機(jī)械工程材料-合金鋼課件

1、第四章 合金鋼機(jī)械工程材料Mechanical Engineering Materials陳健美 教授湖南涉外經(jīng)濟(jì)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)部主要內(nèi)容1 概述2 合金結(jié)構(gòu)鋼3 合金工具鋼4 特殊性能鋼碳鋼的優(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，無特殊性能第一節(jié) 概 述為提高碳鋼的力學(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。常用的合金元素有： Cr、 Mn、Ni、 Co、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)中的最重要成就。在普

2、通碳鋼中只要加入極少量的（0.1%)的強(qiáng)碳化物形成元素如此Ni、Ti、V或加少量的Al形成AlN再配合以控軋工藝，就可以制成屈服強(qiáng)度達(dá)350-550MPa，并具有良好韌性的低碳鋼。合金元素的影響是永遠(yuǎn)的熱點(diǎn)。一、合金元素在剛中的作用的作用一、合金元素在剛中的作用的作用1. 改善鋼的熱處理工藝性能1)細(xì)化奧氏體晶粒加入Ti、V、Nb、Zr、Al等，形成細(xì)小的碳化物顆粒，阻止奧氏體晶粒長大2) 提高鋼的淬透性除Co 以外，其他合金元素都能使鋼”C”曲線向右移動，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

3、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回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。合金元素固溶于淬火M中可減慢碳的擴(kuò)散，阻礙碳化物從過飽和固溶體中析出，推遲M的分解，延緩硬度下降，因此，合金鋼具有較高的回火抗力。在相同回火溫度下，含碳量相同的合金鋼的硬度較碳鋼高。在要求相同硬度條件下，合金鋼的回火溫度高，塑韌性好。一些含Cr、Mo、V等合金元素較多的合金鋼，在500600范圍內(nèi)回火時，由于沉淀析出這些合金元素的碳化物并呈彌散狀分布，因而對材料起到沉淀強(qiáng)化的作用。淬火鋼在較高溫度回火時，硬度不降低反而升高的現(xiàn)象稱為二次硬化?；鼗饻囟菻RC

4、wSi 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，稱第二類回火脆性?；鼗饻囟?AK快冷300500650慢冷產(chǎn)生回火脆性的原因第一類回火脆性與M及殘余A分解時沿M針條邊界析出薄片狀Fe3C有關(guān)。目前尚無有效方法消除，只能盡量避開在此溫度范圍內(nèi)回火。第二類回火脆性，是因鋼中的雜質(zhì)S、P、Mn、Si在晶界上偏聚引起的。對小型零件可采用回火后快冷的方法；而對于大型零件則可在材料中加入Mo、W等，這些元素可阻止或延緩有害元素在晶界上的析出。防止第二類回火脆性的措施固溶強(qiáng)化第二相強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化

5、（二）合金元素提高鋼的使用性能1. 提高鋼的強(qiáng)度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)化硬度提高韌性降低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V、Ti、Nb、Zr、Al等合金元素可是顯著細(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)化鋼的其它強(qiáng)化手段，提高強(qiáng)度、硬度是以降低塑、

6、韌性為代價的。只有細(xì)晶強(qiáng)化既可以提高鋼的強(qiáng)度和硬度，又能提高鋼的塑性和韌性。. 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提高鋼的耐低溫性能合金元素在鋼中作用細(xì)化A晶粒Ti、V、Nb、Zr、Al提高淬透性除Co以外，如Mn、Cr、W、Mo提高回火抗力Cr、W、Mo、V固溶強(qiáng)化Ni、 Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W第二相強(qiáng)化Mn、Cr、Mo、W擴(kuò)大A相Ni、Mn、Cu、N擴(kuò)大F相Si、Cr、W、Mo、V、T

7、i、Al形成致密氧化膜Si、Al、Ni、 Cr、 W、Mo、Ti合金鋼的分類方法很多，最常用的方法是按用途進(jìn)行分類二、 合金鋼的分類及牌號小 結(jié)熟悉合金元素在鋼中存在的形式和作用掌握第一第二類回火脆性了解合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號及特點(diǎn)第二節(jié) 合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼合金滲碳鋼合金調(diào)質(zhì)鋼合金彈簧鋼滾動軸承鋼超高強(qiáng)度鋼一、合金結(jié)構(gòu)鋼的分類及編號1.分類 2 編號 一、 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼簡稱低合金高強(qiáng)鋼 (highstrength low alloy steel，HSLA steel)，廣泛用于制造在大氣和海洋工作的大型焊接結(jié)構(gòu)件，如建筑結(jié)構(gòu)、橋梁、車輛、船舶、輸油氣管、壓力容器等。成分：wC0.

8、2%, wMe 3%性能：塑韌性好，有良好的焊接性及冷加工成形性能。常加的合金元素：Mn、Ti、V、Nb、RE作用：強(qiáng)化F，細(xì)化晶粒，提高鋼的強(qiáng)度。（一） 成分及性能特點(diǎn)Q295：09MnV、09MnNb、09Mn2、12MnQ345：12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18NbQ390：15MnV、15MnTi、16MnNb（二） 典型牌號二、 合金滲碳鋼經(jīng)過滲碳熱處理后使用的低碳合金鋼。工作環(huán)境：主要用于制造在摩擦力、交變接觸應(yīng)力和沖擊條件下工作的零件，如齒輪。性能要求：表面要求高的硬度和耐磨性及高的接觸疲勞強(qiáng)度，心部則要求良好的韌性。低碳wc=0.100.25%，保證零件心

9、部足夠的韌性。加Cr、Ni、Mn、B，鋼的淬透性，并改善心部的組織及性能。加微量V、Ti、W、Mo，形成特殊碳化物，阻止A。（一） 成分及性能特點(diǎn)低淬透性合金滲碳鋼 20Mn2、20MnV；中淬透性合金滲碳鋼 20CrMn、20CrMnTi； 高淬透性合金滲碳鋼 18Cr2Ni4WA （二）典型牌號熱處理特點(diǎn)：滲C+淬火+低溫回火組織：表層 合金滲C體+回火M(高C)+少量A心部 低碳回火MT(或低碳回火M)+少量F三、合金調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火）后使用的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼。主要用于制造受力復(fù)雜、要求綜合力學(xué)性能的重要零件如精密機(jī)床的主軸、發(fā)動機(jī)的曲軸等等。 中碳 wC=0.250.5

10、% 中合金 Mn, Cr, Si , Ni, B wMe=37% 有時加微量V，以細(xì)化晶粒 高級優(yōu)質(zhì) wS,P0.025% 回火脆性小 W、Mo s800MPa,b980MPa,10%, 45%, ak50J.cm-2（一） 成分及性能特點(diǎn)（二） 典型牌號低淬透性合金調(diào)質(zhì)鋼 40Cr、40MnB中淬透性合金調(diào)質(zhì)鋼 35CrMo、38CrSi高淬透性合金調(diào)質(zhì)鋼 38CrMoAl、40CrNiMoA 四、合金彈簧鋼是用來制造彈簧和其它彈性零件的鋼種。如拖拉機(jī)和火車上的板彈簧和螺旋彈簧。彈性比功是關(guān)鍵。應(yīng)力 應(yīng)變 e應(yīng)力 應(yīng)變 中高碳wc=0.450.70%，含C量比合金調(diào)質(zhì)鋼高，保證高強(qiáng)度和高的彈

11、性極限。加Si、 Mn、Cr、V、Nb、Mo、W, 以提高鋼的淬透性和回火抗力，強(qiáng)化鐵素體加Mo、W、V、Nb，以降低因Si的加入造成的脫C敏感性（一） 成分及性能特點(diǎn)60Si2Mn含Si、Mn元素的合金彈簧鋼，用于制造截面尺寸25mm的彈簧，如汽車脫拉機(jī)的板彈簧50CrVA含Cr、V元素的合金彈簧鋼，用于截面30mm并在350400工作的重載彈簧，如閥門彈簧（二）典型牌號熱處理：淬火+中溫回火組織：回火T五、軸承鋼 用于制造滾動軸承的滾珠、滾柱和套圈等鋼種。也可以用于制作精密量具、冷沖模、機(jī)床絲杠及柴油機(jī)油泵的精密件如閥體、柱塞、柱塞套。 要求具有高的接觸疲勞強(qiáng)度，高而均勻的耐磨性及一定的韌

12、性和耐腐蝕性能。高碳wC=0.951.1%傳統(tǒng)軸承鋼是高C低Cr鋼，可以保證鋼有高的硬度和強(qiáng)度。wCr=0.35%1.95%，提高鋼的淬透性，并形成合金滲碳體，使鋼具有高的接觸疲勞強(qiáng)度和耐磨性。對于大型軸承用鋼加Si、Mn、Mo可進(jìn)一步提高淬透性、強(qiáng)度和彈性極限。軸承鋼要求純度高，wS0.020%, wP0.027%（一）成分及性能特點(diǎn) 含Cr軸承鋼 GCr9、GCr15、GCr9SiMn、 GCr15SiMn無Cr軸承鋼，性能和GCr 15相當(dāng)GMnMoVRe、GSiMoMnV（二）典型牌號熱處理：淬火+低溫回火組織：回火M六、超高強(qiáng)度鋼工程上把抗拉強(qiáng)度1500MPa以上的鋼稱為超高強(qiáng)度鋼。

13、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、液體燃料氧化劑儲藏箱、炮筒、槍筒、防彈板等等。wC=0.03%0.45%，含C范圍寬。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；Mo、V、Nb、Ti、Al形成特殊碳化物使鋼產(chǎn)生二次硬化，V、Nb、Ti 有細(xì)化晶粒的作用（一）成分及性能特點(diǎn)低合金超高強(qiáng)度鋼 wMe5% 中合金超高強(qiáng)度鋼 5 wMe10% 高合金超高強(qiáng)度鋼 wMe10%分類第三節(jié) 合金工具鋼一、合金工具鋼的分類和編號二、刃具鋼1) 刃具的服役條件彎曲或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力; 摩擦, 發(fā)熱; 沖擊; 震動2) 刃具的常見

14、失效方式卷刃；崩刃；刀刃磨損；刀體折斷3) 對刃具的性能要求高硬度，高耐磨；足夠的強(qiáng)、韌性；高速切削時高的紅硬性2. 典型合金刃具鋼及其熱處理1)高碳低合金刃具鋼(1)典型牌號：9SiCr(2)成分特點(diǎn)高碳（三）中碳合金工具鋼 這類鋼主要用來制造熱作模具，如熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模。wc=0.350.60%加Mn、Ni、Si、Cr、W、Mo、V等以提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性及強(qiáng)化F。 W、Mo可抑制高溫回火脆性。 Cr、W、Mo、 Si還能提高鋼的耐熱疲勞性能。(1) 成分及性能特點(diǎn)5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2W8V等(2) 典型牌號三、新型合金工具鋼第四節(jié) 特殊性能鋼特殊性能鋼是

15、指具有特殊物理、化學(xué)、力學(xué)性 能的鋼種。通常包括：不銹鋼、耐熱鋼、低溫鋼和耐磨鋼。（二）耐熱鋼 耐熱鋼按其正火組織可分為馬氏體型、鐵素體型、奧氏體型和沉淀硬化型。1.性能要求：高的抗高溫氧化能力 高的高溫強(qiáng)度2. 成分特點(diǎn)：在不銹鋼的基礎(chǔ)上，加入提高強(qiáng)度、形成致密氧化膜的元素3. 常用耐熱鋼1) 馬氏體型耐熱鋼(1)典型牌號: 4Cr9Si2（氣閥鋼）1Cr12WMoV（葉片鋼） (2)熱處理特點(diǎn)：淬火(10001100) 高溫回火(650800), S回 (3)性能特點(diǎn)：良好的高溫強(qiáng)度 (4)應(yīng)用：汽輪機(jī)葉片,發(fā)動機(jī)排氣閥等2) 鐵素體型耐熱鋼 (1)典型牌號: 1Cr18Si2 (2)熱處理特點(diǎn)：正火處理（700800加熱 空冷）,F (3)性能特點(diǎn)：良好抗高溫氧化性 (4)應(yīng)用：加熱爐構(gòu)件等3) 奧氏體型耐熱鋼 (1)典型牌號: 1Cr18Ni12Ti (2)熱處理特點(diǎn)：固溶處理（10001150加熱水冷或油冷）, A (3)性能特點(diǎn)：良好抗高溫氧化性、熱強(qiáng)性 (4)應(yīng)用：汽輪機(jī)葉片等三、低溫鋼低溫鋼用于工作溫度在0以下的零件和構(gòu)件的鋼種1. 性能要求 1