合金鋼全部課件

合金鋼AlloySteel《機(jī)械工程材料》多媒體課件主講人：李安銘

材料科學(xué)與工程學(xué)院

2/3/20231概述第一節(jié)Summary2/3/20232AnmingLi,DeptofMSE,hpu合金鋼：為了改善鋼的力學(xué)性能、工藝性能或理化性能，有意往鋼中加入一些合金元素，這種鋼稱為合金鋼。分類：合金結(jié)構(gòu)鋼→改善力學(xué)性能合金工具鋼→特殊的力學(xué)性能特殊性能鋼→特殊的理化性能材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/20233AnmingLi,DeptofMSE,hpu一、碳鋼的優(yōu)點(diǎn)和不足

1、價(jià)格低、容易冶煉

2、加工工藝性好碳鋼4-5千元/噸，一般合金鋼5-6千元/噸例如：鍛、焊、切削加工性

3、改善性能（C%

、熱處理）例如：綁扎的鐵絲、鏨子優(yōu)點(diǎn)材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/20234AnmingLi,DeptofMSE,hpu不足：

1.淬透性差例如：Φ30mm拉桿，調(diào)質(zhì)狀態(tài)使用。選45鋼，心部不能得到

S回，要選用40Cr鋼。汽車、拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿螺栓

幾種鋼的淬透性比較Φ66Φ8740CrNiMoΦ20Φ3240Cr

Φ8Φ1845Do油(mm)Do水(mm)鋼號(hào)材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/20235AnmingLi,DeptofMSE,hpu鋼種σb(MPa)σs(MPa)ψ(%)ak(J/mm2)30500300500.830CrNiMo9

屈強(qiáng)比：σs/σb

碳鋼0.5-0.6合金鋼0.8-0.9

強(qiáng)度級(jí)別低，限制了碳鋼的使用范圍，例如：航空、航天等。

2.強(qiáng)度級(jí)別低、屈強(qiáng)比低材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/20236AnmingLi,DeptofMSE,hpu

碳鋼制作的刀具，刀刃處工作溫度＜200℃，高速鋼刀具600℃，硬質(zhì)合金刀具達(dá)到1000℃。高速鋼的出現(xiàn)，帶來(lái)高速切削的誕生，給機(jī)械加工行業(yè)帶來(lái)了革命性的變化

3.回火穩(wěn)定性差，耐熱性差三種鋼耐熱性比較.碳鋼不適宜制作高溫工作的零件。

材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/20237AnmingLi,DeptofMSE,hpu

4.不能滿足特殊性能的要求

耐低溫

碳鋼在韌脆轉(zhuǎn)換溫度以下變脆

耐腐蝕

碳鋼不能抵御大氣、酸堿鹽的腐蝕

導(dǎo)磁性

碳鋼的導(dǎo)磁率較低

無(wú)磁性

碳鋼在磁場(chǎng)中不可避免會(huì)被磁化材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/20238AnmingLi,DeptofMSE,hpu

長(zhǎng)江上的三座橋

武漢大橋

50年代

碳素結(jié)構(gòu)鋼

強(qiáng)度低

主跨128米

南京大橋

60年代

主跨160米

16Mn

較碳鋼節(jié)約20％

九江大橋80年代

主跨216米

15MnVN

較16Mn節(jié)約20％

正是碳鋼的不足，促進(jìn)了合金鋼的發(fā)展

合金鋼的發(fā)展，促進(jìn)了工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/20239武漢長(zhǎng)江大橋材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202310南京長(zhǎng)江大橋材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202311九江長(zhǎng)江大橋材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202312各個(gè)國(guó)家都投入大量的人力、物力，用于高性能材料的研究開發(fā)，搶占材料研究的制高點(diǎn)。我國(guó)的863、973科研計(jì)劃，材料學(xué)科都占據(jù)了重要的位置。

合金鋼用量占鋼鐵材料的比例，反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)技術(shù)的水平。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202313AnmingLi,DeptofMSE,hpu這些元素與碳作用形成合金碳化物

Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱強(qiáng)

弱碳化物元素:Fe、Mn;

中強(qiáng)碳化物元素:Cr、Mo、W;

強(qiáng)碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。Fe的左邊：

二、鋼中的合金元素材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202314AnmingLi,DeptofMSE,hpuFe的右邊：B、N、Al、Si

、Ni、Co、Cu另外：Re這些元素與碳的親和力較弱，一般以固溶體形式存在材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202315AnmingLi,DeptofMSE,hpu合金鋼的分類：1、合金結(jié)構(gòu)鋼2、合金工具鋼3、特殊性能鋼材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202316AnmingLi,DeptofMSE,hpu合金結(jié)構(gòu)鋼第二節(jié)AlloyStructuralSteel2/3/202317AnmingLi,DeptofMSE,hpu合金結(jié)構(gòu)鋼

(AlloyConstructionalSteel)普通低合金鋼合金滲碳鋼

合金調(diào)質(zhì)鋼彈簧鋼滾動(dòng)軸承鋼易切削鋼材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202318AnmingLi,DeptofMSE,hpu數(shù)字+化學(xué)元素+數(shù)字1、前面(兩位）數(shù)字表示鋼平均含碳量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)；2、后面的數(shù)字表示合金元素含量。合金元素含量小于1.5%時(shí)，不標(biāo)含量；等于或大于1.5%、2.5%……時(shí)，以2、3表示。4、特殊標(biāo)注：

滾珠軸承鋼：注明“G”，鉻含量千分?jǐn)?shù)為單位；易切削鋼：鋼號(hào)前加“Y”3、S、P量較低的高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，加A

結(jié)構(gòu)鋼編號(hào)原則材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202319AnmingLi,DeptofMSE,hpu一.普通低合金鋼

(commonlow–alloyedsteel)又稱“低合金高強(qiáng)度鋼”用途：工程結(jié)構(gòu)件，如車輛、船舶、壓力容器、橋梁。

1、用途及性能：材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202320AnmingLi,DeptofMSE,hpu性能要求：

1）高強(qiáng)度，300Mpa以上；省料和減少自重；

2）高的塑性和韌性，δ＞20％，－40℃時(shí)，ak≥24J；

3）好的焊接性和冷變形性，有利于成型。

1）低碳，WC＜0.20%Wt，以保證足夠的韌性；

2）以Mn為主強(qiáng)化元素，價(jià)格較廉；

3）加入少量Nb、V強(qiáng)碳化物元素，達(dá)到細(xì)化晶粒的效果；

4）針對(duì)特殊用途，可加入Cu、P，提高鋼的抗腐蝕能力。

2、成分特點(diǎn)：低碳＋細(xì)化晶粒、彌散強(qiáng)化元素材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202321AnmingLi,DeptofMSE,hpu質(zhì)量等級(jí)345MPa屈服強(qiáng)度牌號(hào):

Q

345

C

300MPa12Mn350MPa16Mn450MPa15MnVN供貨狀態(tài)：熱軋＋空冷一般不單獨(dú)熱處理

3、熱處理及典型鋼種：材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202322AnmingLi,DeptofMSE,hpu二、滲碳鋼

用途：承受強(qiáng)的磨擦、磨損及交變應(yīng)力，一定沖擊載荷。例如：汽車中傳遞動(dòng)力的齒輪。

性能：

1）心部足夠的強(qiáng)度及優(yōu)良的韌性；

2）良好的淬透性；

3）表面處理后，有高的硬度；

4）能適應(yīng)高溫滲碳工藝。

1、用途及性能：活塞銷(20Cr)材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202323AnmingLi,DeptofMSE,hpu

1）低碳，0.10－0.20%C，保證足夠塑性和韌性；

2）加入提高淬透性的元素，Cr、Mn、Ni、B等；

3）加入少量強(qiáng)碳化物形成元素，如Ti、V、Mo等，阻止奧氏體的晶粒長(zhǎng)大。

滲碳＋淬火＋低溫回火

低淬透性：15Cr、20Cr、20Mn2中淬透性：20CrMnTi、20CrMnMo高淬透性：12CrNi4A、18Cr2Ni4WA

低碳＋提高淬透性元素＋強(qiáng)碳化物元素

2、成分特點(diǎn)：

3、熱處理及典型鋼種：材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202324AnmingLi,DeptofMSE,hpu三、調(diào)質(zhì)鋼

用途：齒輪、軸、連桿、高強(qiáng)度螺栓。

性能：1）高的強(qiáng)韌性配合；

2）好的淬透性。

1）中碳，0.3-0.50%C之間，強(qiáng)韌性的合理配合；

2）提高淬透性元素，Cr、Mn、Ni、Si、B等；

3）加入W、Mo，防止回火脆性。

2、成分特點(diǎn)：中碳＋提高淬透性元素＋防止回火脆性元素

1、用途及性能：材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202325AnmingLi,DeptofMSE,hpu

淬火＋高溫回火（調(diào)質(zhì)）低淬透性40MnMnB、40Cr中淬透性42CrMo、40CrNiMo高淬透性34CrNi3Mo

3、熱處理及典型鋼種：材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202326AnmingLi,DeptofMSE,hpu四、彈簧鋼

用途：制造各類彈簧。彈簧的作用是吸收和釋放能量。

性能：

1）高的比例極限，即σs/σb值（屈強(qiáng)比）高；

2）σ-1大，有較高的疲勞抗力；

3）足夠的韌性，硬度適中，

39－50HRC。熱卷大彈簧

1、用途及性能：材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202327AnmingLi,DeptofMSE,hpu

1）偏高的含碳量，0.45－0.70%C之間；

2）Si可以有效提高鋼的比例極限

Cr、Si、Mn

可提高淬透性；

3）Si、V的使用可以提高回火穩(wěn)定性。淬火＋中溫回火1）熱成型彈簧65Mn、60Si2Mn。

2）冷成型彈簧T10等大型熱卷彈簧

2、成分特點(diǎn)：

3、熱處理及典型鋼種：高碳＋提高淬透性元素＋提高回火穩(wěn)定性元素材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202328AnmingLi,DeptofMSE,hpu五、滾動(dòng)軸承鋼

用途：制造滾動(dòng)軸承

性能：

1）高強(qiáng)度和硬度，HRC60－62，承受高的壓應(yīng)力

；

2）高的接觸疲勞抗力，接觸應(yīng)力可達(dá)3000-3500MPa；

3）高的耐磨損能力。

高碳＋提高淬透性元素

0.95－1.15%CCr、Si、Mn

2、成分特點(diǎn)：

1、用途及性能：材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202329AnmingLi,DeptofMSE,hpu球化退火＋淬火＋低溫回火GCr9小軸承GCr15多數(shù)軸承GCr15SiMn壁厚＞14的大軸承極細(xì)回火馬氏體+細(xì)粒狀碳化物+少量殘余奧氏體

3、熱處理及典型鋼種：材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202330AnmingLi,DeptofMSE,hpu合金工具鋼第三節(jié)AlloyToolSteel2/3/202331AnmingLi,DeptofMSE,hpu數(shù)字+化學(xué)元素+數(shù)字1、前面(一位）數(shù)字表示鋼平均含碳量的千分?jǐn)?shù)；含碳量≥1％時(shí)，不寫數(shù)字。2、后面的數(shù)字表示合金元素含量。合金元素含量小于1.5%時(shí)，不標(biāo)含量；等于或大于1.5%、2.5%……時(shí)，以2、3表示。4、特殊標(biāo)注：

高速鋼，例如：W18Cr4V；

3、S、P量較低的高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，加A

工具鋼編號(hào)原則材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202332AnmingLi,DeptofMSE,hpu一、合金刃具鋼alloycuttingtoolsteel材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202333AnmingLi,DeptofMSE,hpu什么是合金刃具鋼？用途：車刀、刨刀、銑刀、鉆頭等。

用于制造各類切削刀具的合金鋼。

（alloycuttingtoolsteel）

低合金刃具鋼

高合金刃具鋼材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202334AnmingLi,DeptofMSE,hpu刃具鋼主要用途車刀端面銑刀鉆頭絲錐板牙盤型銑刀齒輪滾刀材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202335AnmingLi,DeptofMSE,hpuγβ2β1γ彈性變形

塑性變形

擠裂γβ2金屬的切削過(guò)程

1.刃具的工作特點(diǎn)材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202336AnmingLi,DeptofMSE,hpu材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202337AnmingLi,DeptofMSE,hpu工作特點(diǎn)與工件發(fā)生劇烈的摩擦

要求刃具鋼有高的硬度、高的耐磨性

承受一定的沖擊和彎曲應(yīng)力

要求刃具鋼有足夠的塑性、韌性刃部有很高工作溫度

要求刃具鋼有高的耐熱性三個(gè)特點(diǎn)材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202338AnmingLi,DeptofMSE,hpu

2.性能要求（properties)

（1）高硬度

(hardness)一般刃具鋼≥60HRC，部分刃具鋼≥70HRC

（2）高的耐磨性（wearability)

決定了刀具的耐用度；耐用度：刀具由開始切削到磨鈍的時(shí)間。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202339AnmingLi,DeptofMSE,hpu

63

60HRC

降30％

大量VC70HRC

刃具的耐磨性材料的硬度碳化物性質(zhì)成分VCWCFe3C硬度/HV20101730800三種碳化物的硬度材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202340

(3)高的熱硬性（hothardness)

熱硬性：材料在高溫下保持高硬度的性能，取決于鋼的回火穩(wěn)定性和碳化物的性質(zhì)。

意大利五軸數(shù)控銑床

德國(guó)數(shù)控銑床

材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202341刃具材料的耐熱性是影響機(jī)械切削速度的關(guān)鍵因素；國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)的一份報(bào)告指出：“正是由于刃具材料的進(jìn)步，允許切削速度每隔十年幾乎提高一倍”。

對(duì)刃具材料的熱硬性提出了更高的要求

刃具溫度升高切削速度提升材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202342AnmingLi,DeptofMSE,hpu

（4）足夠的塑性和韌性（plasticityandtoughness)

材料塑韌性低

刃具崩刃、斷裂

高速鋼刃具50％，硬質(zhì)合金刃具45％，其它材料刃具5％。主要原因：高速鋼的韌性好。材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202343AnmingLi,DeptofMSE,hpu

成分特點(diǎn)：

高碳+提高淬透性元素+提高回火穩(wěn)定性元素

1)高碳，0.85－1.05%C之間；

2)提高淬透性的元素：CrMn；

3)提高回火穩(wěn)定性的元素：VSi典型鋼種及熱處理：

9SiCrCrWMn

淬火＋低溫回火

3、低合金刃具鋼：材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202344AnmingLi,DeptofMSE,hpu

4.高合金刃具鋼(high-alloycuttingtoolsteel)

“高速鋼”

(highspeedtoolsteel)

W：17.5-19.0％保證熱硬性以W18Cr4V為例(1)化學(xué)成分及元素作用

形成碳化物，約0.2％；保證M中的碳含量，約0.5-.-0.6％。

形成WC；提高回火穩(wěn)定性。

C：0.7-0.8％保證高硬度材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202345AnmingLi,DeptofMSE,hpu

V：1.0－1.4％提高硬度和耐磨性

Cr：3.8－4.4％提高淬透性“風(fēng)鋼”

發(fā)展

減少W含量,增加MO,V

例W6Mo5Cr4V2

趨勢(shì)：提高硬度，發(fā)展超硬高速鋼化學(xué)成分及元素作用

增加過(guò)冷A穩(wěn)定性，增加殘余A的量形成VC1％→3.5％V，60HRC→70HRC材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202346AnmingLi,DeptofMSE,hpu塑性差；鍛造溫度間隔小

（2）鍛造及熱處理（forgingandheattreatment)

幾種鋼的鍛造溫度9501150W18Cr4V8001200457001250A3終鍛溫度/℃始鍛溫度/℃鋼號(hào)

必須鍛造

非常困難鍛造退火組織鑄態(tài)組織材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202347

熱處理工藝

加熱800-840℃預(yù)熱

1270-1280℃A化

組織：A+C冷卻

組織:M+C+A殘

油冷.580-620℃分級(jí)回火減A殘.析出C

550-570℃三次高速鋼的熱處理

（heattreatment)熱處理工藝曲線材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/20234860-63HRC原因：大量A殘63-66HRC組織：M回+C+A殘W18Cr4V回火溫度與硬度回火與硬度淬火后回火后材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202349二、模具鋼Diesteel材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202350AnmingLi,DeptofMSE,hpu用途：近室溫下對(duì)金屬進(jìn)行變形的模具；冷沖模、冷擠壓、拉絲、滾絲輪、搓絲板等。

汽車沖壓模具冷作模鋼

(cold-workingdiesteel)

1、用途及性能：材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202351AnmingLi,DeptofMSE,hpu

1）高碳，＞1.0%C，有的甚至可達(dá)到2％；

2）提高淬透性元素CrWMn;3）碳化物元素，Mo、W、V等。

淬火＋低溫回火

尺寸較小、輕載的模具

T10A、9SiCr、9Mn2V；尺寸較大、重載、熱處理變形小的模具

Cr12、Cr12MoV。

成分特點(diǎn)：高碳＋提高淬透性元素＋碳化物元素

熱處理及典型鋼種：材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202352AnmingLi,DeptofMSE,hpu熱作模鋼

(hot-workingdiesteel)用途：對(duì)高溫金屬進(jìn)行變形的模具；如熱鍛模、熱擠壓模等。

1、用途及性能：材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202353AnmingLi,DeptofMSE,hpu

1）中碳0.3-0.5%C；

2）提高淬透性元素CrMnNiSi;3）提高回火穩(wěn)定性元素Mo、W4)防止第二類回火脆性元素WMo

成分特點(diǎn)：中碳＋提高淬透性元素＋提高回火穩(wěn)定性元素＋防止第二類回火脆性元素材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202354AnmingLi,DeptofMSE,hpu

5CrMnMo一般模具

5CrNiMo各種模具，淬透性好

3Cr2W8V

重載大型模具

熱處理及典型鋼種：淬火＋高溫回火汽車鍛模材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202355AnmingLi,DeptofMSE,hpu用途：制造卡尺，量規(guī)、塞規(guī)等；

三、量具鋼

1、用途及性能：卡尺量規(guī)千分尺材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202356AnmingLi,DeptofMSE,hpu高碳:0.9～1.5%;合金元素:Cr、Mn、W。淬火冷處理低溫回火時(shí)效處理簡(jiǎn)單量具：T10A、T12A、65Mn等。形狀復(fù)雜、高精度：CrWMn、GCr15。

3、熱處理及典型鋼種：

2、

成分特點(diǎn)：材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202357AnmingLi,DeptofMSE,hpu特殊性能鋼第四節(jié)SpecialPropertySteel2/3/202358AnmingLi,DeptofMSE,hpu

一.不銹鋼

(stainlesssteel)

在腐蝕介質(zhì)中具有很高的抗腐蝕能力的鋼。*在空氣中的年腐蝕量為0.01mm以內(nèi)；*在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿介質(zhì)中的年腐蝕量為0.1mm以內(nèi)。

2、

耐蝕的概念：

1、

定義：材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202359AnmingLi,DeptofMSE,hpu1)馬氏體型不銹鋼

---Cr13型鋼化學(xué)成分特點(diǎn):Wc=0.1～0.4%

WCr=13%熱處理特點(diǎn):淬火＋回火組織：回火索氏體結(jié)構(gòu)件回火馬氏體刀具牌號(hào):1Cr13～4Cr13常用不銹鋼：材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202360AnmingLi,DeptofMSE,hpu2)鐵素體型不銹鋼化學(xué)成分特點(diǎn):

Wc=0.1%左右

WCr=17%熱處理特點(diǎn):750-780℃空冷

不能進(jìn)行熱處理強(qiáng)化。牌號(hào):1Cr17、1Cr28等。用途:化工設(shè)備中要求耐蝕性高、塑性好、強(qiáng)度低的容器、管道等。硝酸生產(chǎn)裝置材料科學(xué)與工程學(xué)院2/3/202361Anming