机械专业工程材料学6终XXXX

第六章合金钢重要的金属材料:碳素钢:价格低、易加工、可热处理、可塑变。合金钢：为了改善钢的性能，在碳钢的基础上特意地加入一种或几种合金元素所形成的钢。它具有较好机械性能（如强度、塑性、淬透性、冲击韧性等）和特殊性能（耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性、电磁性等），但价格高。一、合金元素的存在形式1.非碳化物形成元素:不能和碳化合的元素称为非碳化物形成元素，如Ni、Si、Co、Al、Cu等，它们只能溶于铁素体形成合金铁素体。2.碳化物形成元素（次d电子层不满）凡能与碳化合的元素叫做碳化物形成元素.按照碳化物形成元素所形成的碳化物的稳定程度由强→弱的排列顺序为：Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe；强碳化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V中强碳化物形成元素：W、Mo、Cr弱碳化物形成元素：Mn、Fe；碳化物形成元素在周期表中都是位于铁元素的左边的过渡族金属元素,它们都有一个未填满的d电子亚层,当形成碳化物时,碳原子首先将其价电子填入金属原子未填满的d电子亚层,使形成的碳化物具有金属键结合的性质,金属原子的d电子亚层愈不满(周期表中,在铁左边离铁愈远),则其与碳的亲和力愈强,形成碳化物的能力愈大,愈稳定,而且不易分解。二、合金元素的主要作用（一）合金元素对钢中基本相的影响溶于碳钢中原有的相中；形成新类型的特殊碳化物1.溶于基体中形成合金F或合金渗碳体。2.与碳作用形成合金碳化物。3.单独形成特殊碳化物。非碳化物形成元素几乎都溶解在铁素体中合金铁素体。碳化物形成元素中：与碳亲和力较弱的元素可部分溶于渗碳体中合金渗碳体，大部分仍溶于铁素体中。与碳亲和力较强的一些元素含量小时，合金渗碳体，如:(Fe、Cr)3C、(Fe、Mo)3C、(Fe、W)3C含量多时，新的特殊的合金碳化物；Cr7C3、MoC、WC、与碳亲和力很强的元素特殊的碳化物如NbC、TiC、ZrC等，合金元素溶入铁素体以固溶体的溶质形式存在：主要是非碳化物形成元素Si、Co、Al、Cu等以此种形式存在；产生固溶强化作用；如图所示；Ni、Cr特殊，含量少时，铁素体韧性升高；含量多时，铁素体韧性下降合金元素溶入渗碳体中•置换Fe3C中的Fe原子合金渗碳体；(Cr、W、Mo、V、Nb);硬度增，提高耐磨性，加热时难溶于奥氏体单独形成特殊碳化物合金元素与碳化合特殊碳化物，结构简单、熔点高、硬度高、稳定性高，当以细小的质点分布在固溶体基体上时，可以起到弥散强化作用。NbC、TiC、VC（二）合金元素对Fe-C相图的影响扩大或缩小A区改变共晶点和共析点的参数1.奥氏体相区的变化扩大或缩小A区——如，室温下，1Cr18Ni9为单相A，1Cr17Ti为单相F使共析转变点S左移→钢中P%↑，强度增加。使共晶转变点E左移→钢中出现Le'Mn、Ni、Co、C、N、Cu均使S、E点向下、向左移、A3、A1（点）线向下移，A4点上升，故可扩大奥氏体相区；如P125图7-4所示；Cr、Mo、W、V、Ti、Si使S、E点向上、向左移，A3、A1点（线）上升，A4点下降，故可缩小奥氏体相区；如P125图7-4所示；3.2总结：当含Mn、Ni较高的钢，因扩大奥氏体相区有可能将A3降至室温以下，此时钢在室温下保持奥氏体组织，叫做奥氏体钢；例如：Mn13(耐磨钢)、1Cr18Ni9（不锈钢）；如P122图7-1；当含Cr较高的钢，因缩小奥氏体相区有可能在室温下只有铁素体存在而成为铁素体钢；例如：Cr17（铁素体型不锈钢）；如P122图7-2；由于所有的合金元素均使S点左移，这就意味着钢中的含碳量不足0.77%时，钢就变为过共析钢而析出Fe3CⅡ；例如：4Cr13（马氏体型不锈钢）就是过共析钢；合金元素的存在将改变钢的共析温度，扩大奥氏体相区的合金元素将使A1下降，缩小奥氏体相区的合金元素将使A1上升；如图7-5所示；大多数合金元素均使E点左移，这就意味着当钢中的含碳量小于2.11%时就会出现共晶莱氏体；例如：W18Cr4V的铸态组织中已出现了莱氏体；合金元素对S点成分的影响（三）合金元素对热处理过程的影响1.合金元素对加热时奥氏体形成过程的影响大多数合金元素（除少数Ni、Co，主要是碳化物形成元素）会减慢奥氏体的形成过程。所有合金元素（除Mn、P、C、N外）均阻碍奥氏体晶粒的长大，获得晶粒细小的奥氏体组织，但作用的强弱不同，强碳化物形成元素的作用大。强碳化物形成元素能强烈的阻止奥氏体晶粒长大(Ti、V、Zr、Nb等)。非碳化物形成元素能轻微的阻止奥氏体晶粒长大(Si、Ni、Cu、Co等)。因此，一般合金钢的热处理加热温度较碳钢的高，但晶粒细小，尤其是存在强碳化物形成元素的合金钢。2.合金元素对过冷奥氏体转变过程的影响：除Co以外，大多数合金元素的加入（溶入奥氏体中）均使C曲线右移，提高过冷奥氏体的稳定性，Vk↓从而提高了钢的淬透性；一些碳化物形成元素还使C曲线的形状发生改变，如图7-6所示；除Co，Al外，所有的合金元素都使Ms、Mf点下降，淬火后残余A量↑,硬度↓提高钢的淬透性。最常采用的是：Cr，Mn，Si，Ni，B合金元素对珠光体转变的影响除了Co、Al外均推迟奥氏体向珠光体的转变。合金元素溶入奥氏体中，就或多或少地推迟珠光体转变，提高淬透性。多种元素的共同作用比单一元素的作用大的多。合金元素对马氏体转变的影响除Co、Al以外，溶入奥氏体中的合金元素均使Ms点下降，碳的作用最大，其次是Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。多种元素共存时，作用更大。3、合金元素对回火转变的影响：1.提高钢的回火稳定性：回火稳定性：表示钢对于回火时发生软化过程的抵抗能力；M分解、碳化物长大、残余A转变、F再结晶被推迟到较高的温度才发生。回火温度相同时，合金钢中析出的碳化物更细小，其强度更高。合金钢在相同的回火温度下比含碳量相同的碳钢具有更高硬度，回火稳定性越高的钢，在较高温度下的强度或硬度也越高如图7-7所示；在达到相同强度条件下，回火稳定性高的钢，可在更高温度下回火。---合金钢综合力学性能比碳钢好。提高钢的回火稳定性作用较强的合金元素有：V，Si，Mo，W，Cr，Ni，Mn,Co（2）二次硬化和二次淬火当钢中含Cr、W、Mo、V、Ti等超过一定量时，回火后的硬度随回火温度的升高不是单调的降低，而是在某一温度范围回火后硬度反而增加，并在一定温度（500~600℃）达到峰值。如图7-7C)所示；二次硬化：在一定回火温度下硬度出现峰值的现象。回火温度较高时析出细小、高硬度的合金碳化物，如Mo2C，使硬度反而提高。（韧性也大大↑）二次淬火500~600℃回火时析出合金碳化物→残余A中Me%↓→Ms、Mf↑，随后冷却时残余A→M→硬度升高二次淬火：在高合金钢中回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体，而导致硬度升高的现象。（3）对回火脆性的影响：回火脆性：淬火钢在回火时的冲击韧性并不是随回火温度的升高单调的增大，有些钢在一定温度范围内回火时，其冲击韧性显著下降，这种现象叫做钢的回火脆性；如图7-8所示；第一类回火脆性：钢在250~400℃温度范围内出现的回火脆性叫做第一类回火脆性，也叫低温回火脆性；第一类回火脆性产生的原因与防止方法:避免在此温度范围内回火，或加入一些合金元素，如：Ｓｉ；第二类回火脆性：钢在500~650℃范围内回火时出现的回火脆性叫做第二类回火脆性，也叫高温回火脆性；第二类回火脆性产生的原因与防止方法：防止方法：1.回火后快冷可避免，重新加热后快冷可消除之，故此类回脆又叫做可逆回火脆性；2.加入适量的W、Mo；（当钢中含有Cr、Ni、Mn、Si、P等元素时，高温回火的脆性增大，在含有Cr时，还有Ni和Mn则回火脆性更大）。三、合金钢的分类与编号1、钢的分类按用途分类（1）合金结构钢：低合金结构钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、易切削钢等；（2）合金工具钢：刃具钢、模具钢、量具钢。（3）特殊钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。2.合金钢的编号：合金钢编号的一般形式：字母+数字+化学元素符号+数字+字母①G-滚Y-易②含碳量合金结构钢两位数字（含碳量万分之几）例如：20MnVBA、36Mn2Si、40CrNiMo等。滚动轴承钢滚或G+Cr+数字（Cr含量的千分之几）,例如：GCr15合金工具钢一位数字含碳量≥1.0%时不标，＜1.0%时用千分之几表示,例如CrMn、9Mn2V等。高速钢中不标含碳量，如W18Cr4v，W6Mo5Cr4V2等。③主要合金元素种类和名义百分含量＜1.5%略1.5~2.5%标22.5~3.5%标3④钢的冶金质量A-高级优质钢E-特级优质钢合金钢的分类（按用途分类）合金结构钢——低合金结构钢、渗C钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢等。合金工具钢——刃具、模具、量具钢。特殊性能钢——不锈钢、耐热钢、耐磨钢。合金钢的编号结构钢——如60Si2Mn，w(C)=0.6%，w(Si)=2%，w(Mn)＜1.5%工具钢、特殊性能钢——如9SiCr，w(C)=0.9%，w(Si)、w(Cr)均＜1.5%而CrWMn中，w(C)＞1.0%专用钢——如，滚动轴承钢GCr15，w(C)=1.0%，w(Cr)=1.5%高级优质钢——如，20Cr2Ni4A合金钢的编号：合金结构钢数字（含碳量万分之几）+元素（化学元素符号）+数字（合金元素的百分之几）。例如：20MnVBA、36Mn2Si、40CrNiMo等。滚动轴承钢滚或G+Cr+数字（Cr含量的千分之几）,例如：GCr15合金工具钢含碳量+元素+数字，含碳量≥1.0%时不标，＜1.0%时用千分之几表示,例如CrMn、9Mn2V等。高速钢中不标含碳量，如W18Cr4v，W6Mo5Cr4V2等。特殊性能钢：不锈钢与耐热钢数字+元素+数字第一个数字表示含碳量的千分之几,第二个数字表示合金元素的百分之几。起重要作用的微量元素也要标出。例如：9Cr18，00Cr18Ni10（平均含碳量≤0.03%)，0Cr18(平均含碳量≤0.08%)等。特殊性能钢：不锈钢与耐热钢数字+元素+数字第一个数字表示含碳量的千分之几,第二个数字表示合金元素的百分之几。起重要作用的微量元素也要标出。例如：9Cr18，00Cr18Ni10（平均含碳量≤0.03%)，0Cr18(平均含碳量≤0.08%)等。第二节合金结构钢合金结构钢：在工业上凡是用于制造各种机器零件和用于建筑工程结构的钢叫做合金结构钢；1、低合金结构钢：(一）性能：高强度，显著高于相同含碳量的普通碳钢，故又称为低合金高强钢（可以显著的降低构件的重量，节约钢材），高的塑性、韧性良好的焊接性与冷成型性能、良好的耐蚀性，故具有良好的综合机械性能，特别是具有较高的屈服极限；学习思路：用途→工作条件→性能要求→成分特点→热处理特点→典型钢种应用2.合金元素含合金量小于3%，主加Mn，1.8%以内(Cr、Ni)——固溶强化辅加Ti、V、Nb、Mo、B——细化晶粒，弥散强化，强化铁素体，细化铁素体晶粒，使强度、韧性改善;细化珠光体晶粒，同时在钢中形成微细的碳化物，起到弥散强化的作用，从而提高钢的强度及韧性；少量Cu、P等；Cu、P：提高钢对大气的抗蚀能力；（二）成分及作用1.碳含量：含碳量一般小于0.2%，保证好的韧性、焊接性和冷成形性，1．低合金结构钢钢号旧钢号主要化学成分，%机械性能CMnSi，s，MPab，MPa5，%Q29509MnNb12Mn0.160.80~1.500.5529557023Q34516Mn16MnRe0.18~0.201.00~1.600.5534563021~22Q39016MnNb15MnTi0.201.00~1.600.5539065019~20Q42014MnVTiRe15MnVN0.201.00~1.700.5542068018~19Q46014MnMoV18MnMoNb0.201.00~1.700.5546072017常用低合金结构钢的牌号、成分、性能（厚度(直径)16mm，AKV≥34J）2.牌号:Q345