第四章合金钢1-wg

第四章合金钢 alloysteel 合金元素在钢中的作用 尤其是合金元素对钢的热处理的影响 合金钢的编号方法 会辩认各种钢的牌号 各类合金钢的成分 热处理方法 热处理后的组织 性能的特点以及主要用途 主要掌握内容 一 合金元素在钢中的作用 一 合金元素改善钢的热处理性能细化奥氏体晶粒提高钢的淬透性回火转变的影响 细化奥氏体晶粒 V Ti Nb Zr Al等元素 可形成VC TiC AlN等化合物 比Fe3C更加难溶解 成为坚固的质点 钉住晶界 阻碍晶粒长大 E 硬质点对晶界的钉扎作用 pinningeffect 晶界能量变化 晶界 硬质点 提高钢的淬透性 1 除Co以外 所有合金元素都使C曲线右移 从而使临界冷却速度Vk下降 过冷奥氏体 A过 稳定 淬透性提高 2 W Cr Mn可使C曲线右移并改变形状 如图所示 3 合金元素使M体转变温度Ms和Mf下降 从而使工件淬火后残余奥氏体增多 硬度下降 合金元素对回火转变的影响 1 提高回火抗力 回火稳定性 M体的分解温度越高 分解速度越慢 淬火硬度保持越好 例如 T8钢 400 时 M体分解完毕 硬度大大的下降 W18Cr4V 800 时 M体不分解 淬火硬度不变 其硬性高 2 产生二次硬化1 沉淀性 二次硬化 高温回火析出VC WC使硬度提高 2 二次淬火型 二次硬化 回火时 A M体 硬度提高 3 回火脆性的防止第一类回火脆性 低温回火脆性 不可逆回火脆性 a 温度 250 400 b 原因 碳化物沿M体晶间析出 使韧性大大的下降 c 防止措施 避免在250 400 温区回火 缓慢冷却 a 温度 500 650 b 原因 杂质 Sb Sn P 向晶界处偏聚 使韧性大大的降低 c 防止措施 回火后快冷 抑制杂质偏聚 小尺寸 加入0 25 Mo或1 2 W 可防止偏聚 大尺寸 重新加热至600 偏聚元素可溶解 第二类回火脆性 高温回火脆性 可逆性回火脆性 二 合金元素提高钢的使用性能 合金元素使钢强化合金元素使钢获得特殊性能 合金元素使钢强化 1 固溶强化 合金元素溶入F体内 形成合金F体 Si Mn Ni使F体的硬度提高 通常 Si 0 6 Mn 1 5 否则会降低钢的韧性 2 第二相强化 W Mo Cr V Nb可置换Fe3C中的Fe原子 形成合金渗碳体如 FeCr 3C FeV 3C 使钢的硬度 强度提高 还可形成特殊化合物 如 VC WC NbC 熔点高 硬度高 使钢的硬度 强度大大的提高 3 细化晶粒 合金元素能细化A体晶粒和M体针条 使钢的硬度 强度和韧性提高 合金元素使钢获得特殊性能 1 形成稳定的单相组织 Ni Mn使Fe Fe3C相图中的S和E点向左下移动 当A体的存在温度由727 扩展至室温时 就有了奥氏体钢 例如 1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢 ZGMn13 奥氏体耐磨钢 727左下移动 2 Cr使Fe Fe3C相图中的S和E点向左上移动当A体区缩小 消失 钢在任何温度下都是F体组织 例如 Cr17 Cr18 铁素体不锈钢 3 形成致密氧化膜和金属间化合物 氧化膜 SiO2 CrO2 Al2O3等 提高钢的耐蚀性 金属间化合物 FeSi Ni3Ti等 提高钢的高温蠕变抗力 二 合金钢的分类及牌号 一 合金结构钢1 牌号的表示方法 例如 60Si2MnC 60 10000 0 6 Si 2 Mn 1 5 数字 合金元素符号 数字 以万分数表示该钢平均碳含量 主加合金元素 以 表示合金元素含量 2特殊规定 1 合金元素后无数字 表示该合金元素含量 1 5 如上例Mn 1 5 2 以千分数表示合金元素平均含量 例如GCr15 Cr 1 5 3 高级优质钢 后缀 A 例如 38CrMoAlA 高级优质4 表明钢的用途 例如Y40 易切削钢 GCr15 滚动轴承钢 1 牌号表示方法 例如 9SiCrC 9 1000 0 9 Si Cr1 0 2 不遵守1 规定 例如 高速钢W18Cr4V C 0 7 0 8 数字 合金元素符号 数字以千分数表示该钢平均碳含量 以 表示合金元素含量 主加合金元素 二 合金工具钢 1 牌号表示方法 同工具钢 例如3Cr13 C 3 1000 0 3 2 特殊规定 1 当碳含量 0 08 时 钢号前冠以 0 例如 0Cr13 C 0 08 2 当碳含量 0 03 时 钢号前冠以 00 例如 00Cr18Ni10 C 0 03 三 特殊性能钢 1 低合金钢 合金元素Me10 按合金元素含量分类 二 合金结构钢 一 低合金结构钢 大气海洋中的大型焊接结构件 建筑结构 桥梁 车辆 船舶 油气管道 压力容器 High strengthwirewithatensilestrengthof180kilogramspersquaremillimeter kg mm2 wasusedratherthanthestandard160 kg mm2wire Eachstrandwastransportedtotheconstructionsitewhereitwaspulledfromoneanchorageoverthesaddleofeachtowerandfastenedtotheoppositeanchorageframe Thisprocedurewasrepeated289timestofabricateeachmaincable Eachmaincablewasseparatedattheanchoragebyasplaysaddlepriortoattachmenttothesteelframeinsidetheanchoragetoequallydistributecabletensiontothefoundation Aspeciallydesignedcable squeezingmachinewasusedtocompressthe290parallelwirestrandsintothefinal1 12 meter diametercable World sLongestSuspensionBridgeAkashiKaikyoBridge U S 3 6billion ThesteelforNimitz classaircraftcarriersmustbeabletowithstandtheimpactofa37 ton F 14Tomcataircraftlandingonthedeckat150milesanhour shieldaship screwfromradiationgeneratedbyonboardnuclearreactors andtaketheimpactofshellsandotherprojectiles Manytypesofsteelareusedintheirconstructionandintheassociatedpipelines includingcarbon microalloyed alloyandstainlesssteels Thefabricationprocessforanoffshoreplatforminvolvesextensivewelding Highstrengthsteelplateisusedforthedeckingandtubularsupportstructure 1 成分及性能特点 低碳 C 0 2 低合金 Me 3 高强度 b低合 1 5 b普碳 屈强比 s b 0 65 0 75应具有良好的工艺性能 可焊性 可锻性好 2 牌号及应用 1 普通低合金结构钢 如16Mn 亦称Q345 用于建筑 桥梁 2 低温用普低钢 如09MnNb Nb提高低温韧性 用于制冷设备 3 耐腐蚀普低钢 如12MoAlV Al形成Al2O3膜 提高耐蚀性 4 预应力梁钢筋 如45MnSiV b 900Mpa 可施加大的预应力 5 轻轨 如45SiMnP 70MnSi等 Si P提高其耐磨性 低合金结构钢 3 热处理 1 一般工件 正火 组织 F P 细 2 压力容器 调质处理 组织 S回 二 合金渗碳钢 制造表硬心韧工件 如变速箱齿轮 凸轮轴 2003Brooks Cole adivisionofThomsonLearning Inc ThomsonLearning isatrademarkusedhereinunderlicense 低碳 C 0 10 0 25 保证心部韧性和渗碳的浓度梯度 淬透性高 可加入Cr Ni Mn B 提高淬透性 保证心部韧性 渗碳工艺性能好 1 速度快 碳的吸收 扩散快 2 变形小 淬火后工件变形要小 3 梯度平 控制W Mo V Ti的含量 如果太高 可使碳的浓度梯度变陡 出现块状碳化物 易剥落 1 成分和性能特点 2 常用牌号及热处理 低淬透性合金渗碳钢 如20Mn2 20Cr 用于小尺寸 小载荷的小齿轮 活塞销等 采取 二次淬火法 改善心部性能 中淬透性合金渗碳钢 如20CrMnTi 用于制造高速 高摩擦的汽车变速箱齿轮 渗碳后采取 直接淬火法 高淬透性渗碳合金钢 如18Cr2Ni4WA 用于制造高载荷 高摩擦的飞机 坦克的主轴和主动齿轮 用20CrMnTi钢制造汽车变速箱齿轮的热处理工艺曲线分析 锻坯 正火 加工齿形 局部镀铜 渗碳 预冷淬火 低回 喷丸 磨齿 1 制造工艺路线 2 热处理工艺曲线 正火 改善锻造产生的过热组织 改善切削加工性能 渗碳 在930 渗碳7小时 渗层厚 1 2 1 6mm 预冷至870 油淬 低回 表层 M回高 A 碳化物 硬度 58 60HRC 心部 F M回低 硬度 35 45HRC 喷丸 清除氧化皮 硬化表层 增加压应力 提高疲劳强度 三 合金调质钢 调质 淬火 高回 得到S回 工件综合力学性能好 如主轴 曲轴等 汽轮机主轴 成分 属于中碳钢 C 0 4 如40Cr钢淬透性要好 淬透 S回 F 球状Fe3C 未淬透 心部出现S F 片状Fe3C 设计零件尺寸要考虑到临界淬透直径D0 1 成分及性能特点 低淬透性调质钢 40Cr 40MnB等 用于小尺寸 低载荷工件 如连杆 螺栓 机床主轴等 中淬透性调质钢 35CrMo 38CrSi等 用于中尺寸 中载荷工件如大型曲轴 高淬透性调质钢 38CrMoAl 40CrNiMo等 用于大尺寸 重载荷工件 如大型精密主轴 曲轴 连杆等 2 常用调质钢牌号及热处理 3 热处理 40Cr钢制造机床变速箱齿轮工艺路线 锻造 退火或正火 铣齿 调质 半精加工 表面淬火 低回 精加工 退火或正火 预处理 得到160 230HBS的硬度 改善切削加工性能 调质 目的 心部 S回 综合力学性能好 耐冲击 表面淬火 目的 表面 M回 提高硬度 增加耐磨性淬火温度提高 860 感应加热速度快 Ac3提高 四 合金弹簧钢 作用 1 吸收能量 缓和冲击 减少振动 如汽车的板簧 2 储存能量 作为动力 如钟表的发条 要求 1 具有高的 e s 弹性变形大 不过早发生塑变 2 具有高的疲劳强度 防止疲劳断裂 3 具有足够的塑性 便于冷绕成形 含碳 C 0 5 0 7 属中 高碳钢 含合金元素 Si Mn Cr V等 Si 提高弹性极限和回火抗力 Mn 提高淬透性和屈强比 s b 1 成分及性能特点 含Si Mn的合金弹簧钢 如60Si2Mn 重型汽车板簧 含Cr V的合金弹簧钢 如50CrVA 较高温度下的重载弹簧 如内燃机的气阀弹簧 2 常用牌号 1 冷成形弹簧 冷拉钢丝 淬火 中回 冷卷成形 去应力退火 成品 2 热成形弹簧 下料 加热卷绕成形 淬火 中回 喷丸 成品 3 热处理工艺曲线 3 热处理特点 热成型弹簧 课堂讨论题 1 20Cr和40MnB钢制造齿轮 齿面要求耐磨 两者的热处理工艺分别是什么 2 冷卷弹簧和热卷弹簧的加工工艺路线有什么区别 3用15MnVB替代4OCr制造汽车连杆螺栓 它们的热处理有何差别 下列材料中耐腐蚀性能最好的是 A 1Cr18Ni9TiB 9SiCrC Cr12MoVD 40CrGCr15在冷镦成型前要进行哪种退火 A 再结晶退火B 去应力退火C 完全退火D 球化退火 20钢和45钢都可以制造小型齿轮 都要求齿面耐磨 请给出两种材料的锻造毛坯制造齿轮的工艺路线 20钢 正火 机械加工 渗碳 淬火 低温回火 精加工45钢 正火 退火 机械加工 调质 淬火 高温回火 表面淬火 低温回火 精加工 牌号类别最终热处理方法最终组织用途举例 1个 40Cr钢T10A 牌号类别最终热处理方法最终组织用途举例 1个 40钢合金调质钢淬火 高温回火回火索氏体轴 牌号类别最终热处理方法最终组织用途举例 1个 T10A碳素工具钢淬火 低温回火回火马氏体锯条 板牙 根据Fe Fe3C相图计算出50钢 T10钢两种材料中的相组成百分含量和组织组成百分含量 50钢 相组成百分含量计算 F 6 69 0 5 6 69 92 5 Fe3C 1 92 5 7 5 或者Fe3C 0 5 6 69 7 5 F 1 7 5 92 5 此处答对4分 组织组成百分含量计算 F 0 77 0 5 0 77 0 0218 36 P 1 36 64 或者P 0 5 0 0218 0 77 0 0218 64 F 1 P 36 此处答对4分 T10钢 相组成百分含量计算 F 6 69 1 0 6 69 85 Fe3C 1 85 15 或者Fe3C 1 0 6 69 15 F 1 15 85 此处答对4分 组织组成百分含量计算 P 6 69 1 0 6 69 0 77 96 Fe3CII 1 96 64 或者Fe3CII 1 0 0 77 6 69 0 77 4 P 1 Fe3CII 96 此处答对4分 某工厂钢材仓库因管理不善 钢号混乱 现经金相检验 得知某优质碳素结构钢的金相组织中F 铁素体 占20 P 珠光体 占80 请计算出钢的碳含量 给出该钢的牌号 其适合制造哪