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1、第五章金属材料主讲朱和国南京理工大学材料系,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,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）,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
2、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,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,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,MnSiSPNHO,2）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、H,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+SMnS
3、(Tm=1620),2）Si：脱氧剂:Si+FeO Fe+SiO2 溶于铁素体：强化F,有益,有益,3）S：S+FeFeS 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,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
4、益的元素；N在一定条件下也是有益的元素,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,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,Q,含碳万分之，公差为5,F AZ BbZ CTZ D E,s,碳钢钢号举例普通碳素结构钢：Q215-A,Q235-Bb,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,ZG270-500,碳钢的不足：1）淬透性
5、不高 普通碳钢：最大淬透直径1020mm2）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,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）,5.2合金化原理一、常用合金元素：碳化物形成元素 Ti Zr V Nb W Mo Cr Mn Fe 强 中 弱 非碳化物形成元素 Si、Co、Cu、Al、Ni、B,二、合金元素在钢中的存
6、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,三、合金元素在钢中的作用1、对基本相的影响,Mn,2、对平衡相图的影响Mn Ni Co C N CuAES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,Cr V Mo W Ti Al Si Nb Zr BF（A）ES线左上移E、S点左移,1Cr17Ti1C
7、r280Cr13,F钢,合金元素对共析温度的影响,合金元素对共析成分的影响,E、S点左移的后果：W18Cr4V C:0.70.8%Ld4Cr13 C:0.4%P 共析3Cr2W8V C: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,（2）对A晶粒的影响 Mn P 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Al Co 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,C曲线右移,淬透性,残余A,1Cr132Cr13,18Cr2NiMo18CrNi4W4,1C
8、r18Ni9TiZMn13-1,无B区,无P区,无M区,Ni元素对C=0.5%碳钢的TTT曲线的影响,Cr元素,Co元素,合金元素对淬透性的影响,（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 500600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Mo W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。,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
9、0.5%弹簧C:0.50.7%滚动轴承C:1%左右易切 Y,刀具量具模具,不锈耐热耐磨,Me,MeMe,Me Me,钢号举例,表5-1 碳素结构钢的牌号及化学成分（GB700-88）,Q235-AZ 42CrMo 5CrMnMoT8 38CrMoAl 5CrNiMo Cr12T12A Cr12MoV（冷挤）3Cr2W8V(热挤)ZG310-570 65Mn 特殊W18Cr4VZG15CrMn 60Si2Mn W6Mo5Cr4V2(0.80.9)GCr15 00Cr18Ni5Mo3Si245 GCr9 0Cr21Ni5Ti65 GCr6 00Cr19Ni13Mo320Cr GCr15SiMn18
10、Cr2NiWA 9SiCr W6Mo5Cr4V3(1.11.25),5.3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AF+P转变温度，增加过冷度，细化晶粒，但一般0.8%V Ti Nb细化晶粒、弥散强化Cu P在钢表面形成致密氧化膜钝化，耐蚀同时加效果更佳 Cu:0.10.55%P:0.060.15%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,4）常见牌号 16Mn桥、车船、大型容器等、同类碳钢节省2030%16MnNbN
11、bC弥散强化，强度高于16Mn，用于大型结构机械 16MnCuCu钝化耐蚀，用于船等 15MnVNV、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,新旧牌号对照：,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6065HRC和高耐磨性，而心部高的塑韧性和强度。（2）成分特点C:0.100.25，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
12、）分类及常用牌号 按淬透性高低分,低淬透性渗碳钢临界淬透直径：2035 mm 20Cr,20CrV,20Mn2,20MnV 中淬透性渗碳钢临界淬透直径：2560 mm 20CrMn,20CrMnTi,20Mn2TiB,20SiMnVB高淬透性渗碳钢临界淬透直径：100 mm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,（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5864HRC,组织淬透：低碳回火M 未透：低碳回火M+F
13、+P(S)或F+P,F+S,S等性能3045HRC,（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。,20CrMnTi渗碳齿轮工艺,950970,920,200,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,2）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:0.250.50%。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：2040 mm：40Cr,40MnB,40Mn
14、2 中淬透性调质钢：4060 mm：40CrNi,40CrMnB,35CrMo 高淬透性调质钢：60100 mm：40CrMnMo,40CrNiMo,（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,3）弹簧钢（1）性能要求：高弹性极限；高的屈强比（sb）；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:0.50.70%。主加元素Si、M
15、n，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),（4）热处理特点 淬火中回（450550）（5）组织：回火屈氏体（6）弹簧加工热卷成形：10 mm大型弹簧，仅用于合金弹簧钢（碳钢淬透性）加热：淬火温度5080，热卷成形，同时淬火+中回冷卷成形：10 mm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
16、等温淬火后冷拉或冷轧再成形，但需去应力退火；,4）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:0.951.10%。主加合金元素Cr（0.41.65%）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,此外，无Cr轴承钢：GSiMnVRe,GSiMnMoVRe，GMnMoVRe等 渗碳轴承
17、钢：G20CrMo,G20Cr2Ni4A,G20CrNi2Mo等 不锈轴承钢：9Cr18,9Cr18Mo 高温轴承钢：Cr4Mo4V（4）热处理 球化退火，淬火低回 精密轴承：需在淬火后进行一次深冷处理（70）。回火磨削后再进行一次稳定尺寸处理（120130，保温1020h）（5）性能 6264HRC,5）易切钢：YMe 常用的有：Y12,Y12Pb,Y15,Y20,Y40Mn等。6）合金铸钢：ZG Me 常用的有：ZG40Mn,ZG40Mn2,ZG50Mn2,ZG35SiMnMo等本讲小结 主要介绍了合金化原理，合金钢的编号、分类、合金结构钢的编号、分类、合金元素的作用、特点和用途。其中合金
18、化原理较难，须课后复习强化。,本章第三讲：主要内容及要求1、了解合金工具钢、特殊性能钢的分类、特点及用途2、作业：二、三、四（1、12、17）一、合金工具钢包括刀具、量具和模具三种1）刀具合金钢（1）性能要求：高硬度、高耐磨性、高红硬性，高强韧性，低脱碳敏感性（热处理时刃不脱碳或少脱碳，保证高硬度）,（2）分类:低合金刀具钢（10%）-高速钢，高铬钢（一）低合金刀具钢）成分特点：高碳（C=0.751.5%）合金元素Cr、Si、W、Mn Cr提高淬透性，形成合金渗碳体(FeCr)3C，提高耐磨性 Si提高淬透性，提高回稳性，与Cr同时加入，提高硬度 W主要以W2C,WC存在，也可形成(FeW)3
19、C,碳化物细化晶 粒，改善韧性。Mn提高淬透性。,）热处理 球化退火淬火低回）组织：高碳回火马氏体碳化物残余奥氏体）性能：60HRC）常用牌号：9SiCr,Cr,CrMn,CrWMn,9Mn2V）CrWMn刀具热处理工艺路线：,时效处理,油冷,140160,冷处理,110120,650,820840,110120,7578,低回,去应力,精磨,研磨,(二)高速钢）成分特点：高碳 Cr淬透性；W、Mo热硬性；V 细化晶粒，提高耐磨性。退火态W、Mo以M6C型存在，560回火时，溶入A中的W、Mo形成W2C或Mo2C弥散分布，造成二次硬化。）热处理 淬火三次560 回火）组织：高碳回火马氏体碳化物
20、残余奥氏体）性能：60HRC）常用牌号：W18Cr4V(C=0.70.8%)，9W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2(C=0.80.9%),W6Mo5Cr4V3(C=1.101.25%),）W18Cr4V高速钢热处理工艺路线：,12701280,油冷,840870,560，2h,560，2h,560，2h,高速钢的三种类型：1）钨系：W18Cr4V（1841），脆性大，逐渐淘汰2）钨鉬系：W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)（C:0.80.9%）W6Mo5Cr4V3(6-5-4-3)（C:1.11.25%）脆性降低，韧性提高，但过热、脱碳倾向增大3）超硬系：W13Cr4V2Co8 W6Mo5
21、Cr4V2Al 超硬，但脆性也最大。,2）模具钢,（一）冷模合金工具钢）性能要求：高硬度、高强度、高的耐磨性、高的疲劳强度和 韧性，；热处理变形小。）成分特点：高C（1.0%2.0%）；Cr、Mo、W、V形成难熔碳化物，提高耐磨性。碳化物能极大提高钢的耐磨性，Cr提高淬透性。）常用钢号：9Mn2V,9SiCr,CrWMn,GCr15,Cr12,Cr12MoV W6Mo5Cr4V2(高速钢),冷模钢,热模钢,）典型：Cr12:热处理有两种：一次硬化和两次硬化 一次硬化法：淬火低回(150180)二次硬化法：淬火510520多次回火，产生二次硬化 组织：高碳回火马氏体碳化物残余A（二）热模钢）性能
22、要求：高的硬度、高的热硬性和高温耐磨性、高的抗氧化性能、高的热强性和足够的韧性、高的热疲劳抗力、高的淬透性和导热性。）成分特点：中碳0.300.60%；Cr、Ni、Mn、Si提高淬透性，Cr与Ni一起提高回火稳定性。Ni增加韧性和耐热疲劳性能；Mo防止第二类回火脆性，提高高温强度和回稳性,）常见钢号：5CrMnMo，5CrNiMo，5Cr2W8V，4Cr5W2VSi）热处理：淬火高回）组织：回火索氏体3）量具钢）性能要求：高硬度(大于56HRC)和耐磨性及高的尺寸稳定性。良好的磨削加工性，使量具能达到小的表面粗糙度。形状复杂的量具还要求淬火变形小。）常用钢种：量具没有专门的钢种，碳素工具钢、合
23、金工具钢和滚动轴承钢都可以制造量具。,）热处理特点：保证硬度的前提下，尽量降低淬火温度；淬火后进行7080冷处理，再低温回火处理；120130时效处理；磨削后还要进行120130时效处理，甚至多次。举例GCr15块规工艺路线:,88010,16010,140200,-70-80,120130,120130,4h,2h,2h,6h,特殊性能钢,分类,不锈钢耐热钢耐磨钢,一、不锈钢1、性能要求（1）良好的耐蚀性能（2）合适的力学性能（3）良好的工艺性能,2、成分特点：（1）C：低C（11.7%时，F电极电位从-0.56V+0.12V，低于该值提高不明显。Cr12、Cr12MoV含C量高，形成C化物
24、，使基体含Cr量11.7%，故它们不是不锈钢 2）形成钝化膜 Cr、Al、Si在表面形成氧化模，Cr最有效，Mo、Cu可增强钝化 3）单相化 A化：Mn Ni Co 等 F化：Cr V Mo W Ti Nb等,3、常见类型,1）马氏体型：低中碳Cr13型：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13 高碳Cr18型：9Cr18、9Cr18MOV 可热处理强化、价低，但耐蚀性、焊接性、塑性加工能力均低2）铁素体型：C低，0Cr13 1Cr17 1Cr28 不可热处理强化，硬 度低、塑性好、焊接性好。使用状态：退火或正火态。热处理时（晶粒粗化脆性、相析出脆性475脆性）3）奥氏体型：低C高Cr高
25、Ni 0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti 00Cr17Ni12Mo2、1Cr17Mn9等，强度低、Cr23C6析 出，晶间贫Cr，晶间腐蚀倾向增大。加入Ti、Nb等形 成TiC、NbC等，阻止形成Cr23C6，防止晶间腐蚀。,4）双相型：A-F 1Cr21Ni5Ti、1Cr18Mn10Ni5MoN 兼有A、F两者的特点5）沉淀硬化型:各类不锈钢中再加入硬化元素：Ti、Al、Mo、Nb、Cu等获得。0Cr17Ni4Nb 0Cr17Ni7Al等。4、热处理特点：淬火回火用于M型不锈钢 固溶热处理用于A型不锈钢,二、耐热钢1、性能要求（1）高的热化学稳定性（2）高的热强性：蠕变
26、限、持久强度2、成分特点（1）提高抗氧化性元素（a）Cr Al Si 等常用（b）RE（Y、La等）微量加入，防止高温时晶界优先氧化。（c）表面渗金属元素Cr、Al、Si等(2)提高热强性（a）基体固溶强化元素:Cr、Ni、W、Mo等，固溶强化、形成单相组织、提高再结晶温度,（b）第二相沉淀强化元素：V、Ti、Nb、Al等，形成碳化物，或金属间化合物（Ni3Ti、Ni3Nb、Ni3Al），提高组织稳定性（c）晶间强化元素：RE和B等，可净化晶界，填充晶界空位等（d）形成单相元素：Ni、Mn、N等3、常见钢号及应用F型：又称Fe基型，包括P、M型两种 A型：又称Fe基型P型：600；M型：700
27、；A型：750800 当工作温度高于750 时，应考虑选用Ni基、Co基、Mo基以及陶瓷等耐热材料。4、热处理特点：主要有淬火、正火或固溶热处理100 时效,三、耐磨钢1、高Mn钢 ZGMn13-1,2,3,4A型钢应力诱发AM，表面应力变形产生M，而心部仍为A，韧性好。表面硬度达500HBW，表面层1020mm。ZGMn13-1 C=1.01.5%Mn=1114%ZGMn13-2 C=1.01.4%Mn=1114%ZGMn13-3 C=1.01.3%Mn=1114%ZGMn13-4 C=1.01.2%Mn=1114%改进型高锰钢：75Mn13、45Mn17Al3等,2、低合金耐磨钢 Si-Mn合金结构钢：40SiMn2、65SiMnRE 工具钢：Cr03、Cr063、石墨钢 ZGSiMnMo(C:1.41.5%)组织：钢基体二次渗碳体点状石墨（Vol=0.20.4%）,
