机械工程材料合金钢教学课件PPT.ppt

为什么要加入合金元素？,1.淬透性低 2.回火抗力低 3.具有回火脆性 4.高温下强度硬度差 5.不能满足特殊性能的要求,第8章 合金钢,碳钢的局限性：,2,合金钢是指加入一种或多种合金元素超过一定范围的钢。,判断：除了铁和碳以外，还含有其他元素的钢称为合金钢。,mn, si, s,p cr, ni, mo, w v, ti, nb, re,合金元素能起什么作用呢？,提高淬透性，防止第二类回火脆,与碳化物亲和力弱的非金属元素溶于铁素体，形成合金铁素体。 尤其与fe原子晶格差距大的si、mn、ni对强度、硬度提高显著。,第一节 合金元素在钢中的作用,一、合金元素对钢中基本相的影响,2、形成合金渗碳体及特殊碳化物强化,合金元素形成碳化物，如：w2c、mo2c等 以细小质点分布在基体，起强化作用，改善钢的性能。,1、对铁素体的固溶强化,ni、mn、co等元素是扩大奥氏体区的元素，使a3线下降。使共析转变向低温低碳方向。,如：1cr18ni9ti中，ni9%，s点降到室温，室温下为单相奥氏体组织，称奥氏体不锈钢。,锰对奥氏体相区的影响,二、合金元素对fe-fe3c相图的影响,1、扩大区,cr、mo、si、ti、w、v等是缩小奥氏体区的元素，使acm、a3线上升，使共析转变向高温低碳方向。,铬对奥氏体相区的影响,2、缩小区,如：1cr17中，cr13% ，奥氏体相区消失，高温/室温下为均铁素体组织，称铁素体不锈钢。,所有合金元素均使e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）,3、对e点和s点位置的影响,含碳量0.40%，含铬量为13%的钢属于过共析钢，,含碳量1.5%，含铬量为12%的钢属于莱氏体钢；,或共晶组织（如w18cr4v）,三、合金元素对热处理的影响,除co外，所有合金元素均使c曲线右移，提高淬透性。 并降低马氏体形成温度，增加a的含量,大多数合金元素会减缓奥氏体化过程,1、对钢加热时形成奥氏体的影响,2、对钢淬透性的影响,合金元素使c扩散能力下降，常采用提高加热温度和延长保温时间来促进a的均匀化。,某些合金钢（含w、mo、cr、v）淬火后500600回火时，由于析出弥散分布的碳化物粒子使硬度不下降反而升高的现象。 如：w2c、mo2c等,3、对回火转变的影响,（1）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。,（2）产生二次硬化,相同温度回火，相同含碳量的合金钢的强度硬度比碳钢高,回火硬度相同时，相同含碳量的合金钢比碳钢能承受的回火温度高,合金元素能阻碍回火硬度随温度上升而下降的趋势。,第一类回火脆：几乎所有淬火的钢在250350回火出现脆性；,（3）回火脆性不利之处,第二类回火脆：500以上或更高至650回火后缓冷，出现韧性降低的现象。常出现在合金钢中。,第三节 合金钢的分类和编号,按用途分类,一、合金钢的分类,（4）表示钢的用途，如滚动轴承：gcr15,二、合金钢的编号,两位数字（平均含碳量的万分数）+合金元素符号+该元素百分含量+,（1）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。,（2）当合金元素的平均含量为约为百分之2、3、4、5、时， 在相应的合金元素符号后标2、3、4、5 等数字。如：20crni3。,（3）高级优质钢在牌号后加字母a，如60si2mna。,1、合金结构钢,一位数字（平均含碳量的千分数）+合金元素符号+该元素百分含量+ 当c%1%时，c含量不标,2、合金工具钢,一、低合金高强度结构钢,1、用途：桥梁、船舶、压力容器、管道,第三节 合金结构钢,高压容器,桥梁,船舶,4、热处理：,2、性能要求：较高强度和韧性；良好的焊接性能；耐蚀性,3、成分特点：,q345钢用量最多，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。（16mn） q390钢含v、ti、nb，强度高，用于中等压力的压力容器。 q460钢含mo，强度高，用于石化中温高压容器,q235属于什么钢？区别？,低碳0.2%c（韧、塑、焊）+少量合金元素3% 主要合金元素是mn，还有少量v、ti、nb等。,出厂后热轧空冷（正火）后使用，无需热处理。（f+s）,5、常见牌号,新进展：,1、低碳贝氏体低合金高强钢,2、低碳s回低合金高强钢,低碳钢加入合金元素，淬火获得低碳m，高温回火，可保证良好的综合性能及焊接性。,低碳钢加入合金元素，正火后获得b下，强度500mpa，塑、韧性好。,（1）低碳：0.1-0.25%c； （2）cr、mn、ni：提高淬透性(表层)，强化铁素体(心部) （3）w、mo、ti、v：细化晶粒,二、渗碳钢,低碳，渗碳淬火+低温回火,渗碳炉,1、用途：受冲击载荷和交变应力的耐磨件，如：汽车变速齿轮、凸轮轴、活塞销,2、性能要求：,3、成分特点：,表硬里韧，淬透性好,特点：价格低、淬透性低、心部（p+f）强度低。,应用：较小耐磨件，小轴、活塞销、小齿轮。,活塞销,小齿轮,4、常用钢种及牌号,（1）低淬透性,15，20，20cr,（2）中淬透性 20crmnti,特点：合金元素总量4%，淬透性和力学性能较高。,应用：承受中等冲击载荷的耐磨零件，如变速齿轮、花键套,（3）高淬透性 18cr2ni4wa,特点：合金元素总量7.5%，淬透性高，心部强度高,应用：重载和强烈磨损的大型零件，如飞机坦克的大型齿轮、曲轴,变速齿轮,柴油机曲轴,应用举例：,以20crmnti合金渗碳钢制造的汽车变速齿轮为例，说明其热处理方法的选定和工艺的安排。,技术要求：渗碳层厚度1.21.6mm，表面碳浓度为1.0%，齿顶硬度5860hrc，心部硬度3045hrc。,锻造正火加工齿轮渗碳淬火+低温回火喷丸磨齿（精磨）,工艺路线:,5、热处理和组织性能,下料锻造热处理1机加工渗碳热处理2,锻造正火加工齿轮渗碳淬火+低温回火喷丸磨齿（精磨）,表：m回+合金碳化物+a(少量)；,热处理后组织：,心：低碳m回 或者p+f,（3）淬火及低温回火,自渗碳温度预冷到870880直接油淬，再经200低温回火23h。表面层基本上为高碳m回，具有很高的硬度和耐磨性；心部为低碳m回，具有较高强度和足够的冲击韧性 。,（4）喷丸：提高表面的疲劳强度,（5）磨齿：提高齿轮精度和表面光洁度， 适用于精加工淬火后硬度较高的齿轮。,热处理的作用：,（1）正火：为了提高硬度，以利于切削加工。,（2）渗碳：20crmnti钢的渗碳温度为920左右，经查手册得知渗碳层厚1.21.6mm时所需渗碳时间为68h。,锻造正火加工齿轮渗碳淬火+低温回火喷丸磨齿（精磨）,渗碳前,渗碳前,渗碳后重新加热用压床进行淬火防止变形,渗碳后,渗碳并喷丸后,渗碳后用感应加热进行局部退火（退火处需要加工螺纹）,1、用途：机械制造中最广泛的一类钢。如：机床主轴、连杆螺栓、曲轴、汽车半轴等。,三、调质钢,经过调质处理后使用，得到 ，具有良好的综合性能，强韧配合。,调质件（螺杆）,3、成分特点,破碎机主轴,s回,（1） 中碳：0.250.5%c （2） mn、si、cr、ni：提高淬透性； 强化f （3）防止第二类回火脆性: w、mo,2、性能要求：良好的综合力学性能,中淬透性钢：,4、常用钢种及牌号,低淬透性钢： d 3040mm，40cr, 用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等。,d4060mm，35crmo，用于制造大中型零件。,高淬透性钢：,d 60100mm，用于制造大截面重载荷零件，如曲轴等。,5、热处理和组织性能,调质件的加工工艺路线为： 下料锻造退/正火粗加工调质精加工装配,（1）退/正火：考虑切削性能 （2）调质目的：获得良好综合力学性能 （3）使用状态下的组织为：s回,若表面要求耐磨的零件，可以再进行何种热处理？,表面淬火+低温回火；获得表面m回，心部s回,连杆-活塞,发动机,曲轴,连杆组件用材：,铜合金,锡基或铅基巴氏合金,40cr钢,1、连杆螺栓受力分析：,2、连杆螺栓材料：40cr钢,3、连杆螺栓加工路线：,4、连杆螺栓及其热处理工艺,下料锻造退火（或正火）机加工调质检验硬度加工螺纹装配,新进展：,1、低碳m钢：淬火+低回,2、中碳微合金非调质钢,无需淬火回火，直接控制轧制或锻造，空冷获得f+p， 但冲击韧性较差。,15mnvb代替40cr制造连杆螺栓，提高塑韧性的基础上，承载强度提高50%以上。,1、用途：专用钢，弹簧和弹性元件,四、弹簧钢,弹簧主要有螺旋弹簧和板簧两种，它是承受载荷，吸收冲击能量，缓和振动和冲击的。,2、性能要求,（1）高弹性极限，高屈强比； （2）高疲劳强度；（3）足够的塑性和韧性,3、成分特点,（1）中、高碳： 碳素弹簧钢为0.6-0.9%c；合金弹簧钢为0.5-0.7%c （2）mn、si：提高淬透性和屈强比；cr、v：提高回火稳定性； （3）对杂质要求严格，优质或高级优质钢。,（1）si-mn型：,4、常用钢种和牌号,（2）cr-v型：,65mn、60si2mn，价格便宜，钢淬透性优于65钢，强度较高，用于汽车、拖拉机上的中、小型弹簧，工作温度不超过250。,50crva， 高温强度和韧性进一步提高，可承受较大载荷的大弹簧，如发动机气门弹簧，可承受300的高温。,5、热处理及组织特点,（2）冷成型弹簧：钢丝冷成型定型处理。 用于8mm弹簧。（自行车刹车弹簧）,（1）热成型弹簧：热卷成型淬火+中温回火喷丸； 使用状态下的组织：t回，用于大截面弹簧(8mm),冷卷螺旋压缩弹簧,（去应力退火）,大型热卷弹簧,气门弹簧：50crv,卷制成型淬火+中温回火喷丸强化,火车螺旋弹簧：50crmn,卷制成型淬火+中温回火喷丸强化,自行车手刹弹簧：60,65,承受载荷小，精度要求不高,冷卷成型即可，去应力,五、滚动轴承钢,1、用途：,主要制造滚动的轴承的滚动体（球、柱、针）及内/外圈。,也可以制造量具，模具等耐磨件。,2、性能要求,（1）高的接触疲劳强度，接触应力可高达5000mpa。 （2）高的硬度和耐磨性。hrc62-64 （3）足够的韧性、淬透性和耐蚀性。,3、成分特点,（1）高碳：0.951.15%c ； （2）以cr为主，0.41.65%，主要作用是提高淬透性 千分数 （3）适当加入mn、si、v ，改善淬透性基础上不降低韧性 （4）冶金质量高，严格控制s和p的杂质含量,gcr9 gcr15 gcr9simn gcr15simn,4、常用钢种和牌号,（1）应用最广的是gcr15，gcr9大量用于中、小型轴承； （2）大型轴承用gcr15simn，这类钢还可用于制造模具、量具,5、 热处理和组织特点（过共析钢）,（1）预备热处理：,（2）最终热处理：,（3）精密轴承：冷处理+低回，稳定尺寸,正火+球化退火：消除网状渗碳体，降低硬度，获得球p，便于切削加工,淬火+低温回火：极细的的m回+均匀分布的碳化物，6165hrc,第五节 合金工具钢,工具钢是用于制造刃具、模具和量具的钢种。,刃具钢：制造车刀、铣刀、钻头等金属切削刀具 模具钢：制造冲压、模锻、挤压、压铸等模具 量具钢：制造样板、直尺、塞规、块规等,牌号命名：,crwmn： 9sicr：,工具钢的共性：,1、高硬度高耐磨 2、高热硬性 3、高淬透性，尽量缓慢冷却减少变形,数字的千分数（平均含碳量）+合金元素符号+该元素百分含量 当：c%1%时，c含量不标； c%1%时，用千分之几标出；,刃具钢,切削加工,（1）高硬度：hrc60 （2）高耐磨性：靠析出细小均匀的硬质碳化物来达到 （3）高热硬性：高温下保持高硬度的能力 （4）足够的韧性：以防止冲击载荷下的脆断和崩刃,1、用途：制造各种车刀、铣刀、锉刀、丝锥、板牙、钻头等,一、合金刃具钢,3、成分特点：,（1）低合金刃具钢： 高c：0.9-1.1%，加入cr、mn、 si 、w、v， （2）高速钢w18cr4v： c%：0.70-1.5%c ，合金元素含量高,2、性能要求：,w、mo产生二次硬化；cr提高淬透性；v高耐磨性、细化晶粒,车刀,锉刀,丝锥,板牙,钻头,铰刀,錾子,刮刀,（1）由碳素工具钢 t9 基础上+少量合金元素形成,4、常用钢种及牌号,低合金工具钢 9sicr,（2）性能： hrc60，使用温度250 300 ,（3）热处理：,（4）最终组织：,球化退火机加工（淬火 +低温回火）,回火m + 碳化物 + 少量a ,9sicr圆板牙的生产工艺路线：,板牙,锻造球化退火机械加工淬火+低温回火磨平面开槽开口,高速钢w18cr4v,又名：风钢；小尺寸空冷；大尺寸油淬+空冷，即可获得m,热处理工艺： 下料锻造退火机加工（淬火+回火）喷砂磨削成品,高速钢铸态组织,（5）回火后的组织：m回+碳化物+少量a ,（1）锻造：,（2）退火：,（3）淬火：,（4）回火：常用560，三次回火,打碎粗大的鱼骨状碳化物，使其均匀分布于基体中,降低硬度便于切削加工,高速钢导热性差，分段加热受热均匀；, 析出w、mo、v的碳化物，产生二次硬化 降低a的量，消除内应力和稳定组织,每个热处理工艺的作用：,淬火温度高，使合金元素充分溶入a，提高淬透/硬性,w18cr4v钢的退火组织,用途：用于制造冲压模、锻模、挤压模、压铸模等的钢。,二、模具钢,拉丝模,挤压模,分为冷作模具钢和热作模具钢。,冲压模,热模锻曲轴毛坯,锻模,连杆,1、冷作模具钢,（2）性能要求：工作时承受很大压力、冲击和摩擦；高硬度； 高耐磨性；足够的韧性和抗疲劳性；热处理变形小,常用钢种：cr12mov,（3）成分：,（1）用途：制造冷冲压模、冷镦模、冷挤压模、拉丝模等,高碳（1.02.0%c），保证高硬度和高耐磨性； cr：形成极硬的碳化物，并提高淬透性； mo、v：改善淬透性、提高回火稳定性、细晶作用。,冷作模具的热处理（和高速钢类似）,使用状态下的组织: m回+颗粒状碳化物+a(少量),cr12mov的工艺路线：下料锻造球退机加工淬火+回火精磨,（4）常用钢号：,（2）性能要求：,2、热作模具钢,5crmnmo（中小型热锻模具）；5crnimo（大型热锻模具） 使用状态下的组织: s回/t回,（3）成分：,中碳：0.30.6%c； cr，mn、ni： 提高淬透性和强度 w，mo，v：提高回火稳定性、二次硬化，防止第二类回火脆,热硬性和耐磨性；抗氧化性；热强性和韧性；耐热疲劳性。,（1）用途：用于热锻模、热挤压模等，工作温度可达600以上,热作模具的热处理,锻造后退火,消除锻造应力； 降低硬度，利于切削加工； 为随后的淬火作组织准备。,淬火及回火,预冷,油淬,回火托氏体+回火索氏体,5crmnmo的淬火及回火工艺,降低淬火应力减少变形,防止开裂,汽车四缸热压铸模,卡尺,1、用途：制造各种量具用钢,三、量具钢,块规,电子卡尺,如：游标卡尺、螺旋测微器、块规、塞规等,塞规,千分尺,2、性能要求,3、成分特点：,（1） 尽量降到低温度淬火，减少a； （2）淬火后 +（-70-80 ）冷处理 + 低温回火 （3）长时间低温时效处理，以消除内应力。,4、牌号：crwmn,量具在使用过程不能因磨损或尺寸不稳定影响测量。 （1） 高硬度和耐磨性；（2） 高的尺寸稳定性。,高碳（0.9%1