机械工程材料-合金钢课件

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1、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主要内容1 概述概述2 合金合金结结构构钢钢3 合金工具钢合金工具钢4 特殊性能钢特殊性能钢碳钢的优缺点：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。常用的合金元素有：Cr、Mn、Ni、Co、Cu、Si、Al、B、W、Mo、V、Ti、Nb、Zr、Re等。

2、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、合金元素在刚中的作用的作用一、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一、合金元素在刚中的作用的作用1.1.改

3、善钢的热处理工艺性能改善钢的热处理工艺性能1)1)细化奥氏体晶粒加入细化奥氏体晶粒加入TiTi、V V、NbNb、ZrZr、AlAl等，形成细小的碳化物颗粒，阻止奥氏体晶等，形成细小的碳化物颗粒，阻止奥氏体晶粒长大粒长大2)2)提高钢的淬透性提高钢的淬透性除除Co Co 以外，其他合金元素都能使钢以外，其他合金元素都能使钢”C”C”曲线向右移动，从而提高钢的淬透性曲线向右移动，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回火火抗

4、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硬度下降的能力，又称回火稳定性。抗硬度下降的能力，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，合合金钢具有较高的回火抗力。金钢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。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。一一些些含含Cr、Mo、V等等

5、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HRCwMo 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，称第第一一类类回回火火脆脆性性；在500 600 回火后缓慢冷却时韧性亦会下降，称第第二二类类回火脆性回火脆性。回

6、火温度回火温度 AK快冷300500650慢冷产生回火脆性的原因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Fe3C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防止第二类回火脆性的措施l固溶强化l第二相强化l细晶强化（二）合金元素提高钢的使用性能（二）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Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr

7、、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（）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（）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

8、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。.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合金元素在钢中作用合金元素在钢中作用细化细化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

9、、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、Ti合金钢的分类方法很多，最常用的方法是按用合金钢的分类方法很多，最常用的方法是按用途进行分类途进行分类二、二、合金钢的分类及牌号合金钢的分类及牌号小 结l熟悉合金元素在钢中存在的形式和作用l掌握第一第二类回火脆性l了解合金结构钢的牌号及特点第二节第二节 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

10、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、合金结构钢的分类及编号一、合金结构钢的分类及编号1.分类分类 l2 编号 一、一、低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢简简称称低低合合金金高高强强钢钢(highstrength low alloy steel，HSLA steel)，广广泛泛用用于于制制造造在在大大气气和和海海洋洋工工作作的的大大型型焊焊接接结结构构件件，如如建建筑筑结结构构、桥桥梁梁、车车辆辆、船船舶舶、输输油气管、压力容器等。油气管、压力容器等。成分：wC0.2%,wMe 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

11、元素：Mn、Ti、V、Nb、RE作用：强化F，细化晶粒，提高钢的强度。（一）（一）成分及性能特点成分及性能特点Q295：09MnV、09MnNb、09Mn2、12MnQ345：12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18NbQ390：15MnV、15MnTi、16MnNb（二）（二）典型牌号典型牌号二、二、合金渗碳钢合金渗碳钢经经过过渗渗碳碳热热处处理理后后使使用用的的低低碳碳合合金钢。金钢。工工作作环环境境：主主要要用用于于制制造造在在摩摩擦擦力力、交交变变接接触触应应力力和和冲冲击击条条件件下下工工作作的零件，如齿轮。的零件，如齿轮。性性能能要要求求：表表面面要要求求高高的的硬硬

12、度度和和耐耐磨磨性性及及高高的的接接触触疲疲劳劳强强度度，心心部部则则要求良好的韧性。要求良好的韧性。低低碳碳wc=0.100.25%，保保证零件心部足够的韧性。证零件心部足够的韧性。加加Cr、Ni、Mn、B，钢钢的的淬淬透透性性，并并改改善善心心部部的的组组织织及及性性能。能。加加微微量量V、Ti、W、Mo，形形成特殊碳化物，阻止成特殊碳化物，阻止A。（一）（一）成分及性能特点成分及性能特点低淬透性合金渗碳钢低淬透性合金渗碳钢 20Mn2、20MnV；中淬透性合金渗碳钢中淬透性合金渗碳钢 20CrMn、20CrMnTi；高淬透性合金渗碳钢高淬透性合金渗碳钢 18Cr2Ni4WA（二）典型牌号

13、（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MT(或低碳回火M)+少量F三、合金调质钢三、合金调质钢经经过过调调质质处处理理（淬淬火火+高高温温回火）后使用的中碳合金结构钢。回火）后使用的中碳合金结构钢。主主要要用用于于制制造造受受力力复复杂杂、要要求求综综合合力力学学性性能能的的重重要要零零件件如如精精密密机床的主轴、发动机的曲轴等等。机床的主轴、发动机的曲轴等等。中碳 wC=0.250.5%中合金 Mn,Cr,Si,Ni,B wMe=37%有时加微量V，以细化晶粒 高级优质 wS,P0.025%回火脆性小 W、Mo s800MP

14、a,b980MPa,10%,45%,ak50J.cm-2（一）（一）成分及性能特点成分及性能特点（二）（二）典型牌号典型牌号低淬透性合金调质钢低淬透性合金调质钢 40Cr、40MnB中淬透性合金调质钢中淬透性合金调质钢 35CrMo、38CrSi高淬透性合金调质钢高淬透性合金调质钢 38CrMoAl、40CrNiMoA 四、合金弹簧钢四、合金弹簧钢是是用用来来制制造造弹弹簧簧和和其其它它弹弹性性零零件件的的钢钢种种。如如拖拖拉拉机机和和火火车车上上的的板板弹簧和螺旋弹簧。弹簧和螺旋弹簧。弹性比功是关键。弹性比功是关键。应力 应变 e应力 应变 中中高高碳碳wc=0.450.70%，含含C量量比

15、比合合金金调调质质钢钢高高，保保证证高高强强度度和和高高的弹性极限。的弹性极限。加加Si、Mn、Cr、V、Nb、Mo、W,以以提提高高钢钢的的淬淬透透性性和和回回火火抗抗力力，强化铁素体强化铁素体加加Mo、W、V、Nb，以以降降低低因因Si的的加入造成的脱加入造成的脱C敏感性敏感性（一）（一）成分及性能特点成分及性能特点60Si2Mn含含Si、Mn元元素素的的合合金金弹弹簧簧钢钢，用用于于制制造造截截面面尺尺寸寸25mm的的弹弹簧簧，如如汽汽车车脱脱拉拉机机的的板板弹簧弹簧50CrVA含含Cr、V元元素素的的合合金金弹弹簧簧钢钢，用用于于截截面面30mm并并在在350400工工作作的的重重载载

16、弹弹簧簧，如如阀门弹簧阀门弹簧（二）典型牌号（二）典型牌号热处理：热处理：淬火+中温回火组织：组织：回火T五、轴承钢五、轴承钢 用于制造滚动轴承的滚珠、滚柱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。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而均匀的耐磨性及一定的韧性和耐腐蚀性能。蚀性能。高碳高碳wC=0.951.1%传传统统轴轴承承钢钢是是高高C低低Cr钢钢，可可以以保保证

17、证钢钢 有有 高高 的的 硬硬 度度 和和 强强 度度。wCr=0.35%1.95%，提提高高钢钢的的淬淬透透性性，并并形形成成合合金金渗渗碳碳体体，使使钢钢具具有有高高的的接接触触疲疲劳劳强强度度和和耐耐磨磨性。性。对对于于大大型型轴轴承承用用钢钢加加Si、Mn、Mo可可进一步提高淬透性、强度和弹性极限。进一步提高淬透性、强度和弹性极限。轴轴承承钢钢要要求求纯纯度度高高，wS0.020%,wP0.027%（一）成分及性能特点（一）成分及性能特点 含含Cr轴承钢轴承钢 GCr9、GCr15、GCr9SiMn、GCr15SiMn无无Cr轴承钢，性能和轴承钢，性能和GCr 15相当相当GMnMoV

18、Re、GSiMoMnV（二）典型牌号（二）典型牌号热处理：热处理：淬火+低温回火组织：组织：回火M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、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储藏藏箱箱、炮炮筒筒、枪枪筒、防弹板等等。筒、防弹板等等。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、Al Cr、Mn、Ni、Si

19、 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）成分及性能特点低合金超高强度钢低合金超高强度钢 wMe5%中合金超高强度钢中合金超高强度钢 5 wMe10%高合金超高强度钢高合金超高强度钢 wMe10%分类分类第三节第三节 合金工具钢合金工具钢一、合金工具钢的分类和编号一、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

20、、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（三）中碳合金工具钢 这这类类钢钢主主要要用用来来制制造造热热作作模模具具，如如热热锻锻模模、热热挤挤压压模、压铸模。模、压铸模。wc=0.350.60%加加Mn、Ni、Si、Cr、W、Mo、V等等以以提提高高钢钢的的淬淬透透性性和和回回火火稳稳定定性性及及强强化化F。W、Mo可可抑抑制制高高温温回回火火脆脆性。性。Cr、W、Mo、Si还还能能提提高高钢钢的的耐热疲劳性能。耐热疲劳性能。(1)成分及性能特点成分及性能特点5CrNiMo、5CrMnMo、3C

21、r2W8V等等(2)典型牌号典型牌号三、新型合金工具钢三、新型合金工具钢新型新型合金工具钢合金工具钢基体钢基体钢 冷模具钢冷模具钢 热模具钢热模具钢 第四节第四节 特殊性能钢特殊性能钢特殊性能钢是指具有特殊物理、化学、力学性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、低温能的钢种。通常包括：不锈钢、耐热钢、低温钢和耐磨钢。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)

22、典型牌号:4Cr9Si2（气阀钢）1Cr12WMoV（叶片钢）(2)热处理特点：淬火(10001100)高温回火(650800),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（700800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（10001150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l低温钢用于工作温度在0以下的零件和构件的钢种l1.性能要求l 1）低的韧脆转变温度l 2）高的低温韧性l2.影响金属低温韧性的主要因素l 1）晶体结构：面心立方，高；体心立方，低l 2）化学成分l 有益元素：Ni、Mnl 有害元素：C、P、Si四、耐磨钢l1.服役条件l如坦克履带板、破碎机牙板、铁路道岔、冲击钻头等l 冲击、摩擦，l2.性能要求：抗冲击磨损l3.典型牌号：ZGMn13（高锰钢）l WC=0.91.5%WMn=1114%l4.热处理特点l水韧处理(固溶处理)l10601100水冷,Al5.性能特点l强烈的加工硬化能力l良好的抗冲击磨损性