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1、第四章 合金钢机械工程材料MechanicalEngineeringMaterials1教学教资知识要点知识要点碳钢的优缺点和合金元素的作用碳钢的优缺点和合金元素的作用常用的合金结构钢常用的合金结构钢常用的合金工具钢常用的合金工具钢(以高速钢以高速钢/模具钢为例）模具钢为例）常用的特殊性能钢（不锈钢）常用的特殊性能钢（不锈钢）2教学教资碳钢的优缺点：碳钢的优缺点：优点：冶炼工艺较简单，成本低，压力加工性能好，切削加工性能好，综合力学性能好缺点：淬透性低，回火抗力差，强度较低，无特殊性能第一节第一节 概概 述述为提高碳钢的力学性能、淬透性及回火稳定性，在钢中添加一定量的合金元素合金钢。合金钢。常
2、用的合金元素有：Cr、Mn、Ni、Co、Cu、Si、Al、B、W、Mo、V、Ti、Nb、Zr、Re等。3教学教资微微合合金金化化钢钢是是近近二二、三三十十年年来来钢钢铁铁生生产产中中的的最最重重要要成成就就。在在普普通通碳碳钢钢中中只只要要加加入入极极少少量量的的（0.1%)0.1%)的的强强碳碳化化物物形形成成元元素素如如此此Ni、Ti、V或或加加少少量量的的Al形形成成AlN再再配配合合以以控控轧轧工工艺艺，就就可可以以制制成成屈屈服服强强度度达达350-550MPa，并并具具有有良良好好韧性的低碳钢。韧性的低碳钢。合金元素合金元素的影响是永远的热点。的影响是永远的热点。一、合金元素在钢中
3、的作用一、合金元素在钢中的作用4教学教资1. 1. 改善钢的热处理工艺性能改善钢的热处理工艺性能1)1)1)1)细化奥氏体晶粒细化奥氏体晶粒细化奥氏体晶粒细化奥氏体晶粒加加入入TiTi、V V、NbNb、ZrZr、AlAl等等，形形成成细细小小的的碳碳化化物颗粒，阻止奥氏体晶粒长大物颗粒，阻止奥氏体晶粒长大( (除除Mn)Mn)2) 2) 提高钢的淬透性提高钢的淬透性除除Co Co 以以外外，其其他他合合金金元元素素都都能能使使钢钢”C C”曲曲线向右移动，从而提高钢的淬透性线向右移动，从而提高钢的淬透性5教学教资3)提高钢的回火抗力，产生二次硬化，防止第二类回火脆性合金元素固溶于马氏体中，使
4、马氏体回火时分解的难度增大，延缓硬度下降W、Cr、V、Mo等，回火时会形成特殊碳化物，使硬度重新升高二次硬化（图4-2）6教学教资回回火火抗抗力力是是指指淬淬火火钢钢在在回回火火过过程程中中抵抵抗抗硬度下降的能力，又称回火稳定性。硬度下降的能力，又称回火稳定性。合合金金元元素素固固溶溶于于淬淬火火M中中可可减减慢慢碳碳的的扩扩散散，阻阻碍碍碳碳化化物物从从过过饱饱和和固固溶溶体体中中析析出出，推推迟迟M的的分分解解，延延缓缓硬硬度度下下降降，因因此此，合合金金钢钢具有较高的回火抗力。具有较高的回火抗力。在在相相同同回回火火温温度度下下，含含碳碳量量相相同同的的合合金金钢钢的的硬硬度度较较碳钢高
5、。碳钢高。在在要要求求相相同同硬硬度度条条件件下下，合合金金钢钢的的回回火火温温度度高高，塑韧性好。塑韧性好。7教学教资一一些些含含Cr、Mo、V等等合合金金元元素素较较多多的的合合金金钢钢，在在500600范范围围内内回回火火时时，由由于于沉沉淀淀析析出出这这些些合合金金元元素素的的碳碳化化物物并并呈呈弥弥散散状状分分布布，因因而而对对材材料料起起到到沉沉淀淀强强化化的的作用。作用。淬淬火火钢钢在在较较高高温温度度回回火火时时，硬硬度度不不降降低低反反而而升升高高的的现象称为现象称为二次硬化二次硬化。回火温度回火温度HRCwSi回火温度回火温度HRCwMo8教学教资淬火钢回火后的韧性下降现象
6、称为回火脆性。在250400出现韧性下降，称第第一一类类回回火火脆脆性性；在500600回火后缓慢冷却时韧性亦会下降，称第第二二类类回回火脆性火脆性。回火温度回火温度AK快冷300500650慢冷9教学教资l固溶强化l第二相强化l细晶强化2 合金元素提高钢的使用性能合金元素提高钢的使用性能1提高钢的强度提高钢的强度钢的塑性变形的实质是位错位错位错位错沿移面运动的结果。10教学教资Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W等合金元素固溶于F、A、M中引起晶格畸变，增加位错运动的阻力，产生强化。（1）固溶强化）固溶强化硬度硬度提高提高韧性韧性降低降低11教学教资Mn、Cr、Mo、W、V、T
7、i、Nb、Zr等合金元素在钢中能够形成各种碳化物合金碳化物。根据元素与碳亲和力的强弱，合金元素分为强碳化物形成元素：V、Ti、Nb、Zr弱碳化物形成元素：Mn中强碳化物形成元素：Cr、Mo、W（）第二相强化（）第二相强化12教学教资V、Ti、Nb、Zr、Al等合金元素可是显著细化A、F晶粒及M，提高钢的强度、硬度，并能提高钢塑性和韧性。（）细晶强化（）细晶强化钢钢的的其其它它强强化化手手段段，提提高高强强度度、硬硬度度是是以降低塑、韧性为代价的。以降低塑、韧性为代价的。只只有有细细晶晶强强化化既既可可以以提提高高钢钢的的强强度度和和硬硬度，又能提高钢的塑性和韧性。度，又能提高钢的塑性和韧性。1
8、3教学教资使钢获得特殊性能使钢获得特殊性能合金元素加入钢中后会改变相图，使钢在室温下得到单相组织，并可形成致密的氧化膜和金属间化合物，使钢获得耐蚀性及耐热性等特殊性能。a)提高钢的抗腐蚀性能b)提高钢的抗高温氧化性能c)提高钢的高温强度d)提高钢的抗冲击磨损性能e)提高钢的耐低温性能14教学教资当当钢钢中中wNi=9%，wMn=13%时时，可可使使A3降降低低至至室室温温，此此时时钢钢在在室室温温下下为为单单相相奥奥氏氏体体组组织织，称称为为奥奥氏氏体体钢钢。此此类类钢钢具有耐蚀、耐高温、抗磨损等特殊性能。具有耐蚀、耐高温、抗磨损等特殊性能。当当钢钢中中wCr=1728%时时，可可使使奥奥氏氏
9、体体区区消消失失，此此时时钢钢在在室室温温下下为为单单相相铁铁素素体体组组织织，称称为为铁铁素素体体钢钢。此此类类钢钢也也具具有有耐蚀、耐高温等特殊性能。耐蚀、耐高温等特殊性能。15教学教资细化细化A晶粒晶粒Ti、V、Nb、Zr、Al提高淬透性提高淬透性除除Co以外，如以外，如Mn、Cr、W、Mo提高回火抗力提高回火抗力Cr、W、Mo、V固溶强化固溶强化Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W第二相强化第二相强化Mn、Cr、Mo、W扩大扩大A相相Ni、Mn、Cu、N扩大扩大F相相Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al形成致密氧化膜形成致密氧化膜Si、Al、Ni、Cr、W、Mo、Ti16
10、教学教资合合金金元元素素在在钢钢中中的的存存在在形形式式固溶体固溶体化合物化合物游离态游离态固溶体固溶体碳化物碳化物金属间化合物金属间化合物非金属夹杂物非金属夹杂物合金渗碳体合金渗碳体特殊碳化物特殊碳化物17教学教资二、二、 合金钢的分类及牌号合金钢的分类及牌号1合金钢的分类合金钢的分类合金结构钢合金结构钢合金工具钢合金工具钢特殊性能钢特殊性能钢2合金钢的牌号合金钢的牌号（1）合金结构钢的牌号：）合金结构钢的牌号：数字数字+合金元素符号合金元素符号+数字数字45Mn240Cr平均碳的质量的万分数合金元素平均质量的百分数几个特殊情况：轴承钢，低合金高强度结构钢几个特殊情况：轴承钢，低合金高强度结
11、构钢,高级优质钢高级优质钢G+Cr的千分数的千分数AQ+数字数字+等级等级18教学教资(2)合金工具钢和特殊性能钢的牌号：合金工具钢和特殊性能钢的牌号：数字数字+合金元素符号合金元素符号+数字数字含碳量的千含碳量的千分数分数合金元素平均质量合金元素平均质量的百分数的百分数说明：说明：Wc1%时，不标数字；高速钢例外。时，不标数字；高速钢例外。9Mn2VCrWMn高硬度、高耐磨性和高耐热性高硬度、高耐磨性和高耐热性.又名风钢或锋钢，又名风钢或锋钢，意思是淬火时即使在空气中冷却也能硬化，并且很锋利。意思是淬火时即使在空气中冷却也能硬化，并且很锋利。19教学教资1、含碳量的标记、含碳量的标记结构钢：
12、结构钢：wC10,000工工具具钢钢：wC1,000，为为了了避避免免与与结结构构钢钢混混淆淆，又又规规定定wC1.0%时时不不予予以以标标注注，高高速速钢钢例外，其例外，其wC1.0%也不标注。也不标注。特殊性能钢：特殊性能钢：wC1,000w wC C=0.080.1%=0.080.1%，标标标标 1 1w wC C=0.030.08%=0.030.08%，标标标标 0 0 w wC C0.03%0.03%，标标标标 0000小结：小结：20教学教资2、合金元素含量的标记、合金元素含量的标记wMe%1.51.52.53.54.5标记-2345注：滚动轴承钢铬的标记除外注：滚动轴承钢铬的标记
13、除外(wCr1,000)3、附加标记、附加标记高级优质钢：编号后高级优质钢：编号后+“A”（高）（高）特殊用途钢：编号前特殊用途钢：编号前+“特殊用途符号特殊用途符号”G滚动轴承钢；滚动轴承钢；C磁钢；磁钢；Y易切削钢易切削钢21教学教资40CrNiMo30CrMnSiNi230CrMnSiAGCr150Cr131Cr170Cr18Ni9W18Cr4VwC0.4%的的CrNiMo合金结构钢合金结构钢wC0.3%,wNi2%的合金结构钢的合金结构钢wC0.3%的高级优质合金结构钢的高级优质合金结构钢wCr1.5%的滚动轴承钢的滚动轴承钢wC0.03%,wCr13%的的M不锈钢不锈钢wC0.08%
14、,wCr17%的的F不锈钢不锈钢wC0.03%,wCr18%,wNi9%的的A不锈钢不锈钢wW18%,wCr4%的高速钢的高速钢22教学教资第二节第二节合金结构钢合金结构钢合金结构钢合金结构钢低合金结构钢低合金结构钢合金渗碳钢合金渗碳钢合金调质钢合金调质钢合金弹簧钢合金弹簧钢滚动轴承钢滚动轴承钢超高强度钢超高强度钢一、合金结构钢的一、合金结构钢的分类及编号分类及编号1.分类分类23教学教资一、一、低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢1 1应用：在大气和海洋中工作的的大型焊接结构件，应用：在大气和海洋中工作的的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆如建筑结构、桥梁、车辆 、船舶、船舶 、输油输气
15、管、输油输气管道、压力容器等。道、压力容器等。2性能：好的塑性韧性及焊接性能性能：好的塑性韧性及焊接性能，强度高，可抵，强度高，可抵抗大气腐蚀。抗大气腐蚀。3成分：低碳、含成分：低碳、含Mn、Ti、V、Nb、RE元素。元素。4牌号：牌号：Q+数字数字（Q345，Q390，Q420，Q460）屈服强度屈服强度24教学教资钢筋混凝土沉井、钢板桩围堰管柱等基础。正桥10孔钢筋梁中9孔为160米跨度，采用优质合金钢（Q345）杆件在现场铆接拼装架设。25教学教资鸟巢巢”钢结构最大跨度达到构最大跨度达到343米，米，24根桁架柱内柱受力最大的部根桁架柱内柱受力最大的部位的用位的用钢是最大的是最大的难题，
16、为了有效控制构件的最大壁厚，减少了有效控制构件的最大壁厚，减少焊接工作量，使接工作量，使连接构造比接构造比较合理，合理，钢的的强度既要有度既要有张力，又要柔力，又要柔韧有拉力，有拉力，还要能抗低温、易要能抗低温、易焊接，自重又不能太重。接，自重又不能太重。 “鸟巢巢”最最关关键部位的用部位的用钢将采用高将采用高强度的度的Q460E-Z35钢材，材，钢板最大厚度板最大厚度达到达到110毫米，要求毫米，要求-40的冲的冲击，抗，抗层状撕裂性能达到状撕裂性能达到Z35。26教学教资二、合金渗碳钢二、合金渗碳钢：低碳钢基础上加合金元素低碳钢基础上加合金元素1 1应应用用：汽汽车车、重重型型机机床床齿齿
17、轮轮、活活塞塞销销，内内燃燃机机的的凸凸轮轮轴等轴等2 2 性能：性能：“表硬心韧表硬心韧”3 3 成成分分：WcWc：0.120.120.25%0.25%，常常加加元元素素Cr Cr ,Ni ,Ni ,Mn ,Mn ,B ,B ，微量元素，微量元素V, Ti , W , MoV, Ti , W , Mo27教学教资4 4 分类和牌号分类和牌号 低淬透性合金渗碳钢低淬透性合金渗碳钢 20Mn2 20Mn20Mn2 20Mn尺寸较小零件尺寸较小零件 中淬透性合金渗碳钢中淬透性合金渗碳钢 20CrMnTi 20CrMn 20MnTiB20CrMnTi 20CrMn 20MnTiB高淬透性合金渗碳钢
18、高淬透性合金渗碳钢 18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA大截面大负荷大截面大负荷 5 5最终热处理：渗碳最终热处理：渗碳+ +低温淬火低温淬火 注意图注意图注意图注意图4 4 4 46 6 6 6 6组组织织：表表面面高高碳碳回回火火马马氏氏体体+碳碳化化物物+少少量量残残余余奥奥氏氏体体 ， 心部：铁素体心部：铁素体+ +低碳回火马氏体低碳回火马氏体28教学教资29教学教资三三合金调质钢合金调质钢需要经过调质处理需要经过调质处理使用的中碳合金钢。使用的中碳合金钢。1性性能能要要求求：良良好好的的综综合合性性能能（即即高高强强度度、好好的的塑塑性性韧性）韧性）2应应用用：精精密密机机床床主
19、主轴轴、火火车车发发动动机机曲曲轴轴、连连杆杆螺螺栓栓、汽车后桥半轴等。汽车后桥半轴等。3成分：中碳（成分：中碳（Wc：0.250.50%，多数，多数0.4%）,合金元素：合金元素：Mn,Cr,Si,Ni,B,Mo,W等。等。30教学教资4分类和牌号分类和牌号低淬透性合金调质钢低淬透性合金调质钢40Cr40MnB中淬透性合金调质钢中淬透性合金调质钢35CrMo38CrSi高淬透性合金调质钢高淬透性合金调质钢38CrMoAlA40CrNiMoA尺寸大负荷大尺寸大负荷大常用牌号：常用牌号：40Cr40MnB35CrMo5热热处处理理：调调质质处处理理回回火火索索氏氏体体、部部分分要要求求调调质质后
20、后表表面面淬淬火火、渗渗氮氮、喷喷丸丸（特特殊殊：低低碳碳合合金金结结构构钢钢：淬淬火火+低温回火）低温回火）31教学教资32教学教资四四 合金弹簧钢合金弹簧钢1 1性性能能：具具有有高高的的弹弹性性极极限限以以及及屈屈服服强强度度，还还具具有有高高的的疲劳强度和足够的塑性韧性。疲劳强度和足够的塑性韧性。2 2应应用用：用用于于制制造造汽汽车车、拖拖拉拉机机和和火火车车的的板板弹弹簧簧或或螺旋弹簧。螺旋弹簧。 3 3 成成分分： Wc Wc 0.450.450.70% 0.70% ，多多数数0.6% 0.6% ，合合金金元元素及作用：素及作用：Si,MnSi,Mn, , Cr,VCr,V，Nb
21、,Mo,W Nb,Mo,W 。 4 4 常用牌号：常用牌号：60Si2Mn60Si2Mn，50CrVA50CrVA5 5 最终热处理：淬火最终热处理：淬火+ +中温回火中温回火 回火托氏体回火托氏体 33教学教资34教学教资五五轴承钢（用于制造滚动轴承）轴承钢（用于制造滚动轴承）两大类：高碳铬轴承钢两大类：高碳铬轴承钢GCr15、GCr15SiMn高碳无铬轴承钢高碳无铬轴承钢GMnMoVREGSiMnMoV35教学教资36教学教资六、超高强度钢六、超高强度钢工工程程上上把把抗抗拉拉强强度度1500MPa以以上上的的钢钢称称为为超超高高强强度度钢钢。主主要要用用于于制制造造飞飞机机起起落落架架、
22、机机翼翼大大粱粱，火火箭箭发发动动机机壳壳体体、液液体体燃燃料料氧氧化化剂剂储藏箱、炮筒、枪筒、防弹板等等。储藏箱、炮筒、枪筒、防弹板等等。37教学教资wC=0.03%0.45%，含，含C范围宽。范围宽。按按少少量量多多元元的的原原则则加加入入合合金金元元素素：Cr、Mn、Ni、Si、Mo、V、Nb、Ti、AlCr、Mn、Ni、Si钢的淬透性；钢的淬透性；Mo、V、Nb、Ti、Al形形成成特特殊殊碳碳化物使钢产生二次硬化，化物使钢产生二次硬化，V、Nb、Ti有细化晶粒的作用有细化晶粒的作用（一）成分及性能特点（一）成分及性能特点38教学教资低合金超高强度钢低合金超高强度钢wMe5%中合金超高强
23、度钢中合金超高强度钢5 wMe 17%) 17%) A (W A (WNiNi 9%) 9%) (3) (3)形成致密氧化膜，如形成致密氧化膜，如 Cr,Si,ALCr,Si,AL；（4 4）形形成成稳稳定定碳碳化化物物，防防止止晶晶间间腐腐蚀蚀。金金属属间间化化合合物物NiNi3 3Al,NiAl,Ni3 3(Ti,Nb) (Ti,Nb) 。防止晶间腐蚀，提高强度，。防止晶间腐蚀，提高强度，Ti,NbTi,Nb等。等。二二常用不锈钢常用不锈钢1马氏体型不锈钢马氏体型不锈钢成分：成分：WcWc：0.10.11.0%1.0%， WCr:12WCr:1218%18%特点：淬透性好，空冷可到特点：淬
24、透性好，空冷可到马氏体马氏体. .52教学教资牌号：牌号：1Cr13 , 2Cr13 1Cr13 , 2Cr13 ，3Cr13 , 4Cr13,3Cr13 , 4Cr13, 亚共析钢亚共析钢 共析钢共析钢 过共析钢过共析钢热处理及应用：热处理及应用：1Cr13 , 2Cr131Cr13 , 2Cr13；调质处理，组织为；调质处理，组织为S S回。回。应应用用：汽汽轮轮机机叶叶片片（ 1Cr13 1Cr13 , , 2Cr13 2Cr13 称称为为叶叶片片钢钢），蒸蒸汽汽机管附件。机管附件。3Cr13 , 4Cr13 3Cr13 , 4Cr13 淬火淬火+ +低温回火，组织为低温回火，组织为M
25、M回回应用：医疗器件，不锈钢刃具。应用：医疗器件，不锈钢刃具。2奥氏体型不锈钢（奥氏体型不锈钢（用量最多，占用量最多，占656570%70%；）典型成分：典型成分：Wc: 0.12% WWc: 0.12% WCrCr: : 18%18%； W WNiNi: : 8% 8%；( (称为称为18-818-8不锈钢）不锈钢）53教学教资组织：单相组织：单相A A 固溶处理：加热至固溶处理：加热至A A体区快冷（水冷）。体区快冷（水冷）。 性性能能：高高塑塑性性、高高的的低低温温韧韧性性、高高的的加加工工硬硬化化能能力力、焊焊接接性性能好、无磁性及高的耐腐蚀性。能好、无磁性及高的耐腐蚀性。 应应用用：化化工工行行业业居居多多，酸酸（硝硝酸酸、有有机机酸酸）、碱碱、盐盐工工业业中中的机械零件。的机械零件。54教学教资作业：P1472、8（1、2、4、5、9)、9（选做部分）55教学教资
