合金结构钢.doc

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合金钢-合金结构钢
一、合金元素的作用
（一）合金元素与铁和碳的作用
合金元素在钢中主要以两种形式存在：合金铁素体与合金碳化物
1、镍、硅、铝、钴、铜等与碳的亲和力很弱的元素，在此钢中不与碳化合，但能溶入铁素体，称为合金铁素体。
２、锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等与碳亲和力较强，在钢中形成碳化物。通常称锰为弱碳化物形成元素；铬、钼、钨为中强碳化物形成元素；钒、铌、锆、钛为强碳化物形成元素。
（二）合金元素对Fe－C相图的影响
1、 合金元素对单相奥氏体相区的影响
合金元素会使奥氏体的单相区扩大或缩小。Mn、Ni、Co、C、N、Cu等元素扩大了奥氏体相区，即使A3点下降，如高锰钢或高镍钢在室温下仍为奥氏体组织，被称为奥氏体钢。而Cr、W、Mo、V、Ti、Si、Al、等元素使A3点上升，即使奥氏体区缩小，为铁素体形成元素。
2、 合金元素对S点和E点的影响
几乎所有元素均使S 点和E点左移。
（三）合金元素对钢力学性能的影响
强化铁素体；形成合金碳化物；细化晶粒 ；提高钢的淬透性；提高钢的回火稳定性。
要说明的是：对钢而言，马氏体强化是最经济、最有效的综合强化手段。合金元素最重要的作用是提高了钢的淬透性，保证钢淬火能获得马氏体组织。合金元素只有通过热处理才能充分发挥和表现出来。
1、 强化铁素体
大多数合金元素(如Ni、Si、Al、Co等)都能不同程度地溶解在铁素体中，引起铁素体的强度和硬度提高，而塑性、韧性却有所下降 。
形式：间隙固溶体和置换固溶体。
作用: 产生固溶强化作用，使铁素体硬度、强度提高，塑性韧性下降。
2、形成合金碳化物
（1）合金渗碳体
条件：Mn、Cr、Mo、W等弱及中强碳化物元素。
形式：(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C、(Fe、W)3C。
作用：提高渗碳体稳定性及硬度。
（2）特殊碳化物
条件：V、Nb、Ti等强碳化物形成元素。
形式：VC、TiC。
作用：提高渗碳体的熔点、硬度和耐磨性。
3、细化晶粒
原因：合金元素在钢加热时抑制奥氏体晶粒长大。
存在形式：化合物（VC、TiC、AlN、Al2O3）。
4、提高钢的淬透性
除Co外，所有的合金元素溶解于奥氏体后，均可增加过冷奥氏体的稳定性,使C曲线右移。
常用的提高淬透性的合金有：钼、锰、铬、镍和硼等。如微量的硼（0.0005%～0.003%）即能明显的提高钢的淬透性。
5、提高钢的回火稳定性
钢在回火时，抵抗软化的能力称为回火稳定性。
原因：由于合金元素的阻碍作用，使马氏体不易分解，碳化物不易析出，即使析出后也不易长大，所以钢在 回火过程中硬度下降较慢。
二、合金钢的分类
1、分类
按用途分类：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢。
而合金结构钢又分为：低合金结构钢、机械制造用钢；机械制造用钢又分为：合金渗碳钢、合金调质钢、超高强度钢、弹簧钢、滚动轴承钢。
按合金元素总含量分类：
低合金钢 ωMe<5%
中合金钢 ωMe=5%~10%
高合金钢 ωMe>10%
【提问】低合金钢是不是低碳钢？
按冶金质量不同分为：优质钢、高级优质钢、特级优质钢。
低碳合金钢用于渗碳件，中碳合金钢用于调质件，高碳合金钢用于制造较大的弹簧。
三、合金结构钢牌号及表示方法
合金结构钢的牌号与优质碳素结构钢很相似，优质碳素结构钢是由两个数字表示，两个数字表示含碳量的万分之几，而合金结构钢除了表示含碳量的两个数字外，还加上了合金元素符号和和合金元素的含量，即：数字＋合金元素符号＋数字。
（1）合金元素符号最前的数字表示含碳量
低合金结构钢（旧）、机械制造用钢（除滚动轴承钢），用二位数字表示平均含碳量(以万分之几计)。
（2）紧跟合金元素符号后的数字表示合金元素含量
平均合金含量小于1.5%时，牌号中仅标明元素，一般不标明含量。当平均合金含量≥1.5%、2.5%、3.5%……时，则相应地以2、3、4……表示。
（3）高级优质合金钢(含S、P较低)，在牌号尾部加符号“A”

（4）为了表示钢的专门用途，在牌号头部附以相应用途符号。
高碳铬轴承钢，其含铬量用千分之几计，并在牌号头部加符号“G”。例如，平均含铬量为0.9%的轴承钢， 其牌号表示为“GCr9”。
（5）低合金钢高强度结构钢的编号
新牌号表示方法与碳素结构钢相同，如:Q3４５Ａ
编号：Q+数字＋质量等级符号.脱氧方法符号

旧牌号表示方法同机械制造用钢相同。
三、典型合金结构钢的特点及应用
1、低合金结构钢
成分：在碳素结构钢的基础上加入少量合金元素制成的，其含碳量<0.2%，合金元素总量<3%。主要靠加入Mn、Si等元素强化铁素体，提高强度；加入V、Ti等元素细化组织，提高韧性；加入Cu、P等元素提高耐蚀性。
性能：具有较高的强度，良好的综合机械性能，特别是有较高的屈服强度。有良好的塑性、焊接性能、耐腐蚀性，更低的冷脆转变温度。因而常称为低合金高强度钢。
应用：一般工程结构和机械零件，如桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油管道、建筑钢筋等。 常用的低合金结构钢有;09MnNb、16Mn、15MnTi。
2、合金渗碳钢
性能：不管是在飞机上还是在汽车上总会有一些零部件经常要遭受强烈的摩擦磨损，同时又要承受较大的交变载荷，有的还会承受冲击载荷作用，比如，一些齿轮、活塞销和凸轮等，要想让它们满足使用条件，必须是表面要就要高的硬度和耐磨性，此外，心部应具有足够的韧性和强度，即表硬内韧，否则在交表载荷和冲击载荷作用下很容易断裂，那么那种钢能满足这个条件呢？
应用：合金渗碳钢，通过渗碳处理，使钢件表面含碳量增加，在保证内部的韧性和强度的同时，提高了其表面的耐磨性和硬度。常用的合金渗碳钢有：
【举例】飞机、汽车变速箱齿轮和汽车后桥齿轮、凸轮轴、活塞销等机器零件。
常见牌号：20CrMnTi，20Cr，18Cr2Ni4WA

3、合金调质钢
成分：含碳量在0.25%～0.50%，合金元素有Cr、Ni、Mn、Si、B等。
合金调质钢是在中碳钢(30、35、40、45、50)的基础上加入一种或数种合金元素，以提高淬透性和耐回火性，使之在调质处理后具有良好的综合力学性能的钢。
合金调质钢常用来制造负荷较大的重要零件，如发动机轴、连杆及传动齿轮等。表面要求很高的硬度、耐磨性和疲劳强度的零件，可采用氮化钢38CrMoAlA，其热处理工艺是调质和氮化处理。
性能：具有良好的综合力学性能。
应用：机床主轴、汽车底盘的半轴、柴油机连杆螺栓等。
钢种及牌号：见表7-5

【提问】对于飞机的起落架支柱来说，选材应注意什么？因为它经常要承受冲击载荷的作用，应该选择强度大，韧性好的材料。哪种材料能胜任呢？
4、超高强度钢
性能：所谓超高强度钢，通常是指使用强度≥1500MPa的钢。飞机上常选用这类钢制造起落架、机翼大梁等大型零部件。
应用：超高强度钢主要用于航空和航天工业，如35Si2MnMoVA钢其抗拉强度可达1700N/mm2，用于制造飞机的起落架、框架、发动机曲轴等；40SiMnCrWMoRe钢工作在300℃～500℃时仍能保持高强度、抗氧化性和抗热疲劳性，用于制造超音速飞机的机体构件。 30CrMnSiNi2A 制作飞机起落架，重要螺栓等。40CrMnSiMoVA 无镍超高强度钢，制作机翼大梁，起落架等。
5、弹簧钢
成分：碳含量在0.50%～0.7%，主加元素硅、锰；辅加钨、钒等。
在非合金弹簧钢的基础上,加入合金元素，用于制作重要弹簧的钢种，称为合金弹簧钢。
合金弹簧钢中加入的合金元素主要是Mn、Si、Cr、V、Mo、W、B等。
应用：制造各种弹性元件，如在汽车、拖拉机、坦克、机车车辆上制作减震板簧和螺旋弹簧等。
钢种及牌号：见表7-7。

6、滚动轴承钢
性能：滚动轴承钢工作时，承受着高而集中的交变应力，同时在滚动体和套圈之间还产生强烈的摩擦。因此，滚动轴承钢要求具有高而均匀的硬度和耐磨性，高的弹性极限和接触疲劳强度，足够的韧性和淬透性，一定的抗蚀能力。另外对钢的纯度(非金属夹杂物等)、组织均匀性、碳化物的分布情况及脱碳程度等都有严格的要求。
应用：滚动轴承钢用来制造各种轴承的滚珠、滚柱和内外套圈，也用来制造各种工具和耐磨零件。
目前应用最多的滚动轴承钢有：GCr15主要用于中小型滚珠轴承、衬套、涡喷发动机喷嘴喷口等；GCr15SiMn主要用于大轴承、钢球和滚子等。

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