《第5章 合金钢课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第5章 合金钢课件（169页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第5章 合金钢,5.1 概述,为了改变碳素钢的力学性能、工艺性能或某些特殊的物理、化学性能，在冶炼时，有选择地向钢液中加入一些合金元素，如猛、硅、镍、铝、钛、稀土等，这类钢就称为合金钢。,5.1.1 碳钢用途的局限性,1、淬透性低 碳钢淬火要求水冷，而水冷的最大淬透直径为1520mm，因此在制作大型工件或复杂的工件时，不能保证性能的均匀性和几何形状不变。 2、强度和屈强比较低 强度低使工程结构和设备笨重 3、回火稳定性差 在进行调质处理时，为了保证较高强度而回火温度应低些时，韧性又偏低，为了保证较好韧性而回火温度应高些时强度又偏低，所以碳钢的综合机械性能很难提高上去。 4、不能满足某些特殊性能
2、的要求 碳钢在抗氧化、耐腐蚀、耐热、耐低温和耐磨，以及特殊电磁性能等方面往往较差，不能满足特殊使用要求。,5.1.2 合金元素在钢中的作用,主要内容： 合金元素与铁和碳的作用、对铁碳相图的影响，以及对热处理的影响规律。,5.1.2.1 合金元素与铁和碳的作用,1、溶入铁中 a、扩展相区(有限扩大相区) 虽然相区也随合金元素的加入而扩大，但由于合金元素与-Fe和-Fe均形成有限固溶体，并且也使A3（GS线）降低，A4（JN线）升高，但最终不能使相区完全开启。 这类合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等。相区借助C及N而扩展，当C含量在0-2.11%（重量）范围内，均可以获得均匀化的固溶体（奥氏
3、体），这构成了钢热处理的基础。,缩小相区(但不能使相区封闭) 合金元素使A3升高，A4下降，使相区缩小但不能使其完全封闭。这类合金元素有：B、Nb、Zr、Ta等。,综上所述，可将合金元素分为奥氏体形成元素和铁素体的形成元素两大类对生产实际有重要的指导意义。通过控制钢中合金元素的种类和含量，使钢在室温下获得单相组织。如发展奥氏体钢时，需要往钢中加入Ni、Mn、N等奥氏体形成元素；欲发展铁素体钢时，需要往钢中加入大量的Cr、Si、Al、Mo、Ti等铁素体形成元素。,2、形成碳化物 规律性（按强弱分类）: 碳化物形成元素包括Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ti、Zr等。碳化物是钢中主要的强化相
4、。碳化物形成元素均位于Fe的左侧。非碳化物形成元素包括Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等，与碳不能形成碳化物，但可固溶于Fe形成固溶体，或形成其它化合物，如氮化物等。非碳化物形成元素均处于周期表Fe的右侧。,碳化物的特性 硬度大、熔点高（可高达3000），分解温度高（可达1200）；间隙相碳化物虽然含有50%-60%的非金属原子，但仍具有明显的金属特性；可以溶入各类金属原子，呈缺位溶入固溶体形式，在合金钢中常遇到这类碳化物。如：Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C等。,5.1.2.2 合金元素对铁碳相图的影响,1合金元素对奥氏体、铁素体区存在范围的影响 A、扩大相区的合金元素(如
5、Ni、Co、Mn等)均扩大铁碳相图中奥氏体存在的区域。其中完全扩大相区的合金元素Ni或Mn的含量较多时，可使钢在室温下得到单相奥氏体组织，例如1Cr18Ni9高镍奥氏体不锈钢和ZGMn13高锰耐磨钢等。,B、缩小相区的合金元素(如Cr、W、Mo、V、Ti、Si等)均缩小铁碳相图中奥氏体存在的区域。其中完全封闭相区的合金元素（例如Cr、Ti、Si等）超过一定含量后，可使钢在包括室温在内的较大范围内获得单相铁素体组织，例如1Cr17Ti高铬铁素体不锈钢等。,扩大相区的元素使 铁碳合金相图的共析转 变温度下降； 缩小相区的元素使铁 碳合金相图的共析转变 温度上升。,几乎所有合 金元素都是共 析点碳含
6、量降 低；共晶点也 有类似的规律， 尤其以强碳化 物形成元素的 作用最为强烈。,大多数合金元素均使ES线左移。E点左移，意味着钢中含碳量不到2.11%就会出现共晶莱氏体；S点左移，意味着钢中含碳量不到0.77%时，就会出现二次渗碳体。由此可见，要判断一个合金钢是亚共析钢还是过共析钢，不能像碳钢那样根据Fe-Fe3C相图。而应根据Fe-C-Me三元相图和多元铁基合金系相图来进行分析。,5.1.3 合金元素对热处理的影响,合金元素对热处理的影响主要表现在对加热、冷却和回火过程中相变的影响上。,5.1.3.1 合金元素对加热时转变的影响,（1）Me对奥氏体形成速度的影响 奥氏体的形成速度取决于奥氏体
7、晶核的形成和长大，两者都与碳的扩散有关。 非碳化物形成元素Co和Ni等提高碳在奥氏体中的扩散速度，增大奥氏体的形成速度。Si、Al、Mn等对碳在奥氏体中的扩散速度影响较小，故对奥氏体的形成速度影响不大。 强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等与碳的亲和力较大，显著妨碍碳在奥氏体中的扩散，大大减慢了奥氏体的形成速度。,（2）Me对奥氏体晶粒长大倾向的影响 合金元素形成的碳化物在高温下越稳定，越不易溶入奥氏体中，能阻碍晶界长大，显著细化晶粒。按照对晶粒长大作用的影响， 合金元素可分为： Ti、V、Zr、Nb等强烈阻止奥氏体晶粒长大，Al在钢中易形成高熔点AlN、Al2O3细质点，也能强烈组织晶粒长大
8、； W、Mo、Cr等阻碍奥氏体晶粒长大的作用中等；,Ni、Si、Cu、Co等阻碍奥氏体晶粒长大的作用轻微； Mn、P、B则有助于奥氏体的晶粒长大。Mn钢有较强烈的过热倾向，其加热温度不应过高，保温时间应较短。,5.1.4 合金元素对钢的强度的影响,5.1.4.1 合金元素对钢的强度的影响 1、强化机制 钢中Me的强化作用主要有以下四种方式： （1）固溶强化：溶质原子，应力场，与位错交互作用。 （2）晶界强化（细晶强化）：晶界特性，细化晶粒 （3）第二相强化：弥散强化，沉淀强化（可变形）。 （4）位错强化：相变 通过这四种方式单独或综合加以运用，便可以有效地提高钢的强度。,2、钢的强度 提高钢强
9、度最重要的方法是淬火和随后的回火。 钢淬火得到马氏体： A、马氏体中溶有过饱和的碳及合金元素，产生很强的固溶强化效应。 B、马氏体形成时产生高密度位错，位错强化效应很大。 C、奥氏体转变为马氏体时，形成许多极细小的、取向不同的马氏体束，产生细晶强化效应。,5.1.4.2 合金元素对钢的韧性的影响,1、韧性的概念：指材料对断裂的抗力 2、按断裂的性质分类： 脆性断裂：断裂时不发生明显的塑性变形 韧性断裂：断裂时发生显著的塑性变形 3、金属存在三种基本形式的断裂: 解理断裂：金属沿特定的晶面断开。多发生在温度低、加载速度大、金属塑性差的情况下 韧窝断裂：以金属中某些第二相粒子或夹杂物为中心形成孔洞
10、，然后孔洞长大、汇合而导致断裂，在断口上有大量窝坑，是一种韧性断裂形式。 沿晶断裂：裂纹由晶界产生并沿晶界传播而发生断裂，是脆性断裂形式。,2、提高钢韧性的途径 A、细化晶粒 B、改善基体的韧性 C、提高回火稳定性 D、细化碳化物 E、控制非金属夹杂和杂质元素,5.1.5 合金钢的分类,5.1.5.1 按所含合金元素多少分类 合金钢低合金钢（5%） 中合金钢（5-10%） 高合金钢（10%）,5.1.5.2 按用途分类,（1）结构钢： 工程用钢或构件用钢碳素工程构件用钢和低合金构件用钢； 机器零件用钢渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢。 （2）工模具钢：刃具钢、模具钢、量具钢。 （3）特殊性能
11、钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢、电工用钢等。,5.2 合金结构钢,在碳素结构钢的基础上添加一些合金元素就形成了合金结构钢。,5.2.1 合金结构钢的牌号,合金工模具钢 含碳量+元素+数字，含碳量1.0%时不标，1.0%时用千分之几表示,例如CrMn、9Mn2V等。含铬量低时，用千分之几表示，并在数字前加0，如Cr06。高速钢中不标含碳量，如W18Cr4v，W6Mo5Cr4V2等。 铬滚动轴承钢 滚或G+Cr+数字（Cr含量的千分之几）,例如：GCr15、GCr18Mo,5.2.2 普通低合金结构钢,-也称为普通低合金钢（简称普低钢），这类钢是为了适应大型工程结构件（如大型桥梁、大型压力容器及大型船
12、舶等）减轻结构重量、提高使用可靠性及节约钢材而发展起来的。 表2-1 为我国发展的低合金高强度结构钢的牌号、化学成分和机械性能 表2-2 国外几种低合金高强度结构钢的化学成分和力学性能,普通低合金高强度结构钢的化学成分特点,（1）低碳，这类钢中碳的质量分数一般小于0.2%，主要是为了获得较好的塑性、韧性、焊接性能。（2）主加合金元素主要是Mn，很少加Cr和Ni，是经济性能较好的钢种。Mn能细化珠光体和铁素体晶粒；Mn的含量在1%-1.5%范围内可促进铁素体在形变时发生交滑移，使112111滑移系在低温下仍起作用，同时，锰还使三次渗碳体难于在铁素体晶界析出，减少了晶界的裂纹源，这也将改善钢的冲击
13、韧性。Mn的加入还可使Fe-Fe3C相图中的S点左移，使基体中珠光体数量增多，致使强度不断提高。,（3）辅加合金元素Al、V、Ti、Nb等，既可产生沉淀强化作用，还可细化晶粒，从而使强韧性得以改善。 （4）加入一定量的Cu和P，改善这类钢的耐大气腐蚀性能。Cu元素沉积在钢的表面，具有正电位，成为附加阴极，使钢在很小的阳极电流下达到钝化状态。P在钢中可以起固溶强化的作用，也可以提高耐蚀性能；Ni和Cr都能促进钢的钝化，减少电化学腐蚀；加入微量的稀土金属也有良好的效果。 （5）加入微量稀土元素可以脱硫去气，净化钢材，并改善夹杂物的形态与分布，从而改善钢的力学性能和工艺性能。,5.2.3 渗碳钢,用
14、来制造渗碳零件的钢称为渗碳钢,5.2.3.1 工作条件和性能要求,渗碳钢零件，通常只要求表面强化，心部具有一定的强韧性配合即可。表面高硬度、高耐磨性的获得通常采用渗碳处理，再经淬火和低温回火，因此称这类钢为渗碳钢，包括碳素渗碳钢、合金渗碳钢。 碳素渗碳钢的缺点：淬透性较低，强度较低，渗碳过程中晶粒粗化严重等缺陷，已不能满足高速旋转的机械零件，如汽车、拖拉机上的变速齿轮，内燃机上的变速齿轮、活塞销等对力学性能的要求。通过加入合金元素而发展合金渗碳钢，具有更高的性能。,5.2.3.2 化学成分,低碳，一般在0.12%-0.25%。主要目的是为了保证心部有良好的韧性。加入合金元素Cr、Mn、Ni、S
15、i、B等以提高淬透性。一方面提高钢材的淬透性，提高机件的强度和韧性；另一方面利用Cr在渗碳后于表层形成碳化物，提高硬度和耐磨性。Ni对渗碳层和心部的韧性非常有利。,1.预先热处理：渗碳钢零件，在机械加工前的预先热处理通常分两步进行。 第一步：正火 第二步：退火（对P型钢） 高温回火（对M型钢） 2. 渗碳：在机械加工到只留有磨削余量时，进行渗碳处理。900930保温十几个小时。 3.最终热处理：淬火和低温回火。,5.2.3.4 常用渗碳钢,低淬透性渗碳钢抗拉强度通常为b=800-1000MN/m2。典型钢种是15、20、20Cr、20Mn2等。这类钢的淬透性低，通常只用于制造受冲击载荷较小的，
16、且对于心部要求不高的小型渗碳件，如小齿轮、活塞销、套筒、链条等。,中淬透性渗碳钢抗拉强度通常为b=1000-1200MN/m2。典型钢种是20CrMnTi、20Mn2TiB、20MnVB等。,高淬透性渗碳钢抗拉强度通常为b1200MN/m2。典型钢种是12Cr2Ni4A、15CrMn2SiMo、18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等。这类钢由于含有较多的Cr和Ni等合金元素，渗碳层后表层的C含量又很高，这样就导致了马氏体转变温度的大幅度下降。若渗碳后直接淬火，渗碳层中将保留大量的残余奥氏体，使表面硬度下降，因此必须设法减少残余奥氏体的数量。,5.2.4 调制钢,经调制处理后使用的钢称为调制钢 根据是否含合金元素分为： 碳素调制钢 合金调制钢,5.2.4.1 工作条件和性能要求,经过调质处理使用的结构钢称为调质钢。机床主轴；汽车、拖拉机的后桥、半轮；柴油发动机舱轴、连杆；高强度螺栓等。在多种应力负荷下工作的，受力情况比较复杂。 要求具有比较全面的机械性能很高的强度，良好的塑性和韧性，即良好的综合机械性能。,5.2.4.2 化学成分,
