲击作用,2. 渗碳钢的性能要求：,常用渗碳钢零件：齿轮，凸轮，活塞销,一定的强度和塑性，以抵抗拉伸、弯曲和扭转等变形破坏,表面较高的硬度和耐磨性，以抵抗磨损和表面接触疲劳,较高的韧性，以承受强烈的冲击作用,较好的抗疲劳破坏能力，以抵抗循环载荷的作用,7.3 优质结构钢,25,7.3.1 渗碳钢(4)：工程用渗碳钢,渗碳钢零件齿轮的主要失效形式,齿跟因过载、冲击或疲劳断裂,过载齿形流变,接触疲劳麻点,过载、润滑不当或过热引起的表面粘着磨损,磨粒或麻点破坏,7.3 优质结构钢,26,7.3.1 渗碳钢(4)：常用渗碳钢,7.3 优质结构钢

14、,27,7.3.1 渗碳钢(5)：合金化及加工工艺,渗碳钢“外硬里韧”的力学性能特点通过选择低碳钢的表面渗碳来满足，但低碳钢是满足不了高性能零件的要求，这主要是由于：,1）形状、尺寸变化：高的淬透性要求2）长寿命可靠性：更高的表面耐磨性和整体机械性能的要求,合金化,合金化元素Cr, Mn, Ni, Mo, B, Ti2020Cr20CrMnTi,7.3 优质结构钢,28,7.3.1 渗碳钢(5)：合金化及加工工艺,零件加工工艺路线：注意热处理工艺要求,下料,正火,渗碳,低温回火,预冷淬火,问题：试说明渗碳钢各热处理工艺选择的目的，正火、淬火温度和回火温度？并说明原因。,7.3 优质结构钢,29

15、,7.3.1 渗碳钢(5)：渗碳钢零件组织,预备热处理（正火）：F+S,最终热处理-淬火+低温回火,7.3 优质结构钢,30,31,7.3.2 调质钢(1)：特点和要求,调质钢概念：经淬火加高温回火而使用的结构钢,组织特点: 回火索氏体,性能特点：综合机械性能好,调质钢的工作条件及性能要求：,使用调质钢的零件：机床主轴，曲轴，连杆工作条件：承受较大弯矩，传递扭矩受交变应力，已产生疲劳启动或刹车时受冲击与轴承配合部有磨损,7.3 优质结构钢,32,7.3.2 调质钢(1,2)：特点和要求,常用调质钢,调质钢的性能要求：高的屈服强度和疲劳极限良好的塑性韧性局部优良耐磨性较好淬透性,2. 常用调质钢

16、：中碳(合金)钢, 如45, 40Cr, 38CrMoAl,调质处理,低碳钢,中碳钢,高碳钢,韧性好，但强度过低,强度韧性最佳配合,强度高，但韧性偏低,7.3 优质结构钢,33,7.3.2 调质钢(2)：常用调质钢,7.3 优质结构钢,34,中碳钢的调制处理实现零件良好的综合机械性能要求，但中碳钢满足不了高性能零件的要求，由于：,1）高的淬透性要求2）更高的整体机械性能和局部表面耐磨性的要求,合金化,合金化元素Cr, Mn, Ni, Si, B, W, Mo, Ti, V,主要提高淬透性,细化晶粒，提高回火稳定性, 抑制回火脆,7.3.2 调质钢(3)：调质钢合金化,7.3 优质结构钢,35,

17、7.3.2 调质钢(3)：调质钢热处理与加工工艺,下料,铣键槽,以车床主轴(多阶梯中小尺寸轴)为例, 性能要求：承受交变弯曲和扭转应力；有冲击作用；键槽部分有磕碰或滑动，轴承部分摩擦，提高局部耐磨性,预备热处理：正火或完全退火,试确定45钢的正火温度，指出正火后组织,7.3 优质结构钢,36,7.3.2 调质钢(3)：调质钢热处理与加工工艺,感应淬火是一种表面强化处理工艺。利用感应电流加热工件，并快速冷却而在表面获得马氏体的工艺,交变磁场感应电流趋肤效应表面加热快速冷却表面获得马氏体,7.3 优质结构钢,37,7.3.2 调质钢(3)：表面高频淬火组织,7.3 优质结构钢,38,7.3.3 弹

18、簧钢(1)：使用条件和性能要求,弹簧类零件的使用条件及性能要求,概念：用于制造弹簧或类似弹簧性能零件的钢种。常用零件：汽车蝶板弹簧，仪表弹簧，汽阀弹簧,主要作用和使用条件,间断吸收能量,缓和机械振动和冲击,周期性储存能量,主要失效形式,疲劳断裂,塑性变形，失去弹性,7.3 优质结构钢,39,7.3.3 弹簧钢(1)：使用条件和性能要求,弹簧类零件的使用条件及性能要求,弹簧钢的性能要求,1）高的屈服强度、疲劳强度和高的屈强比,2）一定的塑性和韧性,3）好的淬透性，以保持零件组织均匀性,4）在高温和腐蚀介质下工作时，有好的环境稳定性,7.3 优质结构钢,40,7.3.3 弹簧钢(2)：常用弹簧钢及

19、其合金化,弹簧钢分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢,弹簧钢零件性能以强度要求为主,弹簧钢成分特点含碳量较高（0.50.9%)以Si、Mn为主要合金化元素以Cr、W、V为辅合金化元素,讨论：1.说明含碳量较高的原因？2.合金元素Si、Mn在弹簧钢中的作用3.Cr、W、V的作用又是什么？,7.3 优质结构钢,41,7.3.3 弹簧钢(2)：常用弹簧钢,7.3 优质结构钢,42,7.3.3 弹簧钢(3)：弹簧钢的热处理及加工工艺,弹簧钢按成形方法分为冷成形和热成形两类冷成形，即强化后成形的弹簧（丝径小于810mm的弹簧或钢丝）冷成形弹簧表面质量好多次冷拔的钢丝强度可达1600MPa,A体化,等温铅淬(450

20、550C),获得细小珠光体,冷拔成形,去应力退火(250300 C ),最终成形,均匀组织,直接冷拔,680 C中间退火,7.3 优质结构钢,43,7.3.3 弹簧钢(3)：弹簧钢的热处理及加工工艺,弹簧钢按成形方法分为冷成形和热成形两类热成形，即成形后强化的弹簧（大中型弹簧）热成形时材料表面会有氧化、脱碳，弹簧表面质量不好，故增加喷丸处理汽车板簧用60Si2Mn钢热成型，经喷丸处理后使用寿命提高（35）倍,A体化,热卷成形,中温回火（350450C）,表面喷丸处理,成品出厂,余热淬火,7.3 优质结构钢,44,概念：主要用于制造滚动轴承零件的钢种。滚动轴承由内套、外套、滚动体及保持架组成,滚

21、动轴承,内 套,外 套,滚动体,保持架,轴承钢,低碳钢冲制成形,7.3.4 滚动轴承钢(1)：轴承的组成,7.3 优质结构钢,45,工作条件和失效形式,工作条件,失效形式,交变载荷，接触疲劳,表面磨损擦伤,冲击变形损伤,尺寸不稳定，配合不好,环境和润滑油腐蚀,7.3.4 滚动轴承钢(2)：工作条件和性能要求,7.3 优质结构钢,46,失效轴承的形貌特征,7.3.4 滚动轴承钢(2)：工作条件和性能要求,7.3 优质结构钢,47,轴承钢使用性能要求,1）高而均匀的表面硬度(HRC61-65)，提高耐磨性,2）高的弹性极限和接触疲劳强度,3）良好的组织均匀性和尺寸稳定性,4）一定的耐蚀性和足够的韧

22、性,5）好的淬透性,7.3.4 滚动轴承钢(2)：工作条件和性能要求,7.3 优质结构钢,48,高含碳量：一般为0.951.15%，保证高强度高耐磨性马氏体中有足够含碳量钢有足够的弥散碳化物加入Cr、Mn、Si合金化元素提高淬透性强化铁素体稳定碳化物细化组织提高回火稳定性和尺寸稳定性高的接触疲劳极限对材料中的微小缺陷敏感：高的冶金质量要求，S, P0.02%,7.3.4 滚动轴承钢(3)：轴承钢成分及合金化,7.3 优质结构钢,49,在轧钢、矿山机械中受冲击载荷较大的大型轴承可选用渗碳钢制造，如20NiMo, 20Cr2Ni4WA等高温轴承选用高合金钢制造，如Cr4Mo4V, 9Cr18Mo,

23、7.3.4 滚动轴承钢(4)：常用轴承钢,7.3 优质结构钢,50,以GCr15为例，轴承的加工工艺路线如下：,7.3.4 滚动轴承钢(5)：加工工艺与热处理,7.3 优质结构钢,51,52,定义：用于制造各种加工和测量工具的钢，包括刃具、磨具和量具。,工具钢的通用性能,高硬度、高耐磨性,高温硬度和高温稳定性,较好的韧性和淬透性,较高含碳量,高回火稳定性（合金化）,杂质含量低(S，P0.02%),下料,最终热处理,精加工及表面处理,工具钢的一般加工工艺：,7.4 工具钢,工具钢的成分要求,53,7.4 工具钢,54,刃具钢的工作条件及性能要求,刃具：车、钳、铣、刨、钻、锯等刃具钢：制造用于切削

24、加工零件的钢材,性能要求,高硬度、高耐磨性,高温稳定性，红硬性,较好的韧性和淬透性,快速切削摩擦摩擦生热，温度达500C切削震动和冲击,工作条件,7.4.1 刃具钢(1)：工作条件与性能要求,7.4 工具钢,55,定义：材料在受热条件下仍能保持足够高的硬度和切削能力的特性,红硬性物理表征：以多次高温回火(600C)后的室温硬度表示以保持一定硬度(HRC60)而能使用的最高回火温度表示,红硬性物理本质：抗高温回火的软化能力，材料的回火抗力,7.4.1 刃具钢(2)：红硬性,7.4 工具钢,56,刃具钢分类：碳素刃具钢、低合金刃具钢、高速钢,1) 碳素刃具钢：T8, T10, T12, T8A,特

25、点,适用范围：适用于手工工具，小尺寸低速刃具、模具。加工低硬度材料,耐磨、加工性好,价格便宜,满足一般工具工作条件,红硬性低(200C),淬透性差,说明T8钢的预备热处理和最终热处理工艺,7.4.1 刃具钢(3)：碳素刃具钢及其加工工艺,7.4 工具钢,57,低合金刃具钢：合金元素(Cr, W, Mn.)含量不超过35%,适用范围：适用于优质手工工具，较大尺寸普通刃具、模具。加工低硬度材料,高硬度，耐磨、加工性好,价格较便宜,工具性能较碳素钢的好,特点,红硬性提高(300C)淬透性好,以CrWMn钢为例，说明合金元素含量及其作用,7.4.1 刃具钢(4)：低合金刃具钢,7.4 工具钢,58,7

26、.4.1 刃具钢(3, 4)：常用碳素刃具钢,7.4 工具钢,59,7.4.1 刃具钢(3, 4)：常用低合金刃具钢,7.4 工具钢,60,高速钢：用于高速切削以及大尺寸复杂的工具钢,性能特点: 高硬度、耐磨性, 高红硬性, 高淬透性成份特点：高碳含量, 高合金含量, 高冶金质量常用高速钢：钨系、钼系、钨钼系,7.4.1 刃具钢(5)：高速钢,7.4 工具钢,61,高碳含量：0.71.65%,W、Mo,Cr,V,获得高碳马氏体形成足量碳化物,回火稳定性、红硬性二次硬化效应,溶入A, 提高淬透性形成碳化物,细化奥氏体提高耐磨性、红硬性,其它元素(Ti,Co,Al,B) 主要是提高材料硬度和红硬性

27、,7.4.1 刃具钢(5)：高速钢,7.4 工具钢,62,原因,高碳高合金含量,目的,消除碎化粗大共晶组织,目的,消除应力，调整性能,HB230, S+粒状Carbide,原因,充分A化，防止过热过烧,提高淬透性，稳定M,5）高温淬火 12501300C,1）莱氏体钢,2）反复锻造,3）球化退火,4）机械加工,6）高温回火,多次回火，多级回火,M隐+粒状Carbide+A残,7.4.1 刃具钢(5)：高速钢组织及热处理,7.4 工具钢,63,7.4.1 刃具钢(5)：高速钢组织及热处理,7.4 工具钢,64,7.4.1 刃具钢(5)：高速钢组织及热处理,7.4 工具钢,二次淬火：淬火高速钢（高

28、合金钢）含有大量的残余奥氏体，在高温回火冷却过程中，高合金含量残余奥氏体转变为马氏体的过程，称为二次淬火,二次硬化：淬火高速钢在高温回火时，马氏体分解产生大量合金碳化物，弥散强化效果显著；同时高温回火时的二次淬火效应也强化了钢材。以至在较高温回火时钢的强硬性再次升高的现象，称二次硬化,65,1) 冷作模具：冷态下变形加工材料的模具。冷冲、冷轧、冷镦、拉丝模等。,工作条件:与刃具类似。但冷态加工模具, 磨损面大; 冷冲冷镦模受到的冲击大,模具对尺寸精度要求高,性能要求: 与刃具钢类似, 耐磨耐冲击性要求更高; 尺寸稳定性要求更高, 但红硬性要求较低,2) 常规冷作模具：大部分刃具钢都可以用来制作

29、某些冷作模具。T8A, T12A, Cr2, 9CrSi制作负荷不大，尺寸小和精度要求不高的模具。,缺点：淬透性差，热处理变形大，耐磨不足，寿命短,7.4.2 模具钢(1)：冷作模具钢,7.4 工具钢,66,3) 专用冷模钢：Cr12型钢为莱氏体钢，其制作模具的加工工艺与高速钢的加工工艺类似4) 高速钢也是一种优异的冷模钢,7.4.2 模具钢(1)：冷作模具钢,7.4 工具钢,67,1）热作模具：材料热加工或热成形的模具。热锻模、热挤压模、压铸模、热轧模等。,工作条件：与刃具类似。但模具整体反复受热和冷却;热态加工时摩擦冲击多用大；模具尺寸精度要求高,性能要求：良好的综合机械性能；表面耐磨性好

30、，一定的红硬性；抗热疲劳性能好；淬透性高,热疲劳失效：热作模具服役时反复加热和冷却引起的热应力以及表面氧化共同作用导致的材料失效过程,材料保持常温和高温强韧性; 抗氧化性; 抗蠕变性能,物理本质,7.4.2 模具钢(2)：热作模具钢,7.4 工具钢,68,3) 热作模具钢的合金化原则：足够碳含量保证淬火回火后模具的硬度和韧性合金元素提高回火稳定性、淬透性、耐磨性和热疲劳性能强度性能要求较高时, 含碳量较高; 韧性要去较高时, 含碳量较低; 氧化性要求较高时Cr、W、V等元素行量较高,2) 常规热作模具：热模钢一般使用中碳调质钢，但含有较多的合金化元素(原因?)。工程常见的模具钢如：5CrNiM

31、o, 5CrMnMo, 3Cr2W8V,7.4.2 模具钢(2)：热作模具钢,7.4 工具钢,69,7.4.2 模具钢(2)：热作模具钢,7.4 工具钢,70,1）塑料模具：用于对塑料材料进行成形加工的模具。包括热固性塑料成形和热塑性塑料成形模具。,工作条件：有摩擦磨损，尤其对热固性塑料加工。模具反复受热和冷却，冷热循环；模具形状复杂，尺寸精度要求高；塑料对模具的化学腐蚀作用。,性能要求：足够的强韧性表面耐磨抗腐蚀, 表面硬度应在HRC45以上表面光洁度高, 脱模性好。一般需进行表面改性处理热处理变形小, 以保证互换性和配合精度钢材纯净杂质少, 偏析小,7.4.2 模具钢(3)：塑料模具钢,7

32、.4 工具钢,71,小尺寸成形模具钢(材料): 工业纯铁, 低碳钢10, 15, 20Cr,中小尺寸形状不复杂模具钢：T7A, T10A, CrWMn, Cr12等,7.4.2 模具钢(3)：塑料模具钢,7.4 工具钢,2）常用塑料模具钢及加工工艺,72,大尺寸复杂形状模具用4Cr5MoSiV,复杂精密成形模具钢：18CrMnNi, 12Cr2Ni4WA加工工艺与渗碳钢类似加工塑料具有强腐蚀性：马氏体不锈钢模具1Cr13, 2Cr13加工工艺见马氏体不锈钢的加工工艺（后续课程）,7.4.2 模具钢(3)：塑料模具钢,7.4 工具钢,2）常用塑料模具钢及加工工艺,73,工作条件与性能要求：保证长

33、期存放和使用中尺寸不变，形状不变-尺寸稳定性存放使用时不磨损、不腐蚀-环境稳定性,量具钢：用于制造度量工件尺寸的工具材料,成份特点及对策：高碳含量，回火并得到稳定M用低变形钢：CrMn, CrWMn淬火前调质处理，可减少淬火变形淬火后冷处理，降低Ar；长时间低温回火，稳定材料组织电镀铬防护处理，提高装饰和耐磨耐蚀性,7.4.3 量具钢(1)：基本特点,7.4 工具钢,74,GCr15冶炼质量好, 淬透性好, 尺寸稳定性及耐磨性好, 有优秀的量具材料。其加工工艺与轴承钢类似,锻造,正火,球化退火,淬火,冷处理(-60-80C ),低温回火,机加工成型,磨削,去应力回火,镀铬表面防护和计量刻度标定

34、/标识,7.4.3 量具钢(2)：常用材料及热处理,7.4 工具钢,加工工艺,75,7.4.3 量具钢(2)：常用材料及热处理,7.4 工具钢,76,77,概念：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,主要作用和使用条件,在腐蚀性介质中服役,腐蚀介质中保持状态稳定,腐蚀速度极慢,主要失效形式和因素,电化学腐蚀,氧化腐蚀,原电池作用,7.5.1 不锈钢(1)：使用条件及失效形式,7.5 特殊性能钢,应力腐蚀,78,7.5.1 不锈钢(1)：使用条件及失效形式,7.5 特殊性能钢,79,尽量获得单相均匀组织降低碳含量加入合金元素，Fe+9%NiA(单相

35、)提高金属基体腐蚀电位Fe+(x/8)Cr，电位阶梯式升高, 腐蚀率下降其他合金元素的作用形成表面防护膜钢中加入Cr, Si, Al合金元素，易在表面形成致密钝化膜,7.5.1 不锈钢(2)：不锈钢合金化(材料设计)原则,7.5 特殊性能钢,80,不锈钢主要的成分特点：低碳含量含有Cr, Ni等合金元素含有Al、Si、Ti、Nd等合金元素,说明加入Ti、Nb的作用是什么？,7.5.1 不锈钢(3)：不锈钢成分特点和分类,7.5 特殊性能钢,不锈钢分类：以供应态(正火)组织分类马氏体型不锈钢(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

36、,81,马氏体型不锈钢成分特点：含碳0.10.4%含铬1218%其它元素Mo、V、Si、Cu等,说明各元素及其含量变化对材料性能影响？,7.5.1 不锈钢(4)：马氏体不锈钢,7.5 特殊性能钢,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,82,常用马氏体不锈钢：1Cr13, 2Cr13, 3Cr13, 9Cr18, 1Cr17Ni21Cr13, 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

37、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),7.5.1 不锈钢(4)：马氏体不锈钢,7.5 特殊性能钢,83,铁素体不锈钢的成分特点含碳小于0.15%含铬1730%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等主要用于力学性能要求不高、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？,7.5.1 不锈钢(4)：铁素体不锈钢,7.5 特殊性能钢,84,奥氏体不

38、锈钢的成分特点含碳小于0.1%含铬18%, 含镍811%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等主要用于各类耐腐蚀环境下结构件,7.5.1 不锈钢(4)：奥氏体不锈钢(18-8钢),7.5 特殊性能钢,85,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，腐蚀,高温强度不足,耐热钢性能要求,耐热钢使用条件,主要失效形式,7.5.2 耐热钢(1)：工作条件与性能要求,7.5 特殊性能钢,高温抗氧化性,高温强度,86,

39、1）抗氧化性：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提高钢抗氧化性的主要合金化元素：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：固溶强化晶界强化与常温细晶强化不同弥散强化,7.5.2 耐热钢(2)：高温性能及对策,7.5 特殊性能钢,87,3.5 蠕变试验,蠕变概念,是指材料在较高的恒定温度下，外加应力低于屈服极限时，随着时间的延长逐渐发生缓慢的塑性变形直至断裂的现象,88,3.5 蠕变试验,蠕变性能指标,蠕变极限,持久强度,表征材料在高温载荷长期作用下抵抗断裂的能力，以试样在给定温

40、度T()经规定时间t(h,小时)发生断裂的应力作为持久强度,以在给定温度T()下和规定的试验时间t(h,小时)内，使试样产生一定蠕变伸长量的应力作为蠕变极限,(,89,3.5 蠕变试验,蠕变数据的表达方式：蠕变极限,90,3.5 蠕变试验,蠕变数据的表达方式:持久强度,91,7.5.2 耐热钢(3)：常用耐热钢,7.5 特殊性能钢,珠光体型耐热钢：16Mo, 15CrMo, 12CrMoV使用温度：250550 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：550600 C主要应用：叶片、阀门奥氏体

41、型耐热钢：使用温度600700 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),92,7.5.2 其他特殊性能钢(1)：耐磨钢,7.5 特殊性能钢,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0.81.4%，含Mn1114%铸态组织：A+碳化物(Fe,Mn)3C热处理：水韧处理固溶A体化(1100C)，水淬；热处理组织：A；热处理后性能：HB190-220；韧性很高应用：材料被强烈

42、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HB500550,注意：一般机器零件的工作条件，耐磨钢的耐磨性不及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,93,7.6.1 铸铁的特征及其分类,7.6 铸铁,铸铁：含碳量大于2.11%的Fe-C基合金铸铁主要特征：C2.54%, Si13%, Mn0.51.4%, P0.010.5%, S0.020.2%生产工艺简单，成本低廉工艺性能好，铸造性能、切削价共性能优良耐磨减摩性好，缺口敏感性低机械性能可调主要应用及分类：按碳在铸铁中的存在形式及石墨形态分类：白口铁、灰口铁、球墨铸铁、蠕墨

43、铸铁和可锻铸铁铸铁主要应用：机床构件、内燃机气缸和活塞等，农用机械等,94,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,铁-碳双重相图,7.6.2 铸铁的石墨化,7.6 铸铁,95,石墨化过程的两个阶段,7.6.2 铸铁的石墨化,7.6 铸铁,96,石墨化组织：完全石墨化组织：F + G非完全石墨化组织：(F + P) + G或P + G石墨化的影响因素化学成分：促进石墨化元素: 常存元素C, Si, P;合金元素Co, Cu, Ni, Al阻碍石墨化元素: 常存元素S, Mn;合金元素:所有碳化物形成元素和Mg, Ce,

44、 B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,7.6.2 铸铁的石墨化,7.6 铸铁,97,7.6.2 铸铁的石墨化,7.6 铸铁,98,灰口铸铁,成份特点：2.54.0%C, 13%Si, 0.251%Mn, 0.020.2%S, 0.050.5%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 = 35， = 0优异的耐磨性和消震性工艺性能好灰铁牌号：HT200,7.6.3

45、 常用铸铁,7.6 铸铁,99,7.6.3 常用铸铁,7.6 铸铁,100,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（800950C）表面淬火：增加表面的硬度和耐磨性,7.6.3 常用铸铁,7.6 铸铁,101,2.可锻铸铁,7.6.3 常用铸铁,7.6 铸铁,成份特点: 2.42.7%C, 1.41.8%Si, 0.50.7%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

46、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可锻铸铁牌号： 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,102,7.6.3 常用铸铁,7.6 铸铁,103,3.球墨铸铁,7.6.3 常用铸铁,7.6 铸铁,成份特点: 3.84.0%C, 2.02.8%Si, 0.60.8%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性能特点：(与普通钢材相比）机械性能：较可铁

47、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。还可进行热处理强化！球铁牌号：QT420-10,104,球铁热处理：球铁的性能由相应钢基体性能决定石墨化退火工艺；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,7.6.3 常用铸铁,7.6 铸铁,105,4.蠕墨铸铁,7.6.3 常用铸铁,7.6 铸铁,成份特点: 3.53.9%C, 2.12.8%Si, 0.40.8%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210，与球墨共存) + 钢基体根据石墨化程度的

48、不同，钢基体可为F，F + P，P性能特点：(与普通钢材相比）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！蠕铁牌号： RT420-10蠕铁热处理：蠕铁热处理与球铁类似,106,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掌握新的概念：红硬性、二次硬化、热疲劳、高速钢、热强性、尺寸稳定化、石墨化、硬质合金,107,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）,第七章 总结,