第七章合金钢.

第七章合金钢碳钢的特点•优点：价格低廉，便于获得，容易加工；通过C%的变化和热处理，性能可以得到改善•缺点：淬透性低，回火抗力差；不能满足一些特殊性能要求，如耐热、耐低温、耐腐蚀等第一节合金元素在钢中的作用•合金元素：为了获得一定的组织、性能使其使用性能和工艺性能得以提高，而向钢中加入的化学元素。•常加入的合金元素有：Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Al等合金元素在钢中的存在形式：溶于F、A、M中，以固溶体的形式存在形成强化相，如溶入渗碳体中形成合金渗碳体，或形成特殊的碳化物和金属间化合物形成非金属夹杂，如氧化物、氮化物、硫化物以游离态存在，如Pb、Cu等第一节合金元素在钢中的作用•加入合金元素不仅可以提高钢的力学性能、改善工艺性能，还可以获得某些特殊的性能。一、合金元素对钢中基本相的影响1、溶于铁素体，起固溶强化作用非碳化物形成元素（如Ni、Si、Al等）及过剩的碳化物形成元素（如Mn）都溶于铁素体，形成合金铁素体。第一节合金元素在钢中的作用Si、Mn对强度、硬度提高显著。Cr、Ni在适当范围内提高韧性。对硬度的影响对冲击韧性的影响第一节合金元素在钢中的作用2、形成碳化物，起强化相作用合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为：Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe⑴Ti、Nb、V为强碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性高，如TiC、VC等。钢中碳化物第一节合金元素在钢中的作用⑵W、Mo、Cr为中碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较高，如W2C等。⑶Mn、Fe为弱碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较低，如Fe3C等。第一节合金元素在钢中的作用二、对Fe-Fe3C相图的影响⑴Ni、Mn、Co、C、N等是扩大奥氏体相区的元素，使A3线下降，Acm线上升，S点下降。当Mn13%或Ni9%时，S点降到0℃以下，室温下为单相奥氏体组织，称奥氏体钢。Mn对奥氏体相区的影响SE第一节合金元素在钢中的作用⑵Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等是缩小奥氏体相区的元素，使A3线上升，S点上升。当Cr19%时，奥氏体相区消失，室温下为单相铁素体组织，称铁素体钢.Cr对奥氏体相区的影响SE第一节合金元素在钢中的作用⑶所有合金元素均使E点和S点左移，即这两点的含碳量下降，使碳含量比较低的钢出现过共析组织（如4Cr13）或共晶组织（如W18Cr4V）。SSEE第一节合金元素在钢中的作用三、对钢热处理的影响1、对奥氏体化的影响⑴对奥氏体形成速度的影响：除Ni、Co外，都减缓奥氏体化过程。⑵对奥氏体晶粒长大倾向的影响碳、氮化物形成元素阻碍奥氏体晶粒长大。Mn、P促进长大。第一节合金元素在钢中的作用2、对过冷奥氏体转变的影响⑴对C曲线和淬透性的影响：除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素均使C曲线右移，淬透性提高。常用提高淬透性的元素为Mn、Si、Cr、Ni、B。⑵对Ms、Mf点的影响：除Co、Al外，所有元素都使Ms、Mf点下降。合金元素对钢淬透性的影响第一节合金元素在钢中的作用3、对回火转变的影响⑴提高回火稳定性回火稳定性：淬火钢在回火过程中组织分解和转变快慢的程度。合金元素能阻碍马氏体分解及碳化物的析出与聚集。当回火硬度相同时，合金钢比同含碳量碳钢回火温度高。如果同温度回火，合金钢硬度比碳钢高。Mo含量对0.35%含碳量的碳素钢回火硬度的影响第一节合金元素在钢中的作用⑵产生二次硬化含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时，由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A’转变为M回，使硬度不仅不下降，反而升高的现象称二次硬化。高速钢第一节合金元素在钢中的作用⑶防止第二类回火脆性第一类回火脆性：淬火钢在300℃左右回火时会产生回火脆性。第二类回火脆性：合金钢淬火后400~550℃或更高温度回火后缓冷产生的脆性。加W、Mo可防止第二类回火脆性。第二节低合金钢和合金钢的分类与编号钢按化学成分分为非合金钢、低合金钢、合金钢三大类按用途分：结构钢、工具钢、不锈钢、耐热钢按合金元素分：铬钢、锰钢、铬镍钢、硅锰钢等按正火后组织分：珠光体钢、马氏体钢、奥氏体钢等低合金钢普通质量低合金钢优质低合金钢特殊质量低合金钢合金钢优质合金钢特殊质量合金钢按质量分第二节低合金钢和合金钢的分类与编号1、合金结构钢比碳素钢有更好的力学性能，特别是热处理性能优良，因此便于制造尺寸较大、形状复杂或要求淬火变形小的零件。牌号：数字+元素符号+数字合金元素的平均含量的百分数，小于1.5％时，不标数字钢的平均含碳量的万分数例：12CrNi3：0.12%C、Cr＜1.5%、3%Ni40Cr、60Si2Mn第二节低合金钢和合金钢的分类与编号2、合金工具钢主要用来制造刃具，模具，和量具。牌号：数字+元素符号+数字合金元素的平均含量的百分数，小于1.5％时，不标数字。用一位数字表示平均含碳量的千分数，超过1.0％时不标。例9Cr2：0.9％C、2%CrCrWMn：C≥1.0％，Cr、W、Mn＜1.5%第二节低合金钢和合金钢的分类与编号3、特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢等常用的不锈钢牌号是2Cr13、1Cr18Ni9、0Cr18Ni11Ti牌号：起首数字表示含碳量的千分之几，“0”表示C＜0.10%，“00”表示C≤0.03%；合金元素后数字表示百分含量。例9Cr18：0.9%C、18%Cr0Cr17Mn13Mo2V：C＜0.1%、17%Cr、13%Mn、2%Mo、V＜1.5%G滚动轴承钢、H焊条钢、Y易切削钢、C磁钢、GH高温合金第三节低合金钢一、低合金高强度结构钢1、性能特点高强度及足够韧性良好的焊接性能良好的耐蚀性及低的韧脆转变温度2、成分特点⑴低碳：≤0.2%C（韧性、焊接性、冷成形性的要求）⑵合金元素：主要是Mn、Si，还有少量V、Ti、Nb等第三节低合金钢3、热处理：大多数热轧空冷后使用4、使用状态下组织：F+P低合金高强钢合金元素细化晶粒作用①Mn、Si的作用是固溶强化铁素体②V、Ti、Nb等起细化晶粒和弥散强化作用③另外加Cu、P可提高耐蚀性；加RE可提高韧性、疲劳极限，降低冷脆转变温度。第三节低合金钢5、用途：Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的压力容器。Q460钢含Mo、B，正火组织为贝氏体，强度高,用于石化中温高压容器.南京长江大桥第三节低合金钢二、易切削结构钢含S、P、Mn等合金元素，或加入微量Pb、Ca的钢能显著改善切削加工性能，称为易切钢。主要用于成批大量生产的螺栓、螺母、螺钉等标准件牌号：Y+数字+（合金元素）主要加入的合金元素数字表示平均含碳量的万分数常用的牌号：Y12、Y12Pb、Y15、Y40Mn等第三节低合金钢三、低合金耐候钢含少量的Cu、Cr、P、Mo、Ti、Nb、V等，使钢表面产生致密的氧化膜，具有良好的耐大气腐蚀的能力。可用于农业机械、运输机械、起重机械、塔架等常用牌号：09CuP、09CuPCrNi第四节合金结构钢一、合金渗碳钢制造渗碳零件的钢种1、性能特点⑴表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧。⑵良好的热处理性能，如淬透性和渗碳能力。渗碳件—传动齿轮第四节合金结构钢2、成分特点⑴低碳：0.1~0.25%C（保证低温回火后有足够的韧性）⑵合金元素作用提高淬透性：Cr、Mn、Ni、B细化晶粒：W、Mo、Ti、V（减小钢的过热敏感性）渗碳件高精密独立导柱第四节合金结构钢3、热处理特点渗碳件的加工工艺路线为：下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火+低温回火①正火目的为调整硬度，便于切削加工。①②②直接淬火一次淬火二次淬火（先高温后低温）第四节合金结构钢4、使用状态下组织表层：M回+颗粒状碳化物+A’(少量)含碳量：0.8~1.05%硬度：58~62HRC心部：M回（淬透）硬度：40~48HRCT+少量M回+少量F（多数）硬度：25~40HRC渗碳淬火后的表层组织第四节合金结构钢5、常用钢号及用途低淬透性合金渗碳钢：20Cr、15Mn2、20MnV柴油机凸轮轴活塞销(20Cr)用于受力较小、截面尺寸不大的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。第四节合金结构钢中淬透性钢：20CrMnTi。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。高淬透性钢：18Cr2Ni4WA。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。增压柴油机曲轴汽车变速箱齿轮第四节合金结构钢调质件(螺杆)调质后使用的钢种。1、性能特点⑴良好的综合力学性能.⑵良好的淬透性。二、合金调质钢第四节合金结构钢2、成分特点⑴中碳：0.3~0.5%C（含C量低，调质后强度硬度不足；含C量高，塑性韧性降低）⑵合金元素作用：提高淬透性：Mn、Si、Cr、Ni、B细化A晶粒：Ti、V提高回火稳定性：Si、W、Mo、V、Cr防止第二类回火脆性：W、Mo第四节合金结构钢3、热处理及组织特点调质件的加工工艺路线为：下料→锻造→退火→粗加工→调质→精加工→装配调质目的：获得良好综合力学性能使用状态下的组织为：S回调质处理车间回火索氏体第四节合金结构钢柴油机凸轮轴4、常用钢号及用途低淬透性钢：Dc油30~40mm，常用40Cr,用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等。中淬透性钢：Dc油≈40~60mm，常用40CrNi，用于制造大中型零件。第四节合金结构钢高淬透性钢：Dc油60mm,常用40CrNiMo,用于制造大截面重载荷零件，如曲轴等。合金结构钢曲轴单缸汽车曲轴第四节合金结构钢制造弹簧或类似性能零件的钢种。1、性能要求弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件。⑴高的σs、σs/σb；高的σ-1；足够的韧性⑵高的淬透性三、合金弹簧钢第四节合金结构钢2、成分特点⑴中高碳：碳素弹簧钢为0.6~0.9%C合金弹簧钢为0.45~0.7%C⑵合金元素作用：提高淬透性、强化铁素体、提高回火稳定性：Mn、Si、Cr提高s/b：Si细化晶粒：V、Nb汽车弹簧弹簧丝第四节合金结构钢3、热处理及组织特点⑴冷成型弹簧：用于φ8mm弹簧冷拔→冷成型→定型处理(200~300℃去应力退火)⑵热成型弹簧：用于大截面弹簧(φ≥8mm)热成型→淬火+中温回火使用状态下的组织：T回汽车板簧淬火线冷卷螺旋压缩弹簧第四节合金结构钢5、常用钢号及用途Si、Mn弹簧钢，如60Si2Mn，用于制造较大截面弹簧。Cr、V弹簧钢，如50CrV，用于大截面、大载荷、耐热的弹簧。大型热卷弹簧汽车板簧第四节合金结构钢四、高碳铬轴承钢用于制造轴承套和滚动体的专用钢种。1、性能要求圆柱滚子轴承自动调心球轴承轴承工作时，承受接触应力(达3000~3500MPa)、周期性交变载荷(频率达数万次/分)和摩擦。⑴高而均匀的硬度和耐磨性⑵高的b和接触疲劳强度⑶足够的韧性、淬透性和耐蚀性第四节合金结构钢2、成分特点⑴高碳：0.95~1.10%C⑵合金元素：以Cr为主，加入Mn、Si。Cr、Mn、Si的主要作用是提高淬透性推力球轴承滚针轴承Cr还提高耐磨性（形成合金渗碳体）和耐蚀性。当1.65%Cr时，会因A’增加而使硬度和稳定性下降。第四节合金结构钢3、热处理和组织特点滚动轴承钢是过共析钢⑴热处理：球化退火+淬火+低温回火⑵组织：M回+颗粒状碳化物+A’(少量)淬火后进行冷处理(-60~-80℃)，可以减少A’，稳定尺寸.轴承生产车间第四节合金结构钢滚针轴承滚柱轴承滚珠轴承大型轴承4、常用钢号及用途应用最广的是GCr15，大量用于中小型轴承；大型轴承用GCr15SiMn。这类钢还可用于制造模具、量具等.第四节合金结构钢五、高锰耐磨钢是指在冲击载荷作用下发生冲击硬化的高锰钢。只有ZGMn13一个钢号1、成分特点⑴高碳：1.0~1.3%C以保持高耐磨性。⑵高锰：11~14%Mn，以保证形成奥氏体组织.高锰钢Mn对奥氏体相区的影响SE第四节合金结构钢2、热处理及组织铸态组织为奥氏体+碳化物，性能硬而