机械工程材料沈莲04章合金钢

SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料第四章合金钢ALLOYSTEELS碳钢的优点：（1）经热处理后具有良好的综合力学性能；（2）冶炼工艺简单，成本低；（3）压力加工性能好；（4）切削加工性能好。碳钢的缺点：（1）淬透性低；（2）回火抗力差：淬火钢在回火过程中硬度、强度下降过多；（3）强度不够高；（4）不具备特殊性能：耐高温、耐低温、耐磨损、耐腐蚀。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料要求减轻自重的大型构件和受力复杂、负荷大、速度高的重要机械零件以及在高温、低温、腐蚀、磨损等恶劣环境下工作的零构件，显然不能用碳钢来制造。合金钢就是指为了改善钢的性能，在碳钢中特意加入某些合金元素的钢。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料第一节概述ABSTRACTOFALLOYSTEELS合金钢就是指在碳钢中特意加入某些合金元素的钢。常用合金元素有Cr、Mn（锰）、Co（钴）、Cu、Si、Al、B（硼）、W（钨）、Mo（钼）、V（钒）、Ti（钛）、Nb（铌）、Zr（锆）、RE（稀土元素）。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料合金元素在钢中可以与铁和碳形成固溶体（合金奥氏体、合金铁素体），也可以与铁和碳形成碳化物（合金渗碳体、特殊碳化物），不同合金元素也可以相互之间形成金属间化合物，从而改变钢的组织和性能。一、合金元素在钢中的作用SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料（1）细化奥氏体晶粒1.合金元素改善钢的热处理工艺性能除Mn以外，所有的合金元素都能阻碍钢在加热时奥氏体晶粒长大，尤其以Ti、V、Nb、Zr、Al的作用最大，它们在钢中形成TiC、VC、NbC、ZrC、AlN细微质点，阻碍晶界移动，显著细化奥氏体晶粒，从而使钢热处理后的组织细化。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料（2）提高淬透性除Co以外，所有的合金元素固溶于奥氏体中增加了奥氏体的稳定性，减慢了过冷奥氏体分解速度，使奥氏体等温转变图右移，因而降低了钢淬火时的临界冷却速度V临，提高了淬透性。这样，大尺寸的零件淬火后，整个截面上组织较均匀，性能较一致，而且可以选用冷却速度较低的淬火介质（如油），避免淬火时的变形开裂。如果合金元素含量很高，在空气中冷却也能得到马氏体。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料（3）提高回火抗力，产生二次硬化回火抗力：淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力。硬度下降越慢，则回火抗力越高。合金元素固溶于淬火马氏体中减慢了碳的扩散，阻碍碳化物从过饱和固溶体中析出，推迟了马氏体的分解，延缓硬度下降，因而合金钢具有较高的回火抗力。与同等碳含量的碳钢相比，在同样的回火温度下，合金钢有较高的强度和硬度；而回火至同一硬度，则合金钢的回火温度高，其塑性、韧性较好。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料当钢中Cr、W、Mo、V等的含量超过一定量时，在400℃以上还会形成弥散分布的特殊碳化物Cr7C3、W2C、Mo2C、VC等，使硬度重新升高，直至500~600℃硬度达到最高值。这种淬火钢在较高温度回火，硬度不下降反而升高的现象称为二次硬化。二次硬化对高合金工具钢十分重要，使刃具、模具、在较高温度下仍保持高硬度。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料图4-2合金元素对回火的影响a）Si的影响b）Mo的影响SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料（4）防止第二类回火脆性回火脆性：淬火钢回火后出现韧性下降的现象。在250~400℃出现的韧性下降现象，称为“第一类回火脆性”。无有效方法消除它，通常只有避免在此温度范围内回火。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料“第二类回火脆性”是在500~650℃回火后缓慢冷却出现的冲击韧性下降现象。这类回火脆性只在含Cr、Mn或Cr-Ni、Cr-Mn的合金钢中出现。若回火后快冷或在钢中加入0.2~0.3%的Mo或0.4%~0.8%的W可以防止防止第二类回火脆性。实际生产中，为了防止第二类回火脆性，对于小尺寸零件，通常采用回火后快冷的方法，对于大尺寸零件，则选用含Mo、W的钢制造。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料（1）合金元素使钢得到强化2.合金元素提高钢的使用性能如第二章所述，钢的塑性变形是位错的远动形成滑移带造成的。钢中的溶质原子、第二相粒子、晶界都是位错运动的障碍，从而都会使钢的强度、硬度升高，产生固溶强化、第二相强化、细晶强化。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料合金元素Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W可固溶于铁素体、奥氏体、马氏体中引起晶格畸变，增加了位错运动阻力，产生固溶强化。1）固溶强化图4-4各种合金元素对铁素体硬度和冲击韧度的影响SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料合金元素Mn、Cr、Mo、W可以固溶于渗碳体中，形成合金渗碳体（Fe·Mn）3C、（Fe·Cr）3C、（Fe·Mo）3C、（Fe·W）3C，增加了铁和碳的亲和力，提高了渗碳体的稳定性。这种稳定性较高的合金渗碳体即使在钢加热形成奥氏体时，也难以溶解在奥氏体中，也难以聚集长大，冷却后保留在钢中，形成位错运动的障碍，提高了钢的强度和硬度。2）第二相强化SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料此外，各种合金元素可以和碳形成相应的特殊碳化物，这些特殊碳化物熔点高、硬度高、稳定性高，加热时更难溶于奥氏体中，当它们以细小质点分布在钢中时，更能有效地提高钢的强度和硬度。3）细晶强化大多数合金元素都能细化奥氏体和铁素体晶粒及马氏体针条，尤其以V、Ti、Nb、Zr、Al的细化作用最显著，晶界或马氏体针条边界成为位错运动的障碍。细晶强化不仅可以提高钢的强度和硬度，而且同时提高钢的塑性和韧性。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料（2）合金元素使钢获得特殊性能合金元素固溶于铁素体和奥氏体中时，可以使Fe-Fe3C相图中的同素异构转变温度、共析温度等曲线和点的位置发生改变。1）形成稳定的单相组织,Ni、Mn、Cu、N等元素能使相图中奥氏体区扩大。当这些元素含量较高时，例如wNi为9%时，或wMn为13%时，则可使A3降至室温以下，此时钢在室温呈单相奥氏体组织，称为奥氏体钢，有耐腐蚀、耐高温、抗磨损等特殊性能。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料而Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al等元素能使相图中奥氏体区缩小。当这些元素含量较高时，例如wCr为17%~28%时则可使奥氏体区消失，此时钢呈单相铁素体组织，称为铁素体钢，此类钢也具有耐腐蚀、耐高温等特殊性能。2）形成致密氧化膜和金属间化合物合金元素Si、Cr、Al、Ni、W、Mo、Ti等可以形成致密氧化膜SiO2、Cr2O3、Al2O3和金属进化合物FeSi、FeCr、Ni3Al、Ni3Ti、Fe2W、Fe2Mo。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料致密氧化膜覆盖在钢的表面，提高钢的耐腐蚀性和高温抗氧化性（不锈钢的性能）；金属间化合物则阻碍位错在高温下运动，提高钢的蠕变抗力，特别是它们呈弥散分布的细颗粒时，可以显著提高钢的高温强度（耐热钢的性能）。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料合金钢的分类方法很多，最常用的方法是按照用途将合金钢分为合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢三大类。二、合金钢的分类及牌号1.合金结构钢合金结构钢低合金高强度结构钢合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢滚动轴承钢SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料例如Wc为0.37%~0.44%、WCr为0.8%~1.1%的钢以40Cr表示；Wc为0.57%~0.65%、WSi为1.5%~2.0%、WMn为0.6%~0.9%的钢以60Si2Mn表示。合金结构钢的牌号是用“数字+合金元素符号+数字”表示的，前面的数字表示钢中碳的质量分数的万分数，后面的数字表示合金元素质量分数的百分数，都采用四舍五入。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料对于低合金高强度结构钢，其牌号用“Q+数字+质量等级（A、B、C、D、E质量依次提高）表示。含S、P量较低（Ws0.02%、Wp0.03%）的高级优质钢，则在牌号的最后加“A”。对于高碳低铬轴承钢，其牌号前注明“G”表示“高碳”Wc通常是0.95%~1.05%，因为是“低铬”后面的数字表示铬的质量分数的千分数。例如GCr15钢的Wc为0.95%~1.05%、WCr为1.5%。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料2.合金工具钢合金工具钢刃具钢模具钢量具钢合金工具钢的牌号表示方法与合金结构钢大致相同，也是用”数字+合金元素符号+数字“来表示，其差别只是前面的数字是表示钢中碳的质量分数的千分数，如果钢中Wc≥1.0%时，不标注此数字。例如9Mn2V钢，其Wc为0.9%、WMn为2%左右、Wv为1%左右。SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料3.特殊性能钢特殊性能钢不锈钢耐热钢耐磨钢特殊性能钢的牌号表示方法与合金工具钢完全相同，是用”数字+合金元素符号+数字“来表示，其差别只是前面的数字是表示钢中碳的质量分数的千分数，如果钢中Wc≥1.0%时，不标注此数字。低温钢SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料第二节合金结构钢合金钢结构钢主要用于制造重要工程结构和机器零件，它是工业上应用最广、用量最多的钢种。合金结构钢低合金高强度结构钢合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢滚动轴承钢超高强度钢SCHOOLOFELECTRONICALANDINFORMATIONENGINEERING电气信息工程学院机械工程材料由于合金钢结构钢的用途各异，应用场合不同，选择的含碳量就不同，所选择的热处理方案也不同。合金结构钢中Wc可在0.1%~1.1%范围内变化。合金结构钢的牌号是用“数字+合金元素符号+数字”表示的，前面的数字表示钢中碳的质量分数