合金钢

1第6章工业用钢教学基本内容：1、钢的分类与编号；2、钢的合金化。3、碳钢与合金钢的成分、性能特点、热处理工艺与应用。4、特殊用钢。教学目的、要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：1、掌握钢的分类与编号、成分、性能特点、热处理工艺与应用；2、熟悉合金元素对钢的基本相、显微组织和热处理性能的影响；3、了解特殊用钢的性能特点与应用情况。教学重点及难点：1、重点：1）合金元素对钢的基本相、显微组织和热处理性能的影响；2）碳钢与合金钢的成分、性能特点、热处理工艺与应用。2、难点：1）钢的合金化的机制；2）碳钢与合金钢的合理选择与热处理工艺的制定。教学方法及手段：1、PPT讲解；2、课堂讨论。作业、讨论题、思考题：1、总结合金元素对钢的基本相、显微组织和热处理性能的影响？2、分析与讨论典型零件材料的选择、热处理工艺及使用组织与性能？2第六章工业用钢第一节钢的分类一、按化学成分分二、按质量分三、按用途分按合金元素含量分低碳钢（C≤0.25%）中碳钢（C=0.30-0.60%）高碳钢（C0.60%）按合金元素种类分合金钢碳素钢锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、硅锰钢低合金钢（合金元素含量小于5%）中合金钢（合金元素含量小5%~10%）高合金钢（合金元素含量大于10%）普通钢（S0.05%、P≤0.045%）优质钢（S≤0.030%、P≤0.035%）高级优质钢（S≤0.020%、P≤0.030%）特级优质钢（S≤0.015%、P≤0.025%）建筑工程用钢桥梁工程用钢船舶工程用钢车辆工程用钢调质钢渗碳钢弹簧钢轴承钢刃具钢模具钢量具钢不锈钢耐热钢耐磨钢工程用钢机器用钢工具钢特殊钢结构钢3第二节碳钢一、碳素结构钢（工程构件用钢）1．质量：普通S≤0.035%-0.050%，P≤0.035%-0.045%；2．含碳量：中、低，C=0.06%-0.38%；3．牌号：质量等级符号Q235–A（B、C、D）F（Z、b、TZ）脱氧程度屈服强度，单MPa“屈”4．热处理：热轧、正火5．性能：强度不高，塑性较好，锻造和焊接等加工性能良好，价格便宜；6．应用：一般工程构件和机器结构件不重要零件，如焊接件、铆接件，螺栓等。二、优质碳素结构钢（机器零件用钢）1．质量：优质S≤0.035%，P≤0.035%；2．含碳量：低、中、高，C=0.08%-0.85%；3．牌号：两位有效数+（Mn）当Mn=0.7%-1.3%标出含碳量的万分数例：4545Mn44．牌号、性能、热处理和应用牌号性能热处理应用0810152025塑性、韧性和焊接性好；强度和硬度低正火渗碳、淬火+低回冲压和焊接件、连接件、渗碳件303540455560综合力学性能好正火、调质、表面淬火轴、齿轮、连杆等6570758085塑性、韧性和焊接性较差；强度和硬度高淬火+中温回火弹簧、钢带、一般模具三、碳素工具钢1．质量：优质S、P≤0.035%，P≤0.035%；高级S≤0.02%，P≤0.03%；2．含碳量：高，C=0.7%-1.3%；3．牌号：例：T12AT+数字+A高级含碳量的千分数“碳”4、碳素工具钢的性能：硬度高、塑性和韧性低、淬透性与红硬性差。淬火+低温回火后硬度为58-62HRC。5、碳素工具钢的应用：多用于制造低速刃具、手用工具和量具。牌号性能应用T7A、T8A、T9A含碳较低、韧性较好能受震动和冲击：錾子、锤子、冲子T10A韧性中等不受强烈冲击的手锯条、车刀、丝锥T11A、T12A、T13A含碳高、硬度高、韧性差不受冲击的刮刀、锉刀、剃刀5四、碳素铸钢1、质量：优质，P、S≤0.04%。2、含碳量：中、低，C=0.2%~0.6%。3、牌号：ZG+屈服强度-抗拉强度值，例ZG200-400；4、性能：力学性能优于铸铁、铸造性能较差；5、应用：形状复杂，同时要求力学性能好的铸造零件。五、碳钢的不足①淬透性低；②回火抗力差；③不具备特殊的物理化学性能；④屈强比低：碳钢屈强比的数值大约为0.6，而合金钢屈强比的数值一般为0.85～0.9。因此，为了满足使用要求，在很多情况下必须先用合金钢。6第三节合金钢一、钢的合金化1．合金元素对钢中基本相的影响1）形成合金铁素体与碳亲合力很弱的合金元素，在钢中不和碳化合，而是溶入铁素体内形成合金铁素体，对基体起固溶强化作用，见下图和表。2）形成合金渗碳体与碳亲合力较强的合金元素，一般能够置换渗碳体中的铁原子而形成合金渗碳体。它较渗碳体为稳定，硬度也较高，是一般低合金钢中存在的主要碳化物。3）形成特殊碳化物与碳亲合力很强的碳化物形成元素，倾向于形成特殊碳化物。它比合金渗碳体具有更高的溶点、硬度与耐磨性，而且更稳定。72．合金元素对Fe-Fe3C相图的影响1）绝大多数合金元素的加入使S点和E点左移（1）致使含碳量小于0.77%的钢成为过共析钢。例1、餐具厂用4Cr13钢制作餐刀是由于大量Cr的加入使S点左移，虽然它的平均含碳量为0.4%，但已是过共析钢了。（2）绝大多数合金元素的加入使E点左移，致使含碳量小于2.11%的钢中出现莱氏体（称这类钢为莱氏体钢）。例2、如高速钢W18Cr4V中的平均含碳量为0.7%～0.8%，但它属于莱氏体钢。2）扩大或缩小区的合金元素：当加入量达一定值时，可能使室温下的组织成为单相奥氏体或单相铁素体。例3、Ni27%→奥氏体钢；9%Ni+18%Cr→奥氏体钢。例4、Cr17%→铁素体钢。3）影响钢的热处理温度A1、A3、Acm：偏高。3．合金元素对钢热处理的影响1）细化晶粒除了镍和钴以外，大多数合金元素均减缓奥氏体的形成过程。除了锰和硼以外，大多数合金元素有阻碍奥氏体晶体晶粒长大的作用。2）增加钢的淬透性，同时增加残余奥氏体量除了Co以外，其它合金元素均使C曲线右移，增加钢的淬透性。除了Co的Al以外，其它合金元素均使Ms点、Mz点下移，使钢在淬火后残8余奥氏体量增多。淬透性对钢的性能的影响举例：45钢（φ20-40mm）调质和正火后机械性能的比较工艺机械性能组织σb/MPaδ/%α/kJ/m2HB正火700—80012—20500—800163—220索氏体+铁素体调质750—85020—25800—1200210—250回火索氏体3）对钢回火转变的影响1）增大回火抗力（回火稳定性）在保持相同硬度的条件下，合金钢的回火温度比碳钢高些，从而使内应力消除得充分一些，韧性也就更高一些。92）产生二次硬化现象（1）二次硬化：（2）机理：造成二次硬化的主要原因是钢中加入强碳化物形成元素以后，在500～600℃回火时，从马氏体中析出与母相保持共格关系的高度弥散的特殊碳化物（如Mo2C，W2C，VC等）使硬度反而上升。3）出现第II类回火脆性（1）第II类回火脆性：镍铬钢在450～650℃回火后缓慢冷却会出现冲击韧度剧烈下降。10（2）产生的原因：镍、铬造成杂质在晶界偏析。（3）防止措施：①在此温度范围内回火后快冷，用于小零件；②在钢中加响应W1%或Mo0.5%，用于大零件。总结1、合金元素的主要作用；2、合金钢优点:①透性好，可油淬，变形小；②红硬性高；③屈强出的数值一为0．85－0.9;④可节省20－30％材料，可制作大尺寸、复杂、高强零件。11二、合金结构钢（一）低合金高强度结构钢（工程建筑用钢）1、性能要求（1）具有良好的综合力学性能：MPax650350，%23%16，2/7060cmJax。（2）良好的工艺性能：易于冷热加工成形，且具有优良的焊接性。（3）较好的抗蚀性。（4）较低的临界脆性化温度一般为-30℃左右。2、成分特点（1）含碳量较低，多数为0.1%-0.2%；（2）锰为主加元素用来强化铁素体；（3）加元素V、Ti等起细铁素体晶粒作用；（4）加P、Cu等提高耐腐蚀性能。3、牌号、成分、性能与用途Q345C质量等级符号——旧牌号“16Mn”屈服强度，单位MPa“屈”钢号Q235（A3）15MnQ345（16Mn）C%0.12-0.20.12-0.190.12-0.2Mn%0.35-0.60.7-1.001.2-1.6屈服强度MPa235225345抗拉强度MPa375-460375410-510δ（%）262622屈强比0.560.60.75124、供货状态热轧；热处理：正火；显微组织：铁素体—珠光体组织。5、应用锅炉、压力容器、船舶、桥梁等工程构件，占总钢量的15.4%左右。（二）调质钢1、工作条件较大的弯矩，传递扭矩；且受力是交变的；在启动工作或刹车时有较大冲击；有些轴类零件与轴承配合时还会有摩擦磨损；总之，受力复杂。2、其性能要求有良好的综合机械性能，即高强韧性的统一。3、成分特点1）中碳；2）Cr、Mn提高淬透性；3）Mo抑制第二类回火脆；4）Ti细化晶粒。4、主要钢种：45、40Cr、35CrMo5、加工工艺路线下料→锻造→预备热处理→粗加工→调质（淬火+高温回火）→（局部感应淬火+低温回火）→磨削精加工→装配。局部硬化：采用表面感应淬火及自回火，得到表面组织为回火马氏体，使耐磨性提高；6、应用：机床主轴、汽车半轴、曲轴、连杆和高强螺拴等零件。13钢号45钢40Cr钢35CrMo钢名称碳素调质钢合金调质钢合金调质钢成分0.45%C0.40%C、Cr1.5%0.35%CMo、Cr1.5%淬火特点水淬、变形大油淬、变形小油淬、变形小组织S回或F+SS回或F+SS回性能25-35HRC或10-20HRC25-35HRC或15-20HRC25-35HRC应用受力不大、简单形状、φ20mm小零件受力不大、形状较复杂、φ40mm中小型零件受较大载荷、形状复杂、φ80mm大中型零件（三）渗碳钢1、工作条件拉伸、曲、转等变形破；表面磨损及接触疲劳破坏；受强烈冲击。2、性能要求：“外硬里韧”或“外硬里强韧”。3．成分特点：1）低碳；2）Cr、Mn提高淬渗性；3）Ti细化晶粒。4.主要钢种：20、20Cr、20CrMnTi。5．加工工艺路线下料→锻造→正火→机械加工→渗碳（930℃）→（直接或一次或二次）淬火（830℃）→低温回火（200℃）→磨削精加工→装配。6、应用：齿轮等耐磨零件。钢号20钢20Cr钢20CrMnTi钢名称碳素渗碳钢合金渗碳钢合金渗碳钢成分0.2%C0.2%CCr1.5%0.2C、Mn、Cr、Ti1.5%淬火特点一次水淬变形大一次油淬变形小直接油淬变形小组织表面：M回+渗碳体颗粒+Ar；心部：低碳M回+F，未淬透时则为F+S。表面：M回+合金碳化物颗粒+Ar；心部：低碳M回+F，未淬透时则为F+S。表面：M回+合金碳化物颗粒+Ar；心部：低碳M回+F或低碳M回性能表面：58-62HRC；心部：40-48HRC或10-20HRC表面：60-65HRC；心部：45-50HRC或15-25HRC表面：60-65HRC；心部：45-50HRC应用受力不大、简单形状、φ10mm耐磨件受力不大、形状较复杂、φ20mm耐磨件受较大载荷、形状复杂、φ40mm中型耐磨件14（四）弹簧钢1、性能要求：1）作用：减振储性；2）失效形式：疲劳断裂和失去弹性。3）性能要求：（1）高的σS、σ-1和σs/σb；（2）一定的σ、αk；（3）淬透性好；（4）好的环境稳定性。2、成分特点1）含碳量中、高；2）加Si、Mn提高淬透性，强化铁素体F。3、常用弹簧钢钢种：65Mn、60Si2Mn。4、加工工艺1）冷成形弹簧：对小型弹簧，一般在热处理强化后冷拔或冷卷成形，其强度极限可达1600MPa以上，且表面质量好。2）热成形弹簧：对于中大型弹簧加热至奥氏体区进行热卷成型，经淬火+中温回火+喷丸处理，得到回火屈氏体组织，保证了高的弹性极限和足够韧性。（五）滚动轴承钢1、工作条件受载面积很小，有很高的集中交变载荷；接触部位滚动和滑动摩擦。152、性能要求（1）高的表面硬度61-65HRC，提高耐磨性；（2）高的弹性极限和接触疲劳强度；（3）足够的霞性和淬透性；（4）良好尺寸稳定性；（5）一定的耐蚀性。3、成分特点1）高碳低铬：0.95-1.15%C、Cr1.6%，形成铬碳化物；2）Cr、Mn、Si等提高淬