4第四章钢的合金化对组织和性能的影响

第四章钢的合金化对组织和性能的影响知识要点合金元素对钢的组织和性能、热处理和加工的影响;碳素钢和合金钢的分类和牌号命名方法;常用的合金结构钢、合金工具钢(以高速钢/模具钢为例）、特殊性能钢（不锈钢）§4-1合金元素在钢中的存在形式和作用合金元素添加后主要与铁和碳发生反应1、合金元素与碳的作用-----合金碳化物按照合金元素形成碳化物的能力由大到小排列为：Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。其中:强碳化物形成元素Ti、Zr、Nb、V都形成特殊碳化物，其碳化物不同于一般渗碳体。中等碳化物形成元素W、Mo、Cr含量较低时与铁形成合金渗碳体，含量较高时可形成新的合金碳化物。弱碳化物形成元素Mn、Fe少部分溶于渗碳体中、大部分溶于铁素体或奥氏体。渗碳体、合金渗碳体、合金碳化物、特殊碳化物，稳定性和硬度依次增高→2、合金元素与铁的作用-----合金固溶体几乎所有合金元素都可以与铁作用形成合金铁素体或者合金奥氏体。除了C、N、B与铁形成间隙固溶体外，其它合金元素均与铁形成置换固溶体。合金元素都可以在不同程度上提高固溶体的强度和硬度，并降低冲击韧性，其中Si和Mn对铁素体固溶强化效果最为显著，镍还可以减少钢的冷脆性并增加塑性和韧性。§4-2合金元素对钢热处理的影响1、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响A、改变γ相区扩大γ相区的元素Mn、Ni、Co、C、N、Cu添加后，使A1点下降缩小γ相区的元素Cr、Mo、V、W、Ti、Si、Al、B、Nb添加后，使A1点上升B、S和E点移动：移向含碳量较小的方向（左移←）2、合金元素对加热和冷却转变的影响A、对加热转变的影响碳化物形成元素，阻滞碳的扩散，大大减缓奥氏体的形成，并且阻止晶粒长大。非碳化物形成元素可以加快奥氏体的形成，对阻止晶粒长大的作用不大。个别元素：Mn、P以及B有促进奥氏体晶粒长大的倾向。B、对冷却转变的影响•几乎所有合金元素（Co除外）都不同程度地延缓其转变，增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移，提高了钢的淬透性。利？弊？•除Co、Si和Al之外，大多数合金元素会降低Ms和Mf点，使钢中残余奥氏体量增加，从而降低了钢的硬度和抗疲劳性、耐磨性。利？弊？3、合金元素对回火转变的影响•A、提高回火稳定性推迟了马氏体分解和残余奥氏体的转变；提高了铁素体的再结晶温度；•B、高温回火脆性250～350℃出现低温回火脆性，又称为不可逆回火脆性。450～650℃出现高温回火脆性。这是可逆的回火脆性。回火快速冷却可防止、加入W或Mo可以消除§4-3合金元素对对钢加工性能的影响•热处理、耐蚀性能：合金钢的淬透性提高，回火稳定性增加，减少变形及开裂倾向，使热处理操作容易。有利•其它性能：都不利•铸造、焊接、锻造、冷加工、切削§4-4钢中杂质对性能的影响Mn、Si、S、P杂质：锰与硫的结合力较强，生成的MnS夹杂硅与氧的结合力较强，生成的SiO2夹杂硫的夹杂物使钢产生热脆（热轧、焊接），导致开裂磷使钢材脆性增加，称为冷脆。产生偏析影响焊接性能§4-5钢的分类简介一、碳钢的分类和牌号1.碳钢的分类碳钢分类见表4－2。具体钢种的性能和用途在第七章中详细介绍。表4－2碳钢的分类2、碳钢牌号和命名：普通碳素结构钢：Q235－A·F优质碳素结构钢：20钢、45钢碳素工具钢：T9、T10A1、合金钢的分类合金钢的分类见图4－3。具体钢种的性能和用途在第七章中介绍二、合金钢的分类表4－3合金钢的分类2合金钢的牌号（1）合金结构钢的牌号：数字+合金元素符号+数字45Mn240Cr平均碳的质量的万分数合金元素平均质量的万分数几个特殊情况：轴承钢，低合金高强度结构钢,高级优质钢(2)合金工具钢和特殊性能钢的牌号：数字+合金元素符号+数字含碳量的千分数合金元素平均质量的千分数说明：Wc1%时，不标数字；高速钢例外。合金结构钢的分类：低合金高强度钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、轴承钢、超高强度钢一低合金高强度结构钢1应用：在大气和海洋中工作的的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆、船舶、输油输气管道、压力容器等。2性能：好的塑性韧性及焊接性能，强度高，可抵抗大气腐蚀。3成分：低碳、含Mn、Ti、V、Nb、RE元素。4牌号：Q+数字（Q345，Q390，Q420，Q460）屈服强度二、合金渗碳钢：低碳钢基础上加合金元素1应用：汽车、重型机床齿轮、活塞销，内燃机的凸轮轴等2性能：“表硬心韧”3成分：Wc：0.12—0.25%，常加元素Cr,Ni,Mn,B，微量元素V,Ti,W,Mo4分类和牌号分类：低淬透性合金渗碳钢20Mn220Mn中淬透性合金渗碳钢20CrMnTi20CrMn20MnTiB高淬透性合金渗碳钢18Cr2Ni4WA常用牌号：20CrMnTi20CrMn20MnTiB等5最终热处理：渗碳+淬火+低温回火6组织：表面高碳回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体，心部：铁素体+低碳回火马氏体三合金调质钢：(需要经过调质处理使用的中碳合金钢。)1应用：精密机床主轴、火车发动机曲轴、连杆螺栓、汽车后桥半轴等。2性能要求：良好的综合性能（即高强度、好的塑性韧性）3成分：中碳（Wc：0.25—0.50%，多数0.4%）,合金元素：Mn,Cr,Si,Ni,B,Mo,W等。4分类和牌号低淬透性合金调质钢40Cr40MnB中淬透性合金调质钢35CrMo38CrSi高淬透性合金调质钢38CrMoAlA40CrNiMoA常用牌号：40Cr40MnB35CrMo5热处理：调质处理四合金弹簧钢1应用：用于制造汽车、拖拉机和火车的板弹簧或螺旋弹簧、其它各种螺旋弹簧。2性能：具有高的弹性极限以及屈服强度，还具有高的疲劳强度和足够的塑性韧性。3成分：Wc0.45—0.70%，多数0.6%，合金元素及作用：Si,Mn,Cr,V，Nb,Mo,W。4常用牌号：60Si2Mn，65Mn,50CrVA5最终热处理：淬火+中温回火五轴承钢（用于制造滚动轴承）两大类：高碳铬轴承钢GCr15、GCr15SiMn高碳无铬轴承钢GMnMoVREGSiMnMoV合金工具钢知识点以高速钢为例，了解工具钢成分特点，合金元素的作用、热处理过程等。一工具钢的服役条件及性能要求（以车刀为例）1服役条件（1）刀刃与工件之间发生剧烈的摩擦，造成严重的磨损（2）刀刃部分温度高（高速切削时，温度达600度）（3）冲击与振动（进刀）2失效形式：磨损，刀刃崩缺，刀具折断3性能要求：高硬度；红硬性；一定强度、塑性、韧性二典型的工具钢成分及热处理（以高速钢为例）W18Cr4V1成分高碳：0.7—0.8%，保证高硬度，并与W,V等形成碳化物或者是合金碳化物高的Ｗ含量：—18%；使钢保持红硬性，提高回火抗力，提高淬透性。（在500-600度回火时产生细小而弥散分布W2C。）Cr:--4%提高淬透性和回火抗力，增加抗氧化、抗脱碳、抗腐蚀能力。V：--1%提高硬度和红硬性，细化晶粒（形成细少的高硬度的VC，改善韧性）2工艺路线（用高速钢W18Cr4V制造车刀）下料锻造三镦三拔球化退火机加工淬火回火(三次）成品550-570°C3组织分析M回（细针状）碳化物（粒状）A’（很少量）三其他常用的工具钢1冷作模具钢:实际温度不超过200-3000C工作条件及要求：负荷重、模具形状复杂，要求模具材料变形小、耐磨性高、有一定的韧性。材料中含Cr较高，常用的有：Cr12MoV（传统）、7Cr7Mo3VSi(新钢种）。2热作模具：型腔表面温度可达6000C。常用的材料是5CrNiMo5CrMnMo（传统）、35Cr3Mo3W2V(新钢种）等。特殊性能钢（见§7-3的六、耐蚀高合金钢）•不锈钢中合金元素的作用（耐腐蚀的原理）•常用的不锈钢类型及其应用一不锈钢中合金元素的作用（Cr,Ni,Si,AL,Mo,Ti,Nb等。）（1）提高铁素体的电极电位，Cr，-0.56V→0.12V(2)使钢呈单相组织。F(WCr17%)A(WNi9%)(3)形成致密氧化膜，如Cr,Si,AL；（4）形成稳定碳化物，防止晶间腐蚀。金属间化合物Ni3Al,Ni3(Ti,Nb)。防止晶间腐蚀，提高强度，Ti,Nb等。二常用不锈钢1马氏体型不锈钢成分：Wc：0.1—1.0%，WCr:12—18%特点：淬透性好，空冷可到马氏体.牌号：1Cr13,2Cr13，3Cr13,4Cr13,↓↓↓亚共析钢共析钢过共析钢热处理及应用：1Cr13,2Cr13；调质处理，组织为S回。应用：汽轮机叶片（1Cr13,2Cr13称为叶片钢），蒸汽机管附件。3Cr13,4Cr13淬火+低温回火，组织为M回应用：医疗器件，不锈钢刃具。2奥氏体型不锈钢（用量最多，占65—70%；）典型成分：Wc:0.12%WCr:18%；WNi:8%；(称为18-8不锈钢，目前为19-9）如1Cr18Ni9、0Cr18Ni9、00Cr19Ni10等也可添加适量的钼、钛、铌、铜等元素：0Cr17Ni12Mo2，0Cr18Ni10Ti，0Cr17Ni13Mo3Cu2组织：单相A固溶处理：加热至A体区快冷（水冷）。性能：高塑性、高的低温韧性、高的加工硬化能力、焊接性能好、无磁性及高的耐腐蚀性。应用：化工行业居多，酸（硝酸、有机酸）、碱、盐工业中的机械零件。3铁素体型不锈钢•室温下具有铁素体组织的铬不锈钢，其代表性的钢种是0Cr13、1Cr17及含铬为25~30%的钢。•把碳＋氮降至≤0.025%，得到许多性能优异的钢种，如超纯级的000Cr18Mo2、000Cr25Mo1、000Cr28Mo2、000Cr30Mo2及000Cr28Ni4Mo2等。•作业：P543，4