浙理工机械工程导论课件04合金钢

第四章合金钢§1概述合金钢是为了改善和提高碳素钢的性能，在碳素钢的基础上添加一定的合金元素所炼制的一类钢。碳素钢的主要缺点：综合机械性能差热稳定性差耐腐蚀性差淬透性差不能满足某些特殊性能一、合金钢的分类二、合金钢的编号不论结构钢或工具钢均采用：数字+化学元素+数字的方法表示。结构钢的含碳量用两位数字表示。如60Si2Mn;20CrMnTi工具钢用一位数字表示，含碳量大于1%时不标出。如5CrMnMo;Cr12§2合金元素在钢中的作用一、钢中的合金元素为了合金化的目的而加入并且其含量有一定范围的元素，称为合金元素。根据合金元素与碳的亲和力关系，将其分为:与碳亲和力较强的元素称为碳化物形成元素，如Zr、Nb、Ti、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe等;与碳亲和力较小的元素称为非碳化物形成元素，如Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。二、合金元素的作用合金元素固溶于铁素体，提高钢的强度，不降低塑性合金元素固溶于奥氏体，增加钢的稳定性合金元素形成碳化物、非金属化合物合金元素改变相变温度合金元素改变共析点的位置§3合金结构钢合金结构钢是用于制造各种机器零件和各类工程结构的钢。普低钢又称低合金高强度钢，英文缩写HSLA钢。从成分上看其为含低碳(<0.2%)低合金(<3%)元素钢种，是为了适应大型工程结构（如大型桥梁，压力容器及船舶锅炉等）以减轻结构重量，提高可靠性及节约材料的需要而发展起来的。我国列入冶金部标准的普低钢，按屈服强度高低分为300MPa级，350MPa级，400MPa级，450MPa级，500MPa级和650MPa级六个级。一、低合金结构钢二、机器制造用合金结构钢合金渗碳钢1.渗碳钢的工作条件及性能要求渗碳钢，及由其制作的零件在渗碳热处理后才使用。这种零件工作时，除要求较高强度可靠性外，还常常受到较大的表面磨擦和冲击作用，故其性能要求：

(1)有一定的强度和塑性，以抵抗拉伸，弯曲，扭转等变形破坏；

(2)要求表面有较高的硬度和耐磨性，以抵抗磨损及表面接触疲劳破坏；

(3)有较高的韧性以承受强烈的冲击作用；

(4)当外载是循环作用时，要求零件有好的抗疲劳破坏能力。2.渗碳钢主要钢种渗碳钢即需要渗碳表面强化的钢，根据上述的性能要求，这类钢成分上一般是低碳或低碳合金结构钢。常用的渗碳零件包括齿轮，凸轮，活塞销等表面易于受到磨损破坏的活动零件。如常用作汽车齿轮的20Cr、20CrMnTi等钢材。调质钢调质钢就是经过淬火加高温回火处理而使用的结构钢，其经调质处理后的组织为回火索氏体S回，这种组织有良好的综合机械性能，即高强韧性的统一。弹簧钢

1.弹簧的使用条件及性能要求用以制造弹簧或类似弹簧性能零件的钢种称为弹簧钢。在机器设备中这类零件的主要作用是：间断吸收冲击能量，缓和机械振动及冲击作用以及周期性贮存能量。常用零件如汽车叠板弹簧，仪表弹簧，汽阀弹簧等。

2.弹簧的主要失效形式为疲劳断裂和由于发生塑性变形而失去弹性。因此其性能要求为：

(1)高的屈服强度，疲劳强度和高的屈强比；

(2)一定的塑性和韧性；

(3)保证组织性能均匀，要求材料淬透性好；

(4)另外在高温或腐蚀介质下工作时，材料应有好的环境稳定性。滚动轴承钢1.轴承钢的工作条件及性能要求主要用于制造滚动轴承的钢称为轴承钢。滚动轴承由内套、外套、滚动体及保持架组成，除保持架常用低碳钢（08钢）板冲制成型外，均由轴承钢制成。

2.轴承钢及其合金化为满足轴承钢高性能的要求常用轴承钢成分一般如下：

(1)高碳：一般含碳量为0.95~1.15%，保证了马氏体中足够的碳含量及足够的弥散碳化物，满足了高硬度高耐磨要求；

(2)加入Cr、Mn、Si等合金元素：其中Cr为主加元素。Cr、Si、Mn的主要作用是提高淬透性，强化铁素体，提高碳化物稳定性；同时细化组织，提高回火稳定性。但合金含量过高会使残余奥氏体增多，导致钢硬度和零件的尺寸稳定性降低；§4合金工具钢一、刃具钢二、模具钢三、量具钢（高的硬度、耐磨性、红硬性、强度、韧性）（高尺寸稳定性、高硬度、高耐磨性、足够的韧性）（冷模具钢：高硬度、高耐磨性、高强度、足够的韧性、工艺性好）（热模具钢：高温硬度、高温强度、高温下的耐磨性、足够的韧性、抗氧化能力、热处理变形小）§5特殊性能钢特殊性能钢是指具有特殊物理化学性能并可在特殊环境下工作的钢，如不锈钢，耐热钢，耐磨钢及低温用钢等。一、不锈钢1.不锈钢的使用条件及材料设计原则在腐蚀性介质中能稳定不被腐蚀或腐蚀极慢的钢，一般被称为不锈钢。材料在一般的酸碱环境中，电化学作用是其腐蚀失效的主要原因。根据电化学腐蚀的基本原理，对不锈钢通常采取以下措施来提高其性能：

(1)尽量获得单相的均匀的金属组织，从而不会产生原电池作用。如在钢中加入大于9%的Ni可获得单相奥氏体组织，提高了钢的耐蚀性。(2)通过加入合金元素提高金属基体的电极电位。如加入一定量的铬会达到这一目的；钢中含铬量与其电极电位关系服从n/8规律，即铬原子含量为n/8时电位发生突变而升高，如当加入13%Cr时钢中铁素体电极电位由-0.56V提高到+0.2V，金属腐蚀速率大大减小，使金属抗蚀性大大提高。

(3)加入合金元素使金属表面在腐蚀过程中形成致密保护膜如氧化膜（又称钝化膜），使金属基材与介质隔离开，防止进一步腐蚀。如Cr、Al、Si等合金元素就易于在材料表面形成致密的氧化膜如Cr2O3、Al2O3、SiO2等。不锈钢中常加入的合金元素有Cr、Ni、Ti、Mo、V、Nb等。铬是最重要的必加元素，它不但提高铁素体电位，形成致密氧化膜，且在一定成分下也可获得单相铁素体组织；镍是扩大奥氏体区元素，用于形成单相固溶体，也可提高材料电极电位，但镍稀缺；而钢中镍与铬常配合使用则会大大提高其在氧化性及非氧化性介质中的耐蚀性。锰、氮也是奥氏体化元素，在钢中可部分代替镍的作用。钼则可增加钢钝化能力，提高钢在还原性介质中的耐蚀性和抗晶间腐蚀能力。2.不锈钢的分类及常用不锈钢

(1)不锈钢分类：按不锈钢正火（供应）状态的组织分为：马氏体形不锈钢（Cr13型）；铁素体型不锈钢（Cr17、Cr25型）；奥氏体不锈钢（18-8型）；双相不锈钢及沉淀硬化型不锈钢。二、耐热钢1.耐热钢工作条件及耐热性要求在航空航天，发动机，热能工程，化工及军事工业部门，有许多机器零件是在高温下工作的，常常使用具有高耐热性的耐热钢。钢的耐热性包括高温抗氧化性和高温强度两方面，即高温下对氧化作用的抗力和高温下承受机械负荷的能力。因此耐热钢既要求高温抗氧化性能好，又要求高温强度高。(1)高温抗氧化性：金属的抗氧化性通常不是说其不氧化，而是其在高温下表面迅速氧化形成一层致密的氧化膜，隔离了高温氧化环境与钢基体的直接作用，使钢不再被氧化。一般碳钢在高温下表面生成疏松多孔的氧化亚铁(FeO)，易剥落，且环境中氧原子能不断地通过FeO扩散至钢基体，使钢连续不断地被氧化。(2)高温强度：高温强度又称热强性，是钢在高温下抵抗塑性变形和破断的能力，它通常以蠕变极限和持久强度表示。为了提高钢的高温强度，通常采用固溶强化，沉淀析出相强化和晶界强化的方法，以阻碍原子扩散及位错的运动。其中由于材料在高温下（大于等强温度Te）。其晶界强度低于晶内强度，晶界成为薄弱环节。因此耐热钢的晶粒粒径应该是不大不小，并且还可通过加入钼锆钒硼等晶界吸附元素