书第六章合金钢..ppt

1 2 第六章合金钢 3 合金钢是以铁和碳元素为基础 为了满足某方面的性能要求 有目的加入一些其他元素冶炼而成的钢 这种有目的加入的合金元素有铬 锰 硅 钼 钨 钒 钛 铌 硼 镍 锆 稀土等 合金元素加入后 可以提高钢的机械性能 改善钢的机械性能 有些合金元素的含量达到一定时 还可使钢具有某些特殊的机械性能或特殊的物理化学性能 第一节合金元素对钢的影响 一 合金元素在钢中的存在形式 4 一 合金元素溶入铁素体 几乎所有的合金元素或多或少地溶入铁素体而形成合金铁素体 由于合金元素与铁的晶格类型和原子半径有差异 故合金元素溶入铁素体后必然引起晶格畸变 从而产生固溶强化 使铁素体的强度和硬度升高 塑性和韧性下降 如图4 1及图4 2所示 5 由图可知 合金元素加入量愈多 铁素体的硬度就愈高 以硅 锰 镍元素为最显著 由图4 2可知 硅量在1 左右 锰量在1 5 左右 既能提高铁素体的硬度 又不降低韧性 铬元素含量在2 5 时 不仅能提高铁素体的硬度 又能提高韧性 6 二 形成碳化物b2 按照合金元素在钢中与碳的作用不同 可以将合金元素分为两大类 一类是不与碳作用的元素 因而不能形成碳化物 只能溶入固溶体 另一类是与碳有亲和力 能形成碳化物 不与碳化合的元素有 镍 硅 钴 铝 铜等 能与碳化合形成合金化物的元素 按其与碳的亲和力由若到强大致可排成下列次序 锰 铁 铬 钼 钨 钒 锆 铌 钛等 与碳亲和力较弱的元素 如锰 铬 钼 钨等 含量较少时 其中一部分以原子状态溶入固溶体 另一部分进入渗碳体而置换其中的铁原子 形成特殊的化合物 如Cr7C3或 Fe Cr 7C3 WC或 Fe W 6C等 7 第二节合金钢的分类及编号方法B2 一 合金钢的分类 合金钢的种类繁多 通常按钢的成分和用途来进行分类 一 按化学成分分类 1 按合金元素总含量的多少分为低合金钢 合金元素含量小于5 中合金钢 合金元素含量为5 10 及高合金钢 合金元素大于10 2 按加入的合金元素品种分为锰钢 铬钢 铬钼等 8 二 按用途分类 1 合金结构钢合金结构钢又分为两类 一类为建筑及工程结构用钢 即普通低合金钢 另一类为机器制造用钢 分为渗碳钢 调质钢 弹簧钢和滚动轴承钢等 2 合金工具钢合金工具钢又分为三类 刃具钢 包括低合金刃具钢及高速钢 模具钢 包括热模具钢和冷模具钢 量具钢 3 特殊性能钢特殊性能钢又按所具有的特殊物理 化学和机械能分为磁钢 不锈钢 耐热钢 耐磨钢等 9 二 合金钢的编号方法 我国合金钢的牌号 由冶金部统一规定 是按照合金钢的用途和化学成分 用数字和元素的化学符号相结合的方法来表示的 一 合金结构钢 编号是 两位数字 元素符号 数字 前面的两位数字表示钢中平均含碳量的万分数 元素符号是指所含的合金元素 元素符号后的数字表示该元素在钢中的平均含量小于1 或1 5 时 钢号中只表明元素符号 不标数字 如果为2或3 则表示该元素的平均含量为1 5 2 5 或2 56 3 5 余类推 例如40Mn2 表示钢中平均含碳量为0 4 平均含锰量为2 20Cr3MoWV 表示钢中平均含碳量为0 2 平均含铬量为3 钼 钨 钒元素的含量均小于1 5 10 合金结构钢中 滚动轴承钢的编号用 G 字起首 不标含碳量 而标所含铬的元素符号Cr及其平均含量的千分数 如GCr15 表示含碳量0 95 1 15 含铬量1 3 1 65 的滚动轴承钢 11 二 合金工具钢 编号 一位数字 或无数字 元素符号 数字 一位数字表示含碳量的千分数 合金元素及其含量的表示方法与合金结构相同 如果合金工具中的含碳等于或大于1 0 用来表示含碳量的数字就省略 否则易与合金结构的钢号混淆 例如9Mn2V 表示钢中平均含碳量为0 90 平均含锰量为2 含铬量小于1 又如CrW5 表示钢中含铬量小于1 5 平均含钨量为5 含碳量则 1 经查表可知为1 25 1 50 12 高合金工具钢中的高速钢 其含碳量虽小于1 但在钢号中也不标出含碳量的数字 例如W9Cr4V2 表示钢中平均含钨量为9 平均含铬量为4 平均含钒量为2 其含碳量经查表可知为0 85 0 95 13 一 特殊性能钢 特殊性能钢一般可分为高合金与低合金两大类 高合金的特殊性能钢的钢号表示方法与合金工具钢相似 例如2Cr13 表示钢中平均含碳量为0 2 平均含铬量为13 又如1Cr18Ni 表示钢中平均含碳量0 1 平均含铬量为18 平均含镍量为9 含钛量小于1 14 在某些情况下 高合金特殊性能钢的含碳量 在钢号中也不标出 而直接写出所含的合金元素及其含量 例如Cr25Ti 钢中平均含铬量为25 含钛量小于1 经查表可知含碳量 0 12 低合金特殊性能钢的钢号表示方法与合金结构钢相似 例如25Cr2Mo1V 钢中平均含碳量为0 25 平均含铬量为2 平均含钼量为 含钒量小于1 15 含硫 磷量极少的高级优质合金钢 其钢号的后面应以A 例如50CrVA 一些作专门用途的合金钢 还有专门的钢号记号 例如16Mng 钢号中的g表示锅炉用钢 第三节合金结构钢 概念 用于制造各种机械零件以及用于制造各种工程结构的钢 称为结构钢 合金结构钢中常用的合金元素为锰 铬 镍 钨 钼 钒 钛等 锰 铬 镍等元素对提高钢的综合力学性能起着主要作用 可称为主加元素 钨 钼 钒 钛等元素加入后能提高钢的淬透性 细化晶粒 为进一步改善钢的性能起着辅助作用 可称为辅加元素 合金结构钢按成分以及用途的不同又可分为普通低合金钢 渗碳钢 弹簧钢 滚动轴承钢等 16 一 普通低合金钢 普通低合金钢是在普通碳素结构钢中加入少量的的合金元素 总含量小于3 后冶炼成的工程材料 又称为高强度工程用钢 简称普低钢 这类钢具有良好的焊接性能和机械性能 耐蚀性也较好 主要用于制造桥梁 车辆 船舶等工业 火电厂锅炉汽包 各种管子 炉顶主梁 风机叶片 高压油管等也广泛应用这种钢制造 普低钢中含碳量一般控制在0 2 以下 含碳量高 回降低塑性和韧性 也影响焊接性能 普低钢中主加元素是锰 硅 常用辅加元素有钒 钛 铌或稀土等 如加如钼 硼还能提高珠光体的稳定性 增加钢的热强性 用钼 硼作辅加元素的普低钢近几年得到了迅速发展和应用 17 常用普低钢的机械性能及用途 18 19 复习做习题 Seeyounexttime 20 二 渗碳钢 渗碳钢的含量很低 一般为0 1 0 25 以保证渗碳零件心部有足够的韧性和塑性 20Cr 20CrMnTi合金渗碳钢中的主加元素是铬 锰 镍 硼等 以提高钢的淬透性 强化渗碳层和心部组织 辅加元素为钼 钨 钛 钒等 以形成稳定而硬度高的碳化物 并能有效地阻止奥氏体晶体的长大 进一步改善钢的机械性能 21 三 调质钢 合金调质钢的含碳量一般为0 25 0 5 属于中碳钢 主加元素为铬 锰 硅 镍等 这些元素可以提高淬透性 强化铁素体 辅加元素是钼 钨 钒 肽 硼 铝等 这些元素含量一般较少 但能防止钢的高温回火脆性及奥氏体晶粒的粗化 这类钢热处理一般是油淬后在500 650 温度下回火 调质后的组织一般为索氏体 这类钢具有良好的综合力学性能 重要的机器零件 如轴类 齿轮 螺栓和连杆等多用合金调制钢制造 22 四 弹簧钢1 化学成分 WC 0 45 0 70 常加合金元素 Si Mn Cr辅加合金元素 W Mo V B等 2 金相组织 回火托氏体3 性能特点 a 较高的弹性极限 b 屈强比高 s b c 疲劳强度高 d 足够的冲击韧性 e 良好的表面质量 4 典型零件 汽车减振弹簧常用55Si2Mn 23 弹簧钢是制造各种弹性零件用钢 弹簧钢的含碳量为0 5 0 7 常加入的合金元素有提高淬透性和强化铁素体元素如Mn Si和Cr 还有提高回火稳定性和高温强度及细化晶粒作用的元素如Mo W V Nb等 65Mn 60Si2Mn是典型的弹簧钢牌号 弹簧常见的失效方式为弯曲疲劳或扭转疲劳破坏 也可能由于弹性极限较低引起弹簧的过量变形或永久变形而失去弹性 弹簧必须具有高的弹性极限与屈服点 高的屈强比 高的疲劳极限及足够的冲击韧性和塑性 24 弹簧钢常见的热处理工艺是采用热轧成形后淬火 中温回火 450 550 获得回火托氏体组织 处理后具有高的弹性极限和疲劳极限 广泛用于制造各种类型的弹簧零件 25 五 滚动轴承钢 滚动轴承钢含碳量较高以保证高硬度 高耐磨性 一般为0 95 1 10 主要加入的合金元素为Cr 最具代表性的是GCr15钢 失效方式为接触疲劳破坏产生的麻点或剥落 长期摩擦造成磨损而丧失精度 处于润滑环境下而带来的锈蚀 滚动轴承钢的热处理一般为淬火 低温回火 处理后组织为回火马氏体 碳化物 具有较高的硬度和耐磨性 26 第四节合金工具钢 工具钢按用途不同又可分为刃具钢 量具钢 模具钢等 各种工具钢的性能要求有差异 刃具钢应具有高的硬度和耐磨性 一定的强度和韧性 在大负荷或高速切削时 还要求具有热硬性 量具钢应具有高的硬度 高的耐磨性和尺寸稳定性 冷模具钢应具有高硬度 高耐磨性 以及较高的强度和一定的韧性 热模具钢应具有高的韧性和抗热疲劳性能 27 合金工具钢的含碳量一般较高 约为0 65 1 5 主要加入的元素有铬 钨 钼 钒等 铬是最基本的加入元素 能有效地提高钢的淬透性 从而增加钢的硬度和耐磨性 钨 钼 钒都是碳化物形成元素 加入后通过弥散硬化可以显著地提高钢的热硬性和耐磨性 28 一 刃具钢 刃具钢主要是指制造车刀 铣刀 钻头 丝锥 板牙等切削刀具的钢种 刃具在工作中受到很大的切削力 震动 摩擦及切削热的作用 因此 刃具钢应具有高硬度和耐磨性 并能在高温状态下维持其高硬度 即有热硬性 此外 刃具钢还应有足够的强度和韧性 以免在切削过程中发生断裂或崩刀 刃具钢按合金元素的含量一般可分为低合金刃具钢和高速钢 29 一 低合金刃具钢 低合金刃具钢的合金元素总含量为3 5 加入铬 锰 硅等合金元素来提高淬透性和回火稳定性 加入钨 钒等强碳化物元素以提高钢的硬度和耐磨性 低合金刃具钢的预备热处理为球化退火 最终热处理为淬火 低温回火 其组织为回火马氏体 未溶碳化物 残余奥氏体 主要用于制造淬火变形小的低速切削刃具 表4 6为常用低合金刃具钢的化学成分 热处理规范及用途 30 表4 6常用低合金刃具钢的化学成分 热处理规范及用途 31 32 二 高速钢b3 高速钢是含合金元素量较多的高合金刃具钢 可在600 650 保持高硬度 适宜制造较高切削速度的刃具 如车刀 铣刀 刨刀 钻头 机用锯条等 高速钢中含碳量较高 0 7 1 4 并含有较多的碳化物形成元素钨 铬 钒等 钨在高速钢中的含量为6 19 钨是提高高速钢热硬性的主要元素 钨与碳能形成未定的碳化物 可有效地组织奥氏体晶粒长大 铬在高速钢中的含量为3 85 4 4 铬的主要作用是提高钢的淬透性 钒在高速钢中的含量为1 4 4 钒也是提高热硬性的主要元素之一 钒的碳化物硬而且细碎 分布均匀更为稳定 使钢具有高的耐磨性 33 表4 7为常用高速钢的化学成分 热处理规范及用途 34 二 量具钢 量具钢的含碳量为0 9 1 5 常加合金元素有Cr W Mn等 量具钢热处理一般采用淬火 冷处理 高温回火 人工时效的工艺 冷处理的目的是减少残余奥氏体的含量 人工时效是在100 150 下长时间保温 进一步稳定组织和消除内应力 量具钢主要用于制造量规 塞规 游标卡尺和千分尺等工具 三 模具钢 模具钢分为冷模具钢和热模具钢 冷模具钢含碳量一般为1 3 1 5 主要加入元素为Cr Mo V Cr12和Cr12MoV是常用的冷模具钢 广泛用于冷冲模 冷弯模和冷挤压模等 热模具钢的含碳量一般为0 3 0 6 为保证足够的强度和韧性 常加入合金元素为Cr Ni Mn Si Mo W V等 主要用于制造热锻模具 热挤压模等 35 表4 8为常用模具钢的热处理规范及用途 36 第五节特殊性能钢 在钢中加入一些合金元素后 可以使合金钢具有某些特殊的物理 化学或机械性能 用以制造工程上有特殊性能要求的机械雾件 这种合金钢又称为特殊用途钢 常用的特殊性能钢有磁钢 不锈钢 耐热钢和耐磨钢等 一 磁性和磁化曲线 能吸引铁磁性材料的性能称为磁性 磁性材料的磁力大小可用透磁率 来表示 式中B 磁感应强度 T H 磁场强度 A m 一 磁钢 37 二 不锈钢 工程上就将含铬量超过12 的钢称为不锈钢 一 铬不锈钢 铬不锈钢的主要钢种有Cr13 2Cr13 3Cr13等 其化学成分 热处理 组织 力学性能及用途见表4 9所示 Cr13型不锈钢的含碳量是适应机械性能需要的 必须指出 随着含碳量的增加 钢的强度和硬度有所提高 但其耐腐蚀性将下降 1Cr17型不锈钢属于铁素体类型 它在升温时不发生 相变 因而不能接受淬火强化 但是这种钢不仅耐蚀性好 而且塑性也较好 这是由于含铬量较高而且又具有单相铁素体组织 38 二 镍铬不锈钢 最早应用的镍铬不锈钢为含铬18 含镍8 习惯上称18 8钢 这种钢具有很高的腐蚀性能 而且无磁性 塑性和韧性较好 有良好的焊接性能 但是有晶间腐蚀的倾向 为了进一步提高耐腐蚀性能 防止晶间腐蚀 就在18 8钢的基础上 多加了点镍 又加入了4 0 8 的钛 做成18 9型或含钛的18 9型镍铬不锈钢 铬镍不锈钢中的含碳量都很低 含碳量提高不利于耐腐蚀性能 钢中约含18 的铬 主要是为了提高钢的耐腐蚀性能 约含9 的镍 主要是扩大 区域 降低钢的Ms点温度 降低至室温以下 使钢在室温时具有单相的奥氏体组织 单相奥氏体钢能进一步改善耐腐蚀性能 这种钢又成为奥氏体不锈钢 39 钢中加钛的目的 是因为钛与碳的亲和力大 可以防止晶界上的铬析出 避免产生晶间腐蚀 镍铬不锈钢淬火后并不能提高其硬度和强度 只是通过淬火使镍铬不锈钢成为单相的奥氏体组织 从而有高的耐腐蚀性能 所以这种热处理又叫做固溶处理 镍铬不锈钢有明显的加工硬化现象 所以通过冷变形加工可提高钢的强度 这是镍铬不锈钢提高强度的唯一途径 进十几年来 研制用锰元素代替镍做奥氏体不锈钢 锰也能有效的扩大 区域并降低Ms温度 新研制的以锰代镍奥氏体不锈钢有Cr17Mn11Mo2N Cr18Mn11Si2N及Mn18Cr10MoVB等 这些钢种已在化工及动力设备上开始应用 b2 40 高锰钢 习惯上总是将高锰钢称之为耐磨钢 它的主要成分是含碳量为1 0 1 3 含锰量为11 14 Mn C 10 12 其钢号是Mn13 由于该钢种是铸造成型的常写成ZGMn13 实践证明 高锰钢只有在全部获得奥氏体组织时才呈现出最为良好的韧性和耐磨性 例如喷砂机的喷嘴 选用高锰钢或碳钢来制造 其使用寿命几乎是相同的 这是因为喷砂机的喷嘴所通过的小沙粒不能引起高锰钢的加工硬化 因此 喷砂机喷嘴的才就用不着选择高锰钢 41 为提高高锰钢的耐磨性 在高锰钢中添加了铬 钼 钒 钛等元素 还有用降低一些含锰量 做成中锰加铬 铜 钒 钛等元素的耐磨钢