华南理工大学机械工程材料课件-第七章

1/82第一节概述第二节合金元素在钢中的作用第三节合金结构钢第四节轴承钢第五节合金工具钢第六节不锈耐蚀钢和耐热钢第七节粉末冶金材料2012-05-141机械工程材料精品课程2/82第一节概述一、合金钢的概念为了提高钢的性能（力学、工艺、物理、化学），在碳钢基础上有意加入一定量合金元素，这类钢就称为合金钢。二、钢中的合金元素2012-05-142机械工程材料精品课程3/82第一节概述三、合金钢的分类及编号方法1、分类(1)按成分分类碳钢低碳钢中碳钢高碳钢C%0.250.25~0.60.6合金钢低合金钢中合金钢高合金钢Me总量%2.52.5~1010(2)按使用特性分类2012-05-143机械工程材料精品课程4/82按使用特性分类2012-05-144机械工程材料精品课程5/82第一节概述2.编号方法合金钢的编号能反映出该钢号的主要成分，包括碳质量分数、合金元素及其质量分数。编号原则：数字＋合金元素符号＋数字ⅰ碳质量分数ⅱ合金元素及其质量分数如：20CrMnTi、W18Cr4V2012-05-145机械工程材料精品课程6/82第一节概述数字＋合金元素符号＋数字合金结构钢:●前面的两位数字表示钢的平均碳质量分数的万分数。●元素符号后面的数字则表示元素平均质量分数的百分数。当元素质量分数小于1.50％时，编号中只标明元素符号而不标出表示质量分数的数字。例如：60Si2Mn、20CrMnTi铬轴承钢则属特殊，G+Cr+数字（Cr的质量分数的千分数），钢号前冠以专业用钢代号“G”，不标含碳量。例如：GCr15表示该钢Cr的质量分数为1.5％。2012-05-146机械工程材料精品课程7/82第一节概述数字＋元素符号＋数字合金工具钢及不锈钢：●前面的一位数字表示钢的平均碳质量分数的千分数。但当钢中的碳质量分数大于或等于1.0％时，不标数字。例：5CrMnMo，1Cr18Ni9Ti，Cr12MoV有例外：高速工具钢W18Cr4V，Wc为0.7-0.8％,但不标。●后面数字表示方法同合金结构钢所有合金钢的合金元素量标法相同2012-05-147机械工程材料精品课程8/82第二节合金元素在钢中的作用合金元素在合金钢中可能处于的三种状态：固溶状态、化合状态及游离态。合金元素在钢中的作用包括：对钢中基本相的影响对Fe-Fe3C相图的影响对热处理过程的影响2012-05-148机械工程材料精品课程9/82第二节合金元素在钢中的作用一、合金元素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。2、形成碳化物，起强化相作用合金渗碳体：(FeCr)3C合金碳化物：Mn3C、Cr7C3、Cr23C6、Fe4W2C等特殊碳化物：WC、MoC、W2C、VC、TiC机械工程材料精品课程10/82第二节合金元素在钢中的作用二、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响1、对奥氏体相区的影响（1）扩大γ区锰对奥氏体相区的影响A1↓、A3↓、A4(NJ)↑，S点、E点向左下方移。Ni、Mn等作用显著，当Ni9%或Mn13%时，S点降到0℃以下，室温下为单相奥氏体组织，称奥氏体钢，如：1Cr18Ni9Ti、Mn13。2012-05-1410机械工程材料精品课程11/82第二节合金元素在钢中的作用（2）缩小γ区铬对奥氏体相区的影响•A1↑、A3↑、A4(NJ)↓，S点、E点向左上方移。•Cr等作用显著，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，如：Cr172、对E点和S点位置的影响所有合金元素均使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）。2012-05-1411机械工程材料精品课程12/82第二节合金元素在钢中的作用三、合金元素对热处理过程的影响1、对加热转变的影响对奥氏体化影响：除Ni、Co外，Me都减缓奥氏体化过程；对奥氏体晶粒长大影响：Ti、V、W、Mo等阻碍奥氏体晶粒长大，即起细化晶粒作用。2、对冷却转变的影响对C曲线和淬透性的影响：除Co外，所有溶入奥氏体的合金元素都使C曲线右移，淬透性提高（如W18Cr4V在空气中即可淬火获得M）；对Ms、Mf点的影响：除Co、Al外,所有元素都使Ms、Mf点下降，残余奥氏体量A′增多。2012-05-1412机械工程材料精品课程13/82合金元素对热处理过程的影响3、回火转变提高回火稳定性——把回火转变过程向较高温度推移。当回火硬度相同时，合金钢比同含碳量碳钢回火温度高；如果同温度回火，合金钢硬度比碳钢高。产生二次硬化：含高W、Mo、Ti、V钢淬火后回火（500~600℃）时，由于析出细小弥散的特殊碳化物（弥散硬化）及回火冷却时A′转变为M回（称二次淬火）,使硬度不仅不下降，反而升高的现象称二次硬化。防止第二类回火脆性：Mo、W2012-05-1413机械工程材料精品课程14/82第三节合金结构钢合金结构钢的定义在碳素结构钢的基础上适当加入一种或几种合金元素而制成。常用元素主要有Cr、Si、Ni、Mo、W、V、Ti等。合金结构钢的分类（按用途）•工程结构钢（最常用的是低合金结构钢及高锰钢）•机械结构钢（包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢及易切削钢等）2012-05-1414机械工程材料精品课程15/82第三节合金结构钢一、工程结构钢普通碳素结构钢、低合金高强度结构钢、高锰钢1.低合金高强度结构钢多数情况不经热处理使用。热轧空冷状态下使用，经焊接、铆接或压力成型后一般不再进行淬火回火处理。性能要求：高强度及足够韧性；良好的焊接性能；良好的耐蚀性等。容器船舶桥梁车辆2012-05-1415机械工程材料精品课程16/82第三节合金结构钢（1）常见牌号：Q345(16Mn)、Q390说明:通常情况下,屈服强度值小于300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。（2）成分特点●●低碳：＜0.2%，在高强度基础上保持良好的塑性及韧性。合金元素：主要是Mn，还有少量Ti、V、Nb、Cu等，合金元素含量3.0％。合金元素的作用：①Mn:强化铁素体；②Ti、V、Nb在钢中形成微细碳化物，起细化晶粒和弥散强化作用；南京长江大桥③Cu、P提高抗大气腐蚀能力。2012-05-1416机械工程材料精品课程17/82第三节合金结构钢2.高锰钢——耐磨钢ZGMn13，成分特点：高碳：1.0~1.3%C，以保持高耐磨性。高锰：13%Mn,以保证形成奥氏体组织（A型钢）热处理及组织铸态组织（γ+K）→水韧处理（1000～1100C加热、水冷）→γ（HB180～220）→冲击、压力，加工硬化（HB450～550）0铸造成型：γ+碳化物，晶粒粗大，不均匀，硬而脆。水韧处理：消除碳化物，获得单相奥氏体组织。性能：在工作过程中受到剧烈冲击或较大压力作用时，表层γ组织因为塑性变形而迅速产生加工硬化，并有马氏体及ε碳化物形成，获得高硬度、高耐磨性。2012-05-1417机械工程材料精品课程18/82第三节合金结构钢应用：广泛应用于受强力冲击和摩擦零件，如：铁道辙岔、挖掘机铲齿、拖拉机的履带板、破碎机牙板、防弹板及保险箱壳体等。铁路辙岔履带破碎机牙板挖掘机2012-05-1418机械工程材料精品课程19/82第三节合金结构钢二、机械结构钢按用途分类：渗碳钢调质钢弹簧钢易切削钢2012-05-1419机械工程材料精品课程20/82机械结构钢1.渗碳钢汽车变速箱齿轮凸轮机构手动变速器2012-05-1420机械工程材料精品课程21/82渗碳钢定义利用渗碳的方法获得表面高硬度耐磨、心部具有良好强韧性的钢。用途制造汽车、机车及工程机械等动力机械的传动齿轮、凸轮轴、活塞等。(典型零件：汽车、拖拉机变速齿轮)常用牌号20、20Cr、20CrMnTi、20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4W成分•低C：0.1~0.25%，表面以渗碳方法增碳,心部保持良好的塑性和韧性。•合金元素主要元素：Cr、Ni、Mn、B，提高淬透性；渗层（σb、耐磨性）、心部强韧性辅加元素：V、W、Mo、Ti，细化晶粒2012-05-1421机械工程材料精品课程22/82渗碳钢热处理:渗碳+淬火+低温回火。典型零件：汽车变速齿轮◆材料：20CrMnTi◆工艺路线：锻造→正火→机加工→渗碳+淬火+低温回火→喷丸(压应力、σ-1↑)→磨◆各部分热处理组织及作用：正火：S+α(少量)①消除锻造缺陷（晶粒粗大、应力）；②调整硬度、以利于切削加工。渗碳+淬火+低温回火：表：M回+K+A’(少量)；心：M低碳，达到“表硬心韧”，满足使用要求。2012-05-1422机械工程材料精品课程23/82机械结构钢2.调质钢曲轴连杆机床主轴齿轮2012-05-1423机械工程材料精品课程24/82调质钢调质钢定义：调质钢指采用调质处理（淬火＋高温回火，获得回火索氏体组织）作为预先热处理或最终热处理的结构钢。调质钢用途：制造各类结构件及轴类零件，如机床齿轮、机床主轴、连杆螺栓、内燃机曲轴等。常用牌号：45、40Cr、35CrMo、38CrMoAl成分特点：•中碳：0.30~0.50%C；•合金元素：Cr、Ni、Mn、Si——提高淬透性和强韧性Mo——防止第二类回火脆性Al——加速氮化过程、提高渗氮层硬度和耐磨性2012-05-1424机械工程材料精品课程25/82调质钢热处理典型零件:连杆螺栓（要求力学性能一致）材料:40Cr锻正（退）火粗车调质精车装配正火：S+α(少量)①消除锻造缺陷（晶粒粗大、应力）；②调整硬度、以利于切削加工。调质：S回，满足整体力学性能要求：良好的综合力学性能。2012-05-1425机械工程材料精品课程26/82调质钢热处理：典型零件:机床齿轮：材料：45（或40Cr）锻→正火→粗机加工→调质→精机加工→高频表面淬火+低温回火→磨正火：同上调质：S回，保证心部的强度和韧性高频表面淬火+低温回火：回表：M+A’(少量)；心：S回机床变速箱齿轮达到“表硬心韧”，满足使用要求。2012-05-1426机械工程材料精品课程27/82机械结构钢3.弹簧钢弹簧离合器弹簧汽车板簧拉力弹簧2012-05-1427机械工程材料精品课程28/82弹簧钢性能要求：高的弹性极限和屈服强度,以保证其能吸收大量的弹性能而不发生塑性变形,同时还具有高的疲劳强度和足够的塑性、韧性。分类及用途:汽车板簧热轧弹簧钢:大截面尺寸，一般加热成型，淬火＋中温回火，获得回火托氏体（即屈氏体）组织，并进行喷丸处理，提高疲劳强度。如汽车板簧；冷拉（轧）弹簧钢：小截面，钢丝或薄钢带。冷绕成型后低温去应力定形处理。如气门弹簧。气门弹簧大型热卷弹簧2012-05-1428机械工程材料精品课程29/82弹簧钢典型牌号：65、65Mn、60Si2Mn、50CrV成分特点：1）碳%：0.50－0.75%C（中、高碳钢）冷卷螺旋压缩弹簧汽车板簧淬火线2）Me%：Si、Mn、Cr——淬透性↑，强化铁素体Si——提高s/bV——细化晶粒。2012-05-1429机械工程材料精品课程30/82弹簧钢弹簧钢的热处理◆热成型弹簧：典型零件：60Si2Mn汽车板弹簧扁钢剪断→加热成型→淬火→中温回火（T回）→喷丸◆冷绕成型弹簧：200～300℃去应力（定型处理）气门弹簧汽车板簧2012-05-1430机械工程材料精品课程31/82机械结构钢4.易切削钢易切削钢棒易切削钢油路部件照相机外壳2012-05-1431机械工程材料精品课程32/82易切削钢加入元素：S、P、Pb、Ca等，提高刀具寿命。用途：小型大批量标准件。（如仪表、钟表、照相机和计算机等的零件。）性能要求：在高速切削下易断屑、切削阻力小、表面质量好编号及应用钢号前冠以“Y”或“易”字样，其后面的数字表示万分之几的碳质量分数。若含Mn量较高