机械工程材料 教学课件 ppt 作者 周超梅 第四章 合金钢

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1、第4章 合金钢,第4章 合金钢,第一节 合金钢的分类及牌号 第二节 合金元素在钢中的主要作用 第三节 合金结构钢 第四节 合金工具钢 第五节 特殊性能钢,第一节 合金钢的分类及牌号,一、合金钢的分类,二、合金钢的牌号,低合金高强度结构钢的牌号：,由“屈”字的汉语拼音字母Q，屈服点数值、 质量等级符号（A、B、C、D）及脱氧方法符 号（F、b、Z、TZ）四个部分按组成。,如Q390A代表屈服点数值 是390MPa、A级质量的 低合金高强度结构钢。,热连轧钢板,合金结构钢的牌号,二、合金钢的牌号,采用“两位数字+合金元素符号（或汉字）+数字”表示， 前面两位数字表示合金结构钢的平均碳质量分数的万

2、分之几；元素符号（或汉字）表示合金结构钢中含有 的主要合金元素；后面的数字表示该合金元素的百分 含量。,例如：60Si2Mn，60表示合金结构钢平均碳质量分数为 万分之60，即0.6%，平均硅质量分数为2%，合金元素 锰的质量分数小于1.5%的合金结构钢。,合金工具钢的牌号,二、合金钢的牌号,牌号为“一位数字+元素符号（或汉字）+数字” 表示一位数字表示平均碳质量分数的千分之几。,例如：9SiCr，9表示合金工具钢平均含碳的质量 分数为千分之9，即0.9%，主要合金元素为硅、铬， 含量均1.5%。,特例：高速钢W18Cr4V，它没有标出碳质量分数， 只写出所含合金元素符号及其含量。,特殊性能钢

3、的牌号,二、合金钢的牌号,特殊性能钢的牌号表示方法基本与合金工具钢 牌号表示方法相同。,例如：不锈钢4Cr13表示平均碳质量分数为0.40%， 平均铬质量分数为13%。,例如：0Cr18Ni9钢的平均碳质量分数为0.03%0.10%。,例如：00Cr30Mo2钢的平均碳质量分数小于0.03%。,第二节 合金元素在钢中的主要作用,为了改善碳钢的性能， 特意向碳钢中加入一些 合金元素而炼成的钢称 为合金钢。,常加入的合金元素有 铬（Cr）、镍（Ni）、 钼（Mo）、钨（W）、 钒（V）、钴（Co）、 硼（B）、铌（Nb）、 铝（Al）、钛（Ti）等。,能产生固溶强化，使铁素体的强度、硬度提高。,一

4、、强化铁素体,合金元素对铁素体力学性能的影响,第二节 合金元素在钢中的主要作用,合金元素与碳的亲和力不同，它们在钢中形成两种碳化物 ： 合金渗碳体 特殊碳化物,二、形成合金碳化物,三、细化晶粒,第二节 合金元素在钢中的主要作用,提高钢的淬透性,除钴（Co）外，所有的合金元素都可使 C曲线向右移动。,非碳化物形成元素,第二节 合金元素在钢中的主要作用,提高钢的回火稳定性,回火稳定性是指淬火钢在 回火时，抵抗软化的能力。,回火温度与硬度关系曲线,第二节 合金元素在钢中的主要作用,第三节 合金结构钢,合金结构钢是在碳素结构钢的基础上，适当加入一种或几种合金元素而制成的。,是在低碳钢的基础上加入少量的

5、合金元素。,一、工程结构钢 1.低合金高强度钢,具有良好的塑性和韧性，具有良好的焊接性能。,广泛应用于车辆、桥梁、建筑、船舶、锅炉、 高压容器、输油气管道及机械制造工业中。,例如：09MnV、09Mn2 、16Mn,耐侯主要是指耐大气的腐蚀性，低合金耐侯钢又称为耐大气腐蚀钢。,2.低合金耐侯钢,耐侯钢又可分为高耐侯性结构钢与焊接用耐侯钢。 高耐侯性结构钢应用于车辆、建筑、塔架等工 程结构。 焊接用耐侯钢应用于桥梁、建筑等。,3.低合金专业用钢,在低合金高强度结构钢的基础上，通过工艺方法和调整其化学成分，使其成为一些专业用钢。 低合金专业用钢的牌号与合金结构钢牌号的表示方法相同。,如汽车大梁用低

6、合金专业用钢的牌号为09MnREL、 06TiL、08TiL、16MnREL等。,合金渗碳钢是经渗碳、淬火和 低温回火处理后的低碳合金钢。 要求心部要有良好的强度和韧 性，表面又要具备高的硬度、 耐磨性和接触疲劳强度 。,二、机械结构钢 1、合金渗碳钢,渗碳炉,渗碳件传动齿轮,例如汽车的变速齿轮、汽车 后桥齿轮、发动机的凸轮轴、活塞销等。,1、合金渗碳钢,1、合金渗碳钢,低淬透性渗碳钢： 20Cr、20CrV、20MnV等。,适于较小、尺寸不大的耐磨零 件，如活塞销、小齿轮、齿轮 轴等。,柴油机凸轮轴,活塞销(20Cr),中淬透性渗碳钢： 有20CrMnTi、20CrNi3等。,适用于中等载荷

7、、有足够冲击韧性 和耐磨性的汽车齿轮、转向轴、行 星齿轮零件。,1、合金渗碳钢,汽车变速箱齿轮,高淬透性渗碳钢：有20Cr2Ni4、12Cr2Ni4、18Cr2Ni4W等。,增压柴油机曲轴,1、合金渗碳钢,用于制造大截面、承受重载与强烈磨损的 重要零件，如大模数齿轮、曲轴、连杆螺栓等。,热处理特点： 预先热处理一般都采用正火 。,1、合金渗碳钢,渗碳层组织为高碳回火马氏体+粒状合金碳化物+ 少量残余奥氏体。,表面硬度一般为5864HRC,心部组织完全淬透时为低碳回火马氏体， 硬度为4048HRC。,经调质处理后使用的钢。,2、合金调质钢,较高强度与良好的塑性及韧性。,螺杆调质件,用于制造各种轴

8、类零件，如机床主轴、连杆螺栓及内燃机曲轴等。,化学成分,2、合金调质钢,含碳量：0.3%0.5%，中碳钢。,合金元素作用,Cr、Ni、Mn、Si、B增加钢的淬透性；,V细化晶粒；,Mo、W减轻第二类回火脆性；,Al加速调质钢的氮化过程。,冷却轮调质件,常用的合金调质钢,2、合金调质钢,低淬透性合金调质钢：,如40Cr、40Mn2、40MB、40MnVB等。,如汽车进气门、前轴、曲轴、曲轴齿轮、 缸盖螺栓、齿轮、半轴、转向轴、活塞杆、 连杆、螺栓等。,中淬透性合金调质钢,如30CrMo、40CrMo 、30CrMnSi、30CrMnSi、 40CrNi、38CrMoAl等。,如主轴、曲轴、齿轮轴

9、、锤杆、减速器主动齿轮、 从动齿轮。,2、合金调质钢,常用的合金调质钢,高淬透性合金调质钢,2、合金调质钢,常用的合金调质钢,如40CrNiMo、40CrMnMo、30CrNi3、25CrNi4WA等。,如汽轮机叶片、齿轮、齿轮轴、连杆、后桥半轴等。,热处理特点：,2、合金调质钢,预先热处理：退火。,最终热处理：调质处理。,调质处理车间,弹簧钢是用来制作弹簧零件的钢。,3、合金弹簧钢,高的抗拉强度、屈强比、 疲劳强度及较好的淬透 性和低的脱碳敏感性。,化学成分,3、合金弹簧钢,碳含量：为0.45%0.75%。,合金元素,Mn、Si、Cr提高钢的淬透性及弹性极限。但二者含量不能过高。,性能较高的

10、弹簧加入Cr、V、Mo、W等元素 以克服Si、Mn带来的不良影响。,弹簧丝,热成形弹簧的热处理： 热处理为淬火+中温回火， 然后再进行喷丸处理。,3、合金弹簧钢,1.热处理特点,热处理后所得组织为回火托氏 体组织。,汽车板簧淬火线,冷成形弹簧的热处理 一般用于小型弹簧,3、合金弹簧钢,1.热处理特点,分为下述三类：退火状态供应的弹簧钢丝、铅浴等温处理钢丝、油淬回火钢丝。,冷卷螺旋压缩弹簧,3、合金弹簧钢,55SiMnVB、55Si2Mn用于汽车板簧； 50CrVA、30W4Cr2VA、65Mn用于气门弹簧、阀门弹簧、制动室复位弹簧、离合器压紧弹簧等重要弹性零件； 60Si2Mn用于牵引钩弹簧、

11、板簧等。,用于制造滚动轴承专用钢种。,4、滚动轴承钢,圆柱滚子轴承,自动调心球轴承,要求有高的接触疲劳强度、 硬度和耐磨性、弹性极限。 还应有一定的韧性与淬透性， 抗蚀能力。,化学成分,4、滚动轴承钢,碳含量：0.95%1.15%。,合金元素,Cr：提高钢的淬透性。,大型轴承钢应加入适量的Si及Mn:改善钢的淬透性,提高钢的强度和弹性极限。,滚针轴承,热处理特点,4、滚动轴承钢,球化退火：硬度降低，以利于切削加工。,淬火、回火：组织为回火马氏体。,GCr9、GCr9SiMn、GCr15、GCr15SiMn等， 广泛用于汽车、拖拉机、内燃机等专用轴承。,第四节 合金工具钢,按用途分为: 合金刃具

12、钢 合金模具钢 合金量具钢,按用途分为低速切削、 高速切削合金刃具钢。,一、合金刃具钢,用于制造车刀、铣刀、 铰刀、钻头、板牙、 丝锥等各种刃具。,切削加工,高硬度 高的耐磨性 高的热硬性 足够的塑性和韧性,1.刃具钢的性能要求,低合金刃具钢： 用于制作刃具、冷作模具和量具，如制造板牙、丝锥、铰刀及拉刀等。,低合金刃具钢和高合金刃具钢,高合金刃具钢：,简称高速钢或锋钢，有良好的热硬性、高硬度、 高耐磨性。,用于制造高速切削刀具成形刀具，如车刀、铣刀、拉刀、钻头及刨刀等。,二、合金量具钢,用来制造精密测量工具， 如卡尺、千分尺、 块规、量规、量具。,要具有高硬度及高耐磨性。,有良好的耐蚀性，要具

13、有高的组织稳定性。,有足够的韧性，同时要有较好的加工工艺性。,1.性能要求,含碳量：0.90%1.50% 。,2.成分特点,加入铬、钨、锰等合金元素，可提高淬透性、 提高硬度和耐磨性、减少淬火变形。,淬火 冷处理 回火 时效处理,3.热处理特点,具有特殊物理、化学 性能的钢为特殊性能 钢，常用的有不锈钢、 耐热钢及耐磨钢等。,第五节 特殊性能钢,一、不锈钢,在腐蚀介质中具有耐蚀性能的钢。,1.金属的腐蚀或锈蚀,金属表面受周围介质作用而引起损坏的 过程称为金属的腐蚀或锈蚀。,根据腐蚀的方式不同腐蚀分为化学腐蚀 与电化学腐蚀两类。,2.不锈钢的合金化原理,合金化原理就是通过向金属中加入 合金元素来

14、提高耐蚀性。,提高钢基体的电极电位。,尽量使钢在室温下呈均匀的单相组织。,形成氧化膜。,3.不锈钢的分类,（1）马氏体型不锈钢,属于铬不锈钢,常用的有1Cr13、 2Cr13、 3Cr13、 4Cr13。,不锈钢棒,成分特点是碳的质量分数低。,（2）铁素体型不锈钢,具有良好的抗大气腐蚀及抗高温氧化性、塑性，焊接性优于马氏体型不锈钢，但其强度较低。,（2）铁素体型不锈钢,主要用于对综合力学性 能要求不高，而对耐腐 蚀性要求很高的零件或 结构件。,如化工行业中的硝酸 吸收塔、热交换器、 耐酸、耐碱的管路等。,（3）奥氏体型不锈钢,特点：碳质量分数较低,这类钢的强度、硬度比较低， 而塑性、韧性、焊接

15、性比较好、 无磁性、有很好的耐腐蚀性。 目前应用最广的一类不锈钢。,奥氏体型不锈钢属铬镍钢， 也称188型不锈钢。,性能：具备热化学稳定性和热强度。,二、耐热钢,耐热钢根据用途不同分为 抗氧化钢和热强钢两大类。,气轮机叶片,高温条件下有较好的热化学稳定性和一定强度的钢为抗氧化钢，又称为不起皮钢。,1.抗氧化钢,有2Cr23Ni13、2Cr25Ni20、0Cr23Ni13、00Cr12等， 多用于锅炉吊挂、加热炉底板、燃气轮机燃烧室等。,在高温条件下有较好的抗氧化能力和较高强度以及良好组织稳定性的钢称为热强钢。,2.热强钢,常用的热强钢按正火状态组织的不同分为珠光体 钢、马氏体钢和奥氏体钢三种,

16、特点：含有大量合金元素。 如Cr、Ni等。,（1）奥氏体型热强钢,应用于航空、舰艇、石油 化工、火箭等领域。,有两种类型 ：马氏体型热强钢和低铬马氏体耐热钢。,（2）马氏体型热强钢,常用于汽轮机叶片、内燃机气阀等。,汽轮机叶片,特点：碳质量分数较低， 合金元素含量少。 应用于动力、石油化工 管道及锅炉等用钢。,（3）珠光体型热强钢,指在强烈冲击载荷作用下才能产生硬化的高锰钢。 特点：高碳高锰。,三、耐磨钢,广泛应用于履带、防弹板、保险箱钢板、铲斗等。,其牌号由“铸”、“钢”二字汉语拼音的字首ZG、锰元素符号及其平均质量分数的百分之几加顺序号组成； 如ZGMn13-3，表示锰的平均质量分数为13%的3号耐磨钢。,三、耐磨钢,作业,书后习题,谢谢大家！,