金属材料学培训教案.ppt

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,书山有路勤为径，学海无涯苦作舟,书到用时方恨少，事非经过不知难,12 十一月 2026,金属材料学培训教案,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。,2,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。,(2)各种钢铁材料,2、有色金属材料,3,二、研究思路,使用条件性能要求组织结构化学成分,生产工艺,4,5,三、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。,主要包括：力学性能、化学性能、物理性能。,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。,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。,如建造九江长江大桥15MnVN钢的焊接性。,两者既有联系又有不同，有时是一致的，有时互相矛盾。,如含铜时效钢06MnNiCuNb。,6,四.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,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。,2、铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金，其杂质含量比钢高,7,3、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。,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。,8,5、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,9,6、非合金钢：,不含合金元素的钢。主要包括,“,碳素钢,”,，还包括电工用纯铁（C0.02%称纯铁）、原料纯铁等。,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。,10,11,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。,12,五、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。,13,2、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,14,15,(3)按加热及冷却有无相变及室温组织分类,铁素体钢：加热及冷却始终为铁素体组织。,奥氏体钢：加热及冷却始终为奥氏体组织。,半铁素体钢：加热时只部分发生奥氏体相变，其余部分始终为铁素体组织。,半奥氏体钢：冷却时只部分发生相变，其余部分始终为奥氏体组织。,3、按合金元素总量分类,低合金：总量10%,16,4、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,17,六、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。,18,1、合金元素种类和数量：,种类：用化学符号表示,数量：C,相区缩小。,奥氏体形成元素：HH，H0，CC，相区扩大。,32,二、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。,Fe中间隙尺寸小，故溶解度较小。,2、置换固溶体：,铁素体形成元素在Fe中溶解度大；在Fe中小。,奥氏体形成元素在Fe中溶解度大；在Fe中小。,33,影响置换固溶体溶解度的因素：,(1)尺寸因素：,d：810%，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。,54,3.三元碳化物,（W、Mo）FeC，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,。,55,三、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。,(1)Ti，Zr，Nb，V形成的碳化物,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。,56,(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。,57,2.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。,58,(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。,59,3.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。,60,(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。,61,四、碳化物形成元素在退火钢中的分布倾向,62,五、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。,63,64,14 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。,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。,65,2、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。,66,四、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。,67,五、氮化物的作用,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,68,15 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(0.0010.005%B)：提高淬透性。,高硼钢(0.14.5%B)：吸收中子，用于核反应堆。,2.表面渗硼,69,二、钢中硼化物的结构,1.Fe,2,B,(1)具有复杂结构。,(2)硬度较高，HV12001700。,(3)在高硼钢中存在，表面渗硼时也可获得。,70,2.FeB,(1)具有复杂结构。,(2)硬度高，HV18002000，脆性大。,(3)表面渗硼时在渗层表面得到。,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。,71,16 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，d12%。,(2)平均族数在5.77.6范围内。,72,73,3、第三种元素会影响相形成的浓度和温度范围,如FeCr相，在820以下稳定。,加入Ni把稳定温度提高到850。,加入Si把稳定温度提高到900950。,加入Mn，Mo把稳定温度提高到1000。,4、在高Cr，高Cr、Ni的不锈钢，耐热钢中出现相。因为相硬度很高，使钢的塑性、韧性显著下降，脆性增加。当相沿晶界形成网状时，更为严重。,74,二、AB,2,相（拉维斯相）,1.合金钢中出现的AB,2,相主要是复杂六方点阵的MgZn,2,型。,如MoFe,2,，WFe,2,，NbFe,2,，TiFe,2,。,2.多元合金钢中出现复合的AB,2,相，尺寸较小的Cr，Mn，Ni可置换Fe，尺寸较大的W，Mo，Nb处于A的位置。,3.耐热钢和马氏体沉淀硬化不锈钢的强化相。,75,三、AB,3,相（有序相）,1.钢和合金中使用着相当数量的有序相,一部分有序相接近无序固溶体。,另一部分有序相的有序状态可保持到熔点。,2.Ni,3,Al是耐热钢和耐热合金中重要的强化相,76,13 钢中碳化物形成规律,重点内容：,一、强碳化物形成元素（V，Ti，Nb，Zr）,1、即使在钢中含量很低（HRC60),碳化物分布均匀，不易崩刃。,脱C倾向大。,121,(3)CrWMn：在Cr钢的基础上加入Mn、W。,淬透性，耐磨性较好。,变形较小（Mn降低Ms，A,R,增多，抵消马氏体的体积膨胀）。,(4)CrW5：在Cr钢基础上加入5%W，生成M,6,C碳化物，淬火加热时未溶K多。,淬透性差；,高硬度，高耐磨性。,122,三、碳素和低合金工具钢的热处理工艺特点,1.热加工,特点：导热慢，碳化物不均匀，组织脆性大。,(1)入炉温度不宜太高（A1以下），加热速度不宜太快。,(2)变形量足够大，终轧温度较低，冷速较快，控制碳化物形态。,(3)轧后缓冷，避免开裂。,123,2.球化退火,有一般退火和等温退火两种。,特点：,T7，T8，T9：因C含量在共析点附近，难得到满意的球化组织，需控制加热温度在740750，保温时间尽可能短。,低合金工具钢：因组织中合金碳化物稳定性较高，易获得均匀的球化组织。,124,3.淬火及回火,采用不完全淬火加低温回火。,金相组织为：回火马氏体基体上均匀分布细颗粒碳化物。,淬火：,碳素工具钢采用水淬油冷的双液淬火法,低合金工具钢采用油冷或熔盐分级淬火,回火：低温回火，一般小于200,。,125,42 高速工具钢,1910年开始应用W18Cr4V。,1932年到1937年，应用钼系，W2Mo9Cr4V和钨钼系，W6Mo5Cr4V2。,1939年出现高碳高钒，超硬高速钢。,126,一、高速钢的合金化及常用钢号,1、高速钢的性能要求,(1)高的热（红）硬性。,在600时，HRC55，保证高速切削。,高的热硬性是高速钢最重要的特点。,(2)高的耐磨性。,保证使用寿命长。,127,2、高速钢的显微组织,高碳高合金回火马氏体基体上分布着弥散的特殊碳化物沉淀相，及多量的未溶特殊碳化物。,128,3、高速钢的合金化,(1)碳,作用：形成足够数量的碳化物。,保证马氏体中固溶碳量。,数量：（定比碳公式）,C0.033W0.063Mo0.2V0.06Cr,符合此公式时，红硬性作用强。,129,影响：C%过高产生下列缺陷,AR增多。,红硬性下降。,（含碳量升高使钢熔点降低，导致淬火温度降低，奥氏体中Me%降低）,韧性降低。,130,(2)W、Mo,W：造成红硬性的主要元素。,退火时主要以M,6,C型碳化物存在。,淬火加热时：,一部分M,6,C型碳化物溶入奥氏体,一部分M,6,C型碳化物未溶入奥氏体,131,溶入奥氏体的 W、Mo：,强烈阻碍回火时马氏体中碳原子析出，提高回火稳定性，在600回火时，仍为过饱和固溶体，具有高的红硬性。,回火时在马氏体中弥散析出M,2,C，造成二次硬化，具有高的红硬性和耐磨性,132,未溶入奥氏体的 M6C型碳化物：,强烈阻止奥氏体晶粒长大。保证淬火加热采用12201310的高温，使足够数量的碳化物溶入奥氏体，保证高的红硬性。,提高耐磨性。,133,Mo：代替W，1%Mo代替2%W。,优点：合金总量减少；,碳化物不均匀性减少；,弯曲强度及韧性好；,淬火加热温度低。,缺点：红硬性稍差。,脱碳倾向严重。,淬火加热温度窄，易过热,。,134,(3)V,退火时以VC形式存在。,作用机理与W相同。,（当含量超过1时，耐磨性显著提高）,135,(4)Cr,所有高速钢都含有4%Cr。,主要作用：提高淬透性。,退火时主要形成Cr,23,C,6,，淬火加热时全部溶入中。,少量Cr溶入M,6,C中，淬火加热时促进M,6,C溶解。,136,137,(5)Co,提高红硬性,使莱氏体熔化温度升高，淬火温度也升高，使A中Me%升高，红硬性升高。,降低W在-Fe中扩散系数，使W,2,C不易析出和长大。,138,4、常用钢号,(1)W系高速钢；,W18Cr4V（1841）型。,1910年开始应用。,(2)W-Mo系高速钢；,W6Mo5Cr4V2（6542）型。,139,(3)Co系高速钢；在前二者基础上增加5-15%Co。,如：W18Cr4VCo5，W6Mo5Cr4V2Co8。,优点：HRC6870，红硬性高，切削性好。,缺点：脆性大，容易脱碳。,(4)超硬高速钢,高V：W6Mo4Cr4V5Si。,加Al：W10Mo4Cr4V3Al。,140,以W18Cr4V为例：,开始结晶时析出。,1400发生包晶反应，L+。,1345发生包共晶反应，L+M6C,13301300发生共晶反应，,L（M6C）。,141,M6C为鱼骨状，基体为。,继续冷却时中析出MC和M23C6。,800发生三元共析转变，（M6CFe3C）。,142,二、高速钢的铸态组织,1.高速钢的平衡结晶过程,平衡组织为：Ld+K+P。,2.高速钢的实际铸态组织,实际铸态组织：大量鱼骨状Ld和黑色屈氏体及白亮马氏体和残余奥氏体。,143,(1)黑色组织,由于包晶和包共晶转变需要固相扩散，使达到所需C和Me，才能转变为，所以不能充分进行。部分被保留，随后发生共析转变，K，称为共析。因为在金相组织中呈黑色，又称黑色组织。,144,(2)白亮组织,的共析反应被抑制，过冷到较低温度转变为MAR，在金相组织中呈白色，称白色组织。,(3)共晶组织增多,由于包晶和包共晶转变不彻底，没有完全消失，L相对增加，使Ld增多。,145,三、高速钢的热处理,1.退火：采用球化退火。,2.淬火,(1)两次预热；(560，840),(2)淬火温度；,W18Cr4V：12701310。,W6Mo5Cr4V2：12101240。,146,要求：奥氏体中溶有足够的C和Me。,保留相当多的未溶碳化物阻止奥氏体晶粒长大。,(3)冷却,特点：,淬透性好，空冷可得马氏体。,在650-350有过冷奥氏体稳定区。,147,方式：,油冷至300出油；,分级淬火：,560（2倍淬火加热时间）等温，,等温淬火：,240-280，2-4h。,148,3.回火,淬火后组织：淬火MA,R,（20%以上）,回火工艺：,560三次回火。,每次回火后需冷至室温。,149,(1)560回火后硬度反而升高，有二次硬化现象。,弥散硬化作用,560回火析出弥散的M2C和VC。,二次淬火,A,R,在回火后的冷却过程中转变为马氏体，故每次回火后必须冷至室温。,150,(2)二次淬火所得到的淬火马氏体还需要回火，因为A,R,需要两次回火才能完全转变，所以需要三次回火。,151,3 冷作模具钢,一、冷作模具钢的概况,1.用途,制造使金属在常温状态下变形的模具。,2.性能要求,(1)高硬度、高强度、高耐磨性。,(2)一定的韧性。,(3)淬透性高。,(4)淬火变形小。,152,153,3.常用钢种,(1)碳素及低合金工具钢。,(2)高铬及中铬冷作模具钢。,(3)基体钢及低碳高速钢。,(4)新型冷作模具钢。,二、高铬及中铬冷作模具钢,1.高铬冷作模具钢,(1)主要钢号,Cr12：2-2.3%C，12%Cr。,Cr12MoV：1.45-1.7%C，12%Cr，0.5%Mo，0.2%V。,154,(2)主要特点,铸态组织为高碳亚共晶组织。,淬火加热时有大量Cr7C3未溶碳化物,耐磨性好。,淬透性好，空冷可淬硬。,650-350有过冷奥氏体稳定区,155,(3)热处理,一次硬化法(低温淬火加低温回火),980-1030淬火，150-170回火。,HRC61-63,特点：未溶碳化物多，耐磨性好。,变形小。,156,二次硬化法（高温淬火加高温回火）,1120-1130淬火，AR多，HRC40-50。,510-520回火(23次)，HRC60-61。,二次硬化的原因主要是ARM，和高速钢不完全相同。,适用于需要化学热处理的模具。,157,2、中铬冷作模具钢,(1)主要钢号：,Cr6WV：1.1%C，6%Cr，1.3%W，0.6%V。,Cr4W2MoV：1.2%C，4%Cr，2.3%W，1%Mo，1%V。,158,(2)主要特点,碳低，铬低，共晶碳化物量少且分布均匀，是替代Cr12型的节铬钢。,均属过共析钢，铸态下由于偏析有少量共晶碳化物。,碳化物以M,7,C,3,型为主，少量M,6,C型和MC型。,159,160,(3)性能,Cr6WV：采用一次硬化法，,耐磨性比Cr12稍低。,Cr4W2MoV：因细化奥氏体晶粒能力强，,可采用一次硬化法和二次硬化法，,耐磨性，回火稳定性比Cr6WV强。,三、基体钢及低碳高速钢,1、基体钢,根据高速钢淬火后基体成分设计的钢种，既有高速钢基体的强度和热硬性，又因不含大量碳化物而使韧性，疲劳强度优于高速钢。,161,2、50Cr4Mo3W2V,(1)相当于W6Mo5Cr4V2高速钢基体成分。,C：0.5，W：2%，Mo：2.75%，、Cr：4.5%，V：1%。,(2)过共析钢。,(3)1110-1120淬火后，未溶碳化物为5%，A,R,较多。,510-620，多次回火，HRc61-65。,(4)制作冷作模具，使用寿命比W6Mo5Cr4V2高速钢长。,162,3、65Cr4W3Mo2VNb（65Nb）,(1)以高速钢W6Mo5Cr4V2 为母体，淬火基体成份为：(wt%),C0.5，Cr4，W2，Mo3，V1。,在此基础上适当增加含碳量，添加少量Nb，调整W，Mo含量。,(2)抗弯强度和冲击韧性比高速钢好。,163,(3)1080淬火：未溶碳化物511%，,奥氏体晶粒度1112级，韧性较好。,1180淬火：未溶碳化物25%，,奥氏体晶粒度911级，强度较高。,520550二次回火。,(4)制作冷作模具为主，兼作热模具。,164,4、低碳高速钢,(1)典型钢种 6W6Mo5Cr4V,碳和钒的含量比W6Mo5Cr4V2高速钢低。,(2)属莱氏体钢。,(3)1180-1200淬火,560-580，三次回火，HRc60-63。,(4)强度、韧性和耐磨性较高，用做冷挤压模，寿命比高铬冷作模具钢好。,165,四、新型冷作模具钢,1、典型钢种,7Cr7Mo2V2Si。合金元素总量为12%。,2、淬透性好，热处理变形小。,3、淬火加热时未溶碳化物少（3%），韧性好。,166,4、钢中碳化物以VC为主，耐磨性好。,5、1100淬火,550，三次回火：,强韧性好。,1150淬火,560，三次回火：,耐磨性好。,6、用于制作冷镦模，冷冲模，冷挤压模。,167,4 热作模具钢,一、热锻模钢,1.工作条件,(1)冲击负荷大。,(2)压应力，张应力和弯曲应力大。,(3)热疲劳。表面反复加热到400，再冷却。,(4)摩擦。,168,169,2、性能要求,(1)高的强度和高的冲击韧性。,(2)一定的硬度和耐磨性（HRC3347）。,(3)高的淬透性,使模具钢整体性能均匀。,(4)良好的导热性。,(5)优良的耐热疲劳。,3、常用钢号,(1)5CrNiMo：有较好的韧性，导热性和一定的硬度。,(2)3Cr2MoWVNi：热稳定性高，回火温度较高。,170,4、热处理,(1)完全退火。,(2)淬火,加热：840860。因工件尺寸大，加热时间长，应该防止脱碳。,冷却：空气中预冷至750780，再入油。,冷至150180出油空冷。,171,(3)回火,淬火后立即回火，防止开裂。,先在350400保温3小时后再升至回火温度。,回火温度：450580。,回火硬度：HRC36-48。,回火冷却：油冷。,消除应力处理：油冷后进行200回火。,172,二、热挤压模和压铸模钢,1、工作条件,(1)使高温金属挤压变形或凝固；,(2)反复加热、冷却，因和高温金属接触时间长，比热锻模严重。,(3)金属液流的腐蚀作用。,173,2、性能要求,(1)良好的高温机械性能（强度、韧性、耐磨性）；,(2)优良的耐热疲劳性；,(3)耐腐蚀性。,174,3、合金化,(1)0.25-0.45%：保证硬度、热疲劳性和冲击韧性。,(2)Cr：高温强度，抗回火软化，弥散强化，抗氧化性。,175,(3)W，Mo，V：高温强度，抗回火软化，弥散强化,(4)Si：提高抗氧化性，回火稳定性，抗龟裂性。,(5)Nb，Ti：细化晶粒。,176,4、常用钢号及热处理,(1)4Cr5Mo2VSi,为过共析钢。,有大量Cr的碳化物，淬火加热时易溶于奥氏体中，发挥作用。,1020-1050淬火:晶粒度8-10级，少量未溶碳化物，一定量的残余奥氏体。,580-600回火，HRc48-50。,177,(2)3Cr3Mo3VNb,在保持4Cr5Mo2VSi优点基础上，降低Cr含量，增加Mo含量，提高了热稳定性和高温强度。,178,第五章 不锈耐蚀钢,179,5-1钢的耐蚀性,一、钢的钝化现象,1、电化学腐蚀,由于微区域间成分、组织和应力不均匀，导致了电位差异，形成了微阳极区和微阴极区，在电解质溶液的作用下，形成了微电池，阳极被腐蚀。,180,2、极化,(1)阳极极化：阳极表面产生了保护膜，阻碍阳极金属离子进入溶液，降低了阳极表面电荷密度，使阳极电位升高。,(2)阴极极化：阴极消耗电子的速度较慢，造成阴极表面电子堆积，阴极表面电荷密度升高，使阴极电位降低。,181,3、钝化,具有活化-钝化转变的金属的阳极极化曲线可分为三个区间。,(1)活化区：,由于极化作用，阳极电位升高，电流增大并达到最大值(I,P,)，此时阳极电位为P。,I,P,：临界电流。,P,：初始钝化电位。,182,(2)钝化区：产生阳极钝化，电位继续增加电流突然降到最小值，并在很宽的阳极电位范围内保留最小的腐蚀电流。,(3)过钝化区：阳极电位继续增加，超过一定值(,T,)后，腐蚀电流又增加。,T,：过钝化电位。,183,(4)钝化的稳定性,当阴极极化曲线和阳极极化曲线只有一个交点，且此交点在钝化区，此时合金钝化状态是稳定的，能够自钝化，具有很小的腐蚀速度。,184,当阴极极化曲线和阳极极化曲线只有一个交点，但此交点不在钝化区，此时合金处于活化状态或过钝化状态，有较高的腐蚀速度。,当阴极极化曲线和阳极极化曲线有三个交点，此时合金可以处于活化状态，也可以处于钝化状态。但此钝化状态是不稳定的，可以因偶然因素受到破坏，使合金进入活化状态。,4、电化学腐蚀的主要形式,(1)一般腐蚀：均匀分布在整个表面的腐蚀。从技术观点看危险最小。,(2)晶间腐蚀,(3)点腐蚀,(4)应力腐蚀,186,5.耐蚀性标准,晶间腐蚀、点腐蚀和应力腐蚀危险性很大，不允许发生。如果发生，即认为钢在此介质中是不耐蚀的。,对于一般腐蚀，根据腐蚀条件和耐蚀性分为两大类。,187,不锈钢：在大气和弱腐蚀介质中耐蚀的钢。,腐蚀速度：0.01mm/年，完全耐蚀。0.1mm/年，耐蚀。,耐蚀钢：在强腐蚀介质中耐蚀的钢。,腐蚀速度：0.1mm/年，完全耐蚀。45%）对应力腐蚀不敏感。,镍提高层错能，形变采用交滑移，表面台阶小，钝化膜不易破坏。,不稳定的奥氏体不锈钢中，形变产生的马氏体对应力腐蚀有害。,腐蚀中渗入的氢，形变时促进马氏体转变，并在马氏体中形成裂缝。,217,氮促进应力腐蚀裂纹的诱发和传播。,在高于12%Cr的奥氏体不锈钢中，Cr含量越高，应力腐蚀越敏感。,218,4、防止应力腐蚀的措施,(1)加入2-4%的Si或2%的Cu。,如0Cr18Ni14Si4奥氏体不锈钢。,(2)氮含量15%）铁素体不锈钢在室温变得很脆，冲击韧性和塑性接近零。,226,(1)原因：Fe中析出富Cr（80%Cr，20%Fe）相，bcc结构，点阵常数大于Fe，与基体保持共格关系，高度弥散分布，使强度升高，韧性、塑性下降。,(2)预防：避免在400550停留。,(3)消除：600650保温1h后快冷。,3、杂质及夹杂物,采用精炼技术，可大大降低间隙元素和杂质元素的含量，显著提高塑性和韧性。,如Cr26Mo1铁素体不锈钢精炼后，C降到0.001%，N降到0.01%。,如高铬铁素体不锈钢精炼后，Ak由100J上升到200J，脆转温度由100降低到-50。,227,二、奥氏体不锈钢,1、组织稳定的奥氏体不锈钢,强度低，塑性、韧性好，脆转温度低。,(1)合金元素的固溶强化。,(2)对超低碳不锈钢可采用氮固溶强化。,如0.21%N使Cr18Ni9钢的强度从200MPa提高到370MPA。,(3)细晶强化。,228,2.亚稳奥氏体不锈钢,(1)在Md-Ms形变时发生部分马氏体相变，产生冷作硬化和马氏体强化。,(2)温度越低，形变量越大，马氏体数量越大。,(3)用于制作弹簧。,在零下温度轧制，有较好的强化效果。,为消除内应力，提高弹性、塑性。,229,三、高强度不锈钢,加入Mo、Ti、Al，经过适当热处理，可得到马氏体组织，并在马氏体基体上通过时效析出金属间化合物，产生沉淀强化，属于超高强度不锈钢。,1、马氏体型沉淀强化不锈钢,230,(1)化学成分：在17-7PH钢基础上减铬增镍以消除铁素体，加入钼、钛、铝。,如PH13-8Mo钢：Cr：13%，Ni：8%，Mo：2.2%，Al：1.1%。,(2)热处理：高温奥氏体化，淬火得到马氏体，510时效。,(3)机械性能：S：1450Mpa；b：1550Mpa；=12%；HRc47。,231,2、半奥氏体型沉淀硬化不锈钢,(1)化学成分,在Cr17Ni7钢基础上加入强化元素。,如PH15-7Mo钢：Cr：15%，Ni：7%，Mo：2.2%，Al：1.2%。,(2)热处理：高温固溶处理后，室温组织为奥氏体加少量（8-10%）铁素体。,获得马氏体有三种方法。,232,两次时效：760，1.5h；510，0.5h。,冷处理及时效：-73，8h；510，1h。,冷加工及时效：室温冷形变，形变量60%；480，1h。,(3)机械性能：S：1550Mpa；,b：1655Mpa；=6%；HRc48。,233,55 不锈耐蚀钢钢种,一、Cr18Ni9型奥氏体不锈钢,18Cr%9%Ni称Cr18Ni9型，过去称18-8型。,还可添加其它元素，如1Cr18Ni11Nb，习惯上仍称Cr18Ni9。,234,1、优点,(1)耐蚀性好。,(2)塑性好，易于变形加工。,(3)焊接性能良好。,(4)韧性及低温韧性好。,缺点：合金元素含量高，价格昂贵。,容易加工硬化，难以切削加工,235,2、用途：用量最大的不锈钢，广泛用于化工、石油、航空及民用等工艺部门。,3、使用,(1)不需要焊接，选用1Cr18Ni9，0Cr18Ni9。,(2)需要焊接，选用1Cr18Ni9Ti，1Cr18Ni11Nb；00Cr18Ni10。,(3)需要深冲，选用00Cr17Ni7Cu2，00Cr17Ni8SiCu2。,236,二、含镍高的奥氏体不锈钢,制作在液氮（-196）或更低温度液体的压力容器。,高镍的奥氏体不锈钢Ms点低，在极低温保持单相奥氏体，塑、韧性好。,三、含氮的铬锰和铬镍锰奥氏体不锈钢,氮的固溶强化效果显著，用于制作要求耐蚀和较高强度的工件。,237,四、亚稳奥氏体不锈钢钢。,制作高强度不锈钢弹簧。如1Cr18Ni8，1Cr18Ni8Mo，Cr15Mn14N。,五、在非氧化性酸中工作,选用含钼、铜和镍含量高的钢种。,如1Cr18Ni12Mo3Ti，,0Cr18Ni18Mo2Cu2Ti，,0Cr23Ni28Mo3Cu3Ti。,238,六、在含卤素元素离子介质中工作 选用抗点腐蚀钢种。,七、在应力腐蚀环境下工作 选用抗应力腐蚀钢种。,八、铁素体不锈钢,1、0Cr17Ti,239,(1)在硝酸和有机酸（除醋酸、蚁酸和草酸）中耐蚀性好。用于石油、化工工业，可替代1Cr18Ni9Ti。,(2)超低硫超低碳的Cr17Ti,耐蚀性、冷加工性和焊接性进一步提高。,(3)含钼、铌的超低碳和氮的Cr17Mo1Nb，在抗点腐蚀、应力腐蚀、一般腐蚀和焊接性方面有更大的提高,240,2、高铬铁素体不锈钢,通过精炼降低碳、氮含量，提高了塑性和低温韧性，改善了焊接性，有高的抗点腐蚀和应力腐蚀能力。,如高纯Cr26Mo1用于热水锅炉，高纯Cr26Mo4用于海水热交换器。,241,九、Cr17Ni2马氏体不锈钢,(1)特点：加入2%Ni，使铁素体钢转变为铁素体马氏体钢。,既保持了Cr17钢的耐蚀性，又具有1Cr13，2Cr13的机械性能。,(2)组织：一般，铁素体量占1015%，不呈网状分布，可保证机械性能。,242,243,(3)热处理,淬火：980-1000加热，油冷。,回火：275-350，回火马氏体。,HB350-402，高强度，耐蚀性。,回火：550-700，回火索氏体。,强韧性好，耐蚀性也好。,(4)使用：制作在400以下工作的耐蚀高强度工件。,十、Cr13型马氏体不锈钢,1、0Cr13,保留部分铁素体，在弱腐蚀介质中耐蚀性能好。,2、1Cr13、2Cr13,淬火温度：950-1000。,冷却：空冷，风冷，油冷。,回火：600750，得到回火索氏体。,244,强韧性好，保证耐蚀性。,用于制作蒸汽涡轮叶片等。,(3)3Cr13，4Cr13,淬火温度：950-1000。,回火：200280，得到回火马氏体。,硬度高，耐蚀性好。,用于制作医疗器械和日用刀具。,245,第六章 耐热钢和耐热合金,246,61耐热钢和耐热合金的合金化,一、耐热钢和耐热合金的用途,用于制作高温下工作的动力机械。,1、蒸汽锅炉、蒸汽涡轮。,2、燃气涡轮、内燃机。,3、加热炉构件。,247,二、耐热钢和耐热合金的工作条件,1、高温下承受各种载荷，如拉伸、弯曲、扭转、疲劳和冲击等。,2、表面与高温燃气、空气、蒸汽发生氧化或腐蚀。,248,三、高温强度,1、高温形变机制（扩散形变机制）,扩散易通过晶界进行。晶界强度18%，抗氧化性好，可在1000-1200长期工作。,Ni：20%，得到奥氏体组织。,Si：2%，提高抗氧化性。,257,2、优点,(1)塑性好，在室温能冲压，轧制。,(2)焊接性好。,3、典型钢种,1Cr25Ni20Si2：1200使用。,11001150固溶处理后，水冷。,258,4、节镍钢种,特点：以C，N代替部分Ni。,（N：0.2-0.3%）,3Cr24Ni7N：可在1100使用。4Cr22Ni4N：可在1050使用。,259,二、铬锰碳氮炉用耐热钢,1、优点：以N、Mn来替代Ni，经固溶处理后得到单相奥氏体，降低成本。,2、典型钢种,3Cr19Mn12Si2N；2Cr20Mn9Ni2Si2N。,3、特点,(1)700-900使用，析出大量的碳化物和氮化物，韧性下降。,(2)高温下使用，仍有较高的韧性,260,三、铁铝锰系炉用耐热钢,1、化学成分,C：0.65-0.85%,，Mn：25-30%，,Al：6-10%，Si：1.0-1.5%，,Ti：0.1%，Re：0.1%。,2、合金元素的作用,(1)铝：抗氧化，抗渗碳。,(2)碳、锰：扩大奥氏体相区。,261,碳：太高，会析出碳化物及得到珠光体，增加脆性。,锰：对抗氧化不利，减少5%锰相当于增加1%铝。,(3)稀土：提高抗氧化性和钢液流动性，改善表面质量和热裂倾向。,262,3、典型钢种,(1)6Mn28Al7TiRe：900以下使用。铝含量取下限，奥氏体组织，强度较高。,(2)6Mn28Al8TiRe：950以上使用。铝含量取上限，奥氏体加少量铁素体。,4、优点,经济效益比铬镍奥氏体炉用钢好。,263,63 铁素体型耐热钢,一、铁素体珠光体耐热钢,1、特点,(1)在正火状态下，显微组织由F+P（粒状贝氏体）组成。,(2)合金元素含量低，工艺性能好。,(3)用作450-620工作的锅炉蒸汽管。,264,2、合金化,(1)固溶强化（W，Mo，Cr）,W，Mo作用大，Cr作用较弱。,(2)碳化物强化,不同类型碳化物的强化效果：,MCM,2,CM,6,CM,7,C,3,。,碳化物稳定性越高，越不容易聚集长大，强化效果越好。,265,V先形成MC型碳化物。如果有多余的碳，依次形成W、Mo的M,2,C、M,6,C。,(3)抗氧化和气体腐蚀,Cr、Si。,(4)改善晶界性能,B，Re。,266,3、常用钢号及热处理工艺,(1)15CrMo：0.8-1.1%Cr，0.4-0.5%Mo，,930960正火，680730回火。500 过热器管子。,(2)12Cr1MoV：0.91.2%Cr，0.3%Mo，0.150.3%V。,9801020正火，720760回火。580 过热器管子。,267,(3)12Cr2MoWVSiTiB：1.62.1%Cr，0.50.65%Mo，0.300.50%W，,0.280.42%V，0.060.12%Ti，0.008%B。,10401090正火，得粒状贝氏体。790回火。,用于制作600620过热器管子。,268,钒、钛：全部形成MC型碳化物。,钨、钼：少部分形成M,6,C型碳化物；大部分固溶于铁素体。,铬：少部分溶入M,6,C型碳化物；大部分固溶于铁素体。,硅：固溶于铁素体。,硼：偏聚在晶界。,269,二、马氏体耐热钢,1、主要用途,制造蒸汽轮机叶片。,2、低碳Cr13型马氏体耐热钢,钢号：1Cr13，2Cr13。,270,淬火：9501000，,高温回火，650700。,1Cr13：工作温度480,2Cr13：工作温度450,优点：抗氧化性和耐蚀性高。,缺点：热强性不足。,271,3、Cr12型马氏体耐热钢,(1)合金化,V，Nb：生成VC、NbC，沉淀强化。,Mo，W：主要固溶于基体，固溶强化。,少部分溶入M,23,C,6,型碳化物，沉淀强化。,Cr：由Cr,7,C,3,型碳化物转变为M,23,C,6,型 碳化物,沉淀强化。,B：强化晶界。,272,(2)典型钢种,2Cr12WMoV：,(Cr,Mo,W,Fe)23C6型碳化物稳定性高，大于650才开始聚集长大。,1000-1050淬油，650750回火，回火屈氏体-索氏体。,使用：工作温度在500-580的汽轮机转子、涡轮叶片等。,273,1Cr9W2MoVNbNB：,强化相：MC，MN，M23C6，M6C。,固溶强化：Mo，W。,B：强化晶界。,1050空冷，800回火。,使用：工作温度不超过650。,274,64奥氏体耐热钢,铁素体耐热钢在600-650蠕变强度明显下降，奥氏体耐热钢在600750仍有较高的高温强度，对强度要求不高的零件可在850工作，用于