第五章合金钢

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1、第五章 合金钢,第一节 合金钢概述碳素钢：生产简单，价格低廉，种类齐全，但碳素钢的强度较低，淬透性差，热硬性、耐磨、耐蚀、耐热性、回火稳定性差。且不具有特殊的物理化学性能。满足不了特殊工况的使用要求。合金钢：为了改善碳素钢的力学性能、工艺性能或某些特殊物理、化学性能，有选择地加入一些合金元素，这类钢称为合金钢。常用合金元素有：锰、铬、镍、硅、钼、钨、钒、钛、铌、铜、钴、锆、铝、錋等。,5.1.1合金钢的分类,1、按用途分类（1）合金结构钢。指用于制造各种机械零件和 工程结构的钢。主要包括低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢 （2）合金工具钢。指用于制造各种工具的钢。主要

2、包括合金刃具钢、合金模具钢、和合金量具钢等。 （3）特殊性能钢。指具有特殊物理化学性能的钢。主要包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。,2、按合金元素的含量分 （1）低合金钢 合金元素总含量小于等于5%； （2）中合金钢 合金元素总含量在5%10%之间； （3）高合金钢 合金元素总含量大于等于10%；,3、按正火后的组织分类将一定截面的试样，在静止空气中冷却后，按所得组织分为珠光体钢、马氏体钢、奥氏体钢、铁素体钢等。,5.1.2合金钢的牌号,（1）合金钢的含碳量、合金元素的种类、合金元素的含量均应在牌号中体现出来。（2）两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素符号+该元素百分含量数字+（3）当合

3、金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量；例：合金弹簧钢 60Si2Mn 含碳量 0.6%；硅含量 2%；锰含量 Mn1%。,合金钢牌号的一般命名原则,高级优质钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。特级优质钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。,1、合金结构钢 其牌号由“两位数字十元素符号+数字”三部分组成。前面两位数字代表钢中平均碳质量分数的万倍，元素符号表示钢中所含的合金元素，元素符号后面数字表示该元素的平均质量分数的百倍。合金元素的平均质量分数Me1.5%时，一般只标明元素而不标明数值；当平均质量分数1.5、2.5、3.5%，时，则在合金元素后面相应地标出2， 3，

4、4，。例如40Cr，其平均碳的质量分数c=0.4，平均铬的质量分数Cr1.5。如果是高级优质钢，则在牌号的末尾加“A”。例如38CrMoAlA钢，则属于高级优质合金结构钢。,2、合金工具钢 这类钢的编号方法与合金结构钢的区别仅在于：当c1时，用一位数字表示碳的质量分数的千倍；当碳的质量分数1%时，则不予标出。例如Cr12MoV钢，其平均碳的质量分数为?c=1.451.70%，所以不标出；Cr的平均质量分数为12，Mo和V的质量分数都是小于1.5%。又如9SiCr钢，其平均?c=0.9，平均?Cr均1.5。不过高速工具钢例外，其平均碳的质量分数无论多少均不标出。因合金工具钢及高速工具钢都是高级优

5、质钢，所以它的牌号后面也不必再标“A”。高速工具钢是工具钢的一类，通常用作高速切削工具，简称高速钢,俗称锋钢。 编号与合金工具钢基本相同。主要区别是钢中平均含碳量Wc1%时也不标数字。,3、特殊性能钢这类钢牌号前面数字表示碳质量分数的千分数。例如3Crl3钢，表示平均含碳量为wc0.3，平均wCr13。当碳的质量分数wc0.03及wc0.08时，则在牌号前面分别冠以“00”及“0”表示，例如00Cr17Ni14Mo2，0Cr19Ni9钢等。,4、滚动轴承钢在牌号前面加“G”(“滚”字汉语拼音的首位字母)，后面数字表示铬的质量分数的千倍，其碳的质量分数不标出。例如GCr15钢，就是平均铬的质量分

6、数Cr1.5的滚动轴承钢。铬轴承钢中若含有除铬外的其它合金元素时，这些元素的表示方法同一般的合金结构钢。滚动轴承钢都是高级优质钢，但牌号后不加“A”。,5.2.1 合金元素与钢的作用一是溶解碳钢原有相中；二是形成新相。存在形式决定于元素与碳亲和力、数量和性质。1、溶入原有相：1）溶入F（相）形成合金F：非碳化物元素和部分弱碳化物元素；例如：Mn、Ni、Co、Si、Al、B 产生固溶强化。2）溶入Fe3C：部分弱碳化物元素，置换出Fe3C中的Fe；例如：Cr、Mn形成合金渗碳体 （Fe.Cr）3C （Fe.Mn）3C,第二节 合金元素在钢中的主要作用,合金元素溶入铁素体后，产生固溶强化，使铁素体

7、的强度、硬度提高，但塑性、韧性都有下降趋势。,合金元素对铁素体相性能的影响,2、形成新相,多是碳化物形成元素，与碳的亲合力比较强，形成合金碳化物。常见有Cr23C6、Fe4W2C、WC、VC、TiC等；它们具有比渗碳体更高的熔点和更高的硬度。这些元素提高钢的强硬度、耐磨性，降低塑、韧性。 几种化合物的性能,合金元素对Fe-Fe3C相图的影响,影响A和F存在的范围Mn、Ni、Co等扩大相区，扩大A存在的区域，如1Cr18Ni9 Ti和Mn13，室温下只有单相A，形成A钢。Cr、Mo、W、V、Ti、Si缩小相区均缩小A存在区域，有可能在室温下只有单相F存在而成为F钢。 如1Cr17Ti高铬铁素体不

8、锈钢,Mn对奥氏体区的影响S、E点左移，因而合金钢中的共析体的含碳量就不再是0.77%,Cr对奥氏体区的影响,使S、E点左移，并使A1线的温度变化。,合金元素对 S 点成分的影响,合金元素对A1线的影响,合金元素对钢的热处理的影响,加热时对奥氏体形成的影响减缓A化过程（Ni、Co除外） 合金碳化物熔点高、难分解，障碍C的扩散，热处理时要提高加热温度或延长保温时间。影响A晶粒长大 强烈阻止A晶粒长大的元素：铝、钛、铌、锆 中等阻止A晶粒长大的元素：钨、钼、铬 促进A晶粒长大的元素：锰、磷、碳,冷却时对过冷A转变的影响,除Co外，合金元素的加入使C曲线右移。即增大过冷A的稳定性，提高钢的淬透性。增

9、强淬透性常用的元素有: Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。合金元素还可能使C曲线形状发生改变，甚至出现两组C曲线除 Co、Al 元素外， 所有的合金元素都使马氏体转变温度下降。,3、对M转变的影响,除Co、Al之外，其余合金元素均使Ms、Mz点下降。 结果增加A残量例：W18Cr4V钢，淬火后A残量达25%；处理办法：冷处理，多次回火,提高钢的回火稳定性：Cr Mo W V Nb Si提高了回火温度，提高了韧性同样的回火温度，硬度较高 原因：减缓碳的扩散和碳化物的长大，推迟马氏体的分解。,4、合金元素对回火转变的影响,（2）产生二次硬化：Mo W V Ti等合金元素使钢在500600回火时硬

10、度升高的现象。原因：1、A残发生向M的转变 2、析出弥散碳化物例：W18Cr4V钢，淬火后A残量达25%，硬度6063HRC，回火后6365HRC。,W、Mo、V 等碳化物在550时，使钢达到最高硬度， 产生二次硬化。,第三节 合金结构钢,1、性能要求（1）高强度及足够韧性。（2）良好的焊接性能和冷成型性能。 （3）良好的耐蚀性及低的冷脆转变温度。,2、成分特点,（1）低碳：0.2%C。（2）合金元素：主要是Mn，还有少量V、Ti、Nb等。 Mn的作用是强化铁素体；增加珠光体的量。 V、Ti、Nb等起细化晶粒和弥散强化作用。 另外加Cu、P可提高耐蚀性；加RE可提高韧性、疲劳,一、低合金结构钢

11、（普通低合金钢）,极限，降低冷脆转变温度。,(1)调质处理后具有高强度与很好塑性及韧性的配合，即具有良好的综合力学性能。良好的淬透性。,二、合金调质钢,2、成分特点,1、性能特点,调质件（螺杆）, 中碳：0.250.5%C，以0.4%居多 合金元素作用：提高淬透性: Mn、Si、Cr、Ni、B强化铁素体: Mn、Si、Cr、Ni细化晶粒: Ti、V防止第二类回火脆性: W、Mo,二、合金调质钢,3、热处理及组织特点调质件的加工工艺路线为：下料锻造退火粗加工调质精加工装配调质目的：获得良好综合力学性能使用状态下的组织为：S回,为提高表面耐磨性，调质后可进行表面淬火或氮化。,回火索氏体,调质处理车

12、间,三、合金渗碳钢, 表面具有高硬度、高耐磨性，心部具有足够的韧性和强度，即表硬里韧。 良好的热处理性能,如淬透性和渗碳能力。,1、性能要求,2、成分特点, 低碳：0.10.25%C 合金元素作用： 提高淬透性： Cr、Mn、Ni、B 强化铁素体： Cr、Mn、Ni 细化晶粒： W、Mo、Ti、V,三、合金渗碳钢,三、合金渗碳钢,低淬透性钢：20Cr、20CrV。,用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。,3、常用钢种与牌号,中淬透性钢：20CrMnTi。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。高淬透性钢：18Cr2Ni4WA。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。,三、合金渗碳钢,3、常用钢

13、种与牌号,四、合金弹簧钢,制造弹簧或类似性能零件的钢种。1、性能要求弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件。（1）高的e，s/b； （2）高的-1；足够的塑性和韧性（3）高的淬透性。, 中高碳：碳素弹簧钢为0.60.9%C合金弹簧钢为0.50.7%C,2、成分特点, 合金元素作用： 提高淬透性、强化铁素体：Mn、Si、Cr提高s/b：Mn，Si 细化晶粒：V,四、合金弹簧钢, 冷成型弹簧：冷拔冷成型定型处理(250300)。用于10mm),弹簧的表面质量对其寿命影响很大。提高表面质量的方法: 防止表面脱碳；,避免表面缺陷； 进行喷丸处理，使表 面产生压应力。,板簧喷丸处理示意图,4、弹簧的

14、表面质量,四、合金弹簧钢,（1）Cr、V 、 W弹簧钢，如50CrV，用于大截面、大载荷、耐热的弹簧。 （2）Si、Mn弹簧钢，如65Mn、60Si2Mn，用于制造较大截面弹簧。,5、常用钢号及用途,四、合金弹簧钢,五、滚珠轴承钢,1、性能特点,轴承工作时, 承受接触应力(达30003500MPa)、周期性交变载荷(频率达数万次/分)和摩擦。,用于制造轴承套和滚动体的专用钢种。, 高而均匀的硬度和耐磨性。 高的b和接触疲劳强度。 足够的韧性、淬透性和耐蚀性。, 高碳：0. 951.10%C 合金元素：以Cr为主,加入Mn、Si。Cr、Mn、Si的主要作用是提高淬透性；,2、成分特点,Cr还提高

15、耐磨性（形成合金渗碳体）和耐蚀性。当1.65%Cr时,会因A增加而使硬度和稳定性下降。,五、滚珠轴承钢,应用最广的是GCr15，大量用于大中型轴承；大型轴承用GCr15SiMn。这类钢还可用于制造模具、量具等。,3、钢种和牌号,向心球轴承,五、滚珠轴承钢,第四节 合金工具钢,一、合金刃具钢 二、合金模具钢 三、量具用钢,一、合金刃具钢,（1）高硬度：（60HRC以上），主要取决于含碳量。 （2）高的耐磨性：靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。（3）高的热硬性（红硬性）：即高温下保持高硬度的能力。（4）具有一定的强度、韧性和塑性，以防止脆断和崩刃。,用来制造各种切削刀具的钢种。,切削加工,1 、性能要求, 高碳：0.91.1%C，保证高硬度和耐磨性。 合金元素作用 提高淬透性: Cr、Mn、Si 提高耐回火性：Si 提高硬度和耐磨性、防止加热时过热、细化晶粒: W、V,