大学材料合金钢.ppt

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1、第7章 合金钢,7.1 合金元素在钢中的主要作用 7.2 合金钢的分类和牌号 7.3 合金结构钢 7.4 合金工具钢 7.5 特殊性能钢,第7章 合金钢,工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。,碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。 合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。,1、Mn: 0.8%时为杂质, 是有益元素。作用为： 强化铁素体； 消除硫的有害作用。,一、杂质元素对性能的影响,钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S。是由原料带入或脱氧残留的元素。,7.1 合金元素在钢中的主要作用, 强化铁素体； 增加钢液流动性。 3、S：是有害元素。

2、常以FeS形式存在。易与Fe在晶界上形成低熔点共晶(985)，热加工时(11501200)，由于其熔化而导致开裂，称热脆性. 钢中的硫应控制在0.045%以下.,2、Si：0.5%时为杂质，是有益元素。作用为：,合金晶界的低熔点硫化物共晶,Mn可消除硫的有害作用, FeS + Mn Fe + MnS， MnS熔点高(1600)。 4、P：也是有害元素。 能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆性。 P一般控制在0.045%以下., 对钢中基本相的影响 1、溶于铁素体，起固溶强化作用,二、合金元素在钢中的作用,对铁素体冲击韧性影响,非碳化物形成元素及过剩的碳化物形成元

3、素都溶于铁素体，形成合金铁素体。 （除Pb外） Si、Mn对强度、硬度提高显著。Cr、Ni在适当范围内提高韧性。,2、形成碳化物，起强化相作用 合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为： Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。, Ti、Nb、V为强碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性高，如TiC、VC等。,钢中碳化物, W、Mo、Cr为中碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较高，如W2C等。 Mn、Fe为弱碳化物形成元素，碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性较低，如Fe3C等。 合金渗碳体，如（Fe，Mn）3C、（Fe，Cr）3C等,（二） 对钢中相变过程的影

4、响 1、对奥氏体晶粒长大倾向的影响：,碳、氮化物形成元素阻碍奥氏体晶粒长大。 Mn、P促进长大。,2、对C曲线和淬透性的影响： 除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素均使C曲线右移，淬透性提高。 常用提高淬透性的元素为Mn、Si、Cr、Ni、B。,合金元素对钢淬透性的影响,淬火碳钢 回火 时的 硬度变化,3、对回火转变的影响 提高耐回火性：淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称耐回火性。 合金元素能阻碍马氏体分解及碳化物的析出与聚集。,当回火硬度相同时，合金钢比同含碳量碳钢回火温度高。如果同温度回火，合金钢硬度比碳钢高。,7.2 合金钢的分类和编号,7.2.1 钢的分类 1、按化学成分分,2、按质量

5、分 钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。 分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。 根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：,3、按冶炼方法分,4、按金相组织分,电弧炉炼钢,5、按用途分（掌握）,工程用钢 建筑、桥梁、船舶、车辆,渗 碳 钢调 质 钢弹 簧 钢滚动轴承钢,机器用钢,结 构 钢,工 具 钢,不锈钢 耐热钢 耐磨钢,特殊性能钢,7.2.2 钢的编号 我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。 采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母。,常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法

6、表示符号（GB/T 2212000）,1、碳素结构钢和低合金高强度钢 Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号 Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa； 质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。,脱氧方法符号: 沸腾钢F；镇静钢Z；半镇静钢b；特殊镇静钢TZ。 如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。,钢板,低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱氧方法的符号。如Q345C。,*说明：通常情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。,热连轧钢板,根据需要，低合金高强度结构钢的牌号

7、也可以采用两位阿拉伯数字（表示平均含碳量的万分之几）和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。,钢管,2、合金结构钢和合金弹簧钢 两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素符号+该元素百分含量数字+ 当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量；,当合金元素的平均含量为1.502.49%、2.50 3.49%、3.504.49%、4.505.49%、时，在相应的合金元素符号后标2、3、4、5 等数字。如20CrNi3。 高级优质钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。 特级优质钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。,不锈钢制管板式换热器,所有合金钢的合金元素量标法相同,3

8、、工具钢 碳素工具钢 T + 数字 T表示“碳素工具钢” ； 数字表示平均含碳量的千分之几. 如T8其平均含碳量为千分之八(0.8%C)。 *说明：碳素工具钢都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后加“A”，如T8A。,丝锥,锉刀, 合金工具钢 含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+ 当含碳量小于1.00%时，含碳量用一位数字标明，这一位数字表示平均含碳量的千分之几，如8MnSi。 当含碳量大于1.00%时，不标含碳量。,* 高速钢不标含碳量，如W6Mo5Cr4V2(含0.85%C).,铣刀,4、轴承钢 G+Cr+铬含量(不标含碳量) “G”表示“滚动轴承钢”。 * 铬含量以千分之一为单位。 如

9、“GCr15”的平均含铬量为1.5%。,5、不锈钢和耐热钢（特殊性能钢） 含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+ 含碳量以千分之一为单位。,含碳量的表示方法为： 当平均含碳量1.00%时，用两位数字表示，如：11Cr17(平均含碳量为1.10%)；,涡轮叶片, 当0.1% 平均含碳量 1.0%时，用一位数字表示，如2Cr13（平均含碳量为0.20%） 当0.03% 含碳量0.1% 时，以“0”表示，如0Cr18Ni9（含碳量上限为0.08%） 当含碳量0.03% 时（超低碳），以“00”表示，如00Cr30Mo2(含碳量上限为0.03%）,汽轮机叶片,6、铸钢 ZG + 两位数字 ZG表示“铸

10、钢”； 两位数字表示平均含碳量的万分之几，如：ZG230-450。,7.3 合金结构钢,对结构钢的性能要求为： 使用性能以强韧性为主。 工艺性能以可焊性、淬透性为主。 合金结构钢除少量为中高合金钢外，都是低合金钢（0.100.25%C）。,铜陵长江公路大桥,1、成分：0.4%C, P、S量及非金属夹杂较多。 2、性能：可焊性、塑性好。 3、热处理：不进行专门热处理，热轧空冷态下使用。 4、使用状态下组织：F+P,7.3.1 合金结构钢,5、用途 常以热轧板、带、棒及型钢使用，用量约占钢材总量的70%。 用于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。,1、性能要求 高强度及足够韧性。 良好的焊接性能。

11、良好的耐蚀性及低 的韧脆转变温度。 2、成分特点 低碳：0.10.25%C 合金元素：主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等。,（一）低合金高强度结构钢,3、热处理：大多数热轧、空冷后使用。少数可用正火+高温回火处理。 4、使用状态下组织：F+P,低合金高强钢合金元素细化晶粒作用, Mn的作用是强化铁素体；增加珠光体的量。 V、Ti、Nb等起细化晶粒和弥散强化作用。 另外加Cu、P可提高耐蚀性。,5、用途： 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，用于中等压力的压力容器。 Q460钢含Mo、B，正火组织为贝氏体，强度高,用于石化中

12、温高压容器。,南京长江大桥,（二）低合金耐候钢（自学，了解）,（三）低合金专业用钢（自学，了解）,制造渗碳零件的钢种。 1、性能要求 表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧。 良好的热处理性能,如淬透性和渗碳能力。,7.3.2 合金渗碳钢,2、成分特点 低碳：0.10.25%C 合金元素作用： 提高淬透性： Cr、Mn、Ni、B 强化铁素体： Cr、Mn、Ni 细化晶粒： W、Mo、Ti、V,3、热处理特点 渗碳件的加工工艺路线为：下料锻造正火机加工渗碳淬火+低温回火 淬火温度一般为 Ac1+30-50。 4、使用状态下组织 心部：M回+F 表层：M回+颗粒状碳化物+A

13、(少量)；,渗碳淬火后的表层组织,5、常用钢号及用途 低淬透性钢：20、20Cr。,用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。,中淬透性钢：20CrMnTi。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。 高淬透性钢：18Cr2Ni4WA。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。,调质件（螺杆）,调质后使用的钢种。 1、性能要求 良好的综合力学性能。 良好的淬透性。,7.3.3 合金调质钢,2、成分特点 中碳：0.250.5%C 合金元素作用： 提高淬透性: Mn、Si、Cr、Ni、B 强化铁素体: Mn、Si、Cr、Ni 细化晶粒: Ti、V 防止第二类回火脆性: W、Mo,3、热处理及组织特点 调质

14、件的加工工艺路线为：下料锻造退火粗加工调质精加工装配 调质目的：获得良好综合力学性能 使用状态下的组织为：S回,为提高表面耐磨性，调质后可进行表面淬火或氮化。,回火索氏体,调质处理车间,柴油机凸轮轴,4、常用钢号及用途 低淬透性钢： D0油3040mm, 常用 45、40Cr, 用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等。 中淬透性钢： D0油4060mm，常用40CrNi，用于制造大中型零件。,高淬透性钢：D0油60mm, 常用40CrNiMo, 用于制造大截面重载荷零件，如曲轴等。,制造弹簧或类似性能零件的钢种。 1、性能要求 弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件。 高的s，s/b； 高的-1；

15、足够的韧性 高的淬透性。,7.3.4 合金弹簧钢,2、成分特点 中高碳： 碳素弹簧钢为0.60.9%C 合金弹簧钢为0.450.7%C 合金元素作用： 提高淬透性、强化铁素体：Mn、Si、Cr 提高s/b：Si 细化晶粒：V,3、热处理及组织特点 冷成型弹簧：冷拔 冷成型定型处理(250300)。 用于10mm),4、常用钢号及用途 Si、Mn弹簧钢，如65Mn、60Si2Mn，用于制造较大截面弹簧。 Cr、V弹簧钢，如50CrV，用于大截面、大载荷、耐热的弹簧。,载荷(频率达数万次/分)和摩擦。 高而均匀的硬度和耐磨性。 高的b和接触疲劳强度。 足够的韧性、淬透性和耐蚀性.,7.3.5 滚动

16、轴承钢,用于制造轴承套和滚动体的专用钢种。 1、性能要求 轴承工作时, 承受接触应力(达30003500MPa)、周期性交变,2、成分特点 高碳：0.951.10%C 合金元素：以Cr为主,加入Mn、Si。 Cr、Mn、Si的主要作用是提高淬透性,Cr还提高耐磨性（形成合金渗碳体）和耐蚀性。 当1.65%Cr时，会因A增加而使硬度和稳定性下降。,3 、热处理和组织特点 滚动轴承钢是过共析钢。 热处理： 球化退火+淬火+低温回火 组织：,M回+颗粒状碳化物+A(少量) 淬火后进行冷处理(-60 -80), 可以减少A、稳定尺寸。,轴承生产车间,4、常用钢号及用途 应用最广的是GCr15，大量用于

17、大中型轴承； 大型轴承用GCr15SiMn。 这类钢还可用于制造模具、量具等.,向心球轴承,7.4 合金工具钢,按用途分为: 刃具钢 模具钢 量具钢,用来制造各种切削刀具的钢种。,7.4.1 合金刃具钢,切削加工, 性能要求 1、高硬度 (HRC60),主要取决于含碳量。 2、高耐磨性 靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。 3、高热硬性 即高温下保持高硬度的能力。 4、足够的韧性 以防止脆断和崩刃。,切削加工的基本形式, 碳素工具钢 共有七个牌号：T7T13 1、成分特点：,高碳(0.651.35%C) 随含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韧性下降。,2、热处理及组织 热处理：正火+球

18、化退火+淬火+低温回火 球化退火目的： 降低硬度, 便于加工; 为淬火作组织准备。 使用状态下的组织： M回+颗粒状碳化物+A(少量),3、用途 由于碳工钢热硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。 T7T9：制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、锤子等。,T10T11：制造低速切削工具，如钻头、丝锥、车刀等。 T12T13：制造耐磨工具，如锉刀、锯条等。,1、成分特点： 高碳：0.751.5%C 合金元素作用 提高淬透性: Cr、Mn、Si 提高耐回火性：Si 提高耐磨性、细化晶粒: W、V, 低合金工具钢 由碳素工具钢基础上加入少量合金元素(35)形成。,2、热处理及组

19、织 同碳素工具钢，只是淬火介质为油(碳素工具钢为水)。 使用状态下的组织为： M回+颗粒状碳化物+A(少量) 3、常用钢号及用途 应用最多的是9SiCr。用于制造形状复杂、要求变形小的低速刃具，如丝锥、板牙等.,1、性能特点: 高热硬性(600)、高淬透性 2、成分特点 高碳: 0.701.5%C 合金元素作用 提高淬透性：Cr 提高热硬性、耐磨性: W、Mo、V, 高速钢（俗称锋钢） 制造高速切削刃具用钢。,W18Cr4V钢的铸态组织,3、加工与热处理 加工工艺路线：下料锻造退火机加工淬火回火磨削,高速钢是莱氏体钢，其铸态组织为亚共晶组织，由鱼骨状莱氏体与树枝状M+T组成，脆性大且无法热处理

20、改善。, 退火目的： 降低硬度，便于切加工； 为淬火作组织准备。 退火后组织： S+颗粒状碳化物, 锻造目的：打碎粗大的鱼骨状碳化物，使其均匀分布于基体中。,W18Cr4V钢的退火组织, 淬火目的: 获得高合金元素含量的马氏体。因此淬火温度高(1200)。,淬火后组织： M+未溶碳化物(10%)+A (20%),的碳化物，产生二次硬化。 碳及合金元素含量下降，Ms点上升，回火冷却时，A转变为M。 每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。, 回火目的：主要为减少A。消除内应力、稳定组织。 常用560三次回火. 回火时的组织变化： 析出W、Mo、V,高速钢硬度与回火温度关系,W18Cr4V钢热处理

21、工艺示意图,W18Cr4V钢淬火、回火后的组织,4、使用状态下组织 M回+颗粒状碳化物+A（少量）,5、常用钢号及用途 常用钢号为W18Cr4V(18-4-1)和W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)。 用于高速切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀、钻头等。,汽车冲压模具,用以制造冷热模具的钢种。 冷作模具钢 制造金属冷成型模具钢种。 1、性能要求 高硬度和耐磨性。 足够的强度和韧性。 良好的工艺性能（淬透性、切削加工性等）,7.4.2 合金模具钢,2、常用钢种 小尺寸、形状简单、受力不大的模具, 可用碳素工具钢和低合金工具钢制造。 截面、受力大的冷模具用Cr12型冷作模具钢制造., 成分特点：高碳(

22、1.42.3%C)；高铬(11.513%Cr) 合金元素作用： Cr 提高淬透性； Mo、V 提高耐磨性，细化晶粒。, 加工及热处理：Cr12型模具钢也是莱氏体钢，需进行锻造、退火, 目的同高速钢., 常用钢号为Cr12和Cr12MoV。用于制造冷冲模、挤压模等。,最终热处理为: 淬火+低温回火,使用状态下的组织: M回+颗粒状碳化物+A(少量), 热作模具钢 制造使加热金属或液态金属成型模具钢种。 1、性能要求 高温下良好的 综合力学性能。 抗热疲劳性能。 高的淬透性和良好的导热性。,2、常用钢种 5CrNiMo、5CrMnMo 前者用于大型热锻模，后者用于中小型热锻模. 成分特点、合金元素

23、作用及热处理同调质钢。 使用状态下的组织: S回,制造各种量具用钢。如千分尺、卡尺、块规、塞规等。,7.4.3 合金量具钢,1、性能要求 量具在使用过程中与被测零件接触，承受摩擦和冲击。 高硬度和耐磨性。 高的尺寸稳定性。 足够的韧性。,2、量具用钢 低碳钢渗碳、 中碳钢表面淬火 碳素工具钢、低合金工具钢 两者用于尺寸小、形状简单、精度要求不高的量具。, 滚动轴承钢、冷作模具钢。用于制造精密量具. 不锈钢用于制造接触腐蚀介质的量具。,3、量具钢的热处理特点 淬火前预备热处理采用球化退火或调质处理。, 下限温度淬火及冷处理。目的是减少A。 长时间低温时效，以消除内应力，降低马氏体的正方度。,量规

24、,7.5 特殊性能钢,特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢。本节介绍不锈钢、耐热钢和耐磨钢。,化学腐蚀是指金属在非电解质中的腐蚀。 电化学腐蚀是指金属在电解质溶液中的腐蚀，是有电流参与作用的腐蚀。,7.5.1 不锈钢,在腐蚀介质中具有耐蚀性能的钢。 金属的腐蚀 金属的腐蚀分化学腐蚀和电化学腐蚀。,防止电化学腐蚀的措施： 获得均匀的单相组织。 提高合金的电极电位。 使表面形成致密的钝化膜。,工业发达国家每年金属腐蚀造成的直接经济损失占GNP的4%左右。中国每年腐蚀的损失至少到400亿元以上., 不锈钢中合金元素的作用 1、低碳：碳高，则降低耐蚀性。 2、Cr：是提高耐蚀性的主要元素 形成稳定

25、致密的Cr2O3氧化膜. Cr含量大于13%时，形成单相铁素体组织。 提高基体电极电位(n/8规律) 3、Ni：获得单相奥氏体组织。 4、Mo：耐有机酸腐蚀。 5、Ti, Nb: 防止奥氏体钢晶间腐蚀.,晶间腐蚀是沿晶粒周界发生腐蚀的现象，危害很大. 它是由于Cr23C6析出于晶界，使晶界附近Cr含量降到12%以下，在介质作用下发生强烈腐蚀。 加 Ti、Nb则先于Cr与C形成不易溶于奥氏体的碳化物, 避免晶界贫Cr。, 常用不锈钢 主要是Cr13型不锈钢 钢号为1Cr134Cr13 随含碳量提高，强度、硬度提高，耐蚀性下降. 1Cr13、2Cr13 热处理: 淬火+高温回火 使用状态下的组织:

26、 S回,不锈钢棒,1Cr13、2Cr13具有耐大气、蒸汽腐蚀能力及良好的综合力学性能。,用于要求塑韧性较高的耐蚀件，如汽轮机叶片等., 3Cr13、4Cr13 热处理：淬火+低温回火。 使用状态下的组织：M回。 具有较高强度、硬度。 用于要求耐蚀、耐磨件，医疗器械、量具等。,医疗器械,不锈钢刀, 性能要求 1、高的抗氧化性： 指钢在高温下对氧化作用的抗力。 钢中加入Cr、Si、Al可形成致密稳定的氧化膜，阻碍氧进一步扩散，提高抗氧化性。,7.5.2 耐热钢,气轮机叶片,2、高的热强性 热强性是指金属在高温下的强度。 指标为蠕变强度和持久强度。 蠕变指金属在高温低于s的应力下所发生的极其缓慢的塑

27、性变形。,提高高温强度的途径: 固溶强化； 析出强化； 晶界强化(加入B、Zr等降低晶界能量), 常用耐热钢 1、珠光体耐热钢 常用钢号为15CrMo、12Cr1MoV，是低合金钢。 合金元素作用： Cr提高抗氧化性； Mo提高热强性(T再); V弥散强化。, 热处理： 正火+高温回火 组织: F+P, 用途：600以下的锅炉零件,压力容器，热交换器等。,2、马氏体耐热钢 常用钢号为1Cr13、 1Cr11MoV、4Cr9Si2 合金元素作用： Cr、Si提高抗氧化性； Mo提高热强性(T再)； V弥散强化。 热处理：调质。 组织： S回。,汽轮机叶片, 用途：1Cr13、1Cr11MoV用于

28、550以下汽轮机叶片； 4Cr9Si2是汽车阀门用钢。,3、奥氏体耐热钢 最典型钢号是1Cr13SiAl、5CrMo。 Cr的作用是提高抗氧化性； Ni的作用是获得单相奥氏体; Ti的作用是弥散强化。 热处理采用固溶处理 组织为单相A。 主要用于过热器管道等。,是指在冲击载荷作用下发生冲击硬化的高锰钢。 只有ZGMn13一个钢号。 1、成分特点 高碳：1.01.3%C 以保持高耐磨性。 高锰：1114%Mn 以保证形成奥氏体组织。,7.5.3 耐磨钢,2、热处理及组织 铸态组织为奥氏体+碳化物, 性能硬而脆。 热处理采用水韧处理。即将钢加热到1100，使碳化物溶入奥氏体，并进行水淬。 室温组织

29、为过饱和单相奥氏体。,3、使用及用途 水韧处理后，韧性高，硬度低.使用时必须伴随着压力和冲击作用。 在压力及冲击作用下，表面奥氏体迅速加工硬化，形成马氏体并析出碳化物，使表面硬度提高到HB500550，获得高耐磨性。而心部仍为奥氏体组织,具有高耐冲击能力。,高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件。如拖拉机的履带板、球磨机衬板、破碎,机牙板、挖掘机铲齿和铁路辙岔等.,材料牌号 应用零件 热处理工艺 HT200 锉刀 球化退火+淬火+低温回火 T12 汽车板簧 渗碳+淬火+低温回火 20CrMnTi 滚动轴承 正火 60Si2Mn 汽车后桥齿轮 淬火+中温回火 GCr15 机床床身 淬火+低温回火,请用直线将下列材料牌号与典型应用零件及热处理工艺连接起来。,