1.10,11,12 金属材料

第五章工业用钢仅以碳元素为主要合金元素的碳素钢在某些条件下难以满足机械性能或其它特殊性能要求，需要添加其它合金元素改善。合金钢是在以碳元素为主要合金元素的碳素钢的基础上发展起来的。在合金钢中，除了铁和碳以外，还含有为某种目的（如增加淬透性，提高强度、耐磨性、红硬性、耐热性、耐腐蚀性等等）而特意加入的其它合金元素，这些元素有Mn、Si、Cr、Mo、Ni、W、Ti、V、Nb等。•钢的基础知识•结构钢•工具钢•特殊性能钢第一节钢的基础知识一.合金元素对钢的组织和性能的影响杂质及合金元素与铁和碳的作用。合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。合金元素对钢的热处理的影响。一）杂质和气体的影响Mn—脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。Si—有很强的固溶强化作用,能脱氧。1.有益元素2.有害元素:P—有很强的固溶强化作用,低温韧性差(冷脆)。S—能引起钢在热加工时或高温工作下开裂(热裂)。3.气体元素:N：钢中过饱和N在常温放置过程中会发生时效脆化。加Ti、V、Al等元素可消除时效倾向。O：钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源。H：原子态的过饱和氢时将降低韧性,引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。钢中白点二）合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的存在形式及主要作用：•溶于铁素体内，形成合金铁素体。作用：固溶强化。•溶于渗碳体内，形成合金渗碳体，如（Fe，Cr）3C。作用：提高碳化物硬度和稳定性。•和碳形成特殊碳化物，如Fe3W3，Cr23C6，Mo2C，TiC。作用：特殊碳化物稳定，硬度高，可提高红硬性和耐磨性；特殊碳化物细小弥散，起弥散强化作用。合金元素对硬度的影响合金元素对冲击韧性的影响与碳作用形成合金碳化物Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱强弱碳化物元素:Fe、Mn。中强碳化物元素:Cr、Mo、W。强碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。三)合金元素对Fe-Fe3C相图的影响•扩大奥氏体区•缩小奥氏体区•改变共晶点和共析点的参数1.扩大奥氏体区的合金元素面心立方晶格的Mn、Ni、Co等元素以及N和C。作用:使A3线温度下降,A4线温度上升。Mn元素对奥氏体区的影响2.缩小奥氏体区的合金元素体心立方晶格的Cr、Mo、W、V、Ti、Si等元素。作用:使A3线温度上升,A4线温度下降。Cr元素对奥氏体区的影响3.改变共晶点和共析点参数的元素几乎所有的合金元素。作用:使S点和E点的成分向左移。即移向低碳的方向使A1线的温度变化。合金元素对S点成分的影响合金元素对A1线的影响四)合金元素对钢的热处理的影响•加热时对奥氏体形成的影响•对过冷奥氏体转变的影响•对回火转变的影响1.合金元素对加热时奥氏体形成的影响除Mn元素外,所有合金元素的加入,均使奥氏体的形成速度减慢。强碳化物形成元素能强烈的阻止奥氏体晶粒长大(Ti、V、Zr、Nb等)。非碳化物形成元素能轻微的阻止奥氏体晶粒长大(Si、Ni、Cu、Co等)。2.合金元素对过冷奥氏体转变的影响除Co元素外,所有的合金元素均使钢的TTT曲线向右移。推迟奥氏体向珠光体和贝氏体转变的过程，提高淬透性。除Co、Al元素外,所有的合金元素都使马氏体转变温度下降。提高钢的淬透性,常用的元素有:Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。3.合金元素对回火转变的影响回火抗力的增加阻碍Fｅ和C的扩散，提高马氏体的稳定性，推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变，阻碍碳化物的析出和聚集长大二次硬化的产生（红硬性提高）削弱回火脆性（W,Mｏ）W、Mo、V等碳化物在550℃时,使钢达到最高硬度,产生二次硬化。Cr-Ni钢的回火脆性示意图防止第二类回火脆性的产生的方法:在500～600℃快速冷却。加入合金元素W、Mo。因此，根据合金元素在钢中的作用1.主加元素:对提高钢的性能起主要作用。Si、Mn、Cr、Ni、B。2.辅加元素:配合主加元素进一步提高钢的性能,弥补主加元素的不足与缺陷。W、Mo、V、Ti、Nb。第二节钢的分类和编号1.分类钢材种类繁多，为便于生产使用和研究，进行了如下分类：1）按化学成份分类钢按化学成份不同可分为碳素钢和合金钢。碳素钢按碳含量的不同又分为低碳钢（含碳量小于0.25%），中碳钢（含碳量为0.25~0.6%）和高碳钢（含碳量大于0.6%）。合金钢按合金元素总量分为低合金钢（合金元素总量小于5%），中合金钢（合金元素总含量为5~10%）高合金钢（合金元素总量大于10%）有时，按合金钢中所含主要合金元素将合金钢分为锰钢，铬钢，铬钼钢或铬锰钛钢等。2）按供应态的显微组织分类一般钢的供应状态有退火态和正火态两种。按正火态组织将钢分为珠光体类，贝氏体类，马氏体类及奥氏体类钢，在这里也不排除有过渡型混合组织出现的可能。按退火态（即平衡态）组织可将钢分为亚共析、共析和过共析钢。３）按用途分类结构钢工具钢特殊性能钢2.钢的编号我国的钢材编号是采用国际化学符号，数字及汉语拼音字母并用的原则，按碳含量、合金元素的种类和数量以及质量级别来编号的。1）普通结构钢2）优质碳素结构钢3）碳素工具钢4）合金结构钢5）合金工具钢6）滚动轴承钢7）不锈钢及耐热钢1）普通碳素结构钢（普碳钢）该类钢牌号表示方法是由代表屈服点的字母（Q），屈服强度数值（MPa值），质量等级符号（A，B，C，D）及脱氧方法符号（F，b，Z，TZ）等四部分按顺序组成。Q235—A·F沸腾钢A等级235MPa屈服强度2）优质碳素结构钢该类钢的钢号用钢中平均含碳量的两位数字表示，单位为万分之一。如钢号45，表示平均含碳量为0.45%的钢，这是正常含锰量（按杂质含量）的优质碳素结构钢的钢号表示方法。对含锰量较高的钢，须将锰元素标出。所谓较高含锰量系指含碳量大于0.6%、含锰量在(0.9~1.2)%者及含碳量小于0.6%、含锰量(0.7~1.0)%者，数字后面附加化学元素符号Mn。例如钢号25Mn，表示平均含碳量为0.25%而含锰量为(0.7~1.0)%的钢。*45---Wc=0.45%*较高锰质量分数的优质碳素结构钢45Mn---Wc=0.45%;WMn=0.7%～1.0%3）碳素工具钢碳素工具钢是在钢号前加“T”表示，其后跟以表示钢中平均含碳量的千分之几的数字。如平均含碳量为0.8%的工具钢，其钢号记为“T8”。含锰量较高者须在钢号后标以“Mn”。若为高级优质碳素工具钢则在钢号末端加“A”，如T10A。T12A高级优质Wc=1.2%碳素工具钢4）合金结构钢该类钢的牌号是由“数字+元素+数字”三部分组成。前面的数字（为两位数）表示平均含碳量的万分数，合金元素以化学元素符号表示，合金元素后面的数字（一位或两位数）表示该元素的平均百分含量，如果合金元素平均含量低于1.5%时，则不标明其含量；当其平均含量大于或等于1.5%至2.5%时则在元素后面标“2”，依此类推。如60Si2Mn钢，其平均含碳量约0.6%，含硅2%及含锰1%5）合金工具钢该类钢的编号原则大体同合金结构钢，只是含碳量的表示方法不同，而合金元素的表示方法相同。钢号前表示其平均含碳量的是一位数字，为其千分数；当平均含碳量大于或等于1.0%时，则不标出含碳量。例如9Mn2V钢的平均含碳量为(0.85%~0.95)%；而CrMn钢中的平均含碳量则为(1.3~1.5)%。高速钢是一类高合金工具钢，其钢号中一般不标出含碳量，仅标出合金元素符号及其平均含量的百分数。如W18Cr4V钢的平均碳含量为(0.7~0.8)%，而合金元素含量则约为18%W、4%Cr和1%V。6）滚动轴承钢该类钢含碳量较高（一般约为0.95~1.15%），在钢号中不标明；其钢号前冠以G表示“滚动轴承”钢，其后为铬（Cr）+数字+其它合金元素+数字+(…）表示，数字表示铬平均含量的千分数，而其它合金元素后的数字则表示其百分数。如“滚铬15”（即GCr15），即是铬平均含量为1.5%滚动轴承钢。7）不锈钢及耐热钢这两类钢钢号前面的数字表示平均含碳量的千分数，如“9铬18”（即9Cr18）表示该钢平均含碳量为0.9%。但碳含量小于0.03%及0.08%者，在钢号前分别冠以“00”及“0”，如“00铬18镍1”（即00Cr18Ni10）等。应指出，上述钢中能起重要作用的微量元素如钛，铌，锆等虽然含量较低（一般小于1%甚至小于0(01%)，但应在钢号中标出，且元素符号后不附加数字；而当其在某些钢中含量大于1%时，则必须在元素符号后加上其含量的百分数。第三节合金结构钢(AlloyConstructionalSteel)•普通低合金钢•合金渗碳钢•合金调质钢•弹簧钢•滚动轴承钢•易切削钢一.普通低合金钢(commonlow–alloyedsteel)1.化学成分:碳素结构钢+合金元素主加合金元素:Mn1.8%以内。辅加合金元素:V、Ti、Nb、B。2.牌号:Q345C质量等级345MPa屈服强度3.热处理特点：热轧空冷状态下使用，不需要进行专门的热处理。在有特殊需要时，如为了改善焊接接头性能，可进行一次正火处理Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度高，用于石化中温高压容器。压力容器南京长江大桥Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。16Mn是我国低合金高强钢中发展最早、使用最多、产量最大的钢种。例如南京长江大桥、广州电视塔等。Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的容器。万吨远洋轮4.典型普通低合金钢二.碳素渗碳钢及合金渗碳钢1.对渗碳钢的性能要求:2.对渗碳钢的含碳量的要求:低碳3.渗碳钢的热处理特点:渗碳淬火+低温回火(180～200℃)表硬里韧Wc≤0.25%Wc=0.15～0.25%合金元素:Cr、Mn、Ni、B、V、W、Mo、Ti等。表层:M回+Fe3C+A残心部:F+P表层:M回+Cm+A残心部:低碳M回+F碳素渗碳钢合金渗碳钢化学成分热处理后的组织4.合金渗碳钢的牌号20Mn2TiA等级:高级优质含钛量WTi≤1.5%含锰量WMn2%含碳量WC20%005.典型合金渗碳钢种介绍低淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量＜3%15Cr、20Cr、20Mn2。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。中淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在4%左右。20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。柴油机凸轮轴活塞销(20Cr)高淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在4%～6%。18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。柴油机曲轴三.碳素调质钢及合金调质钢1.对调质钢的性能要求:既强又韧2.对调质钢的含碳量的要求:中碳3.调质钢的热处理特点:淬火+高温回火(500～650℃)Wc=0.25～0.6%Wc=0.25～0.5%合金元素:Cr、Mn、Ni、B、Si、V、W、Mo、Ti等。表层:S回碳素调质钢合金调质钢化学成分热处理后的组织心部:P+F表层:S回心部:S回4.合金调质钢的牌号40Cr40Mn40MnB35CrMo38CrMoAlA25Cr2Ni4WA5.典型合金调质钢种介绍低淬透性调质钢钢含合金元素总量＜3%。40Cr、40MnB等。中淬透性调质钢钢含合金元素总量在4%左右。38CrSi、35CrMo等。圆锥齿轮柴油机凸轮轴常用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。高淬透性调质钢钢含合金元素总量在4%～10%。制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的零件等。38CrMoAlA、40CrMnMo、25Cr2Ni4WA等。四.碳素弹簧钢及合金弹簧钢1.对弹簧钢的性能要求:高的σe、高的σs/σb、高的σ-1、良好的韧性。2.对弹簧钢含碳量的要求:中、高碳。3.热成型弹簧钢的热处理特点:淬火+中温回火(450～550℃)碳素弹簧钢合金弹簧钢化学成分热处理后的组织Wc=0.6～0.9%Wc=0.5～0.7%合金元素:Si、Mn、Cr、V、W、Mo等。T回制造尺寸小于Φ8～15mm的小型弹簧。T回制造尺寸在Φ20～25mm