第七章-钢铁材料ppt课件.ppt

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1、第 七 章 钢 铁 材 料,7-1 钢中常存的杂质对其性能的影响 钢是指含碳量小于2.11%的铁碳合金;在实际的钢中还含有少量的杂质,它们对钢的性能有一定的影响。,锰、硅、硫、磷,产生原因：原料（铁矿石、脱氧剂）、燃料（焦炭）、溶剂（如石灰石）,1、锰的影响 锰是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的。钢中锰含量约为0.25 0.80%。作用：1)能够清除钢中的FeO，降低钢的脆性。2)能与硫化合成MnS(熔点1620)，减轻硫的有害作用，改善钢的热加工性能。但过量MnS可使钢性能恶化。3)能大部分溶于F 中,形成置换固溶体(含锰铁素体),起到强化作用。4)能少量地溶于渗碳体中,形成合金,还能增加P的

2、相对量,并使之细化,提高钢的强度。,2、硅的影响 硅是作为脱氧剂而加入的。作用：可消除FeO,改善钢的品质。(脱氧能力比锰强）可大部分溶于 F 中,使 F 强化,提高钢的强度及硬度。但塑性、韧性有所下降。易与氧生成脆性SiO2，对钢的性能不利。,3、硫的影响 硫是在炼钢时由矿石和燃料带进的,在一般钢中是有害杂质,必须严格控制。有害原因：它不溶于铁,以FeS的形式存在。并且与 Fe 形成低熔点(985)的共晶体,分布在晶界上;当钢材在10001200进行热加工时,它会熔化,使钢材变脆,称为热脆现象。有利：硫与锰形成的MnS在高温时塑性好,利于钢的热轧产生纤维组织。,4、磷的影响 磷是由矿石带进的

3、,在一般钢中是有害杂质,应严格限制。有害原因：能够溶于F 中,提高了F 的强度和硬度。但室温下使钢的塑性急剧下降,变脆,称为冷脆现象。,合金钢：为了改善钢的组织与性能，有意识地在碳钢中加入某些合金元素所获得的钢种。与碳钢相比：1、合金钢强度高。如 20钢的 b410MPa 16Mn(1%Mn)钢的 b520MPa 2、合金钢的淬透性好,故大型构件的性能分布比较均匀。3、合金钢具有耐高温、耐腐蚀、高耐磨性等。,7-2 合金元素在钢中的作用,一、合金元素在钢中的主要作用,1、合金元素在钢中的存在形式：(1)固溶体：合金元素溶入铁素体、奥氏体和马氏体中，以固溶体的溶质形式存在。作用：固溶强化(2)化

4、合物：主要是和碳之间形成的碳化物。如：(Fe、Mn)3C,VC,TiC,WC,MoC等。作用：弥散强化,钢中的合金元素按与碳的结合力大小可分为两类：1、非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B 等 2、碳化物形成元素：Zr、Cr、Ti、V、W、Mo、Mn、Nb 等 它们对钢的相变、组织和性能的影响，主要取决于与钢中的铁和碳的相互作用的情况。,1、钢的基本相为铁素体和渗碳体：加入量少时：对非碳化物形成元素：溶入铁素体中，形成合金铁素体。对碳化物形成元素：置换渗碳体中的铁原子,形成合金渗碳体。加入量多时：碳化物形成元素除与渗碳体形成合金渗碳体外，还形成其他合金碳化物,再剩余的合金元素

5、将溶于铁素体中。,(3)游离态：如Pb、Cu等既难溶于铁，也不易生成化合物，而是以游离态存在。对性能产生不利影响。,合金元素的量不同合金元素的种类不同,2、合金元素的加入对钢性能的影响,3、合金元素的加入强化的原因,(1)形成合金铁素体,使铁素体晶格发生畸变。溶入的原子直径与铁原子的有差别,F 晶格发生畸变,使塑性变形抗力提高。(2)形成合金渗碳体,提高了合金渗碳体的稳定性。渗碳体中的Fe与C的亲合力较弱,不稳定,合金元素的溶入增强了Fe与C的结合,并且这种合金渗碳体极难溶入A,也不聚集长大。(3)形成稳定性较高的合金碳化物和间隙相。在高碳高合金钢中,除渗碳体型的碳化物外,还有稳定性较高的合金

6、碳化物和间隙相,并且它们难溶于A,也难聚集长大,使钢的强度、硬度显著增加。,二、合金元素对铁碳合金相图的影响 1、使奥氏体的单相区扩大或缩小 扩大：Mn,Ni,Co,N,Cu等元素的加入使奥氏体相区扩大,是奥氏体的稳定化元素。随Mn含量增加,共析温度和共析成分向低温、低碳方向移动;若含量很高时,有可能在室温下形成单相奥氏体钢。,缩小：Cr,Mo,W,V,Ti,Si,Al等元素的加入使A相区缩小,是铁素体的稳定化元素。,随Cr含量增加:共析温度和共析成分向高温、低碳方向移动;若含量很高时,有可能在室温下形成单相铁素体。,0%Cr,2、使共析成分及共析温度发生变化 合金元素的加入使共析成分的含碳量

7、降低。对共析温度影响有所不同。,三、合金元素对钢热处理的影响 1、对钢在加热时奥氏体化的影响(1)对奥氏体的形成速度的影响 合金钢的化是由碳的扩散来控制的。Co,Ni 等非碳化物形成元素能增加碳的扩散速度,可加速的形成。Cr,Mo,W,V 等强碳化物形成元素与C的亲和力大,形成难溶于A、难分解的特殊碳化物,阻碍了碳的扩散,显著减慢形成速度,使 A 均匀化过程困难,只有采用升温或延长保温时间来使 A 均匀化。Al,Si,Mn 对A 化影响不大。,(2)对奥氏体晶粒大小的影响 大多数合金元素都有阻止晶粒长大的作用,碳化物尤为明显。(它会形成较稳定的碳化物,不溶A,阻碍晶界移动)按对晶粒长大作用的大

8、小,合金元素可分为：a)强烈阻止晶粒长大的元素：V、Ti、Nb、Zr Al 在钢中易形成高熔点的AlN,Al2O3细质点,阻止晶粒长大,形成本质细晶粒钢。b)中等阻碍晶粒长大的元素：W、Mo、Cr c)对晶粒长大影响不大的元素：Si、Ni、Cu d)促进晶粒长大的元素：Mn、P,2、合金元素对过冷奥氏体分解过程的影响-实 质 是 对 C 曲 线 位 置 的 影 响 3、合金元素对淬火钢回火转变的影响 1)提高回火稳定性：(回火抗力)合金元素在回火过程中能推迟马氏体的分解和残余 A 的转变;回火稳定性高:表明合金钢在相同的回火温度下,具有更高的硬度和强度。或:在保证相同强度和硬度的条件下,可在更

9、高的温度下回火,使内应力消除更彻底,塑性、韧性进一步改善。如:V,Si,Mo,W,Ni,Co等,提高回火稳定性作用较强。,2)产生二次硬化：当含W,Mo,V,Ti 量较高的淬火钢,在500600回火时,其硬度反而升高的现象为二次硬化。在加入Mo2%的钢中500600回火时,析出的碳化物晶粒小、弥散均匀,硬度和高温强度高,非常稳定。如:生产高热硬性的高速钢。另外,回火后在冷却过程中有部分残余 A 再转变为M,使硬度升高。,3)回火脆性：合金钢淬火后,在某一温度范围内回火时,出现脆化现象。第一类回火脆性(不可逆)：250400的回火产生的。是由相变决定的,与回火后冷却方式无关。无法消除,只能避开。

10、第二类回火脆性(可逆)：450600回火产生的。它与某些杂质元素在原A晶界上偏聚有关,多发生在含Mn,Cr,Ni等元素的合金钢中,可采用回火保温后快冷,抑制杂质向晶界偏聚,消除回火脆性。对于不能快冷的大型结构件,可加入适量的W或Mo元素,防止回火脆性发生。,7-3 钢的分类与牌号1、按钢的含碳量：低碳钢(C 0.25%)中碳钢(C:0.250.6%)高碳钢(C0.6)。2、按钢的质量：普通碳素钢(S 0.055%、P 0.045%)优质碳素钢(S 0.04%、P 0.04%)高级优质碳素钢(S 0.03%、P 0.035%)3、按用途分类：碳素结构钢：工程构件、机器零件。（低碳钢和中碳钢）碳素

11、工具钢：刀具、量具、模具。（高碳钢）,一、碳钢的编号和用途1、碳素结构钢：如Q235AF Q：屈服点“屈”字拼音头一个字母。235：s 235MPa（钢材厚度 16mm）A：A级（反映了钢中有害杂质含量）还有B,C,D,后面质量好。F：沸腾钢（脱氧不完全，浇注时有大量气体逸出，状如沸腾）其它，b:半镇静钢、Z:镇静钢、TZ:特殊镇静钢。后两种符号有时可省略。书中表5-2,表5-3。,2、优质碳素结构钢 钢中有害杂质含量较少，塑性、韧性较高。钢的编号用两位数字表示，且含碳量的万分之几。如：45钢，其中碳含量为0.45%，若含锰在0.70 1.0%时，钢号写为45Mn。优质碳素结构钢的编号、成分、

12、性能见书中表5-5。它多用于轴、齿轮、螺柱、弹簧丝、火车轮和钢琴弦、螺旋弹簧等。,3、碳素工具钢 钢的编号：在碳(T)后加一数字,表示钢中平均碳含量的千分数。如：T(碳)7、T(碳)12分别表示碳含量为0.7%和1.2%。碳素工具钢的化学成分及性能见书中表5-6。碳素工具钢均为优质钢,若为高级优质碳素工具钢,则在钢号后加一个“高”字或“A”,如T12A.碳素工具钢通常都要经过热处理后使用。,二、合金钢的分类和编号方法,（一）分类 按合金元素(Me)的含量分：低合金钢：Me 5%中合金钢：Me 510%高合金钢：Me 10%（二）合金钢牌号的表示方法（规律）1、用汉字或化学元素符号代表合金元素。

13、2、碳含量写在牌号的最前面，合金元素含量写在该元素符号的后面。3、高级优质钢在牌号的尾部加一个A字。例:12Mn2A 4、碳含量与合金元素含量用数字表示。,结构钢：碳含量以万分之一为单位，对特殊用途的则在牌号前加一字母。如：滚动轴承钢：GCr9(0.9%Cr,C1%)易 切 钢：Y12（0.12%C)45 钢：0.45%C 工具钢、不锈钢和合金钢：C含量以千分之一为单位,平均含量1%时不标出。,合金元素：以百分之一为单位，当含量小于1.5%时不标出。若平均含量1.5%、2.5%、3.5%时,则可用2、3、4、等表示。如:9SiCr：0.9%C、Si,Cr 1.5%。60Si2Mn：0.60%C

14、,1.52.0%Si,0.60.9%Mn。,7-7 铸 铁,一、铸铁的成分和特性 铸铁中除了铁和碳以外,还含有硅、锰、磷、硫及其它合金元素(0.1%)，如Cr、Mo、V、Cu、Al 和微量元素(0.1%)。铸铁中的碳除了极少量的固溶于铁素体中外，还因成分、熔炼工艺和结晶条件的不同:或 以游离状态(石墨)、或 以化合形态(渗碳体或其它碳化物)存在 或 二者共存。,二、铸铁的石墨化(一)铁碳合金双重相图 含C,Si较高的铁水在缓冷时,可从液相中直接析出石墨,渗碳体也会分解为铁的固溶体和石墨。渗碳体是一个亚稳相,石墨才是稳定相。描述铁碳合金的结晶过程有两个相图：即Fe-Fe3C相图(实线)与 Fe-

15、C 相图(虚线)迭合在一起的双重相图。石墨具有六方层状排列结构,层内与层间原子之间的距离不同,结合键不同,则结合力不同。层间结合力较弱。因此石墨的强度,硬度,塑性极低。,(二)石墨化过程 石墨化过程是指铸铁中的碳原子析出并形成石墨的过程。即按Fe-C相图的结晶过程。第一阶段(液态阶段)：从液体中直接析出石墨，包括从过共晶液态中直接析出一次石墨(C1)和在1154通过共晶反应形成共晶石墨(C共晶)。第二阶段(共晶-共析阶段)：在1154738范围内奥氏体冷却过程中沿ES线析出二次石墨(C2)。第三阶段(共析阶段)：在738通过共析反应析出共析石墨(C共析)。,(三)铸铁的组织与性能特点：铸铁的基

16、体组织:铁素体 或 珠光体 或 铁素体+珠光体 铸铁的力学性能与钢相比,其强度、塑性和韧性较低。但它具有一些特殊的性能。1）铸铁的切削加工性能优异。(石墨能造成脆性断屑)2）铸铁的铸造性能良好。3）铸铁具有较好的减摩、耐磨性。(石墨有良好的润滑作用,并能储存润滑油)4）铸铁具有良好的减振。(石墨对振动的传递起削弱作用)5）铸铁对缺口不敏感。,三、铸铁的分类 根据铸铁在结晶过程中石墨化程度不同,分为三大类：1、灰口铸铁 第一阶段的石墨化得到充分进行,绝大部分的碳都以石墨的形态存在,其断口呈暗灰色,常用于工业中。1）灰铸铁：其中的石墨呈片状,其机械性能不太高,但生产工艺简单、成本低,常用于工业中。

17、2）可锻铸铁：其中石墨呈团絮状,其机械性能较高，但生产周期长,成本高,用来制作重要的小型工件。,3）球墨铸铁：其中石墨呈球状,机械性能高,生产工艺比可锻铸铁的简单,它可代替部分碳钢和合金钢制作的某些零件。2、白口铸铁：石墨化过程全部被抑制,完全按照Fe-Fe3C相图进行结晶,其断口呈银白色,性硬脆,不易加工。3、麻口铸铁：第一阶段石墨化得到部分进行,第二阶段石墨化未能进行,其组织介于上二者之间,具有较大的硬脆性,工业上很少应用。,7-8 常 用 铸 铁,一、灰铸铁（一）灰铸铁的成分、组织和性能 1、化学成分：Wc=2.7%4.0%,WSi=1.0%3.0%,WMn=0.25%1.0%,Wp=0

18、.05%0.5%,Ws=0.02%0.2%。其中：后三者总含量不超过2.0%,碳接近80%是以片状石墨析出。牌号：HT100HT350共六种。数字为最低的抗拉强度。,2、基体组织及性能（有三种）：铁素体：软，强度低。珠光体：强度、硬度较高。铁素体+珠光体：性能介于二者之间。,3、影响灰铸铁组织形成的主要因素：1）化学成分 强烈促进石墨化的元素有C和Si。并且随含量的增加,石墨化越容易。另外还有Al,Cu,Ni等元素。强烈阻止石墨化的元素有S,Mn,Cr等元素。会降低其机械性能。Mn能与S形成MnS,减弱S的有害作用。,2）铸件冷却速度和壁厚 铸件的冷却速度越慢,越有利于扩散,对石墨化越有利。铸

19、件的壁厚不同,会具有不同的冷却速度,得到不同的组织。综上分析：灰铸铁的组织可看作是钢的基体加片状石墨。石墨的强度极低,故可将其看作是一些微裂纹,而且分割于金属的基体之中。灰铸铁的抗拉强度、塑性和韧性不如钢,但石墨片的存在对抗压强度影响不大。,(二)灰铸铁的热处理 1、消除内应力退火 铸件在冷却过程中，因各部分的冷却速度不同，会在铸件内产生很大的内应力。退火工艺：将铸件缓慢升温至500600经48小时的保温,再随炉冷却到150220出炉后空冷。这种低温退火可消除90以上的内应力。,2、改善切削加工性的退火 铸件的表面、转角处或薄壁处，由于冷却速度较快，常会出现白口组织，影响切削加工的进行。退火工

20、艺：将铸件加热到850900,保温2 5小时(使渗碳体分解),再随炉冷至400500出炉空冷。因温度高于共析温度，故称高温退火。以此降低其硬度。,3、表面淬火 对表面要求有较高的硬度和耐磨性的铸件，常采用表面淬火处理;表面淬火的组织为细马氏体+片状石墨，使表面硬度可达5161HRC。表面淬火方法优点:变形小，设备简单,操作方便。,二、可锻铸铁 1.可锻铸铁:将白口铸铁经高温长时间的石墨化退火而获得的具有团絮状石墨的一种铸铁。2.可锻铸铁常用的有两种：黑心铁素体和珠光体。1)黑心铁素体可锻铸铁：是第一、二阶段退火的石墨化过程得到充分进行,得到的组织为铁素体+团絮状石墨。2）珠光体可锻铸铁：是第二

21、阶段退火的石墨化过程没有进行，得到的组织为珠光体+团絮状石墨。,3、可锻铸铁的性能：可锻铸铁比灰铸铁有较高的强度、塑性和韧性。由于石墨呈团絮状，大大减轻了石墨对金属基体的割裂作用，也减轻了石墨片尖端引起的应力集中现象。4、可锻铸铁的生产：首先是要浇注成白口铸铁件,然后进行长时间石墨化退火处理,使渗碳体分解为团絮状的石墨。,三、球墨铸铁 球墨铸铁是20世纪50年代发展起来的一种高强度的铸铁材料，其综合性能接近于钢，有“以铁代钢”之称。球墨铸铁是石墨呈球状的铸铁。它是向铁水中加入一定量的球化剂(镁、稀土元素等)进行球化处理,并加入少量的孕育剂(硅铁)而制得。,(一)球墨铸铁的成分与组织 球墨铸铁的

22、三种显微组织：铁素体基体;珠光体+铁素体基体;珠光体基体。,成分有所不同。,（二）球墨铸铁的热处理 1、退火：目的是使球墨铸铁得到铁素体及分布于其上的球状石墨，获得高韧性。1)低温退火：加热至700760,保温28h,随炉冷却到600出炉空冷。2)高温退火：加热到920980,保温25h,随炉冷却至600出炉空冷。为消除铸件的内应力，还采用在500600,保温28h后慢冷的退火。组织不发生变化。,2、正火：目的是为了增加基体珠光体的数量，并细化组织，提高强度和耐磨性。1)高温正火：将铸件加热到880920,保温13h后出炉空冷。2)低温正火：将铸件加热到840880，保温14h后出炉空冷。,3

23、、调质处理：用于受力复杂、截面大、综合机械性能要求较高的铸件(连杆、曲轴)。目的是为了获得回火马氏体或回火索氏体组织，提高强度、硬度和耐磨性。调质处理工艺：加热到860900,采用油淬;然后在550600回火24h,最终组织为回火索氏体与球状石墨。,4、等温淬火：用于综合机械性能要求较高、截面尺寸不大、并且外形较复杂、热处理容易变形开裂的部件。如齿轮、凸轮等。目的是为了获得下贝氏体加球状石墨的组织。等温淬火工艺：加热到860900，保温12h后,迅速移至250300的盐浴中等温3090min,然后取出空冷,不再回火处理。,四、合 金 铸 铁 为了使铸铁不仅具有良好的机械性能，还要求具有某些特殊的性能。可通过合金化来达到。如：耐磨(减摩、抗磨)；耐热(抗氧化)；耐蚀等。,