12讲合金元素对钢的影响合金钢的分类低合金钢

《机械制造技术基础》教案教学内容：合金元素对钢的影响合金钢的分类及牌号低合金钢教学方式：结合实际，由浅如深讲解教学目的：1．了解合金元素对钢的影响；2．掌握合金钢的分类；3．掌握低合金高强度结构钢的性能、成分、牌号及用途。重点、难点：合金元素对钢的影响低合金高强度结构钢的性能、成分、牌号及用途教学过程：第7章低合金钢与合金钢合金钢是在碳钢的基础上，为改善钢的性能，有意加入某些合金元素而得到的多元合金。与碳钢相比，合金钢的力学性能有显著的提高，工艺性能、物理性能、化学性能均有较大的变化。7.1合金元素对钢的影响7.1.1合金元素对钢的热处理的影响1．对钢加热时奥氏体形成的影响①奥氏体形成速度的影响合金钢的奥氏体形成过程基本上与碳钢相同，但由于碳化物形成元素都阻碍碳原子的扩散，因而都减缓奥氏体的形成；同时合金元素形成的碳化物比渗碳体难溶于奥氏体，溶解后也不易扩散均匀。因此要获得均匀的奥氏体，合金钢的加热温度应比碳钢高，保温时间应比碳钢长。②对奥氏体晶粒大小的影响由于高熔点的碳化物的细小颗粒分散在奥氏体组织中，能机械地阻碍奥氏体晶粒的长大，因此热处理时合金钢（锰钢除外）不易产生过热组织。2．对钢冷却转变时的影响除钴以外，大多数合金元素都增加奥氏体的稳定性，使C曲线右移。且碳化物形成元素使珠光体和贝氏体的转变曲线分离为两个C形。如图7-1所示。图6-2合金元素对过冷A等温转变和Ms点的影响示意图b)含较多碳化物形成元素的钢a)含非碳化物形成元素(或少量)的钢时间温度Si,W,Mo,Cu,NiCr,V,Mn,CAl,CoA1A1Co,AlMo,W,Cr,VNi,Cr,W,V,MnCrSi,Ni,Cr,MnCr,Mo,W时间温度MsSi,W,Mo,Cu,NiCr,V,Mn,CAl,CoNi,Cu,SiNi,Mn,CuSi,Ti,VCo图7-1合金元素对过冷A等温转变和Ms点的影响示意图由于合金元素使C曲线右移，因而使淬火的临界冷却速度降低，提高了钢的淬透性，这样就可采用较小的冷却速度，甚至在空气中冷却就能得到马氏体，从而避免了由于冷却速度过大而引起的变形和开裂。3．合金元素对过冷奥氏体向马氏体转变的影响除钴、铝外，其他合金元素均使Ms点降低，淬火后钢中残余奥氏体量增多。合金钢淬火后，残余奥氏体量较碳钢多。4．合金元素对淬火钢回火转变的影响合金元素固溶于马氏体中，减慢了碳的扩散，从而减慢了马氏体及残余奥氏体的分解过程，阻碍碳化物析出和聚集长大，因而在回火过程中合金钢的软化速度比碳钢慢，即合金钢具有较高的回火抗力，在较高的回火温度下仍保持较高的硬度，这一特性称为耐回火性（或回火稳定性）。也就是说，在回火温度相同时，合金钢的硬度及强度比相同含碳量的碳钢要高，或者说两种钢淬火后回火至相同硬度时，合金钢的回火温度高（内应力的消除比较彻底，因此，其塑性和韧性比碳钢亦好）。此外，若钢中铬、钨、钼、钒等元素超过一定量时，除了提高耐回火性外，在400℃以上还会形成弥散分布的特殊碳化物，使硬度重新升高，直到500～600℃硬度达最高值，出现所谓的二次硬化现象。600℃以后硬度下降是由于这些弥散分布的碳化物聚集长大的结果。高的耐回火性和二次硬化使合金钢在较高温度（500～600℃）仍保持高硬度，这种性能称为热硬性（或红硬性）。热硬性对高速切削刀具及热变形模具等非常重要。合金元素对淬火钢回火后的机械性能的不利方面主要是第二类回火脆性。这种脆性主要在含铬、镍、锰、硅的调质钢中出现，而钼和钨可降低第二类回火脆性。7.1.2合金元素对钢力学性能的影响1．强化铁素体大多数合金元素都能溶于铁素体，引起铁素体的晶格畸变，产生固溶强化，使铁素体的强度、硬度升高，塑性、韧性下降。2．形成碳化物在钢中能形成碳化物的元素称为碳化物形成元素，有铁、锰、铬、钼、钨、钒等。这些元素与碳结合力较强，生成碳化物（包括合金碳化物、合金渗碳体和特殊碳化物）。合金元素与碳的结合力越强，形成的碳化物越稳定，硬度就越高。碳化物的稳定性越高，就越难溶于奥氏体，也越不易聚集长大。随着碳化物数量的增加，钢的硬度、强度提高，塑性、韧性下降。7.1.3合金元素对钢工艺性能的影响1．使钢的铸造性能变差；合金元素回降低金属的流动性，增加偏析倾向，使钢的铸造性能变差。2．锻造性能明显下降；许多合金钢，特别是含有大量碳化物的合金钢，在锻造时塑性降低，变形抗力增大，使锻造性能明显下降。3．使钢焊接时热影响区淬硬和冷裂倾向增加；有些合金钢。尤其是磷、硫含量较高的合金钢在焊接时热影响区被淬硬，裂纹倾向增加，使焊接性能恶化。而钛、锆、铌、钒等合金元素可改善焊接性能。4．一般降低钢的切削性能。合金钢的强韧性较高，使切削抗力增加，断屑困难。但适量的硫、磷、铝等元素能促使断屑和产生润滑作用，改善切削加工性能。7.1.4合金元素对钢特殊性能的影响1．提高耐蚀性；铬、硅、铝等在钢表面形成致密稳定的氧化膜，提高钢的耐蚀性。2．提高耐热性；3．提高热强性。7.2合金钢的分类7.2.1低合金钢1．按主要质量等级分类1）普通质量低合金钢不需特别控制质量要求，供一般用途的低合金钢。ws≥0.045%，wp≥0.045%2）优质低合金钢需特别控制质量，ws、wp比质量低合金钢低。3）特殊质量低合金钢需特别严格控制质量，ws≤0.020%、wp≤0.020%2．按主要性能和使用特性分类可焊接低合金高强度结构钢、低合金耐候钢、低合金钢筋钢、铁道用低合金钢、矿用低合金钢等。7.2.2合金钢1．按质量等级分类1）优质合金钢需特别控制质量和性能的合金钢，主要包括一般工程结构用合金钢、合金钢筋钢、铁道用合金钢、耐磨钢和硅锰弹簧钢等。ws不高于0.035%，wp不高于0.035%2）特殊质量合金钢需特别严格控制质量，ws≤0.015%、wp≤0.025%。主要包括压力容器用合金钢、合金结构钢、合金弹簧钢、合金工具钢、高速钢、轴承钢、不锈钢、耐热钢等。2．按主要性能和使用特性分类工程结构用合金钢、合金钢、轴承钢、工具钢、模具钢、不锈钢、耐蚀和耐热钢、特殊性能钢等。7.3低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢在低碳钢（wc＜0.20%）基础上加入少量合金元素（如锰、硅、钛、钒等）而制成的钢。1、性能特点（1）具有较高的强度、塑性和冲击韧性，特别是低温冲击韧性。（2）具有良好的焊接性。（3）具有较高的抗大气腐蚀性。2、成分特点（1）低碳低碳的目的是为了保证有良好的焊接性能和冷成形性能。钢中WC=0.16%-0.2%。（2）以锰为主加元素（WMn=0.8%～1.7%）∑合金元素＜5%，常加合金元素：Mn、Si、Al、V、Nb、Ti、Re、Ni等。其中加入Mn、Si、Cr、Ni元素为强化铁素体；加入Al、V、Nb、Ti等元素能细化铁素体晶粒；另外，碳化物形成元素V、Nb、Ti及氮化物形成元素铝，分别形成细小的碳化物和氮化物，这些细小的化合物在一定条件下将从固溶体中析出，产生弥散强化作用。使其具备了高的强度和韧性，良好的综合力学性能，良好的耐蚀性等。3、牌号由代表屈服点的汉语拼音首字母“Q”、屈服点数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）三部分组成。从A级至E级钢中硫、磷含量逐渐减少。例如Q345A，表示屈服强度为345MPa的A级低合金高强度结构钢。4、热处理特点及用途低合金高强度结构钢通常是在热轧经退火（或正火）状态下供应的，使用时一般不进行热处理。低合金钢是一类可焊接的低碳低合金工程结构钢，主要用于房屋、桥梁、船舶、车辆、铁道、高压容器等工程结构件以及低温下工作的构件。其中Q345钢应用最为广泛，南京长江大桥、内燃机车车体、万吨巨轮及压力容器、载重汽车大梁等都用该钢种。小结：略作业：1．合金元素对钢的热处理过程有何影响？2．合金元素对钢的力学性能和工艺性能有何影响？3．低合金高强度结构钢有何性能特点和成分特点，主要用途是什么？