1 / 110

第六章 合金钢( alloy steel )

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

pillan
Download Presentation

第六章 合金钢( alloy steel )

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript


  1. 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。

  2. 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。

  3. 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。

  4. 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

  5. 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。

  6. 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℃。

  7. 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。

  8. 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。

  9. 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。

  10. 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。

  11. 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。

  12. 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。

  13. 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)

  14. 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。

  15. 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。

  16. 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

  17. 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%。

  18. 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。

  19. 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。

  20. 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

  21. 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。

  22. 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。

  23. 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)。

  24. 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。

  25. 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。

  26. 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。

  27. 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。

  28. 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。

  29. 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%

  30. 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

  31. 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%

  32. 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

  33. 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。

  34. 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

  35. 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

  36. 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。

  37. 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

  38. 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

  39. 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。

  40. 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

  41. 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。

  42. 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。

  43. 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

  44. 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。

  45. 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。

  46. 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。

  47. 3、  常用调质钢40Cr、40CrMo、42CrMo、40CrNiMo、35CrMo、40CrMnMo、38CrMoAl、30CrMnSi、40MnVB、40CrMn、30CrNi3

  48. 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。

  49. 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。

  50. 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

More Related