第06章合金钢

第六章合金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之。第一节钢中的合金元素一、概述钢材是现今工业生产中广泛使用的金属材料。其中，碳钢是wc2.11%的铁碳合金，其性能主要取决于碳含量、热处理状态和显微组织等。由于碳钢价格低廉，生产加工方便，所以在工业上应用广泛，占钢材总重量的80%以上。碳钢的主要缺点是：1.淬透性低。对于直径大于20~25mm的零件，水冷也不可能淬透。因此，使零件截面性能不均匀，且快速淬火会导致零件产生变形或开裂。2.强度和屈强比低，致使构件笨重，强度的有效利用率低。如碳钢σs/σb=0.5－0.6，合金钢为0.8－0.9。3.回火稳定性差，不能获得优良的综合力学性能。4.不能满足如耐热性、耐磨性、耐蚀性等特殊性能的要求。合金元素是为了改善和提高钢的力学性能和使钢获得某些特殊的物理、化学性能而专门加入的元素。在实际使用的钢中，除碳外尚存在少量的其它元素，如一般含量的硅、锰、磷、硫以及氧、氮、氢等，这些非特意加入的元素称为常存或残余元素。常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、铜、硼、稀土元素等。磷、硫、氮等在某些情况下也起合金元素的作用。合金钢在铁碳合金中加入其他合金元素,提高淬透性进一步提高机械性能（强度，塑性，韧性等）获得特殊性能（耐蚀，耐磨，耐热等）二、合金元素在钢中的分布及作用在平衡状态中，合金元素在钢中存在形式和分布主要有以下五种：(1)形成合金铁素体，非碳化物形成元素,Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等。。(2)形成合金碳化物，碳化物形成元素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。Cr23C6、Cr7C3、Fe3CTiC、VC、W2C、Mo2C等。三、合金元素对铁碳系平衡相图的影响铁碳合金中加入合金元素后，使奥氏体转变温度和共析点位置发生变化。（A1、A3、Acm、S、E）线下降，使S、E点左下移，并使A区域扩大。当大量加入这类元素，可在室温获得A组织，如奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti。①扩大奥氏体区的元素Mn、Ni、N等加入，使铁碳相图上的A1、A3锰对奥氏体相区的影响②缩小奥氏体区域Cr、W、Mo、Si、V、Ti等元素使A1和A3温度升高，使S点、E点向左上方移动。使奥氏体区存在范围缩小至完全消失。当Cr＞13%时，在室温下得到单相铁素体，称为铁素体钢。如0Cr13等。铬对奥氏体相区的影响四、合金元素对加热转变的影响(1)对奥氏体形成速度的影响大多数合金元素会减缓奥氏体化过程。而Co、Ni等元素会使奥氏体的形成速度加快。另外，Al、Si、Mn对奥氏体的形成速度影响不大。⑵对奥氏体晶粒长大倾向的影响：1）碳、氮化物形成元素阻碍奥氏体晶粒长大。2）非碳化物形成元素Co、Si、Ni作用较弱3）Mn、P促进长大。五.合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响对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为Mn、Si、Cr、Ni、B。对Ms、Mf点的影响：除Co、Al外,所有元素都使Ms、Mf点下降。六.对回火转变的影响⑴提高钢的回火稳定性：•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。⑵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。⑶合金元素对回火脆性的影响•第一类回火脆性无法消除，但可以通过加入Si使其发生的温度区移向较高温度。•加W、Mo可防止第二类回火脆性。高速钢七、合金元素对钢的性能的影响：1、合金元素对钢的强度的影响：（1）强化机制：强化就是使强度增高的现象，指对塑性变形的抗力。塑变→由位错运动引起→阻碍位错运动→强化。阻碍位错运动障碍溶质原子—固溶强化晶界—细晶强化第二相粒子—第二相强化位错—位错强化。（2）钢的强化：淬火十回火钢淬火形成马氏体。马氏体强化充分而合理地利用全部四种强化机制。①固溶强化：M中溶有过饱和的碳和合金元素。②位错强化：马氏体形成时，产生高密度位错。③细晶强化：A转化为M时，形成许多极细小的，取向不同的M束，产生细晶强化效应。④析出强化：回火时析出细碳化物粒子。加入合金元素的作用：①提高淬透性。在完全获得M的条件下，碳钢和合金钢强度水平是一样的。②提高钢的回火稳定性。③产生二次硬化。2、合金元素对钢的韧性的影响。（1）韧性的概念：韧性是指材料对断裂的抗力。实际金属有三种解理断裂——特定晶面断开韧窝断裂——以第二相粒子或夹杂物为中心形成孔洞，然后形成、长大、汇合→断裂沿晶断裂——由晶界产生，沿晶界断裂。（2）提高钢韧性的途径：①细化晶粒。（细晶强化）加入少量Ti、V、Nb、AL等元素，形成TiC、VC、NbC、ALN等细小稳定的化合物粒子、阻碍A晶粒长大。②Ni等某些合金元素置换于F中，可以改善基体的韧性。③利用回火稳定性的提高。回火温度的提高，充分降低间隙固溶程度和位错密度。更多减轻其脆化作用。④细化碳化物。（析出强化对韧性影响较小）⑤控制非金属夹杂和杂质元素。八、合金元素对钢的工艺性能的影响：（1）铸造性能：许多元素如Cr、Mo、V、Ti、AL等，使铸造性能恶化。在钢中形成高熔点碳化物或氧化物质点，增大钢液粘度，降低其流动性。（2）塑性加工性能：热加工和冷加工。合金钢的锻造性能比碳钢差的多。（3）焊接性能：指金属可焊性和焊接区的使用性能。合金元素含量愈高，焊接性能愈差。（4）切削性能：金属被切削的难易程度和加工表面的质量。一般，合金钢的切削性能比碳钢差。易切削钢→专用→加入元素S。（5）热处理工艺性能：热处理难易程度和产生缺陷的倾向。主要包括淬透性、变形和开裂倾向等。合金的淬透性高使淬火操作较容易，并且减少工作变形和工裂的倾向。•工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。•碳素钢是指含碳量在0.0218%~2.11%的铁碳合金。•合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。第二节工业用钢合金元素在钢中作用细化A晶粒Ti、V、Nb、Zr、Al提高淬透性除Co以外，如Mn、Cr、W、Mo提高回火抗力Cr、W、Mo、V固溶强化Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W第二相强化Mn、Cr、Mo、W扩大A相Ni、Mn、Cu、N扩大F相Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al形成致密氧化膜Si、Al、Ni、Cr、W、Mo、Ti（一）钢的新分类方法一、钢的分类及编号钢非合金钢低合金钢合金钢普通质量非合金钢优质非合金钢特殊质量非合金钢普通质量低合金钢优质低合金钢特殊质量低合金钢优质合金钢特殊质量合金钢1、按用途分类工程用钢建筑、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（二）钢的通常分类2、按化学成分分类中碳钢0.25~0.6%C高碳钢0.6%C低碳钢0.25%C低合金钢合金元素总量5%中合金钢合金元素总量5~10%高合金钢合金元素总量10%碳素钢合金钢钢类碳素钢合金钢PSPS普通质量钢≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045优质钢≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高级优质钢≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025特级优质钢≤0.025≤0.020≤0.025≤0.0153、按质量分类•钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。•分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢.•根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：4、按冶炼方法分类平炉炼钢平炉钢转炉钢电炉钢按炉别分珠光体钢贝氏体钢马氏体钢铁素体钢奥氏体钢莱氏体钢按正火组织分亚共析钢共析钢过共析钢按退火组织分5、按金相组织分类6、按所含主要合金元素铬钢铬镍钢锰钢硅锰钢齿轮刀具（三）钢的编号•我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。1、普通碳素结构钢•Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号•Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa；•质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。脱氧方法符号:沸腾钢—F；镇静钢—Z；半镇静钢—b；特殊镇静钢—TZ。如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。钢板•低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱氧方法的符号。如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）和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。*说明：通常情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。热连轧钢板齿轮加工方钢2、优质碳素结构钢•牌号用两位数字表示。•这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。•如45钢—平均含碳量为万分之四十五（即0.45%）的优质碳素结构钢。3.碳素工具钢•T+数字•T表示“碳素工具钢”；•数字表示平均含碳量的千分之几.•如T8—其平均含碳量为千分之八(0.8%C)。•*说明：碳素工具钢都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后加“A”，如T8A。丝锥锉刀4.合金结构钢类钢的牌号由“数字+元素+数字”三部分组成。•前两位数字表示平均碳含量的万分之几•合金元素以汉字或化学元素符号表示•合金元素后面的数字表示该元素的近似含量，单位是百分之几（小于1.5%的不标出，1.5-2.49%→2，2.5-3.49%→3以此类推））例如40Cr（或40铬），就是ωC0.37～4.0％，ωCr0.8～1.1％Cr的铬钢。5.合金工具钢含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+……•当含碳量小于1.00%时，含碳量用一位数字标明，这一位数字表示平均含碳量的千分之几，如9SiCr•当含碳量大于1.00%时，不标含碳量。CrWMn注：高速钢不标含碳量，如W6Mo5Cr4V2(含0.85%C).**含铬量小于1%时，在含铬量(以千分之一为单位)前加数字“0”，如Cr06。铣刀6、滚动轴承钢G+Cr+铬含量(不标含碳量)•“G”表示“滚动轴承钢”。*铬含量以千分之一为单位.•如“GCr15”的平均含铬量为1.5%。注意：渗碳轴承钢牌号的表示方法与合金结构钢相同，仅在牌号头部加字母“G”，如“G20CrNiMo”。7、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。8、铸钢•ZG+两位数字•ZG表示“铸钢”；•两位数字表示平均含碳量的万分之几,如ZG25.二、结构钢•对结构钢的性能要求为：•使用性能以强韧性为主。•工艺性能以可焊性、淬透性为主。铜陵长江公路大桥1、用途•常以热轧板、带、棒及型钢使用，用量约占钢材总量的70%。•用于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。螺纹钢黄河小浪底枢纽工程（一）普通碳素结构钢2、成分特点及钢种：成分：0.4%C,P、S量及非金属夹杂较多.性能：可焊性、塑性好。热处理：不进行专门热处理，热轧空冷态下使用。使用状态下组织：F+P螺纹钢圆钢1、对低合金高强度钢的性能要求•⑴高强度。•⑵高韧性。•⑶良好的焊接性能和冷成型性能2、化学成分特点•⑴低碳：≤0.2%C.•⑵合金元素：主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等。（二）低合金高强度钢3、热处理特点：大多数热轧空冷后使用。少数可用正火+高温回火处理。4、钢种、牌号与用途：低合金高强钢合金元素细化晶粒作用①Mn的作用是强化铁素体；增加珠光体的量。②V、Ti、Nb等起细化晶粒和弥散强化作用。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。•Q345钢(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.南京长江大桥1、典型渗碳零件的工作