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合金钢_百度文库

发布时间:2020-06-13 18:04
作者:体育投注平台

  第6章 工业用钢 教学基本内容: 1、钢的分类与编号; 2、钢的合金化。 3、碳钢与合金钢的成分、性能特点、热处理工艺与应用。 4、特殊用钢。 教学目的、要求(分掌握、熟悉、了解三个层次): 1、掌握钢的分类与编号、成分、性能特点、热处理工艺与应用; 2、熟悉合金元素对钢的基本相、显微组织和热处理性能的影响; 3、了解特殊用钢的性能特点与应用情况。 教学重点及难点: 1、重点: 1)合金元素对钢的基本相、显微组织和热处理性能的影响; 2)碳钢与合金钢的成分、性能特点、热处理工艺与应用。 2、难点: 1)钢的合金化的机制; 2)碳钢与合金钢的合理选择与热处理工艺的制定。 教学方法及手段: 1、PPT 讲解; 2、课堂讨论。 作业、讨论题、思考题: 1、总结合金元素对钢的基本相、显微组织和热处理性能的影响? 2、分析与讨论典型零件材料的选择、热处理工艺及使用组织与性能? 1 第六章 工业用钢 第一节 钢的分类 一、按化学成分分 碳素钢 低碳钢(C≤ 0.25%) 中碳钢(C=0.30-0.60%) 高碳钢(C0.60%) 合金钢 按合金元素种类分 锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、硅锰钢 按合金元素含量分 低合金钢 (合金元素含量小于 5%) 中合金钢 (合金元素含量小 5%~10%) 高合金钢 (合金元素含量大于 10%) 二、按质量分 普通钢 (S0.05%、P≤ 0.045%) 优质钢 (S≤ 0.030%、P≤ 0.035%) 高级优质钢(S≤ 0.020%、P≤ 0.030%) 特级优质钢(S≤ 0.015%、P≤ 0.025%) 工程用钢 建筑工程用钢 桥梁工程用钢 船舶工程用钢 车辆工程用钢 结构钢 三、按用途分 机器用钢 工具钢 特殊钢 刃具钢 模具钢 量具钢 不锈钢 耐热钢 耐磨钢 调质钢 渗碳钢 弹簧钢 轴承钢 2 第二节 碳 钢 一、碳素结构钢(工程构件用钢) 1.质量:普通 S≤ 0.035%-0.050%,P≤ 0.035%-0.045%; 2.含碳量:中、低,C=0.06%-0.38%; 3.牌号: 质量等级符号 Q 235 – A (B、C、D) F(Z、b、TZ) 脱氧程度 屈服强度,单 MPa “屈” 4.热处理:热轧、正火 5.性能:强度不高,塑性较好,锻造和焊接等加工性能良好,价格便宜; 6.应用:一般工程构件和机器结构件不重要零件,如焊接件、铆接件,螺 栓等。 二、优质碳素结构钢(机器零件用钢) 1.质量:优质 S≤ 0.035%,P≤ 0.035%; 2.含碳量:低、中、高,C=0.08%-0.85%; 3.牌号: 两位有效数 + (Mn) 当 Mn=0.7%-1.3%标出 含碳量的万分数 例:45 45 Mn 3 4.牌号、性能、热处理和应用 牌号 性能 热处理 应用 08 10 15 塑性、韧性和焊接性 正火 冲压和焊接件、 20 25 好;强度和硬度低 渗碳、淬火+低回 连接件、渗碳件 30 35 40 综合力学性能好 正火、调质、 轴、齿轮、连杆 45 55 60 表面淬火 等 65 70 75 塑性、韧性和焊接性 淬火+中温回火 弹簧、钢带、一 80 85 较差;强度和硬度高 般模具 三、碳素工具钢 1.质量:优质 S、P≤ 0.035%,P≤ 0.035%;高级 S≤ 0.02%,P≤ 0.03%; 2.含碳量:高,C=0.7%-1.3%; 3.牌号:例:T12A T + 数字 + A 高级 含碳量的千分数 “碳” 4、碳素工具钢的性能:硬度高、塑性和韧性低、淬透性与红硬性差。淬火 +低温回火后硬度为 58-62HRC。 5、碳素工具钢的应用:多用于制造低速刃具、手用工具和量具。 牌号 性能 应用 4 T7A、T8A、T9A T10A T11A 、T12A、T13A 含碳较低、韧性较好 韧性中等 含碳高、硬度高、韧性差 能受震动和冲击:錾子、锤子、冲子 不受强烈冲击的手锯条、车刀、丝锥 不受冲击的刮刀、锉刀、剃刀 四、碳素铸钢 1、质 量:优质,P、S ≤ 0.04 % 。 2、含碳量:中、低,C = 0.2 % ~ 0.6 % 。 3、牌 号:ZG + 屈服强度-抗拉强度值,例 ZG200-400; 4、性 能:力学性能优于铸铁、铸造性能较差; 5、应 用:形状复杂,同时要求力学性能好的铸造零件。 五、碳钢的不足 ① 淬透性低; ② 回火抗力差; ③ 不具备特殊的物理化学性能; ④ 屈强比低:碳钢屈强比的数值大约为 0.6,而合金钢屈强比的数值一般 为 0.85~0.9。 因此,为了满足使用要求,在很多情况下必须先用合金钢。 5 第三节 合金钢 一、钢的合金化 1.合金元素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,在钢中不和碳化合,而是溶入铁素体内形成 合金铁素体,对基体起固溶强化作用,见下图和表。 2)形成合金渗碳体 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。 它较渗碳体为稳定,硬度也较高,是一般低合金钢中存在的主要碳化物。 3)形成特殊碳化物 与碳亲合力很强的碳化物形成元素,倾向于形成特殊碳化物。 它比合金渗碳体具有更高的溶点、硬度与耐磨性,而且更稳定。 6 2.合金元素对 Fe-Fe3C 相图的影响 1) 绝大多数合金元素的加入使 S 点和 E 点左移 (1)致使含碳量小于 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。 (2)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、如高速钢 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? 区的合金元素: 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。 例 3、Ni 27% → 奥氏体钢; 9%Ni + 18%Cr → 奥氏体钢。 例 4、Cr 17% → 铁素体钢。 7 3)影响钢的热处理温度 A1、A3、Acm:偏高。 3.合金元素对钢热处理的影响 1)细化晶粒 除了镍和钴以外,大多数合金元素均减缓奥氏体的形成过程。 除了锰和硼以外,大多数合金元素有阻碍奥氏体晶体晶粒长大的作用。 2)增加钢的淬透性,同时增加残余奥氏体量 除了 Co 以外,其它合金元素均使 C 曲线右移,增加钢的淬透性。 除了 Co 的 Al 以外,其它合金元素均使 Ms 点、Mz 点下移,使钢在淬火后 残余奥氏体量增多。 淬透性对钢的性能的影响举例: 工艺 45 钢(φ 20-40mm)调质和正火后机械性能的比较 机械性能 组织 8 σ b/MPa 正火 700—800 调质 750—850 δ /% 12—20 20—25 α /kJ/m2 HB 500—800 163—220 800— 1200 210—250 索氏体+铁素体 回火索氏体 3)对钢回火转变的影响 1)增大回火抗力(回火稳定性) 在保持相同硬度的条件下,合金钢的回火温度比碳钢高些,从而使内应力 消除得充分一些,韧性也就更高一些。 2)产生二次硬化现象 (1)二次硬化: 9 (2)机理:造成二次硬化的主要原因是钢中加入强碳化物形成元素以后, 在 500~600℃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 Mo2C,W2C,VC 等)使硬度反而上升。 3)出现第 II 类回火脆性 (1)第 II 类回火脆性:镍铬钢在 450~650℃回火后缓慢冷却会出现冲击 韧度剧烈下降。 (2)产生的原因:镍、铬造成杂质在晶界偏析。 (3)防止措施: ① 在此温度范围内回火后快冷,用于小零件; ② 在钢中加响应 W1%或 Mo0.5%,用于大零件。 总结 1、合金元素的主要作用; 10 2、合金钢优点: ① 透性好,可油淬,变形小; ② 红硬性高; ③ 屈强出的数值一为 0.85-0.9; ④ 可节省 20-30 %材料,可制作大尺寸、复杂、高强零件。 二、合金结构钢 (一)低合金高强度结构钢(工程建筑用钢) 1、性能要求 (1)具有良好的综合力学性能: ? x ? 350 ? 650 MPa ,? ? 16% ? 23% , ax ? 60 ? 70 J / cm2 。 (2)良好的工艺性能:易于冷热加工成形,且具有优良的焊接性。 11 (3)较好的抗蚀性。 (4)较低的临界脆性化温度 一般为-30℃左右。 2、成分特点 (1)含碳量较低,多数为 0.1%-0.2%; (2)锰为主加元素用来强化铁素体; (3)加元素 V、Ti 等起细铁素体晶粒作用; (4)加 P、Cu 等提高耐腐蚀性能。 3、牌号、成分、性能与用途 Q 345 C 质量等级符号——旧牌号“16Mn” 屈服强度,单位 MPa 钢号 C% Mn % 屈服强度 MPa 抗拉强度 MPa δ (%) 屈强比 4、供货状态 “屈” Q235(A3) 0.12-0.2 0.35-0.6 235 375-460 26 0.56 15Mn 0.12-0.19 0.7-1.00 Q345(16Mn) 0.12-0.2 1.2-1.6 225 345 375 410-510 26 22 0.6 0.75 热轧;热处理:正火; 显微组织:铁素体—珠光体组织。 5、应用 12 锅炉、压力容器、船舶、桥梁等工程构件,占总钢量的 15.4%左右。 (二)调 质 钢 1、工作条件 较大的弯矩,传递扭矩;且受力是交变的;在启动工作或刹车时有较大冲 击;有些轴类零件与轴承配合时还会有摩擦磨损;总之,受力复杂。 2、其性能要求 有良好的综合机械性能,即高强韧性的统一。 3、成分特点 1)中碳;2)Cr、Mn 提高淬透性;3)Mo 抑制第二类回火脆;4)Ti 细 化晶粒。 4、主要钢种: 45、40Cr、35CrMo 5、加工工艺路线 下料→锻造→预备热处理→粗加工→调质(淬火+高温回火)→(局部感应 淬火 + 低温回火)→磨削精加工→装配。 局部硬化:采用表面感应淬火及自回火,得到表面组织为回火马氏体,使 耐磨性提高; 6、应用:机床主轴、汽车半轴、曲轴、连杆和高强螺拴等零件。 钢号 名称 成分 淬火特点 组织 45 钢 碳素调质钢 0.45%C 水淬、变形大 S 回或 F+S 40Cr 钢 35CrMo 钢 合金调质钢 合金调质钢 0. 35%C 0.40%C、Cr1.5% Mo、Cr1.5% 油淬、变形小 油淬、变形小 S 回或 F+S S回 13 性能 应用 25-35HRC 或 10-20HRC 25-35HRC 或 15-20HRC 25-35HRC 受较大载荷、形 受力不大、简单形 受力不大、形状较 状复杂、φ 状、φ 20mm 小 复杂、φ 40mm 80mm 大中型 零件 中小型零件 零件 (三)渗 碳 钢 1、工作条件 拉伸、曲、转等变形破;表面磨损及接触疲劳破坏;受强烈冲击。 2、性能要求:“外硬里韧”或“外硬里强韧”。 3.成分特点:1)低碳;2)Cr、Mn 提高淬渗性;3)Ti 细化晶粒。 4. 主要钢种:20、20Cr、20CrMnTi。 5.加工工艺路线 下料→锻造→正火→机械加工→渗碳(930℃)→(直接或一次或二次)淬 火(830℃)→ 低温回火(200℃)→磨削精加工→装配。 6、应用:齿轮等耐磨零件。 钢号 20 钢 20Cr 钢 20CrMnTi 钢 名称 碳素渗碳钢 合金渗碳钢 合金渗碳钢 成分 0.2%C 0.2%CCr1.5% 0.2C、Mn、Cr、Ti1.5% 淬火 特点 一次水淬 变形大 一次油淬 变形小 直接油淬 变形小 表面:M 回+渗碳体颗粒 表面:M 回+合金碳化物颗 表面:M 回+合金碳化 +Ar; 粒+Ar; 物颗粒+Ar; 组织 心部:低碳 M 回+F,未淬 心部:低碳 M 回+F,未淬 心 部 : 低 碳 M 回 +F 透时则为 F+S。 透时则为 F+S。 或低碳 M 回 性能 表面:58-62HRC; 表面:60-65HRC; 表面:60-65HRC; 心 部 : 40-48HRC 或 心 部 : 45-50HRC 或 心部:45-50HRC 10-20HRC 15-25HRC 应用 受力不大、简单形状、φ 受力不大、形状较复杂、φ 受较大载荷、形状复杂、 10mm 耐磨件 20mm 耐磨件 φ 40mm 中型耐磨件 14 (四)弹 簧 钢 1、性能要求: 1)作用:减振储性; 2)失效形式:疲劳断裂和失去弹性。 3)性能要求: (1)高的σ S、σ -1 和σ s/σ b;(2)一定的σ 、α k;(3)淬透性好;(4) 好的环境稳定性。 2、成分特点 1)含碳量中、高;2)加 Si、Mn 提高淬透性,强化铁素体 F。 3、常用弹簧钢钢种:65Mn、60Si2Mn。 4、加工工艺 1)冷成形弹簧: 对小型弹簧,一般在热处理强化后冷拔或冷卷成形,其强度极限可达 1600MPa 以上,且表面质量好。 2)热成形弹簧: 对于中大型弹簧加热至奥氏体区进行热卷成型,经淬火+中温回火+喷丸处 理,得到回火屈氏体组织,保证了高的弹性极限和足够韧性。 (五)滚 动 轴 承 钢 1、工作条件 受载面积很小,有很高的集中交变载荷;接触部位滚动和滑动摩擦。 15 2、性能要求 (1)高的表面硬度 61-65HRC,提高耐磨性; (2)高的弹性极限和接触疲劳强度; (3)足够的霞性和淬透性; (4)良好尺寸稳定性; (5)一定的耐蚀性。 3、成分特点 1)高碳低铬:0.95-1.15%C、Cr1.6%,形成铬碳化物; 2)Cr、Mn、Si 等提高淬透性,强化铁素体; 3)严控 S、P,确保接触疲劳性能。 4.牌号:GCr15、GCr9(数字表含 Cr 量为千分之几)。 5、加工工艺路线(与工具钢相同) 锻造 → 正火+球化退火 → 机械精加工 → 淬火+冷处理 → 低温回火 → 磨削 → 去应力回火。 6、显微组织:回火马氏体 + 细小弥散碳化物。 16 三、合金工具钢 (一)刃具钢 1、工作条件:承受切削力、切削热、冲击、震动、强烈摩擦等作用。 2、性能要求 1)高硬度、高耐磨性(HRC60);2)高的红硬性;3)一定的强韧性, 防止刀刃折断、崩刃。 3、成分特点 1) 高碳:0.7-1.3%; 2) 常加入合金元素 Cr、W、Mo、V 等,提高红硬性、耐磨性、淬透性 及防止其变形。 3) 严格限制 S、P 含量,保证工具钢具有一定韧性。 4、加工工艺路线 下料 → 锻造→正火+球化退火→ 机械精加工 → 淬火 → 低温回火 → 磨削 → 装配 5、常用刃具钢牌号与热处理 钢号 名称 成分 合金 作用 淬火 特点 组织 T10 9SiCr 碳素 刃具钢 低合金刃具钢 1.0%C 0.85-1.5%C Si、Cr1.5% 形成合金碳化物 提高淬透性 水淬 变形大 油淬、变形小 M 回+渗碳体颗粒 +Ar M 回+合金碳化物颗粒+Ar 17 W18Cr4V 高速钢 0.7-1.65% 、 18%W 、 4%Cr、V1.5% 二次硬化 提高淬透性 高温油淬 560℃三次回火 M 回+合金碳化物颗粒 +Ar 性能 应用 58-62HRC 62-67HRC;500-600℃, 60-65HRC ;250-300℃,HRC60 HRC60 低速小进给量切削、 中、低速切削、形状较复杂的刃具和 高、中速、大进给量切削 简单形状的刃具 模具 的刃具和冷作模具 (二)模具钢 1.冷作模具钢----冲裁模、拉拨模、冷镦模 1)工作条件 冲击载荷、强烈摩擦、很高压应力和弯应力、切削温度高达 200~300℃。 失效形式:磨损、崩刃、变形、断裂。 2)性能要求 (1)高硬度和耐磨性;(2)高强度和疲劳抗力;(3)一定的韧性;好的淬 透性;(4)热处理变形小。 3)化学成分 (1)高碳;(2)高合金(提高淬透性、二次硬化、防回火脆性)。 4)热处理工艺: 淬火 + 低温回火。 5)组织: M 回 + 合金碳化物 + Ar 6)常用冷作模具钢:Cr12、Cr12MoV 7)选择原则 (1)对于尺寸小,形状简单的模具,可选用淬透性低有碳素工具钢; (2)形状复杂的模具,可用低合金工具钢。 (3) 若加工批量大,要求寿命高或载荷较重的可选择 Cr12 型钢,其中 Cr12MoV 应用最广,有微变形钢的美称。 18 (4)对于承受重载荷的或要求高热硬性时可用高速钢制作模具。 2.热作模具钢------锤锻模、热压模、压铸模 1)工作条件 载荷复杂;强烈摩擦、工作温度 500~900℃、冷热循环。 失效形式:磨损、崩裂、塌陷、龟裂。 2)性能要求 (1)高温综合性能好;(2)高淬透性:(3)低回火脆性;(4)良好的韧性; (4)良好的抗氧化和冷热疲劳的能力。 3)化学成分 (1)中碳;(2)中高合金:提高淬透性、韧性;二次硬化;防回火脆性。 4)热处理工艺 (1)热锻模:5CrNiMo 热处理工艺:调质处理(淬火+高温回火)。 组织:S 回和 T 回 (2)热压模:3Cr2W8V 热处理工艺:淬火 + 三次 560℃回火。 组织:M 回 + 合金碳化物 + Ar 19 四、不锈钢 不锈钢:在一定腐蚀介质中不受腐蚀或抗蚀性很高的钢称为不锈钢。 腐 蚀:是指钢与周围介质发生化学作用或电化学作用而受到破坏的现象。 金属抵抗腐蚀的能力称为金属的抗蚀性。 1、金属的腐蚀和防护 腐蚀形式:面腐蚀、点腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀、疲劳腐蚀等。 主要原因:电化学腐蚀。 1)电化学腐蚀的条件 ① 必须有两种或两相金属; ② 有电解质溶液存在; ③ 三者互相接触,形成微电池。 由于大气中含有蒸气、CO2 和 SO2 等气体,在两种或两相金属之间很容易 形成上述条件,所以常温下的腐蚀几乎都是电化学腐蚀。 2)防止金属腐蚀的方法 (1)表面保护:发蓝、磷化、钝化、阳极化、喷漆、电镀等。 (2)合金化 在金属中加入一定的合金元素,使其本身的抗蚀性提高。这是一种最有效的 方法,可以从根本上防止金属腐蚀。 20 3)提高钢的耐蚀性途径 (1)获得单相组织 加入 Cr、Ni 等,使钢成为单相铁素体、马氏体或奥氏体,无形成微电池的 条件; (2)提高基体相的电极电位 加入 Cr 后,溶入基体组织内可使电极电位显著提高,即使是有条件形成微 电池,基体也成为阴极受到保护;因钢的基体组织中含有 12%以上的 Cr 时可 显著提高其电极电位,因此不锈钢的含 Cr 量均大于 12%。 (3)形成钝化薄膜 加入 Cr 等合金元素可使钢表面形成致密牢固的钝化膜,与介质隔离。 2、常用的不锈钢 按正火组织的不同,通常把不锈钢分为铁素体不锈钢、马氏体不锈钢和奥氏 体不锈钢。 1)铁素体不锈钢——Cr17 型钢 (1)强度低、塑性好; (2)较高的耐硝酸等氧化介质腐蚀的能力,不耐硫酸、盐酸; (3)作强度要求不高、耐硝酸和氨气的部件,例、石油化工设备的容器和 管道。 2)马氏体不锈钢——Cr13 型钢 (1)因含 Cr 量较低,抗蚀性比 Cr17 钢较差。 (2)强度高,σ s 400MPa。 21 (3)可制作抗弱蚀介质的结构件和工具。 1Cr13、2Cr13 钢含碳量较低,多作结构件,采用 700℃左右的高温回火; 3Cr13、4Cr13 钢含碳量较高,多作工具钢,采用 250℃左右的低温回火。 3)奥氏体不锈钢——18-8 型钢,例 1Cr18Ni9Ti (1)具有很高的抗蚀性,适应面宽。 (2)塑性和韧性好,易成形。 (3)不能热处理强化,其强化手段是加工硬化,切削加工性较差。 (4)无磁。 (5)可制作不受力的抗强蚀介质的石油化工机械、仪器仪表、非磁性零件 和外壳。 22 23


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