1.10,11,12 金屬材料.ppt

第五章工業(yè)用鋼 僅以碳元素為主要合金元素的碳素鋼在某些條件下難以滿足機械性能或其它特殊性能要求 需要添加其它合金元素改善 合金鋼是在以碳元素為主要合金元素的碳素鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的 在合金鋼中 除了鐵和碳以外 還含有為某種目的 如增加淬透性 提高強度 耐磨性 紅硬性 耐熱性 耐腐蝕性等等 而特意加入的其它合金元素 這些元素有Mn Si Cr Mo Ni W Ti V Nb等 鋼的基礎(chǔ)知識結(jié)構(gòu)鋼工具鋼特殊性能鋼 第一節(jié)鋼的基礎(chǔ)知識 一 合金元素對鋼的組織和性能的影響 雜質(zhì)及合金元素與鐵和碳的作用 合金元素對Fe Fe3C相圖的影響 合金元素對鋼的熱處理的影響 一 雜質(zhì)和氣體的影響 Mn 脫氧 去硫 提高鋼的強度和硬度 Si 有很強的固溶強化作用 能脫氧 1 有益元素 2 有害元素 P 有很強的固溶強化作用 低溫韌性差 冷脆 S 能引起鋼在熱加工時或高溫工作下開裂 熱裂 3 氣體元素 N 鋼中過飽和N在常溫放置過程中會發(fā)生時效脆化 加Ti V Al等元素可消除時效傾向 O 鋼中的氧化物易成為疲勞裂紋源 H 原子態(tài)的過飽和氫時將降低韌性 引起氫脆 當(dāng)氫在缺陷處以分子態(tài)析出時 會產(chǎn)生很高內(nèi)壓 形成微裂紋 其內(nèi)壁為白色 稱白點或發(fā)裂 二 合金元素在鋼中的作用合金元素在鋼中的存在形式及主要作用 溶于鐵素體內(nèi) 形成合金鐵素體 作用 固溶強化 溶于滲碳體內(nèi) 形成合金滲碳體 如 Fe Cr 3C 作用 提高碳化物硬度和穩(wěn)定性 和碳形成特殊碳化物 如Fe3W3 Cr23C6 Mo2C TiC 作用 特殊碳化物穩(wěn)定 硬度高 可提高紅硬性和耐磨性 特殊碳化物細(xì)小彌散 起彌散強化作用 合金元素對硬度的影響 合金元素對沖擊韌性的影響 與碳作用形成合金碳化物 Fe Mn Cr Mo W V Ti Nb Zr 弱碳化物元素 Fe Mn 中強碳化物元素 Cr Mo W 強碳化物元素 V Ti Nb Zr 三 合金元素對Fe Fe3C相圖的影響 擴大奧氏體區(qū)縮小奧氏體區(qū)改變共晶點和共析點的參數(shù) 1 擴大奧氏體區(qū)的合金元素 面心立方晶格的Mn Ni Co等元素以及N和C 作用 使A3線溫度下降 A4線溫度上升 Mn元素對奧氏體區(qū)的影響 2 縮小奧氏體區(qū)的合金元素 體心立方晶格的Cr Mo W V Ti Si等元素 作用 使A3線溫度上升 A4線溫度下降 Cr元素對奧氏體區(qū)的影響 3 改變共晶點和共析點參數(shù)的元素 幾乎所有的合金元素 作用 使S點和E點的成分向左移 即移向低碳的方向使A1線的溫度變化 合金元素對S點成分的影響 合金元素對A1線的影響 四 合金元素對鋼的熱處理的影響 加熱時對奧氏體形成的影響對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響對回火轉(zhuǎn)變的影響 1 合金元素對加熱時奧氏體形成的影響 除Mn元素外 所有合金元素的加入 均使奧氏體的形成速度減慢 強碳化物形成元素能強烈的阻止奧氏體晶粒長大 Ti V Zr Nb等 非碳化物形成元素能輕微的阻止奧氏體晶粒長大 Si Ni Cu Co等 2 合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響 除Co元素外 所有的合金元素均使鋼的TTT曲線向右移 推遲奧氏體向珠光體和貝氏體轉(zhuǎn)變的過程 提高淬透性 除Co Al元素外 所有的合金元素都使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度下降 提高鋼的淬透性 常用的元素有 Cr Mn Mo Si Ni B等 3 合金元素對回火轉(zhuǎn)變的影響 回火抗力的增加阻礙F 和C的擴散 提高馬氏體的穩(wěn)定性 推遲馬氏體的分解和殘余奧氏體的轉(zhuǎn)變 阻礙碳化物的析出和聚集長大 二次硬化的產(chǎn)生 紅硬性提高 削弱回火脆性 W M W Mo V等碳化物在550 時 使鋼達到最高硬度 產(chǎn)生二次硬化 Cr Ni鋼的回火脆性示意圖 防止第二類回火脆性的產(chǎn)生的方法 在500 600 快速冷卻 加入合金元素W Mo 因此 根據(jù)合金元素在鋼中的作用 1 主加元素 對提高鋼的性能起主要作用 Si Mn Cr Ni B 2 輔加元素 配合主加元素進一步提高鋼的性能 彌補主加元素的不足與缺陷 W Mo V Ti Nb 第二節(jié)鋼的分類和編號1 分類鋼材種類繁多 為便于生產(chǎn)使用和研究 進行了如下分類 1 按化學(xué)成份分類鋼按化學(xué)成份不同可分為碳素鋼和合金鋼 碳素鋼按碳含量的不同又分為低碳鋼 含碳量小于0 25 中碳鋼 含碳量為0 25 0 6 和高碳鋼 含碳量大于0 6 合金鋼按合金元素總量分為低合金鋼 合金元素總量小于5 中合金鋼 合金元素總含量為5 10 高合金鋼 合金元素總量大于10 有時 按合金鋼中所含主要合金元素將合金鋼分為錳鋼 鉻鋼 鉻鉬鋼或鉻錳鈦鋼等 2 按供應(yīng)態(tài)的顯微組織分類一般鋼的供應(yīng)狀態(tài)有退火態(tài)和正火態(tài)兩種 按正火態(tài)組織將鋼分為珠光體類 貝氏體類 馬氏體類及奧氏體類鋼 在這里也不排除有過渡型混合組織出現(xiàn)的可能 按退火態(tài) 即平衡態(tài) 組織可將鋼分為亞共析 共析和過共析鋼 按用途分類結(jié)構(gòu)鋼工具鋼特殊性能鋼 2 鋼的編號我國的鋼材編號是采用國際化學(xué)符號 數(shù)字及漢語拼音字母并用的原則 按碳含量 合金元素的種類和數(shù)量以及質(zhì)量級別來編號的 1 普通結(jié)構(gòu)鋼2 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼3 碳素工具鋼4 合金結(jié)構(gòu)鋼5 合金工具鋼6 滾動軸承鋼7 不銹鋼及耐熱鋼 1 普通碳素結(jié)構(gòu)鋼 普碳鋼 該類鋼牌號表示方法是由代表屈服點的字母 Q 屈服強度數(shù)值 MPa值 質(zhì)量等級符號 A B C D 及脫氧方法符號 F b Z TZ 等四部分按順序組成 Q235 A F 2 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼該類鋼的鋼號用鋼中平均含碳量的兩位數(shù)字表示 單位為萬分之一 如鋼號45 表示平均含碳量為0 45 的鋼 這是正常含錳量 按雜質(zhì)含量 的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的鋼號表示方法 對含錳量較高的鋼 須將錳元素標(biāo)出 所謂較高含錳量系指含碳量大于0 6 含錳量在 0 9 1 2 者及含碳量小于0 6 含錳量 0 7 1 0 者 數(shù)字后面附加化學(xué)元素符號 Mn 例如鋼號25Mn 表示平均含碳量為0 25 而含錳量為 0 7 1 0 的鋼 45 Wc 0 45 較高錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45Mn Wc 0 45 WMn 0 7 1 0 3 碳素工具鋼碳素工具鋼是在鋼號前加 T 表示 其后跟以表示鋼中平均含碳量的千分之幾的數(shù)字 如平均含碳量為0 8 的工具鋼 其鋼號記為 T8 含錳量較高者須在鋼號后標(biāo)以 Mn 若為高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼則在鋼號末端加 A 如T10A T12A 4 合金結(jié)構(gòu)鋼該類鋼的牌號是由 數(shù)字 元素 數(shù)字 三部分組成 前面的數(shù)字 為兩位數(shù) 表示平均含碳量的萬分?jǐn)?shù) 合金元素以化學(xué)元素符號表示 合金元素后面的數(shù)字 一位或兩位數(shù) 表示該元素的平均百分含量 如果合金元素平均含量低于1 5 時 則不標(biāo)明其含量 當(dāng)其平均含量大于或等于1 5 至2 5 時則在元素后面標(biāo) 2 依此類推 如60Si2Mn鋼 其平均含碳量約0 6 含硅2 及含錳1 5 合金工具鋼該類鋼的編號原則大體同合金結(jié)構(gòu)鋼 只是含碳量的表示方法不同 而合金元素的表示方法相同 鋼號前表示其平均含碳量的是一位數(shù)字 為其千分?jǐn)?shù) 當(dāng)平均含碳量大于或等于1 0 時 則不標(biāo)出含碳量 例如9Mn2V鋼的平均含碳量為 0 85 0 95 而CrMn鋼中的平均含碳量則為 1 3 1 5 高速鋼是一類高合金工具鋼 其鋼號中一般不標(biāo)出含碳量 僅標(biāo)出合金元素符號及其平均含量的百分?jǐn)?shù) 如W18Cr4V鋼的平均碳含量為 0 7 0 8 而合金元素含量則約為18 W 4 Cr和1 V 6 滾動軸承鋼該類鋼含碳量較高 一般約為0 95 1 15 在鋼號中不標(biāo)明 其鋼號前冠以G表示 滾動軸承 鋼 其后為鉻 Cr 數(shù)字 其它合金元素 數(shù)字 表示 數(shù)字表示鉻平均含量的千分?jǐn)?shù) 而其它合金元素后的數(shù)字則表示其百分?jǐn)?shù) 如 滾鉻15 即GCr15 即是鉻平均含量為1 5 滾動軸承鋼 7 不銹鋼及耐熱鋼這兩類鋼鋼號前面的數(shù)字表示平均含碳量的千分?jǐn)?shù) 如 9鉻18 即9Cr18 表示該鋼平均含碳量為0 9 但碳含量小于0 03 及0 08 者 在鋼號前分別冠以 00 及 0 如 00鉻18鎳1 即00Cr18Ni10 等 應(yīng)指出 上述鋼中能起重要作用的微量元素如鈦 鈮 鋯等雖然含量較低 一般小于1 甚至小于0 01 但應(yīng)在鋼號中標(biāo)出 且元素符號后不附加數(shù)字 而當(dāng)其在某些鋼中含量大于1 時 則必須在元素符號后加上其含量的百分?jǐn)?shù) 第三節(jié)合金結(jié)構(gòu)鋼 AlloyConstructionalSteel 普通低合金鋼合金滲碳鋼合金調(diào)質(zhì)鋼彈簧鋼滾動軸承鋼易切削鋼 一 普通低合金鋼 commonlow alloyedsteel 1 化學(xué)成分 碳素結(jié)構(gòu)鋼 合金元素 主加合金元素 Mn1 8 以內(nèi) 輔加合金元素 V Ti Nb B 2 牌號 Q345C 3 熱處理特點 熱軋空冷狀態(tài)下使用 不需要進行專門的熱處理 在有特殊需要時 如為了改善焊接接頭性能 可進行一次正火處理 Q460鋼含Mo B 正火組織為B 強度高 用于石化中溫高壓容器 壓力容器 南京長江大橋 Q345鋼 16Mn 綜合性能好 用于船舶 橋梁 車輛等大型鋼結(jié)構(gòu) 16Mn是我國低合金高強鋼中發(fā)展最早 使用最多 產(chǎn)量最大的鋼種 例如南京長江大橋 廣州電視塔等 Q390鋼含V Ti Nb 強度高 用于中等壓力的容器 4 典型普通低合金鋼 二 碳素滲碳鋼及合金滲碳鋼 1 對滲碳鋼的性能要求 2 對滲碳鋼的含碳量的要求 低碳 3 滲碳鋼的熱處理特點 表硬里韌 Wc 0 25 Wc 0 15 0 25 合金元素 Cr Mn Ni B V W Mo Ti等 表層 M回 Fe3C A殘 心部 F P 表層 M回 Cm A殘 心部 低碳M回 F 4 合金滲碳鋼的牌號 20Mn2TiA 5 典型合金滲碳鋼種介紹 低淬透性合金滲碳鋼鋼含合金元素總量 3 15Cr 20Cr 20Mn2 用于受力小的耐磨件 如柴油機的活塞銷 凸輪軸等 中淬透性合金滲碳鋼鋼含合金元素總量在4 左右 20CrMn 20CrMnTi 20Mn2TiB 用于中等載荷的耐磨件 如變速箱齒輪 柴油機凸輪軸 活塞銷 20Cr 高淬透性合金滲碳鋼鋼含合金元素總量在4 6 18Cr2NiWA 20Cr2Ni4A等 用于大載荷的耐磨件 如柴油機曲軸 柴油機曲軸 三 碳素調(diào)質(zhì)鋼及合金調(diào)質(zhì)鋼 1 對調(diào)質(zhì)鋼的性能要求 既強又韌 2 對調(diào)質(zhì)鋼的含碳量的要求 中碳 3 調(diào)質(zhì)鋼的熱處理特點 淬火 高溫回火 500 650 Wc 0 25 0 6 Wc 0 25 0 5 合金元素 Cr Mn Ni B Si V W Mo Ti等 表層 S回 心部 P F 表層 S回 心部 S回 4 合金調(diào)質(zhì)鋼的牌號 40Cr40Mn40MnB35CrMo38CrMoAlA25Cr2Ni4WA 5 典型合金調(diào)質(zhì)鋼種介紹 低淬透性調(diào)質(zhì)鋼 鋼含合金元素總量 3 40Cr 40MnB等 中淬透性調(diào)質(zhì)鋼 鋼含合金元素總量在4 左右 38CrSi 35CrMo等 常用于制造較小的齒輪 軸 螺栓等零件 高淬透性調(diào)質(zhì)鋼 鋼含合金元素總量在4 10 制造大截面重載荷零件 如曲軸等用高淬透性的零件等 38CrMoAlA 40CrMnMo 25Cr2Ni4WA等 四 碳素彈簧鋼及合金彈簧鋼 1 對彈簧鋼的性能要求 高的 e 高的 s b 高的 1 良好的韌性 2 對彈簧鋼含碳量的要求 中 高碳 3 熱成型彈簧鋼的熱處理特點 淬火 中溫回火 450 550 碳素彈簧鋼 合金彈簧鋼 化學(xué)成分 熱處理后的組織 Wc 0 6 0 9 Wc 0 5 0 7 合金元素 Si Mn Cr V W Mo等 T回 制造尺寸小于 8 15mm的小型彈簧 T回 制造尺寸在 20 25mm左右的彈簧 4 合金彈簧鋼的牌號 6565Mn55Si2Mn60Si2Mn50CrVA50CrMnA55SiMnMoVNb 5 彈簧生產(chǎn)工藝特點彈簧鋼按其成形方法分為冷成型 強化后成形 及熱成形 成形后強化 兩類 其相應(yīng)加工和熱處理工藝為 1 冷成形彈簧 對小型彈簧 如絲徑小于 8 10 mm的螺旋彈簧或鋼帶 一般在熱處理強化后冷拔或冷卷成形 為改善塑性提高強度 一般應(yīng)在成形前等溫冷卻得到均勻細(xì)珠光體組織 如鉛浴 450 550 等溫淬火冷拔鋼絲工藝 或在冷拔工序中加入680 中間退火 冷拔鋼絲工藝 而在冷成形完成后必須要進行一次消除內(nèi)應(yīng)力 穩(wěn)定尺寸并提高彈性極限的定型處理 處理溫度為 250 300 保溫 1 2 h 冷成形后彈簧直徑越小強化效果越好 強度極限可達1600MPa以上 且表面質(zhì)量好 2 熱成形彈簧 對于中大型彈簧一般應(yīng)加熱至奧氏體區(qū)進行熱卷成型 并使成形溫度略高于淬火溫度 利用余熱淬火 然后進行中溫回火 回火溫度 350 450 得到回火屈氏體組織 保證了高的彈性極限和足夠韌性 對熱成形彈簧 由于加熱過程易造成表面氧化和脫碳等缺陷 故一般還要補充進行一道表面噴丸處理 這樣可大大提高其疲勞強度和壽命 如汽車板簧用60Si2Mn鋼熱成型后 經(jīng)噴丸處理可使其壽命提高 3 5 倍 五 滾動軸承鋼 bearingsteel 1 性能要求 高的硬度強度和耐磨性 高的接觸疲勞強度 足夠的韌性和耐蝕性 高的純凈度 2 化學(xué)成分特點 高碳 Wc 0 9 1 1 主加Cr 0 4 1 65 輔加Si Mn 優(yōu)質(zhì)鋼材 3 熱處理特點 球化退火 淬火 低溫回火 極細(xì)回火馬氏體 細(xì)粒狀碳化物 少量殘余奧氏體 4 滾動軸承鋼的牌號 GCr9SiMn 六 易切削鋼 fee cuttingsteel 2 性能要求 降低切削力和切削熱 減少刀具磨損 延長刀具壽命 改屑性能 提高切削速度 3 化學(xué)成分特點 1 用途 適用于高速切削和在自動加工機床上加工的材料 S Ws 0 08 0 3 Pb WPb 0 15 0 25 Ca 微量 4 易切削鋼的牌號 Y40Mn 5 易切削鋼的熱處理工藝特點 低碳易切削鋼 Y12 Y15 Y20 滲碳或淬火成低碳馬氏體 中碳易切削鋼 Y40 調(diào)質(zhì)及表面淬火 第四節(jié)合金工具鋼 合金刃具鋼 alloycuttingsteel 合金模具鋼 alloydiesteel 合金量具鋼 alloymeasuringsteel 量具 刃具 一 碳素刃具鋼 1 性能要求 高硬度 高耐磨性 有一定的強度和韌性 2 化學(xué)成分特點 高碳 3 熱處理特點 淬火 低溫回火 4 組織 M回 Fe3C A殘 5 用途 用于低速 低溫 200 低沖擊 硬度在HRC62左右的刃具 銼刀 手錘 二 合金刃具鋼 種類 低合金刃具鋼 高速鋼 牌號 1 低合金刃具鋼 1 性能要求 高硬度 高耐磨性 有一定的紅硬性 強度和韌性 工作溫度不超過300 2 化學(xué)成分特點 高碳 加入Cr Mn Si W V等合金元素 3 熱處理特點 2 高速鋼 high speedsteel 1 性能要求 高硬度 高耐磨性 高的紅硬性 600 時 HRC63以上 有一定的強度和韌性 高速鋼 鋒鋼 白鋼 18 4 1鋼 2 化學(xué)成分特點 高碳0 7 1 5 鎢18 鉬5 鉻4 釩1 5 保證高硬度 退火狀態(tài)下形成M6C碳化物 在560 左右回火時 彌散析出W2C 造成二次硬化 提高鋼的紅硬性 1 Mo的作用等同于2 W 形成Cr23C6碳化物 提高鋼的淬透性 形成VC 硬度極高 提高鋼的硬度和耐磨性 產(chǎn)生二次硬化 3 W18Cr4V鋼的生產(chǎn)工藝及熱處理特點 鑄造鍛造球化退火機加工淬火 三次570 回火磨削加工 鑄造 高速鋼屬于萊氏體鋼 鑄態(tài)組織中含有大量呈魚骨狀分布的粗大共晶碳化物M6C 鋼的韌性大幅下降 W18Cr4V鋼的鑄態(tài)組織 W18Cr4V鋼的鑄態(tài)組織 W18Cr4V鑄態(tài)組織420 鍛造 魚骨狀碳化物不能用熱處理來消除 只能依靠反復(fù)多次鍛打來擊碎 W18Cr4V鍛造組織210 球化退火 消除應(yīng)力 調(diào)整組織 便于機加工 為淬火作好組織準(zhǔn)備 球化退火后的組織 S 粒狀Cm W18Cr4V球化退火組織420 W18Cr4V鋼的熱處理過程示意圖 淬火 1280 淬火后的組織 M Cm A殘 20 25 W18Cr4V鋼淬火組織 W18Cr4V淬火組織300 三次570 回火 在570 回火時 產(chǎn)生二次硬化 三次570 回火 淬火后A殘約20 25 第一次回火后A殘約剩15 18 第二次回火后A殘約剩3 5 第三次回火后A殘約剩1 2 回火后的組織 M回 Cm A殘 1 2 組織硬度為65HRC以上 W18Cr4V淬火 一次回火組織 W18Cr4V淬火 一次回火組織105 W18Cr4V淬火 三次回火組織 W18Cr4V淬火 三次回火組織420 三 合金模具鋼 alloydiesteel 熱作模鋼 工作溫度為600 以上 冷作模鋼 工作溫度為200 300 一 熱作模鋼 hotdiesteel 1 性能要求 高的熱硬性 高溫耐磨性 高的抗氧化能力 高的熱強性和足夠高的韌性 高的熱疲勞抗力 防止龜裂 高的淬透性和導(dǎo)熱性 2 化學(xué)成分特點 中碳0 3 0 6 合金元素 Cr Ni Mn Si Mo W V 曲軸模具 3 熱處理特點 熱鍛模鋼 5CrMnMo熱處理工藝 淬火 550 回火熱處理后的組織 S回或T回 熱壓模鋼 3Cr2W8V熱處理工藝 淬火 600 三次回火熱處理后的組織 M回 Cm粒狀 汽車四缸壓鑄模 二 冷作模鋼 colddiesteel 1 性能要求 高的硬度 HRC62 高的耐磨性 足夠高的韌性與疲勞抗力 熱處理變形小 2 化學(xué)成分特點 高碳1 2 合金元素 Cr Mo W V 汽車沖壓模具 3 熱處理特點 一次硬化法 淬火 低溫回火 950 1000 150 180 二次硬化法 淬火 三次回火 1100 1000 510 520 熱處理后的組織 M回 Cm A殘 牌號 Cr12 Cr12MoV 四 合金量具鋼 1 性能要求 高的硬度 HRC62 高的耐磨性 高的尺寸穩(wěn)定性 足夠高的心部韌性 熱處理變形小 尺寸穩(wěn)定 良好的耐蝕性 3 熱處理特點 4 熱處理后的組織 M回 Cm 5 牌號 CrWMn 4Cr13 GCr15 9SiCr T12A 60等 2 化學(xué)成分特點 高碳0 9 1 5 合金元素 Cr Mn W 第五節(jié)特殊性能鋼 特殊性能鋼是指具有特殊物理化學(xué)性并可在特殊環(huán)境下工作的鋼 如不銹鋼耐熱鋼 耐磨鋼及低溫用鋼等 不銹鋼 stainlesssteel 耐熱鋼 heat resistantsteel 耐磨鋼 wear resistantsteel 一 不銹鋼 stainlesssteel 1 定義 在腐蝕介質(zhì)中具有很高的抗腐蝕能力的鋼 2 概念 在空氣中的年腐蝕量為0 01mm以內(nèi)的鋼 稱為在空氣中使用的不銹鋼 在強酸 強堿介質(zhì)中的年腐蝕量為0 1mm以內(nèi)的鋼 稱為在強酸 強堿介質(zhì)中使用的不銹鋼 3金屬腐蝕的機理 金屬腐蝕的種類 1 化學(xué)腐蝕 金屬與介質(zhì) 干燥氣體和非電解質(zhì)溶液 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的腐蝕 例如 高溫氧化 脫碳等 2 電化學(xué)腐蝕 金屬與介質(zhì) 電解質(zhì)溶液 即酸 堿 鹽溶液 發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的腐蝕 電化學(xué)腐蝕過程示意圖 珠光體電化學(xué)腐蝕示意圖 4 金屬的防腐措施 1 覆蓋層保護 涂漆 電鍍 發(fā)藍(lán) 磷化等工藝 2 形成氧化層 加入合金元素Cr Al Si等 形成Cr2O3 SiO2 Al2O3等氧化膜 3 提高金屬的電極電位 加入合金元素Cr Ni Si等 提高金屬基體的電極電位 4 使鋼在室溫下呈單相組織 加入合金元素Mn Ni Co等能擴大 區(qū) 可在室溫獲得奧氏體鋼 加入合金元素Cr Mo W V Ti Si等能擴大 區(qū) 可在室溫獲得鐵素體鋼 5 減少與消除鋼中的各種不均勻現(xiàn)象 偏析 應(yīng)力 組織等 6 犧牲陽極保護陰極 鑲嵌一些比金屬或合金基體電極電位更低的金屬塊 5 化學(xué)成分特點 低碳 耐蝕性要求愈高 碳含量愈低 合金元素 主加Cr 輔加Ni Mo Cu Ti Nb Mn等 6 常用的不銹鋼 馬氏體型不銹鋼 鐵素體型不銹鋼 奧氏體型不銹鋼 1 馬氏體型不銹鋼 Cr13型鋼 化學(xué)成分特點 Wc 0 1 0 4 WCr 13 熱處理特點 鉻多碳高 正火后的組體是馬氏體 性能 較高的強度 耐磨和耐蝕性 牌號 1Cr13 4Cr13 用途 醫(yī)療器械 醫(yī)用鑷子 1Cr13金相組織圖 1Cr13供貨狀態(tài)組織 化染 580 2 鐵素體型不銹鋼 化學(xué)成分特點 Wc 0 1 左右WCr 17 熱處理特點 不能進行熱處理強化 牌號 1Cr17 1Cr17Ti 1Cr28等 用途 化工設(shè)備中要求耐蝕性高 塑性好 強度低的容器 管道等 鐵素體型不銹鋼的用途 硝酸生產(chǎn)裝置 合成氨生產(chǎn)裝置 3 奧氏體型不銹鋼 18 8型鋼 化學(xué)成分特點 Wc 0 08 0 14 WCr 17 19 WNi 8 11 Cu Ti Mo等 加工特點 不能進行熱處理強化 只能冷塑性變形強化 熱處理特點 固溶處理 穩(wěn)定化處理 消除應(yīng)力退火 牌號 0Cr18Ni9 1Cr18Ni9 0Cr18Ni9Ti 1Cr18Ni9Ti 用途 化工容器 管道等 1Cr18Ni9Ti固溶處理組織金相圖 1Cr18Ni9Ti固溶處理組織580 二 耐熱鋼 1 定義 在高溫下具有抗氧化性和高溫強度的特殊鋼 2 性能要求 抗氧化性 熱穩(wěn)定性 高溫強度 熱強性 蠕變強度 持久強度 3 提高鋼的耐熱性的途徑 加入合金元素Cr Si Al等 在鋼的表面形成穩(wěn)定 致密的氧化膜 4 提高鋼的耐熱性的途徑 1 固溶強化 加入W Mo Nb Ti V等元素強化基體 提高再結(jié)晶溫度 2 彌散強化 加入Nb V Ti等元素形成碳化物 在晶內(nèi)彌散析出 阻礙位錯的滑移 提高塑變抗力 5 鋼種及用途 抗氧化鋼 不起皮鋼 奧氏體型鋼1Cr18Ni9Ti等 工作溫度850 熱強鋼 珠光體型16Mo 工作溫度600 馬氏體型1Cr13 工作溫度600 奧氏體型18 8型 工作溫度850 耐熱鋼的用途 三 耐磨鋼 wear resistantsteel 1 定義 在強烈沖擊載荷作用下發(fā)生沖擊形變硬化的高錳鋼 2 性能要求 高硬度 耐磨性 韌性 3 化學(xué)成分特點 高碳Wc 1 1 3 高錳WMn 11 14 4 熱處理特點 水韌處理 即固溶處理 將鑄件加熱至高溫 1000 1100 并適當(dāng)保溫 使碳化物完全溶入奧氏體中 然后水淬激冷 使碳化物不析出而得到單相奧氏體組織 此時鋼的硬度很低 約HB 190 220 但韌性很高 5 室溫組織 過飽和單相奧氏體 水韌處理的工藝特征 鑄態(tài)組織高錳鋼 A A 表層MHB500 心部AHB220 A Cm 高錳鋼鑄態(tài)組織 高錳鋼鑄態(tài)組織 化染 58 高錳鋼水韌淬火組織金相圖 高錳鋼水韌淬火組織 化染 58 高錳鋼水韌淬火 回火組織金相圖 高錳鋼水韌淬火 回火組織 化染 105 5 牌號 ZGMn13 1 高錳鋼廣泛用于既要求耐磨又要求耐沖擊的零件 如拖拉機的履帶板 球磨機的襯板 破碎機的牙板 挖掘機的鏟齒和鐵路的道岔等 第九章有色金屬及其合金 鋼 鐵以外的金屬材料稱為非鐵金屬材料或有色金屬材料 非鐵金屬元素有80余種 一般分為 輕金屬 密度不大于4 5g cm3 常用輕金屬有鋁 鎂 鈦 鉀 鈉 鈣 鋰等 重金屬 密度大于4 5g cm3 常用重金屬有銅 鉛 鋅 鎳 鈷 銻 錫 鉍 汞 鎘等 貴金屬 包括金 銀 及鉑族元素 高熔點金屬 包括鎢 鉬 鉭 鈮 鋯 鉿 釩 錸等 稀土金屬 包括鈧 釔 和鑭系元素 放射性金屬 包括釙 鐳 錒 釷 鈾等元素 半金屬 其物理和化學(xué)性質(zhì)介于金屬與非金屬之間的元素 如硅 硒 砷 硼等 當(dāng)前 全世界的金屬材料總產(chǎn)量約10 11億t 其中鋼鐵約占95 是金屬材料的主體 非鐵金屬材料約占5 處于補充地位 但它的作用卻是鋼鐵材料無法代替的 首先 非鐵金屬是各種合金鋼 合金鑄鐵的合金化元素 添加少量 甚至微量非鐵金屬于普通鋼鐵中 可獲得各種特殊性能的鋼鐵材料 從而最大限度發(fā)揮了鋼鐵材料的潛力 許多非鐵金屬可以純金屬狀態(tài)應(yīng)用于工業(yè)和科學(xué)技術(shù)中 如Au Ag Cu Al用作電導(dǎo)體 Ti用作耐腐蝕構(gòu)件 W Mo Ta用作高溫發(fā)熱體 Al Sn箔材用于食品包裝 Hg用于儀表 硅更是電子工業(yè)賴以生存和發(fā)展的材料 與黑色金屬相比 有色金屬的產(chǎn)量和使用量都很低 價格也昂貴 但相對于黑色金屬 有色金屬有許多優(yōu)良的特性 在工業(yè)領(lǐng)域尤其是高科技領(lǐng)域具有極為重要的地位 例如鋁 鎂 鈦 鈹?shù)容p金屬具有相對密度小 比強度高等特點 廣泛用于航空航天 汽車 船舶和軍事領(lǐng)域 銀 銅 金 包括鋁 等貴金屬具有優(yōu)良導(dǎo)電導(dǎo)熱和耐蝕性 是電器儀表和通訊領(lǐng)域不可缺少的材料 鎳 鎢 鉬 鉭及其合金是制造高溫零件和電真空元器件的優(yōu)良材料 還有專用于原子能工業(yè)的鈾 鐳 鈹 用于石油化工領(lǐng)域的鈦 銅 鎳等 有色金屬種類很多 在此只就工業(yè)中應(yīng)用較廣的鋁 銅 軸承合金做些簡單介紹 了解這些材料的典型性能特點 合金化及熱處理以及材料一般用途等 第一節(jié)鋁及其合金一 純鋁鋁在工業(yè)中是僅次于鋼鐵的一種重要金屬材料 這是由于鋁具有如下的特點 1 鋁的比重輕 為2 7 是銅的1 3倍 導(dǎo)電導(dǎo)熱性好 僅次于銀和銅 價格低廉 資源豐富 因此 目前被廣泛用于電器工業(yè)和熱傳導(dǎo)機械中 2 鋁在大氣中有良好的抗腐蝕性 因為鋁和氧親和力強 在大氣中鋁的表面生成一層致密的A12O3薄膜 可以阻止鋁的進 步氧化 3 鋁具有面心立方晶格 塑性好 強度低 可經(jīng)冷塑性變形使其強化 4 純鋁中含有Fe Si等雜質(zhì) 隨著雜質(zhì)的含量增加 鋁的性能將下降 工業(yè)純鋁的牌號有L1 L2 L3 L7 L 是鋁字的漢語拼音字首 后邊的數(shù)字表明純度 數(shù)字愈大純度愈低 含鋁量高于99 93 的高純鋁 以LGl LG2 LG3 表示 其數(shù)字愈大純度愈高 如LG5的含鋁量 99 99 二 鋁合金的分類純鋁的強度很低 不能制造承受載荷的結(jié)構(gòu)零件 為了提高其強度 通常加入 定量的其它元素制成鋁合金 這種合金強度較高 并且還可用變形或熱處理的方法 進一步提高其強度 根據(jù)鋁合金的成分及工藝特點 可分為形變鋁合金和鑄造鋁合金兩類 可結(jié)合鋁合金狀態(tài)圖來說明 如課本圖9 1所示 由圖可知 成分小于D 點的合金在加熱時能形成單相固溶體組織 這種合金塑性好 適于壓力加工 故稱為形變鋁合金 成分大于D 點的合金 具有低熔點共晶組織 流動性好 適于鑄造 但塑性低 不適于壓力加工 故稱為鑄造鋁合金 形變鋁合金又可分為兩類 成分小于F點的 其固溶體的成分不隨溫度的變化而變化 所以不能用熱處理強化 這種合金稱為熱處理不能強化的鋁合金 成分在F與D 點之間的合金 其固溶體成分隨溫度的變化而改變 因而可用熱處理來強化 故稱為熱處理能強化的鋁合金 鋁合金的分類 形變鋁合金 鑄造鋁合金 不能熱處理強化鋁合金 能熱處理強化鋁合金 三 鋁合金的熱處理一 退火 1 形變鋁合金的退火 消除應(yīng)力 硬度不變 消除加工硬化 降低硬度 便于冷塑性加工 2 鑄造鋁合金的退火 消除應(yīng)力 均勻成分 二 時效強化 1 定義 在固溶處理后的合金隨時間延續(xù)而發(fā)生進一步強化的現(xiàn)象 2 背景資料 1906年德國Duralumin首次發(fā)現(xiàn) 1910年德國A Welmer發(fā)明并獲專利 1916年用于制造飛機 1938年Guinier Preston建立學(xué)說 人工時效 淬火后的鋁合金隨時間延長而發(fā)生的強化現(xiàn)象稱為鋁合金的 時效強化 或 時效硬化 在室溫下進行的時效為自然時效 在加熱條件下進行的為人工時效 下圖為含4 Cu的鋁 銅合金的自然時效曲線 由圖可見 在時效開始階段 強度不大 這段時間稱為 孕育期 在此階段鋁合金的塑性好 易于進行鉚接 變形等工藝操作 渡過孕育期后 強化速度顯著提高 在5 15h內(nèi)強化速度最快 經(jīng)4 5晝夜后 強度就達到最高值 含4 Cu的鋁合金自然時效曲線 鋁合金經(jīng)淬火后 在不同的溫度下進行時效時 其效果也不同 時效溫度愈高 時效速度愈快 但其強化效果愈低 含4 Cu的鋁合金在不同溫度下的人工時效曲線 四 形變鋁合金 一 熱處理不能強化的形變鋁合金 防銹鋁合金代號 LF 是 鋁防 的漢語拼音字首 主要有Al Mn AI Mg合金 它們不能進行熱處理強化 常采用冷變形方法提高其強度 常用的Al Mn合金有LF21 含Mn量在1 1 6 范圍內(nèi) 具有較高的強度并兼有較高的塑性 焊接性以及良好的抗蝕性 AI Mg合金中隨著含Mg量的增加 其強度 塑性也增加 但當(dāng)含Mg量 5 時 其抗應(yīng)力腐蝕能力降低 當(dāng)含Mg量 7 時 其塑性 焊接性能也變差 常加入少量Mn 0 3 0 8 以改善合金的抗腐蝕性及提高強度 加入少量的V Ti可細(xì)化晶粒 常用牌號有LF5 LF21等 二 熱處理強化的鋁合金1 硬鋁硬鋁的代號 LY 是 鋁硬 的漢語拼音字首 硬鋁基本上是A1 Cu Mg合金 其用途很廣 經(jīng)時效強化后 有很高的強度 硬度 硬鋁按其所含合金元素的量以及時效強化效果的不同 分為三類 1 LYll是標(biāo)準(zhǔn)硬鋁 也是應(yīng)用最早的一種 含有中等數(shù)量的合金元素 主要的時效強化相是CuA12和CuMgAl2 強化效果較高 退火后有良好的加工工藝性 2 LY12是高合金硬鋁 也叫高強度硬鋁 含Cu Mg的量較多 強化相與LY11同 但量多 故強化效果更高 具有更高的強度和硬度 但塑性較差 3 LY1是低合金硬鋁 含Cu Mg量較少 強化相與前一樣 但量少 強度低 塑性好 其時效速度慢 淬火后有充分的時間進行鉚接 故常用于作鉚釘 又稱 鉚釘硬鋁 硬鋁的淬火溫度范圍很窄 例如LYl2是在490 503 范圍內(nèi) 若低于此溫度范圍 合金元素溶入量少 降低時效效果 若超過此溫度范圍 則容易產(chǎn)生過燒現(xiàn)象 硬鋁抗蝕性差 在海水中尤甚 因為含Cu量較多 這種固溶體或化合物的電極電位比晶界高 易發(fā)生晶間腐蝕 常采用包鋁的辦法提高其抗蝕性 但包鋁的硬鋁強度要低些 Al Cu Mg通過時效強化提鋁合金強度 但耐蝕性不高 LY1 LY11 LY12 2 超硬鋁超硬鋁的代號為LC 是 鋁超 的漢語拼音字首 A1 Cu Mg Zn合金是目前強度最高的鋁合金 常用的有LC4 LC6等 其時效強化相除上述相外 還有強化效果大的MgZn2相A12Mg3Zn3相 它的淬火溫度范圍較寬 為460 480 自然時效時間很長 需2 3個月 時效后的抗蝕性也降低 所以常采用人工時效 時效溫度為120 時間時效為24h 為了提高抗蝕性 可采用提高時效溫度的辦法 135 145 16h 也可以用包鋁的辦法 Al Zn Mg Cu通過時效強化和形成的強化相 使鋁合金達到最高的硬度和強度 但耐蝕性較差 LC4 LC9 飛機主起落架 3 鍛造鋁合金鍛造鋁合金代號為LD 是 鋁鍛 的漢語拼音字首 Al Mg Si Cu系合金是良好的鍛造鋁合金 含各種合金元素較少 有良好的熱塑性 可鑄出高質(zhì)量的鑄錠 鍛造復(fù)雜的大型鍛件 并有較高的機械性能 常用的有LD5 LD7 LDl0等 LD5與LDl0的時效強化相為多種 它們的供應(yīng)狀態(tài) 般都經(jīng)淬火和人工時效處理 Al Mg Si Cu具有良好的熱塑性 通過固溶處理和人工時效來提高鋁合金的力學(xué)性能 LD5 LD6 LD10 壓氣機葉片 五 鑄造鋁合金 castaluminumalloy 鑄造鋁 硅合金鑄造鋁 銅合金鑄造鋁 鎂合金鑄造鋁 鋅合金 鑄造鋁合金要具有良好的鑄造性能 因此必須有一定數(shù)量的共晶組織 其合金元素的含量也較形變鋁合金多些 鑄造鋁合金的塑性差 常采用變質(zhì)處理和熱處理的辦法提高其機械性能 鑄造鋁合金的品種很多 但應(yīng)用最廣泛的是Al Si系合金 一 Al Si系合金AI Si系鑄造鋁合金 般稱為硅鋁明 最簡單的硅鋁明是ZL102 ZL 是 鑄鋁 的漢語拼音字首 含Si為11 13 經(jīng)鑄造后幾乎全部是由粗大針狀硅晶體和a固溶體組成的共晶組織 a十Si 這種合金流動性好 熔點低 熱裂傾向小 但粗大的硅晶體的存在嚴(yán)重降低合金的機械性能 因此 在生產(chǎn)中常采用 變質(zhì)處理 提高合金的機械性能 即在澆注前往合金溶液中加入2 3NaF 1 3NaCl混合物的變質(zhì)劑 加入量為合金重量的2 3 變質(zhì)處理后 由于共晶點移向右下方 因而使合金處于亞共晶相區(qū) 合金中的初晶硅消失 共晶硅由粗針狀變成細(xì)小點狀 并產(chǎn)生初晶a相 因此 合金的性能顯著提高 為提高硅鋁明的強度 常加入能產(chǎn)生時效強化的Cu Mg等合金元素 稱這種合金為特殊硅鋁明 它們形成強化相 這類合金除變質(zhì)處理外 還可淬火時效 進一步強化合金 活塞 裙部為鋁硅合金 ZL102合金鑄造組織 化染 55 二 Al Cu系合金此類合金含Cu量一般在4 14 之間 由于Cu在Al中有較大的固溶度 且隨溫度變化而改變 因此可進行時效強化 其強化相為CuAl2 這種合金耐熱性好 但抗蝕性差 隨著含Cu量的增加 其高溫強度提高 但也使脆性增加 因此必須控制其含量 鑄造鋁 銅合金 ZL201 ZL203 有較高的強度 塑性及耐熱性 但鑄造性能和耐蝕性較差 鋁銅合金鑄造組織 化染 210 汽缸頭 三 AI Mg系合金這種合金有ZL301 ZL302等 其特點是比重最小 為2 55 強度高 耐蝕性好 但流動性不好 鑄造性能差 耐熱性低 這類合金時效強化效果甚微 常在淬火狀態(tài)使用 鑄造鋁 鎂合金 ZL301 ZL302 有較高的強度 韌性及耐蝕性 但鑄造性能和耐熱性較差 鋁鎂合金鑄造組織 化染 150 鼓風(fēng)機用密封件 ZL102 及抗空架件 ZL301 四 AI Zn系合金這種合金含鋅量較多 比重較大 耐熱性差 但鑄造性能好 并能自行淬火 因而在鑄態(tài)下強度較高 可直接使用 其價格便宜 鑄造鋁 鋅合金 ZL401 ZL402 具有良好的鑄造性 經(jīng)變質(zhì)處理和時效處理后 強度高 但耐蝕性差 大型空壓機活塞 ZL401 第二節(jié)銅及其合金一 純銅純銅又稱紫銅 比重為8 96 熔點為1083 純銅具有良好的導(dǎo)電 導(dǎo)熱性及抗大氣腐蝕性 其晶體結(jié)構(gòu)為面心立方晶格 因而塑性好 容易進行冷 熱加工 強度低 經(jīng)冷變形后可以提高 但塑性顯著下降 純銅的性能受雜質(zhì)影響很大 它含的雜質(zhì)主要有Pb Bi O S和P等 Pb和Bi基本上不溶于Cu 微量的Pb和Bi與Cu在晶界上形成低溶點共晶組織 Cu Bi或Cu Pb 其熔點分別為270 和326 當(dāng)銅在820 860 的溫度范圍進行熱加工時 低熔點共晶首先發(fā)生熔化 造成脆性斷裂 即所謂的 熱脆性 又由于S O與Cu形成Cu2O與Cu2S脆性化合物 在冷加工時產(chǎn)生破裂 即所謂 冷脆性 因此 在鈍銅中必須控制雜質(zhì)的含量 工業(yè)純銅按含雜質(zhì)的量可分為四種 T1 T2 T3 T4 T 為銅的漢語拼音字頭 其后的數(shù)字越大 純度越低 如T1的含Cu量為99 95 而T4的含Cu量為99 50 余為雜質(zhì)含量 二 黃銅 brass 普通黃銅 commonbrass 特殊黃銅 specialbrass 黃銅的牌號 Z H90 常用的黃銅 金獎黃銅 H90 彈殼黃銅 H70 H68 日用黃銅 H62 H59 冷凝器管 Cu Zn合金為黃銅 它的色澤美觀 加工性能好 黃銅的機械性能受其含Zn量的影響 當(dāng)Zn的含量低于30 32 時 鋅能完全溶解在銅內(nèi) 形成面心立方晶格的a固溶體 塑性好 并隨著含Zn量的增加 其強度和塑性都提高 當(dāng)含Zn量大于32 后黃銅的組織由a固溶體和體心立方晶格的B 相 B 相在470 以下塑性極差 但少量的B 相存在對強度無影響 因此強度仍然很高 當(dāng)含Zn量超過45 以后 銅合金組織全部為B 相 強度與塑性急劇下降 黃銅耐海水和大氣腐蝕性好 但當(dāng)含Zn量大于7 特別是大于20 時 這種黃銅經(jīng)冷加工后 由于有殘余應(yīng)力存在 在潮濕的大氣或海水中 尤其在含有氨的環(huán)境中 容易產(chǎn)生腐蝕開裂 即 應(yīng)力腐蝕開裂 現(xiàn)象 或稱 季裂 因此 冷加工后的黃銅應(yīng)該進行低溫退火 250 300 保溫1 3h 以消除其內(nèi)應(yīng)力 常用的單相黃銅有H80 H70等 H 為 黃 的漢語拼音字首 數(shù)字表示平均含Cu量 其組織為a固溶體 塑性好 可進行冷 熱加工 雙相黃銅有H62 H59等 其退火狀態(tài)組織為a B 由于室溫下B 相很脆 故不適于冷變形 需加熱至有序化溫度以上 使B 轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序B相后 便具有良好的塑性 因此可進行熱加工變形 特殊黃銅 specialbrass 為了改善黃銅的某些性能 常加入少量合金元素 如A1 Sn Ni Mn等元素可溶入Cu中形成固溶體 提高合金強度及改善耐腐蝕性 加入Si Pb等 可提高耐磨性 Pb還能改善切削性能 加入Fe可細(xì)化晶粒 稱這類黃銅為特殊黃銅 牌號 HAl59 3 常用的特殊黃銅 海軍黃銅 HSn62 1 易切削黃銅 HPb59 1 三 青銅青銅原指人類應(yīng)用最早的一種Cu Sn合金 但逐漸地把除鋅以外的其它元素的銅基合金 也稱為青銅 所以青銅包含有錫青銅 鋁青銅 鈹青銅和硅青銅等 一 錫青銅以Sn為主加元素的銅合金 我國古代遺留下來的鐘 鼎 鏡 劍等就是這種合金制成的 至今已有幾千年的歷史 仍完好無損 錫青銅的機械性能受含Sn量的影響 當(dāng)含Sn量小于5 6 時 Sn溶入Cu中 形成具有面心立方晶格的a固溶體 隨著含Sn量的增加 合金的強度和塑性都增加 當(dāng)Sn的含量超過5 6 時 組織中出現(xiàn)硬而脆的相 具有復(fù)雜立方晶格的Cu31Sn8化合物 因而強度還繼續(xù)增高 但塑性急劇下降 當(dāng)含Sn量大于20 時 由于有過多的脆相 而使強度顯著下降 合金變得很脆 所以工業(yè)用錫青銅的含Sn量一般在3 14 之間 含Sn量小于8 的錫青銅具有良好的塑性和一定的強度 適于壓力加工 含Sn量大于10 的錫青銅 由于塑性差只適于鑄鐵 錫青銅鑄造時 流動性差 成分偏析傾向大 并易產(chǎn)生分散縮孔及鑄件致密性不高等缺陷 但它在凝固時體積收縮小 能獲得符合型腔形狀的鑄件 故適用于鑄造對外形尺寸要求較嚴(yán)格的鑄件 錫青銅對大氣 淡水 海水等的抗蝕性比純銅 黃銅都高 但對酸類及氨水的抗蝕性差 耐磨性高 它無磁性 無冷脆現(xiàn)象 二 鋁青銅鋁青銅是以Cu Al為基的合金 其強度高 耐蝕性和鑄造性好 當(dāng)含A1量小于5 時 強度很低 但塑性高 當(dāng)含量大于7 時 塑性顯著下降 因此 實際應(yīng)用的鋁青銅的含A1量一般在5 10 范圍內(nèi) 含A1在5 7 時塑性好 適于冷變形 含鋁在10 左右時 強度最高 常以鑄態(tài)使用 可見淬火后抗拉強度明顯提高 鋁青銅由于結(jié)晶溫度區(qū)間小 故有良好的流動性 晶內(nèi)偏析傾向小 縮孔集中 易獲得致密的鑄件 但A1在熔化過程易形成A12O3 影響流動性 并且凝固時收縮率大 必須