第八章-合金钢

1、2021/3/231第八章 合金钢22021/3/23第八章第八章 合合 金金 钢钢8.1 8.2 合金结构钢合金结构钢8.3 合金工具钢合金工具钢8.4 不锈钢不锈钢8.5 高温合金高温合金32021/3/23第八章第八章 合合 金金 钢钢42021/3/23定义定义:为了提高和改善钢的性能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。被加入的元素称为上的金属或非金属元素。被加入的元素称为合金元素合金元素;含有意加含有意加入元素的钢称为入元素的钢称为合金钢合金钢。 1. 非碳化物形成元素非碳化物形成元素 Ni、Si、Al、Co、Cu

2、不能与碳形成化合物不能与碳形成化合物,称为非碳化物形称为非碳化物形成元素成元素。只能溶于铁素体形成只能溶于铁素体形成,以-Fe(Ni或或Si或或Al)等表示等表示。 2与碳作用形成与碳作用形成合金碳化物合金碳化物 Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ta、Zr、Ti 弱弱 与碳亲和力程度与碳亲和力程度 强强 第八章第八章 合金钢合金钢8.1 8.1 合金钢基本知识合金钢基本知识52021/3/23二合金元素在钢中的作用二合金元素在钢中的作用1 1合金元素能强化钢中的基本相合金元素能强化钢中的基本相 固溶强化固溶强化:形成合金铁素体形成合金铁素体,钢钢, 形成合金渗碳体合金渗碳体或特殊碳化物特

3、殊碳化物,并以细小质点细小质点分布在固溶体的基体基体上,则起到作用,显著提高钢的强度、硬度、耐磨性和热硬性。 第八章第八章 合合 金金 钢钢8.18.1合金钢基本知识合金钢基本知识62021/3/23 第八章第八章 合金钢合金钢8.1 8.1 合金钢基本知识合金钢基本知识: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

4、用。:（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 。: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

5、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。 72021/3/23二合金元素在钢中的作用二合金元素在钢中的作用2合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图的影响相图的影响（1）对）对区的影响区的影响: 扩大扩大区的合金元素区的合金元素 Mn、Ni、Co等元素; 作用作用: :使A1、A3线温度下降, A4线温度上升。 第八章第八章 合金钢合金钢8.1 8.1 合金钢基本知识合金钢基本知识Mn扩大了扩大了区区82021/3/23二合金元素在钢中的作用二合金元素在钢中的作用2合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图的影响相图的影响（1）对）对区的影响区

6、的影响: 缩小缩小区元素区元素: Cr、Mo、W、Ti。 作用作用:使A1 、A3线温度上升, A4线温度下降。 第八章第八章 合金钢合金钢 8.1 8.1 合金钢基本知识合金钢基本知识Cr 缩小缩小区区92021/3/23二合金元素在钢中的作用二合金元素在钢中的作用2 2合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图相图的影响的影响（2 2）改变）改变 点和点和 点的参数点的参数 合金元素使S点左移 合金元素使E点左移 第八章第八章 合金钢合金钢8.1 8.1 合金钢基本知识合金钢基本知识合金元素对合金元素对S点成分的影响点成分的影响102021/3/23n加热时对奥氏体形成的影响加热时对奥氏体形成

7、的影响 细化奥氏体晶粒;n对过冷奥氏体转变的影响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;n对回火转变的影响对回火转变的影响 提高回火稳定性,出现回火脆性; 第八章第八章 合金钢合金钢8.1 8.1 合金钢基本知识合金钢基本知识二合金元素在钢中的作用二合金元素在钢中的作用112021/3/23等碳化等碳化物在物在550时时,使钢达到使钢达到最高硬度最高硬度,产生产生。与碳钢相比与碳钢相比,回火温度更回火温度更高高,即即提高了钢提高了钢的的回火稳定性回火稳定性。 第八章第八章 合金钢合金钢8.1 8.1 合金钢基本知识合金钢基本知识二合金元素在钢中的作用二合金元素在钢中的作用3合

8、金元素对钢的热处理的影响钢的硬度与回火温度的关系122021/3/23 含有含有等元等元素的合金结构钢素的合金结构钢,在在回火回火中中具有具有回火脆性回火脆性,即回火后钢即回火后钢出现韧性下降现象。出现韧性下降现象。 不可逆回火脆性不可逆回火脆性 可逆回火脆性可逆回火脆性Ni-Cr钢的回火脆性示意图钢的回火脆性示意图 第八章第八章 合金钢合金钢8.1 8.1 合金钢基本知识合金钢基本知识二合金元素在钢中的作用二合金元素在钢中的作用3 3合金元素对钢的热处理的影响合金元素对钢的热处理的影响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。发生的温度在 4

9、00650,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。132021/3/23 1. 分类: 按合金元素含量分:低合金钢(WAE5%); 中合金钢 (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:、耐热钢（包括高温合金）、无磁钢 第八章第八章 合金钢合金钢 8.1 8.1 合金钢基本知识合金钢基本知识 三合金钢的分类与编号三合金钢的分类与编号142021/3/23 基本形式为“两位数字元素符号数字字母两位数字元素符号数字字母” n数字表示平均含碳量（

10、质量分数）的万分之几万分之几,合金元素符号后面的数字表示合金元素含量的百分数百分数。含量小于1.5%1.5%时,可不标含量。 n合金工具钢编号合金工具钢编号与与合金结构钢的编号相同合金结构钢的编号相同含碳量含碳量合金元素合金元素合金元素含量合金元素含量高级优质钢高级优质钢 第八章第八章 合金钢合金钢8.1 8.1 合金钢基本知识合金钢基本知识三合金钢的分类与编号三合金钢的分类与编号152021/3/231化学成分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热处理特点及组织热处理特点及组织n处理工艺处理工艺:渗碳淬火低温回火n表层组织:M回火+碳化物(细小

11、) 3常用渗碳钢常用渗碳钢 20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4W 第八章第八章 合金钢合金钢8.2 8.2 合金结构钢合金结构钢一渗碳钢一渗碳钢162021/3/234.4.用途用途 第八章第八章 合金钢合金钢 8.2 8.2 合金结构钢合金结构钢 低淬透性渗碳钢低淬透性渗碳钢含合金元素总量含合金元素总量3中淬透性渗碳钢中淬透性渗碳钢含合金元素总量在含合金元素总量在4左右左右高淬透性渗碳钢高淬透性渗碳钢含合金元素总量在含合金元素总量在46172021/3/231化学成分特点化学成分特点: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

12、 Mo、 V、 Al等; 作用作用: 防止高温回火脆性; 防止晶粒粗化; 加速氮化过程;2热处理特点热处理特点: 第八章第八章 合金钢合金钢8.2 8.2 合金结构钢合金结构钢二调质钢二调质钢182021/3/233常用调质钢常用调质钢 45、40Cr、30CrMnSiA、40CrNiMoA等。 常用于:发动机压气机盘,涡轮外轴等。 第八章第八章 合金钢合金钢8.2 8.2 合金结构钢合金结构钢二调质钢二调质钢192021/3/23定义定义: :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 1成分特点成分特点 含碳量中等,

13、并含等合金元素。2 2热处理特点热处理特点 最终热处理是淬火+低温回火,使马氏体强化达到超高强度。 第八章第八章 合金钢合金钢 8.2 8.2 合金结构钢合金结构钢 三超高强度钢三超高强度钢202021/3/231化学成分特点化学成分特点n含碳量含碳量:0.50.85%（中、高碳）（中、高碳）n合金元素含量合金元素含量: 2% 3%,一般为一般为:Si、Mn、Cr、V 提高淬透性提高淬透性,细化晶粒细化晶粒2热处理特点热处理特点n热扎弹簧钢热扎弹簧钢:热轧成型热轧成型,淬火中温回火淬火中温回火回火屈氏体。回火屈氏体。n冷拔合金弹簧钢丝冷拔合金弹簧钢丝:冷缠成型冷缠成型,淬火中温回火淬火中温回火

14、3常用的弹簧钢常用的弹簧钢 70、65Mn、60Si2MnA、50CrVA 第八章第八章 合金钢合金钢 8.2 8.2 合金结构钢合金结构钢 四弹簧钢四弹簧钢212021/3/23 第八章第八章 合金钢合金钢 8.2 8.2 合金结构钢合金结构钢 四弹簧钢四弹簧钢222021/3/231.化学成分特点 含碳量为0.951.15%, Cr:0.41.65%,Si、Mn 3%, 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 第八章第八章 合金钢合金钢 8.2 8.2 合金结构钢合金结构钢 五滚动轴承钢五滚动轴

15、承钢232021/3/23 第八章第八章 合金钢合金钢 8.2 8.2 合金结构钢合金结构钢 五滚动轴承钢五滚动轴承钢组织组织:极细回火马氏体细粒状极细回火马氏体细粒状碳化物少量残余奥氏体碳化物少量残余奥氏体242021/3/23 定义定义:用来制造刃具、模具、量具的钢,称为工具钢。 一刃具钢一刃具钢 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。 第八章第八章 合金钢合金钢 8.3 8.3 合金工具钢合金工具钢252021/3/23 1低合金刃具钢低合金刃具钢(1)化学成分特点化

16、学成分特点:0.851.5%C（高碳）n合金元素:主要添加元素:W、V碳化物硬度、耐磨性n附加元素: Cr 、Si、Mn渗透性（2）热处理特点）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常用低合金刃具钢牌号: 9Mn2V、9SiCr、CrMn、CrWMn 第八章第八章 合金钢合金钢8.3 8.3 合金工具钢合金工具钢一刃具钢一刃具钢262021/3/232.高速钢高速钢（1）成份）成份 :含碳量:0.71.4;含合金元素量:1525 Cr: 3.84.4% 淬透性(M) W: 6.019% Mn:1

17、.06.0% 碳化物 V: 1.04.0% n溶于A的部分,淬火后保留在M内,显著提高提高M的回火抗力的回火抗力。n不溶于A的部分,加热时能阻碍阻碍A晶粒长大晶粒长大,即使加热到1280,A仍为细晶粒 第八章第八章 合合 金金 钢钢8.3 8.3 合金工具钢合金工具钢一刃具钢一刃具钢272021/3/232.高速钢高速钢(2)热处理热处理n组织特点组织特点: 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。 第八章第八章 合合 金金 钢钢8.3 8.3 合金工具钢合金工具钢一

18、刃具钢一刃具钢282021/3/232.高速钢高速钢(2)热处理热处理 铸造铸造锻造锻造球化退火球化退火机加工机加工淬火三次（淬火三次（570）回火）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)常用牌号常用牌号: W18Cr4V W12Cr4VMo W6Mo5Cr4V2Al 第八章 合 金 钢8.3 合金工具钢合金工具钢一刃具钢一刃具钢292021/3/23 第八章第八章 合合 金金 钢钢(2) W18Cr4V热处理热处理30202

19、1/3/232.高速钢用途高速钢用途 第八章第八章 合金钢合金钢8.3 8.3 合金工具钢合金工具钢 一刃具钢一刃具钢312021/3/23分分类类 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 第八章第八章 合合 金金 钢钢8.3 8.3 合金工具钢合金工具钢二模具钢二模具钢322021/3/23 第八章第八章 合金钢合金钢8.3 8.3 合金工具钢合金工具钢二模具钢二模具钢3

20、32021/3/23 量具钢常用来制造游标卡尺、千分尺等量具。n低精度低精度量具钢:T8A,T10A,T12A。n高精度高精度量具钢:CrMn,CrWMn,GCr15 第八章第八章 合金钢合金钢8.3 8.3 合金工具钢合金工具钢三量具钢三量具钢342021/3/23 定义定义:在腐蚀介质中具有很高抗腐蚀能力的钢。在腐蚀介质中具有很高抗腐蚀能力的钢。n在空气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。n在强酸、强碱强酸、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 1金属腐蚀的分类金属腐蚀的分类(1)(1)化学腐蚀化学腐蚀: :金属与

21、周围介质发生纯化学作用而产生的腐蚀。n特特 点点: :腐蚀过程中。(2)(2)电化学腐蚀电化学腐蚀: : 金属与周围介质发生电化学作用而产生的腐蚀。n特特 点点: :。 第八章第八章 合金钢合金钢 8.4 8.4 不锈钢不锈钢 一概述一概述352021/3/23 第八章第八章 合金钢合金钢8.4 8.4 不锈钢不锈钢 一概述一概述电化学腐蚀过程示意图电化学腐蚀过程示意图铁碳合金中的铁碳合金中的P型组织型组织:-Fe电极电位较负电极电位较负,Fe3C的电极电位较正。的电极电位较正。362021/3/23 2提高抗腐蚀的途径提高抗腐蚀的途径 覆盖层保护覆盖层保护: 涂漆、电镀、发蓝、磷化等工艺;

22、提高基体相电极电位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; 第八章第八章 合金钢合金钢 8.4 8.4 不锈钢不锈钢 一概述一概述372021/3/23 2提高抗腐蚀的途径提高抗腐蚀的途径 使钢在室温下呈单相组织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减少与消除钢中的各种不均匀现象: 偏析、应力、组织等

23、。 牺牲阳极保护阴极牺牲阳极保护阴极: 镶嵌一些比金属或合金基体电极电位更低的金属块。 第八章第八章 合金钢合金钢 8.4 8.4 不锈钢不锈钢 一概述一概述382021/3/23 正火后能获得马氏体组织的不锈钢,称为M不锈钢。 1化学成分特点化学成分特点 (1) 铬的含量高铬的含量高 W WCr=13 高含量高含量Cr的作用的作用: 致密致密 、牢固的、牢固的Cr2O3薄膜薄膜 提高基体的电极电位提高基体的电极电位 第八章第八章 合金钢合金钢 8.4 8.4 不锈钢不锈钢 二马氏体不锈钢二马氏体不锈钢Cr13Cr13型钢型钢C%越高越高一般含碳量在：一般含碳量在：0.20.4C%(2 碳含量

24、碳化物数量越多，电极电位降低碳化物数量越多，电极电位降低碳化物数量越多，形成微电池的几率越高碳化物数量越多，形成微电池的几率越高392021/3/232热处理特点热处理特点(正火后获得马氏体正火后获得马氏体)(1)淬火淬火: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)回火回火:Cr13型钢有两种情况: : C%低,700回火回火索氏体结构钢 : C%高,250回火回火马氏体工具钢3常用的常用的M不锈钢不锈钢 14Cr13、1Cr17Ni2、1Cr11Ni2W2MoVA 第八章第八章 合金钢合金钢8.4 8.4 不锈钢不锈钢 二马氏体不锈钢二

25、马氏体不锈钢402021/3/231化学成分化学成分 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。 WC=0.080.14% WCr=1719% WNi=811% Cu、Ti、Mo 加工特点加工特点:不能进行热处理强化,只冷塑性变形强化。 第八章第八章 合金钢合金钢 8.4 8.4 不锈钢不锈钢 三奥氏体不锈钢三奥氏体不锈钢412021/3/232 2热处理特点热处理特点 固溶处理固溶处理: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。 消除应力退火。3 3常用的常用的A A不锈钢不锈钢 1Cr18Ni、0Cr1

26、8Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti 第八章第八章 合金钢合金钢 8.4 8.4 不锈钢不锈钢 三奥氏体不锈钢三奥氏体不锈钢422021/3/23n奥氏体不锈钢的性能特点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,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

27、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。 第八章第八章 合金钢合金钢 8.4 8.4 不锈钢不锈钢 三奥氏体不锈钢三奥氏体不锈钢432021/3/23n奥氏体不锈钢的性能特点奥氏体不锈钢的性能特点 晶间腐蚀的特征晶间腐蚀的特征: :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。 第八章第八章 合金钢合金钢 8.4 8.4 不锈钢不锈钢 三奥氏体不锈钢三奥氏体不锈钢442021/3/23 第八章第八章 合金钢合金钢 8.4 8.4 不锈钢不锈钢 三奥氏体不锈钢三奥氏体不锈钢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度。 452021/3/23 第八章第八章 合金钢合金钢 8.4 8.4 不锈钢不锈钢