第七章 合金钢.ppt

1、第七章 合金钢,第一节 合金元素在钢中的作用 第二节 合金结构钢 第三节 合金工具钢 第四节 特殊性能钢,学习要求,1.正确认识合金钢与碳素钢的关系与区别； 2.明确合金元素在钢中的作用 ； 3.掌握合金钢的分类、牌号的定义方法、热处理特点及应用。,合金钢 ：为了提高钢的机械性能、工艺性能或物理、化学性能，在冶炼时有目的地往钢中加入一些合金元素的钢称为合金钢。 碳素钢的优缺点 ：碳钢容易获得，价格低廉，加工性能较好；通过调整碳含量及采用不同的热处理，能满足很多生产上的要求。但是碳钢存在着淬透性低，回火稳定性差，基本相软等缺点，使它的应用受到一定限制。 生产中用来改善金属组织与性能的途径有：金属

2、的冷、热变形，合金化及热处理。其中钢的热处理和合金化是改善钢的组织与性能最有效的途径之一。,第一节 合金元素在钢中的作用,一、合金元素对钢中基本相的影响 1. 合金铁素体 镍、硅、铝、钴、铜等与碳的亲和力很弱的元素在钢中不 与碳化合，但能溶入铁素体，称为合金铁素体(也能溶入奥氏体)。,合金元素对铁素体性能的影响,2.合金碳化物 铁、锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等与碳亲和力较强(依次增加元素) 在钢中形成碳化物。,在钢中形成的碳化物可分为两类：,合金渗碳体：弱或中强碳化物形成元素，由于与碳的亲和力比铁强，通过置换渗碳体中的铁原子溶于渗碳体中，从而形成合金渗碳体，如(FeMn)3C、(FeCr)

3、3C等。合金渗碳体与Fe3C的晶体结构相同，但比Fe3C略稳定，硬度也略高，是一般低合金钢中碳化物的主要存在形式。这种碳化物的熔点较低，硬度较低，稳定性较差。,特殊碳化物：中强或强碳化物形成元素与碳形成的碳化物，其晶格类型与渗碳体完全不同。它们可以与碳形成具有复杂晶格的间隙化合物，如Cr23C6、Fe3W3C、Cr7C3等。也可以与碳形成具有简单晶格的间隙相，如WC、VC、TiC、Mo2C等。,二、合金元素对Fe-Fe3C的影响,1.对奥氏体相区的影响,2.对S、E点位置的影响,扩大奥氏体相区： S点和E点向左下方移动,缩小奥氏体相区： S点和E点向左上方移动,3.对共析成分S点和共析温度A1

4、的影响,三、合金元素对钢热处理的影响 1.对奥氏体化的影响 几乎所有的合金元素（除锰外）都能阻碍奥氏体晶粒长大，但影响程度不同。铝、钛、钒、铌、锆等能强烈阻碍奥氏体晶粒长大，而钨、钼、铬等则起中等的阻碍作用，它们均以弥散质点的形式分布在奥氏体晶界上，阻碍了奥氏体晶粒的成长。所以，除锰钢外，合金钢可以适当提高加热温度，使更多的合金元素溶入奥氏体中，这样有利于在淬火后获得细小的马氏体组织，提高钢的淬透性及力学性能。由于“C”曲线的右移，合金钢可以采用较慢的冷却介质进行淬火，因此减少了淬火时工件的变形与开裂。,2.对淬火的影响,合金元素对“C”曲线的影响,合金元素对马氏体转变开 始温度Ms点的影响,

5、合金元素对残余奥氏体量的影响 （含1.0%的钢在1150淬火）,3.对回火稳定性的影响 回火稳定性 :淬火钢在回火时抵抗硬度下降的能力 。 增大回火抗力(回火稳定性) 产生“二次硬化”现象,四、合金钢的分类,1.按化学成分分类,合金元素种类：锰钢、铬钢、硅钢、硅锰钢、铬锰钛钢等,合金元素总量：低合金钢、中合金钢、高合金钢,2.按用途分类,合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢、合金专用钢,3.按金相组织分类,按退火组织 亚共析钢，组织为先共析铁素体和珠光体；共析钢，组织为珠光体；过共析钢，组织为珠光体和二次碳化物；莱氏体钢，在铸态组织中有莱氏体。,按正火组织：可分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥

6、氏体钢等。,第二节 合金结构钢,一、低合金高强度钢 1.成分特点：含碳量较低 2.牌号：由屈服强度汉语拼音字母“Q”、屈服强度数值和质量等级符号等三个部分按顺序组成。,高的屈服强度与良好的塑性和韧性 有良好的焊接性能 具有一定的耐蚀性 热加工性能与低碳钢相近,3.性能特点,4.常用低合金高强度结构钢,低合金高强度钢产品主要有：板、带、型、管等,二、合金结构钢 牌号 ：采用“数字+化学元素符号+数字”的方法 。前面的数字表示钢的平均碳含量，以万分之几表示，后面的数字表示所加合金元素的平均含量，以百分之几表示，若合金元素的平均含量小于1.5%，牌号中只表明元素符号，如果平均含量等于或大于1.5%、

7、2.5%、3.5%，则相应的以2、3、4等表示。 合金结构钢是机械制造、交通运输、石油化工及工程机械等方面应用最广、用量最大的一类钢。合金结构钢通常是在优质碳素结构钢的基础上加入适量的合金元素构成的，属中、低合金钢。,1.合金渗碳钢 成分特点：合金渗碳钢的含碳量一般较低，在0.100.25%之间，属于低碳钢范畴。 常加的合金元素有铬、镍、锰和硼等。 性能要求：经热处理后应具有表面耐磨、高的接触疲劳强度，心部抗冲击的特点，同时还应具有良好的淬透性及耐热性。 热处理特点：合金渗碳钢的一般热处理工艺规范都是在渗碳之后进行淬火，然后再进行低温回火。,常按淬透性的大小分为三类：,低淬透性合金渗碳钢 中淬

8、透性合金渗碳钢 高淬透性合金渗碳钢,常用合金渗碳钢的牌号、热处理规范、力学性能及用途,常用合金渗碳钢的牌号、热处理规范、力学性能及用途,2.合金调质钢 成分特点：大多数调质钢属于中碳钢，含碳量一般在0.250.50%之间，以0.40%居多。 合金调质钢中主加的合金元素有Cr、Mn、Si、Ni、B等，它们的作用是提高钢的淬透性，并保证在淬火回火后获得较高的强度，良好的塑性和韧性。 性能要求：调质钢件大多承受多种复杂的载荷，要求具有良好的综合力学性能，热处理后组织为回火索氏体。 热处理特点：合金调质钢的热处理工艺规范一般是淬火后高温回火，获得具有良好综合力学性能的回火索氏体组织。,根据淬透性的高低

9、，可将其分为三类：,低淬透性合金调质钢 中淬透性合金调质钢 高淬透性合金调质钢,常用合金调质钢的牌号、成分、热处理规范、力学性能及用途,常用合金调质钢的牌号、成分、热处理规范、力学性能及用途,3.合金弹簧钢 性能要求 ：高的弹性极限e 以保证弹簧具有高的弹性变形能力和弹性承载能力，为此应具有高的屈服强度s或屈强比e/b。 高的疲劳极限 以保证弹簧在长期的振动和交变应力作用下不产生疲劳破坏。 足够的塑性和韧性 以免受冲击时发生脆断。 此外，弹簧钢还应具有较好的淬透性，耐热性，耐蚀性，不易脱碳，容易绕卷成形等。 成分特点：为了保证高的弹性极限和疲劳极限，合金弹簧钢的含碳量一般为0.450.70%，

10、属中、高碳钢范畴。 加入的合金元素以Si、Mn为主，其主要作用是提高淬透性，同时也提高屈强比，以Si的作用最为突出。但热处理时Si促进表面脱碳，Mn则使钢易于过热。因此，重要用途的弹簧钢必须加入Cr、W、V等元素，以提高淬透性，细化晶粒，防止过热和脱碳，并保证钢高温下仍具有较高的弹性极限和屈服强度。,热处理特点 冷成形弹簧,碳素弹簧钢丝分为A、B、C三组：,A组： 用于一般弹簧及其他用途； B组： 用于低应力弹簧； C组： 用于较高应力弹簧。,热成形弹簧 ：大型弹簧通常采用热轧钢丝或钢板成形，然后淬火中温（450550）回火，获得回火屈氏体，具有很高的屈服强度和弹性极限，并有一定的塑性和韧性。

11、这类弹簧也可采用等温淬火获得下贝氏体，提高韧性和多冲强度。 弹簧的表面质量对使用寿命影响很大，如脱碳、裂纹、夹杂、斑痕等均可使钢的疲劳强度降低，因此热处理后还可采用喷丸处理来进行表面强化，使表面层产生残余压应力，提高其疲劳强度。,常用合金弹簧钢的牌号、成分、热处理规范、力学性能及用途,三、滚动轴承钢,性能要求 ：滚动轴承钢必须具有高而均匀的硬度和耐磨性，高的弹性极限和接触疲劳强度，足够的韧性和淬透性，同时在大气或润滑剂中还应具有一定的耐蚀能力。 成分特点 ：轴承钢的碳含量比较高，一般为0.951.1%。铬是轴承钢的基本合金元素，其作用是增加钢的淬透性，形成的(Fe、Cr)3C合金渗碳体，能阻碍

12、奥氏体晶粒长大，使淬火后能获得细针状马氏体组织，增加钢的韧性，提高回火稳定性。 对于大型轴承，钢中还加入硅、锰、钒等合金元素。硅、锰进一步提高淬透性，钒与碳形成碳化物，提高钢的耐磨性并防止过热。 非金属夹杂物对轴承钢的接触疲劳强度影响很大，危害最大的是氧化物、硫化物和硅酸盐，因此在冶炼和浇注时必须严格控制其数量，通常使硫的含量小于0.02%，磷的含量小于0.027%。,热处理特点 球化退火：目的不仅是降低钢的硬度，便于切削加工，更重要的是获得细粒状珠光体和均匀分布的过剩粒状碳化物，为最终热处理作好组织准备。 淬火及低温回火：淬火加热温度在Ac1Accm之间 。淬火温度过高，残余奥氏体数量增加，

13、淬火后得到粗片状马氏体，使韧性和疲劳强度下降，且易淬裂和变形；淬火温度过低，则奥氏体中溶解的铬量和碳量不够，淬火后硬度不足。淬火后应立即回火，以消除内应力，提高韧性，稳定组织及尺寸。 对于高精密轴承，为保证在长期存放和使用中不变形，保持尺寸稳定，淬火后应立即进行冷处理（-6080），并在回火和磨削加工后，进行低温时效处理（于120130保温510h）。,常用滚动轴承钢的牌号、成分、热处理规范及用途,第三节 合金工具钢,一、刃具钢 刃具主要是指用于切削金属或非金属的刀具，如车刀、铣刀、钻头、丝锥、板牙等。在切削过程中，刀具要承受工件的压力，刀刃与工件表面及切屑之间有强烈的摩擦，由于切削发热，刃部

14、温度可达500600。此外，刀具还承受一定的冲击和振动。根据刃具的工作条件，刃具钢必须具备高硬度（60HRC以上）、高耐磨性、高热硬性以及一定的强度和韧性。 1.低合金刃具钢 成分特点：低合金刃具钢的碳含量一般在0.851.5%之间， 主加的合金元素有Cr、Mn、Si 。 低合金刃具钢同碳素工具钢相比，有较高的淬透性、强度和耐磨性，以及较小的热处理变形。 热处理特点：在加工前进行球化退火。为了获得高硬度和高耐磨性，最终热处理采用淬火及低温回火。,低合金刃具钢制造的各种工具,2.高速钢 成分特点：高速钢中碳的含量为0.701.65%之间，主加的合金元素有W、Cr、V、Co等 。 热处理特点：以W

15、18Cr4V钢制造的盘形齿轮铣刀为例，说明其热处理工艺方法的确定和工艺路线的安排。 盘形齿轮铣刀的加工工艺路线如下： 下料锻造退火机械加工淬火及回火喷砂磨削,高速钢的退火：退火的目的是降低硬度，消除应力，改善切削加工性能，并使碳化物分布均匀，为淬火和回火作好组织上的准备。为缩短生产周期，高速钢通常采用等温退火。,高速钢的淬火,高速钢的回火,高速钢的导热性差，而淬火温度又很高，如果直接加热到淬火温度就很容易产生变形与开裂，所以必须预热。,W18Cr4V钢在淬火状态约有20%25%的残余奥氏体，一次回火难以全部消除，经三次回火即可使残余奥氏体量减至最低，后一次回火还可以消除前一次回火由于奥氏体转变

16、为马氏体所产生的内应力。,W18Cr4V钢淬火回火工艺,常用高速钢的类型,高碳高速钢,常用高速钢的牌号、成分、热处理规范及性能,二、模具钢 模具钢是用来制造各种锻造、冲压或压铸成形工件模具的钢种。 1. 冷作模具钢 性能要求 ：与刃具钢相比，冷作模具钢应当要求更高的淬透性、耐磨性和韧性，而热硬性的要求可低些，一般冷作模具钢的工作温度不会超过200300。 成分特点 ：在冲击条件下工作的高强韧模具钢要求碳含量为0.500.70%，而要求高硬度、高耐磨性的冷作模具钢的碳含量为1.22.3%。 冷作模具钢中加入W、Mo、V等元素能形成弥散的特殊碳化物，产生二次硬化效应，同时能阻止奥氏体晶粒长大，细化

17、晶粒。因此能显著提高钢的耐磨性、强韧性并减小钢的过热。Cr、Mn、Si的主要作用是提高钢的淬透性和强度。,热处理特点: 一次硬化法 在9501000温度下淬火，然后在150180回火，硬度可达6062HRC，使钢具有较好的耐磨性和韧性，适用于重载模具。 二次硬化法 在11001150温度下淬火，然后在510520下三次回火，产生二次硬化，硬度可达6164HRC，具有较高的耐磨性，但韧性较差，适用于在400450温度下工作的模具。 钢种选择:由于冷作模具钢工作条件和性能要求与刃具钢有相似之处，故刃具钢一般均可用作冷作模具用钢。 尺寸小、形状简单、负荷轻的冷作模具，如小冲头、剪薄钢板的剪刀可选用T

18、7A、T8A、T10A、T12A等碳素工具钢制造。 尺寸较大，形状复杂、淬透性要求较高的冷作模具，一般选用9SiCr、9Mn2V、CrWMn或GCr15等钢制造。 尺寸大，形状复杂、负荷重、变形要求严格的冷作模具，须采用中合金或高合金模具钢，如Cr12Mo、Cr12MoV、Cr4W2MoV、Cr2Mn2SiWMoV、Cr6WV等。,冷作模具,2.热作模具钢 性能要求 ：热作模具钢应具有足够的高温强度和硬度；具备良好的耐磨性和一定的韧性 ；具有高的抗热疲劳性和抗氧化能力 ；具有高的淬透性和较小的热处理变形能力。 成分特点 ：采用中碳钢，含碳量为0.300.60%，加入合金元素Cr、W、Mo、Si

19、等能提高钢的高温强度、硬度和回火稳定性，还可以提高钢的淬透性。 热处理特点 ：反复锻造 ；退火 ；淬火及高温回火 钢种选择 ：对于中小尺寸（截面尺寸300mm）的模具，一般采用5CrMnMo；对于大尺寸（截面尺寸400mm）的模具，一般采用5CrNiMo。,对于塑料模具，由于受力不大，冲击较小，工作温度不高，只要求有较低的表面粗糙度，一般可选用45钢或铸铁。,塑料模具,三、量具钢 量具钢是用以制造各种度量工具的钢种。如千分尺、块规、卡尺、塞规、螺旋测微仪等。 性能要求 ：高的硬度和耐磨性，高的尺寸稳定性，热处理变形要小，存放和使用过程中尺寸不发生变化。 成分特点 ：碳含量一般在0.91.5%，

20、加入Cr、Mn、W等提高钢淬透性的元素 。 热处理特点 ：淬火和低温回火 ，还有三个附加的热处理工序： 淬火之前的调质处理 ：获得回火索氏体组织，减小淬火应力和变形。 淬火之后的冷处理 ：使残余奥氏体转变为马氏体，减少残余奥氏体量，从而增加量具的尺寸稳定性。 淬火和低温回火之后的时效处理：稳定组织。,常用量具钢 碳素工具钢：有T10A、T12A等，主要用于制造形状简单、精度不很高的量具，如量规、样圈等圆形量具。 高碳合金工具钢：有Gr15、CrWMo等，主要用于制造高精度的量具，如量块、塞规等。 渗碳钢：有15、20、15Cr、15CrMo等，主要用于制造长形或平板状量具，如卡规、样板及钢直尺

21、等。,第四节 特殊性能钢,特殊性能钢用于制造在特殊工作条件或特殊环境（如腐蚀介质、高温等）下具有特殊性能要求的构件和零件的钢材，称为特殊性能钢。 牌号的表示法与合金工具钢相同，只是当平均含碳量0.08%时用“0”表示；平均含碳量0.03%时用“00”表示。 一、不锈钢 不锈钢是不锈钢和耐酸钢的总称。所谓“不锈钢”是指能抵抗大气及弱腐蚀介质的钢；而“耐酸钢”是指在各种强腐蚀介质中耐蚀的钢。,1.金属腐蚀的概念 腐蚀 ：金属与合金在外界介质（大气，水，含有酸、碱、盐类的溶液等）的作用下引起的破坏，称为腐蚀。 化学腐蚀 ：是金属直接与周围介质发生纯化学作用的结果。如金属在高温下的氧化 、金属的生锈等

22、。 腐蚀产物能够覆盖在金属表面并起防护作用，是化学腐蚀的重要特点。 电化学腐蚀 ：电化学腐蚀是由于金属的电极电位不同，在电解质溶液中阳极金属发生溶解的结果。这种腐蚀的特点之一，是在腐蚀过程中有电子的移动。 腐蚀产物不起防护作用，是电化学腐蚀的另一个重要特点。 电化学腐蚀与金属的电极电位有关，电极电位的高低，决定着金属转入溶液的能力。,铁被腐蚀的电化学过程,2. 电极电位与腐蚀电池 标准电极电位 ：金属的标准电位排列顺序如下：镁（-1.55伏）、铝（-1.3伏）、锰（-1.10伏）、锌（-0.762伏）、铬（-0.51伏）、铁（-0.439伏）、镍（-0.23伏）、锡（-0.136伏）、铅（-0

23、.127伏）、氢（0伏）、铜（+0.344伏）、银（+0.7996伏）、金（+1.50伏）。 金属的电极电位的负值愈大，该金属愈容易转变为离子状态，亦即电化学稳定性愈小。 异种金属接触电池 ：两种成分不同的材料在电解液中，由于电极电位不同阳极金属发生腐蚀。 在设计上要尽可能地不使电极电位相差很大的材料相接触。 微电池 ：金属与合金内部成分的偏析，组织不均匀性及内应力构成的腐蚀电池 。 钝化现象 ：钝化是由于阳极反应被阻止，而引起的金属与合金耐腐蚀性能提高的现象。,3.腐蚀破坏的类型 一般腐蚀：这种腐蚀发生在金属或合金的整个表面，使截面不断减小，当被腐蚀的是受力零件时，由于腐蚀的结果使零件的有效

24、截面不能承受全部载荷时遂告破坏。 晶间腐蚀：是一种选择性的腐蚀破坏，但与一般的选择性腐蚀不同的是，腐蚀不是从局部表面开始的，而是集中发生在金属的晶界区。因此，有时从外观上不易察觉，但由于晶界区因腐蚀遭到破坏，材料强度几乎完全丧失，稍经受力即沿晶界断裂，所以晶间腐蚀是一种危害性很大的腐蚀破坏。 晶间腐蚀在铬镍奥氏体不锈钢与高铬铁素体不锈钢中均可见到 ，两者表现虽相同，但在机理上完全不同。,不使碳化铬析出 改变析出的碳化物的性质 改变晶界上碳化铬析出的数量及分布状态 延长敏化加热时间,点腐蚀 ：点腐蚀是金属表面局部区域的腐蚀破坏，首先形成腐蚀坑，然后向内部发展，甚至贯穿整个截面。 点腐蚀是不锈钢常

25、见的腐蚀破坏类型之一 ，向不锈钢中加入钼可使之对点腐蚀具有较大的抵抗力。 应力腐蚀 ：应力腐蚀是介质与应力共同作用下引起的腐蚀破坏，应力腐蚀破坏的特征是断口呈脆性破坏，马氏体与奥氏体不锈钢均可产生应力腐蚀，以奥氏体不锈钢最敏感。 消除不锈钢应力腐蚀的敏感性的主要手段是消除应力处理 。 腐蚀疲劳 ：腐蚀疲劳也是腐蚀与应力共同作用的结果，不同的是应力腐蚀是在张应力作用下发生与发展的，腐蚀疲劳则是在交变应力下引起的。断口保留疲劳破坏的特征 。,4.金属的防腐蚀方法,1金属镀层,镀锡 镀锌 镀镉 镀铬,钢的镀层示意图 a)阳极镀层；b)阴极镀层,2阴极保护,3磷化,4发蓝、发黑,5阳极化,6涂漆层,7

26、涂防蚀油膏,5.不锈钢的种类及特点 马氏体型不锈钢：这类钢含碳量较高，铬含量大于等于13%，在正常淬火温度下是纯奥氏体组织，冷却后得到马氏体组织，是不锈钢中机械性能最高的钢种。因为它们可以淬火强化，故机械性能可根据回火温度不同在很大范围内变化，特别是经调质处理后，能获得较好的强度与韧性配合，因此主要用于受力较大的重要的机械零件。 马氏体型不锈钢主要是在氧化性介质中，如大气、水蒸气、淡水、温度不超过30的盐水溶液、食品介质以及浓度不高的有机酸中有较好的耐蚀性能。但在强酸中，马氏体型不锈钢的耐蚀性能很低。,2Cr13钢淬火后的显微组织 （马氏体）,典型的马氏体型不锈钢,奥氏体型不锈钢：含镍8%25

27、%，含镍量愈高奥氏体愈稳定。典型的铬镍奥氏体不锈钢有18-8、18-12、25-12、25-20、20-25Mo等类型（前一组数字为平均含铬量，后一组数字为平均含镍量）。以锰代替部分镍并添加氮的低镍不锈钢也可以获得纯奥氏体组织。 奥氏体型不锈钢具有很好的耐蚀性，亦称耐酸钢。主要用于制造在强腐蚀性介质（如盐酸、硝酸、冷磷酸、盐、碱性溶液等）中工作的零件。奥氏体型不锈钢强度不高，也不能淬火强化，但它们可通过冷加工提高强度，在室温及低温下有很高的塑性与韧性。,1Cr18Ni9Ti钢固溶处理后 的显微组织（奥氏体）,典型的奥氏体型不锈钢,铁素体型不锈钢 ：含铬大于14%的低碳铬不锈钢，含铬27%以上的

28、任何含碳量的铬不锈钢，以及在高铬不锈钢的基础上再添加有铝、钛、铌等元素的不锈钢。 这类钢因含铬量高，在氧化性酸中有良好的耐蚀性。铁素体不锈钢是各类不锈钢中机械性能最低的，在加热和冷却时几乎没有的转变，因而不能用相变强化。同时由于这类钢的晶粒易粗化，含铬高使冷脆转变温度提高，以及475脆性与相脆性等原因，使它们具有较大的脆性倾向，故这类钢多用于工作应力不大的静载荷零件与结构。,1Cr27Ni5Mo1.5钢固溶处理 后的显微组织（铁素体基体+ 粒状奥氏体+黑色碳化物）,典型的铁素体型不锈钢,5.热处理特点 淬火+回火 主要作为马氏体不锈钢的最终热处理。用作高强度结构零件时进行调质处理，如1Cr13、2Cr13。用作弹簧时进行淬火和中温回火处理，如3Cr13。用作医疗器械、刃具、量具和轴承时进行淬火和低温回火处理，如4Cr13、7Cr17、11Cr17等。 固溶处理 常用于奥氏体不锈钢。将钢加热至10501150，使碳化物充分溶解，随后通过水冷，把单相奥氏体保留至室温，以提高钢的韧性。 稳定化处理 对于含Ti或Nb的奥氏体不锈钢，经固溶处理后再进行一次稳定化处理（850880，6h，缓冷），其目的在于消除晶间腐蚀。,二、耐热钢 用于制造在再结晶温度以上工作的零件及构件所用的钢，称为耐热钢。 钢的耐热性包括高温抗氧化性和高温强度两方