第三節(jié)合金鋼

1、第三節(jié)第三節(jié) 合金鋼合金鋼2012級(jí)第三組做2014年3月4日一、合金鋼 1，定義： 合金鋼 （Alloy steel ）鋼里除鐵、碳外，加入其他的元素，就叫合金鋼。 在普通碳素鋼基礎(chǔ)上添加適量的一種或多種合金元素而構(gòu)成的鐵碳合金。根據(jù)添加元素的不同，并采取適當(dāng)?shù)募庸すに?，可獲得高強(qiáng)度、高韌性、耐磨、耐腐蝕、耐低溫、耐高溫、無磁性等特殊性能。合金鋼不僅合金元素含量高，而且嚴(yán)格控制硫、磷等有害雜質(zhì)的含量，屬于優(yōu)質(zhì)鋼或高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。2、合金鋼的歷史：、合金鋼的歷史： 合金鋼已有一百多年的歷史了。工業(yè)上較多地使用合金鋼材大約是在19世紀(jì)后半期。當(dāng)時(shí)由于鋼的生產(chǎn)量和使用量不斷增大，機(jī)械制造業(yè)需要解決鋼的

2、加工切削問題，1868年英國(guó)人馬希特(R.F.Mushet)發(fā)明了成分為2.5%Mn-7%W的自硬鋼，將切削速度提高到5米/分。隨著商業(yè)和運(yùn)輸?shù)陌l(fā)展,1870年在美國(guó)用鉻鋼(1.52.0%Cr)在密西西比河上建造了跨度為 158.5米的大橋；由于加工構(gòu)件時(shí)發(fā)生困難,稍后,一些工業(yè)國(guó)家改用鎳鋼(3.5%Ni)建造大跨度的橋梁。與此同時(shí),一些國(guó)家還將鎳鋼用于修造軍艦。隨著工程技術(shù)的發(fā)展，要求加快機(jī)械的轉(zhuǎn)動(dòng)速度，1901年在西歐出現(xiàn)了高碳鉻滾動(dòng)軸承鋼。1910年又發(fā)展出了18W-4Cr-1V型的高速工具鋼，進(jìn)一步把切削速度提高到30米/分?？梢姾辖痄摰膯柺篮桶l(fā)展，是適應(yīng)了社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的要求，特別是

3、和機(jī)械制造、交通運(yùn)輸和軍事工業(yè)的需要分不開的。20世紀(jì)20年代以后，由于電弧爐煉鋼法被推廣使用，為合金鋼的大量生產(chǎn)創(chuàng)造了有利條件?；瘜W(xué)工業(yè)和動(dòng)力工業(yè)的發(fā)展，又促進(jìn)了合金鋼品種的擴(kuò)大，于是不銹鋼和耐熱鋼在這段期間問世了。1920年德國(guó)人毛雷爾 (E.Maurer) 發(fā)明了18-8型不銹耐酸鋼，1929年在美國(guó)出現(xiàn)的Fe-Cr-Al電阻絲，到1939年德國(guó)在動(dòng)力工業(yè)開始使用奧氏體耐熱鋼。第二次世界大戰(zhàn)以后至60年代，主要是發(fā)展高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼的時(shí)代，由于航空工業(yè)和火箭技術(shù)發(fā)展的需要，出現(xiàn)了許多高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼新鋼種，如沉淀硬化型高強(qiáng)度不銹鋼和各種低合金高強(qiáng)度鋼等是其代表性的鋼種。60年代以

4、后，許多冶金新技術(shù)，特別是爐外精煉技術(shù)被普遍采用，合金鋼開始向高純度、高精度和超低碳的方向發(fā)展，又出現(xiàn)了馬氏體時(shí)效鋼、超純鐵素體不銹鋼等新鋼種。國(guó)際上使用的有上千個(gè)合金鋼鋼號(hào)，數(shù)萬個(gè)規(guī)格，合金鋼的產(chǎn)量約占鋼總產(chǎn)量的10%，是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)大量使用的重要金屬材料。 3、合金元素 4、部分合金元素的作用：提高淬透性：提高淬透性：Mn（錳）、）、Cr（鉻）、）、B（硼）、）、Ni（鎳）、W、Mo（鉬）固溶強(qiáng)化：固溶強(qiáng)化：Si（硅）、）、Mn、Ni細(xì)化晶粒：細(xì)化晶粒：Al、V、Ti、W、Mo、Nb（鈮）、）、Zr提高回火穩(wěn)定性：提高回火穩(wěn)定性：W、Mo、V、Si、Cr消除高溫回火脆性：消除高溫

5、回火脆性：W、Mo 合金鋼的主要合金元素有硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、鈮、鋯、鈷、鋁、銅、硼、稀土等。其中釩、鈦、鈮、鋯等在鋼中是強(qiáng)碳化物形成元素，只要有足夠的碳，在適當(dāng)條件下，就能形成各自的碳化物，當(dāng)缺碳或在高溫條件下，則以原子狀態(tài)進(jìn)入固溶體中；錳、鉻、鎢、鉬為碳化物形成元素，其中一部分以原子狀態(tài)進(jìn)入固溶體中，另一部分形成置換式合金滲碳體；鋁、銅、鎳、鈷、硅等是不形成碳化物元素，一般以原子狀態(tài)存在于固溶體中。5、合金鋼的分類： A、按合金元素的含量分 1）低合金鋼 合金元素總含量小于等于5%； 2）中合金鋼 合金元素總含量在5%10%之間； 3）高合金鋼 合金元素總含量大于等于10%；B

6、、按特性和用途又分：合金結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐酸鋼、耐磨鋼、耐熱鋼、合金工具鋼、滾動(dòng)軸承鋼、合金彈簧鋼和特殊性能鋼（如軟磁鋼、永磁鋼、無磁鋼）等C、按合金元素的種類分： 鉻鋼、錳鋼、鉻錳鋼、鉻鎳鋼、鉻鎳鉬鋼、硅錳鉬釩鋼等。D、按主要用途分 1）結(jié)構(gòu)鋼：建筑及工程用結(jié)構(gòu)鋼，機(jī)械制造用結(jié)構(gòu)鋼。 2）工具鋼 3）特殊性能鋼二、合金結(jié)構(gòu)鋼 1、簡(jiǎn)介： 合金結(jié)構(gòu)鋼（Structural alloy steel）：具有合適的淬透性，經(jīng)適宜的金屬熱處理后，顯微組織為均勻的索氏體、貝氏體或極細(xì)的珠光體，因而具有較高的抗拉強(qiáng)度和屈強(qiáng)比（一般在0.85左右），較高的韌性和疲勞強(qiáng)度，和較低的韌性脆性轉(zhuǎn)變溫度，可用于制造

7、截面尺寸較大的機(jī)器零件。 2、分類：合金結(jié)構(gòu)鋼一般分為調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼和表面硬化結(jié)構(gòu)鋼 調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼 這類鋼的含碳量一般約為0.25%0.55% 表面硬化結(jié)構(gòu)鋼 用以制造表層堅(jiān)硬耐磨而心部柔韌的零部件,如齒輪、軸等。為使零件心部韌性高,鋼中含碳量應(yīng)低，一般在0.120.25%，同時(shí)還有適量的合金元素，以保證適宜的淬透性。3、牌號(hào)：其牌號(hào)通常是以“數(shù)字+元素符號(hào)+數(shù)字”的方法來示。牌號(hào)中起首的兩位數(shù)字表示鋼的平均含碳量的萬分?jǐn)?shù)，元素符號(hào)及其后的數(shù)字表示所含合金元素及其平均含量的百分?jǐn)?shù)。若合金元素含量小于1.5%，則不標(biāo)其含量。高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼在牌號(hào)尾部增加符號(hào)“A”，滾動(dòng)軸承要在牌號(hào)前加”G“表示”滾動(dòng)軸承鋼

8、“，而合金元素含量用千分?jǐn)?shù)表示。統(tǒng)一數(shù)字代號(hào)合金結(jié)構(gòu)鋼(包括舍金彈簧鋼)細(xì)分類AOMn(X)、MnMo(X)系鋼AlSiMn(X)、SiMnMo(X)系鋼A2Cr(X)、CrSi(X)、CrMn(X)、CrV(x)、CrMnSi(X)系鋼A3CrMo(X)、CrMoV(X)系鋼A4CrNi(X)系鋼A5CrNiMo(X)、CrNiW(X)系鋼A6Ni(X)、NiMo(X)、NiCoMo(X)、Mo(X)、MoWV(X)系鋼A7B(X)、MnB(X)、SiMnB(X)系鋼A8(暫空)A9其他合金結(jié)構(gòu)鋼三、合金工具鋼1、簡(jiǎn)介： 合金工具鋼（Alloy tool steel）：在碳素工具鋼基礎(chǔ)上加入

9、鉻、鉬、鎢、釩等合金元素(加入總量一般不超過5%)以提高淬透性、韌性、耐磨性和耐熱性的一類鋼種。它主要用于制造量具、刃具、耐沖擊工具和冷、熱模具及一些特殊用途的工具。較碳素鋼相比合金工具鋼適合制造形狀復(fù)雜、尺寸較大、切削速度較高或工作溫度較高的工具和模具。2、按用途大致可分為刃具鋼、模具鋼和量具鋼。 1)刃具鋼刃具鋼(Cutting tool steel ):刃具在工作條件下產(chǎn)生強(qiáng)烈的磨損并發(fā)熱，還有震動(dòng)和承受一定的沖擊負(fù)荷。刃具用鋼應(yīng)具有高的硬度、耐磨性、紅硬性和良好的韌性。為了保證其具有高的硬度，滿足形成合金碳化物的需要，鋼中碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在0.80%1.45%。鉻是這類鋼的主要合金元素，

10、質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般0.50%1.70%的，有的鋼還含有鎢，以提高切削金屬的性能。這類工具鋼因含有合金元素，因此淬透性比碳素工具鋼好，熱處理產(chǎn)生的變形小，具有高的硬度和耐磨性。常用的鋼類有鉻鋼、硅鉻鋼和鉻鎢錳鋼等。鎢鋼2 2）模具鋼）模具鋼( (Die steel) )： 模具大致可分為冷作模具、熱作模具和塑料模具3類，用于鍛造、沖壓、切型、壓鑄等。由于各種模具用途不同，工作條件復(fù)雜，因此對(duì)模具用鋼，按其所制造模具的工作條件，應(yīng)具有高的硬度、強(qiáng)度、耐磨性，足夠的韌性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工藝性能。由于這類用途不同，工作條件復(fù)雜，因此對(duì)模具用鋼的性能要求也不同。 冷作模具鋼：冷作模具鋼：具有高的

11、硬度、強(qiáng)度、耐磨性、足夠 的韌性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工藝性能。用于這類用途的合金工具用鋼一般屬于高碳合金鋼，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.80%以上。包括冷沖模、拉絲模、拉延模、壓印模、搓絲模、滾絲板、冷鐓模和冷擠壓模等。a.熱作模具鋼：熱作模具鋼：具有高的硬度、強(qiáng)度、紅硬性、耐磨性和韌性外，還應(yīng)具有良好的高溫強(qiáng)度、熱疲勞穩(wěn)定性、導(dǎo)熱性和耐蝕性，此外還要求具有較高的淬透性，以保證整個(gè)截面具有一致的力學(xué)性能。分為錘鍛、模鍛、擠壓和壓鑄幾種主要類型，包括熱鍛模、壓力機(jī)鍛模、沖壓模、熱擠壓模和金屬壓鑄模等。3）、量具用鋼(Stainless steel measuring) 量具應(yīng)具有良好的尺寸穩(wěn)定性、

12、高耐磨性、高硬度和一定的韌性。因此，量具用鋼應(yīng)具有硬度高、組織穩(wěn)定、耐磨性好，以及良好的研磨和加工性能、熱處理變形小、膨脹系數(shù)小和耐蝕性好。這類鋼一般屬于過共析鋼，加入的合金元素有鉻、錳、鎢、鉬等。常用的鋼類有鉻鋼、鉻鎢錳鋼、錳釩鋼等。2 2、合金工具鋼的牌號(hào)、合金工具鋼的牌號(hào) 合金工具鋼的牌號(hào)與合金結(jié)構(gòu)鋼相似，但有不同，其以一位數(shù)字表示平均含碳量的千分?jǐn)?shù)，若含碳量超過%1，則不標(biāo)出，例如Cr12、CrWMn、9SiCr、3Cr2W8V等。例外：高速鋼的含碳量盡管未超過%1，牌號(hào)中也不標(biāo)出。四、特殊性能鋼 1、簡(jiǎn)介： 特殊性能鋼（Special performance steel）具有特殊物理

13、或化學(xué)性能，用來制造除要求具有一定的機(jī)械性能外，還要求具有特殊性能的零件。其種類很多，機(jī)械制造中主要使用不銹耐酸鋼、耐熱鋼、耐磨鋼。不銹耐酸鋼包括不銹鋼與耐酸鋼。能抵抗大氣腐蝕的鋼稱為不銹鋼。而在一些化學(xué)介質(zhì)（如酸類等）中能抵抗腐蝕的鋼稱為耐酸鋼。 2、分類： 包括不銹鋼，耐磨鋼，耐蝕剛，及具有軟磁、永磁、無磁等特殊物理、化學(xué)性能的鋼。a)不銹鋼 不銹鋼（Stainless Steel）：指耐空氣、蒸汽、水等弱腐蝕的鋼。不銹鋼所固有的表面性能使用于多方面的鋼鐵的一種。實(shí)際應(yīng)用中，基本合金元素還有鎳、鉬、鈦、鈮、銅、氮等，以滿足各種用途對(duì)不銹鋼組織和性能的要求。不銹鋼容易被氯離子腐蝕，因?yàn)殂t、鎳

14、、氯是同位元素，同位元素會(huì)進(jìn)行互換同化從而形成不銹鋼的腐蝕。 不銹鋼的牌號(hào)前的數(shù)字表示平均含碳量的千分之幾，合金元素仍以百分?jǐn)?shù)表示。當(dāng)含碳量0.03%及0.08%者，在鋼號(hào)前分別冠以“00”或“0”，例如不銹鋼3Cr13的平均含碳量為0.3%、鉻13% 1）、馬氏體不銹鋼馬氏體不銹鋼(Martensitic stain less stee)： 常用馬氏體不銹鋼含碳量為0.10.45%,含鉻量為1214%，屬鉻不銹鋼。隨著鋼中含碳量的增加，鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性提高，但耐蝕性則下降。為了提高耐蝕性及機(jī)械性能，這類鋼最后熱處理是淬火和回火。它在空氣中可淬硬，但一般仍用油冷。這類鋼多用于機(jī)械性能要求

15、較高，而耐蝕性要求較低的零件。如汽輪機(jī)葉片、各種泵的零件、彈簧、滾動(dòng)軸承及一些醫(yī)療器械。2）、鐵素體不銹鋼(Ferritic stainless steel)常用含碳量低于0.15%, 含鉻量為1230%,也屬于鉻不銹鋼。其塑性、焊接性均較馬氏體鋼好。這類鋼廣泛用于硝酸、氮肥、磷酸等化學(xué)工業(yè)中。3）、奧氏體不銹鋼(Austenitic stainless steel )這是應(yīng)用最廣泛的不銹鋼，屬鎳鉻鋼。b)、耐熱鋼（Heat-resisting steels）： 在高溫下具有較高的強(qiáng)度和良好的化學(xué)穩(wěn)定性的合金鋼。它包括抗氧化鋼（或稱高溫不起皮鋼）和熱強(qiáng)鋼兩類?？寡趸撘话阋筝^好的化學(xué)穩(wěn)定性，

16、但承受的載荷較低。熱強(qiáng)鋼則要求較高的高溫強(qiáng)度和相應(yīng)的抗氧化性。耐熱鋼常用于制造鍋爐、汽輪機(jī)、動(dòng)力機(jī)械、工業(yè)爐和航空、石油化工等工業(yè)部門中在高溫下工作的零部件。這些部件除要求高溫強(qiáng)度和抗高溫氧化腐蝕外，根據(jù)用途不同還要求有足夠的韌性、良好的可加工性和焊接性，以及一定的組織穩(wěn)定性。此外，還發(fā)展出一些新的低鉻鎳抗氧化鋼種。1）、抗氧化鋼（不起皮鋼）(Oxitadion resistant steel): 一般鋼鐵在較高溫度下（560以上）表面容易氧化，主要是由于在高溫下生成松脆多孔的FeO，它較易剝落，最終導(dǎo)致零件破壞。實(shí)際應(yīng)用的抗氧化鋼，大多數(shù)是在鉻鋼、鉻鎳鋼、鉻錳氮鋼基礎(chǔ)上添加硅、鋁制成的。和不

17、銹鋼一樣，含碳量增多，會(huì)降低鋼的抗氧化性。故一般抗氧化鋼為低碳鋼。2）、熱強(qiáng)鋼(Heat resistant steel):金屬在高溫下的強(qiáng)度有兩個(gè)特點(diǎn)：一是溫度升高，金屬原子間結(jié)合力減弱、強(qiáng)度下降；二是在再結(jié)晶溫度以上，即使金屬受的應(yīng)力不超過該溫度下的彈性極限，它也會(huì)緩慢地發(fā)生塑性變形，且變形量隨時(shí)間的增長(zhǎng)而增大，最后導(dǎo)致金屬破壞。這種現(xiàn)象稱為蠕變。產(chǎn)生的原因是：在高溫下金屬原子擴(kuò)散能力增大，使那些在低溫下起強(qiáng)化作用的因素逐漸減弱或消失。 熱強(qiáng)鋼采用的合金元素，如鉻、鎳、鉬、鎢、硅等，除具有提高高溫強(qiáng)度的作用外，還可提高高溫抗氧化性。分類A 珠光體鋼：這類鋼在350-600范圍使用。B 馬氏

18、體鋼：這類鋼在低于620范圍內(nèi)使用。C 奧氏體鋼：這類鋼一般在600-700范圍內(nèi)使用。c）、耐磨鋼（Wear-resistant steel）: 耐磨鋼是指在強(qiáng)烈沖擊載荷作用下才能發(fā)生硬化的高錳鋼。它只有在強(qiáng)烈沖擊與摩擦的作用下，才具有耐磨性，在一般機(jī)器工作條件下，它并不耐磨。主要用于制造坦克、拖拉機(jī)的履帶，挖掘機(jī)鏟斗的斗齒以及防彈鋼板、保險(xiǎn)箱鋼板、鐵路道岔等。由于高錳鋼極易加工硬化，使切削加工困難，故大多數(shù)高錳鋼零件是采用鑄造成型的。d)、耐蝕鋼 耐蝕鋼是不銹鋼的一種，其耐腐蝕程度比不銹鋼更好一些。 耐腐蝕鋼是不銹鋼的一種，他在某些強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中能抵抗侵蝕的鋼。而不銹鋼只是在空氣或弱介質(zhì)中能

19、抵抗侵蝕的鋼。牌號(hào)牌號(hào)化學(xué)成分化學(xué)成分%熱處理熱處理力學(xué)性能力學(xué)性能 CSiMn其它其它淬火淬火/冷冷卻卻介介質(zhì)質(zhì)b / M Pa / (%)K / J.cm-2HBZGMn13-11.001.500.301.0011.014.0 10601100水水63720 229ZGMn13-21.001.400.301.0011.014.0 10601100水水63720147229ZGMn13-30.901.30.300.8011.014.0 10601100水水68625147229ZGMn13-40.9-1.200.300.8011.014.0 10601100水水73535147229ZGMn

20、12-Cr21.001.300.611.014.0Cr1.702.3010601100水水 ZGMn12-Mo21.001.300.400.7511.014.0Mo1.82.110601100水水 作業(yè) 1、下列牌號(hào)各屬于那類剛？試說明牌號(hào)中數(shù)字和符號(hào)的含義。其中哪些牌號(hào)鋼的焊接性好？ 答： 15、40是優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其中15是低碳鋼，40是中碳鋼，15、40表示剛中平均含碳量為萬分之15和萬分之40； Q195是碳素結(jié)構(gòu)鋼、Q345是低合金高強(qiáng)鋼，Q表示屈服點(diǎn)，195、345表示鋼厚度小于16mm時(shí)最低屈服點(diǎn)； CrWMn是合金工具鋼；40Cr、60Si2Mn是合金結(jié)構(gòu)鋼，40、60表示含碳量的萬分?jǐn)?shù)；CrWMn、40Cr、60Si2Mn元素符號(hào)及其后數(shù)字表示所含合金元素及其平均含量的百