第七章 低合金与合金钢.doc

淮安信息职业技术学院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： 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。2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FeFe3C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500600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500600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(s0.045、p0.045) 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。 (3)特殊质量低合金钢(s0020、p0020) 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S390 Mpa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c=O4，含锰量较高(Mn1.5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形成的钢。钢中c 0.2，常加入的合金元素有硅、锰、性、铌、钒等，其总含量Mn3。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： 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0035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(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15时，元素符号后盾不标出数字；若干均含量为152.4、2.53.4、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Cr=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Cr=1. 5、Si和Mn均1.5%的轴承钢。无铬轴承钢的编号方法与结构钢相同。3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c1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c1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C1%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c=O.100.25，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(180200)。 (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1 0001 200MPa)。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，要求高强韧性和耐磨性的大型零件。常用牌号有20Cr2Ni4钢、20Cr2Ni4VA钢。2.合金调质钢合金调质钢是指经调质后使用的钢。主要用于制作要求综合力学性能好的重要零件，如机床主轴、汽车半轴、连杆等。(1)化学成分 合金调质钢的C=0.250.50，含碳量过低，不易淬硬，回火后强度不够；含碳量过高，韧性差。(2)热处理特点 为改善合金调质钢锻造后的组织、切削加工性能和消除应力，切削加工前应进行退火或正火。最终热处理一般为淬火、高温回火，以获得良好的综合力学性能，其组织为回火索氏体。对于某些零件不仅要求有良好的综合力学性能，而且在某些部位还要求硬度高、耐磨性好。因此，对这些零件在调质后还要进行感应淬火或渗氮。(3)常用合金调质钢 合金调质钢按摔透性高低分为以下三类：低淬透性合金调质钢 这类钢含合金元素较少，淬透性较差，但经调质后强度比碳钢高，工艺性能较好。主要用于制作中等截面的零件。常用的牌号有40Cr钢、40MnB钢、42SiMn钢。中淬透性合金调质钢 这类钢含合金元素较多，淬透性较高，调质后强度高。主要制作截面较大，承受较大载荷的零件。常用牌号有40CrMn钢、35CrMo钢、38CrMoAl钢、40CrNi钢等。高淬透性合金调质钢 3、合金弹簧钢合金弹簧钢主要用于制造各种机械和仪表中的弹簧。弹簧是利用弹性变形来储存能量，减缓振动和冲击，弹簧一般在交变载荷下工作，受到反复弯曲或拉、压应力，常产生疲劳破坏。 3、常用合金弹簧钢 应用最广泛的是60Si2Mn钢，其淬透性、弹性极限、屈服点和疲劳强障度均较高，价格较低。主要制作截面尺寸较大的弹簧。4、高锰耐磨钢高锰耐磨钢是指在巨大压力的强烈冲击作用下才能发生硬化的钢。二、轴承钢轴承钢主要用于制作滚动轴承的滚动体和内、外圈等，属于专用结构钢。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 第五节 合金工具钢与高速工具钢 第六节 不锈、耐蚀钢与耐热钢 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： 合金工具钢和高速工具钢的作用。 五、教学难点： 合金工具钢和高速工具钢的作用。 六、使用教具： 挂图。 七、课后作业： P127：13、14、15。 八、课后小结： 第五节 合金工具钢与高速工具钢一、合金工具钢合金工具钢是指用于制造各种刃具、模具和量具用钢的总称。1、量具、刃具钢（1）量具用钢 量具用钢是指用来制作各种测量工具(如卡尺、千分尺、块规、塞规等)的钢。量具工作时，主要受摩擦、磨损，承受外力很小，因而要求量具用钢要有高的硬度耐磨性和良好的尺寸稳定性。量具经淬火、低温回火后，组织为回火马氏体和少量残留奥氏体，在使用和放置过程中因组织发生变化，导致量具形状尺寸变化。为保证量具精度和提高尺寸稳定性，常在淬火后立即进行-80左右的冷处理，使残留奥氏体转变为马氏体，然后低温回火，再经磨削，最后进行稳定化处理，使淬火组织尽量转变为回火马氏体，并消除应力。（2）合金刃具钢 合金刃具钢主要制作切削刃具(如板牙、丝锥、铰刀等)：刃具工作时，刃部与切屑、毛坯间产生强烈摩擦，使刃部磨损并产生高温(可达500600)：另外，刃具还承受冲击和震动。2合金模具钢合金模具钢按使用条件不同分为：冷作模具钢、热作模具钢和塑料模具钢等到。（1）冷作模具钢 冷作模具钢是用于制造在冷态下变形或分离的模具。（2）热作模具钢 热作模具钢是用于制造使热态一金属或合金在压力下成型的模具。（3）塑料模具钢 塑料模具钢是塑料模具是用的钢。二、高速工具钢高速工具钢是含有较多合金元素的合金钢,它具有高的热硬性，当切削温度高达600度时，仍有良好的切削性能，故称“锋钢”。1化学成份高速钢含碳量0.70%1.25%。2高速工具钢的锻造与热处理特点高速钢属于莱氏体钢，铸态组织中有粗大鱼骨状的合金