械工程材料与热加工工艺,第7章合金钢

第7章合金钢(alloysteel)合金元素在钢中的作用，尤其是合金元素对钢的热处理的影响;合金钢的编号方法，会辩认各种钢的牌号；各类合金结构钢的成分，热处理方法，热处理后的组织，性能的特点以及主要用途。主要掌握内容7.1合金元素在钢中的作用（一）合金元素改善钢的热处理性能细化奥氏体晶粒提高钢的淬透性回火转变的影响细化奥氏体晶粒V、Ti、Nb、Zr、Al等元素，可形成VC、TiC、AlN等化合物，比Fe3C更加难溶解，成为坚固的质点，钉住晶界，阻碍晶粒长大。A体晶粒晶界迁移长大化合物质点E硬质点对晶界的钉扎作用（pinningeffect）晶界能量变化晶界硬质点提高钢的淬透性（1）除Co以外，所有合金元素都使C曲线右移，从而使临界冷却速度Vk下降，过冷奥氏体（A过）稳定，淬透性提高。Ni2.9%Ni4.6%Vk1Vk2（2）W、Cr、Mn可使C曲线右移并改变形状，如图所示：Cr：2.9%Cr：8.2%A→PA→PA→BA→B(3)合金元素使M体转变温度Ms和Mf下降，从而使工件淬火后残余奥氏体增多，硬度下降。01002003004005006007008009000.11.010101010101023456TimeSecsTemperature(°C)BsMsMfg+martensiteg+bainiteBainiteg+pearliteRockwellCHardness576652434040PearliteFinepearliteAustenite11BfPfPsCoarsepearliteγBuBlA1合金元素对回火转变的影响（1）提高回火抗力（回火稳定性）：M体的分解温度越高、分解速度越慢，淬火硬度保持越好，例如：T8钢：400℃时，M体分解完毕，硬度大大的下降；W18Cr4V：800℃时，M体不分解，淬火硬度不变，红硬性高（2）产生二次硬化1)“沉淀性”二次硬化：高温回火析出VC、WC使硬度提高；2)“二次淬火型”二次硬化：回火时，A′→M体，硬度提高；（3）回火脆性的防止第一类回火脆性（低温回火脆性、不可逆回火脆性）：a)温度：250～400℃；b)原因：碳化物沿M体晶间析出，使韧性大大的下降；c)防止措施：避免在250～400℃温区回火冲快速冷却击韧性/αk缓慢冷却0300500600回火温度/℃缓慢冷却a)温度：500～650℃；b)原因：杂质（Sb、Sn、P）向晶界处偏聚，使韧性大大的降低；c)防止措施：ⅰ回火后快冷，抑制杂质偏聚；ⅱ加入0.25%Mo或1.2%W,可防止偏聚；ⅲ重新加热至600℃，偏聚元素可溶解；第二类回火脆性（高温回火脆性、可逆性回火脆性）（二）合金元素提高钢的使用性能合金元素使钢强化合金元素使钢获得特殊性能合金元素使钢强化（1）固溶强化：合金元素溶入F体内，形成合金F体；Si、Mn、Ni使F体的硬度提高；通常：Si0.6%,Mn1.5%,否则会降低钢的韧性。（2)第二相强化：W、Mo、Cr、V、Nb可置换Fe3C中的Fe原子，形成合金渗碳体如：（FeCr）3C、（FeV）3C，使钢的硬度、强度提高；还可形成特殊化合物，如：VC、WC、NbC，熔点高、硬度高，使钢的硬度、强度大大的提高；（3）细化晶粒：合金元素能细化A体晶粒和M体针条，使钢的硬度、强度和韧性提高。合金元素使钢获得特殊性能（1）形成稳定的单相组织：Ni、Mn使Fe－Fe3C相图中的S和E点向左下移动，当A体的存在温度由727℃扩展至室温时，就有了奥氏体钢，例如：1Cr18Ni9Ti―奥氏体不锈钢,ZGMn13―奥氏体耐磨钢；T℃EA体AFe0.772.11C%T℃左上移动EA体Fe0.772.11C%→727左下移动(2)Cr使Fe－Fe3C相图中的S和E点向左上移动当A体区缩小、消失，钢在任何温度下都是F体组织，例如：Cr17、Cr18―――铁素体不锈钢；(3)形成致密氧化膜和金属间化合物：氧化膜：SiO2、CrO2、Al2O3等，提高钢的耐蚀性；金属间化合物：FeSi、Ni3Ti等，提高钢的高温蠕变抗力；1.低合金钢：合金元素Me5%;2.中合金钢：Me5~10%;3.高合金钢：Me10%;1按合金元素含量分类微合金钢0.001-0.1%7.2合金钢的分类及牌号（一）合金钢的分类铁素体钢Cr17、Cr25、Cr28奥氏体钢1Cr18Ni9、0Cr19Ni9、Mn13马氏体钢3Cr13、4Cr13、1Cr11MoV、1Cr12WmoV珠光体钢15CrMo、12CrMoV贝氏体钢12MoVWBSiRE2按钢的金相组织分类1、普通合金钢S≤0.050%P≤0.045%2、优质合金钢S≤0.035%P≤0.035%3、高级优质合金钢S≤0.025%P≤0.025%4、特级优质合金钢S≤0.015%P≤0.020%3按钢中S、P杂质含量分类4按合金组元分类a、二元合金钢：Mn钢、硅钢、铬钢。b、三元合金钢Cr－Mn、Si-Cr、Si-Mn、Cr-Nic、多元合金钢Cr-Mn-Ti、Ni-Cr-Mo-V5按用途分类合金结构钢合金工具钢特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、超强钢二、合金钢的牌号（一）合金结构钢1.牌号的表示方法：例如：60Si2MnC＝60/10000＝0.6%；Si＝2%；Mn1.5%；数字＋合金元素符号＋数字以万分数表示该钢平均碳含量主加合金元素以％表示合金元素含量2特殊规定：1)合金元素后无数字：表示该合金元素含量1.5%；如上例Mn1.5%;2)以千分数表示合金元素平均含量：例如GCr15,Cr＝1.5%；3)高级优质钢：后缀“A”，例如：38CrMoAlA---高级优质4)表明钢的用途：例如Y40:易切削钢；GCr15：滚动轴承钢；1.牌号表示方法：例如：9SiCrC＝9/1000＝0.9%;Si、Cr1.5%;2.特殊规定：1)碳含量＞1.0%时，钢号前无数字，例如：Cr12MOV,C1.0%;2)不遵守1)规定：例如：高速钢W18Cr4V,C＝0.7～0.8％数字＋合金元素符号＋数字以千分数表示该钢平均碳含量；以％表示合金元素含量主加合金元素（二）合金工具钢1.牌号表示方法：同工具钢，例如3Cr13,C＝3/1000＝0.3%；2.特殊规定：1)当碳含量＜0.08%时，钢号前冠以“0”，例如：0Cr13,C≤0.08%；2)当碳含量＜0.03%时，钢号前冠以“00”，例如：00Cr18Ni10,C≤0.03%;（三）特殊性能钢7.3合金结构钢低合金结构钢合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢滚动轴承钢重要的工程结构和机械零件在碳素结构钢中添加Cr、Ni、Mn、Si、Mo、W、V、Ti等合金元素，使其具有较高强度、韧性、淬透性。（一）低合金结构钢大气海洋中的大型焊接结构件，建筑结构、桥梁、车辆、船舶、油气管道、压力容器High-strengthwirewithatensilestrengthof180kilogramspersquaremillimeter(kg/mm2)wasusedratherthanthestandard160-kg/mm2wire.Eachstrandwastransportedtotheconstructionsitewhereitwaspulledfromoneanchorageoverthesaddleofeachtowerandfastenedtotheoppositeanchorageframe.Thisprocedurewasrepeated289timestofabricateeachmaincable.Eachmaincablewasseparatedattheanchoragebyasplaysaddlepriortoattachmenttothesteelframeinsidetheanchoragetoequallydistributecabletensiontothefoundation.Aspeciallydesignedcable-squeezingmachinewasusedtocompressthe290parallelwirestrandsintothefinal1.12-meter-diametercableWorld'sLongestSuspensionBridgeAkashiKaikyoBridge(日本明石海峡大桥)U.S.$3.6billion•ThesteelforNimitz-classaircraftcarriersmustbeabletowithstandtheimpactofa37-ton,F-14Tomcataircraftlandingonthedeckat150milesanhour,shieldaship'screwfromradiationgeneratedbyonboardnuclearreactors,andtaketheimpactofshellsandotherprojectiles.尼米兹级航空母舰Manytypesofsteelareusedintheirconstructionandintheassociatedpipelines,includingcarbon,microalloyed,alloyandstainlesssteels.Thefabricationprocessforanoffshoreplatforminvolvesextensivewelding.Highstrengthsteelplateisusedforthedeckingandtubularsupportstructure1、成分及性能特点：低碳（C0.2%）、低合金（Me3%）;高强度：бb低合＝1.5бb普碳；屈强比：бs/бb≈0.65～0.75应具有良好的工艺性能：可焊性、可锻性好低合金结构钢2、牌号及应用：1)普通低合金结构钢：如16Mn,亦称Q325，用于建筑、桥梁；2)低温用普低钢：如09MnNb，Nb提高低温韧性，用于制冷设备；3)耐腐蚀普低钢：如12MoAlV,Al形成Al2O3膜，提高耐蚀性；4)预应力梁钢筋：如45MnSiV，бb900Mpa，可施加大的预应力；5)轻轨：如45SiMnP、70MnSi等，Si、P提高其耐磨性低合金结构钢3、热处理：1)一般工件：正火；组织：F＋P（细）；2)压力容器：调质处理；组织：S回；（二）合金渗碳钢制造表硬心韧工件，如变速箱齿轮、凸轮轴©2003Brooks/Cole,adivisionofThomsonLearning,Inc.ThomsonLearning™isatrademarkusedhereinunderlicense.齿形加工齿轮退火齿轮渗碳低碳：C＝0.10～0.25%，保证心部韧性和渗碳的浓度梯度；淬透性高：可加入Cr、Ni、Mn、B，提高淬透性，保证心部韧性；渗碳工艺性能好：1)速度快：碳的吸收→扩散快；2)变形小：淬火后工件变形要小；3)梯度平：控制W、Mo、V、Ti的含量，如果太高，可使碳的浓度梯度变陡，出现块状碳化物，易剥落；1、成分和性能特点2、常用牌号及热处理：低淬透性合金渗碳钢：如20Mn2、20CrV、20Cr，用于小尺寸、小载荷的小齿轮、活塞销等，采取“二次淬火法”，改善心部性能；中淬透性合金渗碳钢：如20CrMnTi，用于制造高速、高摩擦的汽车变速箱齿轮，渗碳后采取“直接淬火法”高淬透性渗碳合金钢：如12Cr2Ni4A,用于制造高载荷、高摩擦的飞机、坦克的主轴和主动齿轮；用20CrMnTi钢制造汽车变速箱齿轮的热处理工艺曲线分析锻坯→正火→加工齿形→局部镀铜→渗碳→预冷淬火＋低回→喷丸→磨齿；（1)制造工艺路线（2）热处理工艺曲线58～60HRCT℃950～970℃35～45HRC正火930～940℃渗碳870～880℃预冷Ac3油淬200℃Ms回火机械加工表心磨齿时间/S正火：改善锻造产生的过热组织；改善切削加工性能；渗碳：在930℃渗碳7小时，渗层厚δ＝1.2～1.6