机械工程材料-合金钢.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第四章 合金钢,机械工程材料,Mechanical,Engineering Materials,陈健美 教授,湖南涉外经济学院 机械工程学部,主要内容,1,概述,2,合金结构钢,3,合金工具钢,4,特殊性能钢,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 概 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。,常用的合金元素有：,Cr,、,Mn,、,Ni,、,Co,、,Cu,、,Si,、,Al,、,B,、,W,、,Mo,、,V,、,Ti,、,Nb,、,Zr,、,Re,等。,微合金化钢是近二、三十年来钢铁生产中的最重要成就。在普通碳钢中只要加入极少量的（,0.1%),的强碳化物形成元素如此,Ni,、,Ti,、,V,或加少量的,Al,形成,AlN,再配合以控轧工艺，就可以制成屈服强度达,350-550MPa,，并具有良好韧性的低碳钢。,合金元素,的影响是永远的热点。,一、合金元素在刚中的作用的作用,一、合金元素在刚中的作用的作用,1.,改善钢的热处理工艺性能,1),细化奥氏体晶粒加入,Ti,、,V,、,Nb,、,Zr,、,Al,等，形成细小的碳化物颗粒，阻止奥氏体晶,粒长大,2),提高钢的淬透性,除,Co,以外，其他合金元素都能使钢”,C”,曲线向右移动，从而提高钢的淬透性,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,回火抗力是指淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力，又称回火稳定性。,合金元素固溶于淬火,M,中可减慢碳的扩散，阻碍碳化物从过饱和固溶体中析出，推迟,M,的分解，延缓硬度下降，因此，合金钢具有较高的回火抗力。,在相同回火温度下，含碳量相同的合金钢的硬度较碳钢高。,在要求相同硬度条件下，合金钢的回火温度高，塑韧性好。,一些含,Cr,、,Mo,、,V,等合金元素较多的合金钢，在,500,600,范围内回火时，由于沉淀析出这些合金元素的碳化物并呈弥散状分布，因而对材料起到沉淀强化的作用。,淬火钢在较高温度回火时，硬度不降低反而升高的现象称为,二次硬化,。,回火温度,HRC,w,Si,回火温度,HRC,w,Mo,淬火钢回火后的韧性下降现象称为回火脆性。,在,250400,出现韧性下降，称,第一类回火脆性,；在,500 600,回火后缓慢冷却时韧性亦会下降，称,第二类回火脆性,。,回火温度,A,K,快冷,300,500,650,慢冷,产生回火脆性的原因,第一类回火脆性与,M,及残余,A,分解时沿,M,针条边界析出薄片状,Fe,3,C,有关。目前尚无有效方法消除，只能尽量避开在此温度范围内回火。,第二类回火脆性，是因钢中的杂质,S,、,P,、,Mn,、,Si,在晶界上偏聚引起的。,对小型零件可采用回火后快冷的方法；,而对于大型零件则可在材料中加入,Mo,、,W,等，这些元素可阻止或延缓有害元素在晶界上的析出。,防止第二类回火脆性的措施,固溶强化,第二相强化,细晶强化,（二）合金元素提高钢的使用性能,1.,提高钢的强度,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,硬度提高,韧性降低,Mn,、,Cr,、,Mo,、,W,、,V,、,Ti,、,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,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,钢的其它强化手段，提高强度、硬度是以降低塑、韧性为代价的。,只有细晶强化既可以提高钢的强度和硬度，又能提高钢的塑性和韧性。,.,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。,提高钢的抗腐蚀性能,提高钢的抗高温氧化性能,提高钢的高温强度,提高钢的抗冲击磨损性能,提高钢的耐低温性能,合金元素在钢中作用,细化,A,晶粒,Ti,、,V,、,Nb,、,Zr,、,Al,提高淬透性,除,Co,以外，如,Mn,、,Cr,、,W,、,Mo,提高回火抗力,Cr,、,W,、,Mo,、,V,固溶强化,Ni,、,Si,、,Al,、,Co,、,Cu,、,Mn,、,Cr,、,Mo,、,W,第二相强化,Mn,、,Cr,、,Mo,、,W,扩大,A,相,Ni,、,Mn,、,Cu,、,N,扩大,F,相,Si,、,Cr,、,W,、,Mo,、,V,、,Ti,、,Al,形成致密氧化膜,Si,、,Al,、,Ni,、,Cr,、,W,、,Mo,、,Ti,合金钢的分类方法很多，最常用的方法是按用途进行分类,二、合金钢的分类及牌号,小 结,熟悉合金元素在钢中存在的形式和作用,掌握第一第二类回火脆性,了解合金结构钢的牌号及特点,第二节 合金结构钢,合金结构钢,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,超高强度钢,一、合金结构钢的分类及编号,1.,分类,2,编号,一、低合金高强度结构钢,简称低合金高强钢,(high,strength low alloy steel,，,HSLA steel),，广泛用于制造在大气和海洋工作的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆、船舶、输油气管、压力容器等。,成分：,w,C,0.2%,w,Me,3%,性能：塑韧性好，有良好的焊接性及冷加工成形性能。,常加的合金元素：,Mn,、,Ti,、,V,、,Nb,、,RE,作用：强化,F,，,细化晶粒，提高钢的强度。,（一）成分及性能特点,Q295,：,09MnV,、,09MnNb,、,09Mn2,、,12Mn,Q345,：,12MnV,、,14MnNb,、,16Mn,、,16MnRE,、,18Nb,Q390,：,15MnV,、,15MnTi,、,16MnNb,（二）典型牌号,二、合金渗碳钢,经过渗碳热处理后使用的低碳合金钢。,工作环境：主要用于制造在摩擦力、交变接触应力和冲击条件下工作的零件，如齿轮。,性能要求：表面要求高的硬度和耐磨性及高的接触疲劳强度，心部则要求良好的韧性。,低碳,w,c,=0.10,0.25%,，保证零件心部足够的韧性。,加,Cr,、,Ni,、,Mn,、,B,，,钢的淬透性，并改善心部的组织及性能。,加微量,V,、,Ti,、,W,、,Mo,，形成特殊碳化物，阻止,A,。,（一）成分及性能特点,低淬透性合金渗碳钢,20Mn2,、,20MnV,；,中淬透性合金渗碳钢,20CrMn,、,20CrMnTi,；,高淬透性合金渗碳钢,18Cr2Ni4WA,（二）典型牌号,热处理特点：,渗,C+,淬火,+,低温回火,组织：,表层 合金渗,C,体,+,回火,M(,高,C)+,少量,A,心部,低碳回火,M,T(,或低碳回火,M)+,少量,F,三、合金调质钢,经过,调质,处理（淬火,+,高温回火）后使用的中碳合金结构钢。,主要用于制造受力复杂,、,要求综合力学性能的重要零件如精密机床的主轴、发动机的曲轴等等。,中碳,w,C,=0.250.5%,中合金,Mn,Cr,Si,Ni,B,w,Me,=37%,有时加微量,V,，以细化晶粒,高级优质,w,S,P,0.025%,回火脆性小,W,、,Mo,s,800MPa,b,980MPa,10%,45%,a,k,50J.cm,-2,（一）成分及性能特点,（二）典型牌号,低淬透性合金调质钢,40Cr,、,40MnB,中淬透性合金调质钢,35CrMo,、,38CrSi,高淬透性合金调质钢,38CrMoAl,、,40CrNiMoA,四、合金弹簧钢,是用来制造弹簧和其它弹性零件的钢种。如拖拉机和火车上的板弹簧和螺旋弹簧。,弹性比功是关键。,应力,应变,e,应力,应变,中高碳,w,c,=0.45,0.70%,，含,C,量比合金调质钢高，保证高强度和高的弹性极限。,加,Si,、,Mn,、,Cr,、,V,、,Nb,、,Mo,、,W,以提高钢的淬透性和回火抗力，强化铁素体,加,Mo,、,W,、,V,、,Nb,，以降低因,Si,的加入造成的脱,C,敏感性,（一）成分及性能特点,60Si2Mn,含,Si,、,Mn,元素的合金弹簧钢，用于制造截面尺寸,25mm,的弹簧，如汽车脱拉机的板弹簧,50CrVA,含,Cr,、,V,元素的合金弹簧钢，用于截面,30mm,并在,350,400,工作的重载弹簧，如阀门弹簧,（二）典型牌号,热处理：,淬火,+,中温回火,组织：,回火,T,五、轴承钢,用于制造滚动轴承的滚珠、滚柱和套圈等钢种。也可以用于制作精密量具、冷冲模、机床丝杠及柴油机油泵的精密件如阀体、柱塞、柱塞套。,要求具有高的接触疲劳强度，高而均匀的耐磨性及一定的韧性和耐腐蚀性能。,高碳,w,C,=0.95,1.1%,传统轴承钢是,高,C,低,Cr,钢，可以保证钢有高的硬度和强度。,w,Cr,=0.35%,1.95%,，提高钢的淬透性，并形成合金渗碳体，使钢具有高的接触疲劳强度和耐磨性。,对于大型轴承用钢加,Si,、,Mn,、,Mo,可进一步提高淬透性、强度和弹性极限。,轴承钢要求纯度高，,w,S,0.020%,w,P,0.027%,（一）成分及性能特点,含,Cr,轴承钢,GCr9,、,GCr15,、,GCr9SiMn,、,GCr15SiMn,无,Cr,轴承钢，性能和,GCr,15,相当,GMnMoVRe,、,GSiMoMnV,（二）典型牌号,热处理：,淬火,+,低温回火,组织：,回火,M,六、超高强度钢,工程上把抗拉强度,1500MPa,以上的钢称为超高强度钢。主要用于制造飞机起落架、机翼大粱，火箭发动机壳体、液体燃料氧化剂储藏箱、炮筒、枪筒、防弹板等等。,w,C,=0.03%,0.45%,，含,C,范围宽。,按少量多元的原则加入合金元素：,Cr,、,Mn,、,Ni,、,Si,、,Mo,、,V,、,Nb,、,Ti,、,Al,Cr,、,Mn,、,Ni,、,Si,钢的淬透性；,Mo,、,V,、,Nb,、,Ti,、,Al,形成特殊碳化物使钢产生二次硬化，,V,、,Nb,、,Ti,有细化晶粒的作用,（一）成分及性能特点,低合金超高强度钢,w,Me,5%,中合金超高强度钢,5,w,Me,10%,高合金超高强度钢,w,Me,10%,分类,第三节 合金工具钢,一、合金工具钢的分类和编号,二、刃具钢,1),刃具的服役条件,弯曲或扭转应力,;,摩擦,发热,;,冲击,;,震动,2),刃具的常见失效方式,卷刃；崩刃；刀刃磨损；刀体折断,3),对刃具的性能要求,高硬度，高耐磨；足够的强、韧性；高速,切削时高的红硬性,2.,典型合金刃具钢及其热处理,1),高碳低合金刃具钢,(1),典型牌号：,9SiCr,(2),成分特点高碳,（三）中碳合金工具钢,这类钢主要用来制造热作模具，如热锻模、热挤压模、压铸模。,w,c,=0.35,0.60%,加,Mn,、,Ni,、,Si,、,Cr,、,W,、,Mo,、,V,等以,提高钢的淬透性和回火稳定性及强化,F,。,W,、,Mo,可,抑制高温回火脆性。,Cr,、,W,、,Mo,、,Si,还能,提高钢的耐热疲劳性能。,(1),成分及性能特点,5CrNiMo,、,5CrMnMo,、,3Cr2W8V,等,(2),典型牌号,三、新型合金工具钢,第四节 特殊性能钢,特殊性能钢是指具有特殊物理、化学、力学性 能的钢种。通常包括：不锈钢、耐热钢、低温钢和耐磨钢。,（二）耐热钢,耐热钢按其正火组织可分为马氏体型、铁素体型、奥氏体型和沉淀硬化型。,1.,性能要求：高的抗高温氧化能力,高的高温强度,2.,成分特点：在不锈钢的基础上，加入提高,强度、形成致密氧化膜的元素,3.,常用耐热钢,1),马氏体型耐热钢,(1),典型牌号,:4Cr9Si2,（气阀钢）,1Cr12WMoV,（叶片钢）,(2),热处理特点：淬火,(1000,1100),高温回火,(650,800),S,回,(3),性能特点：良好的高温强度,(4),应用：汽轮机叶片,发动机排气阀等,2),铁素体型耐热钢,(1),典型牌号,:,1Cr18Si2,(2),热处理特点：正火处理（,700,800,加热 空冷）,F,(3),性能特点：良好抗高温氧化性,(4),应用：加热炉构件等,3),奥氏体型耐热钢,(1),典型牌号,:,1Cr18Ni12Ti,(2),热处理特点：固溶处理（,1000,1150,加,热水冷或油冷）,A,(3),性能特点：良好抗高温氧化性、热强性,(4),应用：汽轮机叶片等,三、低温钢,低温钢,用于工作温度在,0,以下的零件和构件的钢种,1.,性能要求,1,）低的韧脆转变温度,2,）高的低温韧性,2.,影响金属低温韧性的主要因素,1,）晶体结构：面心立方，高；体心立方，低,2,）化学成分,有益元素：,Ni,、,Mn,有害元素：,C,、,P,、,Si,四、耐磨钢,1.,服役条件,如坦克履带板、破碎机牙板、铁路道岔、冲击钻头等,冲击、摩擦，,2.,性能要求：抗冲击磨损,3.,典型牌号：,ZGMn13,（高锰钢）,W,C,=0.91.5%W,Mn,=1114%,4.,热处理特点,水韧处理,(,固溶处理,),1060,1100,水冷,A,5.,性能特点,强烈的加工硬化能力,良好的抗冲击磨损性,Thanks！,