第五章 合金钢

第五章合金钢材料与冶金学院第一节概述碳钢与合金钢的比较碳钢的特点冶炼加工容易成本低,应用广可热处理强化回火稳定性差淬透性差基本相强度低,韧性差不能满足特殊性能要求合金钢的特点冶炼加工困难成本高回火稳定性高淬透性高基本相强度高,韧性好能满足特殊性能要求合金钢：为了改善钢的性能，在碳钢的基础上特意地加入一种或几种合金元素所形成的钢。一、合金元素的存在形式：1.非碳化物形成元素:Ni、Si、Co、Al、Cu等，它们与碳不形成碳化物，但可固溶于Fe中形成固溶体。2.碳化物形成元素与碳形成碳化物的合金元素叫做碳化物形成元素，如：Ti、V、Mo、Cr等；按照碳化物形成元素所形成的碳化物的稳定程度由强到弱的排列顺序为：Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe；其中Ti、Zr、Nb、V是强碳化物形成元素，W、Mo、Cr是中强碳化物形成元素，Mn、Fe是弱碳化物形成元素；二、合金元素的主要作用㈠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及过剩的碳化物形成元素都溶于铁素体，形成合金铁素体.Si、Mn对强度、硬度提高显著。Cr、Ni在适当范围内提高韧性。引起晶格畸变，固溶强化2、形成合金碳化物，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、Fe。⑴Ti、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。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。弥散强化㈡合金元素对Fe-Fe3C相图的影响1、对奥氏体相区的影响⑴Ni、Mn、Co、C、N等是扩大奥氏体相区的元素，使A1、A3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。锰对奥氏体相区的影响⑵Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等是缩小奥氏体相区的元素，使A1、A3点上升。当Cr13%时，奥氏体相区消失，室温下为单相铁素体组织，称铁素体钢。铬对奥氏体相区的影响2、对临界点的影响扩大奥氏体相区的元素，能使A3和A1点降低，缩小奥氏体相区的元素能使A3和A1点升高。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）。㈢对热处理过程的影响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。⑴Zr、Ti、Nb、V、Al强烈阻止晶粒长大。⑵W、Mo、Cr为中等影响因素⑶Si、Ni、Cu影响不大。(4)C、Mn、P促进长大。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。非碳化物形成元素只使C曲线右移，但不改变C曲线的形状。碳化物形成元素，不仅右移，而且改变C曲线的形状，使珠光体和贝氏体转变区域分开，形成“双鼻子”常用提高淬透性的元素为：Cr、Mn、Si、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。相同含碳量下，合金钢中残余奥氏体比碳钢中多3、对回火转变的影响⑴提高回火稳定性：淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称回火稳定性。合金元素能阻碍马氏体分解及碳化物的析出与聚集。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,使硬度不仅不下降，反而升高的现象称二次硬化。(一般为500-600)二次淬火：高合金钢中回火时A’转变为M回，导致硬度升高的现象。⑶防止第二类回火脆性加W、Mo可防止第二类回火脆性。合金钢的分类一．按主要用途分1.合金结构钢:主要用于重要的机械零件和工程结构；2.合金工具钢:主要用于重要的工模具；3.特殊钢：具备特殊的物理或化学性能，用于有特殊要求的零件。如不锈钢、耐热钢等。合金钢的编号：2.1合金结构钢两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素符号+该元素百分含量数字+……当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量；当合金元素的平均含量为1.50-2.49%、2.50-3.49%、3.50-4.49%、4.50-5.49%、……时，在相应的合金元素符号后标2、3、4、5……等数字。如20CrNi3。高级优质钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。特级优质钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。所有合金钢的合金元素量标法相同例如：20MnVBA、36Mn2Si、40CrNiMo等。⑵合金工具钢含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+……当含碳量小于1.00%时，含碳量用一位数字标明，这一位数字表示平均含碳量的千分之几，如8MnSi.当含碳量大于1.00%时，不标含碳量。高速钢不标含碳量，如W6Mo5Cr4V2(含0.85%C).含铬量小于1%时，在含铬量(以千分之一为单位)前加数字“0”，如Cr06。5、轴承钢G+Cr+铬含量(不标含碳量)“G”表示“滚动轴承钢”。*铬含量以千分之一为单位。如“GCr15”的平均含铬量为1.5%。渗碳轴承钢牌号的表示方法与合金结构钢相同，仅在牌号头部加字母“G”，如“G20CrNiMo”。6、不锈钢和耐热钢含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+……含碳量以千分之一为单位。含碳量的表示方法为：①当平均含碳量≥1.00%时，用两位数字表示，如11Cr17(平均含碳量为1.10%)；②当0.1%平均含碳量≤1.0%时，用一位数字表示,如2Cr13（平均含碳量为0.20%）③当0.03%含碳量上限＜0.1%时，以“0”表示，如0Cr18Ni9（含碳量上限为0.08%）④当0.01%含碳量上限≤0.03%时（超低碳），以“03”表示，如03Cr19Ni10(含碳量上限为0.03%）⑤当含碳量上限≤0.01%时(极低碳)，以“01”表示，如01Cr19Ni11（含碳量上限为0.01%）。不锈钢剪刀第二节合金结构钢主要用于制造各种大型金属结构（如机床、车辆、桥梁、船舶、屋架、铁路、锅炉及压力容器等）。一、低合金结构钢1、性能要求⑴高强度。⑵高塑性和韧性⑶良好的焊接性能和冷成型性。(4)良好的耐蚀性。2、成分特点⑴低碳：≤0.2%C.⑵合金元素：主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等。①Mn的作用是强化铁素体；增加珠光体的量。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。3、热处理：大多数热轧空冷后使用。4、使用状态下组织：F+P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.二、渗碳钢1、性能要求⑴表硬里韧。⑵良好的热处理性能,如淬透性和渗碳能力。(3)渗层具有耐磨性，疲劳抗力2、成分特点⑴低碳：0.1-0.25%C⑵合金元素作用：①提高淬透性：Cr、Mn、Ni、B②强化铁素体：Cr、Mn、Ni③细化晶粒：W、Mo、Ti、V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正火目的为调整硬度，便于切削加工。淬火温度一般为：Ac1+30-50℃。4、使用状态下组织心部：M低碳回+F表层：M高碳回+颗粒状碳化物+A’(少量)；5、常用钢号及用途低淬透性钢：20、20Cr。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴和小齿轮等。活塞销凸轮轴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。变速齿轮柴油机曲轴三、调质钢1、性能要求⑴良好的综合力学性能.⑵良好的淬透性。2、成分特点⑴中碳：0.25－0.5%C⑵合金元素作用：①提高淬透性:Mn、Si、Cr、Ni、②强化铁素体:Mn、Si、Cr、Ni③细化晶粒:Ti、V④防止第二类回火脆性:W、Mo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为提高表面耐磨性，调质后可进行表面淬火或氮化。4、常用钢号及用途低淬透性钢：D0油30－40mm,常用45、40Cr,用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等。中淬透性钢：D0油≈40－60mm，常用40MnMoB,用于制造大中型零件。高淬透性钢：D0油60mm,常用40CrNiMo,用于制造大截面重载荷零件，如曲轴等。连杆曲轴四、弹簧钢用于制造各种弹簧的钢种。1、性能要求⑴高的弹性极限或屈服极限和高的屈强比，以保证弹簧有足够高的弹性变形能力，并能承受大的载荷。⑵高的疲劳极限，以保证弹簧在长期的振动和交变应力作用下不产生疲劳破坏。(3)为了满足成形的需要和可能承受的冲击载荷，弹簧钢应具有一定的塑性和韧性。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%C⑵合金元素作用：①提高淬透性、强化铁素体：Mn、Si、Cr②提高屈强比s/b：Si③细化晶粒：V3、热处理及组织特点⑴冷成型弹簧：冷拔→冷成型→定型处理(250－300℃低温退火)。用于φ10mm弹簧。⑵热成型弹簧：热成型→淬火+中温回火；使用状态下的组织：T回，用于大截面弹簧(φ10mm)4、弹簧的表面质量弹簧的表面质量对其寿命影响很大。提高表面质量的方法:①防止表面脱碳；②避免表面缺陷；③进行喷丸处理，使表面产生压应力。5、常用钢号及用途Si、Mn弹簧钢，如60Mn、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。汽车板簧大型热卷弹簧六、滚动轴承钢主要用来制造滚动轴承内外套圈、滚珠、滚粒、保持架等1、性能要求⑴高强度,硬度和耐磨性。⑵高的接触疲劳强度。⑶足够的韧性、淬透性和耐蚀性.2、成分特点⑴高碳：0.95－1.10%C⑵合金元素：以Cr为主(0.4%~1.65%),加入Mn、Si。Cr、Mn、Si的主要作用是提高淬透性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。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。4、常用钢号及用途应用最广的是GCr15，大量用于大中型轴承；大型轴承用GCr15SiMn。这类钢还可用于制造模具、量具等。向心球轴承圆柱滚子轴承自动调心球轴承易切削钢通过在钢中加入S、P、Pb、Ca等元素来形成非金属夹杂或金属间化合物，可以改善切削性能。独立存在，中断基体的连续性，容易断屑，本身硬度低。但本身的力学性能低，用于力学性能要求低，而加工效率和加工精度要很高的零件。牌号：Y+数字平均含碳量的万分之，锰含量较高者，在钢号后标出“”加入，可在钢号中直接标出。附表常用易切削钢牌号、化学成分、性能及用途（摘自GB8731-1988）牌号化学成分w/%力学性能用途举例CSiMnSP其他σb/MPaδ5/%Ak/JHBS不小于不大于Y120.060.160.150.350.701.000.100.200.080.153905402236170双头螺柱、螺钉、螺母等一般标准紧固件Y12Pb0.080.16≤0.150.701.100.15