第3章金属材料-合金钢-清华大学-工程材料

3.2合金钢3.2.1合金钢概述概述随着科学技术和工业的发展，对材料提出了更高的要求，如更高的强度，抗高温、高压、低温，耐腐蚀、磨损以及其它特殊物理、化学性能的要求。碳钢已不能完全满足要求。碳钢的不足：(1)淬透性低一般情况下，碳钢水淬的最大淬透直径只有10mm～20mm。(2)强度和屈强比较低普通碳钢Q235钢的σs为235MPa，低合金结构钢Q345(16Mn)的σs则为345MPa以上。40钢的σs/σb仅为0.43,合金钢35CrNi3Mo的σs/σb高达0.74。(3)回火稳定性差碳钢进行调质处理时，为保证较高的强度，采用较低的回火温度，韧性偏低；为保证较好的韧性，采用高的回火温度，但强度又偏低。碳钢的综合机械性能水平不高。(4)不能满足特殊性能的要求碳钢在抗氧化、耐蚀、耐热、耐低温、耐磨损以及特殊电磁性等方面较差。老师提示:碳钢不能完全满足科学技术和工业展要求。为了提高钢的性能，在铁碳合金中加入合金元素，得到合金钢。一、合金钢的分类1.按合金元素含量多少分类：●低合金钢（合金元素总质量分数低于5%）●中合金钢（合金元素总质量分数为5%～10%）●高合金钢（合金元素总质量分数高于10%）2.按所含的主要合金元素分类：●铬钢（Cr-Fe-C)●铬镍钢（Cr-Ni-Fe-C)●锰钢（Mn-Fe-C)●硅锰钢（Si-Mn-Fe-C)3.按小试样正火或铸态组织分类：●珠光体钢●马氏体钢●铁素体钢●奥氏体钢●莱氏体钢4.按用途分类：●合金结构钢●合金工具钢●特殊性能钢二、合金钢的编号牌号首部用数字标明平均碳质量分数。结构钢以万分之一为单位的数字（两位数）；工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字表示碳质量分数，工具钢的碳质量分数超过1%时，碳质量分数不标。主要合金元素用元素符号表明，其后标明质量分数。质量分数少于1.5%时不标,质量分数为1.5%～2.49%、2.5%～3.49%、…时,相应地标以2、3、…●合金结构钢40Cr平均碳质量分数为0.40%。合金元素Cr的质量分数在1.5%以下。●合金工具钢5CrMnMo平均碳质量分数为0.5%。合金元素Cr、Mn、Mo的质量分数均在1.5%以下。钢号举例专用钢：用其用途的汉语拼音字首来标明。●滚珠轴承钢钢号前标“G”。GCr15表示碳质量分数约1.0%、铬质量分数约1.5%(这是一个特例)的滚珠轴承钢。●易切削钢钢号前标“Y”。Y40Mn表示碳质量分数为0.4%、锰质量分数少于1.5%的易切削钢。●高级优质钢钢的末尾加“A”，例如：20Cr2Ni4A3.2.2合金结构钢用于制造重要工程结构和机器零件的合金钢称为合金结构钢。主要有：低合金高强度结构钢合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢滚珠轴承钢一、低合金高强度结构钢（低合金高强钢）1.用途主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。桥梁船舶车辆容器储气罐2.性能要求(1)高强度：一般屈服强度在300MPa以上。(2)高韧性：要求延伸率为15%～20%，室温冲击韧性大于600kJ/m2～800kJ/m2。对于大型焊接构件，还要求有较高的断裂韧性。(3)良好的焊接性能和冷成型性能。(4)低的冷脆转变温度。(5)良好的耐蚀性。3.成分特点(1)低碳：韧性、焊接性和冷成形性能要求高，碳质量分数不超过0.20%。(2)锰为主要的合金元素。固溶强化F，细化P，增加P的含量，提高钢的强度。(3)铌、钛、钒：形成细碳化物或碳氮化合物，获得细小铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性。(4)少量铜（≤0.4%）和磷（0.1%左右），可提高抗腐蚀性能。加入少量稀土元素，可以脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能。4.常用低合金高强度结构钢●Q345（16Mn）用量最多、产量最大的钢种。使用状态的组织为细晶粒的铁素体----珠光体，强度比普通碳素结构钢Q235高约20%～30%，耐大气腐蚀性能高20%～38%。●Q420（15MnVN）强度较高，且韧性、焊接性及低温韧性也较好，被广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶等大型结构。●强度级别超过500MPa后，铁素体和珠光体组织难以满足要求，发展了低碳贝氏体钢。加入Cr、Mo、Mn、B等元素，有利于空冷条件下得到贝氏体组织，使强度更高，塑性、焊接性能也较好。多用于高压锅炉、高压容器等。5.热处理特点一般在热轧空冷状态下使用，不需要进行专门的热处理。使用状态下的显微组织一般为铁素体+索氏体。二、合金渗碳钢☆老师提示：重点内容1.用途主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。拨叉变速齿轮凸轮机构：接触表面受到强烈的摩擦磨损。2.性能要求(1)表面硬度高、耐磨保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力，同时具有适当的塑性和韧性。(2)心部具有高的韧性和足够高的强度在冲击载荷或过载作用下不易断裂。(3)有良好的热处理工艺性能在高的渗碳温度（900℃～950℃）下，奥氏体晶粒不易长大，并有良好的淬透性。3.成分特点(1)低碳：碳质量分数一般为0.10%～0.25%，使零件心部有足够的塑性和韧性。(2)加入提高淬透性的合金元素：Cr、Ni、Mn、B等。(3)加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素：少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。4.钢种及牌号●20Cr低淬透性合金渗碳钢淬透性较低，心部强度较低。●20CrMnTi中淬透性合金渗碳钢淬透性较高、过热敏感性较小，渗碳过渡层比较均匀，具有良好的机械性能和工艺性能。●18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A高淬透性合金渗碳钢含有较多的Cr、Ni等元素，淬透性很高，且具有很好的韧性和低温冲击韧性。5.热处理和组织性能渗碳后预冷淬火，再低温回火。表面组织：合金渗碳体+回火马氏体（高碳）+少量残余奥氏体，硬度为60HRC～62HRC。心部组织与钢的淬透性及零件截面尺寸有关。完全淬透时为回火马氏体（低碳），硬度为40HRC～48HRC；多数情况下是回火马氏体（低碳）+屈氏体+少量铁素体，硬度为25HRC～40HRC。心部韧性一般都高于700kJ/m2。三、合金调质钢☆老师提示：重点内容1.用途广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如机床齿轮、主轴、汽车发动机曲轴、连杆、螺栓等。连杆曲轴2.性能要求调质件大多承受多种工作载荷，受力情况比较复杂，要求高的综合机械性能，即具有高的强度和良好的塑性、韧性。合金调质钢还要求有好的淬透性。汽车万向节机床齿轮3.成分特点(1)中碳碳质量分数一般在0.25%～0.50%之间，以0.4%居多；(2)Cr、Mn、Ni、Si提高淬透性，形成合金铁素体，提高钢的强度；(3)加入防止第二类回火脆性的元素Mo、W含Ni、Cr、Mn的合金调质钢，易产生第二类回火脆性。加入Mo、W可以防止第二类回火脆性。适宜含量：Mo的质量分数为0.15%～0.30%，或W的质量分数为0.8%～1.2%。45钢与40Cr钢调质后性能的对比钢号热处理状态棒材直径/mmσb/MPaσs/MPaδ5%Ψ%ak/（kJ/m2）45钢850℃水淬550℃回火50700500154570040Cr钢850℃油淬570℃回火50(心部)850670165810004.钢种及牌号●40Cr低淬透性合金调质钢，油淬临界直径为30mm～40mm，用于制造一般尺寸的重要零件。●35CrMo中淬透性合金调质钢，油淬临界直径为40mm～60mm，加入钼提高淬透性，还可防止第二类回火脆性。●40CrNiMo高淬透性合金调质钢，油淬临界直径为60mm～100mm，铬镍钢中加入适当的钼，不但具有好的淬透性，还可消除第二类回火脆性。5.热处理和组织性能热处理：淬火加高温回火。合金调质钢淬透性较高，一般都用油淬，淬透性特别大时可以空冷，减少热处理缺陷。合金调质钢一般采用500℃～650℃回火。为防止第二类回火脆性，回火后快冷（水冷或油冷）。热处理后组织性能：●合金调质钢常规热处理后的组织是回火索氏体，用于螺栓、连杆等。●表面要求耐磨的零件（如齿轮、主轴），再进行感应加热表面淬火及低温回火，表面组织为回火马氏体，表面硬度可达55HRC～58HRC。心部组织是回火索氏体。合金调质钢淬透调质后的屈服强度约为800MPa,冲击韧度在800kJ/m2，心部硬度可达22HRC～25HRC。若截面尺寸大未淬透时，性能显著降低。四、合金弹簧钢1.用途合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。离合器弹簧蝶形弹簧蝶形弹簧拉力弹簧2.性能要求(1)高的弹性极限σe，尤其是高的屈强比σs/σb。以保证弹簧有足够高的弹性变形能力和较大的承载能力。(2)高的疲劳强度σr，以防止在震动和交变应力作用下产生疲劳断裂。(3)足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆断。(4)要求有较好的淬透性，不易脱碳和过热，容易绕卷成形等。特殊弹簧钢还要求耐热性、耐蚀性等。3.成分特点(1)中、高碳保证高的屈强比，碳的质量分数一般为0.50%～0.70%。碳含量过高时，塑性、韧性降低，疲劳抗力也下降。(2)加入Si、Mn提高淬透性。Si和Mn同时也提高屈强比。重要用途的弹簧钢还须加入Cr、V、W等元素。弹簧的冶金质量对疲劳强度有很大的影响，弹簧钢均为优质钢或高级优质钢。4.钢种和牌号●65Mn、60Si2Mn以Si、Mn为主要合金元素，价格便宜，淬透性明显优于碳素弹簧钢，Si、Mn的复合合金化，性能比只用Mn的好得多。用于汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧。●50CrVA含Cr、V、W等元素的弹簧钢。Cr、V复合合金化，不仅提高钢的淬透性，还提高钢的高温强度、韧性和热处理工艺性能。可制作在350℃～400℃温度下承受重载的较大弹簧。5.加工、热处理与性能弹簧按加工和热处理可分为两类：(1)热成形弹簧用热轧钢丝或钢板制成，然后淬火和中温（450℃～550℃）回火，获得回火屈氏体组织。具有很高的屈服强度和弹性极限，并有一定的塑性和韧性，一般用来制作为较大型的弹簧。老师提示:为了提高弹簧的疲劳寿命，广泛采用喷丸强化处理。(2)冷成形弹簧小尺寸弹簧一般用冷拔弹簧钢丝（片）卷成。五、滚珠轴承钢☆老师提示：重点内容1.用途主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等，属专用结构钢。也用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。滚珠滚珠轴承2.性能要求(1)高的接触疲劳强度：滚珠、滚柱与套圈运动时为点或线接触，压应力高达1500MPa～5000MPa；交变应力易造成接触疲劳破坏，产生麻点或剥落。轴承钢疲劳强度应很高。(2)高的硬度和耐磨性：硬度一般为62HRC～64HRC。(3)足够的韧性和淬透性。(4)要求在大气和润滑介质中有一定的耐蚀能力和良好的尺寸稳定性。3.成分特点(1)高碳碳质量分数为0.95%～1.10%，保证高硬度、高耐磨性和高强度。(3)硅、锰、钒Si、Mn提高淬透性，便于制造大型轴承。V部分溶于奥氏体中，部分形成碳化物VC，提高钢的耐磨性并防止过热。(4)高的冶金质量非金属夹杂对钢的接触疲劳强度影响很大。轴承钢采用电炉冶炼和真空去气处理。(2)铬提高淬透性，形成合金渗碳体(Fe,Cr)3C细密、均匀分布，提高钢的耐磨性、疲劳强度。铬质量分数为0.40%～1.65%。4.钢种和牌号(1)铬轴承钢GCr15w(C)1%、w(Cr)1.5%最常用，使用量占轴承钢的绝大部分。(2)添加Mn、Si、Mo、V的轴承钢GCr15SiMn、GCr15SiMnMoV在铬轴承钢中加入Si、Mn可提高淬透性。为了节铬,加入Mo、V可得到无铬轴承钢,如GSiMnMoV、GSiMnMoVRE等，其性能与GCr15相近。5.热处理及组织性能球化退火、淬火和低温回火(1)球化退火降低钢的硬度，利于切削加工，获得细小的球状珠光体和均匀分布的过剩的细粒状碳化物，为零件的最终热处理做组织准备。(2)淬火和低温回火淬火温度要求严格。温度过低，淬火后硬度不足。温度过高，韧性、疲劳强度下降，易淬裂和变形。GCr15