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第六章合金钢 工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类 碳素钢是指含碳量低于2 11 的铁碳合金 合金钢是指为了提高钢的性能 在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金 合金元素在钢中的方式A 形成固溶体 对Fe Fe3C相图的影响1 对奥氏体相区的影响 Mn Co Ni Cu C N等元素扩大奥氏体相区 Ti V Cr Mo W Si Al等元素缩小奥氏体区 6 1合金元素在钢中的作用与钢的分类 6 1 1合金元素在钢中的作用 锰对奥氏体相区的影响 铬对奥氏体相区的影响 A 扩大 区并与 Fe无限互溶的Fe Me相图 Me Mn Ni Co 室温下形成单相A B 部分扩大 区的Fe Me相图 Me C N Cu 2 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 使Acm线左移 扩大奥氏体区元素使A1 A3线下移 缩小奥氏体元素使A1 A3线上移 B 形成碳化物 1 非碳化物形成元素 Ni Co Cu Si Al N B 2 碳化物形成元素 Mn Cr Mo W V Nb Zr Ti强 3 强碳化物形成元素 V Nb Zr Ti 对钢中相变过程的影响1 对奥氏体化的影响 对奥氏体形成速度的影响 除Ni Co外 都减缓奥氏体化过程 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 Ti V Nb Al TiC VC NbC AlN 阻碍A长大 细化晶粒 Mn P C N促进长大 2 对过冷奥氏体转变的影响 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 常用提高淬透性的元素为Mn Mo Si Cr Ni B 对Ms Mf点的影响除Co Al外 所有元素使Ms Mf点下降 钢中A 增多 3 对回火转变的影响 提高耐回火性 淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称耐回火性 产生二次硬化含高W Mo Cr V钢淬火后回火时 硬度不仅不下降 反而升高的现象称二次硬化 沉淀硬化 防止第二类回火脆性 高温 与P有关 a 增大第二类回火脆性 Mn Cr Ni b 消除第二类回火脆性 Mo 0 5 W 1 1 固溶强化 溶于铁素体 Si Mn对强度 硬度提高显著 Cr Ni在适当范围内提高韧性 合金元素对铁素体冲击韧性影响 对钢力学性能的影响 溶质原子 晶格畸度 与位错相互作用 阻碍位错运动 强化 2 第二相强化 形成碳化物 合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为 第二相粒子 阻碍位错运动 强化 3 细晶强化 Nb V Al Ti 晶界 阻碍位错运动 强化 4 位错强化 位错 增殖并相互作用 阻碍位错运动 强化 1 热处理 淬火 回火 综合利用四种强化手段a 淬火 A M固溶强化 过饱和C和Me 位错强化 高密度位错细晶强化 极细小 不同取向的马氏体束b 回火第二相强化 析出细小碳化物粒子 2 合金化固溶强化提高淬透性提高回火稳定性 相同强度时 合金钢韧性更高 相同温度回火时 合金钢强度硬度更高二次硬化 钢的强化 6 1 2合金钢的分类与编号 常用钢产品的名称 用途 特性和工艺方法表示符号 GB T221 2000 合金钢编号牌号为碳含量 合金元素1 1元素的百分含量数字 合金元素2 2元素的百分含量数字 合金元素及其含量标注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 如20CrMnTi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 说明 合金工具钢含铬量小于1 时 含铬量以千分之一为单位标出 并在含铬量前加数字 0 如Cr06 滚动轴承钢含铬量也以千分之一为单位标出 并在牌号头部加字母 G 如GCr15 高级优质合金钢在牌号后加字母A 如60Si2MnA 特级优质合金钢在牌号后加字母E 如30CrMnSiE 碳含量标注 合金结构钢含碳量以万分之一为单位标出 两位数字 如40Cr 60Si2Mn 工具钢和特殊性能钢含碳量以千分之一为单位标出 一位数字 如8MnSi 4Cr13 说明 低合金工具钢含碳量大于1 00 时 不标含碳量 如CrWMn 1 0 C 高速钢不标含碳量 如W18Cr4V 含0 75 C 滚动轴承钢不标含碳量 如GCr15 1 0 C 高锰钢不标含碳量 如ZGMn13 0 75 1 45 C 珠光体耐热钢含碳量标注同结构钢 如15CrMo 铸钢在牌号前加 ZG 余同结构钢 如ZG20Cr13 不锈钢和耐热钢当含碳量为0 08 0 03 时 以 0 表示 如 0Cr18Ni9 含碳量上限为0 08 当含碳量为0 03 0 01 时 超低碳 以 03 表示 如 03Cr19Ni10 含碳量上限为0 03 当含碳量 0 01 时 极低碳 以 01 表示 如 01Cr19Ni11 含碳量上限为0 01 注 旧牌号 0 08 C时 标 0 0 03 C时 标 00 钢铁及合金的类型与统一数字代号 GB T176256 1998 一 工程构件用钢对性能的要求 使用性能以强韧性为主 工艺性能以可焊性 冷变形性为主 合金结构钢除少量为中高合金钢外 其余都是低合金钢 6 2结构钢 6 2 1工程构件用钢 二 低合金高强度结构钢1 性能要求 高强度 s 300MN m2 300 650MN m2 高韧性 低温韧性 低温工作 断裂韧性 焊接结构 良好焊接性能和冷成形性能 较高耐腐蚀性 大气 海洋等环境 2 成分特点与合金化原则 低C 0 2 主加元素 以Mn Si为主 Mn和Si固溶强化 辅加元素 V Nb Ti等元素细化组织Cu抗腐蚀 少量的稀土元素可改善韧性和工艺性能 3 热处理 热轧空冷后使用4 使用状态下组织 F P细5 典型钢号及其应用 按 s分5级 295 345 390 420 460MN m2 低强度级别 16Mn一般工程结构 中等强度级别 15MnVN大型桥梁 锅炉 船舶 焊接结构 高强度级别 18MnMoNb高压锅炉 高压容器 提高强度 达800MN m2 合金化 加入多种合金元素 Cr Mn Mo Ni Si B 热处理 淬火 高温回火 S回 保证韧性与焊接性能 超低碳化 0 02 0 04 C 控制轧制 5微米超细晶粒 发展专用钢 发展趋势 一 调质钢 调质后使用的钢种 1 用途 齿轮 轴 连杆 高强螺栓性能特点 高水平综合机械性能 能满足多种和较复杂的工作条件成分特点与合金化原则 中C 0 3 0 50 以0 4左右为主 加入提高淬透性元素Ni Si Cr Mn B 加入Mo W消除回火脆性 细化晶粒 Ti V 6 2 2机器零件用钢 回火索氏体 2 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为提高表面耐磨性 调质后可进行表面淬火或氮化 使用状态下的组织为 表面淬火 低温回火 装配 为表面淬火作组织准备 获得最终心部组织 表面 M回 心部 S回 3 常用钢号及用途 低淬透性 油淬临界直径20 40mm 40Cr 40MnVB一般尺寸重要零件 如齿轮 主轴 中淬透性 油淬临界直径40 60mm 35CrMo截面尺寸较大零件 如曲轴 连杆 高淬透性 油淬临界直径60 100mm 40CrNiMn大截面重载重要零件 如汽轮机主轴 叶轮 航空发动机轴 二 渗碳钢 制造渗碳零件的钢种1 性能要求 表硬里韧 良好淬透性和渗碳能力 2 成分特点 低碳 0 1 0 25 C 加Cr Mn Ni B等元素 Cr Mn Ni B 提高淬透性 Cr Mn Ni 强化铁素体 W Mo Ti V 细化晶粒 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 直接淬火 一次淬火 二次淬火 低温回火正火目的为调整硬度 便于切削加工 淬火温度 Ac1 30 50 4 使用状态下组织心部 低碳M回 F表层 高碳M回 颗粒状合金碳化物 A 少量 1 直接淬火 渗碳后 出炉预冷到略高于Ar3后淬火 再低温回火 奥氏体晶粒大 马氏体粗 残余A多 耐磨性低 变形大 只适用于耐磨性要求低和承载低的零件 2 一次淬火 渗碳出炉缓冷后 再加热到淬火温度后淬火 低温回火 心部要求高时 AC3以上30 50 表面要求高时 AC1以上30 50 3 二次淬火 第一次 改变心部组织及消除表层网状渗碳体 AC3以上30 50 第二次 细化表面组织AC1以上30 50 得细片M粒状碳化物 渗碳后的热处理 淬火 低温回火 160 180 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 凸轮轴等 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 三 弹簧钢 制造弹簧或类似性能零件的钢种 1 性能要求 弹簧是储存能量或缓和冲击的零件 高的 s s b 1 足够的韧性2 成分特点 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合金元素作用 提高淬透性 强化铁素体 Mn Si Cr 提高 s b Si 细化晶粒 提高回火抗力 V 3 热处理及组织特点 冷成型弹簧 冷拔 冷成型 定型处理用于 10mm 使用状态下的组织 T回 热卷大弹簧 弹簧丝 1 铅浴等温淬火冷拉弹簧钢丝钢丝加热到Ac3 Accm 100 200 完全奥氏体化 再在铅浴 480 540 中进行等温淬火 得到塑性高的索氏体组织 经冷拔后绕卷成形 再进行消除应力的低温退火 200 300 2 油淬回火弹簧钢丝冷拔钢丝退火后 冷绕成弹簧 再进行淬火 中温回火处理 得到回火屈氏体组织 3 硬拉弹簧钢丝冷拔至要求尺寸后 利用淬火 回火来进行强化 在冷绕成弹簧 并进行去应力退火 之后不再热处理 小尺寸的弹簧分为 板簧喷丸处理示意图 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 防止表面脱碳 避免表面缺陷 进行喷丸处理 使表面产生压应力 5 常用钢号及用途 以Si Mn合金化 65Mn 60Si2Mn用于汽车 拖拉机 机车的板簧和螺旋弹簧 以Cr V W合金化 耐热的弹簧用50CrVA350 400 以下重载 较大型弹簧如阀门弹簧 高速柴油机气门弹簧 四 滚动轴承钢 制造轴承套和滚动体专用钢种1 性能要求 轴承承受接触应力 交变载荷和摩擦 高而均匀的硬度 耐磨性 b 接触疲劳强度和足够的韧性 2 成分特点 高碳 0 95 1 10 C 主加Cr Cr Mn Si 提高淬透性 Cr还提高耐磨性和耐蚀性 3 热处理和组织特点滚动轴承钢是过共析钢 正火 消除Cem网 球化退火 便于切削 使渗碳体细小均匀 为淬火作准备 淬火 细针M 细碳化物 A 冷处理 60 80 精密零件 尺寸稳定 低温回火 M回 时效 120 140 10 20h去应力 稳定尺寸 4 常用钢号及用途 Cr轴承钢 GCr15 中小型轴承 冷冲模 量具 丝锥 添加Mn Si Mo V的轴承钢 GCr15SiMo GSiMnMoV 制造大型轴承 按用途分为刃具钢 模具钢和量具钢 6 3工具钢 一 刃具钢用来制造各种切削刀具的钢种 切削加工的基本形式 性能要求1 高硬度 HRC60 主要取决于含碳量 2 高耐磨性靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到 3 高热硬性即高温下保持高硬度的能力 4 足够的塑性和韧性以防止脆断和崩刃 低合金工具钢 250 300oC 在碳素工具钢基础上加入少量合金元素 3 5 形成 1 成分特点 高碳 0 85 1 5 C 合金元素作用 提高淬透性 Cr Mn Si Si提高回火稳定性 提高耐磨性 细化晶粒 W V 2 热处理及组织正火 球化退火 机加工 淬火 低温回火使用状态下的组织为 M回 颗粒状碳化物 A 少量 3 常用钢号及用途应用最多的是9SiCr 用于制造形状复杂 要求变形小的低速刃具 如丝锥 板牙等 高速钢铣刀 高速钢 600oC 制造高速切削刃具用钢 俗称锋钢 1 性能特点 高热硬性 达600 高淬透性 2 成分特点 高碳 0 70 1 5 C 高合金元素含量 提高淬透性 Cr 提高热硬性 耐磨性 W Mo V W18Cr4V钢的铸态组织 3 加工与热处理加工工艺路线 下料 锻造 球化退火 机加工 淬火 回火 磨削 锻造目的 打碎粗大的鱼骨状碳化物 使其均匀分布于基体中 W18Cr4V钢的退火组织 球化退火目的 降低硬度 便于切加工 为淬火作组织准备 退火后组织 S 颗粒状碳化物 淬火目的 获得高合金元素含量的马氏体 淬火后组织 M 未溶碳化物 10 A 20 W18Cr4V钢的淬火组织 淬火温度高 1200 回火目的 主要为减少A 消除内应力 常采用560 三次回火 回火时的组织变化 碳及合金元素含量下降 Ms点上升 回火冷却时 A 转变为M 在此温度范围内 由于碳化物从残余奥氏体中析出 称 二次淬火 W18Cr4V硬度与回火温度关系 析出W Mo V的碳化物 产生二次硬化 特殊碳化物W2C Mo2C VC呈细小弥散状从马氏体中析出 这些碳化物很稳定 难以聚集长大 从而提高了钢的硬度 称 弥散强化 每次回火加热都使前一次的回火马氏体进行回火 W18Cr4V钢淬火 回火后的组织 4 使用状态下组织M回 颗粒状合金碳化物 A 少量 不同状态下W18Cr4V的组织 5 常用钢号及用途常用钢号为W18Cr4V 18 4 1 和W6Mo5Cr4V2 6 5 4 2 用于高速切削刃具 如车刀 刨刀 铣刀 钻头等 双头钻 高速钢刀具 汽车冲压模具 二 模具钢用以制造冷热模具的钢种 冷作模具钢制造金属冷成型模具的钢种1 性能要求 高硬度和耐磨性 足够的强度和韧性 Cr12钢 2 常用钢种 Cr12型冷作模具钢 成分特点 高碳 1 4 2 3 C 高铬 11 5 13 Cr 合金元素作用 Cr提高淬透性 耐磨性 Mo V提高耐磨性 细化晶粒 汽车外板冷冲模 加工及热处理 同高速钢相同 最终热处理为 淬火 低温回火使用状态下的组织 M回 颗粒状碳化物 A 少量 常用钢号为Cr12和Cr12MoV 用于制造冷冲模 挤压模等 热作模具钢制造使加热金属或液态金属成型模具的钢种 1 性能要求 高温下良好的综合力学性能 抗热疲劳性能 高的淬透性和良好的导热性 曲轴模具 2 常用钢种 热锻模钢 0 3 0 6 C 5CrNiMo 5CrMnMo前者用于大型热锻模 后者用于中小型热锻模 成分特点 合金元素作用及热处理同调质钢 使用状态下的组织 S回 型板压铸模 压铸模钢常用3Cr2W8V 为过共析钢 中碳 0 3 0 4 C 合金元素作用同高速钢 W Cr有提高抗热疲劳作用 淬火 回火后组织 M回 颗粒状碳化物 A 少量 汽车四缸压铸模 三 量具钢制造各种量具用钢 如千分尺 卡尺 块规 塞规等 1 性能要求量具在使用过程中与被测零件接触 承受摩擦和冲击 高硬度和耐磨性 高的尺寸稳定性 足够的韧性 量规 量块 2 量具用钢 低碳钢渗碳 中碳钢表面淬火 碳素工具钢 低合金工具钢 用于尺寸小 形状简单 精度要求不高的量具 滚动轴承钢 冷作模具钢用于制造精密量具 不锈钢用于制造接触腐蚀介质的量具 3 量具钢的热处理特点 预备热处理组织为球化退火或调质处理组织 下限温度淬火及冷处理 目的是减少A 长时间低温时效 以消除内应力 降低马氏体的正方度 特殊性能钢是指在特殊工作条件或特殊环境 腐蚀 高温等 下具有特殊物理 化学性能的钢 本节介绍 6 4特殊性能钢 不锈钢带 不锈钢 耐热钢 耐磨钢 一 不锈钢在腐蚀介质中具有耐蚀性能的钢 金属的腐蚀化学腐蚀 金属在非电解质中的腐蚀 电化学腐蚀 金属在电解质溶液中的腐蚀 是有电流参与作用的腐蚀 防止电化学腐蚀的措施 获得均匀的单相组织 提高合金的电极电位 使表面形成致密的钝化膜 不同组织 成分 应力区域之间都可构成微电池 A 扩大 区并与 Fe无限互溶的Fe Me相图 Me Mn Ni Co 室温下形成单相A D 缩小并封闭 区 与a Fe无限互溶的Fe Me相图 不锈钢中合金元素的作用1 低碳 碳高 则降低耐蚀性 2 Cr 是提高耐蚀性的主要元素 形成稳定致密的Cr2O3氧化膜 Cr含量大于13 时 形成单相铁素体组织 提高基体电极电位 服从n 8规律 3 Ni 获得单相奥氏体组织 4 Ti Nb 防止奥氏体不锈钢晶间腐蚀 常用不锈钢1 马氏体不锈钢主要为Cr13型 Cr18型钢号为1Cr13 4Cr13 9Cr18随含碳量提高 强度 硬度提高 耐蚀性下降 1Cr13 2Cr13热处理 淬火 高温回火使用状态下的组织 S回 汽轮机叶片 性能 耐大气 蒸汽腐蚀及良好的综合力学性能 用途 用于要求塑韧性较高的耐蚀件 如汽轮机叶片等 3Cr13 4Cr13 9Cr18热处理 淬火 低温回火使用状态下的组织 M回性能 强度 硬度较高用途 用于要求耐蚀 耐磨件 医疗器械 量具等 2 铁素体不锈钢低C 0 15 cr 17 具有较好的塑性 强度不高 对硝酸 磷酸有较高的耐蚀性 典型钢号如0Cr13 1Cr17等 成分 高铬低碳 无 相变不能进行热处理强化 组织 单相铁素体 钢中 相 性能特点耐酸蚀 抗氧化能力强 塑性好 但有脆化倾向 475 脆化 加热到450 550 停留 产生脆化 再加热到600 快冷可消除 相脆化 在600 800 长期加热时 析出硬而脆的 相 用途广泛用于硝酸和氮肥工业的耐蚀件 3 奥氏体不锈钢主要为18 8 18Cr 8Ni 型 性能特点 具有良好的耐蚀性 冷热加工性及可焊性 高的塑韧性 无磁性 热处理 采用固溶处理 即加热到1100 使碳化物溶解后水冷 组织 单相奥氏体 不锈钢带 常用钢种为1Cr18Ni9 1Cr18Ni9Ti 用途 广泛用于化工设备及管道 晶间腐蚀是沿晶粒周界发生腐蚀的现象 危害很大 它是由于Cr23C6析出于晶界 使晶界附近Cr含量降到12 以下 在介质作用下发生强烈腐蚀 加Ti Nb则先于Cr与C形成不易溶于奥氏体的碳化物 避免晶界贫Cr 应力腐蚀奥氏体不锈钢易发生应力腐蚀 即在特定合金 环境体系中 应力与腐蚀共同作用引起的破坏 奥氏体不锈钢易在含Cl 的介质中发生应力腐蚀 裂纹为树枝状 4 奥氏体 马氏体沉淀硬化型C 0 04 0 13 cr 15 17 Ni 4 8 超低碳 保证高的耐蚀性 Al Mo Ti