1、工程材料机械制造基础,第6章 合金钢,第6章 合金钢( Alloyed Steel ),合金元素在钢中的作用合金钢的分类与编号合金结构钢合金工具钢特殊性能钢,第一节 合金元素在钢中的作用,一.合金元素对钢的组织和性能的影响,合金元素与铁和碳的作用。,合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。,合金元素对钢的热处理的影响。,一)合金元素与铁和碳的作用,1.溶于基体中形成合金 F 或合金 A 。非碳化物形成元素：Ni、Si、Al、Co弱碳化物形成元素：Mn,2.与碳作用形成合金碳化物(Fe,Cr)3C。中碳化物形成元素：Cr、Mo、W,3.单独形成特殊碳化物 TiC、VC 。强碳化物形成元素：V、Ni、
2、Ti,1.溶于基体中形成合金F或合金A,2.与碳作用形成合金渗碳体,Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr,弱碳化物元素: Fe、Mn。,中强碳化物元素: Cr、Mo、W。,强碳化物元素: V、Ti、Nb、Zr。,3.单独形成特殊碳化物,熔点、硬度、耐磨性最高。,稳定性最高。,TiC、NbC、VC。,二)合金元素对Fe-Fe3C相图的影响,扩大奥氏体区缩小奥氏体区改变共晶点和共析点的参数,1.扩大奥氏体区的合金元素,Mn、Ni、Co等元素。,作用: 使A3线温度下降, A4线温度上升。,2.缩小奥氏体区的合金元素,Cr、Mo、W、V、Ti、Si 等元素。,作用: 使A3线温度上升,
3、A4线温度下降。,3.改变共晶点E和 S点参数的元素,几乎所有的合金元素。,作用: 使S点和E点的成分向左移。,合金元素对 S 点成分的影响,三)合金元素对钢的热处理的影响,加热时对奥氏体形成的影响对过冷奥氏体转变的影响对回火转变的影响,1.合金元素对加热时 奥氏体形成的影响,除Mn 元素外,所有合金元素的加 入,均使奥氏体的形成速度减慢。,强碳化物形成元素能强烈的阻止奥 氏体晶粒长大( Ti、V、Zr、Nb 等)。,非碳化物形成元素能轻微的阻止奥 氏体晶粒长大( Si、Ni、Cu、Co 等)。,2.合金元素对 过冷奥氏体转变的影响,除 Co 元素外, 所有的合金元素均使 钢的 TTT 曲线向
4、右移。,除 Co、Al 元素外, 所有的合金元素 都使马氏体转变温度下降。 Mn最显著,提高钢的淬透性, 常用的元素有: Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。,3.合金元素对回火转变的影响,回火抗力的增加,二次硬化的产生,产生回火脆性,W、Mo、V 等碳化物在550时,使钢达到最高硬度, 产生二次硬化。,Cr-Ni 钢的回火脆性示意图,防止第二类回火脆性的产生的方法:,在500600 快速冷却。,加入合金元素W、Mo。,第二节 合金钢的分类与编号,一、合金钢的分类1 .按合金元素的质量分数（1）低合金钢：WMe 5%（2）中合金钢：5% WMe 10%（3）高合金钢： WMe 10%2.按主要
5、用途（1）结构钢：（2）工具钢（3）特殊性能钢,二、合金钢的牌号,1合金结构钢 碳含量用万分数（两位），合金含量用（百分数）表示，WMe 1.5%不标， WMe 1.5%、2.5%、3.5%时标出2、3、4。如：20Cr3MoWVA,其中C%=0.2%, Cr%=3%, Mo,W,V1.5%. A：表示高级优质2合金工具钢，特殊性能钢 C% 1.0%时，不标注其含量。 C% 1.0%时，用千分数（一位），如：5CrMnMo，C=0.5% 特殊性能钢中当 C% 0.03%或C% 0.08%时，分别用“00”或“0”表示含碳量。 如：00Cr17Ni14Mo2钢,0Cr19Ni9钢,第三节 合金结
6、构钢 ( Alloy Constructional Steel ),普通低合金钢合金渗碳钢 合金调质钢弹簧钢滚动轴承钢,一.低合金结构钢( Low alloyed constructional steel ),1.成分特点与合金化原则 : 碳素结构钢 + 合金元素（ WMe 3%） 低C:0.2% Me以Mn为主、Mn和Si固溶强化，加入V,Nb,Ti 等元素A晶粒长大和细化碳化物而沉淀强化（第二相强化） 加入Cu抗大气腐蚀,2 .性能特点：高强度:s300MPa高韧性良好焊接性能和冷成形性能 3 .热处理特点： 一般供应状态(热轧空冷 )下直接使用,不热处理，焊接结构可进行一次正火,改善焊区
7、性能。使用态组织 ：P细F,典型钢号及其应用,18MnMoNb钢，强度高，用于石化中温高压容器。,压力容器,南京长江大桥,16Mn综合性能好， 用于船舶、桥梁、车辆等大 型钢结构。,15MnVN，强度 高，用于大型桥梁,锅炉,船舶,焊接结构,中等压力的容器。,二. 合金渗碳钢(alloy case-hardened steel ),1.成分特点与合金化原则 :低C: 0.1%0.25%加入提高淬透性元素Cr,Ni,Mn,B加入Mo,W,V,Nb,Ti等阻碍A晶粒长大和形成提高耐磨性,2 .性能特点渗碳层硬度高,耐磨,抗接触疲劳,且有适当塑性,韧性。心部高韧性和足够强度。良好的热处理工艺性能。
8、3 .热处理特点 ：一般渗碳前:正火，改善切削加工性能。渗碳后进行: 淬火低温回火 组织：表层：MA 心部：淬透，低C的M F(少量) 未淬透，T F(少量),4.典型合金渗碳钢种介绍,低淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量3 % 15Cr、20Cr、20Mn2。用 于受力小的耐磨件，如柴 油机的活塞销、凸轮轴等。,中淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在4 %左 右。20 CrMn、20CrMnTi、 20Mn2TiB。用于中等载荷 的耐磨件，如变速箱齿轮。,柴油机凸轮轴,活塞销( 20Cr ),4.典型合金渗碳钢种介绍,高淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在 4 % 6 %。18Cr2Ni4W
9、A、 20Cr2Ni4A等。用于大载荷 的耐磨件，如柴油机曲轴。,柴油机曲轴,20 CrMnTi 钢制造齿轮的 热处理工艺曲线,三. 合金调质钢 (alloy hardened tempered steel ),1.成分特点与合金化原则 ：中C：0.25%0.50%以0.4左右为主加入提高淬透性元素Cr,Ni,Mn,Si,B加入Mo,W消除回火脆性加入强形成元素提高回火稳定性和细化晶粒Ni,Si,Mn可强化,2.性能特点 :既强又韧高水平综合机械性能, 能满足多种和较复杂的工作条件 3.热处理特点:预备热处理：完全退火；最终热处理：一般:油淬+高温回火（调质）；组织：回火S. 有较高耐磨性要求
10、表面淬火; 专门化学热处理(如氮化) (38CrMoAl氮化钢),4.典型合金调质钢种介绍,低淬透性调质钢,钢含合金元素总量3 %。,40Cr、40MnB等。常用于制造中等截面的零件。,中淬透性调质钢,钢含合金元素总量在4 %左右。,38 CrSi、35 CrMo 等。,常用于制造截面尺寸较大零件，齿轮、轴、螺栓等零件。,5.典型合金调质钢种介绍,高淬透性调质钢,钢含合金元素总量在4 % 10 %。,制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的零件等 。38 Cr Mo Al A、40 Cr Mn Mo、25 Cr2 Ni4 W A等。,40Cr钢制造连杆螺栓的 热处理工艺曲线,四. 合金弹簧钢
11、 (alloy spring steel ),1.成分特点与合金化原则 :中高C:0.45%0.70%加入Si,Mn为主要元素:提高淬透性，强化F, 提高屈强比加入Cr,W,V也提高淬透性和回火稳定性。W、Mo防止第二类回火脆性。加入V细化晶粒, 耐冲击,高温强度好,2 .性能特点 ：高e 和s ,高屈强比高疲劳抗力足够塑韧性,能承受震动,冲击有较好淬透性,不易脱C ,易绕卷成形 3.热处理特点 ：热成形法制弹簧：热轧钢丝钢板加热卷弯曲成型淬火+中温回火喷丸冷成形法制弹簧：钢丝冷卷弯曲成型去应力喷丸 （8mm）,4.合金弹簧钢的牌号,以Si,Mn合金化:65Mn, 60Si2Mn用于汽车,拖拉
12、机,机车的板簧和螺旋弹簧,五.滚动轴承钢 ( bearing steel ),1.性能要求:,高的硬度强度和耐磨性;高的接触疲劳强度和弹 性极限;足够的韧性和耐蚀性;,五.滚动轴承钢 ( bearing steel ),2.化学成分特点:,高C:0.95%1.10%Cr为基本元素:提高淬透性;细化;提高耐磨性和接触疲劳抗力;阻碍A晶粒长大；提高回火稳定性和抗蚀性。加入Si,Mn提高淬透性;加入V耐磨性,防止过热纯度要求极高GCr15中含C%1.5%,五.滚动轴承钢 ( bearing steel ),3.热处理特点:,球化退火+ 淬火+ 低温回火,极细回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体,
13、4.滚动轴承钢的牌号,G Cr9 Si Mn,5.铬轴承钢制造轴承的工艺路线,锻造 球化退火 机加工 淬火 + 冷处理 ( 60 80;1h减少 A) 低温回火 磨削加工 稳定化处理 ( 120 130；5 10h消除内应力 ),第四节 合金工具钢 ( Alloy tool steel ),合金刃具钢 ( alloy cutting steel )合金模具钢 ( alloy die steel )合金量具钢( alloy measuring steel ),量 具,刃 具,一.合金刃具钢( alloy cutting steel ),种类 : 低合金刃具钢 ; 高速钢。牌号 :,1.低合金刃具
14、钢,（1）性能要求:,高硬度、高耐磨性、有一定的红硬性、强度和韧性,工作温度不超过300。,（2）化学成分特点:,*高碳（0.75% 1.5%)*加入Cr、Mn、Si、 W、V 等合金元素。,（3）热处理特点:,9 SiCr 钢板牙热处理工艺曲线,板牙,（4）典型钢号及其应用 Si-Cr系:9SiCr如,板牙,丝锥,冷冲模, 木工工具,低速切削刃具Cr系:Cr06如, 铰刀,插刀,剃刀,刀片,刮刀,锉刀等. Cr-W-Mn系:CrWMn 如拉刀,冲模,样板,量规W和Cr-W系:W2,CrW小麻花钻,低速切削刃具,2.高速钢 ( high speed steel ),(1) 性能要求:,高硬度、
15、高耐磨性、高的红硬性(600时,HRC63以上) 、有一定的强度和韧性。,高速钢 - 锋钢、风钢 ; 18 4 1 钢,(2) 化学成分特点:,高碳 0.71.5%:,钨 18%:,钼 5%:,铬 4%:,钒1.5%:,保证高硬度,退火状态下形成M6C碳化物,在560左右回火时, 弥散析出W2C, 造成二次硬化, 提高钢的红硬性。,1%Mo的作用等同于2%W。,形成Cr23C6碳化物;提高钢的淬透性。,形成VC, 硬度极高, 提高钢的硬度和耐磨性, 产生二次硬化。,(3) W18Cr4V钢的生产工艺及 热处理特点,铸造 锻造 退火 机加工 淬火+三次570回火 磨削加工,铸造:高速钢属于莱氏体
16、钢,铸态组织 中含有大量呈鱼骨状分布的粗 大共晶碳化物M6C,钢的韧性大 幅下降。,W18Cr4V钢的热处理过程示意图,淬火 : 1280; 淬火后的组织:M+Cm+A残(2025%),三次570回火,在570回火时 , 产生二次硬化。,三次570回火,*淬火后A残约2025 %。,*第一次回火后A残约剩1518 %。,*第二次回火后A残约剩35 %。,*第三次回火后A残约剩12 %。,回火后的组织: M回 + Cm + A残 ( 1 2 % ),组织硬度为HRC65以上。,三.合金模具钢( alloy die steel ),热作模钢:工作温度为600以上。,冷作模钢:工作温度为200300
17、。,一) 热作模钢 ( hot die steel ),1.性能要求:,高的热硬性、高温耐磨性;高的抗氧化能力;高的热强性和足够高的韧性;高的热疲劳抗力( 防止龟裂 );高的淬透性和导热性;,2.化学成分特点:,中碳 0.30.6 %;合金元素:Cr、Ni、Mn、 Si、Mo、W、V。,曲轴模具,3.热处理特点: *热锻模钢: 5 CrMnMo 热处理工艺: 淬火 + 550回火 热处理后的组织: S回或T回,二) 冷作模钢 ( cold die steel ),1.性能要求:,高的硬度,HRC62;高的耐磨性;足够高的韧性与疲劳抗力;热处理变形小;,2.化学成分特点:,高碳 12 %;合金元
18、素:Cr, Mo、W、V。,汽车冲压模具,3.热处理特点: *一次硬化法: 淬火 + 低温回火 ( 9501000 ) ( 150180 ) *二次硬化法: 淬火 + 三次回火 ( 11001000 ) ( 510520 ),热处理后的组织: M回 + Cm + A残,牌号: Cr12、Cr12MoV,四.合金量具钢 ( alloy measuring steel ),1.性能要求:,高的硬度, HRC62;高的耐磨性;高的尺寸稳定性;足够高的心部韧性;热处理变形小; 尺寸稳定;良好的耐蚀性;,3.热处理特点:,4.热处理后的组织: M回 + Cm,5.牌号: CrWMn、4Cr13、GCr1
19、5、 9SiCr、T12A、60等。,2.化学成分特点:,高碳 0.91.5 %;合金元素:Cr, Mn、W。,CrWMn钢制造块规退火后的 热处理工艺,第四节 特殊性能钢 ( special performance steel ),不锈钢 ( stainless steel )耐热钢 ( heat resistant steel )耐磨钢 ( wear resistant steel ),一.不锈钢 ( stainless steel ),1.定义: 在腐蚀介质中具有很高的抗腐 蚀能力的钢。,2.概念:*在空气中的年腐蚀量为0.01mm 以内的钢, 称为在空气中使用的 不锈钢。 *在强酸、强
20、碱介质中的年腐蚀 量为0.1mm以内的钢,称为在强 酸、强碱介质中使用的不锈钢。,3.金属腐蚀的机理,金属腐蚀的种类:,1)化学腐蚀: 金属与介质 ( 干燥气体和 非电解质溶液 ) 发生化学 反应而产生的腐蚀。 例如:高温氧化、脱碳等。,2)电化学腐蚀:金属与介质 ( 电解质溶 液,即酸、碱、盐溶液 ) 发生电化学反应而产生 的腐蚀。,电化学腐蚀过程示意图,珠光体电化学腐蚀示意图,4.金属的防腐措施:,1)覆盖层保护: 涂漆、电镀、发蓝、磷 化等工艺。,2)形成氧化层: 加入合金元素Cr、Al、 Si 等,形成Cr2O3、SiO2、 Al2O3等氧化膜。,3)提高金属的电极电位: 加入合金元素
21、 Cr、Ni、Si等,提高金属 基体的电极电位。,4)使钢在室温下呈单相组织:加入合金元素 Mn、Ni、Co等能扩大 区,可在室温获得奥氏体钢。加入合金元素 Cr、Mo、W、V、Ti、 Si 等能扩大区,可在室温获得铁素体 钢。,5)减少与消除钢中的各种不均匀现象: 偏析、应力、组织等。,5.化学成分特点: * 低碳:耐蚀性要求愈高,碳含量愈低。 * 合金元素:主加Cr。 辅加Ni、Mo、Cu、Ti、 Nb、Mn 等。,6.常用的不锈钢: *马氏体型不锈钢 *铁素体型不锈钢 *奥氏体型不锈钢,1)马氏体型不锈钢 - Cr13型钢 Martensitic stainless steel,化学成分
22、特点: Wc = 0.1 0.4 % WCr = 13 %,热处理特点:正火后的组织是马氏体。,牌号: 1Cr134Cr13,用途: 医疗器械,医用镊子,2)铁素体型不锈钢 ( Ferritic stainless steel ),化学成分特点: Wc = 0.1 %左右 WCr = 17 %,热处理特点: 不能进行热处理强化。,牌号: 1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等。,用途:化工设备中要求耐蚀性高、塑 性好、强度低的容器、管道等。,铁素体型不锈钢的用途,硝酸生产装置,合成氨生产装置,3)奥氏体型不锈钢-18 8型钢 ( Austenitic stainless steel ),化学
23、成分特点: Wc = 0.08 0.14 % WCr = 1719 % WNi = 811 % Cu、Ti、Mo等。,加工特点:不能进行热处理强化,只能 冷塑性变形强化。,热处理特点:固溶处理;稳定化处理; 消除应力退火。,牌号: 0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、 0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti。,用途: 化工容器、管道等。,二.耐热钢 ( heat-resisting steel ),1.定义:在高温下具有抗氧化性和高温 强度的特殊钢。,2.性能要求,抗氧化性 ( 热稳定性 ),高温强度( 热强性 ),蠕变强度,持久强度,3.提高钢的抗氧化性的途径: 加入合金元素Cr、Si、
24、Al等,在 钢的表面形成稳定、致密的氧化膜。,4.提高钢的耐热性的途径: 1)固溶强化:加入W、Mo、 Nb、Ti、 V等元素强化基体;提高再结晶温度。 2)弥散强化:加入Nb、V、Ti等元素形 成碳化物,在晶内弥散析出,阻碍位错 的滑移,提高塑变抗力。,3)晶界强化:加入Mo、V、B、Zr 等元 素,形成粗晶,减少晶界,使晶界强化。,5.钢种及 用途,抗氧化钢 ( 不起皮钢 ) :奥氏体型钢1Cr18Ni9Ti等,工作温度 850。,热强钢,珠光体型 16Mo，工作温度 600。,马氏体型1Cr13，工作温度 600。,奥氏体型18-8型，工作温度 850。,耐 热 钢 的 用 途,三.耐磨
25、钢( wear-resistant steel ),1.定义:在强烈冲击载荷作用下发生冲击 形变硬化的高锰钢。,三.耐磨钢( wear-resistant steel ),2.性能要求:高硬度、耐磨性、韧性。,3.化学成分特点:,高碳 Wc = 11.5 %高锰 WMn = 1114 %,4.热处理特点:,水韧处理。,5.室温组织:过饱和单相奥氏体。,水韧处理的工艺特征,铸态组织高锰钢,A,A,表层MHB500,心部AHB220,A + Cm,5.牌号,ZG Mn13 - 1,高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件。如拖拉机的履带板、球磨机的衬板、破碎机的牙板、挖掘机的铲齿和铁路的道岔等。,
