工程材料学-7合金钢

工程材料学南京航空航天大学梁文萍第七章合金钢§7.1钢中合金元素的作用§7.2合金钢的分类与编号§7.3合金结构钢§7.4合金工具钢§7.5特殊性能钢学习要求和难点学习重点：1.钢的分类与编号方法。2.常见合金元素对钢的组织性能的影响。3.常用的各类型钢的牌号、成分、热处理工艺规范及主要用途。碳钢的优点：■价格低廉，便于获得，容易加工。■通过改变含碳量和进行不同的热处理，能满足许多工程上的需求。碳钢的缺点：■淬透性低，回火抗力差，基本相软弱。■对于一些特殊的性能要求：如耐热、耐低温、耐腐蚀、高耐磨等，碳钢也无法满足。——通过钢的合金化来提高钢的性能。概论概论为了提高钢的力学、工艺、物理或化学性能，在冶炼时特意往钢中加入的一些化学元素(即通常称为合金元素)，所得到的钢称为合金钢。改善对象■提高强度；■提高淬透性；■提高高温强度、热硬性；■提高抗氧化、耐腐蚀、耐热、耐磨、电磁等性能。§7.1钢中合金元素的作用7.1.1对钢中基本相的影响1、溶于铁素体，形成合金铁素体非碳化物形成元素(Ni、Si、Al、Cu、Co)及过剩的碳化物形成元素。钢带Si、Mn对强度、硬度提高显著。Cr、Ni在适当范围内提高韧性。钢中碳化物§7.1钢中合金元素的作用2、形成碳化物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、Fe。⑴Ti、Nb、V、Zr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。§7.1钢中合金元素的作用⑵W、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。⑶Mn、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。7.1.2对钢的力学性能的影响§7.1钢中合金元素的作用钢中碳化物数量多时，将显著提高钢的硬度和耐磨性。有些碳化物熔点高，稳定性好，可提高钢的热强度。1、固溶强化2、弥散强化§7.1钢中合金元素的作用锰对奥氏体相区的影响7.1.3对Fe-Fe3C相图的影响1、对奥氏体相区的影响⑴扩大奥氏体相区Ni、Mn、Co、C、N等元素，使A1、A3点下降，A4点上升。当Mn13%或Ni9%时，S点降到0℃以下，室温下为单相奥氏体组织，称奥氏体钢。铬对奥氏体相区的影响§7.1钢中合金元素的作用⑵缩小奥氏体相区Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等元素，使A1、A3点上升，A4点下降。当Cr13%时，奥氏体相区消失，室温下为单相铁素体组织，称铁素体钢。§7.1钢中合金元素的作用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）。§7.1钢中合金元素的作用7.1.3对钢中相变过程的影响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。§7.1钢中合金元素的作用合金元素对钢淬透性的影响2、对过冷奥氏体转变的影响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：Mn、Si、Cr、Ni、B。MS点下降⑵对Ms、Mf的影响:除Co、Al外,所有元素都使Ms、Mf点下降.§7.1钢中合金元素的作用§7.1钢中合金元素的作用3、对回火转变的影响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。§7.1钢中合金元素的作用高速钢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.§7.1钢中合金元素的作用⑶产生第二类回火脆性含Mn、Cr、Ni等元素的合金结构钢回火后缓冷易产生回火脆性。加W、Mo可防止第二类回火脆性。§7.2合金钢的分类与编号工程用钢:建筑、桥梁、船舶、车辆渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢耐磨钢机器用钢结构钢刃具钢模具钢量具钢工具钢不锈钢耐热钢特殊性能钢挤压模具§7.2合金钢的分类与编号1.合金结构钢的编号两位数字＋元素符号＋数字+质量判别钢的平均含碳量，单位为0.01%钢中的合金元素合金元素含量1.5%:不标1.5～2.4%:22.5～3.4%:3……40CrNiMo、30CrMnSiNi2A2.低合金高强度钢的编号与碳素结构钢同§7.2合金钢的分类与编号Q＋数字+一个字母屈服强度屈服强度低限/MPa质量等级符号,由A到E.Q295A、Q345C根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字（表示平均含碳量的万分之几）＋化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。§7.2合金钢的分类与编号2.低合金高强度钢的编号热连轧钢板转炉炼钢3.合金工具钢的编号§7.2合金钢的分类与编号平均含碳量，单位为0.1%，但超过1.0%及高合金工具钢中一律略去钢中的合金元素合金元素含量1.5%或强碳化物形成元素:不标1.5～2.4%:22.5～3.4%:3……5CrNiMoCrWMn一位数字＋元素符号＋数字+质量判别4.轴承钢G+Cr+铬含量“G”表示“滚动轴承钢”。*铬含量以千分之一为单位.GCr15§7.2合金钢的分类与编号涡轮叶片5.不锈钢和耐热钢含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+……含碳量以千分之一为单位。含碳量的表示方法为：①平均含碳量≥0.1%时为C%的0.1%，如1Cr17,2Cr13；②平均含碳量＜0.1%时以“0”表示，如0Cr18Ni9。§7.2合金钢的分类与编号名称符号位置名称符号位置碳素结构钢Q头桥梁用钢q尾低合金高强度钢Q头锅炉用钢g尾易切削钢Y头焊接气瓶用钢HP尾碳素工具钢T头车辆车轴用钢LZ头(滚珠)轴承钢G头机车车轴用钢JZ头焊接用钢H头沸腾钢F尾铆螺钢ML头半镇静钢b尾船用钢国际符号镇静钢Z尾汽车大梁用钢L尾特殊镇静钢TZ尾压力容器用钢R尾质量等级A.B.C.D.E尾常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T221—2000）§7.3合金结构钢7.3.1低合金高强度结构钢1、性能要求⑴高强度及足够韧性。⑵良好的焊接性能。⑶良好的耐蚀性及低的韧脆转变温度。2、成分特点⑴低碳：≤0.2%C。⑵合金元素：主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等。低合金高强钢合金元素细化晶粒作用3、热处理：大多数热轧空冷后使用。少数可用正火+高温回火处理。4、使用状态组织：F+P①Mn的作用：强化铁素体、增加珠光体的量。②V、Ti、Nb等：起细化晶粒和弥散强化。③另外加Cu、P可提高耐蚀性；加RE可提高韧性、疲劳极限，降低冷脆转变温度。§7.3合金结构钢南京长江大桥5、用途：Q345(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的压力容器。Q460钢含Mo、B，正火组织为贝氏体，强度高,用于石化中温高压容器.§7.3合金结构钢§7.3合金结构钢渗碳件—传动齿轮1、性能要求表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧。良好的热处理性能,如淬透性和渗碳能力。7.3.2渗碳钢真空渗碳炉§7.3合金结构钢渗碳件高精密独立导柱2、成分特点⑴低碳：0.1~0.25%C⑵合金元素作用：提高淬透性：Cr、Mn、Ni、B强化铁素体：Cr、Mn、Ni细化晶粒：W、Mo、Ti、V§7.3合金结构钢正火模锻高温回火机加工非渗碳面镀铜渗碳后空冷高温回火精加工淬火冷处理低温回火退铜磨削改善锻造后不均匀组织降低硬度便于加工降低硬度便于加工，碳化物球化，防止淬火后较多残余A细化组织减少渗碳层残余A3、热处理特点柴油机凸轮轴活塞销(20Cr)4、常用钢号及用途低淬透性钢：20Cr。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。§7.3合金结构钢§7.3合金结构钢增压柴油机曲轴汽车变速箱齿轮中淬透性钢：20CrMnTi。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。高淬透性钢：18Cr2Ni4WA。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。§7.3合金结构钢调质件（螺杆）1、性能要求良好的综合力学性能.良好的淬透性。7.3.3调质钢§7.3合金结构钢调质件（冷却轮）破碎机主轴2、成分特点⑴中碳：0.3~0.5%C⑵合金元素作用：提高淬透性:Mn、Si、Cr、Ni、B强化铁素体:Mn、Si、Cr、Ni细化晶粒:Ti、V防止第二类回火脆性:W、Mo§7.3合金结构钢3、热处理及组织特点调质目的：获得良好综合力学性能。使用状态下的组织为：S回回火索氏体调质处理车间为提高表面耐磨性，调质后可进行表面淬火或氮化。调质零件实例650℃高温回火机加工850℃淬火（油冷）550℃高温回火（水冷）模锻860℃正火精加工某发动机涡轮轴，材料为40CrNiMoA。技术要求：热处理弯曲变形≤1.0mm，……§7.3合金结构钢4、常用钢号及用途低淬透性钢：D0油30~40mm,常用40Cr,用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等。中淬透性钢：D0油≈40~60mm，常用40CrNi，用于制造大中型零件。柴油机凸轮轴§7.3合金结构钢合金结构钢曲轴单缸汽车曲轴高淬透性钢：D0油60mm,常用40CrNiMo,用于制造大截面重载荷零件，如曲轴等。§7.3合金结构钢§7.3合金结构钢5、超高强度钢σb≥1500MPa或σs≥1400MPa低合金超高强度钢、马氏体时效硬化钢、沉淀硬化不锈钢等。含碳量中等含Cr、Mn、Si、Ni、Mo、V等，与碳共同作用下使钢的淬透性、回火抗力增加，使固溶体（马氏体或下贝氏体）明显强化。Ni降低临界温度及增加固溶体的韧性；V细化晶粒，可改善钢的强韧性。§7.3合金结构钢30CrMnSiNi2A、40CrMnSiMoVA、300M热处理特点最终热处理为：淬火＋低温回火，马氏体强化达到超高强度。等温淬火＋回火，马氏体和下贝氏体强化。制造使用中注意的问题缺口、应力集中敏感避免在酸性介质中表面处理，以防氢脆。超高强度钢应用实例700℃高温回火900℃A化,250℃等温处理校形280℃低温回火压制900℃正火磷化精加工并校形230℃低温回火降低硬度便于加工消除应力对等温处理组织的低温回火弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件。1、性能要求高的σs，σs/σb；高的σ-1；足够的韧性高的淬透性。7.3.4弹簧钢§7.3合金结构钢§7.3合金结构钢汽车弹簧弹簧丝2、成分特点⑴中高碳：碳素弹簧钢为0.6~0.9%C合金弹簧钢为0.45~0.7%C⑵合金元素作用：提高淬透性、强化铁素体：Mn、Si、Cr提高s/b：Si细化晶粒：V§7.3合金结构钢汽车板簧淬火线冷卷螺旋压缩弹簧3、热处理及组织特点⑴冷成型弹簧：冷拔→冷成型→定型处理(250~300℃)。用于φ10mm弹簧。⑵热成型弹簧：热成型→淬火+中温回火使用状态下的组织：T回用于大截面弹簧(φ10mm)板簧喷丸处理示意图4、弹簧的表面质量表面质量对弹簧的寿命影响很大。提高表面质量的方法:①防止表面脱碳；②避免表面缺陷；③进行喷丸处理，使表面产生压应力。§7.3合金结构钢§7.3合金结构钢大型热卷弹簧汽车板簧5、常用钢号及用途Si、Mn弹簧钢，如65Mn、60Si2Mn，用于制造较大截面弹簧。Cr、V弹簧钢，如50CrV，用于大截面、大载荷、耐热的弹簧。圆柱滚子轴承自动调心球轴承⑴高而均匀的硬度和耐磨性。⑵高的b和接触疲劳强度。⑶足够的韧性、淬透性和耐蚀性.轴承工作时,承受接触应力(达3000~3500MPa)、周期性交变载荷(频率达数万次/分)和摩擦。1、性能要求7.3.5滚动轴承钢§7.3合金结构钢推力球轴承滚针轴承Cr还提高耐磨性（形成合金渗碳体）和耐蚀性。当1.65%Cr时,