哈工大金属学与热处理课件11

本章目的：1介绍合金钢的概念及其分类、编号的方法；2揭示合金元素在钢中的作用，即合金化原理；3分别介绍各种主要类型的合金钢。第十章工业用钢本章重点:(1)合金元素对钢的组织与性能影响规律；(2)各类钢主要的性能要求、成分及合金化特点，合金元素的主要作用，主要的热处理方法、应用;(3)各类钢的典型钢种。§10-1概述一多钢种原因碳钢优点：价廉、实用；力性随碳含量显著变化。碳钢的性能缺点：（1）淬透性低；水淬，D临=10~20mm（2）强度、屈强比较低；20钢与16Mn的σs：240、360MN/m2；40钢与35CrNi3Mo的σs/σb：0.43、0.74(3)回火稳定性差，综合机性不高；碳素工具钢T使200℃,V切5m/min;(4)不能满足特殊性能要求---合金钢的产生二钢分类及编号1钢分类（1）按化学成分：①碳钢高、中、低碳钢：0.25%；0.6%②合金钢高、中、低合金钢：5%；10%）┗为改善钢的性能，冶炼时在碳钢的基础上特意加入一定的合金元素所获得的钢。（2）按用途：①结构钢：工程构件、机器零件②工具钢：刃、量、模③特殊性能钢：耐热、耐蚀、磁性（3）按质量等级：优质、高级优质、普通；实际中往往采取综合法：——高级优质合金工具钢2钢编号反映：成分、用途（1）碳钢（碳素结构钢、碳素工具钢）①普通碳素结构钢（0.06%~0.4%）——力性要求Q195、Q215、Q235-A·F、Q255、Q275；Q295、Q345、Q345、Q390、Q420、Q460与旧标准的对比：Q235≈A3-----为构件用钢:建筑、桥梁、船舶、压力容器、管道等②优质碳素结构钢(0.06%~0.70%)——成分08F、10、20:塑韧性、焊接性好冷冲、焊接、渗碳件调质后综合机性好调质件强度高、弹性极限高弹性元件25、30、35、40、45:50、60、65:③碳素工具钢（0.65%~1.35%）T7、T8：一定韧性冲头、锤子、凿子T9、T10：硬度高、韧性适中；钻头、手锯条、刨刀T12(A)、T13：硬度高、韧性低锉、刮刀、量具——低速运转的工具（2）合金钢C%Me%合金结构钢：1/万1/百合金工具钢：1/千~特殊性能钢：1/千~例：40Cr—合金结构钢；9CrSi—合金工具钢CrWMo—合金工具钢；1Cr18Ni9—不锈钢特殊：GCr15——1.5%Cr0Cr18Ni9——0.08%00Cr18Ni9——0.03%§10-2合金元素在钢中的作用一合金元素对钢中基本相的影响1形成合金铁素体绝大多数合金元素可或多或少固溶于铁素体中，形成α-Fe的间隙或置换固溶体——合金铁素体——合金元素有固溶强化作用对强硬度影响对韧性影响但过多则降低韧性例如：Si、Mn显著提高强硬度，但当Si0.6%;Mn1.5%;Cr2%;Ni5%时韧性明显下降——限量使用2形成合金碳化物根据与碳的亲和力，合金元素分为两类：非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Al、Si、N、B碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti以上由弱至强弱碳化物形成元素、中强碳化物形成元素可置换渗碳体中的铁原子→(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C（1）形成合金渗碳体意义：合金渗碳体较渗碳体稳定，熔点和硬度更高——低合金钢中的主要强化相（2）形成特殊碳化物强碳化物形成元素、或较高含量的中强碳化物形成元素（5%）：VC、TiC、WC、Mo2C、Cr23C6、Cr7C3——形成特殊碳化物特殊碳化物较合金渗碳体稳定性更高，熔点与硬度也更高——耐较高温度的强化相——高合金钢中的主要强化相小结：碳在钢中的存在形式及作用：(1)固溶于铁基体中；(2)形成各类碳化物——固溶强化、——第二相强化，提高耐磨性二合金元素对铁碳相图的影响1影响奥氏体、铁素体存在范围LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGC%6.69FeTJNA1意义：在室温下可能获得单相奥氏体组织或单相铁素体组织┗奥氏体钢扩大α相区，使A3↑，A4↓：Cr、W、Mo、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr扩大γ相区，使A3↓，A4↑：Ni、Mn、Cu、Co、C、N2影响相图临界点（S、E)）**所有合金元素均使S、E点左移4Cr13——过共析钢；W18Cr4V——莱氏体钢三对钢热处理的影响1对加热时相转变的影响：大多数合金元素都使奥氏体的长大减慢，成分均匀化难度加大——大多数合金钢比碳钢加热温度高，保温时间长；——但须考虑合金元素对A3的影响，例含Mn钢2对冷却转变（C曲线）的影响：实质为对C曲线的影响：(1)使C曲线位置和形状改变：典型应用：含Mo的贝氏体钢的设计原理非碳化物形成元素——改变位置，不改变形状碳化物形成元素——改变位置与形状，使P、B转变分离(2)大部分合金元素使C曲线右移；意义：提高淬透性合金元素提高淬透性的顺序(由强至弱)：Mo、Mn、W、Cr、Ni、Cu、Si、V另B元素：添加0.0005%~0.0035%量┗显著提高淬透性(3)大部分合金元素↓Ms、Mf,,↑AR%;高碳、高合金钢的多次回火工艺，目的之一是减少AR%。注：①合金元素需溶入奥氏体中；②含较多提高淬透性元素的钢可能在空冷条件下获马氏体——例如：W18Cr4V3合金元素对回火过程的影响(1)提高钢的回火稳定性回火稳定性定义：钢在回火过程中抵抗软化的能力~。原因：合金元素推迟回火各个阶段，增强钢抵抗软化能力——提高钢的回火稳定性。——合金碳化物稳定性高意义：（1）在相同温度下回火，合金钢比碳钢有更高的强硬度；（2）相同强度下合金钢比碳钢可在更高温度下回火，有更好韧性。（2）产生二次硬化二次硬化：含较多W、Mo、V、Ti及较高C%的钢回火时，硬度不是随回火温度升高单调下降，而是到某一温度后反而开始增大（400℃），并在另一更高温度（550℃）达到峰值。回火温度，℃HRC200400600604020+5%Mo+2%Mo0.35C%原因：①马氏体中析出→Mo2C、VC、TiC即特殊碳化物在α相的位错区沉淀析出，与α相共格——共格强化与弥散强化②二次淬火：回火中未分解的AR在随后冷却到TMS时转变为M。二次淬火原因：碳化物析出，Me、C%↓，MS↑；比容↓，压应力↓；（3）促进回火脆性100200300400500600700回火温度，℃510152025ak快冷慢冷0.3%C-1.7%Cr-3.4Ni碳钢不产生高温回火脆性,合金钢尤含Mn、Cr的合金钢易产生回火脆性.原因：Mn、Cr促进杂质元素偏聚小结：合金元素作用•提高淬透性：Mn、Cr、B、Ni、W、Mo•固溶强化：Si、Mn、Ni•细化晶粒：Al、V、Ti、W、Mo、Nb、Zr•提高回火稳定性：W、Mo、V、Si、Cr•消除高温回火脆性：W、Mo•特殊耐蚀、耐热性§10-3合金结构钢合金结构钢包括：低合金高强度结构钢、易切钢、调质钢、渗碳钢、弹簧钢、滚动轴承钢等一、低合金高强度结构钢1用途：压力容器、桥梁、机车车辆、输油管道、锅炉等2性能要求：强度高、塑韧性好；冷热压力加工性能好；焊接性能好抗环境作用：大气、海水、低温3成分特点：（1）C＜0.2%——满足成型、焊接性要求焊接性：指一般焊接条件下，钢材焊接后不产生裂纹，获得良好焊接区的性能。成分对焊接性能的影响：钢中碳含量愈高，淬硬性愈高；钢中合金含量愈高，淬透性愈好，则焊接中愈容易产生裂纹，焊接性愈差。——引入“碳当量”：（见P334）碳当量0.4%时，焊接性差碳当量＜0.2%焊接性较好——构件用钢只能微合金化、低合金化(2)Me(＜3%)——微合金化或低合金化Mn（0.8~1.7%）元素作用：固溶强化、增加珠光体量、细化珠光体V、Ti、Nb：弥散强化、细化晶粒Cu、P：耐蚀4典型钢种：Q295、Q345、Q345、Q390、Q420、Q460┗新标准GB/T1591-94┏旧标准GB/1591-8816Mn、15MnV、14MnNb等—A－E：代表质量等级（由低到高），主要是S、P含量的差异新旧标准低合金结构钢牌号对照Al0.015Al0.015Al0.015CMnSiPSVNbTiAlCrNiQ420(C、D、E)————————————————————0.70.75热处理：正火使用状态：热轧（组织：细铁素体＋索氏体）与相同碳含量碳钢相比，低合金高强度钢综合性能更佳：强度更高：↑25～150％塑韧性更好：δ↑15～25％，ak↑60~80%;脆性转变温度(TK)更低；TaKTK二渗碳钢渗碳定义：在增碳的活性介质中，钢的表面为碳所饱和而获得高碳的渗层组织，称为渗碳。目的：提高零件表面硬度、耐磨性和疲劳强度。渗碳钢——用作整体受冲击或交变应力，表面受磨损的零件，这些零件要求表面硬、心部韧，如机床、汽车、拖拉机的变速齿轮等。1成分特点：Me：Cr、Ni、Mn、B；V、Ti、Nb↑淬透性，↑强韧性阻碍A晶粒长大低C（0.1%~0.25%）2典型渗碳钢种(1)低淬透性20Cr、20Mn2、20MnV、20CrV合金总量2％，D水淬临界大约20～35mm——小载荷件（2）中淬透性20CrMn、20CrMnTi、20MnTiB合金总量2～5％，D水淬临界大约25～60mm（3）高淬透性20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA合金总量5～7.5％，D水淬临界100mm——高载荷、重要耐磨件——中等载荷件3热处理及使用状态的组织：热处理前渗层组织：（1）热处理工艺：渗碳+淬火+低温回火（2）组织：表面：高碳回火马氏体心部：低碳回火马氏体4性能：表面硬——耐磨；心部韧——抗冲击。二、渗碳后缓冷的组织1％C～0.2％C心部亚共析区共析区过共析区三调质钢调质工艺：淬火+高温回火，1用途：汽车、拖拉机、机床等的重要零件如：轴类、连杆、齿轮、螺栓等2性能要求受力复杂：较大的循环载荷、复合应力——高强度、良好塑韧性、高的疲劳强度——要求高的综合机械性能。（1）中C（0.25%~0.5%）C过低：淬硬性不够——回火后强度不够C过高：韧性不够（2）加入提高淬透性合金元素Cr、Ni、Mn、Si；3成分特点：（3）加入防第二类回火脆性元素W、Mo等4典型钢种：(1)低淬透性40Cr、40MnB、40MnVBD水淬临界大约20～40mm,（2）中淬透性40CrMn、40CrNi、40CrMnTi、35CrMoD水淬临界大约40～60mm,（3）高淬透性40CrNiMo、30CrNi3D水淬临界60~100mm,5热处理工艺：淬火+高温回火使用态组织：回火索氏体四弹簧钢1用途：制作各种弹性元件——以产生较大弹性变形，起缓和冲击、吸收振动等作用。2性能要求：高的弹性极限，屈强比、疲劳强度3成分特点(1)中高碳:合金弹簧钢:0.4%~0.7%C;碳素弹簧钢：0.6~0.9%C(2)Me：Mn、Cr、Si：↑淬透性，固溶强化Si：↑σS/σb(屈强比)W、Mo：防第二类回火脆性~1%~2%4典型钢种：65、60Si2Mn、60Si2MnWA钢号CSiMn其它65Mn0.62~0.700.17~0.370.9~1.255Si2Mn0.52~0.601.5~2.00.6~0.960Si2Mn0.56~0.641.5~2.00.6~0.960Si2CrVA0.56~0.641.4~1.80.4~0.7Cr:0.7~1.060Si2MnWA0.61~0.691.50~2.000.70~1.00W:0.8~1.25成型与热处理工艺：（1）冷成型弹簧——小型(d8～18mm)b.油淬强化钢丝：冷拔——淬火＋中温回火——绕成型——性能均匀但强度较低a.退火钢丝：退火态——冷成型——淬火＋中温回火(2)热成型弹簧——大型弹簧(d10~15mm)热轧钢丝或钢板——淬火+中温回火弹簧钢使用态组织：回火屈氏体或屈氏体c.铅浴淬火冷拉钢丝铅浴等温淬火获屈氏体——冷拔、成卷——1600MPa，强度高但不均匀五滚动轴承钢1用途：滚动轴承的滚动体、内外套圈等。2性能要求：点、线接触——高的压应力：1500～5000MPa交变