【热处理】09合金元素的影响.ppt.ppt

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1、,第三章 钢的合金化概论,本章内容,合金元素和铁的作用合金钢中的相组成合金元素在钢中的分布与偏聚合金钢中的相变合金元素对钢强韧化的影响合金元素对钢工艺性的影响微量元素在钢中的作用合金钢的分类与编号,第1节 合金元素和铁的作用,一、钢中的元素1.杂质元素常存杂质元素：由冶炼工艺残余，其中Mn、Si、Al由脱氧剂带入。S、P难以完全去除。采用Al脱氧生产镇静钢，采用Mn、Si脱氧生产沸腾钢。控制含量：Mn:0.3-0.7%,Si:0.2-0.4%,Al:0.01-0.02%,P:0.01-0.05%,S:0.01-0.04,第1节 合金元素和铁的作用,隐存杂质：O、H、N，难以测量。,偶存杂质：与

2、冶炼所用矿石和废钢有关，Cu、Sn、Pb、Ni、Cr等,杂质元素对性能的影响：S形成Fe-FeS共晶，熔点低，热脆性 P形成二元或三元磷共晶，硬而脆，冷脆性 H形成白点，氢脆,第1节 合金元素和铁的作用,一、合金钢的概念及为什么发展合金钢 二、合金元素在钢中的作用 三、合金钢的分类及牌号,第1节 合金元素和铁的作用,2.合金元素 为了提高钢的性能，往钢中加入一定量的合金元素，以改变其工艺性能和使用性能，加入的元素称为合金元素。相应的钢称为合金钢。,常用合金元素：Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、Nb、Al、Cu、B等,加入量：可多（20-30%，如Cr），可少（1-2%，如Mn），可

3、微量（0.005%，如B）,第1节 合金元素和铁的作用,按加入量可分为：低合金钢：合金元素总量低于5%，中合金钢：合金元素总量5-10%，高合金钢：合金元素总量大于10%,合金钢的概念,所谓合金钢，就是为了改善钢的性能，特意地加入一些合金元素的钢。（在碳钢的基础上有意地加入一种或几种合金元素，使钢的使用性能或工艺性能得以改善提高，这样组成的铁基合金即为合金钢。）。,返回,常用的合金元素：Cr、Mn、Ni、Co、Cu、Si、Al、B、W、Mo、V、Ti、Nb、Zn及稀土Re。,发展合金钢的原因,碳钢还存在着以下几个主要缺点，使它的应用受到一定限制。（1）碳钢的淬透性低碳钢制成的零件尺寸不能太大，

4、否则淬不透，出现内外性能不均，对于一些大型的机械零件，（要求内外性能均匀），就不能采用碳钢制作，如发电机转子，汽轮机叶片，汽车、拖拉机的连杆螺栓等。,返回,（2）回火抗力差碳钢淬火后，只有经低温回火才能保持高硬度，若其回火温度超过200，其硬度就显著下降。即回火抗力差，不能在较高的温度下保持高硬度，因此对于要求耐磨，切削速度较高，刃部受热超过200的刀具就不能采用碳钢制作。,（3）碳钢不能满足一些特殊性能的要求如耐热性、耐腐蚀性、耐低温性（低温下高韧性）为了弥补碳钢的不足，满足上述条件的要求，目前工业上广泛发展和使用了合金钢材料。,2.合金元素对铁碳相图的影响,1)影响A和F存在的范围2)使S

5、、E点左移3)对A点的影响,1)影响A和F存在的范围,（1）扩大相区（2）缩小相区,(1)扩大相区,使A3点(-Fe-Fe的转变点)下降,A4点(-Fe的转变点)上升,从而扩大-相的存在范围。完全扩大相区元素(室温下单相A)Mn，Ni1Cr18Ni9（奥氏体不锈钢）和ZGMn13（高锰钢）部分扩大相区的元素C、N、Cu,下页,扩大相区示意图,返回,(2)缩小相区,使A3点上升,A4点下降(铬除外,铬含量小于7%时,A3点下降;大于7%后,A3点迅速上升),从而缩小相区存在的范围,使铁素体稳定区域扩大。完全封闭相区的元素(如Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si等)。如Cr17、Cr25、Cr28

6、等铬不锈钢均属铁素体钢。部分缩小相区的元素(如B、Nb、Zr等)。,下页,缩小相区示意图,返回,(2)使S、E点左移,无论是扩大区的合金元素，还是缩小区的合金均使E点和S点左移，即降低共析点的含碳量及碳在奥氏体中的最大溶解度。因此使相同含碳量的碳钢和合金钢具有不同的显微组织，如含碳0.4%的碳钢具有亚共析组织，而含C0.4%，13%Cr的合金钢则具有过共析组织。因为此时的共析成分已不再是0.77%，而是变为0.3%C了，另外，由于E点的左移，使含碳量远低于2.11%C的合金钢中出现莱氏体。如18%W的高速工具钢，含0.70-0.80%C，其铸态组织中出现了莱氏体。,Mn 元素对S、E点的影响图

7、,Cr 元素对S、E点的影响图,合金元素对 S 点成分的影响,(3)对A点的影响,扩大相区元素，使A1下降，如奥氏体形成元素Ni，Mn,返回,缩小相区元素，使A1上升，如铁素体形成 元素Cr，Si,临界温度的位置是制订热处理工艺和其它热加工工艺的重要依据。由于合金元素的加入，改变了临界温度的位置，因而合金钢的热处理及其它热加工工艺参数都与碳钢明显不同。,合金元素对A1线的影响,第2节 合金钢中的相组成,1.合金元素在钢中的存在方式2.合金元素对铁碳相图的影响3.合金元素对钢的热处理的影响4.合金元素使合金钢具有某些特殊性能,1.合金元素在钢中的存在方式,1）合金元素在钢中的主要存在形式 2）合

8、金元素对钢的性能的影响,1）合金元素在钢中的主要存在形式,（1）形成固溶体（2）形成碳化物（3）游离状态,（1）形成固溶体,通常与碳的亲和力很弱，主要固溶于铁素体、奥氏体、马氏体中，而不形成碳化物，如：Ni、Si、Al、Co。合金铁素体当钢中加入少量合金元素时，有一部分溶于铁素体内形成合金铁素体,返回,（2）形成碳化物,碳化物形成元素可形成合金渗碳体和特殊碳化物A 合金渗碳体B 特殊碳化物,A 合金渗碳体,合金元素与碳的亲合力较弱，它的大部分是固溶于铁素体、奥氏体、马氏体中，而少部分固溶于渗碳体中形成合金渗碳体，如（Fe，Mn）3C。,返回,B 特殊碳化物,合金元素与碳的亲合力很强，主要以特殊

9、碳化物形式存在，如V、Ti、Nb、Zn。合金元素（Cr、Mo、W）与碳的亲合力较强，当含量较少时，它们主要固溶于渗碳体中，而含量较高时，才能形成特殊碳化物如：Cr23C6、WC、MoC、Cr7C6。,返回,碳化物：,硬而脆，具有金属键和共价键混合健。形成元素：按从强到弱排列：Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe 强碳化物形成元素 中强碳化物形成元素 弱碳化物形成元素 主要碳化物 M3C型：Fe3C、Mn3C等，正交点阵结构 M7C3型：Cr7C3，复杂六方点阵结构 M23C6型：Cr23C6，复杂立方点阵结构 M2C型：Mo2C、W2C，密排六方点阵结构 MC型：VC、TiC、Nb

10、C，简单面心点阵结构 MoC、WC，简单六方点阵结构 M6C型：Fe3W3C、Fe3Mo3C、Fe4W2C，复杂六方点阵 结构，非金属型碳化物,氮化物,高硬度、脆性、高熔点形成元素：按从强到弱排列：Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe 强氮化物形成元素 强氮化物形成元素 弱氮化物形成元素属于NaCl型简单立方点阵的氮化物：TiN、NbN、CrN等 属于密排六方点阵的氮化物：WN、Nb2N、MoN等,金属间化合物,相：结构复杂，高硬度；出现于高铬不锈钢、铬镍和铬锰不锈钢、高合金耐热钢和耐热合金中。降低合金的塑性和韧性AB2相：如Fe2Mo、Fe2W、Fe2Nb等，耐热钢中的一种强化相

11、。AB3型：Ni3Al、Ni3Ti、Fe3Al等，有序固溶体相。A6B7相：Fe7W6、Fe7Mo6等，不锈钢、耐热钢和耐热合金的一种强化相。,（3）游离状态,对于固态下不溶于铁或在铁中溶解度很小的少数元素，如Pb、Cu、（0.8)等，常以游离态存在。,返回,第3节 合金元素在钢中的分布与偏聚,一、分布1.合金元素在钢中的存在状态溶于固溶体（奥氏体、铁素体）形成碳化物和氮化物存在于金属间化合物中，常在高合金钢中出现各类夹杂物（如氧化物、硫化物等）自由态，如Pb,2.分布规律退火态：非碳化物形成元素绝大部分固溶于基体；碳化物形成元素由碳和本身含量而定，优先形成碳化物，其余溶入基体。正火态：基本同

12、退火态。但有些高合金钢淬透性好，正火后形成马氏体或贝氏体，同淬火态。淬火态：溶入奥氏体的元素淬火后存在于马氏体、贝氏体或残余奥氏体中；未溶的仍存于碳化物中。回火态：取决于回火温度。,第3节 合金元素在钢中的分布与偏聚,二、合金元素的偏聚,合金元素溶入基体后，与缺陷相互作用，发生偏聚或内吸附，造成缺陷处浓度大于基体的平均浓度。吸附在刃型位错，形成Cottrell气团 吸附在螺型位错，形成Sneok气团 吸附在层错，形成铃木气团。对性能有影响 P、Sn造成回火脆性 B在奥氏体晶界，提高淬透性,第4节 合金钢中的相变,一、合金钢的加热奥氏体化1.碳（氮）化物在奥氏体中的溶解规律碳化物越稳定，在奥氏体

13、中的溶解度越小。Cr、Mo、V的碳化物有较大的溶解度，Ti、Nb、Zr的碳化物溶解度较小。随温度下降，各种碳化物的溶解度降低。溶解在奥氏体中的弱碳化物形成元素，促进稳定性好的碳化物溶解。稳定性差的碳化物先溶解，稳定性好的碳化物后溶解。,（1）对钢加热时奥氏体形成的影响,对奥氏体形成速度的影响 对奥氏体晶粒大小的影响,钢加热时对奥氏体形成速度的影响,奥氏体化过程包括奥氏体的形成，剩余碳化物的溶解和奥氏体成分均匀化，均是由合金元素和碳的扩散所控制。非碳化物形成元素：Co和Ni提高碳在奥氏体中扩散速度，加速奥氏体的形成。Si、Al、Mn等元素，对C的扩散速度影响不大。因而对奥氏体的形成速度影响不大。

14、碳化物形成元素：Cr、W、Nb、Mo、Ti、V阻碍C的扩散，缓减奥氏体的形成速度。合金元素的扩散能力远比碳小，因此，要获得均匀的奥氏体，合金钢的加热温度应比碳钢高，保温时间应比碳钢长。,返回,钢加热时对奥氏体晶粒大小的影响,碳化物形成元素：Ti、V、Nb、Zr阻碍晶粒长大非碳化物形成元素：Si、Ni阻止晶粒长大；P、Cu促进晶粒长大。钢加入碳、磷、锰(高碳时)等元素会促进奥氏体晶粒长大；加入铝、钛、钒、铌等元素会强烈阻止奥氏体晶粒长大；加入钨、钼等元素会中等阻止奥氏体晶粒长大。,返回,（2）对过冷奥氏体的转变的影响,实质上是对C曲线的影响除Co以外，大多数合金元素都增加奥氏体的稳定性，使C曲线

15、右移。且非碳化物形成元素Al、Ni、Si、Cu等不改变C曲线的形状，只使其右移；碳化物形成元素Mn、Cr、Mo、W等除使C曲线右移外，还改变其形状。,下页,合金元素对C曲线的影响,碳化物形成元素Mn、Cr、Mo、W等将C曲线分裂为珠光体转变的贝氏体转变两个C曲线，并在此二曲线之间出现一个过冷奥氏体的稳定区其中Cr和Mn推迟贝氏体转变的作用大于珠光体转变；而Mo、W推迟珠光体转变的作用大于贝氏体的。,下页,合金元素对C曲线的影响图,合金元素对C曲线形状的改变大致有五种。第一种，只有一个鼻子，元素有Ni、Si、Mn 第二种，出现两个鼻子，元素有Cr、Mo、W、V 第三种，只有珠光体转变区，元素Cr

16、 第四种，只有贝氏体转变区，元素W、Mo 第五种，没有珠光体、贝氏体转变区，元素Ni、Mn,对过冷奥氏体的转变影响的实际意义,合金元素使C曲线位置和形状的改变，有重要的实际意义，由于合金元素使C曲线右移，因而使淬火的临界冷却速度降低，提高了钢的淬透性，这样就可采用较小的冷却速度，甚至在空气中冷却就能得到马氏体，从而避免了由于冷却速度过大而引起的变形和开裂。另一方面由于形状的改变，使某些钢28CrMoNiVB采取空冷便得贝氏体组织，具有良好的综合机械性能，就不用采取等温淬火。,返回,2.合金元素对珠光体转变的影响 总是不同程度地推迟珠光体转变，使珠光体转变曲线右移。按减缓速度排序：Mo、W、Mn

17、、Cr、Ni、Cu、Si、V、Co 递减,3.合金元素对贝氏体转变的影响合金元素C、Mn、Ni、Cr、V等都降低Bs点，在贝氏体和珠光体转变之间出现过冷奥氏体的中温稳定区，形成两个转变C曲线。合金元素增长转变孕育期，减慢长大速度。影响顺序为 Mn、Cr、Ni、Si、W、Mo、V,4.合金元素对马氏体转变的影响就合金元素对Ms点的影响而言，除钴、铝提高Ms点以外，所有常用合金元素，只要溶于奥氏体，都降低Ms点。其中碳的作用最强烈，锰、铬、镍的作用次之，钼、钨、硅的作用再次之。合金元素对Ms点的影响主要决定于它们对奥氏体-马氏体两相平衡温度T的影响和对奥氏体的固溶强化作用。碳既剧裂降低T温度又显著

18、增高奥氏体的屈服强度，故剧烈降低Ms点；绝大多数合金元素都降低Ms点，按作用递减顺序为：C、Mn、Ni、Cr、Mo、W、Si。Co、Al升高Ms点。,三、合金钢的回火转变合金元素对马氏体分解期的影响Ni、Mn的影响小。碳化物形成元素阻止马氏体分解，程度与他们和C的亲和力有关。Si在低于300时强烈延缓马氏体的分解。,第5节 合金元素对钢的强韧化的影响,一、钢的强化机理固溶强化、位错强化、细晶强化、第二相强化钢强化的本质机理：各种途径增大了位错滑移的阻力，提高了钢的塑性变形抗力和钢的强度。固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶格发生畸变，增加位错运动的阻力，使固溶体硬度和强度升高，

19、这种现象叫固溶强化现象 位错强化：过冷变形等方式提高位错密度，利用位错间的交互作用使位错运动受阻，来使强度提高。只要能阻碍位错滑移，就能提高金属材料的强度，同时降低了金属的塑性。,细晶强化：塑性变形时粗大晶粒的晶界处塞积的位错数目多，形成较大的应力场能够使相邻晶粒内的位错源启动，使变形继续；相反，细小晶粒的晶界处塞积的位错数目少，要使变形继续，须施加更大的外部作用力，从而体现了细晶对材料强化的作用。Hall-Petch公式：s=+Ky d-1/2其中，溶质原子的钉扎作用越强，Ky越大.国际、国内超细晶粒钢计划第二相强化：位错与第二相（沉淀析出相）的交互作用，弥散分布的第二相可以有效地阻碍位错运

20、动。,强化作用的叠加模型：Hall-Petch公式：s=+Ky d-1/2s=1+固溶+第二相+位错+Ky d-1/21与材料、温度和形变速率有关。,第5节 合金元素对钢的强韧化的影响,二、合金钢强化的有效性合金钢淬火回火时，两个相反的因素影响强度：马氏体分解产生弱化，特殊碳化物质点弥散析出强化。为了保证钢回火时强化大于弱化，各种元素浓度有一个最小值。取决于碳含量和形成碳化物的类型。如含0.1%0.15%C钢中，V的最小浓度为0.1%0.2%而含0.4的C钢中，V的最小浓度为0.35%,三、合金元素对钢韧性的影响导致强化的组织因素：细晶强化降低韧脆转变温度，间隙固溶提高韧脆转变温度，弥散强化降

21、低塑性和韧度较小，有效而实用置换固溶元素：Ni提高韧性，含Mn少时也提高韧性，其他合金元素降低韧性晶粒度：细化晶粒提高强度和韧性。碳化物和其他脆性相：降低韧性。要小、均匀、圆和适量。杂质：降低韧性。合金化的途径？,第6节 合金元素对钢工艺性的影响,一、热处理工艺性 1淬透性（1）概念：在规定条件下，决定钢材淬硬深度和硬度分布的特性，也是钢在淬火时能获得马氏体的能力。注意：1.淬透性是钢固有的一个属性。,第6节 合金元素对钢工艺性的影响,2.工厂提供的淬透性资料通常是端淬曲线，也称淬透性曲线。3.由于钢的化学成分有一定的范围，所以淬透曲线也有波动范围，称为淬透带。常用钢的淬透性见表1.7和1.8

22、。（2）淬透深度：一般从淬硬表面测量到规定值处的垂直距离。,（3）影响淬透性的因素：钢材的化学成分、淬火加热温度、冷却介质的特性、冷却的方式方法、零件的形状尺寸以及加热方式等。1)钢材的化学成分 凡是在钢中引起“C”曲线右移或左移的合金元素，都对淬适性有着极大的影响。使“C”曲线右移的元素将提高钢的淬透性；使“C”曲线左移的元素将降低钢的淬透性。（Co）,2)冷却介质的冷却特性和冷却速度 冷却速度快的，淬透性就提高，冷却速度慢的，淬透性就降低。3）零件的形状尺寸、加热温度、冷却方式 形状尺寸小、加热温度高，连续冷却等都能在一定程度上提高淬透性。而形状尺寸大、加热温度低、等温冷却等能使淬透性下降

23、。4）加热的方式也会影响淬透性.加热方式不同，产生的加热效果也不同。例如用箱式电炉就比盐浴炉产生的氧化、脱碳现象严重，就会降低淬透性。,（4）淬透性分类马氏体淬透性 提高马氏体淬透性的作用从大到小：B、Mn、Mo、Cr、Si、Ni贝氏体淬透性 对合金元素要求：使珠光体转变右移，对贝氏体转变影响不大。加入合金元素：0.5Mo+微量B无铁素体淬透性,（5）对合金元素的作用要求 A.前提是合金元素溶于奥氏体 B.对淬透性要求不高的合金结构钢，采用单一合金化，要求较高的要采用多种合金化。C.多种合金化对淬透性的影响不是简单的加和关系，而是相互补充，相互加强。D.最有效的合金化是将强弱不同的碳化物形成元

24、素和非碳化物形成元素有效组合起来。E.只有淬火成马氏体，碳钢和合金钢具有相近的综合力学性能，合金化主要是提高淬透性。,2.淬硬性,（1）概念 理想淬火条件下，以超过临界冷却速度所形成的马氏体组织能够达到的最高硬度。（2）影响因素主要是含碳量，合金元素影响较小。含碳量越高，淬火达到的硬度越高。0.6%时达到最高，继续提高含碳量，由于残余奥氏体量增大，碳钢硬度增大不大，合金钢硬度下降。（3）淬火硬度与含碳量之间的关系公式：HRC=30+50(C%),3.变形开裂倾向,（1）淬火应力与变形开裂的关系 淬火应力大于工件的屈服应力产生变形，淬火应力大于抗拉强度工件发生开裂。（2）零件设计、选材和热处理时

25、应注意的问题 A.不同成分的钢，淬火变形倾向有很大不同。B.零件的冷热加工有残余应力，淬火处理前应消除。设计零件注意结构。C.当钢的心部未淬透时，变形趋于长度缩短，内外径尺寸缩小。全部淬透时，内外径尺寸胀大。,3.变形开裂倾向,D.完全淬透工件表面易产生裂纹。随含碳量增大，裂纹倾向增大。E.工件表面有氧化脱碳层时，易在表面产生淬火龟裂。F.采用分级淬火、等温淬火或双液淬火可降低应力，减小变形开裂倾向。G.加热温度和加热速度对零件变形有影响。H.淬火后应注意及时回火。,4.过热敏感性和氧化脱碳倾向,（1）过热敏感性：钢在加热时，奥氏体晶粒急剧长大的敏感性。不同钢具有不同的过热敏感性。锰钢最敏感。

26、（2）脱碳：在各种加热或保温过程中，由于周围氧化气氛的作用，使钢材表面的碳全部或部分丧失掉的现象。脱碳降低钢的硬度、耐磨性和疲劳强度。含硅钢氧化脱碳倾向最大。,5.回火稳定性 合金钢的回火稳定性大，所以要求回火温度高，回火时间长。6.回火脆性和白点 避免在形成低温、高温回火脆性温度内回火 白点敏感性：锻、轧钢件内产生内裂纹的敏感程度。解决办法：降低氢含量（氢含量高必要条件），去氢退火（内应力充分条件）。,二、成型加工性,（1）冷成型性 固溶体中的合金元素，提高钢的冷加工硬化程度，使钢塑性变形后变硬变脆，这对钢的冷加工是很不利的。对于那些需要经受大量塑性变形加工的钢材，在冶炼时应限制其中各种残存

27、合金元素的量，特别要严格控制硫、磷等。碳、硅、磷、硫、镍、铬、钒、铜等元索还会使钢材的冷态压延性能恶化。,（2）热压力加工性,合金元素溶入固溶体中，或在钢中形成碳化物，都能使钢的热变形抗力提高和塑性明显降低，容易发生锻裂现象。钒+铌，钛等的碳化物在钢中呈弥散状分布时，对钢的塑性影响不大。另外，合金元素一般都降低钢的导热性和提高钢的淬透性，为了防止开裂，合金钢锻造时的加热和冷却都必须缓慢。,（3）切削加工性,金属的切削性能是指金属被切削的难易程度和加工表面的质量。为了提高钢的切削性能，可在钢中加入一些能改善切削性能的合金元素，最常用的元素是硫，其次是铅和磷。由于硫在钢中与锰形成球状或点状硫化锰夹

28、杂，破坏了金属基体的连续性，使切削抗力降低，切屑易于碎断，在易切削钢中硫的质量分数可达0.080.30。铅在钢中完全不溶，以23pm的极细质点均匀分布于钢中，使切屑易断，同时起润滑作用，改善了钢的切削性能，在易切削钢中铅的质量分数控制在0.100.30。少量的磷溶入铁素体中，可提高其硬度和脆性，有利于获得良好的加工表面质量。,（4）合金元素对焊接性能的影响,钢的焊接性能，主要取决于它的淬透性、回火性和碳的质量分数。合金元素对钢材焊接性能的影响，可用焊接碳当量来估算。我国目前所广泛应用的普通低合金钢，其焊接碳当量可按下述经验公式计算。Cd=C+1/6Mn+1/5Cr+1/15Ni+1/4Mo+1

29、/5V+1/24Si+1/2P+1/13Cu 近年来，对厚度为15、50mm的200个钢种(从碳钢到强度等级为1000MPa级的高强度合金钢)，以低氢焊条进行常温下的Y型坡口拘束焊接裂纹试验。在试验基础上，提出了一个用以估计钢材出现焊接裂纹可能性的指标，称为钢材焊接裂纹敏感性指数，其计算公式为 Pc=C+1/30Si+1/20Mn+1/20Cu+1/60Ni+1/20Cr+1/15Mo+1/10V+5B+1/600t+1/60H%与碳当量公式相比增加了板厚和含氢量。,（5）合金元素对铸造性能的影响,钢的铸造性能主要由铸造时金属的流动性、收缩特点、偏析倾向等来综合评定。它们与钢的固相线和液相线温

30、度的高低及结晶温度区间的大小有关。固、液相线的温度愈低和结晶温度区间愈窄，铸造性能愈好。合金元素的作用主要取决于其对状态图的影响另外，一些元素如铬、钼、钒、钛、铝等，在钢中形成高熔点碳化物或氧化物质点，增大了钢液的粘度，降低其流动性，使铸造性能恶化。,第7节 微量元素在钢中的作用,一、微量元素的作用1.常见的微量元素：O、N、S、P、Se、As、Zr、Re2.根据作用分 常用微量元素：B、N、V、Ti、Zr、Nb、Re 改善切削性能的微量元素：S、Se、Bi、Pb、Ca 净化、变质、控制夹杂物形态的元素：Ti、Zr、Re、Ca 有害元素：P、S、As、Sn、Pb,第7节 微量元素在钢中的作用,

31、（3）微量元素的有益作用A.净化作用 B、Re脱氧、去氮、降氢，减少夹杂，改善夹杂类型与分布B.变质作用C.改变夹杂物性质和形态（4）有害作用,第8节 钢的分类及牌号,1合金结构钢 2合金工具钢 3特殊性能钢,合金结构钢,用数字+化学元素+数字的方法表示前面的数字表示钢的平均含碳量的万分数，合金元素用汉字或化学符号表示，其后面的数字表示合金元素含量，一般以平均含量的百分数表示，当合金元素含量小于1.5%时，牌号中只标明元素而不标明含量，如果平均含量等于或大于1.5%、2.5%、3.5%时，相应地以2、3、4等表示，如含0.370.44%C，0.81.10%Cr的钢40Cr，含0.570.65%

32、C，1.52.0%Si，0.60.9%Mn的钢用60Si2Mn表示，对于滚珠轴承钢，在钢号前注明“滚”或“G”，后面的数字则表示铬含量的千分数，如GCr15的平均含Cr量1.5%（含C%为1%左右）含S、P量较低（S0.02%,P0.03%）的高级优质钢，则在钢号加“高”或“A”。易切削钢，在钢号前加“易”或“Y”如Y12（Mn、Si、C、P）,返回,合金工具钢,与合金结构钢大致相同，只是含碳量的表示方法不同。含碳量：平均含量1.0%时不标出；1.0%时的千分之几表示。高速钢例外，其平均含碳量1.0%时也不标出。合金元素表示方法与结构钢相同。如：（1）CrMn表示平均含量1.0%，Cr、Mn平

33、均含量均1.5%合金工具钢。（2）9SiCr表示平均含量0.9%，Si、Cr平均含量均1.5%合金工具钢。（3）W18Cr4V含碳量为0.700.80%，W、Cr、V分别为18%、4%1.5%的高速钢。,返回,特殊性能钢,其含碳量的表示方法与合金工具钢相同，即1.0%时不标出，1.0%时以千分之几表示，而合金元素用百分数表示。如9Cr18 平均含碳0.9%Cr 18%Mn13 含碳量1.0%Mn 13%但如果含碳量0.03%及0.08%时，在钢号前分别定拟“00”及“0”表示，如00Cr18Ni10：含碳量0.03%18%Cr 10%Ni 0 Cr18：含碳量0.08%18%Cr,返回,2合金

34、结构钢、合金工具钢、特殊性能钢,1.合金结构钢2.合金工具钢3.特殊性能钢,1.合金结构钢,普通低合金结构钢（普低钢）调质钢 渗碳钢 氮化用钢 弹簧钢 滚动轴承钢,普通低合金结构钢（普低钢）,在普通低合金结构钢中常加入：Mn、Si、Cr、Mo、V、Cu、P等，Mn、Si、Cr、Nb、V提高强度，Cu、P提高耐蚀性。通常是在热轧或正火状态下使用、使用状态的组织是大量的铁素体+少量珠光体。典型牌号：16Mn、16MnR、15MnTi、15MnV应用：建筑结构、锅炉、容器、车辆、船舶压力容器。特点：含C量低，焊接性能好。,返回,普通低合金结构钢牌号,典型普低钢应用,Q460钢含Mo、B，正火组织 为

35、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。,调质钢,淬火+高温回火回火索氏体，具有好的综合机械性能前提是淬火时得到马氏体，淬透性是关键，合金元素的主要作用就是提高淬透性。Mn、Cr、Ni、B、Si用来提高淬透性，Mo、W可抑制第二类回火脆性，Ti、V细化晶粒。典型牌号：40Cr、40CrMn应用：轴类、连杆、齿轮特点：中碳、调质后具有好的强度与塑性的配合，局部表面淬火+低温回火后具高硬度和耐磨性。,返回,典型合金调质钢分类,低淬透性调质钢,钢含合

36、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。,典型合金调质钢分类,高淬透性调质钢,钢含合金元素总量在4%10%。,38 Cr Mo Al A、40 Cr Mn Mo、25 Cr2 Ni4 W A等，制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的零件等。,渗碳钢,表面渗碳后淬火低温回火Cr、Ni、Mo、W、Mn、Si和B提高淬透性，保证心部淬火后为低碳马氏体，不含或含少量的铁素体（心部硬度高时，表层剥落）Ti细化晶粒（在高温时阻止奥氏体晶粒长大）渗碳后可直接淬火，Cr还可使碳化物呈球

37、状，避免表层开裂。典型牌号：20Cr 20CrMnTi 20Cr2Ni4应用：齿轮特点：含C量在0.2%左右,返回,合金渗碳钢的牌号,20 Mn2 Ti A,典型合金渗碳钢应用,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),典型合金渗碳钢应用,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

38、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,氮化用钢,调质后表面氮化，心部有好的综合机械性能，表面硬，耐磨。典型牌号：38CrMoAlA应用：齿轮（齿轮的表面硬度及耐磨性高于渗碳）挤出机螺杆使用状态下的组织：心部，回火索氏全；表面：氮化物。,返回,弹簧钢,要求有高的弹性极限及屈服极限，含C量在0.6%左右，淬火+中温回火后得屈氏体有高的屈服极限。Mn、Si、Cr、V提高钢的淬透性和回火稳定性，Si还可强化铁素体，提高钢的弹性极限与疲劳极限，但Si能增加表面脱碳和石墨化倾向，常用Cr、V代替。典型牌号：60SiZMn、65Mn、60SiZCr应用：

39、各类弹簧特点：含C量在0.6%左右,返回,滚动轴承钢,高硬度、高耐磨、高碳的铬轴承钢，含C量在0.91.11%含0.51.65%Cr提高钢的淬透性，形成合金渗碳体，比Fe3C稳定能阻碍奥氏体晶粒长大，淬火后得细针状马氏体，增加钢的韧性，淬火后保留一部分合金渗碳体，有利于提高钢的接触疲劳强度及耐磨性。Cr还能提高回火稳定性，但含Cr量过高（1.65%）时，会增加淬火钢中残余奥氏体量等，不利。淬火+低温回火回火马氏体典型牌号：GCr15 含C量1%左右 Cr量为1.5%应用：滚动轴承,返回,滚动轴承钢的牌号,滚动轴承钢热处理,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,

40、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),滚动轴承钢应用,2.合金工具钢,（1）刃具钢a、低合金刃具钢b、高速钢（2）模具钢a、冷作模具b、热作模具（3）量具钢：,量 具,刃 具,（1）刃具钢,a、低合金刃具钢b、高速钢,a、低合金刃具钢,Cr、Mn、Si、W、V主要作用是增加淬透性（Cr、Mn、Si等）细化晶粒（W、V等）提高回火抗力及耐磨性（Cr、W、V、Si）低合金刃具钢的红硬性、耐磨性等比碳素刃具钢高。典型牌号：9CrSi（9SiCr）、CrWMn应用：拉刀、长丝锥、长铰刀（切削速度

41、不高）切削速度高时，刀具的工作温度可达500600，低合金刃具钢不能满足其性能要求高速钢,返回,合金刃具钢牌号,9 SiCr 钢板牙热处理工艺曲线,板牙,b.高速钢（锋钢、风钢、18-4-1钢）,(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。,(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

42、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钢的铸态组织图,W18Cr4V钢的铸态组织图,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

43、程示意图,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,（2）合金模具钢,热作模具钢:工作温度为600以上。,冷作模具钢:工作温度为200300。,热作模具钢,1.性能要求

44、:,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;,曲轴模具,热作模具钢,2.化学成分特点:中碳 0.30.6%;合金元素:Cr、Ni、Mn、Si、Mo、W、V。提高淬透性，回火稳定性，W造成二次硬化，V细化晶粒提高耐磨性。.典型牌号：3Cr2W8、5CrNiMo（基本上为中碳0.3-0.5%左右）,5.热处理工艺举例,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,热作模具钢应用,

45、锤锻模、机锻模（水压机、磨擦压力机等）压铸模及热冲裁模等。工作温度500600 机锻模在700左右。通常是在淬火和高温回火状态下使用，要求具有良好的综合机械性能。,(二)冷作模钢,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,(二)冷作模钢,.典型牌号可用低合金刃具钢 9Mn2、CrWMn、Cr12型钢广泛用于制造各类冷作模具。Cr12MoV 可作为冷镦模、冷冲模。,返回,*一次硬化法:淬火+低温回火(9501000)(150180)*二次硬化法:淬火+三次回火(1100

46、1000)(510520),热处理后的组织:M回+Cm+A残,.热处理特点,（3）量具钢,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。,3.特殊性能钢,(1)不锈钢(2)耐热钢(3)耐磨钢,一.不锈钢,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

47、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

48、、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。,常用的不锈钢分类,a、马氏体型不锈钢b、奥氏体不锈钢c、铁素体型不锈钢,a、马氏体型不锈钢,0Cr134Cr13 9Cr13

49、淬透性高空冷便得M而得名。0Cr132Cr13 含C量低具有良好的综合机械性能，可进行深冲、卷边、焊接等，制不锈钢结构中（如汽轮机叶片等）淬火+高温回火3 Cr13、4Cr13 硬度度、焊接性差，耐蚀工件，医疗工具，不锈轴承，淬火+低回。弱腐蚀介质：大气、海水、淡水、水蒸汽。,1Cr13金相组织图,1Cr13供货状态组织(化染)580,b、奥氏体不锈钢,返回,b、奥氏体型不锈钢-18 8型钢,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。0cCr18Ni9 1Cr18Ni9 0Cr18Ni

50、9Ti 1Cr18Ni9Ti含C量在0.1%以下，通常为单相A，比马氏体不锈钢的耐蚀性好，好的冷变形性能，有好的韧性，焊接性。,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,c、铁素体型不锈钢,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