合金元素在钢中的作用

第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一1合金钢§1合金元素在钢中的作用§2合金钢的分类和编号方法§3合金结构钢§4工具钢§5特殊性能钢第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一2绪论碳钢性能较好、容易加工、成本低廉，工程上应用最广、使用量最大（90%）；碳钢缺点淬透性不高、耐回火性较差和不能满足更高的力学性能要求或某些特殊性能（如耐热、耐蚀）等；合金钢有意加入合金元素，克服了碳钢使用性能的不足，从而可在重要或某些特殊场合下使用。20钢：σb≥410N/mm216Mn：σb≥520N/mm2（Mn1.2～1.6％）第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一3常用合金元素：Mn、Si、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Ni、RE(稀土)合金元素分类（根据与碳亲和力的大小）：强碳化物形成元素：Mo、W、Fe、V、Ti、Nb、Zr弱碳化物形成元素：Mn、Cr非碳化物形成元素：Si、Cu、Co、Ni、Al、N、B§1合金元素在钢中的作用合金元素对钢的相变、组织和性能的影响都取决于它们与钢中的Fe或C的相互作用第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一4一、合金元素对钢中基本相的影响钢中的基本相：F、Fe3C钢中合金元素的存在方式：固溶：合金铁素体合金渗碳体：(Fe、Mn)3C、(Fe、W)3C合金碳化物：VC、TiC、WC、MoC、Cr7C3、Cr23C6§1合金元素在钢中的作用第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一5合金元素对钢的力学性能的影响合金元素对铁素体性能的影响(退火状态)§1合金元素在钢中的作用第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一6二、合金元素对Fe-C合金相图的影响（点、线、区）扩大奥氏体区：C、N、Co、Ni、Mn、Cu奥氏体形成元素Mn对相图的影响：低温、低碳§1合金元素在钢中的作用第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一7二、合金元素对Fe-C合金相图的影响（点、线、区）缩小奥氏体区：Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al铁素体形成元素Cr对铁碳合金相图的影响:高温、低碳§1合金元素在钢中的作用第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一8二、合金元素对Fe-C合金相图的影响（点、线、区）使S、E点的含碳量降低（共析温度、成分）727℃缩小γ区扩大γ区0.77％§1合金元素在钢中的作用第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一9三、合金元素对钢的热处理的影响1.对加热时奥氏体化的影响对形成A速度的影响(由C来控制)Co、Ni加速扩散Mo、W、V、Ti阻碍扩散对A晶粒度的影响P、Mn促进Ti、Nb、V强烈阻碍(AlN)W、Mo、Cr有一定阻碍作用Si、Ni、Co、Cu影响不大§1合金元素在钢中的作用第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一10三、合金元素对钢的热处理的影响2.对过冷奥氏体分解过程的影响等温转变C曲线的位置与形状：非(弱)碳化物形成元素：Ni、Si、Mn、Cu溶入奥氏体、增大稳定性，使C曲线右移、Ms点降低碳化物形成元素：V、W、Mo、Cr、Ti不仅使C曲线右移，而且分离成两个“鼻子”§1合金元素在钢中的作用第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一11三、合金元素对钢的热处理的影响3.合金元素对C曲线的影响§1合金元素在钢中的作用第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一12三、合金元素对钢的热处理的影响4.对过冷奥氏体Ms、A残的影响合金元素对Ms点的影响对残余奥氏体的影响§1合金元素在钢中的作用第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一13三、合金元素对钢的热处理的影响5.对回火转变的影响提高钢的回火稳定性：CrMoWVNbSi产生二次硬化：MoWVTi在500~600℃回火时硬度升高回火脆性:第一类：250~400℃不可逆第二类：500~600℃可逆(CrMnNi)§1合金元素在钢中的作用第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一14三、合金元素对钢的热处理的影响6.对回火转变的影响合金钢回火脆性示意图§1合金元素在钢中的作用第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一15一、合金钢的分类(按用途)§2合金钢的分类和编号方法第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一16二、合金钢牌号的表示方法(GB)§2合金钢的分类和编号方法GB221-79规定，由三大部分相结合组成：①化学元素符号:表示钢中所含化学元素种类；②汉语拼音字母:表示产品名称、用途、冶炼方法等特点，常采用的缩写字母及涵义表；③阿拉伯数字:表示钢中主要化学元素质量分数或产品的主要性能参数或代号。第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一17二、合金钢牌号的表示方法(拼音含义)§2合金钢的分类和编号方法第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一18二、合金钢牌号的表示方法(拼音含义)§2合金钢的分类和编号方法第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一19二、合金钢牌号的表示方法§2合金钢的分类和编号方法GB221-79规定，由三大部分相结合组成：(拼音＋)数字＋元素符号＋数字(＋拼音)结构钢：前面数字表示平均含碳量的万分数后面数字表示合金元素的含量＜1.5%不标出，≥1.5%、2.5%、3.5%、……时分别标2、3、4、…例如：40Cr为0.37~0.45%C、0.8~1.1%CrGCr9、Y12中的G、Y分别表示滚动轴承钢和易切钢。第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一20二、合金钢牌号的表示方法§2合金钢的分类和编号方法GB221-79规定，由三大部分相结合组成：(拼音＋)数字＋元素符号＋数字(＋拼音)工具钢：前面数字表示平均含碳量的千分数后面数字表示合金元素的含量＜1.5%不标出，≥1.5%、2.5%、3.5%、……时分别标2、3、4、……例如：9SiCr平均含碳量0.9%，Si、Cr＜1.5%第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一21一、普通低合金钢HSLA（HighStrength，LowAlloySteel）§3合金结构钢低合金钢：普通碳素结构钢添加合金元素量不超过5％，一般在3％以下。主要用途：桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。特点：①较高的强度、屈强比、塑、韧性；②良好的焊接性和冷塑性加工性；③含有耐大气和海水腐蚀的元素。第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一22一、普通低合金钢HSLA（HighStrength，LowAlloySteel）§3合金结构钢新标准（GB/T1591-1994）旧标准(GB/1591-88)主要用途Q295（A、B）09MnV、09MnNb09Mn2、12Mn桥梁、车辆、锅炉、容器Q345(A～E)09MnCuPTi、10MnSiCu、12MnV14MnNb、16Mn、16MnRE桥梁、车辆、压力容器、化工容器、船舶、建筑结构Q390(A～E)10MnPNbRE、15MnV、15MnTi、16MnNb桥梁、船舶、压力容器、电站设备、起重设备、管道Q420(A～E)15MnVN、14MnVTiRE大型桥梁、高压容器、大型船舶Q460(C、D、E)--大型重要桥梁、大型船舶第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一23一、普通低合金钢HSLA（HighStrength，LowAlloySteel）§3合金结构钢力学性能第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一24二、渗碳钢§3合金结构钢渗碳钢：经渗碳（或碳氮共渗）→淬火＋低温回火后使用的钢，一般为低碳碳素结构钢(15、20)和低碳合金结构钢(如20CrMnTi)。用途：主要用于制造要求高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷的重要零件。第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一25二、渗碳钢(1．性能要求)§3合金结构钢①表层高硬度（≥58HRC）和高耐磨性；②心部良好强韧性；③较好的淬透性以保证渗碳件的心部性能，在高的渗碳温度（930℃）和长的渗碳时间下奥氏体晶粒长大倾向小，以便于渗碳后直接淬火。第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一26二、渗碳钢(2．成分特点)§3合金结构钢①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；②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。第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一27二、渗碳钢(3．热处理特点)§3合金结构钢渗碳后直接淬火+低温回火，其表层组织为细针状回火高碳马氏体＋粒状碳化物＋少量残余托氏体，硬度一般为58～64HRC；心部组织依据钢的淬透性不同为铁素体＋屈氏体、或低碳马氏体，硬度35～45HRC，ακ≥60J/cm2。由于渗碳的温度高、时间长，故渗碳件的变形较大，零件尺寸精度要求高时应进行磨削精加工。第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一28二、渗碳钢(4.常用渗碳钢)§3合金结构钢第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一29二、渗碳钢(20CrMnTi热处理工艺)§3合金结构钢工艺路线：下料→锻造→正火→齿形加工→渗碳→预冷淬火→低温回火→喷丸→精磨工艺曲线第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一30三、调质钢§3合金结构钢调质：淬火＋高温回火，得到回火索氏体组织，从而具有优良的综合力学性能（即强度和韧性的良好配合）的中碳钢（碳钢与合金钢）即为调质钢，它主要用于制造受力复杂（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。第七章合金钢机电工程学院赵占西[e-mail]2019年10月14日星期一31三、调质钢（1.化学成分）§3合金结构钢碳含量0.25%～0.5%（一般为0.4%左右）。合金元素①主加元素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。②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，起细晶强韧化和弥散强化作用。几乎所有的合金元素均提高了调质