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1、重 点 合金钢的概念 合金元素在钢中的存在方式及影响 合金元素对铁碳相图的影响 合金钢的分类和牌号 典型合金钢的成分、性能、热处理，用途以及如何选用合金钢。,第七章 合金钢,2、合金钢与碳钢相比：,1、概念：合金钢是在碳钢基础上，为了改善钢的组织与性能，在冶炼时有意识地加入一种或数种合金元素的钢。,淬透性好。 高强度，高屈强比 具有特殊性能，如耐高温、耐腐蚀，高耐 磨性等。 高回火稳定性,钨（W）,钼（Mo）,钒（V）,锰（Mn）,硅（Si）,铬（Cr）,钛（Ti）,铌（Nb）,锆（Zr）,镍（Ni）,合金钢中常用的合金元素,稀土 RE,非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等
2、。 碳化物形成元素：Zr、Nb、Ti、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe等。,第一节 合金元素在钢中的作用,一、合金元素对钢中基本相的影响,1.形成合金铁素体,2.形成碳化物,(a)对硬度的影响 (b)对冲击韧性的影响 合金元素对铁素体性能的影响（退火状态）,固溶强化,奥氏体相区扩大元素：C、N、Co、Ni、Mn、Cu等元素的加入都会使奥氏体相区扩大，特别以Ni、Mn的影响更大。1Cr18Ni9Ti钢，由于Ni元素含量高，使其成为奥氏体不锈钢。 奥氏体相区缩小元素，铁素体形成元素：Cr、Mo等元素的加入都会使奥氏体相区缩小，相区缩小，可得到单一的铁素体钢。如0Cr13钢。,二、合金元素对铁碳合金相
3、图的影响,1. 对奥氏体相区的影响 合金元素会使奥氏体的单相区扩大或缩小。,奥氏体相区扩大元素：使A1降低。 奥氏体相区缩小元素：使A1升高。,2.对共析温度的影响,3.对共析点（S）位置的影响,1、对钢在加热时奥氏体化的影响,三、合金元素对钢的热处理影响,（1）基本过程：形核 长大 碳化物的溶解 均匀化 （2）非碳化物形成元素（ Co、Ni、），增加碳的扩散，加速奥氏体化， （少部分） （3）碳化物形成元素（ Cr、Mo、V ），？（大多数）大部分抑制分解 （4） 对奥氏体化工艺的影响 （5）阻碍奥氏体晶粒长大,导热性能差,2、对奥氏体分解过程的影响,非碳化物形成元素除Co外，右移，不改变形
4、状 碳化物形成元素，右移，改变形状 合金元素对钢冷却转变临界温度的影响，除Co、Al以外的所有合金元素都使Ms线下移,（1）提高钢的回火稳定性 淬火钢在回火时，抵抗软化的能力称为钢的回火稳定性。,3、对回火的影响,（2）产生二次硬化,当含W、Mo、V、Ti量较高的淬火钢，在500600回火时，其 硬度并不降低，反而升高，回火时硬度升高的现象称为二次硬化。,析出细小、弥散、稳定的特殊碳化物,（3）回火脆性,无法消除，与冷却速度无关， 是包括碳钢及所有钢材共有现象。,合金钢淬火回火时，钢的韧性显著下降的现象 称为回火脆性。,第一类回火脆性：,第二类回火脆性：,可以消除，与冷却速度有关，消除方法：
5、1）高温回火后，把零件放在水中快速冷却。 2）钢中加入可降低回火脆性倾向的元素Mo、 W，如40CrNiMo,合金钢的回火 脆性示意图,第二节 合金钢的分类和牌号,合金结构钢,合金工具钢,特殊性能钢,按用途分类,用于制造机械零件和工程结构的钢,用于制造各种工具的钢,具有某种特殊物理、化学性能的钢、耐热钢、耐磨钢,一、分类,重点 分类和 命名,低合金钢,中合金钢,高合金钢,合金元素总含量5%。,合金元素总含量5%10%,合金元素总含量10%。,二、合金钢的牌号,1、合金结构钢的牌号,采用两位数字（碳含量）+元素符号（或汉字）+数字表示,例如：40Cr钢为合金结构钢，60Si2Mn钢为合金结构钢，
6、,40Cr,C：0.4%,Cr：1.5%,60Si2Mn,C：0.6%,Mn：1.5%,Si：2%,万分之几,百分之几，滚动轴承钢例外，千分之几,2、合金工具钢的牌号,合金工具钢的牌号和合金结构钢的区别：仅在于碳含量的表示方法，它用一位数字表示平均含碳量的千分数，当碳含量大于等于1.0%时，则不予标出。,如9SiCr钢为合金工具钢，平均含碳量为0.90%，主要合金元素为硅、铬，含量均小于1.5%。,9SiCr,C：0.9%,Si、Cr：1.5%,采用一位数字（碳含量）+元素符号（或汉字）+数字表示,Cr12MoV钢为合金工具钢，平均含碳量大于等于1.0%，主要合金元素铬的平均含量为12%，钼和
7、钒的含量均小于1.5%。,特例： 高速钢平均含碳量小于1.0%时，其含碳量也不予标出，如W18Cr4V钢平均含碳量为0.7%0.8%。,Cr12MoV,C：1%，不标出,Cr：12% Mo、V: 1.5%,W18Cr4V,C：1%，也不标出,W：18%，Cr：4% V: 1.5%,3、特殊性能钢的牌号,特殊性能钢的牌号和合金工具钢的表示方法相同 当含碳量为0.03%0.10%时，含碳量用0表示，如0Cr18Ni9钢的平均含碳量为0.03%0.10%； 当含碳量小于等于0.03%时，用00表示。如00Cr30Mo2钢的平均含碳量小于0.03%。,为表示钢的用途，在钢的牌号前面冠以汉语拼音字母字头
8、，而不标含碳量，合金元素含量的标注也和上述有所不同。 例如滚动轴承钢前面标“G”（“滚”字的汉语拼音字母字头），如GCr15。 注意牌号中铬元素后面的数字是表示含铬量千分数，其他元素仍按百分数表示，如GCr15SiMn表示含铬量为1.5%，硅、锰含量均小于1.5%的滚动轴承钢。,比较：GCr15、2Cr13及Cr12MoV,特殊专用钢,第三节 合金结构钢,用途不同,低合金 结构钢,机器用钢,建筑工程 桥梁工程 船舶车辆,主要用于制造各种零件,按用途和热处理特点有可分为： 渗碳钢 调质钢 弹簧钢 滚动轴承钢,高强高韧 高塑性,一、低合金结构钢,定义：低合金结构钢是在碳钢的基础上，加入少 量的合金
9、元素（一般合金元素总量小于3%）的 工程用钢。,低合金高强 度结构钢,低合金耐候钢,低合金专业用钢,按使用性能,含碳量：较低（一般在0.10%0.25%范围内）。 合金元素：主要是锰、硅、钒、铌和钛等。 锰和硅的主要作用是对铁素体起固溶强化的作用，以提高钢的强度 钒、钛和铌等元素的主要作用是细化晶粒，提高钢的韧性。 这类钢比相同含碳量的碳素结构钢的强度要高得多，且有良好的塑性、韧性、耐蚀性和焊接性。 用途：广泛用来制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、压力容器、起重机械等钢结构件。,1.低合金高强度结构钢,耐候钢即耐大气腐蚀钢，是在低碳钢的基础上加入少量的合金元素，如铜、磷、铬、镍、钼、钛、钒等合金元素
10、，使其在金属表面形成保护层，以提高钢材的耐腐蚀性。 耐候钢又分为焊接结构用耐候钢和高耐候性结构钢两类。前一类钢具有良好的焊接性能，适用于桥梁、建筑及其他要求高耐候性的钢结构。,低合金钢筋钢 铁道用低合金钢 矿用低合金钢 汽车用低合金钢,3低合金专业用钢,2低合金耐候钢,一渗碳钢,性能特点：表面具有高硬度、高耐磨性，而心部要有高韧性和足够的强度。为满足这种性能要求，常常采用低碳钢或低碳合金钢进行表面渗碳后经淬火和回火处理，称这类钢为渗碳钢。 用途：汽车、拖拉机的变速齿轮、内燃机的凸轮等,凸轮,齿轮,二、机器用钢,低碳，在0.10.25%之间，可保证渗碳零件的心部具有足够的韧性和塑性。,含碳量,合
11、金 元素,主要有Cr、Ni、Mn和B等。它们不仅可提高淬透性、改善心部性能，同时还可提高渗碳层性能（强度和韧性）。其中以Ni的作用最好。 为了细化晶粒，还加入少量阻止奥氏体晶粒长大的强碳化物形成元素Ti、V、Mo等。它们形成的碳化物在高温渗碳时不溶解，有效地抑制渗碳时的过热现象,（一）化学成分,（二）热处理特点,渗碳 + 淬火再低温回火,目的：表层碳浓度为0.851.0%,表层组织由合金渗碳体、回火马氏体及少量残余奥氏体组成，硬度可达HRC6062左右。,心部的组织：屈氏体，硬度HRC2540、冲击韧性k60J/cm2。,（三）常用的合金渗碳钢,按淬透性的高低分,低淬透性钢,高淬透性渗碳钢,1
12、5Cr、20Cr-小齿轮,18Cr2Ni4W-大齿轮,中淬透性钢,20CrMnTi、20CrMnMo-汽车、拖拉机变速箱齿轮,正火作为预备热处理其目的是改善锻造组织；调整硬度（HB170 210）便于机加工，正火后的组织为索氏体+铁素体。,齿轮技术要求： 渗碳层深度：1.01.5mm 表层碳浓度为0.851.0% 齿表硬度HRC5560左右。 心部硬度HRC3045。 选用材料：20CrMnTi。,齿轮的生产工艺路线如下： 下料锻造正火加工齿形渗碳预冷淬火低温回火喷丸精磨。,渗碳目的：增加表面含C量 最终热处理为滲碳后预冷到840直接淬火+低温回火，预冷的目的在于减少淬火变形，同时在预冷过程中
13、，滲层中可以析出二次滲碳体，在淬火后减少了残余奥氏体量。 最终热处理组织：由表面往心部依次为回火马氏体+颗粒状碳化物+残余奥氏体； 而心部的组织分为两种情况，在淬透时为低碳马氏体+铁素体；未淬透时为索氏体+铁素体。 喷丸目的：去氧化皮；增加表面压应力，提高疲劳强度。,20CrMnTi钢经上述处理后表面可获得高耐磨性层，心部有较高的强度和良好的韧性。 用途：制造承受高速中载并且抗冲击和耐磨损的零件。如汽车、拖拉机的后桥和变速箱齿轮、离合器轴、伞齿轮和一些重要的轴类零件。,用途：制造各种重要的机器零件，如齿轮、连杆、轴及螺栓等。,二、合金调质钢,调质钢是指经调质处理后使用的结构钢，大多数采用中碳钢
14、，经过调质处理后钢的组织为回火索氏体，具有良好的综合机械性能，即强度高、塑性和韧性好。,中碳：0.25%0.50%，含碳量过低，硬度不足。含碳量过高，则韧性不足。,含碳量,合金元素,常加入少量铬、锰、硅、镍、硼等合金元素以增加钢的淬透性、使铁素体强化并提高韧性。 加入少量钼、钒、钨、钛等碳化物形成元素，可阻止奥氏体晶粒长大和提高钢的回火稳定性，以进一步改善钢的性能。,40Cr钢是最常用的合金调质钢，其强度比40钢提高了20%。 与合金调质钢相比，碳素调质钢（40钢、45钢）只适于制造强度不太高、截面尺寸不大的零件。,典型钢种,（一）化学成分,合金调质钢的热处理工艺是：调质（淬火后高温回火）。
15、组织：回火索氏体。 性能：使零件具有良好的综合力学性能。若要求零件表面有很高的耐磨性，可在调质后再进行表面淬火或化学热处理。,淬火+ 高温回火（调质）,组织：回火索氏体,使零件具有良好的综合力学性能,(二)热处理特点,如制造汽车螺栓： 性能要求： b 900N/mm2， s700N/mm2，512%,50%，k80J/cm2，HB=300341. 选用材料：42CrMo钢。 工艺路线如下： 下料锻造正火机械加工（粗加工）调质机械加工（精加工）喷丸。 正火目的：是为了改善锻造组织，细化晶粒，降低硬度以利于切削加工，并为调质处理做组织准备。,调质目的：得到回火索氏体。 调质工艺如图，经880油淬后
16、得到马氏体组织，570回火后其组织为回火索氏体。可满足性能要求。,弹簧钢是制造各种弹性零件的主要材料，特别是制造各种机器，仪表中的弹簧。 工作条件：弹簧主要是利用弹性变形来储存能量和缓和震动。弹簧一般是在动载荷下工作的受到反复弯曲或拉、压应力。 性能要求： (1)较高的弹性极限 (2)疲劳强度 (3)足够的塑性、韧性 (4)良好的表面质量 (5) 有良好的淬透性及较低的脱碳敏感性。 用途：制造各种弹性零件：如弹簧、板簧。,三弹簧钢,中高C：碳素弹簧钢的含碳量为0.60.85%，如65、70、75钢等，其淬透性差，只适于制造小截面的弹簧，直径一般小于1215mm。大截面弹簧一般选用合金弹簧钢。 合金弹簧钢含碳量在0.450.7%之间。,含碳量,合金元素,主加元素Si,Mn：提高淬透性，提高屈强
