1.1k likes | 1.41k Views
第六章 合金钢( alloy steel ). 第一节 概论. 合金钢是在碳素钢中添加一些 合金元素而炼制的一类钢,以改善 碳素钢的性能 。. 为什么要发展合金钢?. 因为碳钢不能满足要求。. 一、 碳素钢的缺陷. 1 、 综合机械性能差 虽然碳素钢的强度、硬度随着含碳量的增加 而提高,但塑性、韧性却随之下降,不能在同一 成分中得到配合完善的综合机械性能。. 2 、 热稳定性差 碳钢在使用温度超过 200℃ 后,软化变形, 机械性能(强度、韧性)急剧下降,不能用于 高温场合。. 3 、 耐腐蚀性差 碳钢在大多数介质中的耐腐蚀性很差,尤
E N D
第六章合金钢(alloysteel) 第一节概论 合金钢是在碳素钢中添加一些 合金元素而炼制的一类钢,以改善 碳素钢的性能。
为什么要发展合金钢? 因为碳钢不能满足要求。 一、碳素钢的缺陷 1、综合机械性能差 虽然碳素钢的强度、硬度随着含碳量的增加 而提高,但塑性、韧性却随之下降,不能在同一 成分中得到配合完善的综合机械性能。
2、热稳定性差 碳钢在使用温度超过 200℃后,软化变形, 机械性能(强度、韧性)急剧下降,不能用于 高温场合。
3、耐腐蚀性差 碳钢在大多数介质中的耐腐蚀性很差,尤 其对酸几乎没有任何抵御能力。 珠光体:大量的腐蚀电池
4、淬透性差 碳钢不能用于制作大截面尺寸的重要零 件。淬火时,急冷易变形、开裂;缓冷,又 淬不上火或淬透层很浅。
5、不能满足某些特殊性能要求 如:耐低温、高磁性、无磁性等。 碳钢的冷脆性转变温度较高,-20 ~ -30℃, 故碳钢的使用温度应≥-20℃。
因此发展合金钢成为必然,二十一世 纪结构材料的重要发展方向之一就是利用 新技术、新工艺改造传统材料——微合金 化高强钢,低合金超高强钢。
二、合金元素的作用 1、合金元素固溶于铁素体 合金元素固溶于铁素体后,会使α-Fe 晶格产生畸变——固溶强化,使铁素体强 度提高。
当合金元素配比适当时,在提高强度的同 时,并不降低塑性,且有的合金元素(Cr、Ni) 含量较低时:Cr<2%,Ni<5%,就既能提高强 度,又增加塑、韧性。
2、合金元素溶于奥氏体 合金元素溶于奥氏体,除一定程度上起固 溶强化,提高钢的强度作用外,最重要的是增 加了奥氏体的稳定性,使C曲线显著右移, 故合金钢的淬透性很好。如:45最大淬透直径15mm,加入1.8% Mn 后可达60 mm。
3、合金元素形成碳化物、金属化合物 合金渗碳体:(Fe-Cr)3C、(Fe-W)3C 复杂碳化物:(Cr-Fe)23C6 、Fe4W2C、VC、MoC、NbC、TiC、AlN、SiO2、 TiO2、TiN、Al2O3。
这些化合物都是硬而脆的强化相,具有相 当高的热稳定性。在钢中呈弥散分布时,可以 显著的强化钢,且可以抑制高温奥氏体晶粒长 大,细化晶粒,减少(降低)或消除钢的热敏 感性,提高回火抗力。
4、合金元素改变钢的相变温度 当合金元素加入碳素钢之后,会对相变临 界点产生影响,反映到Fe-Fe3C相图上: a、扩大γ相区元素(Ni、Mn、Cu、Co、N)
这些合金元素会使A3下降,A4上升,使γ相 区扩大,这种作用与合金元素的含量有关。随着 合金含量的增加,会把γ相区扩大到一定范围, 其中Ni、Mn 随着含量的增加,会把γ相区扩大 到室温,即在室温下就能获得无磁性奥氏体钢。 如:13% Mn的 Mn13,9% Ni的 0Cr18Ni9。
b、扩大α相区(缩小封闭γ相区)的元素 Si、Cr、Mo、W、V、Ti、Al等使临界点A3 上升,A4下降,有的元素还能使A3、A4重合,不 出现γ相。 如:17-28%Cr、Cr17、Cr25、Cr28,从室温 到熔点都不出现γ相,而是单一的α相。
5、合金元素改变共析点的位置 合金元素在改变相变温度的同时,也改 变共析温度和共析成分,反映在Fe-Fe3C相图 上,共析点的位置发生改变。 a、 当合金元素为非碳化物形成元素Si、Ni、Cu或弱碳化物形成元素Mn时
合金元素溶于奥氏体,排挤出部分碳原子, 这部分被排挤出的碳原子必然参与共析反应,使 共析点S 的含碳量下降,即向左移动。随着 合金元素含量增加,共析点的含碳量越来越低, 如:Ni 含量为13%时,共析点S含碳量只有0.30%。
共析点左移表明,在含碳量相同的条 件下,合金钢的珠光体组织比碳钢多,因 而强度高。
b、 当合金元素为碳化物形成元素时,由于这些b、 当合金元素为碳化物形成元素时,由于这些 元素与碳形成稳定的碳化物,因而这部分碳 被固定,不参与共析反应,故共析点S右移。 共析点右移表明,在含碳量相同的 条件下,合金钢组织中铁素体含量比碳 钢多。
由于组织中存在硬而脆的碳化物,铁素体含 量会保证塑、韧性,而强度、硬度仍较高。 无论共析点S左移还是右移,表明合金钢 的含碳量不能和碳钢一样以2.11%为上限。 有些合金钢,含碳量很高,但由于有相当 数量的铁素体存在,其塑性、韧性仍然较高。 如:我国的Cr12W,2.3%C美国的D6、D7,2.35%C
6、合金元素对钢加热时组织转变的影响 a、非碳化物形成元素(Ni、Cu)可以降低 碳在奥氏体中的扩散激活能,加速碳的 扩散,对P→A转变有加速作用。 b、强碳化物形成元素(Ti、V、Nb、W ) 增加碳在奥氏体中的扩散激活能,减缓 碳的扩散,对P→A转变有阻碍作用。
c、由于强碳化物形成元素使奥氏体成分难以均c、由于强碳化物形成元素使奥氏体成分难以均 匀化,提高淬火温度或延长保温时间可使奥 氏体成分均匀化(C曲线右移),这也是提高 合金钢淬透性的有效方法。
d、 对A晶粒度的作用:Al、Ti、Nb、V、Zr能 形成微细的碳化物质点,且熔点很高,能强 烈地抑制奥氏体晶粒长大(高温下)。W、 Mo、Cr有一定的阻碍作用,而 C、Mn、P 则促进奥氏体晶粒长大(降低Fe原子间的结 合力)。
7、合金元素对过冷奥氏体(C曲线)转 变的影响 除Co以外,其它合金元素溶入奥氏体,都 增大其稳定性,使C曲线右移。 ① 碳化物形成元素(Ti、Nb、V、W、Mo)含量 较多时,使C曲线形状发生改变,强烈推迟珠 光体转变,而对贝氏体转变推迟较小;同时升 高珠光体转变的温度,降低贝氏体转变温度, 出现两组C曲线。
② Cr、Mn强烈推迟贝氏体转变 ③ Ni含量较多时,珠光体转变的孕育期很长, C曲线只有贝氏体转变曲线,而珠光体转变曲线不出现。 ④ 稳定碳化物形成元素的含量与碳含量的比值 较高的钢,3Cr13、4Cr13过冷奥氏体等温状 变曲线上只有珠光体转变曲线。
除Co和Al以外,大多数合金元素不同程度 地降低Ms,并增加残余A’的含量。 8、合金元素对回火转变的影响 合金元素使淬火钢在回火过程中,组织 分解和转变速度减缓,增加了回火抗力,提 高回火稳定性,从而使合金钢的硬度回火后 下降程度减轻。某些碳化物形成元素,甚至 出现回火时二次硬化现象。
① 第一类回火脆性: 含Cr、Mn的合金结构钢,在250-400℃范围 回火,产生无法消除的脆性,称为第一类回火脆 性(或不可逆回火脆性)。产生原因尚无定论, 沿条状马氏体晶界析出碳化物薄片是重要原因。 也与S、P、As、Sb、Sn 等杂质有关。
② 第二类回火脆性: 含Cr、Ni、Mn、Si的合金结构钢在550-650℃ 回火产生的可以通过热处理消除的回火脆性,称 为第二类回火脆性(可逆回火脆性)。 原因:钢中Ni、Cr及杂质Sb、P、Sn向原奥 氏体晶界偏聚有关,偏聚程度越大,回火脆性越 严重。
消除方法:重新回火加热至600℃以上,快 冷(水冷)。 三、合金钢的分类 1、 按合金元素含量(合金元素总量)a、微合金钢 0.001-0.1% b、低合金钢 1-5% c、中合金钢 5-10% d、高合金钢 >10%
2、 按钢的金相组织 铁素体钢 Cr17、Cr25、Cr28奥氏体钢 1Cr18Ni9、0Cr19Ni9、Mn13马氏体钢 3Cr13、4Cr13、1Cr11MoV、1Cr12WmoV珠光体钢 15CrMo、12CrMoV贝氏体钢 12MoVWBSiRE
3、 按钢中S、P杂质含量 a、普通合金钢 S≤0.050% P≤0.045% b、优质合金钢 S≤0.035% P≤0.035% c、高级优质合金钢 S≤0.025% P≤0.025% d、特级优质合金钢 S≤0.015% P≤0.020%
4、 按合金组元a、二元合金钢: Mn 钢、硅钢、铬钢。b、三元合金钢 Cr-Mn、Si-Cr、Si-Mn、 Cr-Ni c、多元合金钢 Cr-Mn-Ti、Ni-Cr-Mo-V 5、 按用途 合金结构钢 合金工具钢 特殊性能钢:不锈钢、耐热钢、超强钢
第二节 合金结构钢 在碳素结构钢中添加Cr、Ni、Mn、Si、Mo、 W、V、Ti等合金元素,使其具有较高强度、韧 性、淬透性。 一、合金结构钢的分类及编号 1、分类 合金结构钢分为:普通低合金钢、易切 钢、调质钢、渗碳钢、弹簧钢、滚动轴承钢。
2、编号 数字 + 化学元素 + 数字 合金元素含量的百分之几, <1.5% 不标出合金元素 平均含C量的万分之几
如:40Cr 表示 含C量:0.40% (0.37-0.45%) 含Cr量:0.8-1.1% 60Si2Mn 表示 含C量:0.57-0.65%含Si 量:1.5-2.0%含Mn 量:0.6-0.9%若为高级优质钢,则在钢号后加“A” 如: 20Cr2Ni4A、45CrNiMoVA
二、普通低合金钢 合金含量 <3%,其强度显著高于相同含碳量 的碳素钢(低合金钢),且具有良好的塑性、韧 性、焊接性能,比碳钢更低的冷脆转变温度。主 要用于桥梁、锅炉压力容器、车辆、船舶、大型 钢结构等。 普通低合金钢一般在热轧退火或正火状态下 使用,不需进行热处理。
1、成分特点 C%<0.20%;主强化元素是Mn<1.8%;加 入微量的Ti、V、Nb等细化晶粒;加入Cu提高 耐大气腐蚀能力。 常用钢号: 16Mn、16MnR、15MnV、15MnTi、14MnNb、 16MnCu
三、易切钢 在钢中添加S、Pb、Ca、P等合金元素,使 钢成为容易切削。 作用:使切屑易断,不易形成“切屑积瘤”, 减摩、降低切削力、切削热。但使钢 的性能下降。 钢号:Y12、Y15、Y20、Y30、Y40Mn、Y40CrSCa、T10Pb
四、渗碳钢 渗碳钢属于低碳钢,含碳量0.1-0.25%, 以保证心部有足够的塑、韧性。为了克服碳 钢缺陷,常采用低碳合金钢作为渗碳钢,加 入合金元素Cr、Ni、Mn、B提高淬透性,改 善渗碳层的强度和塑、韧性;添加少量的V、 W、Mo、Ti细化晶粒,抑制渗碳时晶粒长大。
同碳素渗碳钢一样,渗碳后需热处理, “淬火+低温回火”,获得“外硬内韧”组织。 常用钢号:15Cr、20Cr、15Mn2、20Mn2、15CrMn、20CrMnTi、20CrMnMo、12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4W
应用举例: 用20CrMnTi制造汽车变速齿轮。 技术要求: 渗碳层厚度1.2~1.6mm, 碳浓度1.0%, 齿轮硬度HRC58~60, 心部硬度HRC30~45 工艺路线: 坯料→锻造→正火→加工齿形(铣、插)→ 局部镀铜→渗碳→预冷淬火→低温回火→喷丸→ 磨齿→成品。
正火:低碳合金钢,改善切削加工性能, HRC170~210。 渗碳:920℃,6~8h,深度达1.2~1.6mm。 渗碳后预冷到870~880℃,油淬,经200℃ 2~3h 回火,表层硬度可达HRC58~60,心部硬度 HRC30~45,达到“外硬内韧”。 齿面经喷丸处理,可消除氧化皮,且使齿面 表层产生残余压应力,有利于提高疲劳强度。
温度 950-970℃ 920℃ 预冷 正火 870-880℃ 气体渗碳 空冷 油淬 200℃ 回火 时间 20CrMnTi钢制汽车变速齿轮热处理工艺曲线
五、调质钢 1、 调质: 淬火+高温回火,获得 S回组织 具有较高的强度和较高的塑、韧性配合 (良好的综合机械性能) 对于调质零件,淬透性对机械性能影响很大。
2、 成分特点: 调质钢属于中碳钢,含碳量0.27~0.50% (含碳量过低强度不足,过高韧性不足)。 要获得具有良好综合机械性能的S回,必 须先淬透获得M,添加Cr、Ni、Mn、Si、B 提高淬透性。
添加Mo、W,防止高温回火脆性(第二类 回火脆性),快速冷却法仅适用于小型零件, 而对大截面尺寸零件难以奏效。 添加少量V细化晶粒,防止奥氏体晶粒长大, Al氮化元素。
3、 常用调质钢40Cr、40CrMo、42CrMo、40CrNiMo、35CrMo、40CrMnMo、38CrMoAl、30CrMnSi、40MnVB、40CrMn、30CrNi3
应用举例:用40Cr制作发动机连杆螺丝 发动机连杆螺丝,承受冲击性载荷(拉应 力),且周期性变化,一旦发生断裂,会引起 严重事故,要求有足够的强度、冲击韧性、抗 疲劳。 加工工艺路线:坯料→锻造→正火→粗加工 →调质→精加工→成品。
退火或正火:改善锻造组织,细化晶粒。有利 于机械加工。 调质:组织为回火索氏体,不允许有块铁素体 出现,硬度HRC30-38。 高温回火后,水冷,防止第二类回火脆性。
温度 840℃ 油冷 525℃ 回火 水冷 时间 40Cr制发动机连杆螺栓热处理工艺