第七章 低合金与合金钢

淮安信息职业技术学院１淮安信息职业技术学院教案首页一、章节：第七章低合金与合金钢第一节合金元素在钢中的作用第二节低合金钢二、教学目的：使学生了解合金元素在钢中的作用及低合金钢的分类、作用与编号。三、教学方法：讲授法。四、教学重点：合金元素在钢中的作用与低合金钢的应用。五、教学难点：合金元素在钢中的作用与低合金钢的应用。六、使用教具：挂图。七、课后作业：P127：1、2、18。八、课后小结：淮安信息职业技术学院２第七章低合金与合金钢碳钢虽然具有良好的工艺性能，价格低廉，应用广泛，但淬透性低，强度较低，且不能满足某些特殊性能要求(如耐蚀、耐热、抗氧化、耐磨性等)。为改善碳钢的组织和性能，在碳钢基础上有目的地加入一种或几种合金元素所形成的铁基合金，称为低合金钢或合金钢。常加入的合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、硼、铝、铌、等。通常低合金钢中加入合金元素的种类和数量较合金钢少。第一节合金元素在钢中的作用一、合金元素与铁、碳的作用1．合金元素与铁的作用几乎所有合金元素都能不同程度地溶人铁素体或奥氏体中形成合金铁素体或合金奥氏体,起到固溶强化作用。提高铁素体强度，又能提高其韧性。因此，在低合金钢与合金钢中对合金元素含量应有一定限制。由于合金奥氏体的强度较高，因此对此类钢进行压力加工时要用较高吨位的设备和较严格的工艺规范。淮安信息职业技术学院３2．合金元素与碳的作用与碳形成碳化物的合金元素称为碳化物形成元素，如钛、钒、钨、钼、铬、锰、铁等；不与碳形成磷化物的合金元素称为非碳化物形成元素，如镍、硅、铝、氮等。不同的碳化物形成元素，形成的碳化物性质不同，强碳化物形成元素钒、钛、铌、锆等与碳形成极稳定的特殊碳化物，如VC、TiC等，这类碳化物有高的熔点、硬度和耐磨性，当在钢中弥散分布时，将显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，且韧性不降低。中强碳化物形成元素铬、钨、钼等，当其含量较高时，与碳形成稳定性较高的合金碳化物，当其含量较低时，这些合金元素只能置换渗碳体中的铁原子，形成稳定性较差的合金渗碳体，硬度比渗碳体高。弱碳化物形成元素锰、铁等，只能形成合金渗碳体和渗碳体。一般，碳化物越稳定，其硬度越高；碳化物颗粒越细小，对钢的强化效果越显著。高速工具钢制作的刃具，因含有大量稳定性高的碳化物，所以硬度高，耐磨性好。二、合金元素对Fe—Fe3C相图的影响1．对奥氏体单相区的影响合金元素镍、锰、钴等可使GS线向左下方移动，扩大了奥氏体淮安信息职业技术学院４单相区。当钢中含有大量能扩大奥氏体相区的元素时，有可能在室温形成单相奥氏体组织，这种钢称为“奥氏体钢”。合金元素铬、钼、钨、钒、钛、硅等可使GS线向左上方移动，缩小了奥氏体单相区，当钢中含有大量能缩小奥氏体相区的元素时，有可能在室温形成单相铁素体组织，这种钢称为“铁素体钢”。单相奥氏体和单相铁素体具有抗蚀、耐热等性能，是不锈、耐蚀、耐热钢中常见的组织。2．对S、E点的影响大多数合金元素均使S、E点左移。S点左移表明共析点含碳量降低，使含碳量相同的磷钢与合金钢具有不同的组织和性能。由于合金元素使钢的S、E点发生变化，必然导致钢的相变点发生相应的变化。三、合金元素对钢热处理的影响1．对钢在加热时奥氏体化的影响低合金钢和合金钢的奥氏体化过程与碳钢相同，即包括奥氏体形核与长大、剩余碳化物溶解、奥氏体均匀化等过程。奥氏体化过程与碳的扩散能力有关，除钴、镍等元素外，大多数合金元素均使碳的扩散能力降低，尤其是强碳化物形成元素(如钒等)所形成的特淮安信息职业技术学院５殊碳化物，能阻碍碳的扩散。这种碳化物稳定性大，又难以分解，使奥氏体均匀化过程变得困难。因此，大多数低合金钢与合金钢为获得成分均匀的奥氏体，需提高加热温度和延长保温时间。’合金元素(除锰、磷外)均不同程度的阻碍奥氏体晶粒长大，尤其是强碳化物形成元素(如钛、钒、铌等)更为显著，它们形成的碳化物在高温下较稳定，且呈弥散质点分布在奥氏体晶界上，能阻碍奥氏体晶粒长大。因此，低合金钢与合金钢经热处理后的晶粒比相同含碳量的碳钢更细小，其性能较高。2．对过冷奥氏体转变的影响由于固溶于奥氏体中的合金元素(除钴、铝以外)均不同程度地阻碍碳的扩散，使奥氏体稳定性增加，C曲线右移，提高了淬透性。硅、镍、锰等合金元素使C曲线右移，但形状不变。3．对回火转变的影响（1）提高钢的耐回火耐回性火是指淬火钢在回火时抵抗软化的能力。(2)产生二次硬化含有较多铬、钼、钨、钒等碳化物形成元素的合金钢，在500—600℃回火时，将从马氏体中析出特殊碳化物。这类碳化物硬度高、颗粒细小、数量多、分散均匀，使钢回火后硬淮安信息职业技术学院６度有所提高，称此现象为二次硬化。二次硬化实质上是一种弥散强化。另外，某些合金钢在500—600℃回火冷却过程中，部分残留奥氏体将转变为马氏体或贝氏体，提高了钢的硬度，也是产生“二次硬化”的一个原因。第二节低合金钢一、低合贪钢的分类1．按主要质量等级分(1)普通质量低音金钢(ωs≥0.045％、ωp≥0.045％)普通质量低合金钢是指在生产过程中不规定需要特别控制质量要求的，供作一般用途的低合金钢。主要包括：一般用途低合金结构钢，低合金钢筋钢，铁道用一般低合金钢等，(2)优质低合金钢(硫和磷含量均比普通质量低合金钢少)优质低合金钢是指除普通质量低合金钢和特殊质量低音金钢以外的低合金钢。这类钢在生产过程中需要特别控制质量，与普通质量低合金钢相比，这类钢有特殊的质量要求(例如良好的抗臆斯性0S和冷成形性能)，但这类钢的生产控制和质量要求，不如特殊质量低合金钢严格。淮安信息职业技术学院７(3)特殊质量低合金钢(ωs≤0．020％、ωp≤0．020％)特殊质量低合金钢是指在生产过程中需要特别严格控制质量和性能(尤其是严格控制硫、磷等杂质含量和纯洁度)的低合金钢。2.按主要性能和使用特性分分为可焊接的低合金高强度结构钢，低台金耐候钢，低台金钢筋钢，铁道用低合金钢，矿用低合金钢，其他低合金钢等。二、常用低合金钢的编号1．低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢牌号袁示方法与碳素结构钢相同。例如，Q390钢表示σS≥390Mpa的低合金高强度结构钢。2．易切削结构钢易切削结构钢的牌号由“易”字汉语拼音字首“Y和数字组成。数字表示平均含碳量的万分数，若钢中含锰量较高时标出“Mn”。例如，Y40Mn表示平均ωc=O．4％，含锰量较高(ωMn1.5进时不标出数字)的易切削结构钢。三、常用低台金钢1．低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是在低碳钢的基础上加入少量合金元紊而淮安信息职业技术学院８形成的钢。钢中ωc≤0.2，常加入的合金元素有硅、锰、性、铌、钒等，其总含量ωMn3％。钢中含碳量较低，是为了获得良好的塑性、焊接性和冷变形能力。低合金高强度结构钢大多在热轧、正火状态下供应，使用时一般不再进行热处理。低合金高强度结构钢的强度高，塑性和韧性好，焊接性和冷成形性良好，耐蚀性较好，韧脆转变温度低，成本低，适于冷成形和焊接。低合金高强度结构钢广泛用于桥梁、车辆、船舶、锅炉、高压容器、输油管，以及低温下工作的构件等。最常用的是Q345钢。2.易切削结构钢易切削结构钢是指含硫、锰、磷量较高或含微量铅、钙的低碳或中碳结构钢，简称易切钢。3．低台金高耐候性钢低合金高耐侯性钢即耐大气腐蚀钢，是近年来在我国开始推广应用的新钢种。在钢中加入少量合金元素(如铜、磷、铬、钼、钛、铌、钒等)，使其在钢表面形成一层致密的保护膜，提高了钢材的耐淮安信息职业技术学院９候性能。这类钢与碳钢相比，具有良好的抗大气腐蚀能力。淮安信息职业技术学院１０淮安信息职业技术学院教案首页一、章节：第七章低合金与合金钢第三节合金钢的分类与编号第四节合金结构钢二、教学目的：使学生了解合金钢的作用及合金钢的分类、作用与编号。三、教学方法：讲授法。四、教学重点：合金钢与低合金钢的作用、编号及应用。五、教学难点：合金钢与低合金钢的作用、编号及应用。六、使用教具：挂图。七、课后作业：P127：3、8、12。八、课后小结：淮安信息职业技术学院１１第三节合金钢的分类与编号一．合金钢的分类1.按主要质量等级分(1)优质合金钢优质合金钢是指在生产过程中需要特别控制质量和性能的合金钢。但生产控制和质量要求不如特殊质量合金钢严格。优质合金钢主要包括：一般工程结构用合金钢、合金钢筋钢、铁道用合金钢、硫及磷含量大于0．035％的耐磨钢和硅锰弹簧钢等。(2)特殊质量合金钢特殊质量合金钢是指在生产过程中需要特别严格控制质量和性能的合金钢。除优质合金钢以外的合金钢均称为特殊质量合金钢。特殊质量合金钢主要包括：压力容器合金钢、合金结构钢、合金弹簧钢、轴承钢、合金工具钢、高速工具钢、不锈钢、耐热钢等。2．按主要性能和使用特性分主要分为工程结构用合金钢，机械结构用合金钢，轴承钢，工具钢，不锈、耐蚀和耐热钢，特殊物理性能钢等。二、合金钢的编号1．机械结构用合金钢与工程结构用合金钢淮安信息职业技术学院１２(1)机械结构用合金钢常用的有表面硬化合金结构钢、调质处理合金结构钢(合金调质钢)、合金弹簧钢等。这些钢的牌号均依次由两位数字、元素符号和数宇组成。两位数字表示钢中平均含碳量的万分数，元素符号表示钢中所含的合金元素，元素符号后的数字表示该合金元素平均含量的百分数（若平均含量1．5％时，元素符号后盾不标出数字；若干均含量为1．5％～2.4％、2.5％～3.4％、…时，则在相应的合金元素符号后标注2、3、…）。机械结构用合金钢按冶金质量(即钢中磷、硫多少)不同分为优质钢、高级优质钢(牌号后加“A”)、特级优质钢(牌号后加“E”)。(2)工程结构用合金钢常用的有高锰耐磨钢，其牌号依次由“铸钢”汉语拼音字首“ZG”、合金元素符号“Mn”和数字组成，其数字表示平均含锰量的百分数。2.轴承钢轴承钢的牌号依次由“滚”字汉语拼音字首“G”、合金元素符号“Cr”和数字组成。其数字表示平均含铬量的千分数。例如，GCrl5表示平均ωCr=1.5％的轴承钢。若钢中含有其他合金元素，应依次在数字后面写出元素符号，如GCrl5SiMn表示平均ωCr=1.5％、ωSi和ωMn均1.5%的轴承钢。无铬轴承钢的编号方法与结构钢相同。淮安信息职业技术学院１３3．合金工具钢合金工具钢包括量具刃具用钢、冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢。这类钢的牌号表示方法与机械结构用合金钢相似。区别在于：若钢中平均ωc1％时，牌号以一位数字为首，表示平均含碳量的千分数；若钢中平均ωc≥1％时，则牌号前不写数字。4.高速工具钢高速工具钢的牌号表示方法与合金工具钢基本相同。主要区别是有些牌号的钢，即使ωC1%其牌号前也不标出数字。5.不锈钢、耐蚀钢和耐热钢不锈、耐蚀钢和耐热钢的牌号表示方法与合金工具钢基本相同。第四节合金结构钢一、常用机械结构用合金钢和工程结构用合金钢1.合金渗碳钢许多机械零件如汽车、拖拉机齿轮，内燃机凸轮，活塞销等是在冲击力和表面受到强烈摩擦、磨损条件下工作的，因此要求零件表面有高的硬度和耐磨性，心部有足够强度和好的韧性。为满足上淮安信息职业技术学院１４述性能要求，常选用合金渗碳钢。合金渗碳钢属于表面硬化合金结构钢。（1）化学成分合金渗碳钢的ωc=O.10％～0.25％，以保证零件心部有足够的塑性和韧性。(2)热处理特点为改善渗碳钢毛坯的切削加工性能，应在锻造后进行正火。为保证零件表面有高的硬度和耐磨性，一般应在渗碳后进行淬火、低温回火(180—200℃)。(3)常用合金渗碳钢合金渗碳钢按淬透性高低分为以下三类：1)低淬透性合金渗碳钢这类钢合金元素含量较少，淬透性较差。主要用于受冲击力较小、截面尺寸不大的耐磨件。常用牌号有20MnV钢、20Cr钢等。2)中淬透性合金渗碳钢这类钢淬透性较好，淬火后心部强度高(可达1000—1200MPa)。常用于制造受冲击，并要求有足够韧性和耐磨性的零件。常用牌号有20CrMnTi钢、20MnVB钢等。3)高淬透性合金渗碳钢这类钢含有较多的铬、镍等合金元素，淬透性好，甚至空冷也能得到马氏体组织。心部强度可达1175MPa以上。主要用于制作承受重载荷，要求高强韧性