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1、第六章 合金钢,一、对钢中基本相的影响 1、形成合金铁素体 与碳亲合力很弱的合金元素,溶入铁素体内形成合金铁素体,起“固溶强化”作用。 Si、Mn对强度、硬度提高显著。 Cr、Ni在适当范围内提高韧性。,第1节 合金元素在钢中的作用,对铁素体冲击韧性影响,与碳亲合力较强的合金元素,一般能够置换渗碳体中的铁原子而形成合金渗碳体。 较渗碳体稳定,硬度也较高。,2)形成“合金渗碳体”,3)形成“特殊碳化物” 与碳亲合力很强的碳化物元素,倾向于形成特殊碳化物。 具有更高的溶点、硬度与耐磨性,而且更稳定。 如TiC、VC、 W2C等。,钢中碳化物,二、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响 1、使S点、E点
2、左移 使含碳量小于0.77%的钢成为过共析钢。,例1、餐具厂用4Cr13钢制作餐刀是由于大量Cr的加入使S点左移,虽然它的平均含碳量为0.4%,但已是过共析钢了。,另外,绝大多数合金元素的加入使E点左移,致使含碳量小于2.11%的钢中出现莱氏体(称这类钢为莱氏体钢)。 例2、高速钢W18Cr4V中的平均含碳量为0.7%0.8%,但它属于莱氏体钢。,2、扩大或缩小区 当加入量达一定值时,可能使室温下的组织成为单相奥氏体或单相铁素体。,锰对奥氏体相区的影响,铬对奥氏体相区的影响,例3、Ni 27% 奥氏体钢; 9%Ni+18%Cr奥氏体钢。 例4、Cr 17% 铁素体钢。 3)影响钢的热处理温度
3、Ac1、Ac3、Accm上升; 因此,合金钢热处理加热温度比碳钢高。,三、合金元素对钢热处理的影响 1、细化晶粒 减缓奥氏体的形成过程。 阻碍奥氏体晶体晶粒长大。,2、增加钢的淬透性 合金元素均使C曲线右移,增加钢的淬透性。 合金元素均使Ms点、Mf点下移,使钢在淬火后残余奥氏体量增多。,3、对钢回火转变的影响 (1)增大回火抗力(回火稳定性),例如:,因此,在硬度相同的条件下: 合金钢的回火温度碳钢; 内应力消除得更充分; 韧性也更高。,(2)产生二次硬化现象,二次硬化的原因: 钢中加入强碳化物形成元素以后,在500600回火时,从马氏体中析出与母相保持共格关系的高度弥散的特殊碳化物(如Mo
4、2C,W2C,VC等)使硬度反而上升。,(3)出现第二类回火脆性 镍铬钢在450650回火后,缓慢冷却会出现冲击韧度剧烈下降的现象。,产生的原因: 镍、铬造成杂质在晶界偏析。 防止措施: 小零件:回火后快冷。 大零件:加W1%或Mo0.5%。,合金元素的作用总结,合金钢优点 透性好,可油淬,变形小; 红硬性(回火稳定性)高; 屈强比高:0850.9; 可节省2030材料; 可制作大尺寸、复杂、高强零件。,第2节 合金结构钢,铜陵长江公路大桥,1、性能要求 高强度及足够韧性。 良好的焊接性能。 良好的耐蚀性及低 的韧脆转变温度。 2、成分特点 低碳:0.2%C. 合金元素:主加Mn,少量V、Ti
5、、Nb等。,一、低合金高强度结构钢,3、热处理: 大多数热轧态使用; 少数可用正火处理。 4、使用组织:F+P,低合金高强钢合金元素细化晶粒作用, Mn:强化铁素体;增加珠光体的量。 V、Ti、Nb等:细化晶粒和弥散强化。 另外加Cu、P可提高耐蚀性。,5、用途: 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,用于中等压力的压力容器。 Q460钢含Mo、B,强度高,用于石化中温高压容器。,南京长江大桥,制造渗碳零件的钢种。 1、性能要求 表面具有高硬度、高耐磨性,心部具有足够的韧性和强度,即“表硬里韧”。 良好的热处理性能,如淬透性和
6、渗碳能力。,二、渗碳钢,2、成分特点 低碳:0.10.25%C 合金元素作用: 提高淬透性: Cr、Mn、Ni、B 强化铁素体: Cr、Mn、Ni 细化晶粒: W、Mo、Ti、V,3、渗碳钢热处理特点 加工工艺路线:下料锻造正火机加工渗碳淬火+低温回火精加工 正火目的为调整硬度,便于切削加工。 淬火温度一般为 Ac1+30-50。 4、使用状态下组织 心部:M回 +少量F 表层:M回+颗粒状碳化物+Ar(少量);,渗碳淬火后的表层组织,5、常用钢号及用途 低淬透性钢: 20、20Cr。,柴油机凸轮轴,活塞销(20Cr),用于受力小的耐磨件,如柴油机的活塞销、凸轮轴等。,中淬透性钢:20CrMn
7、Ti。 用于中等载荷的耐磨件,如变速箱齿轮。 高淬透性钢:18Cr2Ni4WA。 用于大载荷的耐磨件,如柴油机曲轴。,调质件(螺杆),调质后使用的钢种。 1、性能要求 良好的综合力学性能。 良好的淬透性。,四、调质钢,2、成分特点 中碳:0.30.5%C 合金元素作用: 提高淬透性: Mn、Si、Cr、Ni、B 强化铁素体: Mn、Si、Cr、Ni 细化晶粒: Ti、V 防止第二类回火脆性: W、Mo,调质件(冷却轮),破碎机主轴,3、调质件热处理及组织特点 加工工艺路线:下料锻造正火(退火)粗加工调质 (表面淬火+低温回火)精加工装配 调质目的:获得良好综合力学性能 整体使用组织:S回,提高
8、表面耐磨性: 表面淬火或氮化。 表面使用组织:M回和氮化物。,调质处理车间,柴油机凸轮轴,4、常用钢号及用途 低淬透性钢:45、40Cr D0油3040mm, 用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等。 中淬透性钢:35CrMo D0油4080mm,用于制造大中型零件。,高淬透性钢:40CrNiMo D0油80mm, 用于制造大截面重载荷零件,如曲轴等。,制造弹簧等零件的钢种。 1、性能要求 弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件。 高的s,s/b; 高的-1;足够的韧性。 高的淬透性。,五、弹簧钢,2、成分特点 中高碳: 碳素弹簧钢为0.60.9%C 合金弹簧钢为0.450.7%C 合金元素作用:
9、 提高淬透性、强化铁素体:Mn、Si、Cr 提高s/b:Si 细化晶粒:V,3、热处理及组织特点 冷成型弹簧:冷拔 冷成型(250300)定型处理。 用于10mm),4、弹簧的表面质量 弹簧的表面质量对其寿命影响很大。 提高表面质量的方法: 防止表面脱碳;, 避免表面缺陷; 进行喷丸处理,使表面产生压应力。,板簧喷丸处理示意图,5、常用钢号及用途 Si、Mn弹簧钢,如65Mn、60Si2Mn,用于制造较大截面弹簧。 Cr、V弹簧钢,如50CrV,用于大截面、大载荷、耐热的弹簧。,六、滚动轴承钢,用于制造轴承套和滚动体的钢。 1、性能要求 轴承工作时, 承受接触应力(达30003500MPa)、
10、周期性交变载荷(频率达数万次/分)和摩擦。 高硬度和耐磨性。 高的b和接触疲劳强度。 足够的韧性、淬透性和耐蚀性。,2、成分特点 高碳:0.951.10%C 合金元素:以Cr为主,加入Mn、Si。 Cr、Mn、Si的主要作用是提高淬透性。 Cr还提高耐磨性(形成合金渗碳体)和耐蚀性。 Cr1.65%Ar增加硬度和稳定性下降。,3、热处理和组织特点 滚动轴承钢是过共析钢。 热处理: 球化退火+淬火+低温回火 组织: M回+颗粒状碳化物+Ar 淬火后进行冷处理, 可以减少Ar、稳定尺寸。,轴承生产车间,4、常用钢号及用途 应用最广的是GCr15,大量用于大中型轴承; 大型轴承用GCr15SiMn。
11、 还可用于制造模具、量具等.,向心球轴承,第3节 合金工具钢,按用途分为: 刃具钢 模具钢 量具钢,用来制造各种切削刀具的钢种。,一、刃具钢,切削加工,(一)性能要求 1、高硬度:HRC60 2、高耐磨性:高硬度和细小碳化物。 3、高热硬性:高温下保持高硬度的能力。 4、足够的韧性 以防止脆断和崩刃。,切削加工的基本形式,1、成分特点: 高碳:0.751.5%C 合金元素作用 提高淬透性:Cr、Mn、Si。 提高耐回火性:Si。 提高耐磨性、细化晶粒: W、V。,(二)低合金工具钢 在碳素工具钢基础上加入少量合金元素。,2、热处理及组织 油淬 + 低温回火。 使用组织:M回+颗粒状碳化物+Ar
12、(少量) 3、常用钢号及用途 主要牌号:9SiCr。 用于制造形状复杂、变形小的中低速刃具,如丝锥、板牙等。,(三)高速钢(俗称风钢) 制造高速切削刃具用钢。 1、性能特点 高热硬性、高淬透性。 2、成分特点 高碳: 0.701.5%C。 合金元素作用 提高淬透性:Cr。 提高热硬性、耐磨性: W、Mo、V。,W18Cr4V钢的铸态组织,3、加工与热处理 加工工艺路线:下料锻造球化退火 机加工淬火三次560回火磨削。,高速钢是莱氏体钢,脆性大,且无法热处理改善。,W18Cr4V钢热处理工艺示意图,1)锻造目的:打碎粗大的鱼骨状碳化物,使其均匀分布于基体中。,W18Cr4V钢的退火组织,2)高温
13、淬火(1200)目的: 获得高合金元素含量M,为二次硬化准备。 淬火后组织: M + 未溶碳化物(10%) + Ar(20%),W18Cr4V钢的淬火组织,3)560三次回火目的: 逐步减少Ar,避免相变应力导致开裂。 充分析出W、Mo、V的碳化物,产生二次硬化。,高速钢硬度与回火温度关系,W18Cr4V钢淬火、回火后的组织,4、使用状态下组织 M回+ 颗粒状碳化物 + Ar(少量),5、常用钢号及用途 常用钢号:W18Cr4V(18-4-1) W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)。 用于高速切削刃具,如车刀、刨刀、铣刀、钻头等。,汽车冲压模具,制造冷、热模具的钢。 (一)冷作模具钢 制造冷
14、成型模具钢种。 1、性能要求 高硬度和耐磨性。 足够的强度和韧性。 良好的工艺性能(淬透性、切削加工性等),二、模具钢,2、常用钢种 小尺寸、形状简单、受力不大的模具: 可用碳素工具钢和低合金工具钢制造。 截面、受力大的冷模具:用Cr12型冷作模具钢制造。, 成分特点:高碳高铬。 Cr 提高淬透性; Mo、V 提高耐磨性,细化晶粒。, 加工及热处理: 最终热处理为:淬火 + 低温回火 使用组织:M回+合金碳化物+Ar(少量), 常用钢号 Cr12、Cr12MoV。 用于制造冷冲模、挤压模等。,汽车外板冷冲模,(二)热作模具钢 制造使加热金属或液态金属成型模具钢种。 1、性能要求 高温下良好的综
15、合力学性能。 抗热疲劳性能。 高的淬透性和良好的导热性。,热镦模,凸缘模,2、常用钢种 热锻模钢 5CrNiMo:大型热锻模; 5CrMnMo:中小型热锻模。 成分特点:合金元素作用及热处理同调质钢。 使用组织: S回, 热压模、压铸模钢 典型钢号:3Cr2W8V; 中碳(0.30.4%C) ,为过共析钢。 合金作用与热处理同高速钢。 淬火+三次560回火后组织: M回+ 合金碳化物 +Ar(少量),型板压铸模,压铸工艺,汽车四缸压铸模,第4节 特殊性能钢,特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的钢。本节只介绍不锈钢和耐热钢。,化学腐蚀是指金属在非电解质中的腐蚀。 电化学腐蚀是指金属在电解质溶液
16、中的腐蚀,是有电流参与作用的腐蚀。,不锈钢,在腐蚀介质中具有耐蚀性能的钢。 金属的腐蚀 金属的腐蚀分化学腐蚀和电化学腐蚀。,不同组织、成分、应力区域之间都可构成微电池。,防止电化学腐蚀的措施: 获得均匀的单相组织。 提高合金的电极电位。 使表面形成致密的钝化膜。,工业发达国家每年金属腐蚀造成的直接经济损失占GNP的4%左右。 中国每年腐蚀的损失至少到400亿元以上。,珠光体腐蚀示意图,电解液, 不锈钢中合金元素的作用 1、低碳:碳高,则降低耐蚀性。 2、Cr主要作用: 形成稳定致密的Cr2O3氧化膜. Cr13%,形成单相铁素体组织。 Cr12%,提高基体电极电位; 3、Ni:获得单相奥氏体组
17、织。 4、Ti, Nb: 防止晶间腐蚀。,晶间腐蚀破坏, 常用不锈钢 1、马氏体不锈钢 Cr13型不锈钢; 钢号:1Cr134Cr13; 随含碳量提高,强度、硬度提高,耐蚀性下降。 1Cr13、2Cr13 热处理: 淬火+高温回火 使用组织: S回,不锈钢棒,1Cr13、2Cr13具有耐大气、蒸汽腐蚀能力及良好的综合力学性能。,用于要求塑韧性较高的耐蚀件,如汽轮机叶片等., 3Cr13、4Cr13 热处理:淬火+低温回火。 使用组织:M回。 具有较高强度、硬度。 用于要求耐蚀、耐磨件,医疗器械、量具、轴承等。,医疗器械,不锈钢刀,1Cr17削片刀,铁素体不锈钢水加热器,2、铁素体不锈钢 典型钢号:1Cr17等。 成分:高铬低碳, 不能热处理强化。 组织:单相铁素体, 性能特点 耐酸蚀(特别是硝酸),抗氧化能力强; 塑性好,适合压力加工; 强度低; 抛光性能好。, 用途 硝酸和氮肥工业的耐蚀件; 装饰构件。,合成氨厂,3、奥氏体不锈钢 主要是18-8型不锈钢。 性能特点:具有良好的耐蚀性,冷热加工性及可焊性。高塑韧性,无磁性。, 热处理:固溶处理。 组织为单相奥氏体。,不锈钢带, 常用钢种 1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti 广泛用于化工设备及管道。,反应釜 (316L),大型化工储罐(304),热交换器(316L),结 束,
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