碳钢及合金钢.ppt

3 1碳钢3 2合金钢3 3铸钢与铸铁3 4有色金属及其合金 第3章金属材料 3 1 1碳钢的成分和分类3 1 2碳钢的牌号及用途 3 1碳钢 3 1 1碳钢的成分和分类 成分 w C 2 11 Mn Si 固溶强化S 热脆P 冷脆O N H 强度 塑性 韧性 分类1 按C含量分低C钢w C 0 25 中C钢0 25 w C 0 6 高C钢w C 0 6 2 按质量分 S P含量 普通碳素钢 优质碳素钢 高级优质碳素钢 3 按用途分 碳素结构钢 碳素工具钢 3 1 2碳钢的牌号及用途 1 碳素结构钢2 优质碳素结构钢3 碳素工具钢 1 碳素结构钢 牌号 如Q215B 表示 s 215MPa 厚度 16mm B级质量 用途 钢板 钢筋 型钢等 作桥梁 建筑等构件 热处理 热轧空冷组织 S F 多边型角钢 螺钉 铆钉 钢筋 螺纹钢 2 优质碳素结构钢 牌号 如45钢 含C量为45 10000 0 45 摘自GB T699 1999 用途 较重要的零件 如齿轮 轴 连杆 弹簧等 汽车曲轴 热处理 渗碳 淬火 回火等 3 碳素工具钢 牌号 如T12A钢 含C量为12 1000 1 2 A表示高级优质 w S 0 020 w P 0 030 摘自GB T1298 1986 用途 冲头 凿子 钻头 锉刀 量规等 热处理 淬火 低温回火组织 回火M 粒状Fe3C A 3 2 1概论3 2 2合金结构钢3 2 3合金工具钢3 2 4特殊性能钢 3 2合金钢 3 2 1概论 合金钢的分类 按用途分类 合金结构钢 低合金结构钢 渗C钢 调质钢 弹簧钢 轴承钢等 合金工具钢 刃具 模具 量具钢 特殊性能钢 不锈钢 耐热钢 耐磨钢 合金钢的编号结构钢 如60Si2Mn w C 0 6 w Si 2 w Mn 1 5 工具钢 特殊性能钢 如9SiCr w C 0 9 w Si w Cr 均 1 5 而CrWMn中 w C 1 0 专用钢 如 滚动轴承钢GCr15 w C 1 0 w Cr 1 5 高级优质钢 如 20Cr2Ni4A 3 2 2合金结构钢 1 低合金结构钢2 渗碳钢3 调质钢4 弹簧钢5 滚动轴承钢 1 低合金结构钢 成分 w C 0 2 主加元素Mn 附加V Ti Nb 性能 强度 韧性高 焊接 冷成形性能好 摘自GB T1591 1994 热处理 组织 热轧空冷 S F 高压容器 桥梁 船舶 车辆 应用 2 渗碳钢 成分 w C 0 1 0 25 韧性好 合金元素提高淬透性 耐磨性 细化晶粒 性能 渗层硬度高 耐磨 抗接触疲劳 心部韧性高 强度大 热处理 组织 表层 回火M 碳化物 A 心部 低C的回火M T F 应用 耐磨件20Cr 小轴 活塞销 小齿轮 20CrMnTi 汽车齿轮 18Cr2Ni4WA 如曲轴 连杆 渗碳 淬火 低温回火 3 调质钢 成分 w C 0 25 0 50 合金元素消除回火脆性 提高回火抗力 强化F 性能 综合机械性能高 热处理 组织 表层 回火S 应用40Cr 一般尺寸重要零件 如齿轮 主轴 35CrMo 较大截面零件 如曲轴 连杆 40CrNiMo 大截面重载零件 如汽轮机主轴和叶轮 调质 可附加表面淬火或氮化 38CrMoAl 汽车曲轴 4 弹簧钢 成分 中 高碳 w C 0 45 0 70 Si Mn为主要元素 提高淬透性和屈强比 性能 e s 屈强比和疲劳抗力高 塑性大 耐震动 冲击 摘自GB T1222 1985 应用 65Mn 60Si2Mn 汽车 拖拉机 机车的板簧和螺旋弹簧 50CrVA 阀门弹簧 高速柴油机气门弹簧 常用的两类合金弹簧钢 以Si Mn为主要合金元素 65Mn 60Si2Mn 含Cr V W等合金元素 50CrVA 适合在350 400 重载弹簧 热处理 热轧弹簧 热成型 淬火 中温回火 喷丸冷轧弹簧 淬火 中温回火 冷成型 去应力 喷丸组织 回火T 5 滚动轴承钢 性能 高接触疲劳强度 高硬度和耐磨性 韧性 淬透性好 成分特点 高碳 保证高硬度 耐磨性和高强度 一般0 95 1 10 含碳量 Cr为基本合金元素 提高淬透性 并形成细小弥散分布的碳化物 提高钢的耐磨性 特别是疲劳强度 加入Si Mn V等合金元素 Si Mn进一步提高淬透性 可制造大型轴承 V部分溶于A中 部分形成VC 可以提高耐磨性并防止过热 高的冶金质量 钢中非金属夹杂和不均匀的碳化物对接触疲劳强度影响很大 一般采用电炉冶炼并真空除气处理 在热处理中必须保证碳化物的弥散分布 我国轴承钢分两类 铬轴承钢 GCr15添加Mn Si Mo V的轴承钢 GMnMoVRE 节约Cr 摘自GB T18254 2002 应用GCr15 中小型轴承 冷冲模 量具 丝锥 热处理 球化退火 淬火 低温回火冷处理 时效 120 140 10 20h 稳定尺寸 去应力 组织 回火M 细碳化物 少量A 1 合金刃具钢2 合金模具钢3 量具用钢 3 2 3合金工具钢 1 合金刃具钢 性能要求高硬度 机加工刀具HRC 60高耐磨性 刀具寿命和生产率 组织要求 硬而细小的碳化物 均匀分布在强而韧的钢基体中 高的热硬性 红硬性 高温下保持高硬度的能力 与回火稳定性有关 足够的韧性 以承受冲击载荷 低合金刃具钢 成分 w C 0 9 1 5 合金元素 5 性能 HRC 60 使用温度200 300 摘自GB T1299 2000 热处理 球化退火 机加工 淬火 低温回火 最终组织 回火M 合金碳化物 少量A 应用 如9SiCr 做板牙 丝锥等 高速钢 成分特点 高碳 w C 0 7 1 2 一方面保证能与WCrV等形成足量的碳化物 另一方面还要有一定的碳溶于奥氏体中保证M的硬度 加入Cr W Mo V等合金元素 Cr提高淬透性和抗氧化脱碳 W Mo保证红硬性 V形成VC 弥散分布 提高硬度和耐磨性 性能 高硬度 耐磨性 VC等弥散硬化高热硬性 600 时HRC 62 W2C等提高热硬性 高淬透性 尺寸不大时可空冷淬火 Cr等元素提高淬透性 热处理 锻造 球化退火 机加工 淬火 回火锻造目的 成型 使铸态粗大碳化物破碎 细化 分布均匀 淬火 1280 增加A M中合金含量 提高热硬性 淬火组织 左图 M 碳化物 A 最终组织 右图 回火M 粒状碳化物 少量A 回火 560 三次 W2C VC弥散硬化 二次淬火基本消除A 应用 高速车刀 钻头 铣刀等 2 合金模具钢 冷模具钢 冷冲 冷镦 冷挤压模等 性能 高硬度 耐磨性 足够的韧性和疲劳抗力 热处理变形小 应用小型模具 9Mn2V 9SiCr CrWMn等 大型模具 Cr12 Cr12MoV等 热处理变形小 成分特点 高碳 1 0 保证高硬度和耐磨性 加入Cr W Mo V等合金元素 形成难熔碳化物 提高耐磨性 如Cr12型钢中Cr含量达12 形成M7C3型碳化物 极大的提高耐磨性 且Cr还显著提高钢的淬透性 最终热处理 淬火 低温回火最终组织 回火M 碳化物 少量A 热模具钢 热锻 热挤压 压铸模等 性能 耐热性 热疲劳抗力高 应用中小型模具 5CrMnMo等 大型模具 3Cr2W8V等 淬透性好 H13钢 4Cr5MoV1Si 最终热处理 淬火 高温回火最终组织 回火T或回火S 3 量具用钢 卡尺 千分尺 塞规等 性能 高的硬度和耐磨性 良好的尺寸稳定性 应用简单量具 T10A T12A等 高精度量具 GCr15 CrWMn等 最终热处理 淬火 70 80 冷处理 低温回火 时效处理时效处理 120 130 保温几 几十小时 使M A 稳定 消除内应力 最终组织 回火M 碳化物 少量A 1 不锈钢2 耐热钢3 耐磨钢 3 2 4特殊性能钢 1 不锈钢 钢的抗腐蚀措施形成单相组织 加入Cr 降低两相的电极电位差 加入Cr Al等 生成致密的表面氧化膜 常用不锈钢F型 如1Cr17 化工设备 食品工业 M型 如1Cr13用于汽轮机叶片 3Cr13做手术器具及刀具 A型 如1Cr18Ni9Ti用于化工 食品 医疗行业 A F型 如1Cr21Ni5Ti 成分特点 1 含碳量 耐蚀性要求越高 含碳量应越低 一般C 0 1 防止晶间形成碳化物 晶界周围贫铬 2 加入主要耐蚀元素Cr 提高钢基体的电极电位 Cr 12 并在氧化介质中极易形成钝化膜 3 加入镍 形成单相奥氏体 显著提高耐蚀性 4 加入钼 铜 提高在非氧化介质中的钝化能力 5 加入钛 铌 优先形成碳化物 防止晶间腐蚀 不锈钢的成分 热处理 性能 奥氏体不锈钢常用的热处理工艺 1 水韧处理将钢加热至1050 1150 使碳化物充分溶解 然后水冷 获得单相奥氏体组织 提高耐蚀性 2 稳定化处理固溶处理后 将钢加热至850 880 使钢中Cr的碳化物完全溶解 而Ti等的碳化物不完全溶解 然后缓慢冷却 让溶于奥氏体的C与Ti以TiC形式析出 防止晶间腐蚀 用于含Ti或Nb的钢 3 消除应力退火将钢加热至300 350 消除冷加工应力 加热至850 以上消除焊接残余应力 耐热钢 抗氧化性 金属在高温下的抗氧化能力热强性 热强性是指钢在高温下的强度 用途 锅炉 燃气轮机等 耐磨钢ZGMn13 成分特点 高碳 保证硬度和耐磨性 但不超过1 4 保证韧性 高锰 保证完全获得奥氏体组织 一定的硅 改善钢水的流动性 并起固溶强化的作用 热处理 水韧处理加热至1000 1100 保温使碳化物全部溶解 水冷 在室温下得到单相A组织 硬度低 韧性高 性能 工件在工作中受到冲击变形时 表层产生加工硬化 及M转变 硬度显著提高 心部保持高韧性 用途 履带 铁道岔道 小结 重点要求1 合金钢的编号方法 会辩认各种钢号 2 合金结构钢的成分 热处理及组织 性能及用途 工具钢的性能 成分 热处理目的和方法 组织 一般要求 特殊性能钢 时效处理 热硬性等概念 作业3 P21 22week12 Nov162 3 7 9 21 3 2 5 P21 22week12 Nov182 4 6 10 12 3 1 3 4 6 7 作业3a 作业2f参考答案P9 11 2 27 除 外 几乎所有的合金元素都使Ms Mf点下降 因此淬火后相同C质量分数的合金钢与C钢相比 残余A 使钢的硬度 Co Al 增多 下降 3 26 所有的合金元素都能提高钢的淬透性 No 28 合金元素对钢的强化效果主要是固溶强化 No 作业2f参考答案P14 5 26 直径为10mm的共析钢小试样加热Ac 30 用图1 3所示的冷却曲线进行冷却 分析其所得到的组织 说明各属于什么热处理方法 答 a M A 单液淬火b M A 分级淬火c T M A 油冷淬火d 下B等温淬火e S正火f P完全退火g P等温退火 作业2f参考答案P15 5 29 说明直径为10mm的45钢试样分别经下列温度加热 700 760 840 1100 保温后在水中冷却得到的室温组织 答 700 F P760 M F840 M1100 粗M 33 甲 乙两厂生产同一零件 均选用45钢 硬度要求220 250HB 甲厂采用正火 乙厂采用调质处理 均能达到硬度要求 试分析甲 乙两厂产品的组织和性能差别 答 甲厂 F S乙厂 回火S 韧性较好 作业3参考答案P21