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1、工程材料,授课教师：,第七章 合金钢 概 论,随着科学技术和工业的发展，对材料提出了更高的要求，如更高的强度，抗高温、高压、低温，耐腐蚀、磨损以及其它特殊物理、化学性能的要求，碳钢已不能完全满足要求。 碳钢的在性能上主要有以下几方面的不足： (1) 淬透性低 通常，碳钢水淬最大淬透直径只有10 mm20 mm。 (2) 强度和屈强比较低 如普通碳钢Q235钢的s为235 MPa，而低合金结构钢Q345（16Mn）的s则为360 MPa以上。40钢的s /b仅为0.43, 而合金钢35CrNi3Mo的s /b高达0.74。 (3) 回火稳定性差 碳钢在进行调质处理时，为了保证较高的强度需采用较低
2、的回火温度，这样钢的韧性就偏低；为了保证较好的韧性，采用高的回火温度时强度又偏低，所以碳钢的综合机械性能水平不高。 (4) 不能满足特殊性能的要求 碳钢在抗氧化、耐蚀、耐热、耐低温、耐磨损以及特殊电磁性等方面往往较差，不能满足特殊使用性能的需求。为了提高钢的性能，在铁碳合金中特意加入合金元素。所获得的钢种，称为合金钢。 老师提示 碳钢不能完全满足科学技术和工业的发展要求。 为了提高钢的性能，在铁碳合金中特意加入合金元素。所获得的钢种，称为合金钢。,第一节 合金元素在钢中的作用,合金元素,一、 合金元素对钢中基本相的影响,1. 溶于铁 合金元素除Pb外，都可溶于铁，形成合金铁素体或合金奥氏体。,
3、扩大相区的元素：Mn、Ni、Co、C、N、Cu等,缩小相区的元素：Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等,Cr7% A3点,图 扩大相区的相图,图 缩小相区的相图,完全扩大,部分扩大,完全封闭,部分缩小,2. 形成碳化物,非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B,碳化物形成元素：Mn、Cr、W、V、Nb、Zr、Ti,二、 合金元素对铁碳相图的影响,1.对奥氏体和铁素体存在范围的影响,扩大相区的元素均扩大奥氏体存在范围。 如Ni、Mn含量较多时，可使钢在室温下得到单相奥氏体组织。1Cr18Ni9Ti、ZGMn13,缩小相区的元素均缩小奥氏体存在范围。 ，其中完全封闭
4、相区的元素(如Cr、Ti、Si等) 超过一定含量后，可使钢在室温下得到单相铁素体组织。1Cr17Ti,2.对共析点S和共晶点C的影响,扩大相区的元素使共析点S下降，缩小相区的元素使共析点S上升。,所有合金元素都使共析点S碳质量分数下降(即左移)。,对于共晶点也有类似的规律。,三、 合金元素对钢的热处理的影响,1.合金元素对加热时组织的影响,减慢：Cr、Mo、W、V等阻碍碳的扩散 加快：Co、Ni等增大碳的扩散 影响不大：Al、Si、Mn等,(2)对奥氏体晶粒大小的影响,(1) 对奥氏体形成速度的影响,大多数金属都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。碳化物形成元素最明显。,强烈阻碍奥氏体晶粒长大的元素：
5、V、Ti等 中等阻碍奥氏体晶粒长大的元素：W、Mo、Cr 对奥氏体晶粒长大影响不大的元素：Si、Ni、Cu 促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P,2.合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响,除Co以外，几乎所有的合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性，推迟珠光体类型组织的转变，使C曲线右移，即提高钢的淬透性。,除Co、Al外，多数合金元素都使Ms、Mf点下降C曲线右移，即提高钢的淬透性。,图 合金元素对碳钢C曲线的影响,3.合金元素对回火转变的影响,(1)提高回火稳定性 淬火钢在回火时，抵抗强度、硬度下降的能力称为回火稳定性。 提高回火稳定性作用较强的合金元素有： V、Si、Mo、W、Ni、Co等,(2)
6、产生二次硬化 一些Mo、W、V质量分数较高的高合金钢回火时硬度不是随回火温度升高而单调降低，而是到某一温度(约400)反而开始增大，并在另一更高温度(一般为550 左右)达到最高峰，这是回火过程的二次硬化现象。,原因 残余奥氏体的转变：二次硬化也可以由回火时冷却过程中残余奥氏体转变为马氏体的二次淬火引起。,原因 沉淀硬化: 当回火温度低于 450 时，钢中析出渗碳体，在 450 以上渗碳体溶解，钢中开始析出弥散稳定的难溶碳化物，使硬度重新升高。 550 左右出现峰值。,回火脆性：钢回火时，在某一温度段，脆性增加，冲击韧性明显下降的现象。,第一类回火脆性： 250 400 间产生的回火脆性，无法
7、消除，只能避开。,第二类回火脆性： 450 600 间产生的回火脆性。在含Mn、Cr、Ni等元素的合金钢中易发生。 产生的原因：某些杂质元素以及合金元素本身在原奥氏体晶界上的严重偏聚有关。 如何防止：回火后快冷 加入Mo、W,(3)增大回火脆性,四、 合金元素对钢的机械性能的影响,固溶强化,弥散和沉淀强化,位错强化,细晶强化,欲提高强度，设法增大位错运动的阻力，合金中能有效阻止位错运动的障碍有四种，因而强化机制也有四种。,例：为什么说得到马氏体随后回火处理是钢的最经济又最有效的强韧化方法？,答：淬火形成马氏体时，马氏体中的位错密度增高，而屈服强度是和位错密度成正比的，马氏体形成，马氏体被分隔成
8、许多较小的、取向不同的区域（马氏体束），产生相当于晶粒细化的作用。马氏体中的合金元素也有固溶强化作用。 马氏体是过饱和固溶体，回火时析出碳化物使间隙固溶强化效应大大减小，但使韧性大大改善，同时析出的碳化物粒子能造成强烈的第二相强化。所以，获得马氏体并对其回火是钢的最经济最有效的综合强化方法。,第二节 合金钢的分类及编号,1.合金钢的分类,2.合金钢的编号,按用途分：结构钢、工具钢和特殊性能钢,总原则： 碳质量分数+合金元素符号+合金元素数量+质量级别,结构钢：碳质量分数万分之一，两位数表示。 工具钢、特殊性能钢：碳质量分数千分之一，一位数 表示。 工具钢的碳质量分数超过1%时，碳质量分数不标出
9、。,碳质量分数的表示：,标出主要合金元素，质量分数由其后面的数字标出，平均质量分数为：1.5%2.49%标2 2.5%3.49%标3 以此类推 若1.5%不标,合金元素及其质量分数的表示：,20CrMnTi,牌号：,1Cr18Ni9Ti,牌号：,专用钢用汉语拼音字首来表示。 少数特殊性能钢的编号例外。,特例1：滚珠轴承纲：GCr15：w(C)约为1.0% w(Cr)约为1.5%,特例2：易切削钢：Y40Mn: w(C)约为0.4% w(Mn)1.5%,特例3：高级优质钢在钢的末尾加“A”：20Cr2Ni4A,特例4：耐热钢：12Cr1MoV: w(C)约为0.12% w(Cr)约为0.1% w
10、(Mo) 1.5% w(V) 1.5%,1.低合金结构钢,第三节 合金结构钢,(4)常用钢种：例：16Mn (Q345),2. 合金渗碳钢,(4)常用钢种：例：20Cr、20CrMnTi,一般：渗碳后直接淬火，再低温回火。,(5)热处理和组织性能,例：汽车齿轮,(1)渗碳齿轮的工艺路线：下料锻造正火切削加工渗碳、淬火+低温回火喷丸磨削加工,汽车齿轮主要分装在变速箱和差速器中。 汽车齿轮受力较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等，均要求比机床齿轮高。 选材：合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi 回答以下问题： (1)工艺路线、热处理工艺参数 (2)分析组织与性能,时间,温
11、度,图 20CrMnTi制造齿轮热处理工艺图,最终热处理后的组织： 表面渗碳层的组织： 合金渗碳体+回火马氏体+少量残余奥氏体 硬度60HRC62HRC,心部组织： 完全淬透：回火马氏体 多数情况心部为：屈氏体+回火马氏体+少量铁素体 硬度：25HRC 40HRC;心部韧性一般高于700kJ/m2,正火的目的：提高硬度，改善切削性能,(2)组织与性能,3. 合金调质钢,(4)常用钢种,35CrMo、,W(C)=0.35%,主要元素Cr、Mo的质量分数均在1.5%以下。,40Cr、,40CrNiMo,Cr：提高淬透性 Ni：提高淬透性 Mo：提高淬透性、防止第二类回火脆性,各元素的作用：,牌号：
12、,(5)热处理和组织性能,注意：铬、镍钢高温回火时易产生回火脆性。 可以采用回火后快冷或加入W、Mo,热处理：调质处理（淬火+高温回火） 组织：回火索氏体。 性能：良好的综合机械性能。,55HRC,(1)工艺路线：锻造正火粗加工调质精加工表面淬火+低温回火磨削加工。,例：轴,轴硬度要求为220HB250HB；轴颈进行表面淬火，硬度要求为52 55HRC。选材：40Cr钢。 回答以下问题： (1)工艺路线、热处理工艺参数 (2)分析组织和性能,时间,温 度,空冷正火,Ac3+30-50,油冷淬火,高温回火,乳化液冷淬火,低温回火,600650 ,180200 ,图 40Cr制造车床主轴热处理工艺
13、图,正火： 组织为：F+S , 消除锻造时的应力、均匀化组织、 使坯料具有相同的硬度，便于切削。,调质（淬火+高温回火）： 组织为：回火S ,良好的综合机械性能。,表面淬火+低温回火： 组织为：表面为回火M,硬度较高，耐磨。 心部为回火S ,良好的综合机械性能。,原始组织：F+P,(2)组织与性能,4. 合金弹簧钢,(1)用途,主要用于制造各种弹簧和弹性元件。,60Si2Mn,W(C)=0.6%,W(Si)=2%左右、Mn的质量分数在1.5%以下。,Si、Mn：提高淬透性、提高屈强比。,各元素的作用：,牌号：,(4)常用钢种,(5)加工、热处理与性能,热成型弹簧 热处理：淬火+中温回火 组织：
14、回火屈氏体。 冷成型弹簧,图 弹簧种类,(1)工艺路线： 下料成型淬火+中温回火喷丸强化,例：汽车弹簧选材,汽车弹簧选材：60Si2Mn钢。 回答以下问题： (1)工艺路线、热处理工艺参数 (2)分析组织与性能,时间,温 度,图 60Si2Mn制造汽车弹簧的热处理工艺路线图,性能： 硬度：42HRC47HRC 屈服强度：1200MPa 冲击韧性：250kJ/m2300kJ/m2,(2)组织与性能,淬火后得到的组织为:M,中温回火后得到的组织为：回火T,5. 滚珠轴承钢,(1)用途,主要用于制造滚动轴承。,G Cr15,Cr：提高淬透性、提高的耐磨性，特别是疲劳强度。,元素的作用：,牌号：,(4
15、)常用钢种,锻造正火球化退火机械粗加工淬火+冷处理低温回火磨削加工低温时效,加工工艺过程：,(5)热处理及组织性能,主要为球化退火、淬火和低温回火,时间,温 度,图 GCr15热处理工艺曲线图,正 火,球化退火,正火：目的是细化组织并消除锻造缺陷,锻造后的组织为：索氏体+少量粒二次渗碳体， 硬度255 HB 340HB,球化退火：降低钢的硬度，以利于切削加工，获得球状珠光体，为零件的最终热处理作准备。,低温时效: 120130 多次，进一步稳定尺寸，消除磨削中的应力。,淬火：840，组织：M+碳化物,冷处理：-60-80，使残余A转变成M,为了稳定尺寸。,低温回火：150160 ，组织：回火M
16、+细小弥散的碳化物+A。,1.合金刃具钢,3.2.3合金工具钢,主要用于制造各种金属切削刀具。,(1)用途,低合金刃具钢 a.高碳 w(C)=0.9%1.1% b.加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素 Cr、Mn、Si：提高淬透性 Si：还提高回火稳定性 W、V：提高硬度和耐磨性 高速钢 a.高碳 w(C)0.7% b.加入Cr、W 、Mo 、 V等合金元素 Cr：提高淬透性 W 、Mo：获得高的热硬性 V：提高硬度和耐磨性,(3)成分特点,低合金刃具钢,9SiCr,牌号：,Cr、Si提高淬透性，Si提高回火稳定性。,(4)常用钢种,高速钢,W18Cr4V,牌号：,W(C)=0.7%0.8%,Cr：提高淬透性，一般Cr的质量分数为4%。 W：保证高的热硬性。 V：提高钢的硬度和耐磨性。,w(W)=18%
