合金钢全部课件

合金钢AlloySteel《机械工程材料》多媒体课件主讲人：李安铭

材料科学与工程学院

2/3/20231概述第一节Summary2/3/20232AnmingLi,DeptofMSE,hpu合金钢：为了改善钢的力学性能、工艺性能或理化性能，有意往钢中加入一些合金元素，这种钢称为合金钢。分类：合金结构钢→改善力学性能合金工具钢→特殊的力学性能特殊性能钢→特殊的理化性能材料科学与工程学院2/3/20233AnmingLi,DeptofMSE,hpu一、碳钢的优点和不足

1、价格低、容易冶炼

2、加工工艺性好碳钢4-5千元/吨，一般合金钢5-6千元/吨例如：锻、焊、切削加工性

3、改善性能（C%

、热处理）例如：绑扎的铁丝、錾子优点材料科学与工程学院2/3/20234AnmingLi,DeptofMSE,hpu不足：

1.淬透性差例如：Φ30mm拉杆，调质状态使用。选45钢，心部不能得到

S回，要选用40Cr钢。汽车、拖拉机发动机的连杆螺栓

几种钢的淬透性比较Φ66Φ8740CrNiMoΦ20Φ3240Cr

Φ8Φ1845Do油(mm)Do水(mm)钢号材料科学与工程学院2/3/20235AnmingLi,DeptofMSE,hpu钢种σb(MPa)σs(MPa)ψ(%)ak(J/mm2)30500300500.830CrNiMo9

屈强比：σs/σb

碳钢0.5-0.6合金钢0.8-0.9

强度级别低，限制了碳钢的使用范围，例如：航空、航天等。

2.强度级别低、屈强比低材料科学与工程学院2/3/20236AnmingLi,DeptofMSE,hpu

碳钢制作的刀具，刀刃处工作温度＜200℃，高速钢刀具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

3.回火稳定性差，耐热性差三种钢耐热性比较.碳钢不适宜制作高温工作的零件。

材料科学与工程学院2/3/20237AnmingLi,DeptofMSE,hpu

4.不能满足特殊性能的要求

耐低温

碳钢在韧脆转换温度以下变脆

耐腐蚀

碳钢不能抵御大气、酸碱盐的腐蚀

导磁性

碳钢的导磁率较低

无磁性

碳钢在磁场中不可避免会被磁化材料科学与工程学院2/3/20238AnmingLi,DeptofMSE,hpu

长江上的三座桥

武汉大桥

50年代

碳素结构钢

强度低

主跨128米

南京大桥

60年代

主跨160米

16Mn

较碳钢节约20％

九江大桥80年代

主跨216米

15MnVN

较16Mn节约20％

正是碳钢的不足，促进了合金钢的发展

合金钢的发展，促进了工业技术的进步材料科学与工程学院2/3/20239武汉长江大桥材料科学与工程学院2/3/202310南京长江大桥材料科学与工程学院2/3/202311九江长江大桥材料科学与工程学院2/3/202312各个国家都投入大量的人力、物力，用于高性能材料的研究开发，抢占材料研究的制高点。我国的863、973科研计划，材料学科都占据了重要的位置。

合金钢用量占钢铁材料的比例，反映了一个国家工业技术的水平。材料科学与工程学院2/3/202313AnmingLi,DeptofMSE,hpu这些元素与碳作用形成合金碳化物

Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱强

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。Fe的左边：

二、钢中的合金元素材料科学与工程学院2/3/202314AnmingLi,DeptofMSE,hpuFe的右边：B、N、Al、Si

、Ni、Co、Cu另外：Re这些元素与碳的亲和力较弱，一般以固溶体形式存在材料科学与工程学院2/3/202315AnmingLi,DeptofMSE,hpu合金钢的分类：1、合金结构钢2、合金工具钢3、特殊性能钢材料科学与工程学院2/3/202316AnmingLi,DeptofMSE,hpu合金结构钢第二节AlloyStructuralSteel2/3/202317AnmingLi,DeptofMSE,hpu合金结构钢

(AlloyConstructionalSteel)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材料科学与工程学院2/3/202318AnmingLi,DeptofMSE,hpu数字+化学元素+数字1、前面(两位）数字表示钢平均含碳量的万分数；2、后面的数字表示合金元素含量。合金元素含量小于1.5%时，不标含量；等于或大于1.5%、2.5%……时，以2、3表示。4、特殊标注：

滚珠轴承钢：注明“G”，铬含量千分数为单位；易切削钢：钢号前加“Y”3、S、P量较低的高级优质钢，加A

结构钢编号原则材料科学与工程学院2/3/202319AnmingLi,DeptofMSE,hpu一.普通低合金钢

(commonlow–alloyedsteel)又称“低合金高强度钢”用途：工程结构件，如车辆、船舶、压力容器、桥梁。

1、用途及性能：材料科学与工程学院2/3/202320AnmingLi,DeptofMSE,hpu性能要求：

1）高强度，300Mpa以上；省料和减少自重；

2）高的塑性和韧性，δ＞20％，－40℃时，ak≥24J；

3）好的焊接性和冷变形性，有利于成型。

1）低碳，WC＜0.20%Wt，以保证足够的韧性；

2）以Mn为主强化元素，价格较廉；

3）加入少量Nb、V强碳化物元素，达到细化晶粒的效果；

4）针对特殊用途，可加入Cu、P，提高钢的抗腐蚀能力。

2、成分特点：低碳＋细化晶粒、弥散强化元素材料科学与工程学院2/3/202321AnmingLi,DeptofMSE,hpu质量等级345MPa屈服强度牌号:

Q

345

C

300MPa12Mn350MPa16Mn450MPa15MnVN供货状态：热轧＋空冷一般不单独热处理

3、热处理及典型钢种：材料科学与工程学院2/3/202322AnmingLi,DeptofMSE,hpu二、渗碳钢

用途：承受强的磨擦、磨损及交变应力，一定冲击载荷。例如：汽车中传递动力的齿轮。

性能：

1）心部足够的强度及优良的韧性；

2）良好的淬透性；

3）表面处理后，有高的硬度；

4）能适应高温渗碳工艺。

1、用途及性能：活塞销(20Cr)材料科学与工程学院2/3/202323AnmingLi,DeptofMSE,hpu

1）低碳，0.10－0.20%C，保证足够塑性和韧性；

2）加入提高淬透性的元素，Cr、Mn、Ni、B等；

3）加入少量强碳化物形成元素，如Ti、V、Mo等，阻止奥氏体的晶粒长大。

渗碳＋淬火＋低温回火

低淬透性：15Cr、20Cr、20Mn2中淬透性：20CrMnTi、20CrMnMo高淬透性：12CrNi4A、18Cr2Ni4WA

低碳＋提高淬透性元素＋强碳化物元素

2、成分特点：

3、热处理及典型钢种：材料科学与工程学院2/3/202324AnmingLi,DeptofMSE,hpu三、调质钢

用途：齿轮、轴、连杆、高强度螺栓。

性能：1）高的强韧性配合；

2）好的淬透性。

1）中碳，0.3-0.50%C之间，强韧性的合理配合；

2）提高淬透性元素，Cr、Mn、Ni、Si、B等；

3）加入W、Mo，防止回火脆性。

2、成分特点：中碳＋提高淬透性元素＋防止回火脆性元素

1、用途及性能：材料科学与工程学院2/3/202325AnmingLi,DeptofMSE,hpu

淬火＋高温回火（调质）低淬透性40MnMnB、40Cr中淬透性42CrMo、40CrNiMo高淬透性34CrNi3Mo

3、热处理及典型钢种：材料科学与工程学院2/3/202326AnmingLi,DeptofMSE,hpu四、弹簧钢

用途：制造各类弹簧。弹簧的作用是吸收和释放能量。

性能：

1）高的比例极限，即σs/σb值（屈强比）高；

2）σ-1大，有较高的疲劳抗力；

3）足够的韧性，硬度适中，

39－50HRC。热卷大弹簧

1、用途及性能：材料科学与工程学院2/3/202327AnmingLi,DeptofMSE,hpu

1）偏高的含碳量，0.45－0.70%C之间；

2）Si可以有效提高钢的比例极限

Cr、Si、Mn

可提高淬透性；

3）Si、V的使用可以提高回火稳定性。淬火＋中温回火1）热成型弹簧65Mn、60Si2Mn。

2）冷成型弹簧T10等大型热卷弹簧

2、成分特点：

3、热处理及典型钢种：高碳＋提高淬透性元素＋提高回火稳定性元素材料科学与工程学院2/3/202328AnmingLi,DeptofMSE,hpu五、滚动轴承钢

用途：制造滚动轴承

性能：

1）高强度和硬度，HRC60－62，承受高的压应力

；

2）高的接触疲劳抗力，接触应力可达3000-3500MPa；

3）高的耐磨损能力。

高碳＋提高淬透性元素

0.95－1.15%CCr、Si、Mn

2、成分特点：

1、用途及性能：材料科学与工程学院2/3/202329AnmingLi,DeptofMSE,hpu球化退火＋淬火＋低温回火GCr9小轴承GCr15多数轴承GCr15SiMn壁厚＞14的大轴承极细回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体

3、热处理及典型钢种：材料科学与工程学院2/3/202330AnmingLi,DeptofMSE,hpu合金工具钢第三节AlloyToolSteel2/3/202331AnmingLi,DeptofMSE,hpu数字+化学元素+数字1、前面(一位）数字表示钢平均含碳量的千分数；含碳量≥1％时，不写数字。2、后面的数字表示合金元素含量。合金元素含量小于1.5%时，不标含量；等于或大于1.5%、2.5%……时，以2、3表示。4、特殊标注：

高速钢，例如：W18Cr4V；

3、S、P量较低的高级优质钢，加A

工具钢编号原则材料科学与工程学院2/3/202332AnmingLi,DeptofMSE,hpu一、合金刃具钢alloycuttingtoolsteel材料科学与工程学院2/3/202333AnmingLi,DeptofMSE,hpu什么是合金刃具钢？用途：车刀、刨刀、铣刀、钻头等。

用于制造各类切削刀具的合金钢。

（alloycuttingtoolsteel）

低合金刃具钢

高合金刃具钢材料科学与工程学院2/3/202334AnmingLi,DeptofMSE,hpu刃具钢主要用途车刀端面铣刀钻头丝锥板牙盘型铣刀齿轮滚刀材料科学与工程学院2/3/202335AnmingLi,DeptofMSE,hpuγβ2β1γ弹性变形

塑性变形

挤裂γβ2金属的切削过程

1.刃具的工作特点材料科学与工程学院2/3/202336AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科学与工程学院2/3/202337AnmingLi,DeptofMSE,hpu工作特点与工件发生剧烈的摩擦

要求刃具钢有高的硬度、高的耐磨性

承受一定的冲击和弯曲应力

要求刃具钢有足够的塑性、韧性刃部有很高工作温度

要求刃具钢有高的耐热性三个特点材料科学与工程学院2/3/202338AnmingLi,DeptofMSE,hpu

2.性能要求（properties)

（1）高硬度

(hardness)一般刃具钢≥60HRC，部分刃具钢≥70HRC

（2）高的耐磨性（wearability)

决定了刀具的耐用度；耐用度：刀具由开始切削到磨钝的时间。材料科学与工程学院2/3/202339AnmingLi,DeptofMSE,hpu

63

60HRC

降30％

大量VC70HRC

刃具的耐磨性材料的硬度碳化物性质成分VCWCFe3C硬度/HV20101730800三种碳化物的硬度材料科学与工程学院2/3/202340

(3)高的热硬性（hothardness)

热硬性：材料在高温下保持高硬度的性能，取决于钢的回火稳定性和碳化物的性质。

意大利五轴数控铣床

德国数控铣床

材料科学与工程学院2/3/202341刃具材料的耐热性是影响机械切削速度的关键因素；国际生产工程学会的一份报告指出：“正是由于刃具材料的进步，允许切削速度每隔十年几乎提高一倍”。

对刃具材料的热硬性提出了更高的要求

刃具温度升高切削速度提升材料科学与工程学院2/3/202342AnmingLi,DeptofMSE,hpu

（4）足够的塑性和韧性（plasticityandtoughness)

材料塑韧性低

刃具崩刃、断裂

高速钢刃具50％，硬质合金刃具45％，其它材料刃具5％。主要原因：高速钢的韧性好。材料科学与工程学院2/3/202343AnmingLi,DeptofMSE,hpu

成分特点：

高碳+提高淬透性元素+提高回火稳定性元素

1)高碳，0.85－1.05%C之间；

2)提高淬透性的元素：CrMn；

3)提高回火稳定性的元素：VSi典型钢种及热处理：

9SiCrCrWMn

淬火＋低温回火

3、低合金刃具钢：材料科学与工程学院2/3/202344AnmingLi,DeptofMSE,hpu

4.高合金刃具钢(high-alloycuttingtoolsteel)

“高速钢”

(highspeedtoolsteel)

W：17.5-19.0％保证热硬性以W18Cr4V为例(1)化学成分及元素作用

形成碳化物，约0.2％；保证M中的碳含量，约0.5-.-0.6％。

形成WC；提高回火稳定性。

C：0.7-0.8％保证高硬度材料科学与工程学院2/3/202345AnmingLi,DeptofMSE,hpu

V：1.0－1.4％提高硬度和耐磨性

Cr：3.8－4.4％提高淬透性“风钢”

发展

减少W含量,增加MO,V

例W6Mo5Cr4V2

趋势：提高硬度，发展超硬高速钢化学成分及元素作用

增加过冷A稳定性，增加残余A的量形成VC1％→3.5％V，60HRC→70HRC材料科学与工程学院2/3/202346AnmingLi,DeptofMSE,hpu塑性差；锻造温度间隔小

（2）锻造及热处理（forgingandheattreatment)

几种钢的锻造温度9501150W18Cr4V8001200457001250A3终锻温度/℃始锻温度/℃钢号

必须锻造

非常困难锻造退火组织铸态组织材料科学与工程学院2/3/202347

热处理工艺

加热800-840℃预热

1270-1280℃A化

组织：A+C冷却

组织:M+C+A残

油冷.580-620℃分级回火减A残.析出C

550-570℃三次高速钢的热处理

（heattreatment)热处理工艺曲线材料科学与工程学院2/3/20234860-63HRC原因：大量A残63-66HRC组织：M回+C+A残W18Cr4V回火温度与硬度回火与硬度淬火后回火后材料科学与工程学院2/3/202349二、模具钢Diesteel材料科学与工程学院2/3/202350AnmingLi,DeptofMSE,hpu用途：近室温下对金属进行变形的模具；冷冲模、冷挤压、拉丝、滚丝轮、搓丝板等。

汽车冲压模具冷作模钢

(cold-workingdiesteel)

1、用途及性能：材料科学与工程学院2/3/202351AnmingLi,DeptofMSE,hpu

1）高碳，＞1.0%C，有的甚至可达到2％；

2）提高淬透性元素CrWMn;3）碳化物元素，Mo、W、V等。

淬火＋低温回火

尺寸较小、轻载的模具

T10A、9SiCr、9Mn2V；尺寸较大、重载、热处理变形小的模具

Cr12、Cr12MoV。

成分特点：高碳＋提高淬透性元素＋碳化物元素

热处理及典型钢种：材料科学与工程学院2/3/202352AnmingLi,DeptofMSE,hpu热作模钢

(hot-workingdiesteel)用途：对高温金属进行变形的模具；如热锻模、热挤压模等。

1、用途及性能：材料科学与工程学院2/3/202353AnmingLi,DeptofMSE,hpu

1）中碳0.3-0.5%C；

2）提高淬透性元素CrMnNiSi;3）提高回火稳定性元素Mo、W4)防止第二类回火脆性元素WMo

成分特点：中碳＋提高淬透性元素＋提高回火稳定性元素＋防止第二类回火脆性元素材料科学与工程学院2/3/202354AnmingLi,DeptofMSE,hpu

5CrMnMo一般模具

5CrNiMo各种模具，淬透性好

3Cr2W8V

重载大型模具

热处理及典型钢种：淬火＋高温回火汽车锻模材料科学与工程学院2/3/202355AnmingLi,DeptofMSE,hpu用途：制造卡尺，量规、塞规等；

三、量具钢

1、用途及性能：卡尺量规千分尺材料科学与工程学院2/3/202356AnmingLi,DeptofMSE,hpu高碳:0.9～1.5%;合金元素:Cr、Mn、W。淬火冷处理低温回火时效处理简单量具：T10A、T12A、65Mn等。形状复杂、高精度：CrWMn、GCr15。

3、热处理及典型钢种：

2、

成分特点：材料科学与工程学院2/3/202357AnmingLi,DeptofMSE,hpu特殊性能钢第四节SpecialPropertySteel2/3/202358AnmingLi,DeptofMSE,hpu

一.不锈钢

(stainlesssteel)

在腐蚀介质中具有很高的抗腐蚀能力的钢。*在空气中的年腐蚀量为0.01mm以内；*在强酸、强碱介质中的年腐蚀量为0.1mm以内。

2、

耐蚀的概念：

1、

定义：材料科学与工程学院2/3/202359AnmingLi,DeptofMSE,hpu1)马氏体型不锈钢

---Cr13型钢化学成分特点:Wc=0.1～0.4%

WCr=13%热处理特点:淬火＋回火组织：回火索氏体结构件回火马氏体刀具牌号:1Cr13～4Cr13常用不锈钢：材料科学与工程学院2/3/202360AnmingLi,DeptofMSE,hpu2)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:750-780℃空冷

不能进行热处理强化。牌号:1Cr17、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。硝酸生产装置材料科学与工程学院2/3/202361Anming