《第六章合金钢》ppt课件

1、6.1 概述,6.2合金结构钢,6.3合金工具钢,6.4特殊性能钢,第六章 合金钢,本章题重点与难点,教 学 重 点,教 学 难 点,钢的表面淬火 钢的化学热处理 合金结构钢 合金工具钢 特殊性能钢,结构钢和合金工具钢等的牌号用途,为了提高钢的某些性能，满足现代工业和科学技术迅猛发展的需要，人们在碳素钢的基础上，有目的地加入了Si、Mn、Ni、Al、Co等合金元素，形成了合金钢。 合金元素的加入，不但会对钢中的基本相Fe-Fe3C相图和钢的热处理相变过程产生较大的影响，同时还改变了钢的组织结构和性能，合金元素在钢中的作用是一个非常复杂的物理、化学过程。 6、1、1 合金元素对钢中基本相的影响 1、对铁素体的影响 强化铁素体：钢中与碳亲合力很弱的非碳化物形成元素，如Si、Mn、Ni、Al、Co等都能溶于铁素体而形成合金铁素体，引起铁素体晶格畸变，产生固溶强化，使铁素体的强度硬度提高、但塑性、韧性则呈下降趋势。,6.1 概述,2 、对渗碳体和特殊碳化物的影响 钢中与碳亲合力较强的碳化物形成元素，如Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti等(按与碳亲和力由弱到强的顺序排列) 在钢中能形成碳化物；

2、也有少部分溶于铁素体 合金钢中的碳化物有合金渗碳体(如(Fe，Mn)3C、(Fe，Cr)3C等)、合金碳化物(如Mn3C、Cr7C、Fe3W3C等)、特殊碳化物(如WC、MoC、VC、TiC等) 合金碳化物的稳定性比合金渗碳体高，特殊碳化物的稳定性最高。稳定性愈高的碳化物愈难溶入奥氏体，也不易聚集长大，而且其溶点和硬度亦愈高。随着这些碳化物数量的增多能显著提高钢的强度、硬度、热硬性和耐磨性。,6、1、1 合金元素对FeFc3C相图的影响 合金元素加入钢中，使FeFe3C相图的相变温度及相变点的位置发生变化。Ni、Mn、Co、C、N、Cu等合金元素使A3线下降，区范围扩大。当其含量足够高时，可使区域扩大至室温，即在室温下也保持为奥氏体组织，这类钢又称奥氏体钢，如n13、1Cr18Ni9等均为奥氏体钢。,Si、Cr、V、Ti、W、Mo等合金元素使 3线上升，即使区域范围缩小，区域范围 增大。当这些元素含量足够高时，可以在室温与高温下均保持为铁素体组织，这类钢又称为铁素体钢，如Cr 17、 Cr 25、Cr 28等不锈钢均属于铁素体钢。,所有的合金元素都使FeFe3C相图中的点和点向左移。

3、点和点左移，使共析和共晶成分中的含碳量减少，原来是亚共析碳钢的可能变成共析或过共析组织；含碳量c2.11的钢中出现莱氏体，例如高速钢(c0.7一0.8)，但在铸态组织中就有莱氏体，故又称莱氏体钢。,6、1、3 合金元素对钢在加热和冷却时转变影响 1、对钢在加热转变的影响 （1）对奥氏体化的影响 （2）对奥氏体晶粒尺寸的影响 2、对过冷奥氏体转变的影响,6、1、4 合金钢的分类 1、按用途分类：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢。 2、按合金元素的含量分类：低、中、高合金钢。 3、按平衡状态或退火组织分类：亚共析钢、共析钢、过共析钢和莱氏体钢。,1合金结构钢的牌号表示方法 我国规定合金结构钢的编号方法为：基本组成为“两位数字+元素符号+数字+”，前两位数字表示平均碳质量分数的万倍（wC10000）；元素符号后面的数字为该元素平均质量分数的百倍（wE100），当其wE1.5%时，只标出元素符号，而不标明数字；当平均质量分数wE1.5%、2.5%、3.5%、4.5%时，相应标注为2、3、4、5如18Cr2Ni4W表示平均成分为：C0.18%，Cr2%，Ni4%，wW.1.5%；若S、P含量达

4、到高级优质钢时，则在钢号后加“A”，如38CrMoAlA。,6.2合金结构钢,易切削钢在钢号前加“Y”字（“易”字声母），如Y12、Y40Mn，Y40CrSCa，其含碳量和合金元素含量均与结构钢编号一样，如Y40CrSCa，表示易切削钢的成分为：wC=0.4%，wCr1.5%，S、Ca为易切削元素（wS=0.05%0.3%），一般情况下wCa0.015%。 滚动轴承钢的编号是在钢号前加“G”（“滚”字声母），其后数字为平均含Cr量，以千倍（wCr1000）表示，平均碳的质量分数wC1.0%时不标出，如GCr15、GCr9等钢中含铬的质量分数wCr分别为1.5%和0.9%,2普通低合金结构钢 普通低合金结构钢，也称普低钢，又称普通低合金高强度钢，它是在碳素结构钢的基础上，加入少量的合金元素发展起来的。普通低合金结构钢的强度较高，具有较好的韧性和塑性以及良好的焊接性能和耐蚀性。由于强度高，所以1t普通低合金钢可代替1.22.0 t普碳钢使用，从而可减轻构件重量。 为得到较好的塑性和焊接性，普通低合金结构钢大多是低碳钢，含碳量控制在0.2以下。普通低合金结构钢的主加元素是锰，其原因在于锰的资

5、源丰富，以及锰强化铁素体的效果显著；锰能降低钢的冷脆温度；另外，加锰后还使组织中的珠光体含量增加，从而进一步提高钢的强度。,常用的普通低合金结构钢按其屈服强度的高低分为6个级别，300、350、400、450、500、550一650（MPa）。 在350Mpa级中16Mn是个典型代表，它发展最早，用的最多、产量最大。与300MPa级的12Mn钢相比，由于C和Mn均稍有增加，所以强度指标也提高了。在这类钢中，还有16Mn的派生钢种，16MnRe、16MnCu等。Re的主要作用是提高塑性和韧性，提高疲劳强度，降低冷脆转变温度，Cu的主要作用是通过钝化提高耐蚀性。这类钢多用于船舶、车辆、桥梁等大型钢结构,对400MPa级的15MnV、15MnTi等，其含碳量与16Mn相当，但由于加入钒、铌、钛等元素，能细化晶粒、产生第二相强化，使屈服强度提高。主要用于大型结构、中压容器等。 对450MPa级的15MnVN、14MnVTiRe等，由于钒、氮、钛等元素起细化晶粒和第二相强化作用，稀土又起净化晶界作用，提高塑、韧性，因此强化效果比15MnV、15MnTi还好。,300一450MPa级的普低纲均是在

6、热轧状态下或在热轧后正火状态下使用。组织为铁素体十少量珠光体。 对500Mpa级的18MnMoNb、14MnMoVBRe等，钢中加入钼和微量硼，推迟奥氏体冷却时珠光体转变的铁素体析出，而对贝氏体转变则影响不大，因此在正火后得到贝氏体组织。广泛用于石油化工、中温高压容器等。 对于14CrMnMoVB，正火后得贝氏体组织，然后再高温回火，以稳定组织，消除内应力，提高塑性和韧性。这种钢适于制造400500的锅炉、高压容器等。 常用低合金结构钢的钢号、成分、性能与用途见表3-6,2易切削钢 3渗碳钢 用于制造渗碳零件的钢称为渗碳钢。 （一）要求 渗碳钢常用在受冲击和磨损条件下工作的一些机械零件，如汽车、拖拉机上的变速齿轮、内燃机上的凸轮、活塞销等，要求表面硬、耐磨，而零件心部则要求有较高的韧性和强度以承受冲击。通常尺寸小、受力小的，采用低碳钢，而尺寸大、受力大的则采用低碳合金钢。 （二）渗碳钢的成分和钢种,为了满足“外硬内韧”的要求，这类钢一般都采用低碳钢，wC=0.1%0.25%，经过渗碳后，零件的表面变为高碳的，而心部仍是低碳的，通过淬火+低温回火后使用。零件表面组织为回火马氏体+碳化物+

7、少量残留奥氏体，硬度达5862HRC，满足耐磨的要求，而心部的组织是低碳马氏体，保持较高的韧性，满足承受冲击载荷的要求。对于大尺寸的零件，由于淬透性不足，零件的心部淬不透，仍保持原来的珠光体+铁素体组织；这时由于是低碳的，组织中铁素体占比例很大，因而韧性指标比较高，能满足“外硬内韧”的要求。 这类钢使用的合金元素为铬、锰、镍、钼、钨、钛、硼、钒等。,按照淬透性大小，可将渗碳钢分为三类： 1）低淬透性渗碳钢。典型钢种为20Cr，这类钢水淬临界直径100mm，主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克中的曲轴、大模数齿轮等。,（三）渗碳钢的热处理 渗碳钢的热处理规范一般是渗碳后进行直接淬火（一次淬火或二次淬火），而后低温回火。碳素渗碳钢和低合金渗碳钢，经常采用直接淬火或一次淬火，而后低温回火；高合金渗碳钢则采用二次淬火和低温回火处理 ,4调质钢 （1）经过调质处理后使用的优质碳素钢和合金结构钢，统称为调质钢。 淬火后得到位错与孪晶马氏体的混合组织，以及残留奥氏体和碳化物。高温回火后，由于马氏体分解，碳化物弥散析出，残留奥氏体转变，内应力消除，最终得到回火索氏体组织，综合力学性能好

8、，用于受力较复杂的重要结构零件，如汽车后桥半轴、连杆、螺栓以及各种轴类零件。 对于截面尺寸大的零件，为保证有足够的淬透性，就要采用合金调质钢。,（2）调质钢的成分特点和钢种 调质钢中wC在0.30%0.50%之间，属中碳钢。含碳量在这一范围内可保证钢的综合性能，含碳量过低，则影响钢的强度指标，含碳量过高则韧性显得不足。一般碳素钢的含碳量偏上限；对于合金调质钢，随合金元素的增加，含碳量趋于下限。 调质钢在机械制造中应用十分广泛，常用调质钢的钢号、热处理工艺、力学性能及用途见表3-8。,按淬透性的高低，调质钢大致可以分为三类： 1）低淬透性调质钢。典型钢种是40Cr，这类钢的油淬临界直径最大为3040mm，广泛用于制造一般尺寸的重要零件，如轴、齿轮、连杆螺栓等。35SiMn、40MnB是为节约铬而发展的代用钢种。 2）中淬透性调质钢。典型钢种是40CrNi，这类钢的油淬临界直径最大为4060mm，含有较多的合金元素，用于制造截面较大、承受较重载荷的零件，如曲轴、连杆等。 3）高淬透性调质钢。典型钢种是40CrNiMoA，这类钢的油淬临界直径最大为60100mm，多半为铬镍钢。铬、镍的适当配

9、合，可大大提高淬透性，并能获得优良的综合力学性能。用于制造大截面、承受重负荷的重要零件，如汽轮机主轴、压力机曲轴、航空发动机曲轴等。,5弹簧钢 弹簧是各种机器和仪表中的重要零件。要求制造弹簧的材料具有高的弹性极限（即具有高的屈服点或屈服强比）、高的疲劳极限与足够的塑性和韧性。 弹簧钢中wC一般为0.45%0.70%。含碳量过高，塑性和韧性降低，疲劳极限也下降。也加入的合金元素有锰、硅、铬、矾和钨等。加入硅、锰主要是提高淬透性，同时也提高屈强比，其中硅的作用更为突出。硅、锰元素的不足之处是：硅会促使钢材表面在加热时脱碳，锰则使钢易于过热。因此，重要用途的弹簧钢必须加入铬、矾、钨等。它们不仅使钢材有更高的淬透性，不易脱碳和过热，而且有更高的高温强度和韧性。 常用弹簧钢的钢号、热处理工艺、力学性能及用途见表3-9,6滚动轴承钢 用于制造滚动轴承的钢称为滚动轴承钢具有高而均匀的硬度、高的弹性极限和接触疲劳强度、足够的韧性和淬透性、一定的耐腐蚀能力。 滚动轴承钢的成分特点及钢种： 滚动轴承钢是一种高碳低铬钢，wC=0.95%1.0%，wCr=0.4%1.65%。 高碳是为保证有高的淬硬性，同时可形成铬的碳化物强化相。 铬的主要作用是增加钢的淬透性，使淬火、回火后整个截面上获得较均匀的组织。 铬可形成合金渗碳体(FeCr)3C，加热时降低过热敏感性，得到细小的奥氏体组织。溶入奥氏体中的铬，又可提高马氏体的回火稳定性。,高碳低铬的滚动轴承钢，其材料成分中需加入Si、Mn等元素，进一步提高淬透性，适量的Si(wSi=0.4%0.6%)还能明显地提高钢的强度和弹性极限。 滚动轴承钢是高级优质钢，成分中 wS0.015%，wP0.025%，最好用电炉冶炼，并用真空除气。 常用滚动轴承钢的钢号、热处理工艺、力学性能及用途见表3-10,1合金工具钢的分类及编号 标注方法与合金结构钢相似，基本组成为“一 位数字（或无数字）+元素符号+数字+”，其平均含碳量是用质量分数的千倍（wC1000）表示，而且，当碳质量wC1.0%时，钢号中不标出，如9SiCr钢（成分：C 0.9%，wSi1.5% ，wCr1.5%）；CrWMn钢（wC1.0%，wCr、

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