第七章 合金结构钢

第七章 合金结构钢, Metallography and heat-treatment 多媒体教学课件,本章目的： 1 介绍合金钢的概念及其分类、编号的方法； 2 揭示合金元素在钢中的作用，即合金化原理； 3 分别介绍各种主要类型的合金钢。,本章重点:,(1) 合金元素对钢的组织与性能影响规律； (2) 各类钢主要的性能要求、成分及合金化特点，合金元素的主要作用，主要的热处理方法、应用;(3) 各类钢的典型钢种。,1 概述2合金元素在钢中的作用 3 低合金结构钢4机械结构用合金钢,1 概述,一、合金钢的概念二、为什么发展合金钢,一、合金钢的概念,所谓的合金钢，就是为了改善钢的性能，特意地加入一些合金元素的钢。 常用的合金元素：Cr、Mn、Ni、Co、Cu、Si、Al、B、W、M。V、Ti、Nb、Zn及稀土Re。,返回,二、发展合金钢的原因,碳钢还存在着以下几个主要缺点，使它的应用受到一定限制。（1） 碳钢的淬透性低碳钢制成的零件尺寸不能太大，否则淬不透，出现内外性能不均，对于一些大型的机械零件，（要求内外性能均匀），就不能采用碳钢制作，如发电机转子，汽轮机叶片，汽车、拖拉机的连杆螺栓等。（2）回火抗力差碳钢淬火后，只有经低温回火才能保持高硬度，若其回火温度超过200，其硬度就显著下降。即回火抗力差，不能在较高的温度下保持高硬度，因此对于要求耐磨，切削速度较高，刃部受热超过200的刀具就不能采用碳钢制作。（3）碳钢不能满足一些特殊性能的要求如耐热性、耐腐蚀性、耐低温性（低温下高韧性）为了弥补碳钢的不足，满足上述条件的要求，目前工业上广泛发展和使用了合金钢材料。,2合金元素在钢中的作用,1.合金元素在钢中的存在方式2.合金元素对铁碳相图的影响3.合金元素对钢的热处理的影响4.合金元素使合金钢具有某些特殊性能,1.合金元素在钢中的存在方式,1）合金元素在钢中的主要存在形式 2）合金元素对钢的性能的影响,1）合金元素在钢中的主要存在形式,（1）形成固溶体通常与碳的亲和力很弱，主要固溶于铁素体、奥氏体、马氏体中，而不形成碳化物，如：Ni、Si、Al、Co。 （2）形成碳化物碳化物形成元素可形成合金渗碳体和特殊碳化物（3）游离状态对于固态下不溶于铁或在铁中溶解度很小的少数元素，如Pb、Cu、（0.8)等，常以游离态存在 。,合金渗碳体,合金元素Mn与碳的亲合力较弱，它的大部分是固溶于铁素体、奥氏体、马氏体中，而少部分固溶于渗碳体中形成合金渗碳体，如（Fe，Mn）3C。 Cr 、Mo、W等与碳的亲合力中等，它们一部分固溶于铁素体、奥氏体、马氏体中，一部分部分固溶于渗碳体中形成合金渗碳体。,返回,特殊碳化物,合金元素与碳的亲合力很强，主要以特殊碳化物形式存在，如V、Ti、Nb、Zn。合金元素（Cr、Mo、W）与碳的亲合力较强，当含量较少时，它们主要固溶于渗碳体中，而含量较高时，才能形成特殊碳化物如：Cr23C6、WC、MoC、Cr7C6。,2）合金元素对钢的性能的影响,A 产生固溶强化 B 使渗碳体的硬度和稳定性提高 C 形成特殊碳化物对钢性能的影响 D 游离态存在对钢性能的影响,A 产生固溶强化,合金元素溶入铁素体后,凡合金元素的原子半径与铁的原子半径相差越大,晶格类型越不相同,必然引起铁素体晶格畸变,产生固溶强化,使铁素体的强度、硬度提高,但塑性、韧性都有下降趋势。,合金元素对缓慢冷却后铁素体硬度的影响图,合金元素对铁素体冲击韧性的影响图,B 使渗碳体的硬度和稳定性提高,合金元素溶于渗碳体内增加了铁与碳的亲合力，从而提高了其稳定性，且这种稳定性较高的合金渗碳体较难溶于奥氏体，较难聚集长大，可提高钢的强度、硬度、耐磨性。,C 特殊碳化物对钢性能的影响,形成特殊碳化物：（VC、TiC、WC、MoC）因其稳定性很高，具有高熔点和高硬度，更难溶于奥氏体，难以聚集长大。随特殊碳化物数量增多，钢的硬度增大，耐磨性增加，但塑性、韧性下降，特别是当这类碳化物大小不一，分布不均匀时，钢的脆性显著增加。,返回,D 游离态存在对钢性能的影响,游离态存在：显著降低钢的强度、塑性和韧性，但可提高切削加工性。,2.合金元素对铁碳相图的影响,1)影响A和F存在的范围2)使S、E点左移3) 对A点的影响,1)影响A和F存在的范围,（1）扩大相区（2）缩小相区,(1)扩大相区,使A3点(-Fe -Fe的转变点)下降, A4点( -Fe的转变点)上升, 从而扩大-相的存在范围。完全扩大相区元素(室温下单相A)Mn，Ni1Cr18Ni9（奥氏体不锈钢）和ZGMn13（高锰钢）部分扩大相区的元素C、N、Cu,下页,扩大相区示意图,返回,(2)缩小相区,使A3点上升, A4点下降(铬除外, 铬含量小于7%时, A3点下降; 大于7%后,A3点迅速上升), 从而缩小相区存在的范围, 使铁素体稳定区域扩大。 完全封闭相区的元素(如Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si等)。如Cr17、Cr25、Cr28等铬不锈钢均属铁素体钢。部分缩小相区的元素(如B、Nb、Zr等)。,下页,缩小相区示意图,返回,(2)使S、E点左移,无论是扩大区的合金元素，还是缩小区的合金均使E点和S点左移，即降低共析点的含碳量及碳在奥氏体中的最大溶解度。因此使相同含碳量的碳钢和合金钢具有不同的显微组织，如含碳0.4%的碳钢具有亚共析组织，而含C0.4%，13%Cr的合金钢则具有过共析组织。因为此时的共析成分已不再是0.77%，而是变为0.3%C了，另外，由于E点的左移，使含碳量远低于2.11%C的合金钢中出现莱氏体。如18%W的高速工具钢，含0.70-0.80%C，其铸态组织中出现了莱氏体。,Mn 元素对S、E点的影响图,Cr 元素对S、E点的影响图,合金元素对 S 点成分的影响,(3)对A点的影响,扩大相区元素，使A1下降缩小相区元素，使A1上升临界温度的位置是制订热处理工艺和其它热加工工艺的重要依据。由于合金元素的加入，改变了临界温度的位置，因而合金钢的热处理及其它热加工工艺参数都与碳钢明显不同。,返回,合金元素对A1线的影响,3.合金元素对钢的热处理的影响,（1） 对钢加热时奥氏体形成的影响 （2） 对过冷奥氏体的转变的影响 （3） 对淬火钢回火的影响,（1） 对钢加热时奥氏体形成的影响,对奥氏体形成速度的影响 对奥氏体晶粒大小的影响,钢加热时对奥氏体形成速度的影响,奥氏体化过程包括奥氏体的形成，剩余碳化物的溶解和奥氏体成分均匀化，均是由合金元素和碳的扩散所控制。非碳化物形成元素：Co和Ni提高碳在奥氏体中扩散速度，加速奥氏体的形成。Si、Al、Mn等元素，对C的扩散速度影响不大。因而对奥氏体的形成速度影响不大。碳化物形成元素：Cr、W、Nb、Mo、Ti、V阻碍C的扩散，缓减奥氏体的形成速度。合金元素的扩散能力远比碳小，因此，要获得均匀的奥氏体，合金钢的加热温度应比碳钢高，保温时间应比碳钢长。,返回,钢加热时对奥氏体晶粒大小的影响,碳化物形成元素：Ti、V、Nb、Zr阻碍晶粒长大非碳化物形成元素：Cu、Si、Ni阻止晶粒长大；P、Cu促进晶粒长大。,返回,（2）对过冷奥氏体的转变的影响,实质上是对C曲线的影响除Co以外，大多数合金元素都增加奥氏体的稳定性，使C曲线右移。且非碳化物形成元素Al、Ni、Si、Cu等不改变C曲线的形状，只使其右移，碳化物形成元素Mn、Cr、Mo、W等除使C曲线右移外，还改变其形状。,下页,合金元素对C曲线的影响,碳化物形成元素Mn、Cr、Mo、W等将C曲线分裂为珠光体转变的贝氏体转变两个C曲线，并在此二曲线之间出现一个过冷奥氏体的稳定区其中Cr和Mn推迟贝氏体转变的作用大于珠光体转变；而Mo、W推迟珠光体转变的作用大于贝氏体的。,下页,合金元素对C曲线的影响图,对过冷奥氏体的转变影响的实际意义,合金元素使C曲线位置和形状的改变，有重要的实际意义，由于合金元素使C曲线右移，因而使淬火的临界冷却速度降低，提高了钢的淬透性，这样就可采用较小的冷却速度，甚至在空气中冷却就能得到马氏体，从而避免了由于冷却速度过大而引起的变形和开裂另一方面由于形状的改变，使某些钢28CrMoNiVB采取空冷便得贝氏体组织，具有良好的综合机械性能，就不用采取等温淬火。,返回,（3） 对淬火钢回火的影响,(1)提高回火稳定性 (2)产生二次硬化现象(3)增大回火脆性,(1)提高回火稳定性,合金元素固溶于马氏体中，减慢了碳的扩散，从而减慢了马氏体及残余奥氏体的分解过程和阻碍碳化物析出，聚集长大，因而在回火过程中合金钢的软化速度比碳钢慢，即合金钢具有较高的回火抗力，在较高的回火温度下仍保持较高的硬度，即在回火温度相同时，合金钢的硬度及强度比相同含碳量的碳钢高，而回火至相同硬度时，合金钢的回火温度高，内应力的消除比较彻底，因此，其塑性和韧性比碳钢好。,返回,(2)产生二次硬化现象,若钢中Cr、W、Mo、V等元素超过一定量时，除了提高回火拉力外，在400以上还会形成弥散分布的特殊碳化物，使硬度重新升高，直到500600硬度达最高值，出现所谓的二次硬化现象。600以后硬度下降是由于这些弥散分布的碳化物聚集长大的结果。 二次硬化现象对高合金工具钢 十分重要，通过500600回 火可使其硬度比淬火态硬度高 HRC5以上。,返回,Mo对钢(0.35%C)淬火回火后硬度的影响,(3)增大回火脆性,第一类回火脆性第二类回火脆性第二类回火脆性的消除方法,第一类回火脆性,第一类回火脆性：结构钢回火时在250-400出现的冲击韧性下降的现象。这类回火脆性无论是在碳钢还是合金钢中均会出现，它与钢的成分和冷却速度无关，即使加入合金元素及回火后快冷或重新加热到比温度范围内回火，都无法避免，故又称“不可逆回火脆性”。但合金元素可使第一类回火脆性的温度范围移向较高的温度。一般认为这类回火脆性的产生与马氏体，残余奥氏体的分解及Fe3C析出有关，防止方法就是避开这一温度范围回火。,返回,第二类回火脆性,第二类回火脆性：500-650回火后缓慢冷却出现的冲击韧性下降现象。这类回火脆性如果在回火时快冷就不会出现，另外，如果脆性已经发生，只要再加热到原来的回火温度重新回火并快冷，则可完全消除，因这类回火脆性又称为“可逆回火脆性”。,返回,Cr-Ni 钢的回火脆性示意图,第二类回火脆性的消除方法,并非所有的钢都有第二类回火脆性，它只在含Cr、Mn或Cr-Ni、Cr-Si的合金钢中出现，发生了这类回火脆性的钢不仅室温下的冲击韧性低且韧脆转化温度高，因此必须设法防止或避免。产生原因是P、Mn、S、Si等元素在晶界偏聚。消除方法：（1）自回火温度快冷消除P、MnS、Si元素的偏聚。 （2）在钢中加入0.2-0.3%Mo或0.4-0.8%W来减缓偏聚过程发生，从而消除或减轻回火脆性。,返回,4.合金元素使合金钢具有某些特殊性能,加入元素Cr、Si、Al等在高温下在钢的表面形成致密的高熔点的氧化膜，可防止钢件中继续氧化；加入W、Mo、V等元素可提高钢的高温强度，使钢具有耐热性。,3 低合金结构钢（普低钢）,在普通低合金结构钢中常加入：Mn、Si、Cr、Mo、V、Cu、P等，Mn、Si、Cr、Nb、V提高强度，Cu、P提高耐蚀性。通常是在热轧或正火状态下使用、使用状态的组织是大量的铁素体+少量珠光体。典型老牌号：16Mn、 16MnR 、 15MnTi 、 15MnV应用：建筑结构、锅炉、容器、车辆、船舶压力容器。特点：含C量低，焊接性能好。,返回,（普通）低合金结构钢新牌号,Q 345 C,典型普低钢应用,Q460钢含Mo、B，正火组织 为B，强度高，用于石化中温 高压容器。,压力容器,南京长江大桥,Q345钢(16Mn)综合性能好， 用于船舶、桥梁、车辆等大 型钢结构。,Q390钢含V、Ti、Nb，强度 高，用于中等压力的容器。,4 机械结构用合金钢,调质钢 渗碳钢 氮化用钢 弹簧钢 滚动轴承钢易削切钢,4 机械结构用合金钢,用数字+化学元素+数字的方法表示前面的数字表示钢的平均含碳量的万分数；合金元素用汉字或化学符合表示，其后面的数字表示合金元素含量，一般以平均含量的百分数表示，当合金元素含量小于1.5%时，牌号中只标明元素而不标明含量，如果平均含量等于或大于1.5%、2.5%、3.5%时，相应地以2、3、4等表示，如含0.370.44%C，0.81.10%Cr的钢40Cr，含0.570.65%C，1.52.0%Si，0.60.9%Mn的钢用60Si2Mn表示；对于滚珠轴承钢，在钢号前注明“滚”或“G”，后面的数字则表示铬含量的千分数，如GCr15的平均含Cr量1.5%（含C%为1%左右）；含S、P量较低（S0.02%,P0.03% ）的高级优质钢，则在钢号加“高”或“A”。易切削钢，在钢号前加“易”或“Y”如Y12（Mn、Si、C、P）,1 调质钢,淬火+高温回火回火索氏体，具有好的综合机械性能前提是淬火时得到马氏体，淬透性是关键，合金元素的主要作用就是提高淬透性。Mn、Cr、Ni、B、 Si用来提高淬透性，Mo、W可抑制第二类回火脆性，Ti、V细化晶粒。典型牌号：40Cr 、40CrMn应用：轴类、连杆、齿轮特点：中碳、调质后具有好的强度与塑性的配合，局部表面淬火+低温回火后具高硬度和耐磨性。,典型合金调质钢分类,低淬透性调质钢,钢含合金元素总量3 %， 40Cr、40MnB等。 。,中淬透性调质钢,钢含合金元素总量在4 %左右。,38 CrSi、35 CrMo 等，常用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。,典型合金调质钢分类,高淬透性调质钢,钢含合金元素总量在4 % 10 %。,38 Cr Mo Al A、40 Cr Mn Mo、25 Cr2 Ni4 W A等，制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的零件等 。,2 渗碳钢,表面渗碳后淬火低温回火Cr、Ni、Mo、W、Mn、Si和B提高淬透性，保证心部淬火后为低碳马氏体，不含或含少量的铁素体（心部硬度高时，表层剥落）Ti细化晶粒（在高温时阻止奥氏体晶粒长大）渗碳后可直接淬火，Cr还可使碳化物呈球状，避免表层开裂。典型牌号：20Cr 20CrMnTi 20Cr2Ni4应用：齿轮特点：含C量在0.2%左右,合金渗碳钢的牌号,20 Mn2 Ti A,典型合金渗碳钢应用,低淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量3 % 15Cr、20Cr、20Mn2。用 于受力小的耐磨件，如柴 油机的活塞销、凸轮轴等。,中淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在4 %左 右。20 CrMn、20CrMnTi、 20Mn2TiB。用于中等载荷 的耐磨件，如变速箱齿轮。,柴油机凸轮轴,活塞销( 20Cr ),典型合金渗碳钢应用,高淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在 4 % 6 %。18Cr2NiWA、 20Cr2Ni4A等。用于大载荷 的耐磨件，如柴油机曲轴。,柴油机曲轴,20 CrMnTi 钢制造齿轮的热处理工艺曲线,4 氮化用钢,调质后表面氮化，心部有好的综合机械性能，表面硬，耐磨。典型牌号：38CrMoAlA应用：齿轮（齿轮的表面硬度及耐磨性高于渗碳）挤出机螺杆使用状态下的组织：心部，回火索氏全 ；表面：氮化物。,5 弹簧钢,要求有高的弹性极限及屈服极限，含C量在0.6%左右，淬火+中温回火后得屈氏体有高的屈服极限。Mn、Si、Cr、V提高钢的淬透性和回火稳定性，Si还可强化铁素体，提高钢的弹性极限与疲劳极限，但Si能增加表面脱碳和石墨化倾向，常用Cr、V代替。典型牌号：60SiZMn、65Mn、60SiZCr应用：各类弹簧特点：含C量在0.6%左右,6 滚动轴承钢,高硬度、高耐磨、高碳的铬轴承钢，含C量在0