412合金钢知识课件

§4.1.2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、耐蚀等）。合金钢：在碳钢的基础上，加入某些合金元素而得到的钢。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。合金元素对钢中基本相的影响溶于基体中形成合金F或合金A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。与碳作用形成合金碳化物如(Fe，Mn)3C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。单独形成特殊碳化物，如TiC、NbC、VC，具有高熔点、高硬度、高耐磨的性能，且稳定性极高。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γ相区，扩大A存在的区域，如1Cr18Ni9和ZGMn13，室温下单相ACr、Mo、W、V、Ti、Si缩小γ相区均缩小A存在区域，如1Cr17Ti高铬铁素体不锈钢§1合金钢的分类1、按合金元素含量多少分为低合金钢（含量＜5％），中合金钢（含量5％～10％），高合金钢（含量＞10％）；2、按主要性能和使用特性分类，分为工程结构用合金钢、机械结构用合金钢、轴承钢、工具用钢、不锈钢、耐蚀和耐热钢；3、按钢中的合金元素种类不同分为锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢和铬锰钢等；4、按用途分为合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢（重点介绍）§3合金结构钢低合金高强度结构钢成分：Wc<0.2%，Me%<3%，主加元素Mn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。性能：①较高的强度、屈强比、塑、韧性（Me）；

②良好的焊接性和冷塑性加工性（低碳）；

③含有耐大气和海水腐蚀的元素（Cu、P）。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高压容器渗碳钢成分：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；合金元素：主加Cr、Mn、Ni、B等，以提高渗碳钢的淬透性，保证零件的心部为低碳马氏体，从而具有足够的心部强度；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。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。性能：①表层高硬度（≥58HRC）和高耐磨性；②心部良好强韧性；③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。热处理渗碳→淬火+低温回火（180～200℃）调质钢成分中碳：0.25%～0.5%（一般为0.4%左右）。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。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。性能：具有优良的综合力学性能，即既强又韧热处理：

预先热处理：正火处理（Me含量低）或正火＋高温回火（Me含量高）最终热处理：调质，即淬火＋高温回火。组织：S回连杆弹簧钢成分：中高碳：碳素弹簧钢0.6～0.9%C，合金弹簧钢0.45～0.70%C，经淬火加中温回火后得到回火托氏体组织，能较好地保证弹簧的性能要求。合金元素主加元素为Si、Mn等，其主要作用是提高淬透性、回火稳定性、强化F基体；辅加元素为Mo、W、V等强碳化物形成元素，主要作用有防止Si引起的脱碳缺陷，并细化晶粒及进一步提高弹性极限与屈强比。用途：制造各种弹簧和弹性元件或类似性能要求的结构零件性能：高的弹性极限σe和屈强比σs/σb，高的疲劳极限；热处理热轧弹簧：热成型→淬火+中温回火→喷丸冷轧弹簧：淬火+中温回火→冷成型→去应力→喷丸热成形弹簧对截面尺寸＞10mm各种大型和形状复杂的弹簧均采用热成形(如热轧、热卷)，如汽车、拖拉机、火车的板簧和螺旋弹簧。其加工路线：下料→加热压弯或卷绕→淬火→中温回火→喷丸，使用状态组织为回火托氏体。喷丸可强化表面并提高弹簧表面质量，显著改善疲劳性能。（也可采用等温淬火获得下贝氏体、或形变热处理，提高弹簧的性能和寿命）。汽车板簧热卷大弹簧冷成形弹簧截面尺寸＜10mm的各种小型弹簧可采用冷成形(如冷卷、冷轧)，如仪表中的螺旋弹簧、发条及弹簧片等。这类弹簧在成形前先进行冷拉（冷轧）、淬火中温回火或铅浴等温淬火后冷拉（轧）强化；然后再进行冷成形加工，此过程中将进一步强化金属，但也产生了较大的内应力和脆性，故在其后应进行低温去应力退火（一般200～400℃）。弹簧丝发条滚动轴承钢成分高碳：0.95%~1.15%C，保证轴承钢高硬度和高耐磨性；低铬：0.40%~1.65%Cr，增加钢的淬透性，并形成合金渗碳体(Fe、Cr)3C提高接触疲劳极限和耐磨性。大型轴承加入Si、Mn、Mo、V等元素以进一步提高淬透性和强度。用途：制造各种滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱）和内外套圈的专用钢种，也可用于制作精密量具、冷冲模、机床丝杆及油泵油嘴的精密偶件如针阀体、柱塞等耐磨件。性能：高的硬度强度和耐磨性;高的接触疲劳强度;足够的韧性和耐蚀性;高的纯净度;热处理预先热处理：球化退火，以改善切削加工性并为淬火作组织准备；最终热处理：淬火＋低温回火，决定轴承钢的性能，得到高硬度（62~66HRC）和高耐磨性。冷处理：消除A残与内应力、稳定组织、提高轴承的尺寸精度。组织：M回＋细碳化物＋少量A残

§4合金工具钢一、刃具钢性能要求高的硬度（60～66HRC）和耐磨性。高的热硬性，即钢在高温下（500～600℃）保持高硬度（60HRC左右）的能力，这是高速切削加工刀具必备的性能。适当的韧性。（一）低合金刃具钢成分：高碳，含0.9～1.5%C，添加Si、Mn、Cr、等合金元素，提高钢的淬透性和回火稳定性，进一步改善刀具的硬度和耐磨性；强碳化物形成元素(如W、V等)所形成的碳化物除对耐磨性有提高作用外，还可提高钢的热硬性。性能：低合金工具钢的淬透性和综合力学性能好，但由于其内的合金元素主要是淬透性元素，而不是含量较多的强碳化物形成元素(W、Mo、V等)，故仍不具备热硬性特点，刀具刃部的工作温度一般不超过250℃，否则硬度和耐磨性迅速下降，甚至丧失切削能力，因此这类钢属于低速切削刃具钢。（二）高速钢成分（W18Cr4V）高碳0.7～1.5%：保证高硬度钨18%：形成碳化物；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。钼5%：1%Mo的作用等同于2%W。铬4%：形成碳化物；提高钢的淬透性。钒1.5%：形成VC，硬度极高，提高钢的硬度和耐磨性，产生二次硬化。性能：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。盘形铣刀模具钢（一）冷作模具钢工作条件与性能要求：在常温下使金属材料变形成型的模具用钢，工作温度200～300℃；模具承受很大的载荷及摩擦、冲击作用；冷作模具钢应具有高硬度、高耐汽车车门模具成分：高碳合金元素：Cr，Mo、W、V磨性、高强度和足够的韧性；冷作模具对淬透性、耐磨性尤其是韧性方面的要求更高一些，冷作模具钢应是高碳成分并多在回火马氏体状态下使用。（二）热作模钢工作条件与性能要求：使热态金属成形的模具用钢。热锻模工作部分的温度会升高到300～400℃、热挤压模可达500～800℃、甚至近1000℃，因交替加热冷却的温汽车曲轴模具度循环产生交变热应力；热作模具常见的失效形式有变形、磨损、开裂和热疲劳等，要求模具钢应具有良好的高温强韧性、高的热疲劳和热磨损抗力、一定的抗氧化性和耐蚀性等。成分：中碳0.3～0.6%；合金元素:Cr、Ni、Mn、Si、Mo、W、V。量具钢性能要求：高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性。成分：高碳；合金元素：Cr，Mn、W。应用◆简单量具——T10A、T12A等。◆高精度量具——GCr15、9SiCr、CrWMn热处理：淬火+冷处理+低温回火+时效处理最终组织：M回+合金碳化物千分尺特殊性能钢（一）不锈钢金属腐蚀的种类:化学腐蚀——金属表面与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀。如金属高温时的氧化，钢的脱碳。电化学腐蚀——金属材料（合金或不纯的金属）与电解质溶液接触，通过电极反应产生的腐蚀。如钢的生锈。金属的防腐“多相”易腐蚀，“单相”不易腐蚀两相若电极电位接近耐腐蚀(Cr、Ni提高基体电极电位)表面致密的氧化膜也耐腐蚀(Al2O3、Cr2O3)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。铁素体不锈钢碳含量<0.12%、铬含量16％～18％。Cr是铁素体形成元素，致使此类钢从室温到高温（1000℃左右）均为单相铁素体；塑性加工、切削加工和焊接性较优。主要用于对耐蚀性和抗氧化性有较高要求的零件，如耐硝酸、磷酸结构和抗氧化结构。常见的铁素体不锈钢有10Cr13、1Cr17、1Cr28等。马氏体不锈钢马氏体不锈钢：碳0.1%～0.45%，含Cr平均为13%。当WCr>12%时能起到钝化作用。此类钢在氧化性介质中（如大气、海水、氧化性酸）耐蚀。常见的马氏体不锈钢有：Cr13型如1Cr13、2Cr13、3Cr13。奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢：是在Cr18Ni8（18-8）基础上发展起来的，低碳（<0.12％）、高铬（18％）和较高镍（9％）；Cr主要起钝化作用，Ni主要起扩大A相区的作用。此类钢具有最佳的耐蚀性，但相应地价格也较高；优良的低温韧性、高的加工硬化能力、耐热性，其冷塑性加工性和焊接性能较好。以Cr18Ni8普通型奥氏体不锈钢用量最大，牌号有1Cr18Ni9，1Cr18Ni9Ti及0Cr18Ni9等。（二）耐热钢定义:在高温下具有抗氧化性和高温强度的特殊钢。高温强度（热强性）指标有：蠕变极限：材料在高温长期载荷下对缓慢塑性变形（即蠕变）的抗力；以表示700℃下经1000h产生0.2%残余变形量的最大应力。持久强度：材料在高温长期载荷下对断裂的抗力；以表示在500℃下经10000h发生断裂的应力值。提高钢抗氧化性的途径：加入Cr、Al、Si在钢表面生成致密稳定连续而牢固的Cr2O3、Al2O3、SiO2氧化膜。提高钢热强性的途径：基体固溶强化：加入元素Cr、Ni、W、Mo等，形成单相组织并提高再结晶温度。第二相弥散强化：加入元素V、Ti、Nb、Al等，形成细小弥散分布的稳定碳化物(VC、TiC、NbC)或稳定性更高的金属间化合物(Ni3Ti、Ni3Nb、Ni3Al)，获得第二相弥散强化效果并提高组织稳定性。晶界强化：微量元素硼(B)与稀土(RE)元素，起净化晶界或填充晶界空位的作用。抗氧化钢：如3Cr18Ni25Si2等。热强钢珠光体：500℃以下，如12CrMo、15CrMoV马氏体：600-650℃，如Cr13型马氏体不锈钢奥氏体：650℃以上：如18-8型奥氏体不锈钢航空发动机汽轮机叶片（三）耐磨钢定义：在强烈冲击载荷作用下发生冲击形变硬化的高锰钢。化学成分：高碳(0.9%~1.5%)、高锰(11％~14％)。铸态组织：粗大A＋Fe3C网，脆性大，不直接使用。水韧处理：（1060~1100℃快速水冷）后可得到单相A，此时韧性很高。形变硬化：(A→M)形成硬(＞500HBW)而耐磨的表面层(10~20mm)，心部仍为高韧性的A。主要用途：坦克、拖拉机、挖掘机的履带板、破碎机衬板、铁路道岔等。4.1.3铸铁主要由铁、碳和硅组成的合金的总称。也叫生铁。碳含量大于2.11％硅含量为0.8％~3.0％锰、硫、磷杂质元素含量也比碳钢高。合金铸铁还含有镍、铬、钼、铝、铜、硼、钒等元素。碳、硅是影响铸铁显微组织和性能的主要元素。

含碳量较高的铁,质脆,不能锻压,用来炼钢或铸造器物。铸铁硬度强度比钢更大，但塑性，韧性，抗疲劳性比钢要小的多。也就是说使用性能不及钢铁，但工艺性能优于钢，因为它比钢更易切削加工。