合金鋼（課堂PPT）

1、機(jī)械工程材料Mechanical Engineering Materials知識要點(diǎn)知識要點(diǎn)碳鋼的優(yōu)缺點(diǎn)和合金元素的作用碳鋼的優(yōu)缺點(diǎn)和合金元素的作用常用的合金結(jié)構(gòu)鋼常用的合金結(jié)構(gòu)鋼常用的合金工具鋼常用的合金工具鋼(以高速鋼以高速鋼/模具鋼為例）模具鋼為例）常用的特殊性能鋼（不銹鋼）常用的特殊性能鋼（不銹鋼）碳鋼的優(yōu)缺點(diǎn)：碳鋼的優(yōu)缺點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：冶煉工藝較簡單，成本低，壓力加 工性能好，切削加工性能好，綜合力學(xué) 性能好缺點(diǎn)：淬透性低，回火抗力差，強(qiáng)度較低，無特殊性能 為提高碳鋼的力學(xué)性能、淬透性及回火穩(wěn)定性，在鋼中添加一定量的合金元素合金鋼。合金鋼。 常用的合金元素有： Cr、 Mn、Ni、 Co、

2、Cu、Si、 Al、 B 、 W、 Mo 、 V、Ti、Nb、Zr、Re等。微合金化鋼是近二、三十年來鋼鐵生產(chǎn)中的最重要成微合金化鋼是近二、三十年來鋼鐵生產(chǎn)中的最重要成就。在普通碳鋼中只要加入極少量的（就。在普通碳鋼中只要加入極少量的（0.1%)0.1%)的強(qiáng)碳化物的強(qiáng)碳化物形成元素如此形成元素如此Ni、Ti、V或加少量的或加少量的Al形成形成AlN再配合以控再配合以控軋工藝，就可以制成屈服強(qiáng)度達(dá)軋工藝，就可以制成屈服強(qiáng)度達(dá)350-550MPa，并具有良好，并具有良好韌性的低碳鋼。韌性的低碳鋼。合金元素合金元素的影響是永遠(yuǎn)的熱點(diǎn)。的影響是永遠(yuǎn)的熱點(diǎn)。1. 1. 改善鋼的熱處理工藝性能改善鋼的熱

3、處理工藝性能加入加入TiTi、V V、NbNb、ZrZr、AlAl等，形成細(xì)小的碳化等，形成細(xì)小的碳化物顆粒，阻止奧氏體晶粒長大物顆粒，阻止奧氏體晶粒長大( (除除Mn)Mn)2) 2) 提高鋼的淬透性提高鋼的淬透性除除Co Co 以外，其他合金元素都能使鋼以外，其他合金元素都能使鋼”C C”曲線曲線向右移動，從而提高鋼的淬透性向右移動，從而提高鋼的淬透性3) 提高鋼的回火抗力，產(chǎn)生二次硬化，防止第二類回火脆性 合金元素固溶于馬氏體中，使馬氏體回火時分解的難度增大，延緩硬度下降W、Cr、V、Mo 等，回火時會形成特殊碳化物，使硬度重新升高二次硬化（圖4-2）回火抗力是指淬火鋼在回火過程中抵抗回

4、火抗力是指淬火鋼在回火過程中抵抗硬度下降的能力，又稱回火穩(wěn)定性。硬度下降的能力，又稱回火穩(wěn)定性。合金元素固溶于淬火合金元素固溶于淬火M中可減慢碳的擴(kuò)中可減慢碳的擴(kuò)散，阻礙碳化物從過飽和固溶體中析出，推散，阻礙碳化物從過飽和固溶體中析出，推遲遲M的分解，延緩硬度下降，因此，合金鋼的分解，延緩硬度下降，因此，合金鋼具有較高的回火抗力。具有較高的回火抗力。在相同回火溫度下，含碳在相同回火溫度下，含碳量相同的合金鋼的硬度較量相同的合金鋼的硬度較碳鋼高。碳鋼高。在要求相同硬度條件下，在要求相同硬度條件下，合金鋼的回火溫度高，合金鋼的回火溫度高，塑韌性好。塑韌性好。一些含一些含Cr、Mo、V等合金元素較多

5、的合金鋼等合金元素較多的合金鋼，在，在500600范圍內(nèi)回火范圍內(nèi)回火時，由于沉淀析出這些合金時，由于沉淀析出這些合金元素的碳化物并呈彌散狀分元素的碳化物并呈彌散狀分布，因而對材料起到沉淀強(qiáng)布，因而對材料起到沉淀強(qiáng)化的作用?；淖饔?。淬火鋼在較高溫度回火淬火鋼在較高溫度回火時，硬度不降低反而升高的時，硬度不降低反而升高的現(xiàn)象稱為現(xiàn)象稱為二次硬化二次硬化?；鼗饻囟然鼗饻囟菻RCwSi 回火溫度回火溫度HRCwMo 淬火鋼回火后的韌性下降現(xiàn)象稱為回火脆性。在250400出現(xiàn)韌性下降，稱第一類回第一類回火脆性火脆性；在500 600 回火后緩慢冷卻時韌性亦會下降，稱第二類回第二類回火脆性火脆性。回火

6、溫度回火溫度 AK快冷300500650慢冷l固溶強(qiáng)化l第二相強(qiáng)化l細(xì)晶強(qiáng)化1提高鋼的強(qiáng)度提高鋼的強(qiáng)度鋼的塑性變形的實(shí)質(zhì)是沿移面運(yùn)動的結(jié)果。Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W等合金元素固溶于F、A、M中引起晶格畸變，增加位錯運(yùn)動的阻力，產(chǎn)生強(qiáng)化。（1）固溶強(qiáng)化）固溶強(qiáng)化硬度硬度提高提高韌性韌性降低降低Mn、Cr、Mo、W、V 、Ti 、Nb、Zr等合金元素在鋼中能夠形成各種碳化物合金碳化物。根據(jù)元素與碳親和力的強(qiáng)弱，合金元素分為強(qiáng)碳化物形成元素：V、Ti、Nb、Zr弱碳化物形成元素：Mn中強(qiáng)碳化物形成元素：Cr、Mo、W（）第二相強(qiáng)化（）第二相強(qiáng)化V、Ti、Nb、Zr、Al等合

7、金元素可是顯著細(xì)化A、F晶粒及M，提高鋼的強(qiáng)度、硬度，并能提高鋼塑性和韌性。（）細(xì)晶強(qiáng)化（）細(xì)晶強(qiáng)化鋼的其它強(qiáng)化手段，提高強(qiáng)度、硬度是鋼的其它強(qiáng)化手段，提高強(qiáng)度、硬度是以降低塑、韌性為代價的。以降低塑、韌性為代價的。只有細(xì)晶強(qiáng)化既可以提高鋼的強(qiáng)度和硬只有細(xì)晶強(qiáng)化既可以提高鋼的強(qiáng)度和硬度，又能提高鋼的塑性和韌性。度，又能提高鋼的塑性和韌性。使鋼獲得特殊性能使鋼獲得特殊性能合金元素加入鋼中后會改變相圖，使鋼在室溫下得到單相組織，并可形成致密的氧化膜和金屬間化合物，使鋼獲得耐蝕性及耐熱性等特殊性能。提高鋼的抗腐蝕性能提高鋼的抗高溫氧化性能提高鋼的高溫強(qiáng)度提高鋼的抗沖擊磨損性能a)提高鋼的耐低溫性能當(dāng)

8、鋼中當(dāng)鋼中wNi=9%，wMn=13%時，可時，可使使A3降低至室溫，此時鋼在室溫下為單降低至室溫，此時鋼在室溫下為單相奧氏體組織，稱為奧氏體鋼。此類鋼相奧氏體組織，稱為奧氏體鋼。此類鋼具有耐蝕、耐高溫、抗磨損等特殊性能具有耐蝕、耐高溫、抗磨損等特殊性能。當(dāng)鋼中當(dāng)鋼中wCr=1728%時，可使奧氏時，可使奧氏體區(qū)消失，此時鋼在室溫下為單相鐵素體區(qū)消失，此時鋼在室溫下為單相鐵素體組織，稱為鐵素體鋼。此類鋼也具有體組織，稱為鐵素體鋼。此類鋼也具有耐蝕、耐高溫等特殊性能。耐蝕、耐高溫等特殊性能。細(xì)化細(xì)化A晶粒晶粒Ti、V、Nb、Zr、Al提高淬透性提高淬透性除除Co以外，如以外，如Mn、Cr、W、M

9、o提高回火抗力提高回火抗力Cr、W、Mo、V固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化Ni、 Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化Mn、Cr、Mo、W擴(kuò)大擴(kuò)大A相相Ni、Mn、Cu、N擴(kuò)大擴(kuò)大F相相Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al形成致密氧化膜形成致密氧化膜Si、Al、Ni、 Cr、 W、Mo、Ti合金元素在鋼中的存在形合金元素在鋼中的存在形式式固溶體固溶體化合物化合物游離態(tài)游離態(tài)固溶體固溶體碳化物碳化物金屬間化合物金屬間化合物非金屬夾雜物非金屬夾雜物合金滲碳體合金滲碳體特殊碳化物特殊碳化物1 合金鋼的分類合金鋼的分類合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金工具鋼合金工具鋼特殊性能鋼特殊性能鋼2 合金鋼

10、的牌號合金鋼的牌號（1）合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號：）合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號：數(shù)字?jǐn)?shù)字+合金元素符號合金元素符號+數(shù)字?jǐn)?shù)字45Mn2 40Cr平均碳的質(zhì)量的萬分?jǐn)?shù)合金元素平均質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)幾個特殊情況：軸承鋼，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼幾個特殊情況：軸承鋼，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼,高級優(yōu)質(zhì)鋼高級優(yōu)質(zhì)鋼G+Cr的千分?jǐn)?shù)的千分?jǐn)?shù)AQ+數(shù)字?jǐn)?shù)字+等級等級合金工具鋼和特殊性能鋼的牌號：合金工具鋼和特殊性能鋼的牌號： 數(shù)字?jǐn)?shù)字+合金元素符號合金元素符號+數(shù)字?jǐn)?shù)字含碳量的千含碳量的千分?jǐn)?shù)分?jǐn)?shù)合金元素平均質(zhì)量合金元素平均質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)的百分?jǐn)?shù)說明：說明：Wc1%時，不標(biāo)數(shù)字；高速鋼例外。時，不標(biāo)數(shù)字；高速鋼例外。9Mn2VCrWMn高硬度

11、、高耐磨性和高耐熱性高硬度、高耐磨性和高耐熱性.又名風(fēng)鋼或鋒鋼，又名風(fēng)鋼或鋒鋼，意思是淬火時即使在空氣中冷卻也能硬化，并且很鋒利。意思是淬火時即使在空氣中冷卻也能硬化，并且很鋒利。1、含碳量的標(biāo)記、含碳量的標(biāo)記結(jié)構(gòu)鋼：結(jié)構(gòu)鋼：wC10,000工具鋼：工具鋼：wC1,000，為了避免與結(jié)構(gòu)鋼混淆，又，為了避免與結(jié)構(gòu)鋼混淆，又規(guī)定規(guī)定wC1.0%時不予以標(biāo)注，高速鋼時不予以標(biāo)注，高速鋼例外，其例外，其wC 1.0%也不標(biāo)注。也不標(biāo)注。特殊性能鋼：特殊性能鋼： wC1,000 小結(jié)：小結(jié)：2、合金元素含量的標(biāo)記、合金元素含量的標(biāo)記wMe %1.51.52.53.54.5標(biāo)記-2345注：滾動軸承鋼鉻

12、的標(biāo)記除外注：滾動軸承鋼鉻的標(biāo)記除外(wCr1,000)3、附加標(biāo)記、附加標(biāo)記高級優(yōu)質(zhì)鋼：編號后高級優(yōu)質(zhì)鋼：編號后+“A”（高）（高）特殊用途鋼：編號前特殊用途鋼：編號前+“特殊用途符號特殊用途符號” G滾動軸承鋼；滾動軸承鋼；C磁鋼；磁鋼； Y易切削鋼易切削鋼40CrNiMo30CrMnSiNi230CrMnSiAGCr150Cr131Cr170Cr18Ni9W18Cr4VwC0.4%的的CrNiMo合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼wC0.3%,wNi2%的合金結(jié)構(gòu)鋼的合金結(jié)構(gòu)鋼wC0.3%的高級優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼的高級優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼wCr1.5%的滾動軸承鋼的滾動軸承鋼wC0.03%,wCr13%的的M不

13、銹鋼不銹鋼wC0.08%,wCr17%的的F不銹鋼不銹鋼wC0.03%,wCr18%, wNi9%的的A不銹鋼不銹鋼wW18%,wCr4%的高速鋼的高速鋼合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼合金滲碳鋼合金滲碳鋼合金調(diào)質(zhì)鋼合金調(diào)質(zhì)鋼合金彈簧鋼合金彈簧鋼滾動軸承鋼滾動軸承鋼超高強(qiáng)度鋼超高強(qiáng)度鋼一、合金結(jié)構(gòu)鋼的一、合金結(jié)構(gòu)鋼的分類及編號分類及編號1.分類分類 應(yīng)用：在大氣和海洋中工作的的大型焊接結(jié)構(gòu)件，應(yīng)用：在大氣和海洋中工作的的大型焊接結(jié)構(gòu)件，如建筑結(jié)構(gòu)、橋梁、車輛如建筑結(jié)構(gòu)、橋梁、車輛 、船舶、船舶 、輸油輸氣管、輸油輸氣管道、壓力容器等。道、壓力容器等。性能：好的塑性韌性及焊接性能性能

14、：好的塑性韌性及焊接性能 ，強(qiáng)度高，可抵，強(qiáng)度高，可抵抗大氣腐蝕?？勾髿飧g。成分：低碳、含成分：低碳、含Mn、Ti、V、Nb、RE元素。元素。牌號：牌號：Q+數(shù)字?jǐn)?shù)字 （Q345， Q390， Q420， Q460 ）屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度25 鋼筋混凝土沉井、鋼板樁圍堰管柱等基礎(chǔ)。正橋10孔鋼筋梁中9孔為160米跨度，采用優(yōu)質(zhì)合金鋼（Q345）桿件在現(xiàn)場鉚接拼裝架設(shè)。26鳥巢鳥巢”鋼結(jié)構(gòu)最大跨度達(dá)到鋼結(jié)構(gòu)最大跨度達(dá)到343米，米，24根桁架柱內(nèi)柱受力最大的根桁架柱內(nèi)柱受力最大的部位的用鋼是最大的難題，為了有效控制構(gòu)件的最大壁厚，減少部位的用鋼是最大的難題，為了有效控制構(gòu)件的最大壁厚，減少焊接工作

15、量，使連接構(gòu)造比較合理，鋼的強(qiáng)度既要有張力，又要焊接工作量，使連接構(gòu)造比較合理，鋼的強(qiáng)度既要有張力，又要柔韌有拉力，還要能抗低溫、易焊接，自重又不能太重。柔韌有拉力，還要能抗低溫、易焊接，自重又不能太重。 “鳥巢鳥巢”最關(guān)鍵部位的用鋼將采用高強(qiáng)度的最關(guān)鍵部位的用鋼將采用高強(qiáng)度的Q460E-Z35鋼材，鋼板最大鋼材，鋼板最大厚度達(dá)到厚度達(dá)到110毫米，要求毫米，要求-40的沖擊，抗層狀撕裂性能達(dá)到的沖擊，抗層狀撕裂性能達(dá)到Z35。 二、合金滲碳鋼二、合金滲碳鋼：低碳鋼基礎(chǔ)上加合金元素低碳鋼基礎(chǔ)上加合金元素 應(yīng)用：汽車、重型機(jī)床齒輪、活塞銷，內(nèi)燃機(jī)的凸輪應(yīng)用：汽車、重型機(jī)床齒輪、活塞銷，內(nèi)燃機(jī)的凸

16、輪軸等軸等2 2 性能：性能：“表硬心韌表硬心韌”3 3 成分：成分：WcWc：0.120.120.25%0.25%，常加元素，常加元素Cr ,Ni ,Mn ,B Cr ,Ni ,Mn ,B ，微量元素微量元素V, Ti , W , MoV, Ti , W , Mo4 4 分類和牌號分類和牌號 低淬透性合金滲碳鋼低淬透性合金滲碳鋼 20Mn2 20Mn20Mn2 20Mn尺寸較小零件尺寸較小零件 中淬透性合金滲碳鋼中淬透性合金滲碳鋼 20CrMnTi 20CrMn 20MnTiB20CrMnTi 20CrMn 20MnTiB高淬透性合金滲碳鋼高淬透性合金滲碳鋼 18Cr2Ni4WA18Cr2N

17、i4WA大截面大負(fù)荷大截面大負(fù)荷 最終熱處理：滲碳最終熱處理：滲碳+ +低溫淬火低溫淬火 5 組織：表面高碳回火馬氏體組織：表面高碳回火馬氏體+碳化物碳化物+少量殘余奧氏少量殘余奧氏體體 ， 心部：鐵素體心部：鐵素體+ +低碳回火馬氏體低碳回火馬氏體29三三 合金調(diào)質(zhì)鋼合金調(diào)質(zhì)鋼 需要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理需要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理 使用的中碳合金鋼。使用的中碳合金鋼。性能要求：良好的綜合性能（即高強(qiáng)度、好的塑性性能要求：良好的綜合性能（即高強(qiáng)度、好的塑性韌性）韌性）應(yīng)用：精密機(jī)床主軸、火車發(fā)動機(jī)曲軸、連桿螺栓、應(yīng)用：精密機(jī)床主軸、火車發(fā)動機(jī)曲軸、連桿螺栓、汽車后橋半軸等。汽車后橋半軸等。 成分：中碳（成分：中碳

18、（Wc：0.250.50% ，多數(shù)，多數(shù)0.4%）, 合金元素：合金元素：Mn, Cr, Si, Ni, B, Mo ,W等。等。 4 分類和牌號分類和牌號 低淬透性合金調(diào)質(zhì)鋼低淬透性合金調(diào)質(zhì)鋼 40Cr 40MnB 中淬透性合金調(diào)質(zhì)鋼中淬透性合金調(diào)質(zhì)鋼 35CrMo 38CrSi 高淬透性合金調(diào)質(zhì)鋼高淬透性合金調(diào)質(zhì)鋼 38CrMoAlA 40CrNiMoA 尺寸大負(fù)荷大尺寸大負(fù)荷大 常用牌號：常用牌號：40Cr 40MnB 35CrMo5 熱處理：調(diào)質(zhì)處理熱處理：調(diào)質(zhì)處理回火索氏體回火索氏體、部分要求調(diào)質(zhì)后、部分要求調(diào)質(zhì)后表面淬火、滲氮、噴丸（特殊：低碳合金結(jié)構(gòu)鋼：淬表面淬火、滲氮、噴丸（特

19、殊：低碳合金結(jié)構(gòu)鋼：淬火火+低溫回火）低溫回火）32 合金彈簧鋼合金彈簧鋼1 1性能：具有高的彈性極限以及屈服強(qiáng)度，還具有高的性能：具有高的彈性極限以及屈服強(qiáng)度，還具有高的疲勞強(qiáng)度和足夠的塑性韌性。疲勞強(qiáng)度和足夠的塑性韌性。應(yīng)用：用于制造汽車、拖拉機(jī)和火車的板彈簧或應(yīng)用：用于制造汽車、拖拉機(jī)和火車的板彈簧或螺旋彈簧。螺旋彈簧。 成分：成分： Wc 0.45Wc 0.450.70% 0.70% ，多數(shù)，多數(shù)0.6% 0.6% ，合金元，合金元素及作用：素及作用：Si,MnSi,Mn, , Cr,VCr,V，Nb,Mo,W Nb,Mo,W 。 4 4 常用牌號：常用牌號：60Si2Mn60Si2M

20、n，50CrVA50CrVA5 5 最終熱處理：淬火最終熱處理：淬火+ +中溫回火中溫回火 回火托氏體回火托氏體 34軸承鋼（用于制造滾動軸承）軸承鋼（用于制造滾動軸承） 兩大類：高碳鉻軸承鋼兩大類：高碳鉻軸承鋼 GCr15、GCr15SiMn 高碳無鉻軸承鋼高碳無鉻軸承鋼 GMnMoVRE GSiMnMoV36工程上把抗拉強(qiáng)度工程上把抗拉強(qiáng)度1500MPa以上的鋼以上的鋼稱為超高強(qiáng)度鋼。主要用于制造飛機(jī)起落架、稱為超高強(qiáng)度鋼。主要用于制造飛機(jī)起落架、機(jī)翼大粱，火箭發(fā)動機(jī)殼體、液體燃料氧化劑機(jī)翼大粱，火箭發(fā)動機(jī)殼體、液體燃料氧化劑儲藏箱、炮筒、槍筒、防彈板等等。儲藏箱、炮筒、槍筒、防彈板等等。

21、wC=0.03%0.45%，含，含C范圍寬。范圍寬。按少量多元的原則加入合金元素：按少量多元的原則加入合金元素：Cr、Mn、Ni、Si、Mo、V、Nb、Ti、Al Cr、Mn、Ni、Si 鋼的淬透性；鋼的淬透性；Mo、V、Nb、Ti、Al形成特殊碳形成特殊碳化物使鋼產(chǎn)生二次硬化，化物使鋼產(chǎn)生二次硬化，V、Nb、Ti 有細(xì)化晶粒的作用有細(xì)化晶粒的作用（一）成分及性能特點(diǎn)（一）成分及性能特點(diǎn)低合金超高強(qiáng)度鋼低合金超高強(qiáng)度鋼 wMe5% 中合金超高強(qiáng)度鋼中合金超高強(qiáng)度鋼 5 wMe 17%) 17%) A (W A (WNiNi 9%) 9%) (3) (3)形成致密氧化膜，如形成致密氧化膜，如 Cr,Si,ALCr,Si,AL；（4 4）形成穩(wěn)定碳化物，防止晶間腐蝕。金屬間化合物）形成穩(wěn)定碳化物，防止晶間腐蝕。金屬間化合物NiNi3 3Al,NiAl,Ni3 3(Ti,Nb) (Ti,Nb) 。防止晶間腐蝕，提高強(qiáng)度，。防止晶間腐蝕，提高強(qiáng)度，Ti,NbTi,Nb等。等。二二 常用不銹鋼常用不銹鋼馬氏體型不銹鋼馬氏體型不銹鋼成分：成分：WcWc：0.10.11.0%1.0%， WCr: