合金钢课件

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1、第五章 合金钢 内容提要： 本章介绍合金钢的分类方法、成份和主要应用。着重介绍各类合金钢的钢号、成份特点、热处理工艺、组织、性能和应用。 学习目标： 重点掌握各类合金钢的钢号、成份特点、热处理工艺、组织、性能以及它们的应用。一些常用金属材料的牌号要熟记。 5.1 碳钢 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。,5.1.1 碳钢的局限性 碳钢的在性能上主要有以下几方面的不足： 淬透性低 一般情况下，碳钢水淬的最大淬透直径只有10mm20mm。 强度和屈强比较低 如普通碳钢Q235钢的

2、s为235 MPa，而低合金结构钢Q345（16Mn）的s则为360MPa以上。40钢的s /b仅为0.43, 而合金钢35CrNi3Mo的s /b高达0.74。（s 屈服强度，b强度极限二者的比值为屈强比。材料的屈强比越小，构件的可靠性越高，因为万一超载也不至于马上断裂。然而屈强比太小时，虽然安全性提高了，但对材料的有效利用率降低，并且会使构件笨重、成本加大。屈强比的大小可以通过合金化、热处理调整）。 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。 不能满足特殊

3、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。,5.2 合金钢 一、合金钢的分类 按合金元素含量多少合金钢分为： 低合金钢（合金元素总量低于5%）、中合金钢（合金元 素总量为5%10%） 、高合金钢（合金元素总量高于10%）； 按所含的主要合金元素合金钢分为：铬钢（Cr-Fe-C) ，铬镍钢（Cr-Ni-Fe-C) ，锰钢（Mn- Fe-C) ，硅锰钢（Si-Mn-Fe-C)； 按小试样正火或铸态组织合金钢分为：珠光体钢 ，马氏体钢 ，铁素体钢，奥氏体钢 ，莱 氏体钢； 按用途分类：合金结构钢 ，合金工具钢 ，特殊性能钢； 5.2

4、.1、合金钢的编号 我国合金钢是按碳质量分数、合金元素的种类和数量以及质量级别来编号的。 在牌号首部用数字标明碳质量分数。为了表明用途，规定结构钢以万分之一为单位的数字 （两位数）、工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字（一位数）来表示碳质量分数，而工 具钢的碳质量分数超过1%时，碳质量分数不标出。 在表明碳质量分数数字之后，用元素的化学符号表明钢中主要合金元素，质量分数由其后面 的数字标明，平均质量分数少于1.5%时不标数, 平均质量分数为1.5%2.49%、2.5%3.49% 时,相应地标以2、3。,合金结构钢40Cr，平均碳质量分数为0.40%，主要合金元素Cr的质量分数在1.5%以下

5、。 合金工具钢5CrMnMo, 平均碳质量分数为0.5%, 主要合金元素Cr、Mn、Mo的质量分数均在 1.5%以下。 专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明。 如:滚珠轴承钢,在钢号前标以“G”。GCr15表示碳质量分数约1.0%、铬质量分数约1.5%(这 是一个特例, 铬质量分数以千分之一为单位的数字表示)的滚珠轴承钢。 Y40Mn,表示碳质量分数为0.4%、锰质量分数少于1.5%的易切削钢等等。 对于高级优质钢，则在钢的末尾加“A”字表明，例如20Cr2Ni4A等。 5.2.2 合金结构钢 在铁碳结构钢基础上加入合金元素就形成了合金结构钢，合金结构钢用于制造重要工程结构 和机器零件。主要有低

6、合金高强度结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚珠轴承 钢。 一、低合金高强度结构钢（简称低合金高强钢） 1. 用途 主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。,2. 性能要求 (1) 高强度：一般屈服强度在300 MPa以上； (2) 高韧性：要求延伸率为15%20%，室温冲击韧性大于600 kJ/m2800 kJ/m2。对于大型 焊接构件，还要求有较高的断裂韧性； (3) 良好的焊接性能和冷成型性能； (4) 低的冷脆转变温度；(5) 良好的耐蚀性。 3. 成分特点 (1) 低碳：由于韧性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳质量分数不超过0.20%；

7、(2) 加入以锰为主的合金元素； (3) 加入铌、钛或钒等辅加元素：少量的铌、钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮化物，有利 于获得细小的铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性。 此外，加入少量铜（0.4%）和磷（0.1%左右 ）等，可提高抗腐蚀性能。加入少量稀土元 素，可以脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能。,4. 常用低合金高强度结构钢 常用低合金高强度结构钢的钢号、成分、性能及用途 Q345（16Mn）是我国低合金高强钢中用量最多、产量最大的钢种。使用状态的组织为细晶粒 的铁素体珠光体，强度比普通碳素结构钢Q235高约20%30%，耐大气腐蚀性能高20%38%。 Q420（15MnVN）中等级

8、别强度钢中使用最多的钢种。强度较高，且韧性、焊接性及低温韧 性也较好，被广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶等大型结构。 强度级别超过500 MPa后，铁素体和珠光体组织难以满足要求，于是发展了低碳贝氏体钢。 加入Cr、Mo、Mn、B等元素，有利于空冷条件下得到贝氏体组织，使强度更高，塑性、焊接性能 也较好，多用于高压锅炉、高压容器等。 5. 热处理 这类钢一般在热轧空冷状态下使用，不需要进行专门的热处理。使用状态下的显微组织一般 为铁素体+索氏体。,5.2.3 合金渗碳钢 1. 用途 主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。这类零 件在工作中遭受强烈的摩擦磨损，同时

9、又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。 2. 性能要求 (1) 表面渗碳层硬度高，以保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力，同时具有适当的塑性和韧 性。 (2) 心部具有高的韧性和足够高的强度。心部韧性不足时，在冲击载荷或过载作用下容易 断裂；强度不足时，则较脆的渗碳层易碎裂、剥落。 (3) 有良好的热处理工艺性能 在高的渗碳温度（900 950 ）下，奥氏体晶粒不易长 大，并有良好的淬透性。 3. 成分特点 (1) 低碳：碳质量分数一般为0.10%0.25%，使零件心部有足够的塑性和韧性； (2) 加入提高淬透性的合金元素：常加入Cr、Ni、Mn、B等； (3) 加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素：主要加

10、入少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等， 形成稳定的合金碳化物。,拨叉 变速齿轮,4. 钢种及牌号 常用渗碳钢的牌号、成分、热处理、性能及用途 低淬透性合金渗碳钢：20Cr（此外还有 20MN2、20MNV、15Cr），淬透性较低，心部强度较 低。 使用于制造受冲击载荷较小的耐磨件，比如小轴、活塞销、小齿轮等。 中淬透性合金渗碳钢：20CrMnTi（20CrMn、20CrMnMO、20CrVB）。淬透性较高、过热敏感性 较小，渗碳过渡层比较均匀，具有良好的机械性能和工艺性能。大量应用于制造高速、中栽、要 求抗冲击和耐磨损的零件，特别是汽车、拖拉机上的零件。 高淬透性合金渗碳钢：18Cr2N

11、i4WA 、20Cr2Ni4A 含有较多的Cr、Ni等元素，淬透性很高， 且具有很好的韧性和低温冲击韧性。主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克 中的曲轴及齿轮。 5. 热处理和组织性能 合金渗碳钢的热处理工艺一般都是渗碳后直接淬火，再低温回火。（对渗碳时容易过热的钢 种如20Cr、20Mn2）等，渗碳后先正火，消除过热组织，然后再淬火，低温回火）热处理后，表 面渗碳层的组织为合金渗碳体 +回火马氏体 +少量残余奥氏体组织，硬度为60HRC62HRC。心部 组织与钢的淬透性及零件截面尺寸有关，完全淬透时为低碳回火马氏体（强调），硬度为40 HRC 48 HRC；多数情况下是屈氏体

12、、回火马氏体和少量铁素体，硬度为25HRC40HRC。心部韧性一 般都高于700 kJ/m2。,5.2.4 合金调质钢 1. 用途 合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类 件、连杆、螺栓等。 2. 性能要求 调质件大多承受多种工作载荷，受力情况比较复杂，要求高的综合机械性能，即具有高的强 度和良好的塑性、韧性。合金调质钢还要求有很好的淬透性。但不同零件受力情况不同，对淬透 性的要求不一样。 3. 成分特点 (1) 中碳：碳质量分数一般在0.25%0.50%之间，以0.4%居多； (2) 加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等：这些合金元素除了提高

13、淬透性外，还能形成合金 铁素体，提高钢的强度。如调质处理后的40Cr钢的性能比45钢的性能高很多； (3) 加入防止第二类回火脆性的元素：含Ni、Cr、Mn的合金调质钢，高温回火慢冷时易产生第二 类回火脆性。在钢中加入Mo、W可以防止第二类回火脆性，其适宜含量：Mo的质量分数为0.15% 0.30%，或W的质量分数为0.8%1.2%。,齿轮 曲轴 汽车万向节 连杆,45钢与40Cr钢调质后性能的对比,4. 钢种及牌号 常用调质钢的牌号、成分、热处理、性能及用途 (1) 40Cr 低淬透性合金调质钢，油淬临界直径为 30 mm40 mm，用于制造一般尺寸的重要零件。 (2) 35CrMo 中淬透

14、性合金调质钢，油淬临界直径为 40 mm60 mm，加入钼不仅可提高淬透性，而且可防止第二类回火脆性。 (3) 40CrNiMo 高淬透性合金调质钢，油淬临界直径为60 mm100 mm，铬镍钢中加入适当的钼，不但具有好的淬透性，还可消除第二类回火脆性。 5. 热处理和组织性能 合金调质钢的最终热处理是淬火加高温回火。合金调质钢淬透性较高，一般都用油淬，淬透性特别大时甚至可以空冷，这能减少热处理缺陷。 合金调质钢的最终性能决定于回火温度。一般采用500 650 回火。通过选择回火温度，可以获得所要求的性能。为防止第二类回火脆性，回火后快冷（水冷或油冷），有利于韧性的提高。,合金调质钢常规热处理

15、后的组织是回火索氏体。对于表面要求耐磨的零件（如齿轮、主 轴），再进行感应加热表面淬火及低温回火，表面组织为回火马氏体。表面硬度可达55 HRC 58 HRC。 合金调质钢淬透调质后的屈服强度约为800 MPa, 冲击韧性在800 kJ/m2心部硬度可达22 HRC 25 HRC。若截面尺寸大而未淬透时，性能显著降低。,40Cr钢经不同温度回火后的机械性能 (直径D=12mm, 油淬),4. 钢种和牌号 常用弹簧钢的牌号、成分、热处理、性能及用途 (1) 65Mn 和60Si2Mn 以Si、Mn为主要合金元素的弹簧钢。这类钢的价格便宜，淬透性明显 优于碳素弹簧钢，Si、Mn 的复合合金化，性能

16、比只用 Mn的好得多。这类钢主要用于汽车、拖拉 机上的板簧和螺旋弹簧。 (2) 50CrVA 含Cr、V、W 等元素的弹簧钢。Cr、V复合合金化，不仅大大提高钢的淬透性， 而且还提高钢的高温强度、韧性和热处理工艺性能。这类钢可制作在350 400 温度下承受 重载的较大弹簧。 5. 加工、热处理与性能 弹簧按加工和热处理可分为两类： (1) 热成形弹簧 用热轧钢丝或钢板制成，然后淬火和中温（450 550 ）回火，获得 回火屈氏体组织，具有很高的屈服强度和弹性极限，并有一定的塑性和韧性，一般用来制作为较 大型的弹簧。 (2) 冷成形弹簧 小尺寸弹簧一般用冷拔弹簧钢丝（片）卷成。为了提高弹簧的疲劳寿命， 目前还广泛采用喷丸强化处理。,5.2.6 滚珠轴承钢 1. 用途 主要用来制造滚动轴承的滚动体（