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金属材料与热处理 教学课件 ppt 作者 安会芬 项目6 合金钢.ppt

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    • 模块三 金属材料部分,项目6 合金钢 任务6.1 概述 在碳钢中加入一定数量的合金元素进行合金化,可以进一步改善钢的组织和性能由此发展出了一系列的合金钢,即为获得所需的性能而加入特定的合金元素的钢 钢中常加入的合金元素由锰、铬、镍、铜、铝、硅、钨、钼、钒、铌、锆、钴、钛、硼、氮等6.1.1 合金钢的分类,1.按合金元素含量分类 低合金钢—合金元素总含量10%2.按用途分类 合金结构钢;合金工具钢;特殊性能钢6.1.2 合金钢的编号 合金钢的牌号采用“数字+合金元素符号+数字”的方法来表示 1. 合金钢结构 前两位数字表示钢的平均含碳量,以万分数记合金元素符号后的数字为该元素平均含量的百分数,若合金元素含量小于1.5%,一般不标明含量;当含量在1.5%~2.5%、2.5%~3.5……时,则相应的用2、3、……来表示例如60Si2Mn,表示平均含碳量为0.6%、含硅量为2%、含锰量小于1.5%的合金结构钢2.合金工具钢 前一位数字表示钢的平均含碳量,以千分数记;若含碳量超过1%时,一般不标出合金元素及其含量的表示方法与合金结构钢相同例如9SiCr,表示平均含碳量为0.9%、含硅量与含铬量均小于1.5%的合金工具钢。

      3.特殊性能钢 牌号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”表示例如0Cr13,表示含碳量小于0.1%,含铬量为13%的不锈钢任务6.2 合金元素在钢中的作用,合金元素与钢中的铁、碳的作用以及它们彼此之间的作用,促使钢的晶体结构与显微组织发生变化因此,通过合金化,就可提高或改善钢的性能 6.2.1合金元素在钢中存在形式 钢中的合金元素,大部分与铁形成固溶体或与碳形成碳化物,少量结合在非金属夹杂物中,如氧化物、氮化物及硅酸盐等溶于铁素体的合金元素wMe×100 溶于铁素体的合金元素wMe×100 图6-1 合金元素对铁素体力学性能的影响,1.形成合金铁素体 几乎所有合金元素都可或多或少地溶入铁素体形成合金铁素体其中原子直径很小的元素(如氮、硼等)与铁形成间隙固溶体;原子直径较大的元素(如锰、镍、钴等)与铁形成置换固溶体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、Fe⑴ 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,⑵ 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 ⑶ 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6.2.2对Fe-Fe3C相图的影响对Fe - Fe3C相图的影响 1.改变了奥氏体区域,图6-2合金元素对Fe-Fe3C相图中奥氏体区的影响 a) Fe-C-Mn b) Fe-C-Cr,Ni、Co、Mn等元素使奥氏体区扩大,GS线向左下方移动,使A3及A1温度下降(图6-2a)而Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si等元素则缩小奥氏体区,GS线向左上方移动,使A3及A1温度升高(图6-2b)若钢中含有大量扩大奥氏体区元素,会使相图中奥氏体区一直延伸到室温以下,因此它在室温下的平衡组织仍然是稳定的单相奥氏体,这种钢称为奥氏体钢(如1Cr18Ni9)当钢中含有大量缩小奥氏体区元素时,会使奥氏体区可能完全消失,钢在室温下的平衡组织是单相的铁素体,这种钢称为铁素体钢(如Cr25)2、对E点和S点位置的影响 所有合金元素均使E点和S点左移,即这两点的含碳量下降,使碳含量比较低的钢出现过共析组织(如4Cr13)或共晶组织(如W18Cr4V)。

      图6-3合金元素对S点的影响,图6-4合金元素对E点的影响,1、对奥氏体化的影响 ⑴ 对奥氏体形成速度的影响:除Ni、Co外,都减缓奥氏体化过程 ⑵ 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6.2.3合金元素对钢热处理的影响,2、合金元素对钢冷却转变的影响 ⑴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、B⑵ 对Ms、Mf点的影响:除Co、 Al外,所有元素都 使Ms、Mf点下降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、合金元素对淬火钢回火转变的影响 ⑴ 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⑵ 产生二次硬化 含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火时,由于析出细小弥散的特殊碳化物及回火冷却时A’转变为M回,使硬度不仅不下降,反而升高的现象称二次硬化 ⑶ 防止第二类回火脆性 加W、Mo可防止第二类回火脆性。

      高速钢,6.2.4 合金元素对钢力学性能的影响,1.对退火钢力学性能的影响 退火状态下,合金结构钢的组织是铁素体和珠光体 (1)如前所述,合金元素溶入铁素体形成合金铁素体,产生固溶强化作用P、Si、Mn的强化作用最显著Cr、Mo、W强化作用较弱 (2)由于合金元素使s点左移,降低了共析点含碳量,从而使钢中珠光体相对量增加,强度提高,塑性下降 合金元素能提高退火钢的强度,但效果不大退火通常不作为合金钢的最终热处理 2.对正火钢力学性能的影响 由于合金元素使C曲线右移,降低马氏体临界冷却速度,所以,合金钢正火后也可能得到索氏体、托氏体、贝氏体、马氏体组织合金元素对调质钢力学性能的影响主要表现在以下几个方面: (1)合金元素溶入铁素体,产生固溶强化; (2)某些合金元素能细化晶粒,提高钢的塑性和韧性; (3)合金元素能减缓钢的回火过程,阻碍碳化物长大,使高温回火后的碳化物仍保持较为细小的颗粒,因此,调质后的合金钢强度与韧性配合较好,具有良好的综合力学性能; (4)合金元素能提高钢的淬透性,使较大截面的零件也能淬透;,3.对调质钢力学性能的影响,,(4)合金元素能提高钢的淬透性,使较大截面的零件也能淬透; (5)某些强碳化物形成元素不仅能提高钢的耐回火性,还能产生沉淀硬化作用(即在金属的过饱和固溶体中形成溶质原子偏聚区或由之脱溶出微粒弥散分布于基体中而导致硬化); (6)Mo、W能消除或减弱钢的第二类回火脆性。

      任务6.3 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.,铜陵长江公路大桥,6.3.1低合金高强度结构钢,低合金高强度结构钢是一种合金元素含量较少(质量分数一般在3%以下)、强度较高的工程用钢 低合金结构钢通常在热轧或热轧后正火状态下供应,使用时不再进行热处理,其组织为铁素体和少量珠光体 低合金高强度结构钢的牌号表示方法与碳素结构钢相同,即以字母“Q”开始,后面以3位数字表示最低屈服强度,最后以符号表示其质量等级如Q345A表示屈服强度不低于345 MPa的A级低合金高强度钢低合金高强度结构钢主要合金元素有锰、钒、钛、铌、铝、铬、镍等锰有固溶强化铁素体、增加并细化珠光体的作用;钒、钛、铌等主要作用是细化晶粒;铬、镍可提高钢的冲击韧度,改善钢的热处理性能,提高钢的强度,并且铝、铬、镍均可提高对大气的抗蚀能力为改善钢的性能,高性能级别钢可加入钼、稀土等元素 1.化学成分特点 低合金结构钢的含碳量较低,一般为wc=0.1%~0.25%,并以锰为主加元素(wMn=0.8%~1.8%),硅含量较普通碳素钢高(wSi=0.2%~0.6%),常辅加Cu、Ti、V、Nb、P等合金元素,有时也加入微量稀土元素,以进一步改善钢的性能。

      2. 性能特点,( 1)高的屈服强度与良好的塑性和韧性 (2)有良好的焊接性能 (3)具有一定的耐蚀性 (4)热加工性能与低碳钢相近 3. 常用低合金高强度结构钢 我国生产的低合金高强度结构钢品种较多,由于产品质量的不断提高和生产成本的降低,使其在桥梁、船舶、车辆、起重运输和农机等领域得到了广泛的应用 低合金高强度结构钢大多数是在热轧退火或正火状态下使用,一般不再进行热处理6.3.2机械结构用合金钢,机械结构用合金钢是指主要适用于制造机器和机械零件的合金钢且这类钢通常是要经过热处理后使用包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢等 1.合金渗碳钢 渗碳钢通常是指经渗碳淬火、低温回火后使用的钢主要用于制造表面承受强烈摩擦,并承受动载荷的零件这类零件要求表面具有高硬度,心部要具有较高的韧性和足够的强度 (1)化学成分wc在0.10~0.25%之间,加入铬、镍、锰、硼等元素,提高钢的淬透性,保证渗碳淬火后,心部获得低碳马氏体,从而提高强度及韧性铬有利于在渗碳层中获得细的碳化物,提高表面硬度另外,加入钒、钛等细化晶粒的元素,防止渗碳时晶粒粗大2)热处理和性能特点 渗碳后淬火加低温回火后,渗碳层组织为高碳回火马氏体和特殊碳化物,表层硬度可达60~62HRC左右;心部组织与钢材淬透性及零件尺寸有关,一般为低碳回火马氏体,具有较好的塑性和韧性以及足够的强度。

      调质件(螺杆),调质后使用的钢种 性能要求: 良好的综合力学性能. 良好的淬透性2、合金调质钢,(1)化学成分 wc在0.25%~0.5%之间,主加元素为锰wMn2%)、铬(wCr2%)、镍(wNi4.5%)、硼(wB0.0035%),主要目的是增加钢的淬透性此外,主加元素(除硼外)都能显著强化铁素体,当它们的含量在一定范围时,还可提高铁素体的韧性、辅加元素如钨、钼、钒、钛等能细化晶粒、提高耐回火性 (2)热处理和性能 调质钢最终热处理是淬火加高温回火因其淬透性好,一般采用油淬,调质后组织为回火索氏体若零件要求耐磨或高强度而承受冲击载荷不大时,调质后可再进行表面淬火或化学热处理弹簧是一种能够产生大量弹性变形的零件通过变形可以吸收冲击功,缓减机械上的振动 ;或者储存能量用以使机件完成规定的动作,3、合金弹簧钢,弹簧一般是在动载荷,交变应力条件下工作弹簧的失效是由于疲劳破坏所引起的,因此要求制作弹簧的材料具有高强度、高的弹性极限和弹性比功,才能保证弹簧有足够的弹性变形能力、承受大载荷时不发生塑性变形,还应具有高的疲劳强度、足够的塑、韧性及良好的表面质量,且在冷、热状态下易于成型 (1)化学成分wc=0.45%~0.7%,主要合金元素是硅、锰,用以提高钢的淬透性。

      2)加工处理特点及性能 ⑴ 冷成型弹簧:冷拔→ 冷成型→定型处理(250~300℃)用于φ10mm),圆柱滚子轴承,性、耐磨性、耐蚀性,以提高轴承的接触疲劳寿命,还应具有良好的钢材表面质量及尺寸精度,以增加轴承的尺寸稳定性轴承钢是指制造各种滚动轴承内外套圈及滚动体(滚珠、滚柱、滚针,)的专用钢种滚动轴承工作时,一般内套圈常与轴紧密配合,并随轴一起转动,外套圈则装在轴承座上固定不动在转动时,滚动体与内外套圈在滚道面上均受交变应力作用因而要求轴承钢具有高的淬透,4.合金轴承钢,(1)化学成分,最常用的是高碳高铬轴承钢是GCr15其中wc:0.95%~1.15%,以保证轴承钢具有高强度、硬度,并形成足够的合金碳化物以提高耐磨性 主加元素Cr(wcr=0.40%~1.65%),用以提高钢的淬透性,并在热处理后形成细小均匀分布的合金渗碳体(Fe,Cr)3C,提高钢的强度,接触疲劳抗力与耐磨性为了进一步提高淬透性,制造大型轴承的钢还加入Si(wsi=0.60%)、Mn(wMn=1%)等元素2)组织,轴承钢中的碳化物不均匀性对接触疲劳寿命有直接影响因为粗碳化物与基体的交界处往往就是疲劳裂纹源为了提高耐磨性,也要求碳化物细一点。

      (3)热处理 轴承钢锻造后先快冷到650~550℃,防止产生碳化物。

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