金属工艺学13.ppt

本章目的1介绍合金钢的概念及其分类、编号的方法；2揭示合金元素在钢中的作用，即合金化原理；3分别介绍各种主要类型的合金钢。,第十一章工业用钢,本章重点1合金元素对钢的组织与性能影响规律；2各类钢主要的性能要求、成分及合金化特点，合金元素的主要作用，主要的热处理方法、应用;3各类钢的典型钢种。,11-2合金元素在钢中的作用,一合金元素对钢中基本相的影响1形成合金铁素体绝大多数合金元素可或多或少固溶于铁素体中，形成α-Fe的间隙或置换固溶体合金铁素体合金元素有固溶强化作用,但过多则降低韧性例如Si、Mn显著提高强硬度，但当Si0.6;Mn1.5;Cr2;Ni5时韧性明显下降限量使用,2形成合金碳化物,根据与碳的亲和力，合金元素分为两类,非碳化物形成元素Ni、Co、Cu、Al、Si、N、B,碳化物形成元素Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Ti、Zr以上由弱至强,弱碳化物形成元素、中强碳化物形成元素可置换渗碳体中的铁原子→Fe、Mn3C、Fe、Cr3C,（1）形成合金渗碳体,意义合金渗碳体较渗碳体稳定，熔点和硬度更高,低合金钢中的主要强化相,,（2）形成特殊碳化物,强碳化物形成元素、或较高含量的中强碳化物形成元素（5）VC、TiC、WC、Mo2C、Cr23C6、Cr7C3形成特殊碳化物,特殊碳化物较合金渗碳体稳定性更高，熔点与硬度也更高耐较高温度的强化相,高合金钢中的主要强化相,,小结碳在钢中的存在形式及作用1固溶于铁基体中；2形成各类碳化物,固溶强化、,第二相强化，提高耐磨性,二合金元素对铁碳相图的影响1影响奥氏体、铁素体存在范围,意义在室温下可能获得单相奥氏体组织或单相铁素体组织┗奥氏体钢,扩大α相区，使A3↑，A4↓Cr、W、Mo、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr,扩大γ相区，使A3↓，A4↑Ni、Mn、Cu、Co、C、N,2影响相图临界点（S、E）**所有合金元素均使S、E点左移4Cr13过共析钢；W18Cr4V莱氏体钢,三对钢热处理的影响,1对加热时相转变的影响大多数合金元素都使奥氏体的长大减慢，成分均匀化难度加大大多数合金钢比碳钢加热温度高，保温时间长；但须考虑合金元素对A3的影响，例含Mn钢,2对冷却转变（C曲线）的影响实质为对C曲线的影响1使C曲线位置和形状改变,非碳化物形成元素改变位置，不改变形状,碳化物形成元素改变位置与形状，使P、B转变分离,2大部分合金元素使C曲线右移；意义提高淬透性合金元素提高淬透性的顺序由强至弱Mo、Mn、W、Cr、Ni、Cu、Si、V另B元素添加0.00050.0035量┗显著提高淬透性,3大部分合金元素↓Ms、Mf,,↑AR;高碳、高合金钢的多次回火工艺，目的之一是减少AR。,注①合金元素需溶入奥氏体中；②含较多提高淬透性元素的钢可能在空冷条件下获马氏体例如W18Cr4V,3合金元素对回火过程的影响,1提高钢的回火稳定性,回火稳定性定义钢在回火过程中抵抗软化的能力。,原因合金元素推迟回火各个阶段，增强钢抵抗软化能力提高钢的回火稳定性。合金碳化物稳定性高,意义,（1）在相同温度下回火，合金钢比碳钢有更高的强硬度；,（2）相同强度下合金钢比碳钢可在更高温度下回火，有更好韧性。,（2）产生二次硬化,二次硬化含较多W、Mo、V、Ti及较高C的钢回火时，硬度不是随回火温度升高单调下降，而是到某一温度后反而开始增大（400℃），并在另一更高温度（550℃）达到峰值。,,,回火温度，℃,HRC,200400600,,,,,,,,,60,40,20,,,,,,5Mo,2Mo,,0.35C,原因,①马氏体中析出→Mo2C、VC、TiC即特殊碳化物在α相的位错区沉淀析出，与α相共格共格强化与弥散强化②二次淬火回火中未分解的AR在随后冷却到T60100mm,,5热处理工艺淬火高温回火使用态组织回火索氏体,五弹簧钢,1用途制作各种弹性元件以产生较大弹性变形，起缓和冲击、吸收振动等作用。2性能要求高的弹性极限，屈强比、疲劳强度,3成分特点,1中高碳合金弹簧钢0.40.7C;碳素弹簧钢0.60.9C,2MeMn、Cr、Si↑淬透性，固溶强化,Si↑σS/σb屈强比W、Mo防第二类回火脆性,4典型钢种65Mn、60Si2Mn、60Si2MnWA,5成型与热处理工艺（1）冷成型弹簧小型d1015mm热轧钢丝或钢板淬火中温回火弹簧钢使用态组织回火屈氏体或屈氏体,c.铅浴淬火冷拉钢丝铅浴等温淬火获屈氏体冷拔、成卷1600MPa，强度高但不均匀,六滚动轴承钢,1用途滚动轴承的滚动体、内外套圈等。2性能要求点、线接触高的压应力1500～5000MPa交变应力高的接触疲劳摩擦高硬度与耐磨性HRC62～64大气、润滑油介质耐蚀性,3成分特点,1高碳0.951.15C2低铬0.41.65Cr提高淬透性；形成碳化物3其它元素Mn、Si↑淬透性4高的冶金质量***夹杂物与碳化物的控制,4典型钢种,5热处理及使用态组织热处理工艺球化退火淬火低温回火使用态组织高碳回火马氏体弥散细小碳化物,可用作工具钢,,11-5工具钢,工具钢分类刃具钢、模具钢、量具钢。,,一、刃具钢一用途切削刀具车刀、铣刀、钻头、锯、丝锥、板牙等受力弯曲、扭转、剪切、冲击、震动、擦失效形式磨损、崩刃、卷刃、折断等,二性能要求（1）高硬度HRC60（2）高耐磨性（3）高的热稳定性或红硬性热稳定性钢在使用变热过程中保持其原金相组织与性能的能力。红硬性钢在高温条件下保持足够高硬度的能力。可用多次高温回火后在室温条件下测得的硬度表示。4一定的韧性抗拉压弯扭，抗冲击,,刃具钢共性要求,不同刃具的性能要求有一定差异,,基体组织高碳马氏体,,三典型刃具钢种及成分、组织、热处理特点刃具钢按成分分为碳素刃具钢、低合金刃具钢、高合金刃具钢高速钢1碳素工具钢1成分特点高碳（0.651.35C）,碳的作用提高硬度与耐磨性作用机理Ⅰ、固溶于基体；Ⅱ、形成Fe3C,2热处理及使用态组织,a.预备热处理球化退火目的Ⅰ、软化组织；Ⅱ、细化、均匀化组织,b.最终热处理淬火＋低温回火使用态组织细针状高碳回火马氏体＋粒状Fe3C＋AR,T12钢淬火态组织,T12钢铸态组织,T12钢球化退火组织,3典型钢种T7、T8T9、T10T12、T13,一定韧性的冲头、锤子、凿子,硬度高、韧性适中的钻头、手锯条、刨刀,硬度高、韧性低的锉、刮刀等,,,4碳素刃具钢的应用,优点加工工艺简单；成本低；常温下硬度足够。,缺点热稳定性较差T200℃,HRC15mm时水淬下仅表面淬硬工件尺寸受限，内应力及变形大,,应用手动工具或低速运转的工具；尺寸较小、对变形要求不高的工具切削软金属或木工工具,2低合金刃具钢1化学成分特点a.高碳0.91.5C;进一步提高硬度与耐磨性b.加入↑淬透性元素Cr、Mn、Si；c.加入↑硬度与耐磨性元素W、Vd.加入↑回火稳定性元素Si注意合金元素的综合作用合金总量15,添加了大量碳化物形成元素W、Mo、Cr、V等Cr淬透性；回火后形成细小碳化物W、Mo高的红硬性；二次硬化V红硬性；细化晶粒,3热处理特点莱氏体钢粗大的共晶碳化物a.反复锻造；打碎粗大的鱼骨状共晶碳化物,2典型钢种W18Cr4V；Mo8Cr4V2;W6Mo5Cr4V2,,b.分级预热（600℃、800℃）；c.高温淬火（1250℃～1300℃）；d.分级淬火（600℃、400℃）；e.多次回火（550℃，三次以上）目的①产生二次硬化；②消除残余奥氏体淬火2030％AR一次回火15％AR二次回火5～7％AR三次回火1～2％AR。,,,,,4高速钢组织淬火组织隐晶马氏体粒状碳化物2030％AR回火组织极细回火马氏体大量粒状碳化物少量（12.7单相铁素体,（3）可形成致密氧化物元素要求结构致密、不溶于腐介、高电阻Cr–Cr2O3;Al–Al2O3;Si–SiO2；MoO3;,不锈钢中不可缺的元素Cr13,Cr的作用提高基体电极电位；形成致密氧化膜；一定条件下形成单相铁素体,3碳对钢耐腐蚀性的影响,总体不利形成碳化物，增加微电池数；形成Cr的碳化物，降低Cr,降低基体电极电位；造成晶间腐蚀,故不锈钢中通常C13添加Nin/8；单相奥氏体加Mo、Cu抗非氧化性酸Ti、Nb抗晶间腐蚀Mn、N替代Ni,4典型不锈钢,Cr17型C15铁素体型低碳高铬1Cr17、1Cr17Mo2Ti,按正火态组织分为M、F、ACr13型0.10.4C;13～18％Cr马氏体型较高碳；较低Cr1Cr13、2Cr13、3Cr13、9Cr18,18-8型C0.1;18Cr,9Ni奥氏体型（低碳高铬高镍）1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9Ti,第十章习题与思考题,1钢分类的方法有哪几种钢中常用合金元素有哪些是强碳化物形成元素中强碳化物形成元素2合金钢的主要优点是什么常用以提高钢淬透性的元素有哪些强烈阻碍奥氏体晶粒长大的元素有哪些提高回火稳定性的元素有哪些3解释下列现象（1）大多数合金钢的热处理温度比相同含碳量的碳素钢高；（2）大多数合金钢比相同含碳量的碳素钢具有较高的回火稳定性；（3）含碳量为0.4、含铬量为12的铬钢属于过共析钢，而含碳量为1.5、含铬量为12的铬钢属于莱氏体钢；（4）高速钢在热锻或热轧后经空冷获得马氏体钢。,4有资料表明，南京长江大桥采用16Mn钢比普通碳素钢节约钢材15％，简要解释原因。5试比较45钢与40Cr钢的应用范围，以此说明合金元素Cr在调质钢中的作用。6说明渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢的化学成分、最终热处理及组织、性能特点。7说明下列牌号钢的大致化学成分、合金元素的主要作用、用途及最终热处理工艺20CrMnTi40CrNiMo60Si2MnGCr15,8工具钢分几类低合金工具钢与碳素工具钢相比有何优点何谓二次硬化何谓红硬性提高红硬性的主要元素是什么各举出1～2个碳素工具钢、低合金工具钢、高速钢的典型钢种，简要说明合金元素的作用。9高速工具钢淬火后为什么需要进行三次以上回火在560℃回火是否是调质处理10为什么Cr能提高金属的腐蚀抗力常用的含Cr量是多少C对钢的耐腐蚀性能有何影响111Cr13钢和Cr12钢中的含铬量都大于11.7，现1Cr13属于不锈钢，而Cr12钢不属于不锈钢，说明原因。12讨论题C及合金元素Mn、Cr、Si、Ni、W、Mo、V、Ti、B等在钢中一般主要有哪些作用,