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《机械工程材料与热加工工艺》第五章 工业用钢.ppt

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《机械工程材料与热加工工艺》第五章 工业用钢.ppt
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第五章 工业用钢,以铁为主要元素,碳的质量分数一般在2%以下,并含有其他元素的材料称为钢. 按照化学成分分为:碳钢和合金钢两大类。 碳钢:指碳含量wc2.11%的铁碳合金。 合金钢:指为改善钢的组织、性能,在冶炼时特意加入合金元素的钢。,钢材及其生产过程,一、钢铁材料的生产过程 铁矿石 生铁 钢锭 型材,,,,,铸铁,轧制、挤压、拉拔、锻造等压力加工方法,1、生铁的冶炼 原料:铁矿石 燃料:焦炭 熔剂:石灰石 设备:高炉,2、钢的冶炼 原料:生铁、废钢 燃料:焦炭 熔剂:石灰石;氧化剂,脱氧剂 设备:电弧炉,,,,(钢板、型钢、钢管),,高炉,电弧炉,一、碳钢中的长存杂质元素及其作用,碳钢中除铁以外的主要元素是碳,其它长存的杂质元素有硅、锰、硫、磷等,还有熔炼中夹杂进入的氧、氢、氮等气体元素。,第一节 概 述,1、有益元素锰——能溶于F,使F强化,也能溶于渗碳体,提高其硬度;能增加并细化P,从而提高钢的强度和硬度;可与S形成MnS,以消除硫的有害作用。一般钢中WMn0.8%,对钢的性能影响不显著。硅——能溶于F使之强化,从而使钢的强度、硬度、弹性都得到提高。一般钢中Wsi0.4%,对钢的性能影响不显著。,,2.有害元素: 硫 ——形成低熔点的FeS,使钢产生热脆。 热脆: FeS与Fe形成的熔点(989℃ )共晶体分布在奥氏体晶界上;当钢加热到1000-1200℃进行锻压或轧制时,由于晶界上的共晶体已经熔化,使钢在晶界开裂。这种现象称热脆。磷——部分溶于F形成固溶体,部分在结晶时形成脆性很大的Fe3P,使钢在室温下的塑、韧性急剧下降。 冷脆:低温时由磷导致钢严重变形的现象称钢的冷脆,通常钢材的质量等级以硫磷含量的控制来划分,3.气体元素(钢中有害元素):,O、H、N三种气体元素在高温时融入钢液,而在固态钢中溶解度极小,冷却时来不及溢出而积聚在组织中形成高压细微气孔,使钢的塑性、韧性和疲劳强度急剧降低,严重时会造成裂纹、脆断,是必须严格控制的有害元素。,常用合金元素: 非碳化物形成元素——Co Ni Cu Si Al 碳化物形成元素——Zr Nb V Ti W Mo Cr Mn Fe 强 中强 弱,二、合金元素在钢中的作用,分析: 合金元素对钢中基本相的影响; 合金元素对Fe—Fe3C相图的影响; 合金元素对相变过程的影响。,(1)、强化铁素体,1、合金元素对钢基本相的影响,合金元素溶于F →形成合金铁素体 → 固溶强化(Ni强韧化效果最好),,(2)、形成碳化物,(Fe)Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr,弱碳化物形成元素 形成合金渗碳体 (FeMn)3C 中强碳化物形成元素 形成合金碳化物 (Cr7C3) 强碳化物形成元素 形成特殊碳化物(VC,TiC),熔点、硬度和稳定性: 特殊碳化物 合金碳化物 合金渗碳体 Fe3C,当合金元素溶入γ-Fe之后,γ相(合金元素溶于γ-Fe中形成的固溶体)所在的温度范围会改变。在纯铁中, γ-Fe的存在温度范围是1394~9120C之间。而溶入合金元素以后,γ相区的温度范围就会扩大(A3下降,A4上升)或缩小(A3上升,A4下降),故相应地使Fe—Fe3C相图中的γ相区也就扩大或缩小。,2、合金元素对Fe—Fe3C相图的影响,(1) 扩大奥氏体区的合金元素,Mn、Ni、Co等元素。,作用: 使A1线温度下降, A3线温度下降——E、S点左下移 。,Mn 元素对奥氏体区的影响,,若含量足够高,可使单相A扩大到常温,即常温下保持稳定的A组织—可获得奥氏体钢:1Cr18Ni9,,(2) 缩小奥氏体区的合金元素,Cr、Mo、W、V、Ti、Si 等元素。,作用: 使A1线温度上升, A3线温度上升——E、S点左上移 若含量足够高时,可使钢在高温与常温保持F组织。—可获得铁素体钢1Cr17,,Cr 元素对奥氏体区的影响,,(3) 改变共晶点和共析点参数的元素,几乎所有的合金元素。,作用: 使S点和E点的成分向左移,即使钢的共析含碳量和A对C的最大固溶度降低。 若含量足够高时,可以在WC=0.4%的钢中产生共析组织,在WC=1.0%的钢中产生Ld组织。 由于S点左移,在退火状态合金钢中珠光体的相对量较相同含碳量的碳钢为多,因此钢的强度也较高。,因此,对于含有强碳化物形成元素的合金钢,即使采用较高淬火温度和较长的保温时间,钢的晶粒也不会粗大。但对于锰钢来说,由于其奥氏体晶粒易于长大在淬火时应严格控制加热规范。,3、合金元素对钢相变过程的影响,除Mn 、P元素外,所有合金元素的加入,均使奥氏体的形成速度减慢。,(1)、合金元素对加热时奥氏体形成的影响,强碳化物形成元素能强烈的阻止奥氏体晶粒长 大(Ti、V、Zr
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