4.1.2合金钢知识

1、4.1.2 合金钢的基础知识,碳钢：价格低，但力学性能低，淬透性低，回火抗力差，不能满足特殊性能要求（如耐热、耐低温、耐蚀等）。 合金钢 ：在碳钢的基础上，加入某些合金元素而得到的钢。,合金元素对钢中基本相的影响 合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。,合金元素对钢中基本相的影响,溶于基体中形成合金 F 或合金 A,合金元素溶入铁素体后，产生固溶强化，使铁素体的强度、硬度提高，但塑性、韧性都有下降趋势。,与碳作用形成合金碳化物如 (Fe， Mn)3C,弱碳化物元素: Fe、Mn。 中强碳化物元素: Cr、Mo、W。 强碳化物元素: V、Ti、Nb、Zr。,单独形成特殊碳化物，如TiC、NbC、V

2、C，具有高熔点、高硬度、高耐磨的性能，且稳定性极高。,合金元素对Fe-Fe3C相图的影响,影响A和F存在的范围 Mn、Ni、Co等扩大相区，扩大A存在的区域，如1Cr18Ni9和ZGMn13，室温下单相A Cr、Mo、W、V、Ti、Si缩小相区均缩小A存在区域，如1Cr17Ti高铬铁素体不锈钢,1 合金钢的分类,1、按合金元素含量多少分为低合金钢（含量5），中合金钢（含量510），高合金钢（含量10）； 2、按主要性能和使用特性分类，分为工程结构用合金钢、机械结构用合金钢、轴承钢、工具用钢、不锈钢、耐蚀和耐热钢； 3、按钢中的合金元素种类不同分为锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢和铬锰钢等； 4、按用途

3、分为合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢（重点介绍）,3 合金结构钢,低合金高强度结构钢 成分：Wc0.2%，Me%3%，主加元素Mn 用途：桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。 性能：较高的强度、屈强比、塑、韧性（Me）； 良好的焊接性和冷塑性加工性（低碳）； 含有耐大气和海水腐蚀的元素（Cu、P）。,Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。 Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的容器。 Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度最高，用于石化中温高压容器。,东风号远洋轮船Q345,南京长江大桥Q345,高压容器,渗碳钢,成分：

4、低 碳：0.1%0.25%，以保证零件心部足够的塑性和韧性，抵抗冲击载荷； 合金元素：主加Cr、Mn、Ni、B等，以提高渗碳钢的淬透性，保证零件的心部为低碳马氏体，从而具有足够的心部强度；辅加Mo、W、V、Ti等强碳化物形成元素，以形成稳定的特殊合金碳化物阻止渗碳时奥氏体晶粒长大。,用途：制造要求高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷的重要零件。 性能：表层高硬度（58HRC）和高耐磨性； 心部良好强韧性； 高的淬透性以保证渗碳件的心部性能，以便于渗 碳后直接淬火。,热处理 渗碳淬火 + 低温回火（180200）,调质钢,成分 中碳： 0.25%0.5%（一般为0.4%左右）。 合金元素 ：,主加

5、元素Mn、Si、Cr、Ni、B等，主要作用提高淬透性；次要作用溶入铁素体起固溶强化作用。 辅加元素Mo、W、V等强碳化物形成元素，其中Mo、W的主要作用是抑制含Cr、Ni、Mn、Si等合金调质钢的高温回火脆性，次要作用是改善淬透性；V主要作用形成碳化物阻碍奥氏体晶粒长大，起细晶强化和弥散强化作用。,用途：制造受力复杂（交变应力、冲击载荷等）的重要零件，如发动机连杆、曲轴、机床主轴等。 性能：具有优良的综合力学性能，即既强又韧 热处理： 预先热处理：正火处理（Me含量低） 或正火高温回火（Me含量高） 最终热处理 ：调质，即淬火高温回火。 组织：S回,连杆,弹簧钢,成分： 中高碳：碳素弹簧钢0.

6、60.9%C，合金弹簧钢0.450.70%C，经淬火加中温回火后得到回火托氏体组织，能较好地保证弹簧的性能要求。 合金元素 主加元素为Si、Mn等，其主要作用是提高淬透性、回火稳定性、强化F基体；辅加元素为Mo、W、V等强碳化物形成元素，主要作用有防止Si引起的脱碳缺陷，并细化晶粒及进一步提高弹性极限与屈强比。,用途：制造各种弹簧和弹性元件或类似性能要求的结构零件 性能：高的弹性极限e和屈强比s/b，高的疲劳极限； 热处理 热轧弹簧：热成型 淬火 + 中温回火 喷丸 冷轧弹簧：淬火 + 中温回火 冷成型 去应力 喷丸,热成形弹簧 对截面尺寸10mm各种大型和形状复杂的弹簧均采用热成形(如热轧、

7、热卷)，如汽车、拖拉机、火车的板簧和螺旋弹簧。其加工路线：下料加热压弯或卷绕淬火中温回火喷丸，使用状态组织为回火托氏体。喷丸可强化表面并提高弹簧表面质量，显著改善疲劳性能。（也可采用等温淬火获得下贝氏体、或形变热处理，提高弹簧的性能和寿命）。,汽车板簧,热卷大弹簧,冷成形弹簧 截面尺寸10mm的各种小型弹簧可采用冷成形(如冷卷、冷轧)，如仪表中的螺旋弹簧、发条及弹簧片等。这类弹簧在成形前先进行冷拉（冷轧）、淬火中温回火或铅浴等温淬火后冷拉（轧）强化；然后再进行冷成形加工，此过程中将进一步强化金属，但也产生了较大的内应力和脆性，故在其后应进行低温去应力退火（一般200400）。,弹簧丝,发条,滚

8、动轴承钢,成分 高碳：0.95%1.15%C，保证轴承钢高硬度和高耐磨性； 低铬：0.40%1.65%Cr，增加钢的淬透性，并形成合金渗碳体(Fe、Cr)3C提高接触疲劳极限和耐磨性。 大型轴承加入Si、Mn、Mo、 V等元素以进一步提高淬透性和强度。,用途：制造各种滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱）和内外套圈的专用钢种，也可用于制作精密量具、冷冲模、机床丝杆及油泵油嘴的精密偶件如针阀体、柱塞等耐磨件。 性能：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; 热处理 预先热处理：球化退火，以改善切削加工性并为淬火作组织准备； 最终热处理：淬火低温回火，决定轴承钢的性能，得到

9、高硬度（6266HRC）和高耐磨性。 冷处理：消除A残与内应力、稳定组织、提高轴承的尺寸精度。,组织 ： M回细碳化物少量A残,4 合金工具钢,一、刃具钢,性能要求 高的硬度（6066HRC）和耐磨性。 高的热硬性，即钢在高温下（500600）保持高硬度（60HRC左右）的能力，这是高速切削加工刀具必备的性能。 适当的韧性。,（一）低合金刃具钢,成分： 高碳，含 0.91.5 % C ，添加Si、Mn、Cr、等合金元素，提高钢的淬透性和回火稳定性，进一步改善刀具的硬度和耐磨性；强碳化物形成元素(如W、V等)所形成的碳化物除对耐磨性有提高作用外，还可提高钢的热硬性。 性能：低合金工具钢的淬透性和

10、综合力学性能好，但由于其内的合金元素主要是淬透性元素，而不是含量较多的强碳化物形成元素(W、Mo、V等)，故仍不具备热硬性特点，刀具刃部的工作温度一般不超过250，否则硬度和耐磨性迅速下降，甚至丧失切削能力，因此这类钢属于低速切削刃具钢。,（二）高速钢,成分（W18Cr4V） 高碳 0.71.5%：保证高硬度 钨 18%：形成碳化物；在560左右回火时， 弥散析出W2C， 造成二次硬化，提高钢的红硬性。 钼 5%：1%Mo的作用等同于2%W。 铬 4%：形成碳化物；提高钢的淬透性。 钒1.5%：形成VC，硬度极高，提高钢的硬度和耐磨性，产生二次硬化。,性能：高硬度、高耐磨性、高的红硬性（600

11、时，HRC63以上）、有一定的强度和韧性。,盘形铣刀,模具钢,（一）冷作模具钢 工作条件与性能要求：在常温下使金属材料变形成型的模具用钢，工作温度200300；模具承受很大的载荷及摩擦、冲击作用；冷作模具钢应具有高硬度、高耐,汽车车门模具,成分： 高碳 合金元素：Cr， Mo、W、V,磨性、高强度和足够的韧性；冷作模具对淬透性、耐磨性尤其是韧性方面的要求更高一些，冷作模具钢应是高碳成分并多在回火马氏体状态下使用。,（二）热作模钢,工作条件与性能要求：使热态金属成形的模具用钢。热锻模工作部分的温度会升高到300400、热挤压模可达500800、甚至近1000，因交替加热冷却的温,汽车曲轴模具,度

12、循环产生交变热应力；热作模具常见的失效形式有变形、磨损、开裂和热疲劳等，要求模具钢应具有良好的高温强韧性、高的热疲劳和热磨损抗力、一定的抗氧化性和耐蚀性等。,成分：中碳 0.30.6 %； 合金元素:Cr、Ni、Mn、Si、Mo、W、V。,量具钢,性能要求：高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性。 成分：高碳 ；合金元素：Cr， Mn、W。 应用 简单量具 T10A、T12A 等。 高精度量具 GCr15、9SiCr、CrWMn 热处理：淬火 + 冷处理 + 低温回火 + 时效处理 最终组织 ： M回+ 合金碳化物,千分尺,特殊性能钢,（一）不锈钢 金属腐蚀的种类: 化学腐蚀 金属表面与周围介质直

13、接发生化学反应而引起的腐蚀。如金属高温时的氧化，钢的脱碳 。 电化学腐蚀金属材料（合金或不纯的金属）与电解质溶液接触 ， 通过电极反应产生的腐蚀。如钢的生锈。,金属的防腐 “多相”易腐蚀，“单相”不易腐蚀 两相若电极电位接近耐腐蚀(Cr、Ni提高基体电极电位) 表面致密的氧化膜也耐腐蚀(Al2O3、Cr2O3) 化学成分特点: 低碳：耐蚀性要求愈高，碳含量愈低。 合金元素：主加Cr。辅加Ni、Mo、Cu、Ti、Nb、Mn 等。,铁素体不锈钢,碳含量0.12%、铬含量1618。Cr是铁素体形成元素，致使此类钢从室温到高温（1000左右）均为单相铁素体；塑性加工、切削加工和焊接性较优。主要用于对耐

14、蚀性和抗氧化性有较高要求的零件，如耐硝酸、磷酸结构和抗氧化结构。 常见的铁素体不锈钢有10Cr13、1Cr17、1Cr28等。,马氏体不锈钢,马氏体不锈钢：碳0.1%0.45%，含Cr平均为13%。当WCr12%时能起到钝化作用。此类钢在氧化性介质中（如大气、海水、氧化性酸）耐蚀。 常见的马氏体不锈钢有：Cr13型如1Cr13、2Cr13、3Cr13。,奥氏体不锈钢,奥氏体不锈钢：是在Cr18Ni8（18-8）基础上发展起来的，低碳（0.12）、高铬（18）和较高镍（9）；Cr主要起钝化作用，Ni主要起扩大A相区的作用。此类钢具有最佳的耐蚀性，但相应地价格也较高；优良的低温韧性、高的加工硬化能

15、力、耐热性，其冷塑性加工性和焊接性能较好。 以Cr18Ni8普通型奥氏体不锈钢用量最大，牌号有1Cr18Ni9，1Cr18Ni9Ti及0Cr18Ni9等。,（二）耐热钢,定义:在高温下具有抗氧化性和高温强度的特殊钢。 高温强度（热强性）指标有： 蠕变极限：材料在高温长期载荷下对缓慢塑性变形（即蠕变）的抗力；以 表示700下经1000h产生0.2%残余变形量的最大应力。 持久强度：材料在高温长期载荷下对断裂的抗力；以 表示在500下经10000h发生断裂的应力值。,提高钢抗氧化性的途径：加入Cr、Al、Si在钢表面生成致密稳定连续而牢固的Cr2O3、Al2O3、SiO2氧化膜。 提高钢热强性的途

16、径： 基体固溶强化：加入元素Cr、Ni、W、Mo等，形成单相组织并提高再结晶温度。 第二相弥散强化：加入元素V、Ti、Nb、Al等，形成细小弥散分布的稳定碳化物(VC、TiC、NbC)或稳定性更高的金属间化合物(Ni3Ti、Ni3Nb、Ni3Al)，获得第二相弥散强化效果并提高组织稳定性。 晶界强化：微量元素硼(B)与稀土(RE)元素，起净化晶界或填充晶界空位的作用。,抗氧化钢 ：如3Cr18Ni25Si2等。 热强钢 珠光体：500以下，如12CrMo、15CrMoV 马氏体：600-650 ，如Cr13型马氏体不锈钢 奥氏体：650 以上：如18-8型奥氏体不锈钢,航空发动机,汽轮机叶片,

17、（三）耐磨钢,定义：在强烈冲击载荷作用下发生冲击形变硬化的高锰钢。 化学成分：高碳(0.9%1.5%)、高锰(1114)。 铸态组织：粗大AFe3C网，脆性大，不直接使用。 水韧处理：（10601100快速水冷）后可得到单相A，此时韧性很高。 形变硬化： (AM)形成硬(500HBW)而耐磨的表面层(1020mm)，心部仍为高韧性的A。 主要用途：坦克、拖拉机、挖掘机的履带板、破碎机衬板、铁路道岔等。,4.1.3 铸铁,主要由铁、碳和硅组成的合金的总称。也叫生铁 。 碳含量大于2.11 硅含量为0.83.0 锰、硫、磷杂质元素含量也比碳钢高。合金铸铁还含有镍、铬、钼、铝、铜、硼、钒等元素。碳、

18、硅是影响铸铁显微组织和性能的主要元素。 含碳量较高的铁,质脆,不能锻压,用来炼钢或铸造器物 。,铸铁硬度强度比钢更大，但塑性，韧性，抗疲劳性比钢要小的多。也就是说使用性能不及钢铁，但工艺性能优于钢，因为它比钢更易切削加工。 含碳量较高的铁,质脆,不能锻压,用来炼钢或铸造器物 。,铸铁的分类,1.按断口颜色分 (1)灰铸铁 这种铸铁中的碳大部分或全部以自由状态的片状石墨形式存在，其断口呈暗灰色，有一定的力学性能和良好的被切削性能，普遍应用于工业中 (2)白口铸铁 白口铸铁是组织中完全没有或几乎完全没有石墨的一种铁碳合金，其断口呈白亮色，硬而脆，不能进行切削加工，很少在工业上直接用来制作机械零件。由于其具有很高的表面硬度和耐磨性，又称激冷铸铁或冷硬铸铁 (3)麻口铸铁 麻口铸铁是介于白口铸铁和灰铸铁之间的一种铸铁，其断口呈灰白相间的麻点状，性能不好，极少应用,2.按化学成分分 (1)普通铸铁 是指不含任何合金元素的铸铁，如灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁等 (2)合金铸铁 是在普通铸铁内加入一些合金元素，用以提高某些特殊性能而配制的一种高级铸铁。如各种耐蚀、耐热、耐磨的特殊性能铸铁,3.按生产方法和组织性能分 (1)普通灰铸铁 参见“灰铸铁” (2)孕育铸铁 这是在灰铸铁基础上，采用“变质处理”而成，又称变质铸铁。其强度、塑性和韧