武汉理工大学工程材料第7章ppt课件.ppt

工程材料机械制造基础-,第七章 合金钢,机电工程学院 金工学部 王志海,第七章 合金钢(Alloyed Steel),合金钢的基础知识合金结构钢合金工具钢特殊性能钢,第一节 合金钢的基础知识,一.合金元素对钢的组织和性能的影响,合金元素与铁和碳的作用。,合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。,合金元素对钢的热处理的影响。,一)合金元素与铁和碳的作用,1.溶于基体中形成合金 F 或合金 A。,2.与碳作用形成合金碳化物(Fe,Cr)3C。,3.单独形成特殊碳化物 TiC、VC。,1.溶于基体中形成合金F或合金A,1.溶于基体中形成合金F或合金A,2.与碳作用形成合金碳化物,Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr,弱碳化物元素:Fe、Mn。,中强碳化物元素:Cr、Mo、W。,强碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。,碳化物形成元素在周期表中都是位于铁元素的左边的过渡族金属元素,它们都有一个未填满的d电子亚层,当形成碳化物时,碳原子首先将其价电子填入金属原子未填满的d电子亚层,使形成的碳化物具有金属键结合的性质,金属原子的d电子亚层愈不满(周期表中,在铁左边离铁愈远),则其与碳的亲和力愈强,形成碳化物的能力愈大,愈稳定,而且不易分解。,3.单独形成特殊碳化物,熔点、硬度、耐磨性最高。,稳定性最高。,TiC、NbC、VC。,二)合金元素对Fe-Fe3C相图的影响,扩大奥氏体区缩小奥氏体区改变共晶点和共析点的参数,1.扩大奥氏体区的合金元素,Mn、Ni、Co等元素。,作用:使A3线温度下降,A4线温度上升。,Mn 元素对奥氏体区的影响,2.缩小奥氏体区的合金元素,Cr、Mo、W、V、Ti、Si 等元素。,作用:使A3线温度上升,A4线温度下降。,Cr 元素对奥氏体区的影响,3.改变共晶点和 共析点参数的元素,几乎所有的合金元素。,作用:使S点和E点的成分向左移。使A1线的温度变化。,合金元素对 S 点成分的影响,合金元素对A1线的影响,三)合金元素对钢的热处理的影响,加热时对奥氏体形成的影响对过冷奥氏体转变的影响对回火转变的影响,1.合金元素对加热时 奥氏体形成的影响,除Mn 元素外,所有合金元素的加 入,均使奥氏体的形成速度减慢。,强碳化物形成元素能强烈的阻止奥 氏体晶粒长大(Ti、V、Zr、Nb 等)。,非碳化物形成元素能轻微的阻止奥 氏体晶粒长大(Si、Ni、Cu、Co 等)。,2.合金元素对 过冷奥氏体转变的影响,除 Co 元素外,所有的合金元素均使 钢的 TTT 曲线向右移。,除 Co、Al 元素外,所有的合金元素 都使马氏体转变温度下降。,提高钢的淬透性,常用的元素有:Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。,3.合金元素对回火转变的影响,回火抗力的增加(temper resistance),二次硬化的产生(secondary hardening),产生回火脆性(temper brittleness),W、Mo、V 等碳化物在550时,使钢达到最高硬度,产生二次硬化。,Cr-Ni 钢的回火脆性示意图,防止第二类回火脆性的产生的方法:,在500600 快速冷却。,加入合金元素W、Mo。,二.合金元素在钢中的作用,1.主加元素:对提高钢的性能起主要作 用。Si、Mn、Cr、Ni、B。,2.辅加元素:配合主加元素进一步提高 钢的性能,弥补主加元素的 不足与缺陷。W、Mo、V、Ti、Nb。,第二节 合金结构钢(Alloy Constructional Steel),普通低合金钢合金渗碳钢 合金调质钢弹簧钢滚动轴承钢易切削钢,一.普通低合金钢(common low alloyed steel),1.化学成分:碳素结构钢+合金元素,主加合金元素:Mn 1.8%以内。,辅加合金元素:V、Ti、Nb、B。,一.普通低合金钢,2.牌号:Q 345 C,一.普通低合金钢,Q460钢含Mo、B，正火组织 为B，强度高，用于石化中温 高压容器。,压力容器,南京长江大桥,Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大 型钢结构。,Q390钢含V、Ti、Nb，强度 高，用于中等压力的容器。,二.碳素渗碳钢及合金渗碳钢(carbon case-hardened steel and alloy case-hardened steel),1.对渗碳钢的性能要求:,2.对渗碳钢的含碳量的要求:,低碳,3.渗碳钢的热处理特点:,表硬里韧,Wc 0.25%,Wc=0.150.25%,合金元素:Cr、Mn、Ni、B、V、W、Mo、Ti等。,表层:M回+Fe3C+A残,心部:F+P,表层:M回+Cm+A残,心部:低碳M回+F,4.合金渗碳钢的牌号,20 Mn2 Ti A,5.典型合金渗碳钢种介绍,低淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量3%15Cr、20Cr、20Mn2。用 于受力小的耐磨件，如柴 油机的活塞销、凸轮轴等。,中淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在4%左 右。20 CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷 的耐磨件，如变速箱齿轮。,柴油机凸轮轴,活塞销(20Cr),5.典型合金渗碳钢种介绍,高淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在 4%6%。18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。用于大载荷 的耐磨件，如柴油机曲轴。,柴油机曲轴,20 CrMnTi 钢制造齿轮的 热处理工艺曲线,三.碳素调质钢及合金调质钢(carbon hardened tempered steel and alloy hardened tempered steel),1.对调质钢的性能要求:,既强又韧,2.对调质钢的含碳量的要求:,中碳,3.调质钢的热处理特点:,淬火+高温回火(500650),Wc=0.250.6%,Wc=0.250.5%,合金元素:Cr、Mn、Ni、B、Si、V、W、Mo、Ti等。,表层:S回,心部:P+F,表层:S回,心部:S回,4.合金调质钢的牌号,38 Cr Mo Al A,5.典型合金调质钢种介绍,低淬透性调质钢,钢含合金元素总量3%。,40Cr、40MnB等。,中淬透性调质钢,钢含合金元素总量在4%左右。,38 CrSi、35 CrMo 等。,常用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。,5.典型合金调质钢种介绍,高淬透性调质钢,钢含合金元素总量在4%10%。,制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的零件等。38 Cr Mo Al A、40 Cr Mn Mo、25 Cr2 Ni4 W A等。,40Cr钢制造连杆螺栓的 热处理工艺曲线,四.碳素弹簧钢及合金弹簧钢(carbon spring steel and alloy spring steel),1.对弹簧钢的性能要求:,高的e、高的s/b、高的-1、良好的韧性。,2.对弹簧钢含碳量的要求:,中、高碳。,3.热成型弹簧钢的热处理特点:,淬火+中温回火(450550),碳素弹簧钢,合金弹簧钢,化学成分,热处理后的组织,Wc=0.60.9%,Wc=0.50.7%,合金元素:Si、Mn、Cr、V、W、Mo等。,T回,制造尺寸小于815mm的小型弹簧。,T回,制造尺寸在2025mm左右的弹簧。,4.合金弹簧钢的牌号,6565 Mn60 Si 2 Mn50 Cr V A50 Cr Mn A55 Si Mn Mo V Nb,5.冷成形弹簧生产工艺特点,用于生产尺寸小于815mm的小型弹簧,常用弹簧钢丝(片)冷绕成形,其制造方法有:T组织冷成型+200300去应力 退火。60、75、85、65 Mn。T回组织冷成型+去应力退火。退火组织冷成型+淬火+中温回火。55Si2Mn、60Si2MnA、50CrVA。,五.滚动轴承钢(bearing steel),1.性能要求:,高的硬度强度和耐磨性;高的接触疲劳强度;足够的韧性和耐蚀性;高的纯净度;,五.滚动轴承钢(bearing steel),2.化学成分特点:,高碳,Wc=0.91.1%。主加Cr,0.41.65%辅加Si、Mn。优质钢材。,五.滚动轴承钢(bearing steel),3.热处理特点:,球化退火+淬火+低温回火,极细回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体,4.滚动轴承钢的牌号,G Cr9 Si Mn,5.铬轴承钢制造轴承的工艺路线,锻造 球化退火 机加工 淬火+冷处理(60 80;1h)低温回火 磨削加工 稳定化处理(120 130；5 10h),六.易切削钢(fee cutting steel),2.性能要求:,降低切削力和切削热,减少刀具磨损,延长刀具寿命,改排屑性能,提高切削速度。,3.化学成分特点:,1.用途:,适用于高速切削和在自动加工机床上加工的材料。,S:Ws=0.080.3%Pb:WPb=0.150.25%Ca:微量,4.易切削钢的牌号,Y 40 Mn,5.易切削钢的热处理工艺特点,低碳易切削钢(Y12、Y15、Y20)渗碳或淬火成低碳马氏体。,中碳易切削钢(Y40)调质及表面淬火。,第三节 合金工具钢(Alloy tool steel),合金刃具钢(alloy cutting steel)合金模具钢(alloy die steel)合金量具钢(alloy measuring steel),量 具,刃 具,一.碳素刃具钢(carbon cutting steel),1.性能要求:,高硬度、高耐磨性,有一定的强度和韧性。,2.化学成分特点:,高碳。,3.热处理特点:,淬火+低温回火,4.组织:M回+Fe3C+A残,5.用途:用于低速、低温(200）、低冲击、硬度在HRC62左右的 刃具。,一.碳素刃具钢(carbon cutting steel),锉 刀,手 锤,二.合金刃具钢(alloy cutting steel),种类:低合金刃具钢;高速钢。牌号:,1.低合金刃具钢,1.性能要求:,高硬度、高耐磨性、有一定的红硬性、强度和韧性,工作温度不超过300。,2.化学成分特点:,*高碳*加入Cr、Mn、Si、W、V 等合金元素。,3.热处理特点:,9 SiCr 钢板牙热处理工艺曲线,板牙,2.高速钢(high speed steel),(1)性能要求:,高硬度、高耐磨性、高的红硬性(600时,HRC63以上)、有一定的强度和韧性。,高速钢-锋钢、风钢;18 4 1 钢,(2)化学成分特点:,高碳 0.71.5%:,钨 18%:,钼 5%:,铬 4%:,钒1.5%:,保证高硬度,退火状态下形成M6C碳化物,在560左右回火时,弥散析出W2C,造成二次硬化,提高钢的红硬性。,1%Mo的作用等同于2%W。,形成Cr23C6碳化物;提高钢的淬透性。,形成VC,硬度极高,提高钢的硬度和耐磨性,产生二次硬化。,(3)W18Cr4V钢的生产工艺及 热处理特点,铸造 锻造 球化退火 机加工 淬火+三次570回火 磨削加工,铸造:高速钢属于莱氏体钢,铸态组织 中含有大量呈鱼骨状分布的粗 大共晶碳化物M6C,钢的韧性大 幅下降。,W18Cr4V钢的铸态组织,W18Cr4V钢的铸态组织,W18Cr4V铸态组织 420,锻造:鱼骨状碳化物不能用热处理来消除,只能依 靠反复多次锻打来击碎。,W18Cr4V锻造组织 210,球化退火:消除应力,调整组织,便于机加工,为淬火作好组织准备。,球化退火后的组织:S+粒状 Cm,W18Cr4V球化退火组织 420,W18Cr4V钢的热处理过程示意图,淬火:1280;淬火后的组织:M+Cm+A残(2025%),W18Cr4V钢淬火组织,W18Cr4V淬火组织 300,三次570回火,在570回火时,产生二次硬化。,三次570回火,*淬火后A残约2025%。,*第一次回火后A残约剩1518%。,*第二次回火后A残约剩35%。,*第三次回火后A残约剩12%。,回火后的组织:M回+Cm+A残(1 2%),组织硬度为HRC65以上。,W18Cr4V淬火+一次回火组织,W18Cr4V淬火+一次回火组织 105,W18Cr4V淬火+三次回火组织,W18Cr4V淬火+三次回火组织 420,三.合金模具钢(alloy die steel),热作模钢:工作温度为600以上。,冷作模钢:工作温度为200300。,一)热作模钢(hot die steel),1.性能要求:,高的热硬性、高温耐磨性;高的抗氧化能力;高的热强性和足够高的韧性;高的热疲劳抗力(防止龟裂);高的淬透性和导热性;,2.化学成分特点:,中碳 0.30.6%;合金元素:Cr、Ni、Mn、Si、Mo、W、V。,曲轴模具,3.热处理特点:*热锻模钢:5 CrMnMo 热处理工艺:淬火+550回火 热处理后的组织:S回或T回,3.热处理特点:*热压模钢:3 Cr2W8V 热处理工艺:淬火+600三次回火 热处理后的组织:M回+Cm粒状,汽车四缸压铸模,二)冷作模钢(cold die steel),1.性能要求:,高的硬度,HRC62;高的耐磨性;足够高的韧性与疲劳抗力;热处理变形小;,2.化学成分特点:,高碳 12%;合金元素:Cr,Mo、W、V。,汽车冲压模具,3.热处理特点:*一次硬化法:淬火+低温回火(9501000)(150180)*二次硬化法:淬火+三次回火(11001000)(510520),热处理后的组织:M回+Cm+A残,牌号:Cr12、Cr12MoV,四.合金量具钢(alloy measuring steel),1.性能要求:,高的硬度,HRC62;高的耐磨性;高的尺寸稳定性;足够高的心部韧性;热处理变形小;尺寸稳定;良好的耐蚀性;,3.热处理特点:,4.热处理后的组织:M回+Cm,5.牌号:CrWMn、4Cr13、GCr15、9SiCr、T12A、60等。,2.化学成分特点:,高碳 0.91.5%;合金元素:Cr,Mn、W。,CrWMn钢制造块规退火后的 热处理工艺,第四节 特殊性能钢(special performance steel),不锈钢(stainless steel)耐热钢(heat resistant steel)耐磨钢(wear resistant steel),一.不锈钢(stainless steel),1.定义:在腐蚀介质中具有很高的抗腐 蚀能力的钢。,2.概念:*在空气中的年腐蚀量为0.01mm 以内的钢,称为在空气中使用的 不锈钢。*在强酸、强碱介质中的年腐蚀 量为0.1mm以内的钢,称为在强 酸、强碱介质中使用的不锈钢。,3.金属腐蚀的机理,金属腐蚀的种类:,1)化学腐蚀:金属与介质(干燥气体和 非电解质溶液)发生化学 反应而产生的腐蚀。例如:高温氧化、脱碳等。,2)电化学腐蚀:金属与介质(电解质溶 液,即酸、碱、盐溶液)发生电化学反应而产生 的腐蚀。,电化学腐蚀过程示意图,珠光体电化学腐蚀示意图,4.金属的防腐措施:,1)覆盖层保护:涂漆、电镀、发蓝、磷 化等工艺。,2)形成氧化层:加入合金元素Cr、Al、Si 等,形成Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜。,3)提高金属的电极电位:加入合金元素 Cr、Ni、Si等,提高金属 基体的电极电位。,4)使钢在室温下呈单相组织:加入合金元素 Mn、Ni、Co等能扩大 区,可在室温获得奥氏体钢。加入合金元素 Cr、Mo、W、V、Ti、Si 等能扩大区,可在室温获得铁素体 钢。,5)减少与消除钢中的各种不均匀现象:偏析、应力、组织等。,6)牺牲阳极保护阴极:镶嵌一些比金属 或合金基体电极电位更低的金属块。,5.化学成分特点:*低碳:耐蚀性要求愈高,碳含量愈低。*合金元素:主加Cr。辅加Ni、Mo、Cu、Ti、Nb、Mn 等。,6.常用的不锈钢:*马氏体型不锈钢*铁素体型不锈钢*奥氏体型不锈钢,1)马氏体型不锈钢-Cr13型钢 Martensitic stainless steel,化学成分特点:Wc=0.1 0.4%WCr=13%,热处理特点:正火后的组体是马氏体。,牌号:1Cr134Cr13,用途:医疗器械,医用镊子,1Cr13金相组织图,1Cr13供货状态组织(化染)580,2)铁素体型不锈钢(Ferritic stainless steel),化学成分特点:Wc=0.1%左右 WCr=17%,热处理特点:不能进行热处理强化。,牌号:1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等。,用途:化工设备中要求耐蚀性高、塑 性好、强度低的容器、管道等。,铁素体型不锈钢的用途,硝酸生产装置,合成氨生产装置,3)奥氏体型不锈钢-18 8型钢(Austenitic stainless steel),化学成分特点:Wc=0.08 0.14%WCr=1719%WNi=811%Cu、Ti、Mo等。,加工特点:不能进行热处理强化,只能 冷塑性变形强化。,热处理特点:固溶处理;稳定化处理;消除应力退火。,牌号:0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti。,用途:化工容器、管道等。,1Cr18Ni9Ti固溶处理组织金相图,1Cr18Ni9Ti固溶处理组织 580,二.耐热钢(heat-resisting steel),1.定义:在高温下具有抗氧化性和高温 强度的特殊钢。,2.性能要求,抗氧化性(热稳定性),高温强度(热强性),蠕变强度,持久强度,3.提高钢的耐热性的途径:加入合金元素Cr、Si、Al等,在 钢的表面形成稳定、致密的氧化膜。,4.提高钢的耐热性的途径:1)固溶强化:加入W、Mo、Nb、Ti、V等元素强化基体;提高再结晶温度。2)弥散强化:加入Nb、V、Ti等元素形 成碳化物,在晶内弥散析出,阻碍位错 的滑移,提高塑变抗力。,3)晶界强化:加入Mo、V、B、Zr 等元 素,形成粗晶,减少晶界,使晶界强化。,5.钢种及 用途,抗氧化钢(不起皮钢):奥氏体型钢1Cr18Ni9Ti等,工作温度 850。,热强钢,珠光体型 16Mo，工作温度 600。,马氏体型1Cr13，工作温度 600。,奥氏体型18-8型，工作温度 850。,耐 热 钢 的 用 途,三.耐磨钢(wear-resistant steel),1.定义:在强烈冲击载荷作用下发生冲击 形变硬化的高锰钢。,三.耐磨钢(wear-resistant steel),2.性能要求:高硬度、耐磨性、韧性。,3.化学成分特点:,高碳 Wc=11.3%高锰 WMn=1114%,4.热处理特点:,水韧处理。,5.室温组织:过饱和单相奥氏体。,水韧处理的工艺特征,铸态组织高锰钢,A,A,表层MHB500,心部AHB220,A+Cm,高锰钢铸态组织,高锰钢铸态组织(化染)58,高锰钢水韧淬火组织金相图,高锰钢水韧淬火组织(化染)58,高锰钢水韧淬火+回火组织金相图,高锰钢水韧淬火+回火组织(化染)105,5.牌号,ZG Mn13-1,高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件。如拖拉机的履带板、球磨机的衬板、破碎机的牙板、挖掘机的铲齿和铁路的道岔等。,本章的作业,P 157 2、8、9、11、12、13、14、,欢迎进入第八章学习内容,