第七章 合金结构钢

第七章合金结构钢,【教学内容】,1,1、合金元素对钢组织和性能的影响 2、低合金钢，合金钢的分类和编号 3、低合金钢、合金结构的牌号、性能及应用,【教学要求】,初步了解合金元素对钢组织和性能的影响；一般了解低合金钢、合金钢的分类和编号；较熟练掌握常用低合金钢、合金结构的牌号、性能及用途，并具有初步运用的能力 。,第七章合金结构钢,碳钢价格低廉，工艺性能好，力学性能能够满足一般工程和机械的使用要求，是工业中用量最大的金属材料，但工业生产不断对钢提出更高的要求。 碳钢的不足主要表现在：1、淬透性差。2、回火稳定性差。3、综合机械性能低。4、不能满足某些特殊场合要求。合金钢正是为了弥补碳钢的缺点发展起来的。所谓合金钢，是在碳钢的基础上，有意识地加入一些合金元素的钢。常加入元素有锰(Mn)、硅(Si)、铬(Cr)、镍(Ni)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、 钛(Ti)、铌(Nb)、锆(Zr)、稀土(Xt)等元素，目前世界上已有数千种合金钢。,2,第七章合金结构钢,3,低合金钢和合金钢是在碳钢的基础上，为改善钢的性能，有目的地加入某些合金元素所形成的钢种。,例如：重型运输机械和矿山机器的轴类、汽轮机叶片、大型电站的大转子、飞机与汽车的一些主要零件。,钢中常加入的合金元素有锰、铬、镍、铜、铝、硅、钨、钼、钒、铌、锆、钴、钛、硼、氮等。我国主张以锰代铬、镍，并加入钼、钨、钒、铌等。,第七章合金结构钢,一、合金元素与铁和碳的作用合金元素在钢中主要以两种形式存在：合金铁素体与合金碳化物镍、硅、铝、钴、铜等与碳的亲和力很弱的元素，在此钢中不与碳化合，但能溶入铁素体，称为合金铁素体。、锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等与碳亲和力较强，在钢中形成碳化物。通常称锰为弱碳化物形成元素；铬、钼、钨为中强碳化物形成元素；钒、铌、锆、钛为强碳化物形成元素。,4,第七章合金结构钢,二、合金元素对FeC相图的影响1.合金元素对单相奥氏体相区的影响合金元素会使奥氏体的单相区扩大或缩小。Mn、Ni、Co、C、N、Cu等元素扩大了奥氏体相区，即使A3点下降，如高锰钢或高镍钢在室温下仍为奥氏体组织，被称为奥氏体钢。而Cr、W、Mo、V、Ti、Si、Al、等元素使A3点上升，即使奥氏体区缩小，为铁素体形成元素。2.合金元素对S点和E点的影响扩大奥氏体相区的元素使Fe-Fe3C相图中的共析转变温度(A1) 下降，缩小奥氏体相区的元素则使其上升。几乎所有元素均使S 点和E点左移。,5,第七章合金结构钢,三、合金元素对钢的热处理的影响1.阻碍奥氏体晶粒长大大多数合金元素(除Ni、Co外)均减慢奥氏体的形成，它们使碳的扩散能力降低，与碳的亲和力大，稳定性高，很难溶解，会显著阻碍碳的扩散，减慢奥氏体形成的速度，这种碳化物难分解，使奥氏体的均匀化过程变得困难。2.提高钢的淬透性除Co外，合金元素溶入奥氏体后，都不同程度地增大过冷奥氏体的稳定性，使C 曲线右移，减小了临界冷却速度，提高了钢的淬透性。碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Ti等，溶入奥氏体后，不仅使C曲线右移，当达到一定含量时，还使其分离成上、下两个“C”曲线，上部C曲线表示奥氏体向珠光体的转变， 而下部的C曲线表示奥氏体向贝氏体的转变。,6,第七章合金结构钢,3.提高钢的回火稳定性由于合金元素溶入马氏体，使回火过程中各个转变速度显著减慢。延缓了马氏体分解，残余奥氏体分解、阻止碳化物聚集长大，因此提高了钢的回火稳定性。4.产生二次硬化当含W、Mo、V、Ti量较高的淬火钢在（500600）温度范围回火时，其硬度并不降低，反而升高，这种在回火时硬度升高的现象称为二次硬化。这种硬化实质上是一种弥散硬化，即合金的特殊碳化物呈高度弥散状态分布。此外，由于析出一部分特殊碳化物，使残余奥氏体中碳及合金元素浓度降低，提高了Ms点温度，从而在随后的冷却过程中有部分残余奥氏体转变为马氏体，这也是使钢的硬度增加而产生二次硬化的原因。,7,第七章合金结构钢,第一节合金元素在钢中的作用,8,一、合金元素对钢力学性能的影响（1）强化铁素体（2）形成合金碳化物（3）细化晶粒（）提高钢的淬透性（）提高钢的回火稳定性要说明的是：对钢而言，马氏体强化是最经济、最有效的综合强化手段。合金元素最重要的作用是提高了钢的淬透性，保证钢淬火能获得马氏体组织。合金元素只有通过热处理才能充分发挥和表现出来,作用: 产生固溶强化作用，使铁素体硬度、强度 提高，塑性韧性下降。,一、强化铁素体,形式：间隙固溶体和置换固溶体。,大多数合金元素(如Ni、Si、Al、Co等)都能不同程度地溶解在铁素体中，引起铁素体的强度和硬度提高，而塑性、韧性却有所下降,返 回,上一页,下一页,回主页,二、形成合金碳化物,（一）合金渗碳体,条件：Mn、Cr、Mo、W等弱及中强碳化物元素。,（二）特殊碳化物,条件：V、Nb、Ti等强碳化物形成元素。,形式：(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C、(Fe、W)3C。,作用：提高渗碳体稳定性及硬度。,形式：VC、TiC。,作用：提高渗碳体的熔点、硬度和耐磨性。,返 回,上一页,下一页,回主页,三、细化晶粒,原因：合金元素在钢加热时抑制奥氏体晶粒长大。,存在形式：化合物（VC TiC AlN Al2O3）。,返 回,上一页,下一页,回主页,四、提高钢的淬透性,除Co外，所有的合金元素溶解于奥氏体后，均可增加过冷奥氏体的稳定性,使C曲线右移。,返 回,上一页,下一页,回主页,（如图所示）,常用的提高淬透性的合金有：钼、锰、铬、镍和硼等。如微量的硼（0.0005%0.003%）即能明显的提高钢的淬透性。,a）非碳化物相成元素 b）碳化物形成元素,使C曲线右移,返 回,上一页,下一页,回主页,Ms,Mf,A1,A1,Ms,Mf,五、提高钢的回火稳定性,钢在回火时，抵抗软化的能力称为回火稳定性。,原因：由于合金元素的阻碍作用，使马氏体不易 分解，碳化物不易析出，即使析出后也不 易长大，所以钢在 回火过程中硬度下降较 慢。,返 回,上一页,下一页,回主页,第七章合金结构钢,第一节合金元素对钢性能的影响,15,二、合金元素对钢工艺性能的影响（1）对铸造性能的影响（2）对锻造性能的影响（3）对焊接性能的影响（4）对热处理工艺性的影响（5）对切削加工性能的影响,第七章合金结构钢,第一节合金元素对钢性能的影响,16,三、合金元素对钢的特殊性能的影响（1）提高耐蚀性（2）提高耐热性（3）提高热强性,低合金钢 Me10%,(一) 按用途分类,合金结构钢,合金工具钢,特殊性能钢,（二） 按合金元素总含量分类,第二节 合金钢的分类及牌号,返 回,上一页,下一页,回主页,第七章合金结构钢,按冶金质量不同分为：优质钢、高级优质钢、特级优质钢,18,二、合金钢牌号表示方法 合金钢的牌号是采用合金元素符号和数字来表示的，即：数字合金元素符号数字。1、合金元素符号最前的数字表示含碳量 低合金钢、合金结构钢、合金弹簧钢用二位数字表示平均含碳量(以万分之几计)。不锈耐酸钢、耐热钢等，一般用一位数字表示平均含碳量(以千分之几计)；平均含碳量小于千分之一的用“0”表示，含碳量不大于0.03%的用“00”表示。 合金工具钢一般C1.0%时不标出含碳量数字；若平均含碳量小于1.0%时，可用一位数字表示含碳量(以千分之几计)。但高速钢C1.0%也不标出。2、紧跟合金元素符号后的数字表示合金元素含量 平均合金含量小于1.5%时，牌号中仅标明元素，一般不标明含量。当平均合金含量1.5%、2.5%、3.5%时，则相应地以2、3、4表示。,19,高碳铬轴承钢，其含铬量用千分之几计，并在牌号头部加符号“G”。例如，平均含铬量为0.9%的轴承钢， 其牌号表示为“GCr9”。 低铬(平均含铬量1%)合金工具钢，其含铬量亦用千分之几计，但在含量数值之前加一数字“0”。例如，平均含铬量为0.6%的合金工具钢，其牌号表示为“Cr06”。3、高级优质合金钢(含S、P较低)，在牌号尾部加符号“A”。4、为了表示钢的专门用途，在牌号头部(或尾部)附以相应用途符号。例如，滚动轴承钢前加“G”(“滚”字的汉语拼音字首)如GCr15，又如20MnK，牌号后附以符号K，则表示此合金多为矿用。,20,一、低合金结构钢、成分：在碳素结构钢的基础上加入少量合金元素制成的，其含碳量0.2%，合金元素总量3%。主要靠加入Mn、Si等元素起到强化铁素体，提高强度；加入V、Ti等元素主要是细化组织，提高韧性；Cu、P等元素在钢中能提高耐蚀性。性能：具有较高的强度，良好的综合机械性能，特别是有较高的屈服强度。有良好的塑性、焊接性能、耐腐蚀性，更低的冷脆转变温度。因而常称为低合金高强度钢。用途：一般工程结构和机械零件，如桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油管道、建筑钢筋等。热处理：这类钢通常是在热轧后经退火或正火状态下使用。,第七章合金结构钢,第三节低合金钢,第七章合金结构钢,第三节低合金钢,21,一、低合金钢的分类2按主要性能和使用特性分类,可焊接的低合金高强度结构钢低合金耐候钢低合金钢筋钢铁道用低合金钢矿用低合金钢,第七章合金结构钢,第三节低合金钢,22,二、低合金钢高强度结构钢的编号表示方法与碳素结构钢相同，如:Q3,Q345A,编号：Q+数字质量等级符号.脱氧方法符号,例如：,返 回,上一页,下一页,回主页,第七章合金结构钢,第三节低合金钢,24,三、常用的低合金高强度结构钢,例如： 38CrMoAlA,（二） 合金结构钢,编号：两位数字+元素符号+数字,返 回,上一页,下一页,回主页,（三） 合金工具钢,编号：一位数字表示碳含量的千分之几，当碳含量的大 于、等于1.0%时，则不予标出。其他与结构钢相 同。,例如：,9SiCr,平均碳的含量为大于、等于1.0%。,Cr12MoV,Mo和V 的含量小于1.5%；,主要合金元素Cr的平均含量为12%；,返 回,上一页,下一页,回主页,其中：,不锈钢:3Cr13,C=0.3%,（四） 特殊性能钢,编号：与工具钢相同。,例如：,返 回,上一页,下一页,回主页,一、合金渗碳钢,用途：制造受冲击载荷和受到强烈的摩擦和磨损的条件下工作的零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等。,性能：合金渗碳钢的渗层具有良好的耐磨性、抗疲劳性及 适当的塑性和韧性，心部具有足够的强度及优良的 韧性。,成分：碳含量在0.10%0.25%之间。加入一定的合金元素 如：铬、镍、锰、硼等，提高钢的淬透性。,热处理：渗碳后进行淬火和低温回火。表面高硬度、高耐磨性而心部具有足够的塑性和韧性。,钢种及牌号：主要牌号、成分、热处理、力学性能和用途 见表74。,第三节、机械结构用合金钢,29,用于制造渗碳零件的合金钢称为合金渗碳钢。用于渗碳的零件如齿轮、轴、活塞销等，往往要求表面具有高的硬度（5565HRC）和耐磨性，心部具有较高的强度和足够的韧性。各种合金渗碳钢的热处理工艺规范与性能虽有不同，但其加工工艺过程却基本相同，即： 下料锻造预备热处理机械加工(粗加工、半精加工)渗碳机械加工(精加工)淬火、回火磨削。,飞机、坦克发动机齿轮,淬透性高，渗层和心部性能优异,淬火+二次回火+低温回火,20CrNi4、18Cr2Ni4-WA,高淬透性,汽车变速齿轮、花键轴,淬透性和力学性能较高,淬火+二次回火+低温回火,20CrMn、20CrMnTi20SiMnVB,中淬透性,活塞销、凸轮轴、滑块,淬透性低，心部性能差,渗碳+二次淬火+低温回火,15、20Cr、20Mn2、20MnV、20CrV,低淬透性,应用,性能,热处理,牌号,类别,表7-4 常用合金渗碳钢的牌号、力学性能和用途,返 回,上一页,下一页,回主页,二、合金调质钢,用途：机床主轴、汽车底盘的半轴、柴油机连杆螺栓等。,成分：含碳量在0.25%0.50%，合金元素有Cr、Ni、 Mn、Si、B等。,性能：具有良好的综合力学性能。,热处理： 预备热处理 珠光体钢进行正火或退火； 马氏体钢空冷淬火+高温回火。 最终热处理 淬火+高温回火。,钢种及牌号：见表7-5,返 回,上一页,下一页,回主页,32,合金调质钢是在中碳钢(30、35、40、45、50)的基础上加入一种或数种合金元素，以提高淬透性和耐回火性，使之在调质处理后具有良好的综合力学性能的钢。合金调质钢常用来制造负荷较大的重要零件，如发动机轴、连杆及传动齿轮等。表面要求很高的硬度、耐磨性和疲劳强度的零件，可采用氮化钢38CrMoAlA，其热处理工艺是调质和氮化处理。 各种合金调质钢的热处理工艺规范与性能虽有所不同，但其加工工艺过程却大致相同，一般是： 下料锻造预备热处理机械加工(粗加工、半精加工)调质机械加工(精加工)表面淬火或氮化磨削。,调质后，强度高、韧性好,淬火+高温回火,40CrNiMo、40CrMnMo,调质后，强度高、韧性较好,淬火+高温回火,42CrMo、30CrMnSi等,调质后，力学性能比碳钢高,淬火+高温回火,40、45、40Cr、40MnB,性能,热处理,牌号,表7-5 常用合金调质钢的牌号、力学性能和用途,返 回,上一页,下一页,回主页,低淬透性,类别,中淬透性,高淬透性,应用,齿轮、花键轴、后半轴、连杆、主轴,主轴、齿轮、叶轮、飞机起落架、螺栓等,高强度主轴、齿轮、叶轮等,三、合金弹簧钢,用途：制造各种弹性元件，如在汽车、拖拉机、坦克、机 车车辆上制作减震板簧和螺旋弹簧等。,成分：碳含量在0.50%0.7%，主加元素硅、锰；辅加 钨、钒等。,热处理： 热成形弹簧 淬火+中温回火+喷丸处理。 冷成形弹簧 铅浴中等温转变得到索氏体成 形后，进行 一次去应力退火。,钢种及牌号：见表7-7。,返 回,上一页,下一页,回主页,35,在非合金弹簧钢的基础上,加入合金元素，用于制作重要弹簧的钢种，称为合金弹簧钢。合金弹簧钢中加入的合金元素主要是Mn、Si、Cr、V、Mo、W、B等。常用弹簧的热处理一般根据加工工艺的不同可分为：冷成形加工弹簧和热成形加工弹簧 1冷成形加工弹簧该方法适用于加工小型弹簧(D4mm，成形后只需在250300进行去应力退火，以消除成型时产生的应力，稳定弹簧尺寸。冷成形弹簧的一般加工工艺过程是： 下料卷簧成形去应力退火试验验收 2热成形加工弹簧 该方法适用于加工大型弹簧，热成形后进行淬火和中温回火，以便提高弹簧钢的弹性极限和屈服点，如汽车板弹簧、火车缓冲弹簧等多用60Si2Mn来制造。 热成形弹簧的一般加工工艺过程是： 下料加热卷簧成形淬火中温