金属材料学全套691P.pptx

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,1,金 属 材 料 学,2,教 材,1.,金 属 材 料 学,吴承建、陈国良、强文江 编著,2.,钢 铁 材 料 学,章守华、吴承建 主编,3.,合金钢,章守华主编,3,考核,1.,期末考试采用闭卷笔试。,2.,成绩评定：期末考试占,70,，,平时成绩占,30,。,3.,平时成绩由考勤、作业、笔记、回答问题等部分组成。,4,绪 论,一、本课程主要内容,1,、钢铁材料,(1),合金化原理,合金元素在钢中与,Fe,，,C,的相互作用。,合金元素在相变中的作用。,5,(2),各类钢铁材料,2,、有色金属材料,介绍铜合金、铝合金、镁合金、钛合金的特点及应用。,6,二、研究思路,使用条件性能要求组织结构化学成分,生产工艺,1,、化学成分：碳含量；合金元素种类及含量。,2,、生产工艺：,(1),材料生产的全过程。,7,(2),不同钢种生产过程中的特殊问题。,如工程结构钢的带状组织，轴承钢的夹杂物，高碳钢的碳化物不均匀性等。,(3),不同钢种的热处理特点。,不同的合金元素，对淬火加热温度、冷却方式、回火温度、回火冷却方式等热处理工艺制度的不同影响。,8,关键：对具体问题进行具体分析,固溶强化：,1,、回火马氏体：碳,室温使用；高温使用。,2,、铁素体、奥氏体：合金元素,强化效率；价格；对其它性能的影响。,9,3,、金属材料的性能,(1),使用性能：金属材料在使用时抵抗外界作用的能力。,力学性能,化学性能,物理性能,10,(2),工艺性能：金属材料适应实际生产工艺要求的能力。,主要包括：铸造性；锻造性；深冲性；冷弯性；切削性；淬透性；焊接性等。,11,使用性能是保证能不能使用，而工艺性能是保证能不能生产和制造的问题。两者既有联系又有不同，有时是一致的，有时互相矛盾。,12,如建造九江长江大桥,15MnVN,钢的焊接性。,如含铜时效钢,06MnNiCuNb,，淬透性好，强度高，可焊性好。,b,：,690MPa,，,0.2,：,620MPa,，,：,23%,，,：,80%,，,-40ak:255j,。,13,二,.,钢铁材料的分类,非合金钢,低合金钢,合 金 钢,高温合金,铸 钢,铸 铁,14,1,、钢：以铁为主要元素，含碳量一般在,2%,以下，并含有其它元素的金属材料。,注：在铬钢中含碳量可能大于,2%,，但,2%,通常是钢和铸铁的分界线。,2,、高温合金：不以碳作为主要在强化元素，通常也不以铁作为基体。,15,3,、铸铁：含碳量大于,2.11%,的铁碳合金，其杂质含量比钢高。,4,、合金元素：为了提高钢的某些性能，有目的地在钢中加入的、含量在一定范围内的元素。,16,5,、杂质元素：由于冶炼工艺、原料等原因，不可避免地存在于钢中的元素，含量要求低于某一标准值。,(1),常存元素：,Si,，,Mn,，,S,，,P,，,N,，,H,，,O,(2),残余元素：,Cr,，,Ni,，,Mo,，,W,，,Cu,，,V,，,Ti,17,6,、非合金钢：,内涵比,“,碳素钢,”,广泛，不但包括,“,碳素钢,”,，还包括电工用纯铁（,C0.02%,称纯铁）、原料纯铁、及其他专用的具有特殊性能的非合金钢。,18,7,、低合金钢,Mn,，,Cr,，,Cu,，,Mo,，,Ni,，,Si,，,Ti,，,V,，,W,等元素含量在非合金钢和合金钢含量之间。,19,20,我国低合金钢从,50,年代开始研制，生产。目前标准牌号约,100,个，以,Mn,为主，重点牌号为,16Mn,，有些加入微量元素,Mo,，,V,，,Nb,，,Cu,，,N,，,Re,等。如按照国际标准划类，,16Mn,等这类钢只能划为,“,非合金钢,”,，与我国历史、现状和发展前途不适应。,21,三、合金钢分类,1,、按质量等级分类,(1),优质钢：,结构钢：,S0.045%,，,P0.040%,。,工具钢：,S0.030%,，,P0.035%,。,(2),高级优质钢：,S0.020%,，,P0.030%,。,注：非合金钢，低合金钢中还含普通质量钢。,22,2,、按金相组织分类,(1),按退火组织,亚共析钢，共析钢，过共析钢，莱氏体钢。,(2),按正火组织分类,珠光体钢，贝氏体钢，马氏体钢，奥氏体钢。,23,(3),按加热和冷却时有无相变及室温组织分类,铁素体钢：加热和冷却时始终为铁素体。,奥氏体钢：加热和冷却时始终为奥氏体。,24,半铁素体钢：加热和冷却时，只有部分发生,/,相变，其它部分始终保持铁素体。,半奥氏体钢：加热和冷却时，只有部分发生,/,相变，其它部分始终保持奥氏体。,25,3,、按合金元素总量分类,低合金：总量,10%,26,4,、按用途分类,(1),结构钢,工程结构用合金钢,机械制造用合金钢,(2),工具钢,(3),不锈钢、耐热钢,27,四、合金钢和低合金钢编号方法,编号方法：,碳含量合金元素种类和数量质量,碳含量：区分不同钢种的主要标志。,28,1,、合金元素种类和数量：,种类：用化学符号表示,数量：,1.5%,，不表示,1.5,2.5%,，用,2,表示,2.5,3.5%,，用,3,表示,（以下类推）,2,、质量：高级优质钢加,A,，其余不表示。,29,3,、碳含量：不同钢种有不同表示方法,（区分不同钢种的主要标志）,(1),低合金钢和合金结构钢,如：,40Cr,，,42CrMo,，,09CuPTi,，,15MnVN,，,15MnVB,。,含,C,量以,0.01%,为单位，用两位数字表示。,30,有时两个钢种，其中一个主要合金元素含量不同，但都小于,1.5%,，其余成分相同，此时含量较高的在元素后面标,“,1,”,来加以区别。,如,:12CrMoV,，,Cr,：,0.4,0.6%,12Cr1MoV,，,Cr,：,0.9,1.2%,31,(2),轴承钢,前面标以,G,，表示滚动轴承钢。,如：,GCr15,，,GCr15SiMn,，,GCr9,。,含,C,量,1%,，故不表示。,含,Cr,量以,0.1%,为单位，其余合金元素方法不变。,32,(3),不锈、耐蚀和耐热钢,含碳量以,0.1%,为单位。,如：,1Cr13,，,2Cr13,。,0,：,0.08%,；,00,：,0.03%,。,如：,0Cr18Ni9,，,00Cr18Ni10,。,含碳量很低时，用,0,，,00,表示。,33,(4),工具钢,含碳量以,0.1%,为单位，用,1,位数字表示。当,1%,时不表示。,如：,9CrSi,，,CrWMn,。,含,Cr,量低于,1%,的铬合金工具钢，,Cr,含量以,0.1%,为单位，并在前面加一个,“,0,”,字表示。,如：,Cr06,Cr,Cr2,。,34,高速钢含碳量小于,1,时，通常也不标注含碳量。,如：,W18Cr4V,：含碳量,0.7-0.8%,W6Mo5Cr4V2,：含碳量,0.8-0.9%,合金元素相同，含碳量不同的要标注含碳量，如,9W18Cr4V,。,35,第一章 钢中的合金元素,36,1,1,铁基固溶体,铁基固溶体：,铁素体（,F,）；奥氏体（,A,）。,一、合金元素对铁基固溶体的影响,1,、奥氏体形成元素,使,A3,温度下降，,A4,温度上升，扩大,相区。,37,(1),开启,相区：,Mn,，,Co,，,Ni,：与,Fe,可以无限固溶。,Ni,含量高时，可使,稳定到室温。,(2),扩大,相区：,C,，,N,，,Cu,：与,Fe,有限固溶。,38,2,、铁素体形成元素,使,A,3,温度上升，,A,4,温度下降，缩小,相区。,(1),封闭,相区,V,，,Cr,，,Ti,，,W,，,Mo,，,Al,，,P,A3,和,A4,在一定浓度时汇合形成,圈。,39,Cr,，,V,：与,Fe,无限固溶；,其余元素为有限固溶。,(2),缩小,相区,B,，,Zr,，,Nb,，,S,：出现了金属间化合物，破坏了,圈。,40,3.,热力学讨论,用,C,，,C,分别表示在温度,T,时某元素在,相和,相的平衡浓度，在平衡状态下得：,41,H,：热焓的变化,H,H,H,H,、,H,：单位溶质元素溶于,相、,相的溶解热。,铁素体形成元素：,H0,，,CC,。,奥氏体形成元素：,HH,，,H0,，,CC,。,42,二、合金元素在铁基固溶体中的溶解度,1,、间隙固溶体：,Fe,中间隙尺寸大，故溶解度较大。,2,、置换固溶体：,铁素体形成元素在,Fe,中溶解度小；在,Fe,中大。,奥氏体形成元素在,Fe,中溶解度小；在,Fe,中大。,43,影响置换固溶体溶解度的因素：,(1),尺寸因素：,d,：,8,10%,，无限溶解,(2),晶体结构因素：,(3),化学亲和力因素：,负电性差,x0.59,，形成复杂点阵的碳化物,(1),复杂立方点阵：（,Cr,，,Mn,）,M,23,C,6,型：,Cr,23,C,6,，,Mn,23,C,6,。,(2),复杂六方点阵（,Cr,，,Mn,）,M,7,C,3,型：,Cr,7,C,3,，,Mn,7,C,3,。,(3),正交晶系点阵,M,3,C,型：,Mn,3,C,，,Fe,3,C,。,58,3.,三元碳化物,（,W,、,Mo,）,Fe,C,，均为间隙化合物。,(1),复杂立方点阵,(M,6,C,型碳化物,),Fe,3,W,3,C,，,Fe,4,W,2,C,，,Fe,3,Mo,3,C,，,Fe,4,Mo,2,C,，,(2),复杂立方点阵,(M,23,C,6,型碳化物,),Fe,21,W,2,C,6,，,Fe,21,Mo,2,C,6,。,59,三、碳化物的相互溶解,1.,完全互溶,只能发生在同类碳化物形成元素的相同晶格类型的碳化物之间。,除了,ZrC,和,VC,之间因原子尺寸相差大，不能完全互溶外，其余碳化物之间均可完全互溶。,(1)Ti,，,Zr,，,Nb,，,V,形成的碳化物,60,(2)W,和,Mo,形成的碳化物,相同结构的碳化物之间可完全互溶。,(3)Fe,和,Mn,形成的碳化物,Fe,3,C,和,Mn,3,C,之间可完全互溶。,61,2.,有限互溶,(1)Fe3C,中：,可溶解一定量的,Cr,，,Mo,，,W,，,V,等，形成合金渗碳体。,超过溶解度后，将由合金渗碳体变为特殊碳化物。,(2)Cr,的碳化物中：,可溶解一定量的,Fe,，,Mn,，,Mo,，,W,，,V,等。,62,(3)W,和,Mo,的碳化物中：,可溶解较多的,Cr,。,(4)Ti,，,Zr,，,Nb,，,V,形成的碳化物中：,可溶解较多的,W,和,Mo,，可溶解较少量的,Cr,，,Mn,。,63,3.,相互溶解对稳定性的影响,(1),强的碳化物形成元素溶入较弱的碳化物中，可提高其稳定性。,如,42CrMo,钢：生成的（,Fe,Cr,Mo),3,C,，稳定性比,Fe,3,C,，淬火温度升高。,如奥氏体耐热钢,4Cr,14,Ni,14,W,2,Mo,：生成的（,Cr,W,Mo,Fe,Ni),23,C,6,稳定性比,Cr,23,C,6,高，可以作为强化相。,64,(2),较弱的碳化物形成元素溶入较强的碳化物中，可降低其稳定性。,如,15MnV,钢，形成的（,V,，,Mn,）,C,稳定性比,VC,低，溶入奥氏体中的温度也随之降低，当,Mn=1.47%,时，由,1100,降至,900,。,65,四、碳化物形成元素在退火钢中的分布倾向,66,五、钢中的碳化物,1.,强碳化物形成元素即使在钢中含量很低（,0.1%,）时，也要优先形成,MC,型碳化物。,2.,中强碳化物形成元素在钢中含量较高时，可形成特殊碳化物,;,含量较低时只能溶入,Fe,3,C,中，形成合金渗碳体。,3.,弱碳化物形成元素,Mn,在钢中只形成合金渗碳体。,67,1,4,钢中的氮化物,一、钢中氮的来源,1.,冶炼时来自大气中的氮。,2.,作为合金元素加入钢中的氮。,3.,表面渗氮。,68,二、钢中氮化物的结构,1.,过渡族金属的氮化物,r,C,/r,M,0.59,均为间隙相。,(1),面心立方点阵的氮化物,TiN,，,NbN,，,ZrN,，,VN,，,Mo2N,，,W2N,，,CrN,，,MnN,，,Fe4N,，,Mn2N,。,(2),密排六方点阵的氮化物,WN,，,MoN,，,Nb2N,，,Cr2N,，,Mn2N,。,69,2,、铝的氮化物,AlN,：正常价非金属化合物，密排六方点阵。,三、氮化物和碳化物相互溶解形成碳、氮化物,如含,Ti,钢中，可形成,Ti(C,，,N),。,TiN,为金黄色，,Ti,（,C,，,N,）的颜色随含碳量增加由桔红变为紫色。,70,四、氮化物的稳定性,1.,强氮化物形成元素：,Ti,，,Zr,，,Nb,，,V,几乎不溶于奥氏体。,2.,中强氮化物形成元素：,W,，,Mo,稳定性较高。,3.,弱氮化物形成元素：,Cr,，,Mn,，,Fe,高温时溶于奥氏体，低温时析出。,4.AlN,：稳定性很高。,71,五、氮化物的作用,1.,细化晶粒,2.,提高表面耐磨性和疲劳强度,3.,提高表面耐蚀性,72,1,5,钢中的硼化物,一、钢中硼的来源,1.,作为合金元素加入,微硼钢,(0.001,0.005%B),：提高淬透性。,高硼钢,(0.1,4.5%B),：吸收中子，用于核反应堆。,2.,表面渗硼,73,二、钢中硼化物的结构,1.Fe,2,B,(1),具有复杂结构。,(2),硬度较高，,HV1200,1700,。,(3),在高硼钢中存在，表面渗硼时也可获得。,74,2.FeB,(1),具有复杂结构。,(2),硬度高，,HV1800,2000,，脆性大。,(3),表面渗硼时在渗层表面得到。,75,3.Fe,23,（,C,，,B,）,6,(1),碳硼化物，其结构和,Cr,23,C,6,相同。,(2),在微硼钢中出现，一般位于晶界，使钢脆性增大，形成硼脆。,(3),可溶入其他元素，形成复杂硼化物。,76,1,6,钢中的金属间化合物,一、,相,1.,相为正方晶系，,a=bc,。单位晶胞有,30,个原子。,2.,二元系中,相的形成条件,(1),原子尺寸相差不大，,d1.5%,时，产生非铁素体组织，明显降低韧性。,Ni,：对耐低温钢尤其重要。,Cr,：含量较低时提高韧性。,3,、,P,、,Si,明显降低冲击韧性，升高韧,-,脆转变温度。,129,4,、,N,固溶于铁素体时可明显降低冲击韧性，升高韧,-,脆转变温度，并产生应变时效。,加铝、钛，生成稳定的氮化物，可固定氮，并细化晶粒，降低韧,-,脆转变温度。,130,5,、,V,，,Ti,，,Nb,产生的细晶强化可以补偿弥散强化对韧性的损害。,6,、非金属夹杂物,MnS,夹杂塑性好，沿形变方向呈条带状分布，降低横向冲击韧性。,加稀土元素可形成球状夹杂物，使横向与纵向冲击韧性趋于一致。,131,三、工程结构钢的焊接性,1,、可焊性,在简单可行的焊接工艺条件下，钢材焊接后不产生裂纹，并获得良好的焊缝区性能。,2,、热影响区,由于焊后冷却速度快，易得到马氏体组织，内应力大，产生裂纹。,132,3,、碳当量,要求：,CE,不大于,0.4-0.5%,。,碳及合金元素的作用，反映了钢的淬透性和淬硬性。,四、工程结构钢的耐大气腐蚀性能,钢中加入少量的铜、磷，提高钢的耐大气腐蚀性能。,如：,09CuPTi,耐候钢。,133,2,2,铁素体,-,珠光体钢,一、碳素结构钢,1.,编号,Q,屈服点质量等级脱氧,Q,：表示屈服强度,屈服点：分为,5,个等级：,195,，,215,，,235,，,255,，,275,（,MPa,）,134,质量等级：,分,A,，,B,，,C,，,D,四个等级，表示对冲击试验的要求不一样。,A,：不要求，,B,：,20,时,27J,。,C,：,0,时,27J,，,D,：,2027J,。,脱氧：镇静钢：不表示。,沸腾钢：,F,；半镇静钢：,b,。,135,2.,特点：,(1),碳含量较低。,0.06-0.38%C,(2),热轧态供货，不需热处理，组织为,F,P,。,(3)S,，,P,含量随质量等级提高而减少。,3.,用途,主要用于工程结构钢。,产量大。,136,二、高强度低合金钢,特点：显微组织中，,F,：,75,90%,，,P,：,10,25%,。,1,、低碳：,C0.15%,。,2,、热轧态或正火态供货。,3,、强度较低：,s,：,345,440MPa,。,137,典型钢种：,16Mn 345MPa Mn,：起固溶强化和 细化晶粒作用。,15MnV 390MPa,增加,V,的微合金化，起细化晶粒和沉淀强化作用。,15MnVN 440MPa,增加,V,，,N,复合微合金化，起细化晶粒和沉淀强化作用。,138,三、微合金钢,微合金钢：在高强度低合金钢中加入,0.1%,左右的,V,、,Ti,、,Nb,等合金元素。,关键：采用控制轧制和控制冷却的生产工艺，充分发挥微合金元素的细化晶粒和沉淀强化作用。,139,轧制：加热温度高于,1200,钒的碳、氮化物完全溶入奥氏体，铌和钛的碳、氮化物一部分溶入奥氏体，一部分未溶解。,溶入奥氏体的,V,、,Ti,、,Nb,在轧制过程中析出，抑制再结晶和晶粒长大；在轧后的冷却时继续析出，产生沉淀强化作用。,未溶的碳、氮化物阻止加热时奥氏体晶粒长大。,140,1,、抑制奥氏体形变再结晶。,铌作用最强，钛作用次之，钒较弱。,(1),应变诱导析出铌、钛、钒的氮化物，沉淀在晶界、亚晶界和位错上，阻碍晶界和位错运动，抑制再结晶。,(2),固溶的铌原子偏聚在奥氏体晶界，阻碍晶界运动。,141,2,、阻止奥氏体晶粒长大,每一道次轧制奥氏体再结晶完成后，就要发生晶粒长大。钛、铌、钒的氮化物颗粒能阻止奥氏体晶粒长大。,3,、沉淀强化,钒：析出,VC,的沉淀强化效果非常显著。,铌：,0.04%,，沉淀强化显著。,142,4,、细化铁素体组织,(1),固溶在奥氏体中的铌、钒提高了奥氏体的稳定性，降低相变温度。,(2),细小的奥氏体和未再结晶的形变奥氏体增加了铁素体形核数量。,铁素体,-,珠光体组织的低合金钢和微合金钢，屈服强度的极限为,440Mpa,超过此强度需采用其他强化措施。,143,2,3,低碳贝氏体和马氏体钢,一、低碳贝氏体钢,1,、特点,在热轧或正火后直接产生贝氏体组织，屈服强度较高。,2,、碳含量低，保证韧性和焊接性。,C,：,0.10-0.20%,，一般为,0.10-0.16%,。,144,3,、合金化,以,0.5%Mo,，或,0.5%Mo+B,为基础，同时加入,Mn,，,Cr,，,Ni,及,V,，,Ti,，,Nb,。,(1)Mo,，,B,：保证空冷条件下获得贝氏体组织。,原因：强烈推迟先共析铁素体析出和珠光体转变。,145,(2)Cr,，,Ni,，,Mn,：,增加淬透性，使贝氏体转变温度降低，便于得到下贝氏体组织，具有更低的脆性转变温度。,(3)V,，,Ti,，,Nb,：,细化晶粒，弥散强化。,146,4,、典型钢种,14MnMoV,：,s,：,490Mpa,，用于制造容器。,板厚小于,14mmm,，热轧态。,板厚大于,14mmm,，正火加高温火。,14CrMnMoVB,：,s,：,640Mpa,，用于制造高压容器。,147,二,、针状铁素体钢,1,、化学成分,实质上属于低碳或超低碳贝氏体钢。,典型钢种：,C0.1%,，,Mn,（,1.2-2.0%,），,Mo,（,0.2-0.6%,），,Nb,（,0.04-0.06%,）。有时还加,0.06%V,，,0.01%Ti,。,148,2,、显微组织,具有高位错密度亚结构和弥散沉淀相的细晶粒的针状铁素体。,149,3,、强化机制,(1),细晶强化：细小的铁素体晶粒。,(2),位错强化：铁素体内切变形成的高密度位错。,(3),沉淀强化：,Nb(C,N),，,VC,沉淀相。,(4),固溶强化：铁素体中固溶的碳和合金元素。,150,4,、典型钢种,09MnMoVNb,：,s470MPa,，,20%,，,-15,冲击韧性,90J,。,采用控制轧制和控制冷却。用于制造寒冷地区的输油管线。,151,三、低碳马氏体钢,1,、性能,强度高，,b,可达,1000Mpa,；,韧性好；焊接性好。,2,、显微组织,以低碳马氏体为主。,152,3,、合金化,(1),碳含量：低碳。,(2),合金元素：,Mn,、,Cr,、,Mo,、,Nb,、,V,、,B,。,提高淬透性，防止铁素体析出和珠光体转变。,153,4,、典型钢种,BHS-1,：,C,：,0.1%,，,Mn,：,1.8%,，,Mo,：,0.45%,，,Nb,：,0.05%,。,锻轧后空冷：,B+M+F,混合组织。,b,：,1049Mpa,，,Ak,：,96J,。,淬火：低碳马氏体。,b,：,1197Mpa,，,Ak,：,50J,。,154,四、双相钢,1,、特点,金相组织是由,70,80%,的细晶多边状铁素体和,20,30%,的马氏体组成，后者以小岛态或纤维状均匀分布在铁素体基体上。,2.,性能,具有优良的深冲性能，是,F,，,F+P,类型低合金钢不能满足的。,155,(1)s,下降，,上升。,（碳含量低，铁素体占,80%,）,(2)b,上升,（,20%,的马氏体）,（铁素体的加工硬化）,(3),均匀延伸提高，塑性应变比上升。,（与岛状马氏体的形态分布有关）,156,3.,热处理双相钢,加热：,双相区。（,740,800,）,冷却：空冷时岛状,因,C,和合金元素含量高，转变为马氏体。,157,4.,热轧双相钢,热轧冷却时先析出,80%,以上的铁素体，未转变的奥氏体因,C,和合金元素含量高，转变为马氏体。,158,2,4,工程结构钢的冶金工艺特点,一、冶炼工艺,1,、氧气炼钢,可降低钢中的含氮量。,159,2,、铝终脱氧,(1),脱氧充分，含氧量低。,(2),保证,Ti,、,Nb,、,V,的收得率。,(3),形成,AlN,，固定钢中的氮，减少应变时效，细化晶粒。,160,3,、控制,MnS,夹杂,(1),采取脱硫措施，降低含硫量。,(2),加入稀土元素，生成难以变形的复合硫化物。,161,4,、降低杂质，提高纯净度。,(1),采用钢液真空处理、钢包精炼等炉外精炼新技术。,(2),加入稀土元素，和杂质元素生成难熔化合物。,162,二、控制轧制和控制冷却,1,、传统控制轧制,(1),特点：控制道次压下量。,(2)950,以上，发生动态再结晶。,(3)950,以下，发生静态再结晶或回复。,(4),铁素体在形变奥氏体的晶界和晶内形变带上形核，细化铁素体。,(5),缺点：终轧温度低，轧机负荷大。,163,2,、再结晶控制轧制,(1),特点：以,TiN,阻止奥氏体晶粒粗化，以,V(C,N),为沉淀强化相。,(2),含钛量控制在,0.01-0.02%,，保证钢液凝固后从奥氏体中析出弥散分布的,TiN,，能抑制高温形变后再结晶奥氏体的粗化，经多道形变细化奥氏体。,164,(3),终轧温度高于,950,，,V(C,N),在奥氏体中无应变诱导析出，而在低温下发生相间沉淀和从铁素体中析出，产生沉淀强化。,(4),优点：轧机负荷低。钢材焊接性好。,165,3,、控制冷却,(1),增大冷却速度，细化铁素体和珠光体。,(2),降低相变温度，细化沉淀相尺寸。,(3),采用强制风冷、喷雾、喷水等措施。,166,第三章 机械制造用结构钢,167,特点：制造各种机械零件，如汽车、拖拉机、机床、矿山机械、冶金机械、电站设备等机器上的轴、齿轮、连杆、弹簧、紧固件等。,成分：,C,：,0.08,0.65%,Me,：通常合金元素含量不超过,5%,。,168,质量：,一般为优质钢，少数为高级优质钢。,按用途分类：,调质钢、低碳马氏体钢、轴承钢、渗碳钢、氮化钢、弹簧钢、易切削钢等。,169,3-1,结构钢的强度与韧性,一、结构钢的强化,1,、加工硬化,0,Gb1/2,途径：冷形变；相变过程中的切变。,170,2,、细晶强化,s=0+kyd-1/2,d,：淬火前奥氏体晶粒尺寸。,（淬火回火钢）,途径：未熔碳化物阻止奥氏体晶粒长大。,171,3,、固溶强化,利用固溶的代位溶质原子或间隙固溶原子产生晶格畸变，提高基体的屈服强度。,(1),铁素体基体：代位溶质原子,（正火，淬火加中温、高温回火,),(2),马氏体基体：间隙溶质原子,（淬火加低温回火）,172,4.,沉淀强化,将多量的合金元素溶入,铁中，形成过饱和固溶体，然后通过时效或回火处理，使过饱和原子析出新相，产生强化作用。,合金钢：析出碳化物。,马氏体时效钢：析出金属间化合物（,Ni,3,Ti,，,Ni,3,Mo,，,Fe,2,Mo,等）。,173,结构钢的强度水平：,中碳回火索氏体钢、低碳马氏体钢：,b 1200-1400MPa,中碳低合金马氏体钢：,b 1400-2000MPa,微碳马氏体时效钢：,b 1900-2300MPa,174,形变热处理中合金钢：,b 2400-3200MPa,将过冷奥氏体在中温区域进行,60-90%,形变，然后立即淬火。,强度来源：,形变：高密度位错（加工硬化）；,奥氏体析出碳化物（沉淀强化）,淬火：马氏体强化。,175,高碳冷拉钢丝：,b 3000-4000MPa,900,950,奥氏体化，,500,铅浴形成细珠光体，冷拔量达到,90%,。,强度来源：,加工硬化。,弥散强化（碎化的渗碳体）。,176,二、结构钢韧性,1,、韧性指标,(1),冲击韧性,(2),韧,-,脆转变温度,(3),断裂韧性：高强度钢中存在有微小的裂纹，当裂纹尺寸增大到一定尺寸时，裂纹突然扩展，零件发生脆断。,177,二、结构钢的脆性断裂,1,来自强化,s,，使塑性变形能力下降，脆断倾向增加。,2,来自脆化,生产、加工过程中产生了缺陷，,s,不增加，而,f,下降。,178,3-2,结构钢的淬透性,一、淬透性对机械性能的影响,1.,组织和机械性能的关系,对于碳钢、,Cr,钢、,CrNi,钢、,CrMnSi,钢当,HB90%,马氏体。,弯扭：,离表面,0.3R,处,90%,马氏体。,(3),防止高温回火脆性,191,二、调质钢的合金化,1,、碳,0.30,0.50%,。形成一定数量的碳化物，保证强度和塑性、韧性的要求。,2,、合金元素,调质钢采用完全淬火，加热时完全奥氏体化，只有强碳化物形成元素形成的特殊碳化物未完全溶解，其余合金元素均溶入奥氏体。,192,(1),增加淬透性；,作用显著：,Mn,，,Mo,，,Cr,，,B,。,作用较小：,Si,，,Ni,，,W,，,V,。,当,Cr,1%,，,Ni=3%,，淬透性显著增加。,193,(2),防止高温回火脆性；,对,Mn,钢，,Cr,钢尤为重要。,Mo,：,0.2-0.3%,，不大于,0.6%,，,(3),提高回火稳定性。,V,，,W,，,Mo,，,Cr,阻碍合金渗碳体长大，阻碍,相再结晶。,194,(4),细化奥氏体晶粒,V,：,0.1-0.2%,。,淬火加热时,TiC,、,NbC,难于溶入奥氏体，,VC,可部分溶解。考虑到增加淬透性的需要，采用钒细化晶粒。,热处理时只要控制好淬火加热温度，通常奥氏体晶粒不会过分粗大。,195,三、合金元素对韧性的影响,1,、锰,含量为,1%-1.5%,时，提高韧性。,2,、镍,提高韧性。,3,、硅,降低韧性。,196,四、常用调质钢,1.,低淬透性调质钢；,油淬临界直径,30-40mm,。,锰钢：,45Mn2,，,45Mn2V,。,硅锰钢：,42SiMn,。,硼钢：,50B,，,40MnB,，,40MnVB,。,铬钢：,40Cr,，,38CrSi,，,40CrV,。,197,2.,中淬透性调质钢；,油淬临界直径,40-60mm,。,铬钼钢：,42CrMo,。,铬镍钢：,40CrNi,。,锰钼硼钢：,40MnMoB,。,铬锰钢：,40CrMn,，,30CrMnSi,。,198,3.,高淬透性调质钢。,油淬临界直径大于,60-100mm,。,高铬镍钢：,37CrNi3,，油淬,200mm,可淬透。,铬镍钼钢：,40CrNiMo,。,铬锰钼钢：,40CrMnMo,。,硅锰钼钒钢：,35SiMn2MoV,。,199,3-4,低温回火状态下的结构钢,一、低温回火钢的显微组织及力学性能,1,、显微组织,回火马氏体（碳的过饱和固溶体，与,相格的,FexC,沉淀相）,200,2,、强度,强度来源：,碳的固溶强化，,沉淀强化，,马氏体相变的冷作硬化。,强度与含碳量的关系如下所示：,b=2880C+800,（,1700-2300MPa,）,C0.5%,时，脆性急剧增加，工艺性能变坏，未见用于生产。,201,3,、韧性,(1),碳含量,0.25%,以下：为板条马氏体，韧性好。,0.25%,以上：片状马氏体数量增加，韧性降低。,(2),合金元素：,Mn,：,1%,；,Cr,：,1.5%,；,Mo,：,0.5%,；,Ni,：,1-4%,可提高韧性。,(3),细化晶粒。,V,：,0.05-0.20%,202,4,、低温回火脆性,(1),避免在,250-350,回火。,(2),降低杂质元素含量。,(3),加入,Si,，提高低温回火脆性的产生温度。,203,二、低碳马氏体结构钢,1,、特点,(1),高强度、塑性和韧性好，可替代调质钢。,(2),和调质钢比，冷成型和焊接性好，热处理脱碳倾向小，缺口敏感性低。,2,、合金化,(1),含,C,量：,0.15,0.25%C,。,204,(2),合金元素：,Mn,、,Cr,、,Ni,、,Mo,、,V,、,Si,和调质钢基本相同。,提高淬透性,比调质钢要求更高。,含,C,量比调质钢低，淬透性差。,以回火马氏体状态使用，如淬不透，达不到强度。,205,降低,Ms,点，防止自回火,由于低碳钢,Ms,点高（,0.2%C,，,Ms450,），淬火后所得马氏体易发生自回火现象，使硬度、强度下降。加入合金元素使,Ms,点下降，可防止自回火。,206,3,、低碳马氏体钢的应用,(1)15CrMo,：,950,加热，,10%NaOH,淬火，,150,回火。,制作开启石油井出油口的射孔器，使用寿命和,37CrNi3Mo,相同，平均使用寿命,15,次。,207,(2)15MnVB,：,替代,40Cr,调质钢，制作汽车用高强度螺栓,880,加热，,10%NaCl,淬火，,200,回火，,HRC38,41,。,强度高，塑性和韧性好，生产工艺简单，头部由热锻改为冷镦，螺纹有利辊压。,208,三、低合金超高强度钢,超高强度钢是自,20,世纪四十年代逐渐发展起来的一个新型钢种，主要用于航空航天，也可用于常规武器和高压容器。,超高强度钢的强度标准，通常要求,b1370MPa,或,s1245MPa,。因为,Al,合金的,b,可达,600MPa,，而比重约为钢的,1/3,。,低合金超高强度钢由调质钢发展而来，利用马氏体强化提高强度。,209,1,、特点,(1)C,：,0.3,0.5%,，,Me,：总量在,5%,以下,从调质钢发展而来。,(2),以回火马氏体或下贝氏体状态使用,采用淬火加低温回火或等温淬火。如得不到回火马氏体或下贝氏体，则达不到此强度，故淬透性非常重要。,210,2,、合金化,(1),保证足够的淬透性。,Mn,，,Cr,，,Si,，,Ni,，,Mo,等。,在截面上得到全马氏体，保证碳的强化作用。,(2),推迟低温回火脆性。,1,2%Si,，使低温回火脆性移向更高温，可选用尽可能高的温度，得到塑性和韧性的配合。,211,(3),细化奥氏体晶粒,改善塑性、韧性。加入,V,，,Nb,。,3,、常用钢种,40CrNiMo,国外广泛使用,212,(1),提高淬透性：,Cr,，,Ni,，,Mo,(2),改善回火马氏体韧性：,Ni,，,Mo,900,淬火，,200,回火，,b1884MPa,。,40SiNiCrMoV,：,在,40CrNiMo,基础上加,1.45,1.80%Si,，,0.05,0.10%V,。,870,淬火，,300,回火，,b=2020MPa,，用于大型飞机起落架。,213,2,、,35Si2Mn2MoVA,中国研制（不含,Cr,，,Ni,）,(1)Si,，,Mn,，,Mo,，,V,：提高淬透性。,(2)Si,：提高回火稳定性，提高低温回火脆性发生温度。,(3)Mo,：改善韧性。,(4),V,：细化晶粒。,920,淬火，,320,回火，,b,1800,1950MPa,。,214,4,、缺点,(1),使用温度低；,(2),耐蚀性差。,215,3-5,高合金超高强度钢,一、特点,航空和宇航工业的发展，对钢的强度提出更高的要求。但是，如果继续走以碳强化的道路，将无法克服碳带来的严重脆性。马氏体时效钢放弃了以碳强化的途径，采用超低碳，以时效析出的金属间化合物产生沉淀强化获得高强度，是一个突破性的进展。,216,1,、不仅有高强度，而且有良好的塑性、韧性和缺口强度值。,2,、热处理工艺简单。,(1),不存在脱,C,问题。,(2),不需急冷，变形和开裂倾向小。,3,、便于冷成形和切削加工，焊接。,217,二、强化机理,马氏体时效钢是通过奥氏体马氏体时效马氏体的转变获得所需组织和性能。,1,、固溶强化,合金元素溶入,-Fe,产生固溶强化。,强化效果达,150,250MPa,，贡献不大。,218,(1),强化效率不高。,(2),时效后固溶度下降。,2,、相变冷作硬化,相变后马氏体中有高密度位错。,强化效果达,500,600MPa,。,219,3,、时效强化,弥散分布的时效相引起强化。,强化效果达,1100MPa,，起主要作用。,三、马氏体时效钢的化学成分,1,、超低碳：,C0.03%,。,2,、,Ni,作为主要合金元素,220,含量分为三个类型，,18%Ni,，,20%Ni,，,25%Ni,。,(1),保证高温时得到单相奥氏体。因为时效强化元素均为铁素体形成元素，所以要加入大量镍。,(2),保证足够的淬透性，空冷时得到马氏体。,(3),析出金属间化合物，产生时效强化作用。,221,3,、,Ti,，,Al,，,Nb,，,Mo,作为时效强化作用元素，析出,Ni3Ti,，,Ni3Mo,等，产生时效强化作用。,4,、,Co,(1),保证高温时得到单相奥氏体。,(2),升高,Ms,点，减少残余奥氏体。,(3),增加时效强化效果，析出,（,Fe,Ni,Co,）,2Mo,。,222,四、马氏体时效钢的热处理工艺,1,、淬火：得到马氏体，并让合金元素溶解在马氏体中，为时效做好准备。,2,、时效：产生时效强化达到要求强度。,(1)18%Ni,815,加热，空冷，得到马氏体，,HRC 28-32,，,AR,多。,480,时效，析出,Fe2Mo,Ni3Ti,，,Ni3Mo,。,223,(2)20%Ni,淬火和时效工艺与,18%Ni,型基本相同。,不同之处：因,Ni%,高，淬火后,AR,增多，需要进行一次冷处理（,70,），减少,AR,后再时效。,(3)25%Ni,：,淬火和时效工艺与,18%Ni,型基本相同。,不同之处：淬火后,AR,很多，硬度很低，,HV160-230,。,224,消除,AR,有两种方法：,冷处理前时效,在,705,保温几个小时，奥氏体中析出一部分金属间化合物，奥氏体合金含量降低，,Ms,升高，随后冷却并进行冷处理，奥氏体基本上可转变为马氏体。,冷加工变形,进行,25%,的冷变形，使,Ms,升高，再进行冷处理，使奥氏体转变为马氏体。,225,3,6,轴承钢的合金化,一、滚动轴承的工作条件,1.,受力状况,(1),高的接触应力；,(2),交变负荷；,(3),摩擦；,(4),腐蚀作用。,226,2.,破坏形式,正常破坏形式是接触疲劳破坏，,其次是磨损使精度丧失。,(1),在接触表面下,0.786b,处产生疲劳裂纹。,b,：滚动体与套圈接触带的宽度。,227,内因：此次处切应力达到最大值,.,回火马氏体在切应力作用下转变为回火索氏体。,强度降低；,比容减小，引起附加张应力。,外因：存在非金属夹杂和粗大碳化物,228,(2),疲劳裂纹的扩展,裂纹沿切应力方向发展，扩展方向与表面呈,45,夹角，沿内部组织、成分、应力不均匀区延伸至表面。,229,3,、轴承钢的显微组织,(1),碳浓度均匀的混合型回火马氏体。,含,C,量,0.45%,为板条马氏体和片状马氏体混合物时疲劳寿命最