2合金钢全部课件

2020/2/131AlloySteel主讲人：李安铭材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu2材料科学与工程学院1、合金钢中加入什么元素？起什么作用？怎样起作用？即合金化原理，这是本章的难点。2、常用合金钢的性能、用途及热处理特点。这是本章的重点。本章的内容：2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu3概述第一节Summary2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu4合金钢：为了改善钢的力学性能、工艺性能或理化性能，有意往钢中加入一些合金元素，这种钢称为合金钢。分类：合金结构钢→改善力学性能合金工具钢→特殊的力学性能特殊性能钢→特殊的理化性能材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu5一、碳钢的优点和不足1、价格低、容易冶炼2、加工工艺性好碳钢3-4千元/吨，一般合金钢5-6千元/吨例如：锻、焊、切削加工性3、改善性能（C%、热处理）例如：绑扎的铁丝、錾子优点材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu6不足：1.淬透性差例如：Φ30mm拉杆，调质状态使用。选45钢，心部不能得到S回，要选用40Cr钢。汽车、拖拉机发动机的连杆螺栓几种钢的淬透性比较Φ66Φ8740CrNiMoΦ20Φ3240CrΦ8Φ1845Do油(mm)Do水(mm)钢号材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu7钢种σb(MPa)σs(MPa)ψ(%)ak(J/mm2)30500300500.830CrNiMoV15001350500.9屈强比：σs/σb碳钢0.5-0.6合金钢0.8-0.9强度级别低，限制了碳钢的使用范围，例如：航空、航天等。2.强度级别低、屈强比低材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu8碳钢制作的刀具，刀刃处工作温度＜200℃，高速钢刀具600℃，硬质合金刀具达到1000℃。高速钢的出现，带来高速切削的诞生，给机械加工行业带来了革命性的变化3.回火稳定性差，耐热性差三种钢耐热性比较.碳钢不适宜制作高温工作的零件。材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu94.不能满足特殊性能的要求耐低温碳钢在韧脆转换温度以下变脆耐腐蚀碳钢不能抵御大气、酸碱盐的腐蚀导磁性碳钢的导磁率较低无磁性碳钢在磁场中不可避免会被磁化材料科学与工程学院2020/2/1310长江上的三座桥武汉大桥50年代碳素结构钢强度低主跨128米南京大桥60年代主跨160米16Mn较碳钢节约20％九江大桥80年代主跨216米15MnVN较16Mn节约20％正是碳钢的不足，促进了合金钢的发展合金钢的发展，促进了工业技术的进步材料科学与工程学院2020/2/1311武汉长江大桥材料科学与工程学院2020/2/1312南京长江大桥材料科学与工程学院2020/2/1313九江长江大桥材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu14各个国家都投入大量的人力、物力，用于高性能材料的研究开发，抢占材料研究的制高点。我国的863、973科研计划，材料学科都占据了重要的位置。合金钢用量占钢铁材料的比例，反映了一个国家工业技术的水平。材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu15这些元素与碳作用形成合金碳化物Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱强弱碳化物元素:Fe、Mn;中强碳化物元素:Cr、Mo、W;强碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。Fe的左边：二、钢中的合金元素材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu16Fe的右边：B、N、Al、Si、Ni、Co、Cu另外：Re这些元素与碳的亲和力较弱，一般以固溶体形式存在材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu17一是溶解碳钢原有相中；二是形成新相。存在形式决定于元素与碳的亲和力、数量和性质。1）溶入F(α相）：非碳化物元素和部分弱碳化物元素；例如：Mn、Ni、Co、Si、Al、B产生固溶强化2）溶入Fe3C：部分弱碳化物元素,置换出Fe3C中的Fe；例如：Cr、Mn形成合金渗碳体（Fe.Cr)3C（Fe.Mn)3C1、溶入原有相：三、合金元素对钢基本相的影响材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu18合金元素对铁素体相性能的影响材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu19多是碳化物形成元素，与碳的亲合力比较强，形成合金碳化物。常见有Cr23C6、Fe4W2C、WC、MoC、VC、TiC等;它们具有比渗碳体更高的熔点和更高的硬度。这些元素提高钢的强硬度、耐磨性，降低塑、韧性。2、形成新相：几种化合物的性能化合物NbCTiCZrCVCFe3C熔点℃37703410380530231227硬度(HV)2050285028402010800材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu20非碳化物形成元素溶入F固溶强化弱碳化物形成元素形成合金渗碳体较硬，耐磨，比Fe3C更稳定强碳化物形成元素形成特殊碳化物高熔点，硬，耐磨，最稳定材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu21•扩大奥氏体区•缩小奥氏体区•改变共晶点和共析点的参数作用:使A3线温度下降,A4线温度上升。例如：ZGMn13含Mn≥13%，1Cr18Ni9含Ni≥9%得到单相A组织与γ-Fe形成无限固溶体MnNiCo与γ-Fe形成有限固溶体NCu1、扩大奥氏体区：Mn元素对奥氏体区的影响四、合金元素对铁碳相图的影响材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu22扩大γ相区示意图材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu23Cr、Mo、W、V、Ti、Si等。作用:使A3线温度上升,A4线温度下降。与α-Fe形成无限固溶体Cr、V与α-Fe形成有限固溶体Mo、W、Ti、Al、Si例如：1Cr17含Cr≥17%得到单相F2、缩小奥氏体区：Cr对奥氏体区的影响材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu24缩小γ相区示意图材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu25几乎所有的合金元素。作用:S点和E点的成分向左移。使A1线的温度变化。例如：3Cr2W8V0.3%C出现二次渗碳体W18Cr4V0.7-0.8%C出现共晶莱氏体3、使S.E点左移：元素对S点成分的影响材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu26Cr元素对S、E点的影响Mn元素对S、E点的影响材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu27合金元素对A1线的影响材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu28•对奥氏体形成的影响；•对过冷奥氏体转变的影响；•对回火转变的影响。加速A化过程，提高A的形成速度，CoNi原因：降低了C在A中扩散的激活能，提高了C的扩散系数减慢A化过程，降低A的形成速度，CrMoWTiV原因：降低了C的扩散系数，同时其碳化物溶解困难。1、对A形成的影响：五、合金元素对热处理的影响1）对A形成速度的影响热处理过程？材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu29大多数元素阻止晶粒的长大，特别是强碳化物元素。例如：VTiZrNb原因：C化物粒子稳定，阻止晶粒长大例如：20CrMnTi促进晶粒长大的元素。MnP原因：提高了C的扩散系数。例如：锰钢热处理的过热倾向大。2）对A晶粒长大的影响材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu30除Co之外，大多数合金元素推迟P、B转变。原因：降低了C的扩散速度提高了钢的淬透性常用的合金元素：NiMnCrSiB注意：合金元素必须溶入A2、对过冷A转变的影响：（1）P、B类转变（2）C曲线右移材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu31一是降低淬火的临界冷却速度，提高了钢的淬透性。可采用较小的冷却速度，甚至在空冷就能得到马氏体，避免由于冷却速度过大而引起的变形和开裂.例如：4540Cr另一方面使某些钢采取空冷便得贝氏体组织，具有良好的综合机械性能。例如：28CrMoNiVB重要意义：材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu32除CoAl之外，其余合金元素均使MsMz点下移。结果：增加A残量;例如：W18Cr4V钢，淬火后A残量达25％。消除A残的方法：冷处理；多次回火。（3）对M转变的影响6007005003004002001000-100-2000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.00温度℃Wc100MsMf材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu33VSiMoWNiMnCo同样回火效果，更高的回火温度，提高了韧性;同样的回火温度，硬度较高。原因：减缓碳的扩散和碳化物的长大，推迟马氏体分解。3、对回火转变的影响：（1）提高回火稳定性53473422HRC5.02.00.50.0Mo%Mo%对碳钢回火硬度的影响（淬火硬度HRC57600℃回火）材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu34含W、Mo、V较高的钢，回火温度升高到一定程度后，出现硬度上升，一般在500－600℃中出现硬度的高峰值，这种现象称为“二次硬化”。原因：①残余奥氏体发生马氏体转变;②弥散析出碳化物。例如：W18Cr4V钢淬火后25％A残，硬度60-63HRC，回火后63-65HRC。（2）二次硬化材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu35回火脆性：钢回火时，在一定的温度范围内，韧性降低，表现出明显的脆化现象。第一类回火脆性：（低温回火脆性）碳钢和合金钢回火都出现，不可逆。第二类回火脆性：（高温回火脆性）出现于Ni、Cr合金钢中（3）回火脆性材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu36防止回火脆性的方法:在500～600℃快速冷却;加入合金元素W、Mo。避开在该温度回火;材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu37合金钢的分类：1、合金结构钢2、合金工具钢3、特殊性能钢材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu38合金结构钢第二节AlloyStructuralSteel材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu39合金结构钢(AlloyConstructionalSteel)•普通低合金钢•合金渗碳钢•合金调质钢•弹簧钢•滚动轴承钢•易切削钢材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu40数字+化学元素+数字1、前面(两位）数字表示钢平均含碳量的万分数；2、后面的数字表示合金元素含量。合金元素含量小于1.5%时，不标含量；等于或大于1.5%、2.5%……时，以2、3表示。4、特殊标注：滚珠轴承钢，注明“G”，铬含量千分数为单位；易切削钢，钢号前加“Y”3、S、P量较低的高级优质钢，加A结构钢编号原则材料科学与工程学院2020/2/13AnmingLi,DeptofMSE,hpu41一.普通低合金钢(commonlow–alloyedsteel)又称“低合金高强度钢”用途：工程结构件，如