机械工程材料课件(西安交大)4

第四章合金钢知识要点碳钢的优缺点和合金元素的作用常用的合金结构钢常用的合金工具钢(以高速钢/模具钢为例）常用的特殊性能钢（不锈钢）第一节合金元素在钢中的作用本节知识要点碳钢的优缺点合金元素对钢性能的影响合金钢的牌号一碳钢的优缺点以及合金元素的作用1碳钢的优点优点：可热处理强化，冶炼工艺简单，压力加工和机械加工性能好，价格低廉。碳钢的缺点加热时晶粒易长大淬透性低回火抗力低，有回火脆性不具备特殊性，强度不够高合金元素的作用阻碍晶粒长大，细化奥氏体晶粒，提高淬透性（Co除外）；提高回火抗力，防止回火脆性使钢具有特殊的性能，耐热、抗腐蚀、耐磨性能等；提高强度硬度等性能，固溶强化，第二相强化，细晶强化二合金钢的分类1合金钢的分类合金结构钢合金工具钢特殊性能钢2合金钢的牌号（1）合金结构钢的牌号：数字+合金元素符号+数字45Mn240Cr平均碳的质量的万分数合金元素平均质量的万分数几个特殊情况：轴承钢，低合金高强度结构钢,高级优质钢合金工具钢和特殊性能钢的牌号：数字+合金元素符号+数字含碳量的千分数合金元素平均质量的千分数说明：Wc>1%时，不标数字；高速钢例外。第二节合金结构钢

知识要点了解常用的几种合金结构钢的成分、性能特点、应用的典型零件。合金结构钢的分类：

低合金高强度钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、轴承钢、超高强度钢低合金高强度结构钢应用：在大气和海洋中工作的的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆、船舶、输油输气管道、压力容器等。性能：好的塑性韧性及焊接性能，强度高，可抵抗大气腐蚀。成分：低碳、含Mn、Ti、V、Nb、RE元素。牌号：Q+数字（Q345，Q390，Q420，Q460）屈服强度二、合金渗碳钢：低碳钢基础上加合金元素

应用：汽车、重型机床齿轮、活塞销，内燃机的凸轮轴等2性能：“表硬心韧”3成分：Wc：0.12—0.25%，常加元素Cr,Ni,Mn,B，微量元素V,Ti,W,Mo4分类和牌号分类：低淬透性合金渗碳钢20Mn220Mn

中淬透性合金渗碳钢20CrMnTi20CrMn20MnTiB

高淬透性合金渗碳钢18Cr2Ni4WA

常用牌号：20CrMnTi20CrMn20MnTiB等最终热处理：渗碳+低温淬火组织：表面高碳回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体，

心部：铁素体+低碳回火马氏体三合金调质钢：(需要经过调质处理使用的中碳合金钢。)

应用：精密机床主轴、火车发动机曲轴、连杆螺栓、汽车后桥半轴等。性能要求：良好的综合性能（即高强度、好的塑性韧性）成分：中碳（Wc：0.25—0.50%，多数0.4%）,

合金元素：Mn,Cr,Si,Ni,B,Mo,W等。

4分类和牌号

低淬透性合金调质钢40Cr40MnB

中淬透性合金调质钢35CrMo38CrSi

高淬透性合金调质钢38CrMoAlA40CrNiMoA

常用牌号：40Cr40MnB35CrMo5热处理：调质处理合金弹簧钢1应用：用于制造汽车、拖拉机和火车的板弹簧或螺旋弹簧。性能：具有高的弹性极限以及屈服强度，还具有高的疲劳强度和足够的塑性韧性。成分：Wc0.45—0.70%，多数0.6%，合金元素及作用：Si,Mn,Cr,V，Nb,Mo,W。4常用牌号：60Si2Mn，50CrVA5最终热处理：淬火+中温回火轴承钢（用于制造滚动轴承）两大类：高碳铬轴承钢GCr15、GCr15SiMn

高碳无铬轴承钢GMnMoVREGSiMnMoV选材及工艺路线汽车齿轮：根部承受较大的交变弯曲应力；齿和齿啮合时齿面承受较大的接触压应力并受强烈的摩擦和磨损；换档、变速、制动时承受较大的冲击力。

2汽车连杆：承受交变拉应力和弯曲应力，承受一定冲击载荷。汽车齿轮的工艺路线：下料锻造正火机加工渗碳+淬火+低温回火喷丸精磨成品汽车连杆的工艺路线：(最终热处理为调质处理）组织：表面高碳回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体，

心部：铁素体+低碳回火马氏体第二节合金工具钢知识点以高速钢为例，了解工具钢成分特点，合金元素的作用、热处理过程等。一工具钢的服役条件及性能要求（以车刀为例）

1服役条件

（1）刀刃与工件之间发生剧烈的摩擦，造成严重的磨损（2）刀刃部分温度高（高速切削时，温度达600度）（3）冲击与振动（进刀）2失效形式：磨损，刀刃崩缺，刀具折断3性能要求：高硬度；红硬性；一定强度、塑性、韧性二典型的工具钢成分及热处理（以高速钢为例）W18Cr4V1成分高碳：0.7—0.8%，保证高硬度，并与W,V等形成碳化物或者是合金碳化物高的Ｗ含量：—18%；使钢保持红硬性，提高回火抗力，提高淬透性。（在500-600度回火时产生细小而弥散分布W2C。）

Cr:--4%

提高淬透性和回火抗力，增加抗氧化、抗脱碳、抗腐蚀能力。

V：--1%

提高硬度和红硬性，细化晶粒（形成细少的高硬度的VC，改善韧性）2工艺路线（用高速钢W18Cr4V制造车刀）下料锻造三镦三拔球化退火机加工淬火回火(三次）成品550-570°C组织分析

M回（细针状）碳化物（粒状）

A’（很少量）三其他常用的工具钢1冷作模具钢:实际温度不超过200-3000C工作条件及要求：负荷重、模具形状复杂，要求模具材料变形小、耐磨性高、有一定的韧性。材料中含Cr较高，常用的有：Cr12MoV（传统）、7Cr7Mo3VSi(新钢种）。

热作模具：型腔表面温度可达6000C。常用的材料是5CrNiMo

（传统）、

35Cr3Mo3W2V(新钢种）等。第三节特殊性能钢不锈钢中合金元素的作用（耐腐蚀的原理）常用的不锈钢类型及其应用一不锈钢中合金元素的作用（Cr,Ni,Si,AL,Mo,Ti,Nb等。）（1）提高铁素体的电极电位，Cr，-0.56V→0.12V(2)使钢呈单相组织。

F

(WCr>17%)A

(WNi>9%)(3)形成致密氧化膜，如Cr,Si,AL；（4）形成稳定碳化物，防止晶间腐蚀。金属间化合物Ni3Al,Ni3(Ti,Nb)。防止晶间腐蚀，提高强度，Ti,Nb等。二常用不锈钢马氏体型不锈钢成分：Wc：0.1—1.0%，WCr:12—18%特点：淬透性好，空冷可到马氏体.

牌号：1Cr13,2Cr13，3Cr13,4Cr13,↓↓↓

亚共析钢共析钢过共析钢

热处理及应用：1Cr13,2Cr13；调质处理，组织为S回。应用：汽轮机叶片（1Cr13,2Cr13称为叶片钢），蒸汽机管附件。

3Cr13,4Cr13

淬火+低温回火，组织为M回应用：医疗器件，不锈钢刃具。

奥氏体型不锈钢（用量最多，占65—70