工程材料08第八章 合金钢

第八章合金钢第八章合金钢8.1合金钢基本知识8.2合金结构钢8.3合金工具钢8.4不锈钢8.5高温合金第八章合金钢机械性能、工艺性能或物理、化学性能←→合金元素的关系定义：为了提高和改善钢的性能，往钢中加入一定量的一种或一种以上的金属或非金属元素。被加入的元素称为合金元素；含有意加入元素的钢称为合金钢。一．合金元素的类型及存在形式1.非碳化物形成元素Ni、Si、Al、Co、Cu不能与碳形成化合物，称为非碳化物形成元素。只能溶于铁素体形成合金铁素体，以α-Fe(Ni或Si或Al)等表示。2．与碳作用形成合金碳化物Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ta、Zr、Ti弱与碳亲和力程度强第八章合金钢8.1合金钢基本知识二．合金元素在钢中的作用1．合金元素能强化钢中的基本相①固溶强化：形成合金铁素体，钢强度、硬度升高，韧性降低。②弥散强化形成合金渗碳体或特殊碳化物，并以细小质点分布在固溶体的基体上，则起到弥散强化作用，显著提高钢的强度、硬度、耐磨性和热硬性。第八章合金钢8.1合金钢基本知识第八章合金钢8.1合金钢基本知识固溶强化机理：固溶强化机理即溶质原子与位错的相互作用，有四种主要类型。（1）溶质原子与位错的弹性相互作用：溶质原子对位错的钉扎形成气团；由于溶质原子的溶入而导致合金弹性模量的变化；因为溶质原子与溶剂原子尺寸差异而引起的弹性应力场阻碍了位错运动。（2）溶质原子与位错的化学相互作用：铃木钉扎。（3）溶质原子与位错的电学相互作用（4）几何相互作用。沉淀强化机理：（1）切过第二相的强化机理：当第二相质点细小的情况下，位错直接切过与基体仍然存在着共格关系的第二相质点（2）绕过第二相的强化机理：当第二相质点长大到位错难以借助切过的方式通过的时候，位错只能用绕过的方式前进，位错借助于绕过的方式通过第二相。弥散强化机理：弥散强化的实质是利用弥散的超细微粒阻碍位错的运动，从而提高材料在高温下的力学性能。如用粉末冶金方法制得的弥散强化合金。加工硬化机理：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。又称冷作硬化。产生原因是，金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等。加工硬化的程度通常用加工后与加工前表面层显微硬度的比值和硬化层深度来表示。二．合金元素在钢中的作用2．合金元素对Fe-Fe3C相图的影响（1）对γ区的影响：★扩大γ区的合金元素Mn、Ni、Co等元素；作用：使A1、A3线温度下降，A4线温度上升。第八章合金钢8.1合金钢基本知识Mn扩大了γ区二．合金元素在钢中的作用2．合金元素对Fe-Fe3C相图的影响（1）对γ区的影响：★缩小γ区元素：Cr、Mo、W、Ti。作用：使A1、A3线温度上升，A4线温度下降。第八章合金钢8.1合金钢基本知识Cr缩小γ区二．合金元素在钢中的作用2．合金元素对Fe-Fe3C相图的影响（2）改变S点和E点的参数★合金元素使S点左移★合金元素使E点左移第八章合金钢8.1合金钢基本知识合金元素对S点成分的影响3．合金元素对钢的热处理的影响加热时对奥氏体形成的影响细化奥氏体晶粒；对过冷奥氏体转变的影响奥氏体稳定性提高，提高钢的淬透性；对回火转变的影响提高回火稳定性，出现回火脆性；第八章合金钢8.1合金钢基本知识二．合金元素在钢中的作用W、Mo、V等碳化物在550℃时，使钢达到最高硬度，产生二次硬化。与碳钢相比，回火温度更高，即合金元素提高了钢的回火稳定性。第八章合金钢8.1合金钢基本知识二．合金元素在钢中的作用3．合金元素对钢的热处理的影响钢的硬度与回火温度的关系含有Mn、Cr、Ni等元素的合金结构钢，在回火中具有回火脆性，即回火后钢出现韧性下降现象。★不可逆回火脆性★可逆回火脆性Ni-Cr钢的回火脆性示意图第八章合金钢8.1合金钢基本知识二．合金元素在钢中的作用3．合金元素对钢的热处理的影响不可逆回火脆性:主要发生在回火温度为250～400℃时，在重新加热脆性消失后，重复在此区间回火，不再发生脆性。可逆回火脆性:发生的温度在400～650℃，当重新加热脆性消失后，应迅速冷却，不能在400～650℃区间长时间停留或缓冷，否则会再次发生脆化现象。1.分类：按合金元素含量分：低合金钢(WAE5%)；中合金钢(WAE5~10%)；高合金钢(WAE10%)。按用途分：合金结构钢：渗碳钢、调质钢、超高强度钢、弹簧钢、轴承钢合金工具钢：刃具钢、模具钢、量具钢特殊性能钢：不锈钢、耐热钢（包括高温合金）、无磁钢第八章合金钢8.1合金钢基本知识三．合金钢的分类与编号2.合金结构钢的编号基本形式为“两位数字＋元素符号＋数字＋字母”30Cr2Ni4A数字表示平均含碳量（质量分数）的万分之几，合金元素符号后面的数字表示合金元素含量的百分数。含量小于1.5%时，可不标含量。合金工具钢编号与合金结构钢的编号相同含碳量合金元素合金元素含量高级优质钢第八章合金钢8.1合金钢基本知识三．合金钢的分类与编号1．化学成分渗碳钢碳含量：0.10~0.25%合金元素含量：1~6%(Mn、Cr、Ni等)2．热处理特点及组织处理工艺：渗碳＋淬火＋低温回火表层组织：M回火+碳化物(细小)3．常用渗碳钢20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4W第八章合金钢8.2合金结构钢一．渗碳钢4.用途第八章合金钢8.2合金结构钢一．渗碳钢低淬透性渗碳钢含合金元素总量＜3％中淬透性渗碳钢含合金元素总量在4％左右高淬透性渗碳钢含合金元素总量在4％~6％1．化学成分特点：含碳量：0.3～0.5%，提高渗透性的合金元素含量：2～6%，一般为Mn、Si、Ni、Cr，另外还有Mo、V、Al等；作用：防止高温回火脆性；防止晶粒粗化；加速氮化过程；2．热处理特点：淬火＋高温回火→回火索氏体第八章合金钢8.2合金结构钢二．调质钢3．常用调质钢45、40Cr、30CrMnSiA、40CrNiMoA等。常用于：发动机压气机盘，涡轮外轴等。第八章合金钢8.2合金结构钢二．调质钢定义：将σb1500MPa或σs1400MPa的钢材称为超高强度钢。超高强度钢是在30CrMnSiA的基础上发展起来的。1．成分特点含碳量中等，并含铬、锰、硅、镍、钼、钒等合金元素。2．热处理特点最终热处理是淬火+低温回火，使马氏体强化达到超高强度。第八章合金钢8.2合金结构钢三．超高强度钢1．化学成分特点含碳量：0.5~0.85%（中、高碳）合金元素含量：2%~3%，一般为：Si、Mn、Cr、V提高淬透性，细化晶粒2．热处理特点热扎弹簧钢：热轧成型，淬火＋中温回火→回火屈氏体。冷拔合金弹簧钢丝：冷缠成型，淬火＋中温回火3．常用的弹簧钢70、65Mn、60Si2MnA、50CrVA第八章合金钢8.2合金结构钢四．弹簧钢第八章合金钢8.2合金结构钢四．弹簧钢1.化学成分特点含碳量为0.95~1.15%，Cr：0.4~1.65%，Si、Mn3%，增加淬透性。2.热处理特点球化退火＋淬火＋低温回火3.性能要求☆高的硬度、强度和耐磨性☆高的接触疲劳强度☆足够的韧性和耐蚀性☆高的纯净度第八章合金钢8.2合金结构钢五．滚动轴承钢第八章合金钢8.2合金结构钢五．滚动轴承钢组织：极细回火马氏体＋细粒状碳化物＋少量残余奥氏体定义：用来制造刃具、模具、量具的钢，称为工具钢。一．刃具钢优量的刃具钢，必具备以下几个条件：①很高硬度：组织-----高碳M；②很高耐磨性：组织-----高碳M＋均匀细小的碳化物；③很高红硬性：加入提高回火抗力的合金元素；④足够的韧性。第八章合金钢8.3合金工具钢1．低合金刃具钢(1)化学成分特点：0.85～1.5%C（高碳）合金元素：主要添加元素：W、V→碳化物→硬度、耐磨性附加元素：Cr、Si、Mn→渗透性（2）热处理特点预备退火—球化退火：球化组织为机加﹑淬火作准备最终热处理—淬火+低温回火：组织：M+细小﹑均匀的碳化物(3)常用低合金刃具钢牌号：9Mn2V、9SiCr、CrMn、CrWMn第八章合金钢8.3合金工具钢一．刃具钢2.高速钢（1）成份：含碳量：0.7~1.4％；含合金元素量：15～25％Cr：3.8~4.4%淬透性(M)W：6.0~19%Mn：1.0~6.0%→碳化物V：1.0~4.0%溶于A的部分，淬火后保留在M内，显著提高M的回火抗力。不溶于A的部分，加热时能阻碍A晶粒长大，即使加热到1280℃，A仍为细晶粒第八章合金钢8.3合金工具钢一．刃具钢2.高速钢(2)热处理组织特点：因合金元素含量多,故“E”点左移,高速钢为莱氏体钢。铸态组织含有大量呈鱼骨状分布的大共晶碳化物，硬而脆，危害极大，不能用热处理方法消除，只能用反复锻造的方法把其打碎。第八章合金钢8.3合金工具钢一．刃具钢2.高速钢(2)热处理铸造→锻造→球化退火→机加工→淬火＋三次（570℃）回火1)退火：加热温度略高于Ac1－消除应力，改善组织，降低硬度。2)淬火：淬火温度较高，如W18Cr4V为1280℃，获M+碳化物＋AR。3)回火：消除AR，提高硬度，消除应力，从而稳定尺寸。(3)常用牌号:－W18Cr4V－W12Cr4VMo－W6Mo5Cr4V2Al第八章合金钢8.3合金工具钢一．刃具钢第八章合金钢(2)W18Cr4V热处理2.高速钢用途第八章合金钢8.3合金工具钢一．刃具钢分类①冷变形模具钢工作温度250℃△简单小型模具：T8，T10△复杂中型模具：常用低合金工具钢：9SiCr，CrWMn△精度大型模具：常用高铬钢：Cr12，Cr12MoV②加热变形模具钢大型热锻模:5CrNiMo一般热模:5CrMnMo③压铸模具钢：3Cr2W8V第八章合金钢8.3合金工具钢二．模具钢第八章合金钢8.3合金工具钢二．模具钢量具钢常用来制造游标卡尺、千分尺等量具。低精度量具钢：T8A，T10A，T12A。高精度量具钢：CrMn，CrWMn，GCr15第八章合金钢8.3合金工具钢三．量具钢定义：在腐蚀介质中具有很高抗腐蚀能力的钢。在空气中的年腐蚀量为0.01mm以内的钢，称为在空气中使用的不锈钢。在强酸、强碱介质中的年腐蚀量为0.1mm以内的钢，称为在强酸、强碱介质中使用的不锈钢。1．金属腐蚀的分类(1)化学腐蚀：金属与周围介质发生纯化学作用而产生的腐蚀。特点：腐蚀过程中无电流产生。(2)电化学腐蚀：金属与周围介质发生电化学作用而产生的腐蚀。特点：有电流产生。第八章合金钢8.4不锈钢一．概述第八章合金钢8.4不锈钢一．概述电化学腐蚀过程示意图铁碳合金中的P型组织：α-Fe电极电位较负，Fe3C的电极电位较正。2．提高抗腐蚀的途径①覆盖层保护：涂漆、电镀、发蓝、磷化等工艺；②提高基体相电极电位：加入合金元素Cr、Ni、Si等，提高金属的电极电位；③形成氧化层：加入合金元素Cr、Al、Si等，形成Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜；第八章合金钢8.4不锈钢一．概述2．提高抗腐蚀的途径④使钢在室温下呈单相组织：※加入合金元素Mn、Ni、Co等能扩大γ区，可在室温获得奥氏体钢。※加入合金元素Cr、Mo、W、V、Ti、Si等能扩大α区，可在室温获得铁素体钢。⑤减少与消除钢中的各种不均匀现象：偏析、应力、组织等。⑥牺牲阳极保护阴极：镶嵌一些比金属或合金基体电极电位更低的金属块。第八章合金钢8.4不锈钢一．概述正火后能获得马氏体组织的不锈钢，称为M不锈钢。1．化学成分特点(1)铬的含量高WCr=13％高含量Cr的作用：►致密、牢固的Cr2O3薄膜►提高基体的电极电位第八章合金钢8.4不锈钢二．马氏体不锈钢－－－Cr13型钢C%越高一般含碳量在：0.2~0.4C%(2)碳含量碳化物数量越多，电极电位降低碳化物数量越多，形成微电池的几率越高2．热处理特点(正火后获得马氏体)(1)淬火：加热温度很高，如Cr13，一般为：1050℃，碳化物Cr23C6充分固溶到A中，获得单相M。(2)回火：Cr13型钢有两种情况：1Cr13和2Cr13：C%低，700℃回火→回火索氏体→结构钢3Cr13和4Cr1