第61章碳钢及合金钢课件.ppt

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1、非合金钢合金钢铸铁非铁合金,主要内容,金 属 材 料,金属材料的分类,金属,黑色金属,碳钢,合金钢,铸铁,有色金属,铜及铜合金,铝及铝合金,钛及钛合金,轴承合金,铜及铜合金,铝及铝合金,非合金钢（碳钢）,碳钢中的元素,杂质元素：,钢中除Fe、C两种主要组成元素外。,合金元素：,因冶炼等原因，钢中不可避免地存在的一些元素。,为改善钢的性能，冶炼时有目的地加入钢中的元素。,杂质元素和合金元素在钢中的作用,不管是杂质元素、还是合金元素，,都会对钢的组织和性能产生影响。,1、Si的作用,来 源,有益作用,有害影响,炼钢时加入的脱氧剂。,能消除FeO夹杂对钢的不良影响，少量能溶入F中起固溶强化作用，提高

2、钢的强度、硬度及弹性。,过多会造成塑性下降，冲击性能变差。,有益元素,2、Mn的作用,来 源,有益作用,有害影响,炼钢时加入的脱氧剂。,能与S化合形成MnS，减轻S的有害影响；少量能溶入F 中起固溶强化作用。,过多会造成塑性下降。,有益元素,3、S的作用,来 源,有益作用,有害影响,炼钢原料和燃料。,在钢中形成FeS , FeS与Fe形成低熔点（985）共晶体 分布在晶界上，使得对钢进行热加工时容易脆化开裂，这种现象称为热脆。,有害元素,4、P的作用,来 源,有益作用,有害影响,炼钢原料和燃料。,引起钢的塑性和韧性急剧下降，尤其在低温时脆性更大，这种现象称为冷脆。,有害元素,少量能溶入F中，使

3、强度、硬度显著提高。,杂质元素总结：,元素有益与有害是相对的：,硅、锰虽有益，但也不是多多益善；,硫、磷虽有害，应该严格控制含量。,钢的分类,按化学成分分类,非合金钢（碳素钢）,低合金钢,合金钢,按碳含量Wc,低碳钢：,0.25%,中碳钢：,0.250.60%,高碳钢：,0.60%,按质量,普通质量碳钢：,优质碳钢：,特殊质量碳钢：,按用途,非合金钢分类,碳素结构钢：,碳素工具钢：,碳素铸钢：,按质量,普通质量低合金钢,优质低合金钢,特殊质量低合金钢,按主要性能及特性,可焊接的低合金高强度结构钢,低合金耐热钢,低合金钢筋钢,低合金钢分类,铁道用低合金钢，等,按质量,优质合金钢,特殊质量合金钢,

4、按主要性能及特性,工程结构用合金钢,机械结构用合金钢,不锈、耐蚀和耐热钢,合金钢分类,工具钢,轴承钢,特殊性能钢,非合金钢（碳钢）,碳素结构钢,优质碳素结构钢,碳素工具钢,铸造碳钢,1、碳素结构钢：,QAF,屈服点,屈服点s的值,质量等级：A、B、C、D、E,脱氧方法,沸腾钢F,半镇静钢b,镇静钢Z,特殊镇静钢TZ,例：,Q235AF,表示屈服点为235MPa、质量为A级的碳素结构钢，是沸腾钢。,Q285B,表示屈服点为285MPa、质量为B级的碳素结构钢，是镇静钢，省略Z。,碳素结构钢,成 分,热 处 理,性 能,典型牌号,含碳量较低，Wc0.30%,正火，使用时不进行热处理。,较高的强度，

5、良好的塑性与韧性；并具有良好的焊接性。,Q235,Q195、Q215、Q235、Q255、275,一般桥梁、建筑结构，普通机械零件，如螺钉、螺母等。,可用于受力较大的机械零件，如链轮、拉杆等。,应 用,2、优质碳素结构钢：,用两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万分数。,例：,45, 表示平均碳质量分数为0.45%的优质碳素结构钢。,08F,表示Wc为0.08%的优质碳素结构钢，属沸腾钢。,65Mn,表示Wc为0.65%、含锰量较高（WMn=0.91.2%)的优质碳素结构钢。,优质碳素结构钢,性 能,典型牌号,Wc=0.05-0.85%，多数为低中碳成分，少数高碳。,一般使用时必须进行热处理。,

6、较高强度，较好塑性与韧性。性能变化范围较大。,45,成 分,热 处 理,08F、 20、 45、 65,冷冲压件，如汽车和仪表外壳、容器、罩子等。,冷冲压件、焊接件和标准件、渗碳件等零件。,调质件：机床齿轮、机床主轴、曲轴、连杆等重要零件。,弹性件和耐磨件：小尺寸弹簧、低速车轮等,应 用,3、碳素工具钢：,T（“碳”）+两位数字（表示钢中平均碳的质量分数的千分数）。,例：,T8, 表示平均碳质量分数为0.8%的碳素工具钢。,T12A, 表示平均碳质量分数为1.20%的高级优质碳素工具钢。,碳素工具钢,成 分,热 处 理,性 能,典型牌号,Wc=0.70-1.30%，高碳钢,必须经淬火回火处理。

7、,高的硬度、强度，良好的耐磨性，一定的塑性与韧性。,T8、T10、T12A,各类手工工具和低速工具。,T7、T8、 T10、 T12、T13A,承受振动、冲击的工具，如冲头、大锤、木工工具。,用于需要较高耐磨性和一定韧性的工具，如手工锯条、剪金属用剪刀。,不受振动和冲击的耐磨工具，如丝锥、锉刀、乔刀、板牙、量具等。,应 用,4、铸造碳钢：,ZG+两组数字（分别表示最小屈服点和最小抗拉强度）。,例：,ZG310-570, 表示最小屈服点为310MPa、最小抗拉强度为570MPa的铸造碳钢。,铸造碳钢,成 分,热 处 理,性 能,典型牌号,Wc=0.20-0.60%，低中碳,铸造成形，经热处理后使

8、用。,较高的硬度、强度和塑性、韧性，即综合力学性能较好。,ZG200-400,ZG200-400、ZG270-500、ZG310-570,用于受力不大，要求良好塑性和焊接性的零件，如机座、变速箱壳体。,用于受力较大的复杂零件，如轧钢机机架、轴承座、连杆、曲轴、缸体。,强度和耐磨性较好，但韧性、焊接性降低。用于重载齿轮、制动轮。,应 用,合金钢,为什么要发展合金钢？,因为碳钢不能满足要求。,一、碳素钢的缺陷,1、综合机械性能差 虽然碳素钢的强度、硬度随着含碳量的增加而提高，但塑性、韧性却随之下降，不能在同一成分中得到配合完善的综合机械性能。,2、热稳定性差 碳钢在使用温度超过 200后，软化变形

9、，机械性能（强度、韧性）急剧下降，不能用于高温场合。,3、耐腐蚀性差 碳钢在大多数介质中的耐腐蚀性很差，尤其对酸几乎没有任何抵御能力。 珠光体：大量的腐蚀电池,4、淬透性差 碳钢不能用于制作大截面尺寸的重要零件。淬火时，急冷易变形、开裂；缓冷，又淬不上火或淬透层很浅。,5、不能满足某些特殊性能要求 如：耐低温、高磁性、无磁性等。 碳钢的冷脆性转变温度较高，-20 -30， 故碳钢的使用温度应-20。,合金钢是在碳素钢中添加一些合金元素而炼制的一类钢，以改善碳素钢的性能。,发展合金钢成为必然，二十一世纪结构材料的重要发展方向之一就是利用新技术、新工艺改造传统材料微合金化高强钢，低合金超高强钢。,

10、任务一 合金元素在钢中的作用,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 。,大多数合金元素都可或多或少地溶入铁素体中，形成合金铁素体。溶入铁素体中的合金元素，由于它们的晶格类型及原子直径与铁不同，因此必然引起铁素体的晶格畸变，产生固溶强化现象，使铁素体的强度、硬度提高，如图51所示。当合金元素的质量分数超过一定数值后，铁素体的塑性、韧性将显著下降，如图

11、52所示。,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,1.溶于基体中形成合金F或合金A,可见，与铁素体有相同晶格类型的合金元素，如铬、钼、钨、钒等强化铁素体的作用较弱。而晶格类型与铁素体不同的合金元素，如硅、锰、镍等强化铁素体的作用较强。另外，有些合金元素如硅、锰、铬、镍等，当它们在钢中的质量分数适当时，Cr、Ni含量较低时： （ Cr2%，Ni5% ）不仅能强化铁素体，还能提高或改善铁素体的韧性。,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

12、、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,稳定性最高。,TiC、NbC、VC。,熔点、硬度、耐磨性最高。,钢中合金碳化物的类型主要有合金渗碳体和特殊碳化物两种。一般，弱碳化物形成元素倾向于形成合金渗碳体，如（Fe、Mn）3C等。而中强碳化物形成元

13、素在钢中的质量分数不多（0.5%3%）时，也倾向于形成合金渗碳体，如（Fe、Cr）3C、（Fe、Mo）3C、（Fe、W）3C等。,合金渗碳体的稳定性及硬度比渗碳体高，是一般低合金钢中碳化物的主要存在形式。特殊碳化物是一种与渗碳体晶格类型完全不同的合金碳化物，通常是由中强或强碳化物形成元素所构成的碳化物。强碳化物形成元素，在钢中即使质量分数很少，但只要有足够的碳，就倾向于形成特殊碳化物，如WC、VC、TiC、Mo2C等；中强碳化物形成元素，只有在钢中的质量分数较多（5%）时，才倾向于形成特殊碳化物，如Cr23C6、Cr7C3、Fe4W2C等。特殊碳化物（特别是晶体结构简单的特殊碳化物），具有比合

14、金渗碳体更高的熔点、硬度和耐磨性，并且更稳定，不易分解。,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、Cu等元素。,作用: 使A1、 A3线温度下降, Acm线温度上升。,其中Ni、Mn 随着含量的增加，会把相区扩大到室温，即在室温下就能获得无磁性奥氏体钢。如：13% Mn的 Mn13，9% Ni的 0Cr18Ni9,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A1 、A3、 Acm线温度上升,如：17-28%Cr、Cr17、Cr25、Cr28，

15、从室温到熔点都不出现相，而是单一的相。,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,共析点左移表明，在含碳量相同的条件下，合金钢的珠光体组织比碳钢多，因而强度高。,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

16、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,回火稳定性的增加 ( temper resistance ),二次硬化的产生 ( secondary hardening ),产生第二类回火脆性 ( temper brittleness ),Gr、 W、Mo、V 等碳化物在500-600回火时,使钢

17、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。,按合金元素质量分数多少： 低合金钢(10)按所含的主要合金元素：铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢按显微组织：珠光体、马氏体、铁素体、奥氏体、莱氏体钢,1合金钢的分类,任务二 合金钢的牌号识别,按用途：结构钢、工具钢和特殊性能钢,编号原则：数字+元

18、素符号+数字,2合金钢的牌号,例：16Mn 40Cr 60Si2Mn 9SiCr W18Gr4V,碳质量分数：结构钢以万分之一为单位的两位数子；工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的一位数子,含碳量大于1时不标出。高速工具钢不标,钢中主要合金元素,合金元素的质量分数，百分之几； 1.5，只标出元素，不标出含量； 1.5含量2.49%，标2； 2.5 含量3.49，标3； 3.5%含量4.49，标4；,滚珠轴承钢在钢号前标以“G” ，如GCr15，1C，1.5Cr (注意：铬含量以千分之一为单位) 易切削钢(Y), Y40Mn,专用钢，以用途的汉语拼音字首来标明,高级优质钢，钢的末尾加“A”字表明

19、： 如20Cr2Ni4A等。,不锈钢、耐蚀钢和耐热钢牌号的表示方法与合金工具钢相似WC0.03时，牌号首位00WC0.08时，牌号首位0如4Gr13、0Gr18Ni9、00Gr18Ni5高锰耐磨钢的牌号：,ZG+Mn+数字,合金钢的牌号1、合金结构钢,合金钢的牌号2、合金工具钢,合金钢的牌号3、特殊专用钢的牌号,GCr15,滚动轴承钢,主要合金元素为铬，平均含量为1.5%,一、低合金结构钢 低合金高强钢 1. 用途 主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。,桥梁 船舶 车辆,容器 储气罐,2. 性能要求 (1) 高强度：一般屈服强度在300 MPa以上。 (2

20、) 高韧性：要求延伸率为15%20%，室温冲击韧性大于600 kJ/m2800 kJ/m2。对于大型焊接构件，还要求有较高的断裂韧性。 (3) 良好的焊接性能和冷成型性能。 (4) 低的冷脆转变温度。 (5) 良好的耐蚀性。,一、低合金结构钢 低合金高强钢,冷脆实例,1954年冬天，英国3万2千吨的世界协和号油船，在爱尔兰寒风凛冽的海面上航行，突然船体中部发生断裂，船很快就沉没了。后来，又发生了几起类似的沉船事件。经研究发现，沉船是由于外界温度太低，金属材料变脆后断裂所致。这种材料的变脆现象因为是在低温下产生的，所以称之为冷脆。,3. 成分特点 (1) 低碳：韧性、焊接性和冷成形性能要求高，碳

21、质量分数不超过0.20%。,(2) 锰为主要的合金元素。固溶强化F，细化P，增加P的含量，提高钢的强度。,(3) 铌、钛、钒：形成细碳化物或碳氮化合物，获得细小铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性。,(4)少量铜（0.4%）和磷（0.1%左右），可提高抗腐蚀性能。,一、低合金结构钢 低合金高强钢,4. 常用低合金高强度结构钢 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。Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度最高，用于石化中温高压容器。,东风号远洋轮船Q345,南京长江大桥Q345,高压容器,一、低合金结构钢 低合金高

22、强钢,含碳量都比较低,一般规定5%为塑性材料， 5%为脆性材料。,一、低合金结构钢 低合金高强钢,5. 热处理特点 一般在热轧退火或正火状态下使用，不需要进行专门的热处理。使用状态下的显微组织一般为铁素体+索氏体。,一、低合金结构钢 低合金高强钢,轧制,低合金结构钢低合金耐候钢,耐候钢是指耐大气腐蚀的钢，它是在低碳钢的基础上加入少量铜、磷、铬、镍、钼、钛、钒等合金元素形成的。 目前，我国使用的耐候钢又分为焊接结构用耐候钢和高耐候性结构钢两类。焊接结构用耐候钢具有良好的焊接性能，适于桥梁、建筑及其它要求耐候性的工程结构；高耐候性结构钢的耐候性好，适于车辆、建筑、塔架和其它要求高耐候性的工程结构。

23、,为了适应某些专业的特殊需要，在低合金高强度结构钢的基础上，通过调整化学成分和工艺方法，形成了一些低合金专业用钢，如汽车用低合金钢、低合金钢筋钢、铁道用低合金钢、矿用低合金钢等。低合金专业用钢的牌号与合金结构钢牌号的表示方法相同，但增加了表示用途的符号。,低合金结构钢低合金专业用钢,低合金结构钢易切削钢,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,P-100,易切削钢的牌号,Y 40 Mn,易切削

24、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。,常用结构钢中表示用途的符号,二、合金渗碳钢 1. 用途 主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。,拨叉 变速齿轮 活塞销,活塞销( 20Cr ),凸轮机构： 接触表面受到强烈的摩擦磨损。,二、合金渗碳钢,2. 性能要求 (1) 表面硬度高、耐磨 保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力，同时具有适当的塑性和韧性。 (2) 心部具有高的韧性和足够高的强度 在

25、冲击载荷或过载作用下不易断裂。,二、合金渗碳钢,(3) 有良好的热处理工艺性能 在高的渗碳温度（900 950 ）下，奥氏体晶粒不易长大，并有良好的淬透性。,3. 成分特点 (1) 低碳：碳质量分数一般为0.10%0.25%，使零件心部有足够的塑性和韧性。 (2) 加入提高淬透性的合金元素：Cr、Ni、Mn、B等。 (3) 加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素： 少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。,二、合金渗碳钢,低淬透性钢：15Cr、20Cr、20Mn2。钢含合金元素总量3 %，用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。,活塞销( 20Cr ),中淬透性钢： 20

26、 CrMn、20CrMnTi、 20Mn2TiB。钢含合金元素总量在4 %左 右。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。,柴油机凸轮轴,4. 钢种及牌号,二、合金渗碳钢,高淬透性钢：18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。钢含合金元素总量在 4 % 6 %。用于大载荷 的耐磨件，如柴油机曲轴。,柴油机曲轴,二、合金渗碳钢,5. 热处理和组织性能 渗碳后预冷淬火，再低温回火(180200)。,二、合金渗碳钢,对于低、中淬透性渗碳钢，一般以正火作为预备热处理，来改善其切削加工性能；而高淬透性渗碳钢，一般在锻造后空冷，再经650的高温回火，以形成回火索氏体来改善切削加工性能。,心部组织与钢的淬透性及

27、零件截面尺寸有关。 完全淬透时为回火马氏体（低碳），硬度为40 HRC48 HRC多数情况下是回火马氏体（低碳）+屈氏体+少量铁素体，硬度为25 HRC40 HRC。 心部韧性一般都高于700 kJ/m2。,表面组织：合金渗碳体+回火马氏体（高碳）+少量残余奥氏体，硬度为60 HRC62 HRC。,5. 热处理和组织性能,20 CrMnTi 钢制造齿轮的热处理工艺曲线,表5-5 常用渗碳钢的牌号、热处理、力学性能及用途（P104）,三、合金调质钢 重点内容 1. 用途 广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如机床齿轮、主轴、汽车发动机曲轴、连杆、螺栓等。,连杆 曲轴,2.

28、性能要求 调质件大多承受多种工作载荷，受力情况比较复杂，要求高的综合机械性能，即具有高的强度和良好的塑性、韧性。 合金调质钢还要求有好的淬透性。,机床齿轮,三、合金调质钢,3. 成分特点 (1) 中碳 碳质量分数一般在0.25%0.50%之间，以0.4%居多；,(2) Cr、Mn、Ni、Si 提高淬透性，形成合金铁素体，提高钢的强度；,(3) 加入防止第二类回火脆性的元素Mo、W 含Ni、Cr、Mn的合金调质钢，易产生第二类回火脆性。加入Mo、W可以防止第二类回火脆性。Mo的质量分数为0.15%0.30%，或W的质量分数为0.8%1.2%。,三、合金调质钢,45钢与40Cr钢调质后性能的对比,

29、三、合金调质钢,4. 钢种及牌号 40Cr 低淬透性合金调质钢，用于制造一般尺寸的重要零件。 35CrMo 中淬透性合金调质钢，加入钼提高淬透性，还可防止第二类回火脆性。 40CrNiMo 高淬透性合金调质钢，铬镍钢中加入适当的钼，不但具有好的淬透性，还可消除第二类回火脆性。,三、合金调质钢,5. 热处理和组织性能 热处理：淬火+高温回火。 合金调质钢淬透性较高，一般都用油淬，淬透性特别大时可以空冷，减少热处理缺陷。,合金调质钢一般采用500 650 回火。 为防止第二类回火脆性，回火后快冷（水冷或油冷）。,三、合金调质钢,对于碳及合金元素质量分数较低的调质钢，一般以正火或退火作为预备热处理，

30、来改善组织和切削加工性能；而合金元素质量分数较高的调质钢，则采用空冷淬火和高温回火作为预备热处理，来改善切削加工性能。调质钢的最终热处理一般是调质处理，有特殊要求时，还可再进行表面淬火或渗氮处理。,40Cr钢热处理工艺曲线,热处理后组织性能： 合金调质钢常规热处理后的组织是回火索氏体，用于螺栓、连杆等。 表面要求耐磨的零件（如齿轮、主轴），再进行感应加热表面淬火及低温回火，表面组织为回火马氏体，表面硬度可达55 HRC58 HRC。心部组织是回火索氏体。,合金调质钢淬透调质后的屈服强度约为800 MPa, 冲击韧度在800 kJ/m2，心部硬度可达22 HRC25 HRC。,三、合金调质钢,常

31、用调质钢的牌号、热处理、力学性能及用途,四、合金弹簧钢 1. 用途 合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。,离合器弹簧,蝶形弹簧,拉力弹簧,2. 性能要求 (1) 高的弹性极限e，尤其是高的屈强比s /b。以保证弹簧有足够高的弹性变形能力和较大的承载能力。 (2) 高的疲劳强度r，以防止在震动和交变应力作用下产生疲劳断裂。 (3) 足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆断。,(4)要求有较好的淬透性，不易脱碳和过热，容易绕卷成形等。 特殊弹簧钢还要求耐热性、耐蚀性等。,四、合金弹簧钢,3. 成分特点 (1) 中、高碳 保证高的屈强比，碳的质量分数一般为0.50%0.70%。碳含

32、量过高时，塑性、韧性降低，疲劳抗力也下降。 (2) 加入Si、Mn 提高淬透性。Si和Mn同时也提高屈强比。 重要用途的弹簧钢还须加入Cr、V、W等元素。 弹簧的冶金质量对疲劳强度有很大的影响，弹簧钢均为优质钢或高级优质钢。,四、合金弹簧钢,4. 钢种和牌号 65Mn、60Si2Mn 以Si、Mn为主要合金元素，价格便宜，淬透性明显优于碳素弹簧钢，Si、Mn的复合合金化，性能比只用Mn的好得多。 用于汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧。,50CrVA 含Cr、V、W等元素的弹簧钢。Cr、V复合合金化，不仅提高钢的淬透性，还提高钢的高温强度、韧性和热处理工艺性能。 可制作在350 400 温度下承受

33、重载的较大弹簧。,四、合金弹簧钢,5. 加工、热处理与性能 弹簧按加工和热处理可分为两类： (1) 热成形弹簧 用热轧钢丝或钢板制成，然后淬火和中温（450 550 ）回火，获得回火屈氏体组织。 具有很高的屈服强度和弹性极限，并有一定的塑性和韧性，一般用来制作为较大型的弹簧。,老师提示:为了提高弹簧的疲劳寿命，广泛采用喷丸强化处理。,(2) 冷成形弹簧 小尺寸弹簧一般用冷拔弹簧钢丝（片）卷成。,四、合金弹簧钢,表5-7 常用弹簧钢的牌号、热处理、力学性能及用途,五、滚动轴承钢 重点内容 1. 用途 主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等，属专用结构钢。 也用于制造精密量具

34、、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。,滚珠 滚珠轴承,2. 性能要求 (1)高的接触疲劳强度：滚珠、滚柱与套圈运动时为点或线接触，压应力高达1500 MPa5000 MPa；交变应力易造成接触疲劳破坏，产生麻点或剥落。轴承钢疲劳强度应很高。 (2)高的硬度和耐磨性：硬度一般为62HRC64HRC。 (3)足够的韧性和淬透性。 (4)要求在大气和润滑介质中有一定的耐蚀能力和良好的尺寸稳定性。,五、滚动轴承钢,3. 成分特点 (1) 高碳 碳质量分数为0.95%1.10%，保证高硬度、高耐磨性和高强度。,(3) 硅、锰、钒 Si、Mn提高淬透性，便于制造大型轴承。V部分溶于奥氏体中，部分形成碳化物VC，提

35、高钢的耐磨性并防止过热。,(4) 高的冶金质量 非金属夹杂对钢的接触疲劳强度影响很大。轴承钢采用电炉冶炼和真空去气处理。,(2) 铬 提高淬透性，形成合金渗碳体(Fe, Cr)3C 细密、均匀分布，提高钢的耐磨性、疲劳强度。铬质量分数为0.40%1.65%。,五、滚动轴承钢,4. 钢种和牌号 (1) 铬轴承钢 GCr15 w(C)1%、w(Cr)1.5%。 最常用，使用量占轴承钢的绝大部分。 (2) 添加Mn、Si、Mo、V的轴承钢 GCr15SiMn、GCr15SiMnMoV 在铬轴承钢中加入Si、Mn可提高淬透性。 为了节铬, 加入Mo、V可得到无铬轴承钢, 如GSiMnMoV、GSiMn

36、MoVRE等，其性能与GCr15相近。,五、滚动轴承钢,5. 热处理及组织性能 球化退火、淬火和低温回火,五、滚动轴承钢,(1) 球化退火 降低钢的硬度，利于切削加工，获得细小的球状珠光体和均匀分布的过剩的细粒状碳化物，为零件的最终热处理做组织准备。,五、滚动轴承钢,热处理工艺：GCr15钢的淬火温度严格控制在820840范围内, 回火温度一般为150160。,精密轴承必须保证长期存放和使用中不变形。为了稳定尺寸，淬火后立即进行“冷处理”（-60 -50 ），降低内应力和残余奥氏体。在回火和磨削加工后，进行低温时效处理（120 130 , 保温5 h10 h）。,组织：极细的回火马氏体、均匀分

37、布的粒状碳化物以及少量残余奥氏体。,GCr15钢淬火回火后的显微组织,五、滚动轴承钢,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 ),表5-8 常用滚动轴承钢的牌号、热处理及用途,六超高强度钢,超高强度钢是指抗拉强度在1400MPa以上的合金结构钢，它是在合金调质钢的基础上，加入多种合金元素进行复合强化形成的，主要用于航空和航天工业,合金工具钢,制造各种刃具、模具、量具的钢称为工具钢，相应地称为刃具钢、模具钢、量具钢。,量 具,刃 具,工具钢与结构钢的主要区别在于，工具钢（除热作

38、模具钢外）大多属于过共析钢；所含合金元素除提高淬透性外，主要是为了提高钢的硬度和耐磨性，故常采用碳化物形成元素；工具钢的最终热处理一般多采用淬火和低温回火，以保证高硬度与高耐磨性。另外，由于工具钢中碳的质量分数较高，性能较脆，为了改善其塑性和减少淬火变形、开裂倾向，工具钢的质量要求比结构钢更严。,任务二 合金工具钢 工具钢按用途分为： 刃具钢 模具钢 量具钢 实际应用界限并非绝对。,2. 性能要求 切削时刃部与切屑之间强烈摩擦发热，刃部温度可达500 600 ；承受冲击和震动。 (1) 高硬度 一般在60 HRC以上。 (2) 高耐磨性 与钢的硬度、钢中硬质点的性质、数量、大小和分布有关。 (

39、3) 高热硬性（红硬性） 钢在高温下保持高硬度的能力。 (4) 足够的塑性和韧性 防止刃具受冲击震动时折断和崩刃。,一、合金刃具钢,3. 成分特点 (1) 低合金刃具钢 最高工作温度不超过300 , 加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素 Cr、Mn、Si提高钢的淬透性，Si还能提高钢的回火稳定性； W、V提高硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持细小的晶粒。, 高碳 碳质量分数为0.9 %1.1 %，以保证高硬度和高耐磨性。,一、合金刃具钢,(2) 高速钢 高速切削时刃部温度达600 ，硬度无明显下降。, 加入Cr、W、Mo、V等合金元素, 高碳 w(C)在0.70 %以上，最高达1.5%左右

40、，与W、Cr、V形成足够的碳化物；部分碳溶于奥氏体，保证马氏体的高硬度。,一、合金刃具钢,3. 成分特点,4. 钢种及牌号 (1) 低合金刃具钢 典型钢种为9SiCr。 w(C)0.9%、w(Si)1.4%、w(Cr)1%,加工过程：球化退火、机加工，然后淬火和低温回火。 热处理后的组织：回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体。 应用：制造低速切削刃具，如丝锥、板牙。,一、合金刃具钢,9 SiCr 钢板牙热处理工艺曲线,板牙,常用低合金刃具钢的牌号、热处理及用途,W18Cr4V w(C)0.75%、w(W)18%、w(Cr)4%、 w(V)1.2%、 W6Mo5Cr4V2 w(C)0.85%、w(

41、W)6%、w(Cr)4%、 w(V)2%,W18Cr4V钢的热硬性较好, 热处理时的脱碳和过热倾向较小。 W6Mo5Cr4V2钢的耐磨性、热塑性和韧性较好。,高速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），需要多次镦拔，得到小块均匀的碳化物。,(2) 高速钢,一、合金刃具钢,4. 钢种及牌号,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 4

42、20 ,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,高速钢热处理特点 淬火温度高：一般为1220 1280 回火温度高、多次：550 570 回火三次,W18Cr4V钢的热处理工艺过程示意图,淬火 :获得高合金元素含量的马氏体。因此淬火温度高(1200)。 淬火后的组织:M+Cm+A残(2025%),高速钢硬度与回火温度的关系,三次高温回火,*淬火后A残约

43、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热硬性好，在600 仍保持650HV(56HRC)的高硬度。,T12、9SiCr、W18Cr4V的硬度与温度的关系,W18Cr4V的热硬性,高速钢回火后的组织： 回火马氏体+粒状碳化物+少量残余奥氏体。,高速钢淬火、回火后的组织,应用：制造高速切削刃具（车刀、铣刀、钻头），也用来制造冷作模具。,二、合金模具钢,1. 冷作模具钢 (1) 用途,制造冷冲模、冷镦模、冷挤压模和

44、拉丝模等，工作温度不超过200 300 。,(2) 性能要求 冷模具工作时承受很大的压力、弯曲力、冲击载荷和摩擦。主要失效形式是磨损，常出现崩刃、断裂和变形等失效现象。 高硬度，一般为58 HRC62 HRC; 高耐磨性; 足够的韧性和疲劳抗力; 热处理变形小。,二、合金模具钢,1. 冷作模具钢,(3) 成分特点 高碳 碳质量分数多在1.0%以上，个别钢种达到2.0%，以保证高的硬度和高耐磨性。 加入Cr、Mo、W、V等合金元素 形成难熔碳化物，提高耐磨性。 典型钢种是Cr12型钢，铬的含量高达12%。 铬与碳形成M7C3型碳化物，能极大提高钢的耐磨性，铬还显著提高钢的淬透性。,二、合金模具钢

45、,1. 冷作模具钢,对于形状简单、尺寸较小、工作载荷不大的冷作模具可用碳素工具钢制造，如T8A、T10A、T12A等；形状较复杂、尺寸较大，工作载荷较重、精度要求较高的冷作模具一般用低合金刃具钢来制造，如9Mn2V、9SiCr、CrWMn、Cr2等；对于工作载荷重、耐磨性要求高、淬火变形要求小的冷作模具一般用Cr12型合金工具钢制造，如Cr12、Cr12MoV等,(4) 钢种和牌号 9Mn2V、9SiCr、CrWMn 要求不高的冷作模具用低合金刃具钢制造。热处理与刃具钢相同。 Cr12 大型冷模具用钢，热处理变形很小，制造重载和形状复杂的模具。 冷挤压模工作时受力很大，条件苛刻，选用基体钢（成

46、分与高速钢基体相同）或马氏体时效钢制造。,二、合金模具钢,1. 冷作模具钢,Cr12钢热处理, 一次硬化法 950 1000 淬火，150 180 回火，硬度达61HRC64HRC，钢有较好的耐磨性和韧性，用于重载模具。, 二次硬化法 1100 1150 淬火，510 520 三次回火，二次硬化，硬度达60 HRC62 HRC，红硬性和耐磨性都较高，但韧性较差。用在400 450 温度下工作的模具。,组织：回火马氏体+碳化物+残余奥氏体,二、合金模具钢,1. 冷作模具钢,2. 热作模具钢,(1) 用途 制造热锻模、热压模、热挤压模和压铸模等，工作时型腔表面温度可达600 以上。,二、合金模具钢

47、,(2) 工作条件和性能要求 承受很大的冲击载荷、强烈的摩擦、热应变和热应力，高温氧化，出现崩裂、磨损、龟裂等失效形式。, 高的热硬性和高温耐磨性； 高的抗氧化性能； 高的热强性和足够的韧性，尤其是受冲击较大的热锻模钢； 高的热疲劳抗力，以防止龟裂破坏； 有高的淬透性和导热性。,二、合金模具钢,2. 热作模具钢,(3) 成分特点 中碳 碳质量分数一般为0.3%0.6%，保证高强度、高韧性、较高的硬度（35 HRC52 HRC）和较高的热疲劳抗力。, Cr、Ni、Mn、Si等 Cr主要提高淬透性，和Ni一起提高回火稳定性。Ni强化铁素体，增加钢的韧性，与Cr、Mo一起提高钢的淬透性和耐热疲劳性能

48、。, Mo、W、V等元素 产生二次硬化。Mo还能防止第二类回火脆性，提高高温强度和回火稳定性。,二、合金模具钢,2. 热作模具钢,(4)钢种和热处理 5CrMnMo w(C)0.5%、 w(Cr)0.7%、 w(Mn)1.4%、w(Mo)0.25%、 5CrNiMo w(C)0.5%、 w(Cr)0.7%、 w(Ni)1.6%、w(Mo)0.25%、 制造对韧性要求高而热硬性要求不太高的热锻模。,热锻模钢热处理：和调质钢相似，830850淬火后高温（490650左右）回火。 组织：回火屈氏体或回火索氏体。,二、合金模具钢,2. 热作模具钢, 4Cr5MoSiV、5Cr4W5Mo2V 制造热强性

49、更好的大型锻压模或压铸模。 热压模钢热处理： 10001100淬火 600左右回火。为保证热硬性，要进行多次回火。 组织：与高速钢类似。 回火马氏体、粒状碳化物和少量残余奥氏体,2. 热作模具钢,二、合金模具钢,三、量具用钢,螺纹规,游标卡尺 千分尺,1. 用途 量具用钢用于制造各种量测工具，如卡尺、千分尺、螺旋测微仪、块规、塞规等。,2. 性能要求 量具在使用过程中要求测量精度高，不能因磨损或尺寸不稳定影响测量精度。 (1) 高硬度（大于56 HRC）和高耐磨性； (2) 高尺寸稳定性 热处理变形要小，在存放和使用过程中，尺寸不发生变化。 （3）良好的耐蚀性,3. 成分特点 量具用钢的成分与

50、低合金刃具钢相同。 高碳（0.9%1.5%） 。 加入提高淬透性的元素Cr、W、Mn等。,三、量具用钢,4. 常用量具用钢 T10A、T12A、9SiCr 制造尺寸小、形状简单的量具。 CrWMn 淬透性较高，淬火变形小，制造高精度且形状复杂的量规和块规。 GCr15 耐磨性、尺寸稳定性较好，制造高精度块规、螺旋塞头、千分尺。 9Cr18、4Cr13 在腐蚀介质中使用的量具。,三、量具用钢,5. 热处理特点 减少变形和提高尺寸稳定性。在淬火和低温回火时要采取措施提高组织的稳定性。,(1) 降低淬火温度，减少残余奥氏体。,(2) 淬火后立即进行-70 -80 的冷处理，使残余奥氏体尽可能地转变为