第6章合金钢PPT课件.ppt
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1、第七章 合金钢,本章介绍合金钢的分类方法、成份和 主要应用。着重介绍各类合金钢的钢号、成份特点、热处理工艺、组织、性能和应用。,重点掌握各类合金钢的钢号、成份特点、热处理工艺、组织、性能以及它们的应用。,内容提要:,学习目标,合金钢的分类,按合金元素含量多少分类,按含主要合金元素分类,按小试样正火或铸态组织分类,按用途分类,低合金钢 合金元素含量低于5%中合金钢 510%高合金钢 高于10%,铬钢铬镍钢锰钢,合金结构钢合金工具钢特殊性能钢,珠光体钢马氏体钢奥氏体钢铁素体钢莱氏体钢,1 合金钢的基础知识,碳钢:价格低,但力学性能低,淬透性低,回火抗力差,不能满足特殊性能要求(如耐热、耐低温、耐蚀
2、等)。 合金钢 :在碳钢的基础上,加入某些合金元素而得到的钢。,碳钢的优点与不足:,优点: 1价格低,容易冶炼; 碳钢3-4千元/吨,合金钢5-6千元/吨 2、加工工艺性好 例:锻、焊、切削加工性好 3、 改善性能好(C%,热处理),不足:,1、淬透性差,2、强度级别低,屈强比低,屈强比,3、回火稳定性差,耐热性差,碳钢制作的刀具,刀刃处工作温度200,高速钢温度600,硬质合金刀具达到1000 。,高速钢的出现,带来高速切削的诞生,给机械加工行业带来了革命性的变化。,4、不能满足特殊性能的要求,1、2、3、4、,正是碳钢的不足,促进了合金钢的进步。,合金钢用量占钢铁材料的比例,反映了一个国家
3、工业技术的水平。,钢中的合金元素,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。,B、N、Al、Si、Ni、Co、Cu 与碳的亲和力较弱,一般以固溶体形式存在。,铁的左边,这些元素与碳作用形成合金碳化物,铁的右边,钢中的合金元素,合金元素对钢中基本相的影响合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。 合金元素对钢的热处理的影响。,溶入F(相)形成合金F:非碳化物元素和部分弱碳化物元素; 例:Mn、Ni、Co、Si、Al、B 产生固溶强化。溶入Fe3C:部分弱碳化物元素,置换出Fe3C中的Fe; 例:Cr、Mn形成合金渗碳体 (Fe.Cr)3C (F
4、e.Mn)3C,合金元素对钢中基本相的影响,溶解碳钢原有相中;形成新相。存在形式决定于元素与碳亲和力、数量和性质。,溶入原有相:,合金元素溶入铁素体后,产生固溶强化,使铁素体的强度、硬度提高,但塑性、韧性都有下降趋势。,合金元素对铁素体相性能的影响,2、形成新相,多是碳化物形成元素,与碳的亲合力比较强,形成合金碳化物。常见有Cr23C6、Fe4W2C、WC、VC、TiC等;,它们具有比渗碳体更高的熔点和更高的硬度。这些元素提高钢的强硬度、耐磨性,降低塑、韧性。,几种化合物的性能,非碳化物形成元素 溶于F 固溶强化弱碳化物形成元素 形成合金 较硬、耐磨,比 渗碳体 Fe3C更稳定强碳化物形成元素
5、 形成特殊 高熔点、硬、耐碳化物 磨,最稳定,合金元素对Fe-Fe3C相图的影响,影响A和F存在的范围Mn、Ni、Co等扩大相区,扩大A存在的区域,如1Cr18Ni9 Ti和Mn13,室温下只有单相A,形成A钢。Cr、Mo、W、V、Ti、Si缩小相区均缩小A存在区域,有可能在室温下只有单相F存在而成为F钢。 如1Cr17Ti高铬铁素体不锈钢,Mn对奥氏体区的影响S、E点左移,因而合金钢中的共析体的含碳量就不再是0.77%,Cr对奥氏体区的影响,使S、E点左移,并使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,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,减缓
6、A化过程(Ni、Co除外),影响A晶粒长大,强烈阻止A晶粒长大的元素:铝、钛、铌、锆 中等阻止A晶粒长大的元素:钨、钼、铬 促进A晶粒长大的元素:锰、磷、碳,合金碳化物熔点高、难分解,障碍C的扩散,热处理时要提高加热温度或延长保温时间。,冷却时对过冷A转变的影响,除Co外,合金元素的加入使C曲线右移。即增大过冷A的稳定性,提高钢的淬透性。增强淬透性常用的元素有: Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。,除 Co、Al 元素外, 所有的合金元素都使马氏体转变温度下降。,合金元素还可能使C曲线形状发生改变,甚至出现两组C曲线,3、对M转变的影响,除Co、Al之外,其余合金元素均使Ms、Mz点下降。
7、结果增加A残量,例:W18Cr4V钢,淬火后A残量达25%;处理办法:冷处理,多次回火,(1)提高钢的回火稳定性:Cr Mo W V Nb Si提高了回火温度,提高了韧性同样的回火温度,硬度较高 原因:减缓碳的扩散和碳化物的长大,推迟马氏体的分解。,4、合金元素对回火转变的影响,(2)产生二次硬化:Mo W V Ti等合金元素使钢在500600回火时硬度升高的现象。,W、Mo、V 等碳化物在550时,使钢达到最高硬度, 产生二次硬化。,例:W18Cr4V钢,淬火后A残量达25%,硬度6063HRC,回火后6365HRC。,原因:1、A残发生向M的转变 2、析出弥散碳化物,(3)回火脆性:,可逆
8、。Ni、Cr使合金钢中多。,Cr-Ni 钢的回火脆性示意图,防止方法:1、消除杂质元素Mn、Cr、Ni向晶界的偏聚。减少杂质元素含量;2、 加入合金元素W、Mo,消除杂质元素的偏聚,提高晶界断裂强度;3、回火后快冷,抑制杂质元素向晶界偏聚.,第一类: 250400 ,低温回火脆性。,第二类: 500600,高温回火脆性。,不能消除.不可逆,防止方法:避开这一温度范围回火。,钢中的合金元素的作用可简单概括P116、118页:,2 合金钢的分类与牌号,当平均含碳量大于或等于1%时不标出。,3 合金结构钢,低合金(高强度)结构钢成分:Wc0.2%,合金含量%3%,主加元素Mn,性能:较高的强度、屈强
9、比、塑、韧性; 良好的焊接性和冷塑性加工性(低碳); 含有耐大气和海水腐蚀的元素(Cu、P)。,用途:桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。,Q345钢(16Mn)综合性能好,用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。,东风号远洋轮船Q345,南京长江大桥Q345,高压容器,Q390钢含V、Ti、Nb,强度高,用于中等压力的容器。,Q460钢含Mo、B,强度最高,用于石化中温高压容器。,热处理及典型钢种,16Mn 360MPa15MnTi、15MnV 400MPa一般在热轧空冷状态下使用,制成构件后不经热处理直接使用。,用途:制造要求高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷的重要零件
10、。如:汽车中传递动力的齿轮,渗碳钢,表层高硬度(58HRC)和高耐磨性;心部良好强度和韧性;高的淬透性以保证渗碳件的心部性能,以便于渗碳后直接淬火。,性能,成分特点:低碳+提高淬透性元素+强碳化物元素,低 碳:0.1%0.25%,以保证零件心部足够的塑性和韧性,抵抗冲击载荷;,辅加Mo、W、V、Ti等强碳化物形成元素,以形成稳定的特殊合金碳化物阻止渗碳时奥氏体晶粒长大。,加入提高渗碳钢的淬透性合金元素:主加Cr、Mn、Ni、B等,保证零件的心部为低碳马氏体,从而具有足够的心部强度;,热处理及典型钢种,渗碳淬火 + 低温回火(180200),低淬透性: 15Cr、20Cr、15Mn2中淬透性:2
11、0CrMnTi、20CrMnMo高淬透性:12CrNi3A、18Cr2Ni4W,低淬透性合金渗碳钢: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: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。高淬透性合金渗碳钢: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。,活塞销( 20Cr ),柴油机曲轴,柴油机凸轮轴,渗碳钢的分类:,渗碳后的组织,表面 中心 1%C 0.2%C P+Fe3C P P+F
12、 F+P少,渗层厚度:表层到1/2过渡层的厚度,20 CrMnTi齿轮制造工艺,工艺路线: 下料锻造正火齿形加工渗碳预冷淬火 低温回火喷丸精磨,热处理工艺曲线,预先热处理:正火,改善锻造组织,降硬度,利于切削最终热处理:淬火低回,最终组织:表层:高碳M回+C化物+A残心部:低碳M回 +F+细P 表层硬度耐磨,心部较 高强度和AK,用途:制造受力复杂(交变应力、冲击载荷等)的重要零件,如发动机连杆、曲轴、机床主轴等。,调质钢,性能:,具有优良的综合力学性能,内外组织性能一致,即既强又韧: 1、高的屈服强度及疲劳极限2、良好的韧性塑性3、局部表面有一定的耐磨性 4、较好的淬透性,中碳:0.25%0
13、.5%(一般0.4%左右,强韧性合理配合)。合金元素 :,主加元素Mn、Si、Cr、Ni、B等,主要作用提高淬透性;次要作用溶入铁素体起固溶强化作用。辅加元素Mo、W、V等强碳化物形成元素,其中Mo、W的主要作用是抑制含Cr、Ni、Mn、Si等合金调质钢的高温回火脆性,次要作用是改善淬透性; V主要作用形成碳化物阻碍奥氏体晶粒长大,起细晶强化和弥散强化作用。,成分特点:中碳+提高淬透性元素+防止回火脆性元素,热处理: 预先热处理:正火处理(合金含量低)或正火高温回火(合金含量高)最终热处理 :调质,即淬火高温回火。,连杆,组织:S回,典型钢种:,低淬透性: 40MnMoB、40Cr 中淬透性:
14、 42CrMo、40CrNiMo 高淬透性:34CrNi3Mo,调质钢40Cr制造连杆螺栓工艺过程,工艺路线: 下料锻造退火(或正火)机械加工(粗加工)调质机械加工(精加工) 装配,40Cr钢制造连杆螺栓的调质处理工艺曲线,预备热处理:改善锻造组织,细化晶粒,适合机械加工;淬火:获得M组织;回火采用水冷防止第二类回火脆性。得到回火S,键槽可用局部表面感应淬火及回火,得到表面组织为S回,提高耐磨性,心部组织保持调质状态不变。调质零件如需要表面良好耐磨性应在调质后安排表面淬火,根据强韧的不同要求,采用不同的回火温度,例:40CrNiMo 850油淬后 回火温度对力学性能的影响,调质钢与渗碳钢的比较
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