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1、材料科学与工程学院教案用纸课程章节名称项目六 合金钢教学目的、要求掌握合金元素在钢中的作用。掌握合金钢的分类和牌号。掌握合金结构钢的分类。掌握合金工具钢的种类及应用。掌握特殊性能钢的种类及应用。重点难点1.合金钢的牌号2.合金结构钢3.合金工具钢4.特殊性能钢教学环节时间分配3课时教学手段、教学方法和实施步骤多媒体授课内容:一、 合金元素在钢中的作用：1)、形成合金铁素体：合金元素溶入钢中的铁素体形成合金铁素体。此时，合金元素的直接作用是固溶强化。合金元素溶入铁素体后，产生固溶强化作用，使其强度硬度提高，其中Si、Mn的强化作用十分显著。2)、形成合金碳化物：锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等与
2、碳的亲和力较强，在钢中能形成碳化物。一般认为，钛、锆、铌、钒是强碳化物形成元素;铬、钼、钨为中碳化合物形成元素;锰、铁是弱碳化物形成元素。当加入到钢中的合金元素，除溶入铁素体外，还进入渗碳体，形成合金渗碳体，如锰和铬;当碳化物形成元素超过一定量后，将形成自己的碳化物，即特殊碳化物，如钒、铌和钛。碳化物是钢中的重要组成相之一，其类型、数量、形态及分布对钢的性能有着重要的影响。二、 合金钢的牌号：1)、合金结构钢：合金结构钢牌号的表示方法为两位数字+元素符号+数字。两位数字表示钢的平均碳的质量分数的万分数，元素符号表明钢中含有的主要合金元素，后面的数字表示该元素的质量分数。合金元素小于1.5%时不
3、标，平均质量分数为1.5%2.5%，2.5%3.5%时，则在相应地标以2，3如40Cr表示平均wc=0.40%，主要合金元素为铬，其质量分数在1.5%以下;又如60Si2Mn表示平均wc=0.60%，主要合金元素锰的质量分数小于1.5%，硅的平均质量分数为2%。合金钢如果是高级优质钢，在牌号后加“A”字，如18Cr2Ni4WA，如果为特级优质钢，则在牌号后面加“E”字。2)、滚动轴承钢：滚动轴承钢的牌号的表示方法是在牌号前面加“G”（“滚”字汉语拼音字首），钢中碳的质量分数不标出，合金元素铬后面的数字表示铬平均含量的千分之几。GCr15钢中铬的平均质量分数为wCr=1.50%。3)、合金工具钢
4、：合金工具钢的牌号为一位数字+元素符号+数字。一位数字表示钢的平均碳的质量分数的千分数，元素符号表明钢中含有的主要合金元素，后面的数字表示该元素的质量分数。碳的质量分数大于1%则不予标出。如9SiCr表示平均wc=0.9%，主要合金元素硅、铬的质量分数均小于1.5%;又如Cr12MoV表示平均wc1.0%，主要合金元素铬的质量分数为12%，钼和钒的质量分数均小于1.5%。合金工具钢一般都为高级优质钢，因此其牌号后不标“A”。4)、高速钢：高速钢的牌号表示方法与合金工具钢的表示方法略有不同。高速钢中碳的质量分数小于1.0%时不予标出，如W18Cr4V表示平均wc1.0%，主要合金元素钨的质量分数
5、为18%，铬的质量分数为4%，钒的质量分数小于1.5%。5)、特殊性能钢：特殊性能钢的牌号和合金工具钢的表示方法基本相同。在特殊性能钢中当碳的质量分数平均小于0.03%时，在牌号前用“00”表示，当钢中碳的质量分数平均为0.03%0.08%时，在牌号前用“0”表示。例如00Cr17Ni14Mo2钢中碳的平均质量分数wc0.03%、铬的质量分数为wCr=17%、镍的质量分数为wNi=14%，钼的质量分数为wMo=2%;0Cr19Ni9钢中碳的平均质量分数wc0.08%、铬的质量分数为wCr=19%、镍的质量分数为wNi= 9%。三、合金结构钢的分类：1)、低合金高强度结构钢:低合金结构钢的含碳量
6、较低，一般控制在wc=0.1%0.2%，并以锰为主加元素（wMn= 0.8%1.8%），硅的含量较普通的碳素结构钢为高（wSi=0.2%0.6%）。为改善钢的性能，A、B级钢可加入V或Nb或Ti等细化晶粒元素。如果不作为合金元素加入时，其含量下限不受限制。主要性能特点是高的屈服强度与良好的塑性和韧性、良好的焊接性能、较好的耐蚀性。2)、合金渗碳钢;渗碳钢主要用于制造要求高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷的重要零件，如汽车、拖拉机的变速齿轮，内燃机上凸轮轴、活塞销等。合金渗碳钢表面具有高 硬度和高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧;具有良好的热处理工艺性能，如高的淬透性和渗碳能力，在高
7、的渗碳温度下，奥氏体晶粒长大倾向小以便于渗碳后直接淬火。 3)、合金调质钢：合金调质钢的wc=0.25%0.50%。碳的质量分数过低，则淬硬性不足而使钢的强度、硬度过低;碳的质量分数过高，则塑性、韧性不够。调质零件的力学性能与淬透性密切相关，零件尺寸较大时，合金调质钢的性能水平将大大优于非合金钢。钢中加入的合金元素有锰、硅、铬、镍、硼、钒、钼、钨等，主要是为了提高淬透性。其中锰、铬、镍、硅等还能强化铁素体;钼、钨、钒等碳化物形成元素，可细化晶粒，提高耐回火性;钼、钨能防止第二类回火脆性。4)、合金弹簧钢：一般碳素弹簧钢的wc=0.6%0.9%，以保证得到较高的疲劳极限和屈服点。由于合金元素的加
8、入，使共析点左移，故合金弹簧钢的碳质量分数一般为wc=0.45%0.7%。在合金弹簧钢加入锰、硅、铬、钒、钼等合金元素，主要目的是提高钢的淬透性，使回火后沿整个截面获得均匀的回火屈氏体，当然也使钢的铁素体得到强化。因而提高了钢的力学性能。5)、滚动轴承钢：常用的轴承钢是高碳低铬钢，碳的质量分数为0.95%1.15%，以保证轴承钢具有高强度、硬度，并形成足够的合金碳化物以提高耐磨性。 铬的质量分数为0.40%1.65%。加入铬是为了提高淬透性，并在热处理后形成细小均匀分布的合金渗碳体，提高钢的硬度、接触疲劳强度。如果含铬过多，会增加淬火后的残余奥氏体量，并使碳化物分布不均匀。制造大尺寸轴承时，为
9、进一步提高其淬透性，可加硅、锰等元素。 三、 合金工具钢1)、低合金刃具钢：低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量的合金元素的钢。钢中主要加入铬、锰、硅等合金元素，目的是提高钢的淬透性和回火稳定性，保持高的硬度。加入少量的钨、钒是为了提高钢的硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持晶粒细小。9SiCr由于加入铬和硅，使其有高的淬透性及回火稳定性，碳化物小而均匀，热硬度可达250 以上，适用于制作刀刃细薄的低速切削刀具。如丝锥、板牙、铰刀等。CrWMn钢的碳的质量分数为0.90%1.05%，铬、钨、锰同时加入，使钢具有更高的 硬度和耐磨性，但热硬性不如9SiCr。主要用来制造较精密的低速刀具，如
10、长铰刀、拉刀等。2)、高速钢：高速钢一般含碳量为0.70%1.65%，以保证足够的碳与各种碳化物形成元素相配合形成碳化物，淬火加热时部分碳化物溶于奥氏体，保证了马氏体的高硬度，另一部分未溶碳化物则可阻碍奥氏体晶粒长大。高速工具钢常加入的合金元素有W、Mo、Cr、V、Co等合金元素。钨和钼是高速钢回火时产生二次硬化最基本的合金元素。钨和钼作用相似，Mo的原子量约为W的一半，一般可用1%Mo取代2%W。钨在高速钢中形成很稳定的合金碳化物 （Fe4W2C），它在淬火时部分固溶，回火时又以W2C碳化物弥散析出，使钢强化，提高硬度和耐磨性，剩下未溶的Fe4W2C碳化物（主要来自共晶碳化物）可阻止淬火加热
11、时的晶粒长大和增加耐磨性。3)、冷作模具钢：冷作模具钢的化学成分与低合金刃具钢和高速工具钢相似具有较高的碳的质量分数，一般碳的质量分数在1.0%以上。冷作模具钢常加入Cr、Mo、W、V等合金元素，形成难溶碳化物，以提高钢的硬度和耐磨性。如常用冷作模具钢Cr12、Cr12MoV，含铬量高达11%13%。铬还可显著提高钢的淬透性。钼和钒除改善钢的淬透性和回火稳定性外，还起到细化晶粒、改善碳化物的不均匀性的作用。 对于要求不高的小型冷作模具，则大多采用碳素工具钢或低合金刃具钢。如T10A、T12、9CrSi、CrWMn和GCr15等。大型冷作模具钢Cr12、Cr12MoV一般采用高碳高铬钢制造，这类
12、钢具有高的硬度、强度和耐磨性。4)、热作模具钢：热作模具钢一般是中碳钢（含碳量wc=0.3%0.6%），以保证在回火后获得较高的强度和韧性。钢中加入的合金元素为铬、镍、锰、钨、钼、钒等。铬、镍、锰的主要作用是提高淬透性、强度和抗氧化性能;钼、钨、钒加入能产生二次硬化。5)、合金量具钢：合金量具钢是用于制造各种测量工具（如卡尺、块规、千分尺、卡规、塞规、样板等）所使用的合金钢。为了保证量具的精确性，要求量具有高的硬度和耐磨性，同时还必须有高的尺寸稳定性。量具钢的热处理方法与刃具钢相似，进行球化退火，淬火后低温回火。为了获得较高的硬度和耐磨性，回火温度可低些。量具热处理的主要问题是要保证量具在使用
13、过程中的尺寸稳定性。四、 特殊性能钢：1)、不锈钢：不锈钢是不锈耐酸钢的简称，耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质或具有不锈性的钢种称为不锈钢;而将耐化学介质腐蚀（酸、碱、盐等化学侵蚀）的钢种称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异而使它们的耐蚀性不同，普通不锈钢一般不耐化学介质腐蚀，而耐酸钢则一般均具有不锈性。按化学成分可分为铬不锈钢、镍铬不锈钢、铬锰不锈钢等。按金相组织特点则可分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢及奥氏体铁素体不锈钢四种类型。 2)、抗氧化钢：一般钢铁在较高温度下（650 以上），表面容易氧化，主要是由于在高温下生成松脆多孔的FeO较易剥落。氧原子容易通过FeO进行扩散，使钢
14、的内部能继续进行氧化，最终导致零件破坏。 抗氧化钢中加入合金元素铬、硅、铝等，它们与氧更容易反应，故优先被氧化，形成一层牢固的在钢表面覆盖的致密的、高熔点氧化膜（氧化铬、二氧化硅、氧化铝），可隔绝金属与外界高温氧化性气体，从而避免金属被进一步氧化。3)、热强钢：金属在高温下的强度有两个特点:一是随着温度的升高，金属原子间的结合力减弱和强度下降;二是在再结晶温度以上，即使该温度下金属的弹性极限超过了金属受的应力，塑性变形也会慢慢地进行，而且变形量随着时间的延长而增加，最后就会造成不可逆的金属破坏。这种现象称为蠕变。产生蠕变的原因是:在高温下金属原子扩散能力增大，使那些在低温下起强化作用的因素逐渐
15、减弱或消失。例如，可促使回复与再结晶，使加工硬化效果减弱或消失;促使过饱和固溶体（如马氏体）发生分解及弥散的硬化质点聚集，使淬火硬化效果减弱或消失等。所有这些过程都导致金属逐渐软化而产生蠕变。显然，其过程与温度、时间有关。4)、耐磨钢：高锰钢的主要成分为铁、碳和锰，wc=1.0%1.5%，wMn=11%14%，典型牌号是ZGMn13。高碳含量可以提高耐磨性;锰含量很高，可以保证热处理后得到单相奥氏体组织。通常锰碳比（Mn/C）控制在911。对于耐磨性要求较高、冲击韧性要求稍低、形状不复杂的零件，锰碳比取下限（wc=1.2%1.3%、wMn=11%14%）;反之，则取上限（wc= 0.9%1.1%、wMn=10%13%）。课堂讨论钢的退火、正火、淬火、回火课外思考、练习及作业题课后习题
