课件第四章合金钢1wg

1、第四章 合金钢 (alloy steel)q合金元素在钢中的作用，尤其是合金元素对钢的热处理的影响;q合金钢的编号方法，会辩认各种钢的牌号；q各类合金钢的成分，热处理方法，热处理后的组织，性能的特点以及主要用途。主要掌握内容主要掌握内容一、合金元素在钢中的作用（一）合金元素改善钢的热处理性能 q细化奥氏体晶粒 q提高钢的淬透性 q回火转变的影响 细化奥氏体晶粒 V、Ti、Nb、Zr、Al等元素，可形成VC、TiC、AlN等化合物，比Fe3C更加难溶解，成为坚固的质点，钉住晶界，阻碍晶粒长大 。A体晶粒晶界迁移长大化合物质点E硬质点对晶界的钉扎作用（ pinning effect ）晶界能量变化

2、晶界硬质点提高钢的淬透性 （1）除Co以外，所有合金元素都使C曲线右移，从而使临界冷却速度Vk下降，过冷奥氏体（A过）稳定，淬透性提高 。Ni 2.9% Ni 4.6%Vk1 Vk2 （2）W、Cr、Mn可使C曲线右移并改变形状，如图所示： Cr：2.9% Cr：8.2% AP APAB AB(3)合金元素使M体转变温度Ms和Mf下降，从而使工件淬火后残余奥氏体增多，硬度下降。01002003004005006007008009000.11.010101010101023456Time SecsTemperature (C)BsMsMf martensite +bainiteBainite+p

3、earliteRockwell C Hardness576652434040PearliteFine pearliteAustenite11BfPfPsCoarse pearliteBuBlA1合金元素对回火转变的影响 （1）提高回火抗力（回火稳定性）（回火稳定性）：M体的分解温度越高、分解速度越慢，淬火硬度保持越好，例如：T8钢：400时，M体分解完毕，硬度大大的下降；W18Cr4V：800时，M体不分解，淬火硬度不变，其硬性高 （2）产生二次硬化1)“沉淀性”二次硬化：高温回火析出VC、WC使硬度提高；2)“二次淬火型”二次硬化：回火时，AM体，硬度提高； （3）回火脆性的防止回火脆性的防

4、止 第一类回火脆性（低温回火脆性、不可逆回火脆性）：a)温度：250400；b)原因：碳化物沿M体晶间析出，使韧性大大的下降；c)防止措施：避免在250400温区回火 冲 快速冷却击韧性/k 缓慢冷却 0 300 500 600 回火温度/ 缓慢冷却 a)温度：500650；b)原因：杂质（Sb、Sn、P）向晶界处偏聚，使韧性大大的降低；c)防止措施： 回火后快冷，抑制杂质偏聚；小尺寸 加入0.25%Mo或1.2%W,可防止偏聚；大尺寸 重新加热至600，偏聚元素可溶解； 第二类回火脆性（高温回火脆性、可逆性回火脆性）（二）合金元素提高钢的使用性能 q合金元素使钢强化q合金元素使钢获得特殊性能

5、 合金元素使钢强化（1）固溶强化：合金元素溶入F体内，形成合金F体；Si、Mn、Ni使F体的硬度提高；通常：Si0.6%,Mn1.5%,否则会降低钢的韧性。（2) 第二相强化：W、Mo、Cr、V、Nb可置换Fe3C中的Fe原子，形成合金渗碳体如：（FeCr）3C、（FeV）3C，使钢的硬度、强度提高；还可形成特殊化合物，如：VC、WC、NbC，熔点高、硬度高，使钢的硬度、强度大大的提高；（3）细化晶粒：合金元素能细化A体晶粒和M体针条，使钢的硬度、强度和韧性提高。 合金元素使钢获得特殊性能 （1） 形成稳定的单相组织：Ni、Mn使FeFe3C相图中的S和E点向左下移动，当A体的存在温度由727

6、扩展至室温时，就有了奥氏体钢，例如：1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢,ZGMn13奥氏体耐磨钢；T E A体 A Fe 0.77 2.11 C%T 左上移动 E A体 Fe 0.77 2.11 C% 727左下移动(2)CrCr使使FeFeFeFe3 3C C相图中的相图中的S S和和E E点向左上移动点向左上移动当A体区缩小、消失，钢在任何温度下都是F体组织，例如：Cr17、Cr18铁素体不锈钢；(3)形成致密氧化膜和金属间化合物：形成致密氧化膜和金属间化合物：氧化膜：SiO2、CrO2、Al2O3等，提高钢的耐蚀性；金属间化合物：FeSi、Ni3Ti等，提高钢的高温蠕变抗力； 二、合金钢的

7、分类及牌号 （一）合金结构钢1. 牌号的表示方法：例如：60Si2Mn C60/100000.6%； Si2%； Mn1.5%； 数字合金元素符号数字 以万分数表示该钢平均碳含量 主加合金元素 以表示合金元素含量 2 特殊规定：1) 合金元素后无数字：表示该合金元素含量1.5%；如上例Mn1.5%;2) 以千分数表示合金元素平均含量：例如GCr15,Cr1.5%；3) 高级优质钢：后缀“A”，例如：38CrMoAlA-高级优质4)表明钢的用途：例如Y40:易切削钢；GCr15：滚动轴承钢； 1. 牌号表示方法：例如：9SiCrC9/10000.9%;Si、Cr1.0%;2)不遵守1)规定：例如

8、：高速钢W18Cr4V, C0.70.8 数字合金元素符号数字以千分数表示该钢平均碳含量；以表示合金元素含量主加合金元素（二）合金工具钢 1.牌号表示方法：同工具钢，例如3Cr13,C3/10000.3%；2. 特殊规定：1)当碳含量0.08%时，钢号前冠以“0”，例如：0Cr13, C0.08%；2)当碳含量0.03%时，钢号前冠以“00”，例如：00Cr18Ni10, C0.03% ;（三）特殊性能钢1.低合金钢：合金元素Me5%;2.中合金钢：Me10% ;按合金元素含量分类二、合金结构钢q低合金结构钢 q合金渗碳钢 q合金调质钢 q合金弹簧钢 q滚动轴承钢 重要的工程结构和机械零件（一

9、）低合金结构钢大气海洋中的大型焊接结构件，建筑结构、桥梁、车辆、船舶、油气管道、压力容器High-strength wire with a tensile strength of 180 kilograms per square millimeter (kg/mm2) was used rather than the standard 160-kg/mm2 wire. Each strand was transported to the construction site where it was pulled from one anchorage over the saddle of eac

10、h tower and fastened to the opposite anchorage frame. This procedure was repeated 289 times to fabricate each main cable. Each main cable was separated at the anchorage by a splay saddle prior to attachment to the steel frame inside the anchorage to equally distribute cable tension to the foundation

11、. A specially designed cable-squeezing machine was used to compress the 290 parallel wire strands into the final 1.12-meter-diameter cableWorlds Longest Suspension BridgeAkashi Kaikyo BridgeU.S. $3.6 billionThe steel for Nimitz-class aircraft carriers must be able to withstand the impact of a 37-ton

12、, F-14 Tomcat aircraft landing on the deck at 150 miles an hour, shield a ships crew from radiation generated by onboard nuclear reactors, and take the impact of shells and other projectiles. Many types of steel are used in their construction and in the associated pipelines, including carbon, microa

13、lloyed, alloy and stainless steels. The fabrication process for an offshore platform involves extensive welding. High strength steel plate is used for the decking and tubular support structure1、成分及性能特点：q低碳（C0.2%）、低合金（Me900Mpa，可施加大的预应力；5)轻轨：如45SiMnP、70MnSi等，Si、P提高其耐磨性 低合金结构钢3、 热处理：1)一般工件：正火；组织：FP（细）；

14、2)压力容器：调质处理；组织：S回； （二）合金渗碳钢制造表硬心韧工件，如变速箱齿轮、凸轮轴 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.低碳：C0.100.25%，保证心部韧性和渗碳的浓度梯度；淬透性高：可加入Cr、Ni、Mn、B，提高淬透性，保证心部韧性；渗碳工艺性能好：1)速度快：碳的吸收扩散快；2)变形小：淬火后工件变形要小；3)梯度平：控制W、Mo、V、Ti的含量，如果太高，可使碳的浓度梯度变陡，出现块状

15、碳化物，易剥落； 1、成分和性能特点2、常用牌号及热处理：低淬透性合金渗碳钢：如20Mn2、20Cr，用于小尺寸、小载荷的小齿轮、活塞销等，采取“二次淬火法”，改善心部性能；中淬透性合金渗碳钢：如20CrMnTi，用于制造高速、高摩擦的汽车变速箱齿轮，渗碳后采取“直接淬火法”高淬透性渗碳合金钢：如18Cr2Ni4WA,用于制造高载荷、高摩擦的飞机、坦克的主轴和主动齿轮；用20CrMnTi钢制造汽车变速箱齿轮的热处理工艺曲线分析 锻坯正火加工齿形局部镀铜渗碳预冷淬火低回喷丸磨齿；（1)制造工艺路线 （2）热处理工艺曲线 5860HRCT 950970 3545HRC 正火 930940 渗碳 8

16、70880预冷 Ac3 油 淬 200 Ms 回火 机械加工 表 心 磨齿 时间/S正火：改善锻造产生的过热组织；改善切削加工性能；渗碳：在930渗碳7小时，渗层厚1.21.6mm；预冷至870，油淬低回：表层：M回高A碳化物；硬度：5860HRC;心部：FM回低；硬度：3545HRC;喷丸：清除氧化皮；硬化表层；增加压应力，提高疲劳强度 （三）合金调质钢（三）合金调质钢 调质淬火高回，得到S回，工件综合力学性能好，如主轴、曲轴等；汽轮机主轴成分：属于中碳钢，C0.4%,如40Cr钢淬透性要好：淬透：S回(F球状Fe3C);未淬透：心部出现 S (F片状Fe3C);设计零件尺寸要考虑到临界淬透

17、直径D0： 1、成分及性能特点R 表层M体 心部F+P表层M体 心部F+P连杆：心部90%M体；轴类：3/4R处80%M体螺栓：1/2R处90%M体； 加入Cr、Ni、Mn、Si、B可提高钢的D0 低淬透性调质钢：40Cr、40MnB等，用于小尺寸，低载荷工件，如连杆、螺栓、机床主轴等；中淬透性调质钢：35CrMo、38CrSi等，用于中尺寸，中载荷工件如大型曲轴；高淬透性调质钢：38CrMoAl、40CrNiMo等，用于大尺寸，重载荷工件，如大型精密主轴、曲轴、连杆等； 2、常用调质钢牌号及热处理3、热处理 40Cr钢制造机床变速箱齿轮工艺路线：锻造退火或正火铣齿调质半精加工表面淬火低回精加

18、工退火或正火：预处理，得到160230HBS的硬度，改善切削加工性能；调质：目的：心部：S回；综合力学性能好，耐冲击；表面淬火：目的：表面：M回；提高硬度，增加耐磨性淬火温度提高（淬火温度提高（860860）：感应加热速度快，）：感应加热速度快，Ac3Ac3提高提高 T Ac3 时间/S正火 退火退火或正火工艺曲线840油 525 高回 淬 水 冷调质工艺曲线860淬 火 200 低回 表面淬火工艺曲线（四）合金弹簧钢（四）合金弹簧钢 作用：1)吸收能量缓和冲击，减少振动，如汽车的板簧；2)储存能量作为动力，如钟表的发条；要求：1)具有高的e、s，弹性变形大，不过早发生塑变；2)具有高的疲劳强

19、度：防止疲劳断裂；3)具有足够的塑性：便于冷绕成形； 含碳：C0.50.7%，属中、高碳钢；含合金元素：Si、Mn、Cr、V等，Si：提高弹性极限和回火抗力；Mn：提高淬透性和屈强比（s/b）； 1、成分及性能特点含Si、Mn的合金弹簧钢：如60Si2Mn，重型汽车板簧；含Cr、V的合金弹簧钢：如50CrVA，较高温度下的重载弹簧，如内燃机的气阀弹簧；2、常用牌号（1）冷成形弹簧：冷拉钢丝淬火中回冷卷成形去应力退火成品；（2）热成形弹簧：下料加热卷绕成形淬火中回喷丸成品；3.热处理工艺曲线：3、热处理特点T 950980 卷 870 簧 淬 400520 火 回火 时间/S热成型弹簧T 950

20、980 淬 400520 火 回火 时间/S冷卷500-650 200 冷成型弹簧课堂讨论题课堂讨论题：1。20Cr和40MnB钢制造齿轮，齿面要求耐磨，两者的热处理工艺分别是什么？2。冷卷弹簧和热卷弹簧的加工工艺路线有什么区别？3 用15MnVB替代4OCr制造汽车连杆螺栓，它们的热处理有何差别？ 下列材料中耐腐蚀性能最好的是：A)1Cr18Ni9Ti B)9SiCr C)Cr12MoV D)40CrGCr15在冷镦成型前要进行哪种退火：A)再结晶退火B)去应力退火C)完全退火D)球化退火n20钢和45钢都可以制造小型齿轮，都要求齿面耐磨，请给出两种材料的锻造毛坯制造齿轮的工艺路线? 20钢

21、： 正火+ 机械加工+渗碳+低温回火+精加工 45钢： 正火（退火）+机械加工+调质（淬火+高温回火）+表面淬火+低温回火+精加工 牌号 类别 最终热处理方法 最终组织 用途举例(1个)40钢T10A 牌号 类别 最终热处理方法 最终组织 用途举例(1个)40钢 合金调质钢 淬火+高温回火 回火索氏体 轴 牌号 类别 最终热处理方法 最终组织 用途举例(1个)T10A 碳素工具钢 淬火+低温回火 回火马氏体 锯条，板牙根据Fe-Fe3C相图计算出50钢、T10钢两种材料中的相组成百分含量和组织组成百分含量50钢：相组成百分含量计算： F%=(6.69-0.5)/6.69=92.5%; Fe3C

22、%=1-92.5%=7.5%(或者 Fe3C%=0.5/6.69=7.5%； F%=1-7.5%=92.5%)（此处答对（此处答对4分）分）组织组成百分含量计算：F%=（0.77-0.5）/（0.77-0.0218）=36%P%=1-36%=64%（或者 P%=（0.5-0.0218）/（0.77-0.0218）=64%，F%=1-P%=36% ）（此处答对（此处答对4分）分）T10钢：相组成百分含量计算： F%=(6.69-1.0)/6.69=85%; Fe3C%=1-85%=15%(或者 Fe3C%=1.0/6.69=15%； F%=1-15%=85%)（此处答对（此处答对4分）分）组织组成百分含量计算：P%=（6.69-1.0）/（6.69-0.77）=96%Fe3CII %=1-96%=64%（或者 Fe3CII %=（1.0-0.77）/（6.69-0.77）=4%，P%=1- Fe3CII %=96% ）（此处答对（此处答对4分）分）某工厂钢材仓库因管理不善，钢号混乱，现经金相检验，得知某优质碳素结构钢的金相组织中F（铁素体）占20，P（珠光体）