第八章-合金钢PPT课件

-,1,第八章合金钢,-,2,第八章合金钢,8.1合金钢基本知识8.2合金结构钢8.3合金工具钢8.4不锈钢8.5高温合金,-,3,第八章合金钢,机械性能、工艺性能或物理、化学性能合金元素的关系,-,4,定义：为了提高和改善钢的性能，往钢中加入一定量的一种或一种以上的金属或非金属元素。被加入的元素称为合金元素；含有意加入元素的钢称为合金钢。一合金元素的类型及存在形式1.非碳化物形成元素Ni、Si、Al、Co、Cu不能与碳形成化合物，称为非碳化物形成元素。只能溶于铁素体形成合金铁素体，以-Fe(Ni或Si或Al)等表示。2与碳作用形成合金碳化物Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ta、Zr、Ti弱与碳亲和力程度强,第八章合金钢8.1合金钢基本知识,-,5,二合金元素在钢中的作用1合金元素能强化钢中的基本相固溶强化：形成合金铁素体，钢强度、硬度升高，韧性降低。弥散强化形成合金渗碳体或特殊碳化物，并以细小质点分布在固溶体的基体上，则起到弥散强化作用，显著提高钢的强度、硬度、耐磨性和热硬性。,第八章合金钢8.1合金钢基本知识,-,6,第八章合金钢8.1合金钢基本知识,固溶强化机理：固溶强化机理即溶质原子与位错的相互作用，有四种主要类型。（1）溶质原子与位错的弹性相互作用：溶质原子对位错的钉扎形成气团；由于溶质原子的溶入而导致合金弹性模量的变化；因为溶质原子与溶剂原子尺寸差异而引起的弹性应力场阻碍了位错运动。（2）溶质原子与位错的化学相互作用：铃木钉扎。（3）溶质原子与位错的电学相互作用（4）几何相互作用。,沉淀强化机理：（1）切过第二相的强化机理：当第二相质点细小的情况下，位错直接切过与基体仍然存在着共格关系的第二相质点（2）绕过第二相的强化机理：当第二相质点长大到位错难以借助切过的方式通过的时候，位错只能用绕过的方式前进，位错借助于绕过的方式通过第二相。,弥散强化机理：弥散强化的实质是利用弥散的超细微粒阻碍位错的运动，从而提高材料在高温下的力学性能。如用粉末冶金方法制得的弥散强化合金。,加工硬化机理：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。又称冷作硬化。产生原因是，金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等。加工硬化的程度通常用加工后与加工前表面层显微硬度的比值和硬化层深度来表示。,-,7,二合金元素在钢中的作用2合金元素对Fe-Fe3C相图的影响（1）对区的影响：扩大区的合金元素Mn、Ni、Co等元素；作用：使A1、A3线温度下降，A4线温度上升。,第八章合金钢8.1合金钢基本知识,Mn扩大了区,-,8,二合金元素在钢中的作用2合金元素对Fe-Fe3C相图的影响（1）对区的影响：缩小区元素：Cr、Mo、W、Ti。作用：使A1、A3线温度上升，A4线温度下降。,第八章合金钢8.1合金钢基本知识,Cr缩小区,-,9,二合金元素在钢中的作用2合金元素对Fe-Fe3C相图的影响（2）改变S点和E点的参数合金元素使S点左移合金元素使E点左移,第八章合金钢8.1合金钢基本知识,合金元素对S点成分的影响,-,10,3合金元素对钢的热处理的影响加热时对奥氏体形成的影响细化奥氏体晶粒；对过冷奥氏体转变的影响奥氏体稳定性提高，提高钢的淬透性；对回火转变的影响提高回火稳定性，出现回火脆性；,第八章合金钢8.1合金钢基本知识二合金元素在钢中的作用,-,11,W、Mo、V等碳化物在550时，使钢达到最高硬度，产生二次硬化。与碳钢相比，回火温度更高，即合金元素提高了钢的回火稳定性。,第八章合金钢8.1合金钢基本知识二合金元素在钢中的作用3合金元素对钢的热处理的影响,钢的硬度与回火温度的关系,-,12,含有Mn、Cr、Ni等元素的合金结构钢，在回火中具有回火脆性，即回火后钢出现韧性下降现象。不可逆回火脆性可逆回火脆性,Ni-Cr钢的回火脆性示意图,第八章合金钢8.1合金钢基本知识二合金元素在钢中的作用3合金元素对钢的热处理的影响,不可逆回火脆性:主要发生在回火温度为250400时，在重新加热脆性消失后，重复在此区间回火，不再发生脆性。,可逆回火脆性:发生的温度在400650，当重新加热脆性消失后，应迅速冷却，不能在400650区间长时间停留或缓冷，否则会再次发生脆化现象。,-,13,1.分类：按合金元素含量分：低合金钢(WAE10%)。按用途分：合金结构钢：渗碳钢、调质钢、超高强度钢、弹簧钢、轴承钢合金工具钢：刃具钢、模具钢、量具钢特殊性能钢：不锈钢、耐热钢（包括高温合金）、无磁钢,第八章合金钢8.1合金钢基本知识三合金钢的分类与编号,-,14,2.合金结构钢的编号基本形式为“两位数字元素符号数字字母”30Cr2Ni4A数字表示平均含碳量（质量分数）的万分之几，合金元素符号后面的数字表示合金元素含量的百分数。含量小于1.5%时，可不标含量。合金工具钢编号与合金结构钢的编号相同,第八章合金钢8.1合金钢基本知识三合金钢的分类与编号,-,15,1化学成分渗碳钢碳含量：0.100.25%合金元素含量：16%(Mn、Cr、Ni等)2热处理特点及组织处理工艺：渗碳淬火低温回火表层组织：M回火+碳化物(细小)3常用渗碳钢20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4W,第八章合金钢8.2合金结构钢一渗碳钢,-,16,4.用途,第八章合金钢8.2合金结构钢一渗碳钢,低淬透性渗碳钢含合金元素总量3,中淬透性渗碳钢含合金元素总量在4左右,高淬透性渗碳钢含合金元素总量在46,-,17,1化学成分特点：含碳量：0.30.5%，提高渗透性的合金元素含量：26%，一般为Mn、Si、Ni、Cr，另外还有Mo、V、Al等；作用：防止高温回火脆性；防止晶粒粗化；加速氮化过程；2热处理特点：淬火高温回火回火索氏体,第八章合金钢8.2合金结构钢二调质钢,-,18,3常用调质钢45、40Cr、30CrMnSiA、40CrNiMoA等。常用于：发动机压气机盘，涡轮外轴等。,第八章合金钢8.2合金结构钢二调质钢,-,19,定义：将b1500MPa或s1400MPa的钢材称为超高强度钢。超高强度钢是在30CrMnSiA的基础上发展起来的。1成分特点含碳量中等，并含铬、锰、硅、镍、钼、钒等合金元素。2热处理特点最终热处理是淬火+低温回火，使马氏体强化达到超高强度。,第八章合金钢8.2合金结构钢三超高强度钢,-,20,1化学成分特点含碳量：0.50.85%（中、高碳）合金元素含量：2%3%，一般为：Si、Mn、Cr、V提高淬透性，细化晶粒2热处理特点热扎弹簧钢：热轧成型，淬火中温回火回火屈氏体。冷拔合金弹簧钢丝：冷缠成型，淬火中温回火3常用的弹簧钢70、65Mn、60Si2MnA、50CrVA,第八章合金钢8.2合金结构钢四弹簧钢,-,21,第八章合金钢8.2合金结构钢四弹簧钢,-,22,1.化学成分特点含碳量为0.951.15%，Cr：0.41.65%，Si、Mn3%，增加淬透性。2.热处理特点球化退火淬火低温回火3.性能要求高的硬度、强度和耐磨性高的接触疲劳强度足够的韧性和耐蚀性高的纯净度,第八章合金钢8.2合金结构钢五滚动轴承钢,-,23,第八章合金钢8.2合金结构钢五滚动轴承钢,组织：极细回火马氏体细粒状碳化物少量残余奥氏体,-,24,定义：用来制造刃具、模具、量具的钢，称为工具钢。一刃具钢优量的刃具钢，必具备以下几个条件：很高硬度：组织-高碳M；很高耐磨性：组织-高碳M均匀细小的碳化物；很高红硬性：加入提高回火抗力的合金元素；足够的韧性。,第八章合金钢8.3合金工具钢,-,25,1低合金刃具钢(1)化学成分特点：0.851.5%C（高碳）合金元素：主要添加元素：W、V碳化物硬度、耐磨性附加元素：Cr、Si、Mn渗透性（2）热处理特点预备退火球化退火：球化组织为机加淬火作准备最终热处理淬火+低温回火：组织：M+细小均匀的碳化物(3)常用低合金刃具钢牌号：9Mn2V、9SiCr、CrMn、CrWMn,第八章合金钢8.3合金工具钢一刃具钢,-,26,2.高速钢（1）成份：含碳量：0.71.4；含合金元素量：1525Cr：3.84.4%淬透性(M)W：6.019%Mn：1.06.0%碳化物V：1.04.0%溶于A的部分，淬火后保留在M内，显著提高M的回火抗力。不溶于A的部分，加热时能阻碍A晶粒长大，即使加热到1280，A仍为细晶粒,第八章合金钢8.3合金工具钢一刃具钢,-,27,2.高速钢(2)热处理组织特点：因合金元素含量多,故“E”点左移,高速钢为莱氏体钢。铸态组织含有大量呈鱼骨状分布的大共晶碳化物，硬而脆，危害极大，不能用热处理方法消除，只能用反复锻造的方法把其打碎。,第八章合金钢8.3合金工具钢一刃具钢,-,28,2.高速钢(2)热处理铸造锻造球化退火机加工淬火三次（570）回火1)退火：加热温度略高于Ac1消除应力，改善组织，降低硬度。2)淬火：淬火温度较高，如W18Cr4V为1280，获M+碳化物AR。3)回火：消除AR，提高硬度，消除应力，从而稳定尺寸。(3)常用牌号:W18Cr4VW12Cr4VMoW6Mo5Cr4V2Al,第八章合金钢8.3合金工具钢一刃具钢,-,29,第八章合金钢(2)W18Cr4V热处理,-,30,2.高速钢用途,第八章合金钢8.3合金工具钢一刃具钢,-,31,冷变形模具钢工作温度250,简单小型模具：T8，T10复杂中型模具：常用低合金工具钢：9SiCr，CrWMn精度大型模具：常用高铬钢：Cr12，Cr12MoV,加热变形模具钢,大型热锻模:5CrNiMo一般热模:5CrMnMo,压铸模具钢：3Cr2W8V,第八章合金钢8.3合金工具钢二模具钢,-,32,第八章合金钢8.3合金工具钢二模具钢,-,33,量具钢常用来制造游标卡尺、千分尺等量具。低精度量具钢：T8A，T10A，T12A。高精度量具钢：CrMn，CrWMn，GCr15,第八章合金钢8.3合金工具钢三量具钢,-,34,定义：在腐蚀介质中具有很高抗腐蚀能力的钢。在空气中的年腐蚀量为0.01mm以内的钢，称为在空气中使用的不锈钢。在强酸、强碱介质中的年腐蚀量为0.1mm以内的钢，称为在强酸、强碱介质中使用的不锈钢。1金属腐蚀的分类(1)化学腐蚀：金属与周围介质发生纯化学作用而产生的腐蚀。特点：腐蚀过程中无电流产生。(2)电化学腐蚀：金属与周围介质发生电化学作用而产生的腐蚀。特点：有电流产生。,第八章合金钢8.4不锈钢一概述,-,35,第八章合金钢8.4不锈钢一概述,电化学腐蚀过程示意图,铁碳合金中的P型组织：-Fe电极电位较负，Fe3C的电极电位较正。,-,36,2提高抗腐蚀的途径覆盖层保护：涂漆、电镀、发蓝、磷化等工艺；提高基体相电极电位：加入合金元素Cr、Ni、Si等，提高金属的电极电位；形成氧化层：加入合金元素Cr、Al、Si等，形成Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜；,第八章合金钢8.4不锈钢一概述,-,37,2提高抗腐蚀的途径使钢在室温下呈单相组织：加入合金元素Mn、Ni、Co等能扩大区，可在室温获得奥氏体钢。加入合金元素Cr、Mo、W、V、Ti、Si等能扩大区，可在室温获得铁素体钢。减少与消除钢中的各种不均匀现象：偏析、应力、组织等。牺牲阳极保护阴极：镶嵌一些比金属或合金基体电极电位更低的金属块。,第八章合金钢8.4不锈钢一概述,-,38,正火后能获得马氏体组织的不锈钢，称为M不锈钢。1化学成分特点(1)铬的含量高WCr=13高含量Cr的作用：致密、牢固的Cr2O3薄膜提高基体的电极电位,第八章合金钢8.4不锈钢二马氏体不锈钢Cr13型钢,-,39,2热处理特点(正火后获得马氏体)(1)淬火：加热温度很高，如Cr13，一般为：1050，碳化物Cr23C6充分固溶到A中，获得单相M。(2)回火：Cr13型钢有两种情况：1Cr13和2Cr13：C%低，700回火回火索氏体结构钢3Cr13和4Cr13：C%高，250回火回火马氏体工具钢3常用的M不锈钢14Cr13、1Cr17Ni2、1Cr11Ni2W2MoVA,第八章合金钢8.4不锈钢二马氏体不锈钢,-,40,1化学成分如果在钢中加入高含量的Cr、Ni元素，如1Cr18Ni9不锈钢，则其室温、高温都为A组织，故这类钢成为A不锈钢。目前，人们已经研究出很多公式来表述奥氏体形成元素的相对重要性，最著名的是下面的公式：奥氏体形成能力=Ni%+30C%+30N%+0.5Mn%+0.25Cu%WC=0.080.14%WCr=1719%WNi=811%Cu、Ti、Mo加工特点：不能进行热处理强化，只冷塑性变形强化。,第八章合金钢8.4不锈钢三奥氏体不锈钢,-,41,2热处理特点固溶处理：加热1100左右，使所有其它相都溶入A中，然后水冷，获单相A组织。稳定化处理:消除应力退火。3常用的A不锈钢1Cr18Ni、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti,第八章合金钢8.4不锈钢三奥氏体不锈钢,-,42,奥氏体不锈钢的性能特点A不锈钢含Ni、Cr量高，为单相组织，故其耐蚀性好，无磁性。晶粒类型为面心立方，滑移系多，故塑性好。但不能热处理强化：经固溶热处理后，钢的强度不如M不锈钢高；为提高其强度，可通过冷变形来提高，一是0.2硬化，二是形变诱发AM转变晶间腐蚀当工作温度在500700时,会从过饱和的A沿晶界析出Cr23C6，因C的扩散速度快，Cr的扩散速度慢，因此会在晶界的地方形成贫Cr区，当贫Cr区中的Cr含量低于12%时，其电极电位显著下降。如有电解液存在时，贫Cr区作为阳极而腐蚀晶间腐蚀。,第八章合金钢8.4不锈钢三奥氏体不锈钢,-,43,奥氏体不锈钢的性能特点晶间腐蚀的特征：外表上没有明显变化；强度、硬度、塑性等剧烈下降，造成突然失效。防止方法：C%Cr23C6大为减少Ti%和Nb%与碳的亲和力大于C与Cr的亲和力。稳定化处理：固溶处理850950(2h保温)缓冷C以TiC、NbC形式析出，避免出现Cr23C6常用于超音速飞机的蒙皮、隔热板、涡喷发动机的燃气导管、火箭发动机的液H、液O的罐口。空天飞行器,第八章合金钢8.4不锈钢三奥氏体不锈钢,-,44,第八章合金钢8.4不锈钢三奥氏体不锈钢,焊缝的融化区及凝固过程示意图,依据接热影响区被加热的峰值温度不同，焊接影响区可分为：熔合区：（1350-1450）粗晶区：（1000-1300）细晶区：（800-1000）不完全相变区（700-800）回火区：（500-700）。不同部位热影响区组织与性能取决于钢的化学成分和焊接时加热和冷却的速