钢铁材料4特殊性能用钢
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➢ 强化方式：
❖ 固溶强化 ❖ 晶界强化 ❖ 弥散强化
2.常用耐热钢
• 分类：按组织分类
➢ 珠光体型耐热钢：16Mo, 15CrMo, 12CrMoV
❖ 使用温度：250~550 °C ❖ 主要应用：锅炉、压力容器、热交换器和气阀等耐热件
➢ 马氏体型耐热钢：1Cr13, 2Cr13, 4Cr9Si2, 4Cr10Si2Mo
➢ 性能要求：足够的低温强度、低温韧性，可焊性和耐蚀性 ➢ 主要耐寒钢：
❖奥氏体型低温用钢：18-8型不锈钢（>-200 °C) ❖低碳马氏体型低温用钢：1Ni9（>-196 °C) ❖铁素体型钢：主要适用于地球环境下的寒冷地带结构 材料。16MnRE, 09Mn2VRE, 09MnTiCuRE
✓说明耐寒钢的成分设计原则。
高温腐蚀环境使用
➢主要失效形式
高温氧化 高温强度不足
钢的耐热性包括高温抗氧化性和高温强度两个方面
1) 高温抗氧化性：
➢ 材料的抗氧化性不是指其不氧化，而是指其能很 快在表面形成致密氧化膜，使材料不再继续氧化
➢ 主要合金化元素：Cr，Si，Al
2）高温强度：
➢ 又称热强性，钢在 高温下抵抗塑性变 形和破断的能力。 通常以蠕变极限和 持久强度表示
❖应用：材料被强烈冲击或摩擦时，A产生强烈的加工 硬化，并在表面诱发生成形变马氏体，表面硬度急剧升 值HB500~550。
✓注意：一般机器零件的工作条件，耐磨钢的耐磨性不即 渗碳钢和其它高硬度钢材。 ✓高锰钢水韧处理后不能进行回火处理，否则钢材会脆化
2. 耐寒钢：一般指用于制造、储运液化气体用设备的钢材， 也可用于航天真空工业。
力
➢ 常用奥氏体型 不锈钢：
❖ 1Cr18Ni9Ti,
❖ 0Cr18Ni9, 00Cr18Ni9等
❖ 各类耐腐蚀环 境下结构件
5）其他类型不锈钢
• 双相不锈钢：A+ (5~20%)
✓ 抗应力腐蚀性能更好 ✓ 并具有更好的抗晶间腐蚀能力和抗热裂性能 ✓ 0Cr21Ni5Ti, 1Cr18Mn10Ni5Mo3Si2
加入Ti、Nb的作用是什么？
2.不锈钢的分类及常用不锈钢
1) 不锈钢分类：按供应态（正火）组织分
➢ 马氏体型不锈钢(Cr13型) ➢ 铁素体型不锈钢(Cr17、Cr25型） ➢ 奥氏体型不锈钢(18-8型) ➢ 双相不锈钢 ➢ 沉淀硬化型不锈钢
2） 马氏体不锈钢：
➢ 马氏体型不锈钢成分特点：
❖ 含碳0.1~0.4% ❖ 含铬12~18% ❖ 其它元素Mo、V、Si、Cu等
试说明如何提高铁素体型不锈钢Hale Waihona Puke Baidu力学性能？
4）奥氏体型不锈钢（18-8型）
➢ 奥氏体型不锈钢的成分特点
❖ 含碳小于0.1% ❖ 含铬18%, 含镍8~11% ❖ 其它元素Mo、Nb、Ti等
➢ 奥氏体型不锈钢的性能特点
❖ 耐蚀性优秀 ❖ 单相奥氏体，但有强加工硬化 ❖ 塑性、可焊性好 ❖ 有应力腐蚀倾向，注意加工应
• 沉淀硬化型不锈钢：
✓ 解决奥氏体不锈钢强度不足，加工硬化引起的 应力腐蚀问题
✓ 加入Ni、Al、Ti、Nb形成金属间化合物Ni3Al， Ni3Nb，强化A不锈钢但不影响其耐蚀性
✓ 用于高强高硬度且要求耐蚀性的条件下
7.5.2 耐热钢
1. 耐热钢的工作条件和性能要求
高温下使用
➢使用条件
高温氧化环境使用
➢ 不锈钢的材料设计原则
❖ 尽量获得单相均匀组织
Fe+9%NiA(单相）
降低碳含量
❖ 提高金属基体腐蚀电位
Fe+(x/8)Cr 电位阶梯式升高 ❖ 形成表面防护膜
Cr, Si, Al在表面形成 致密钝化膜
✓ 不锈钢主要的成分特点： o 低碳含量 o 含有Cr,Ni等合金元素 o 含有Al、Si、Ti、Nd 等合金元素
❖ 耐蚀性较马氏体不锈钢好 ❖ 单相铁素体，无相变强化 ❖ 塑性、可焊性好 ❖ 有金属间化合物引起的高温脆性
➢ 常用铁素体型 不锈钢：
❖ 1Cr17, 1Cr17Ti, 1Cr28, 1Cr25Ti, 1Cr17Mo2Ti等
❖ 主要用于对力学性 能要求不高、但耐 蚀性要求高的环境 下，如化工生产结 构件
说明个元素及其 含量变化对材料 性能影响？
2） 马氏体不锈钢：
➢ 马氏体型不锈钢性能特点：
❖ 含碳量较高，力学性能好 ❖ 热加工性能好 ❖ 切削加工性好 ❖ 耐蚀性随含碳量升高而降低
➢ 常用马氏体不锈钢：1Cr13, 2Cr13, 3Cr13, 9Cr18, 1Cr17Ni2
❖ 1Cr13, 2Cr13优良的抗大气、蒸汽介质腐蚀，耐蚀结构 钢。用于制作汽轮机叶片、热烈设备配件、锅炉附件等 ✓ 热处理：淬火+高温回火(S回)，注意回火脆
❖ 3Cr13, 4Cr13耐蚀性下降，但力学性能好。用于制作不 锈钢工具，如医疗器械、刃具、热油泵轴等 ✓ 热处理：淬火+低温回火(M回)(HRC50)
3）铁素体型不锈钢
➢ 铁素体型不锈钢的成分特点
❖ 含碳小于0.15% ❖ 含铬17~30% ❖ 其它元素Mo、V、Ti等
➢ 铁素体型不锈钢的性能特点
❖按碳在铸铁中的存在形式及石墨形态分类： 白口铁、灰口铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁
❖ 使用温度：550~600 °C ❖ 主要应用：叶片、阀门
➢ 奥氏体型耐热钢：使用温度：>600~700
❖°C固溶强化型18-8不锈钢：加热管，排气管； ❖ 沉淀硬化型耐热钢：4Cr13Ni8Mn8MoVNb(GH36)，增压
涡轮，叶片材料和高温紧固件 ❖ 金属间化合物强化耐热钢：0Cr15Ni26MoTi2AlVB(GH132)
7.5.3 其他特殊钢
1. 耐磨钢：专指在强烈冲击载荷或高压条件下发生表面硬 化而具有高耐磨性的高锰钢。
➢ 材料：ZGMn13。含碳0.8~1.4%，含Mn11~14%
❖铸态组织：A+碳化物（Fe,Mn)3C
❖热处理：水韧处理——固溶A体化（~1100°C），水 淬
组织：A；硬度：HB190-220；韧性很高
7.6 铸铁
7.6.1 概述
➢ 铸铁：含碳量大于2.11%的Fe-C基合金。 ➢ 主要特征：
❖C>2.5~4%, Si1~3%, Mn0.5~1.4%, P0.01~0.5%, S0.02~0.2% ❖生产工艺简单，成本低廉
❖工艺性能好，铸造性能、切削价共性能优良
❖耐磨减摩性好，缺口敏感性低。机械性能较好 ➢ 主要应用及分类：
❖ 固溶强化 ❖ 晶界强化 ❖ 弥散强化
2.常用耐热钢
• 分类：按组织分类
➢ 珠光体型耐热钢：16Mo, 15CrMo, 12CrMoV
❖ 使用温度：250~550 °C ❖ 主要应用：锅炉、压力容器、热交换器和气阀等耐热件
➢ 马氏体型耐热钢：1Cr13, 2Cr13, 4Cr9Si2, 4Cr10Si2Mo
➢ 性能要求：足够的低温强度、低温韧性，可焊性和耐蚀性 ➢ 主要耐寒钢：
❖奥氏体型低温用钢：18-8型不锈钢（>-200 °C) ❖低碳马氏体型低温用钢：1Ni9（>-196 °C) ❖铁素体型钢：主要适用于地球环境下的寒冷地带结构 材料。16MnRE, 09Mn2VRE, 09MnTiCuRE
✓说明耐寒钢的成分设计原则。
高温腐蚀环境使用
➢主要失效形式
高温氧化 高温强度不足
钢的耐热性包括高温抗氧化性和高温强度两个方面
1) 高温抗氧化性：
➢ 材料的抗氧化性不是指其不氧化，而是指其能很 快在表面形成致密氧化膜，使材料不再继续氧化
➢ 主要合金化元素：Cr，Si，Al
2）高温强度：
➢ 又称热强性，钢在 高温下抵抗塑性变 形和破断的能力。 通常以蠕变极限和 持久强度表示
❖应用：材料被强烈冲击或摩擦时，A产生强烈的加工 硬化，并在表面诱发生成形变马氏体，表面硬度急剧升 值HB500~550。
✓注意：一般机器零件的工作条件，耐磨钢的耐磨性不即 渗碳钢和其它高硬度钢材。 ✓高锰钢水韧处理后不能进行回火处理，否则钢材会脆化
2. 耐寒钢：一般指用于制造、储运液化气体用设备的钢材， 也可用于航天真空工业。
力
➢ 常用奥氏体型 不锈钢：
❖ 1Cr18Ni9Ti,
❖ 0Cr18Ni9, 00Cr18Ni9等
❖ 各类耐腐蚀环 境下结构件
5）其他类型不锈钢
• 双相不锈钢：A+ (5~20%)
✓ 抗应力腐蚀性能更好 ✓ 并具有更好的抗晶间腐蚀能力和抗热裂性能 ✓ 0Cr21Ni5Ti, 1Cr18Mn10Ni5Mo3Si2
加入Ti、Nb的作用是什么？
2.不锈钢的分类及常用不锈钢
1) 不锈钢分类：按供应态（正火）组织分
➢ 马氏体型不锈钢(Cr13型) ➢ 铁素体型不锈钢(Cr17、Cr25型） ➢ 奥氏体型不锈钢(18-8型) ➢ 双相不锈钢 ➢ 沉淀硬化型不锈钢
2） 马氏体不锈钢：
➢ 马氏体型不锈钢成分特点：
❖ 含碳0.1~0.4% ❖ 含铬12~18% ❖ 其它元素Mo、V、Si、Cu等
试说明如何提高铁素体型不锈钢Hale Waihona Puke Baidu力学性能？
4）奥氏体型不锈钢（18-8型）
➢ 奥氏体型不锈钢的成分特点
❖ 含碳小于0.1% ❖ 含铬18%, 含镍8~11% ❖ 其它元素Mo、Nb、Ti等
➢ 奥氏体型不锈钢的性能特点
❖ 耐蚀性优秀 ❖ 单相奥氏体，但有强加工硬化 ❖ 塑性、可焊性好 ❖ 有应力腐蚀倾向，注意加工应
• 沉淀硬化型不锈钢：
✓ 解决奥氏体不锈钢强度不足，加工硬化引起的 应力腐蚀问题
✓ 加入Ni、Al、Ti、Nb形成金属间化合物Ni3Al， Ni3Nb，强化A不锈钢但不影响其耐蚀性
✓ 用于高强高硬度且要求耐蚀性的条件下
7.5.2 耐热钢
1. 耐热钢的工作条件和性能要求
高温下使用
➢使用条件
高温氧化环境使用
➢ 不锈钢的材料设计原则
❖ 尽量获得单相均匀组织
Fe+9%NiA(单相）
降低碳含量
❖ 提高金属基体腐蚀电位
Fe+(x/8)Cr 电位阶梯式升高 ❖ 形成表面防护膜
Cr, Si, Al在表面形成 致密钝化膜
✓ 不锈钢主要的成分特点： o 低碳含量 o 含有Cr,Ni等合金元素 o 含有Al、Si、Ti、Nd 等合金元素
❖ 耐蚀性较马氏体不锈钢好 ❖ 单相铁素体，无相变强化 ❖ 塑性、可焊性好 ❖ 有金属间化合物引起的高温脆性
➢ 常用铁素体型 不锈钢：
❖ 1Cr17, 1Cr17Ti, 1Cr28, 1Cr25Ti, 1Cr17Mo2Ti等
❖ 主要用于对力学性 能要求不高、但耐 蚀性要求高的环境 下，如化工生产结 构件
说明个元素及其 含量变化对材料 性能影响？
2） 马氏体不锈钢：
➢ 马氏体型不锈钢性能特点：
❖ 含碳量较高，力学性能好 ❖ 热加工性能好 ❖ 切削加工性好 ❖ 耐蚀性随含碳量升高而降低
➢ 常用马氏体不锈钢：1Cr13, 2Cr13, 3Cr13, 9Cr18, 1Cr17Ni2
❖ 1Cr13, 2Cr13优良的抗大气、蒸汽介质腐蚀，耐蚀结构 钢。用于制作汽轮机叶片、热烈设备配件、锅炉附件等 ✓ 热处理：淬火+高温回火(S回)，注意回火脆
❖ 3Cr13, 4Cr13耐蚀性下降，但力学性能好。用于制作不 锈钢工具，如医疗器械、刃具、热油泵轴等 ✓ 热处理：淬火+低温回火(M回)(HRC50)
3）铁素体型不锈钢
➢ 铁素体型不锈钢的成分特点
❖ 含碳小于0.15% ❖ 含铬17~30% ❖ 其它元素Mo、V、Ti等
➢ 铁素体型不锈钢的性能特点
❖按碳在铸铁中的存在形式及石墨形态分类： 白口铁、灰口铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁
❖ 使用温度：550~600 °C ❖ 主要应用：叶片、阀门
➢ 奥氏体型耐热钢：使用温度：>600~700
❖°C固溶强化型18-8不锈钢：加热管，排气管； ❖ 沉淀硬化型耐热钢：4Cr13Ni8Mn8MoVNb(GH36)，增压
涡轮，叶片材料和高温紧固件 ❖ 金属间化合物强化耐热钢：0Cr15Ni26MoTi2AlVB(GH132)
7.5.3 其他特殊钢
1. 耐磨钢：专指在强烈冲击载荷或高压条件下发生表面硬 化而具有高耐磨性的高锰钢。
➢ 材料：ZGMn13。含碳0.8~1.4%，含Mn11~14%
❖铸态组织：A+碳化物（Fe,Mn)3C
❖热处理：水韧处理——固溶A体化（~1100°C），水 淬
组织：A；硬度：HB190-220；韧性很高
7.6 铸铁
7.6.1 概述
➢ 铸铁：含碳量大于2.11%的Fe-C基合金。 ➢ 主要特征：
❖C>2.5~4%, Si1~3%, Mn0.5~1.4%, P0.01~0.5%, S0.02~0.2% ❖生产工艺简单，成本低廉
❖工艺性能好，铸造性能、切削价共性能优良
❖耐磨减摩性好，缺口敏感性低。机械性能较好 ➢ 主要应用及分类：