1、第六章 合金钢,工业用钢按化学成分分为碳素钢和合金钢两大类。 碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。,合金钢是指为了提高钢的性能， 在碳钢基础上有意加入一定量合 金元素所获得的铁基合金。,合金元素在钢中的方式A. 形成固溶体-对Fe - Fe3C相图的影响1、对奥氏体相区的影响 Mn、Co、 Ni 、 Cu 、 C、N等元素扩大奥氏体相区。 Ti、 V、 Cr、Mo、 W、 Si、Al等元素缩小奥氏体区。,6-1 合金元素在钢中的作用与钢的分类,6-1-1合金元素在钢中的作用,锰对奥氏体相区的影响,铬对奥氏体相区的影响,A、扩大区并与 -Fe无限互溶的Fe-Me相图（Me=Mn、Ni、Co
2、)室温下形成单相A,B、部分扩大区的Fe-Me相图（Me=C、N、Cu),2、对E点和S点位置的影响 所有合金元素均使E点和S点左移，即这两点的含碳量下降，使碳含量比较低的钢出现过共析组织（如4Cr13）或共晶组织（如W18Cr4V）。,使 Acm线左移，扩大奥氏体区元素使A1 、A3线下移；缩小奥氏体元素使A1 、A3线上移。,B. 形成碳化物（1）非碳化物形成元素：Ni,Co,Cu,Si,Al,N,B（2）碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、 V、 Nb、Zr、Ti强（3）强碳化物形成元素：V、Nb、 Zr、 Ti, 对钢中相变过程的影响 1、对奥氏体化的影响 对奥氏体形成速度的影响：除
3、Ni、Co外，都减缓奥氏体化过程。, 对奥氏体晶粒长大倾向的影响： 碳、氮化物形成元素阻碍奥氏体晶粒长大(Ti、V、Nb、AlTiC、VC、NbC、AlN阻碍A长大细化晶粒。) Mn、P、C、N促进长大。,2、对过冷奥氏体转变的影响 对C曲线和淬透性的影响：除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素均使C曲线右移，淬透性提高。 常用提高淬透性的元素为Mn、Mo、Si、Cr、Ni、B。, 对Ms、Mf点的影响 除Co、 Al外，所有元素 使Ms、Mf点下降，钢中 A增多。,3、对回火转变的影响 提高耐回火性：淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称耐回火性。 产生二次硬化 含高W、Mo、Cr、V钢淬火后回火
4、时, 硬度不仅不下降, 反而升高的现象称二次硬化。（沉淀硬化） 防止第二类回火脆性（高温，与P有关） （a）增大第二类回火脆性：Mn、Cr、Ni （b）消除第二类回火脆性：Mo(0.5%)、W(1%),1、固溶强化 (溶于铁素体)Si、Mn对强度、硬度提高显著。 Cr、Ni在适当范围内提高韧性。,合金元素对铁素体冲击韧性影响, 对钢力学性能 的影响,溶质原子晶格畸度与位错相互作用阻碍位错运动强化。,2、第二相强化 (形成碳化物) 合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为：,第二相粒子阻碍位错运动强化。,3. 细晶强化,Nb，V，Al，Ti,晶界阻碍位错运动强化,4. 位错强化,位错增殖并相互作用
5、阻碍位错运动强化,（1）热处理（淬火回火）综合利用四种强化手段a. 淬火：AM 固溶强化：过饱和C和Me， 位错强化：高密度位错 细晶强化：极细小、不同取向的马氏体束b. 回火 第二相强化：析出细小碳化物粒子（2）合金化 固溶强化 提高淬透性 提高回火稳定性 相同强度时，合金钢韧性更高相同温度回火时，合金钢强度硬度更高 二次硬化,钢的强化:,6-1-2 合金钢的分类与编号,常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T 2212000）,合金钢编号 牌号为碳含量+合金元素1+1元素的百分含量数字+合金元素2+2元素的百分含量数字+ 合金元素及其含量标注 当合金元素的平均含量小于1.5
6、0%时，只标元素符号，不标含量。如20CrMnTi 当合金元素的平均含量为1.502.49%、2.50 3.49%、3.504.49%、4.505.49%、时，在相应的合金元素符号后标2、3、4、5 等数字。如20CrNi3。,* 说明： 合金工具钢含铬量小于1%时，含铬量以千分之一为单位标出，并在含铬量前加数字“0”，如Cr06。 滚动轴承钢含铬量也以千分之一为单位标出，并在牌号头部加字母“G”，如GCr15 高级优质合金钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。 特级优质合金钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。, 碳含量标注 合金结构钢 含碳量以万分之一为单位标出(两位数字) 如40C
7、r、60Si2Mn 工具钢和特殊性能钢 含碳量以千分之一为单位标出(一位数字) 如8MnSi、4Cr13,* 说明 低合金工具钢含碳量大于1.00%时，不标含碳量，如CrWMn (1.0%C) 高速钢不标含碳量，如W18Cr4V (含0.75%C) 滚动轴承钢不标含碳量，如GCr15 (1.0%C) 高锰钢不标含碳量，如ZGMn13 (0.751.45%C) 珠光体耐热钢含碳量标注同结构钢，如15CrMo 铸钢在牌号前加“ZG”, 余同结构钢, 如ZG20Cr13, 不锈钢和耐热钢 当含碳量为0.08% - 0.03%时，以“0”表示，如“0Cr18Ni9”（含碳量上限为0.08%） 当含碳量
8、为0.03%-0.01%时(超低碳)，以“03”表示，如“03Cr19Ni10”（含碳量上限为0.03%） 当含碳量0. 01%时(极低碳)，以“01”表示，如“01Cr19Ni11”(含碳量上限为0.01%) *注: 旧牌号:0.08%C时, 标“0”;0.03%C时, 标“00”,钢铁及合金的类型与统一数字代号(GB/T1762561998),一、工程构件用钢对性能的要求,使用性能以强韧性为主。 工艺性能以可焊性、冷变形性为主。 合金结构钢除少量为中高合金钢外，其余都是低合金钢。,6-2 结构钢,6-2-1 工程构件用钢,二、低合金高强度结构钢 1、性能要求: 高强度:s300MN/m2
9、（300-650 MN/m2 ） 高韧性：低温韧性（低温工作）断裂韧性（焊接结构） 良好焊接性能和冷成形性能 较高耐腐蚀性（大气、海洋等环境） 2、成分特点与合金化原则：低C:0.2%主加元素：以Mn、Si为主，Mn和Si固溶强化辅加元素：V,Nb,Ti 等元素细化组织Cu抗腐蚀;少量的稀土元素可改善韧性和工艺性能。,3、热处理：热轧空冷后使用 4、使用状态下组织：F+P细 5、典型钢号及其应用：按s 分5级（295、345、390、420、460 MN/m2 ）: 低强度级别:16Mn一般工程结构中等强度级别:15MnVN大型桥梁,锅炉,船舶,焊接结构. 高强度级别: 18MnMoNb高压锅
10、炉,高压容器,提高强度（达800 MN/m2）：合金化：加入多种合金元素（Cr、Mn、Mo、Ni、Si、B）热处理：淬火高温回火（S回） 保证韧性与焊接性能：超低碳化（0.02-0.04C），控制轧制5微米超细晶粒 发展专用钢,发展趋势 ：,一、调质钢调质后使用的钢种。 1、用途：齿轮、轴、连杆、高强螺栓性能特点：高水平综合机械性能, 能满足多种和较复杂的工作条件 成分特点与合金化原则： 中C：0.3%0.50%，以0.4左右为主加入提高淬透性元素Ni , Si, Cr, Mn, B 加入Mo,W消除回火脆性细化晶粒：Ti、V,6-2-2 机器零件用钢,回火索氏体,2、热处理及组织特点 调质件
11、的加工工艺路线为：下料锻造退火粗加工调质精加工装配 调质目的:获得良好综合力学性能 为提高表面耐磨性，调质后可进行表面淬火或氮化。,使用状态下的组织为：,(表面淬火+低温回火)装配,为表面淬火作组织准备； 获得最终心部组织。,表面： M回；心部：S回,3、常用钢号及用途低淬透性（油淬临界直径20- 40mm）:40Cr,40MnVB一般尺寸重要零件,如齿轮,主轴中淬透性（油淬临界直径40- 60mm）:35CrMo截面尺寸较大零件,如曲轴,连杆. 高淬透性（油淬临界直径60-100mm）:40CrNiMn大截面重载重要零件,如汽轮机主轴、叶轮、航空发动机轴,二、渗碳钢制造渗碳零件的钢种 1、性
12、能要求： 表硬里韧 良好淬透性和渗碳能力。 2、成分特点：低碳(0.10.25%C), 加Cr、Mn、Ni、B等元素 Cr、Mn、Ni、B：提高淬透性 Cr、Mn、Ni ：强化铁素体 W、Mo、Ti、V ：细化晶粒,3、热处理特点 渗碳件的加工工艺路线为：下料锻造正火机加工渗碳淬火（直接淬火、一次淬火，二次淬火） +低温回火 正火目的为调整硬度，便于切削加工。 淬火温度: Ac1+30-50。 4、使用状态下组织 心部：低碳M回+F 表层： 高碳M回+颗粒状合金碳化物+A(少量),（1）直接淬火： 渗碳后，出炉预冷到略高于Ar3后淬火，再低温回火。奥氏体晶粒大，马氏体粗，残余A多，耐磨性低，变
13、形大。只适用于耐磨性要求低和承载低的零件。 （2）一次淬火： 渗碳出炉缓冷后，再加热到淬火温度后淬火+低温回火。心部要求高时AC3以上30-50 表面要求高时AC1以上30-50 （3）二次淬火：第一次，改变心部组织及消除表层网状渗碳体，AC3以上30-50 第二次，细化表面组织 AC1以上30-50得细片M粒状碳化物,渗碳后的热处理：淬火+低温回火（160-180）,5、常用钢号及用途 低淬透性钢：20、20Cr。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。 中淬透性钢：20CrMnTi。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。 高淬透性钢：18Cr2Ni4WA。用于大载荷的耐磨件，如柴油机
14、曲轴。,三、弹簧钢制造弹簧或类似性能零件的钢种。 1、性能要求 (弹簧是储存能量或缓和冲击的零件) 高的s、s/b、-1；足够的韧性 2、成分特点：中高碳 碳素弹簧钢为0.60.9%C；合金弹簧钢为0.450.7%C 合金元素作用： 提高淬透性、强化铁素体：Mn、Si、Cr 提高s/b：Si 细化晶粒,提高回火抗力：V,3、热处理及组织特点 冷成型弹簧：冷拔冷成型定型处理 用于10mm） 使用状态下的组织：T回。,热卷大弹簧,弹簧丝,（1）铅浴等温淬火冷拉弹簧钢丝 钢丝加热到Ac3(Accm)+100200，完全奥氏体化，再在铅浴（480540）中进行等温淬火，得到塑性高的索氏体组织，经冷拔后
15、绕卷成形，再进行消除应力的低温退火（200300）。（2）油淬回火弹簧钢丝 冷拔钢丝退火后，冷绕成弹簧，再进行淬火+中温回火处理，得到回火屈氏体组织。（3）硬拉弹簧钢丝 冷拔至要求尺寸后，利用淬火+回火来进行强化，在冷绕成弹簧，并进行去应力退火，之后不再热处理。,小尺寸的弹簧分为：,板簧喷丸处理示意图,4、弹簧的表面质量 弹簧的表面质量对其寿命影响很大。 提高表面质量的方法： 防止表面脱碳； 避免表面缺陷； 进行喷丸处理，使表面产生压应力。,5、常用钢号及用途以Si,Mn合金化：65Mn, 60Si2Mn用于汽车、拖拉机、机车的板簧和螺旋弹簧以Cr,V,W合金化：耐热的弹簧用50CrVA350
16、400以下重载、较 大型弹簧如阀门弹簧、高速柴 油机气门弹簧.,四、滚动轴承钢制造轴承套和滚动体专用钢种 1、性能要求 (轴承承受接触应力、交变载荷和摩擦) 高而均匀的硬度、耐磨性、b、接触疲劳强度和足够的韧性。 2、成分特点：高碳(0.951.10%C)，主加Cr Cr、Mn、Si：提高淬透性 Cr 还提高耐磨性和耐蚀性,3 、热处理和组织特点 滚动轴承钢是过共析钢。 正火： 消除Cem网 球化退火：便于切削, 使渗碳体细 小均匀,为淬火作准备 淬火： 细针M+细碳化物+A 冷处理（-60-80 ）：(精密零件)尺寸稳定 低温回火： M回 时效： 120140,1020h 去应力,稳定尺寸,
17、4、常用钢号及用途 Cr轴承钢：GCr15中小型轴承；冷冲模,量具,丝锥。 添加Mn,Si,Mo,V的轴承钢：GCr15SiMo,GSiMnMoV制造大型轴承,.,按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢。,6-3 工具钢,一、刃具钢 用来制造各种切削刀具的钢种。,切削加工的基本形式, 性能要求 1、高硬度(HRC60) ，主要取决于含碳量。 2、高耐磨性靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。,3、高热硬性 即高温下保持高硬度的能力。 4、足够的塑性和韧性 以防止脆断和崩刃。, 低合金工具钢（250-300oC） 在碳素工具钢基础上加入少量合金元素(35 %)形成。 1、成分特点： 高碳：0.851.
18、5%C 合金元素作用 提高淬透性: Cr、Mn、Si Si提高回火稳定性 提高耐磨性、细化晶粒: W、V,2、热处理及组织正火球化退火机加工淬火低温回火 使用状态下的组织为： M回+颗粒状碳化物+A（少量） 3、常用钢号及用途 应用最多的是9SiCr。用于制造形状复杂、要求变形小的低速刃具，如丝锥、板牙等。,高速钢铣刀, 高速钢（ 600oC） 制造高速切削刃具用钢。 （俗称锋钢） 1、性能特点：高热硬性(达600)、高淬透性。 2 、成分特点 高碳：0.701.5%C 高合金元素含量 提高淬透性：Cr 提高热硬性、耐磨性：W、Mo、V,W18Cr4V钢的铸态组织,3、加工与热处理 加工工艺路
19、线：下料锻造球化退火机加工淬火回火磨削, 锻造目的：打碎粗大的鱼骨状碳化物，使其均匀分布于基体中。,W18Cr4V钢的退火组织,球化退火目的：降低硬度,便于切加工；为淬火作组织准备。 退火后组织：S+颗粒状碳化物,淬火目的： 获得高合金元素含量的马氏体。,淬火后组织：M+未溶碳化物（10%）+A（ 20%）,W18Cr4V钢的淬火组织,淬火温度高(1200)。, 回火目的：主要为减少A；消除内应力。 常采用560三次回火。,回火时的组织变化： 碳及合金元素含量下降，Ms点上升，回火冷却时，A转变为M。在此温度范围内，由于碳化物从残余奥氏体中析出，称“二次淬火”。,W18Cr4V硬度与回火温度关
20、系,析出W、Mo、V的碳化物，产生二次硬化。特殊碳化物W2C、Mo2C、VC呈细小弥散状从马氏体中析出，这些碳化物很稳定，难以聚集长大，从而提高了钢的硬度，称“弥散强化”。,每次回火加热都使前一次的回火马氏体进行回火。,W18Cr4V钢淬火、回火后的组织,4、使用状态下组织M回+颗粒状合金碳化物+A（少量）,不同状态下W18Cr4V的组织,5、常用钢号及用途 常用钢号为W18Cr4V（18-4-1）和W6Mo5Cr4V2（6-5-4-2）。 用于高速切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀、钻头等。,双头钻,高速钢刀具,汽车冲压模具,二、模具钢 用以制造冷热模具的钢种。 冷作模具钢 制造金属冷成型模具的钢
21、种 1、性能要求 高硬度和耐磨性。 足够的强度和韧性。,Cr12钢,2、常用钢种 Cr12型冷作模具钢 成分特点：高碳(1.42.3%C)；高铬(11.513%Cr) 合金元素作用：Cr 提高淬透性、耐磨性；Mo、V 提高耐磨性，细化晶粒。,汽车外板冷冲模, 加工及热处理：同高速钢相同。 最终热处理为：淬火+低温回火 使用状态下的组织： M回+颗粒状碳化物+A（少量）, 常用钢号 为Cr12和Cr12MoV。 用于制造冷冲模、挤压模等。, 热作模具钢 制造使加热金属或液态金属成型模具的钢种。 1、性能要求 高温下良好的综合力学性能。 抗热疲劳性能。 高的淬透性和良好的导热性。,曲轴模具,2、常
22、用钢种 热锻模钢（0.30.6%C）5CrNiMo、5CrMnMo 前者用于大型热锻模，后者用于中小型热锻模。 成分特点、合金元素作用及热处理同调质钢。 使用状态下的组织：S回。,型板压铸模, 压铸模钢 常用3Cr2W8V。为过共析钢。 中碳（0.30.4%C），合金元素作用同高速钢。 W、Cr有提高抗热疲劳作用。 淬火+回火后组织： M回+颗粒状碳化物+A(少量),汽车四缸压铸模,三、量具钢 制造各种量具用钢。如千分尺、卡尺、块规、塞规等。,1、性能要求 量具在使用过程中与被测零件接触，承受摩擦和冲击。 高硬度和耐磨性。 高的尺寸稳定性。 足够的韧性。,量规,量块,2、量具用钢 低碳钢渗碳、
23、中碳钢表面淬火。 碳素工具钢、低合金工具钢用于尺寸小、形状简单、精度要求不高的量具。 滚动轴承钢、冷作模具钢 用于制造精密量具。 不锈钢 用于制造接触腐蚀介质的量具。,3、量具钢的热处理特点 预备热处理组织为球化退火或调质处理组织。 下限温度淬火及冷处理，目的是减少A。 长时间低温时效，以消除内应力，降低马氏体的正方度。,特殊性能钢是指在特殊工作条件或特殊环境（腐蚀、高温等）下具有特殊物理、化学性能的钢。 本节介绍：,6-4 特殊性能钢,不锈钢带,不锈钢、耐热钢、耐磨钢,一、不锈钢 在腐蚀介质中具有耐蚀性能的钢。 金属的腐蚀 化学腐蚀：金属在非电解质中的腐蚀。 电化学腐蚀：金属在电解质溶液中的
24、腐蚀，是有电流参与作用的腐蚀。,防止电化学腐蚀的措施： 获得均匀的单相组织。 提高合金的电极电位。 使表面形成致密的钝化膜。,不同组织、成分、应力区域之间都可构成微电池。,A、扩大区并与 -Fe无限互溶的Fe-Me相图（Me=Mn、Ni、Co)室温下形成单相A,D、缩小并封闭区，与a-Fe无限互溶的Fe-Me相图, 不锈钢中合金元素的作用 1、低碳：碳高，则降低耐蚀性。 2、Cr：是提高耐蚀性的主要元素 形成稳定致密的Cr2O3氧化膜. Cr含量大于13%时，形成单相铁素体组织。 提高基体电极电位（服从n/8规律）。 3、Ni：获得单相奥氏体组织。 4、Ti、Nb：防止奥氏体不锈钢晶间腐蚀。,
25、 常用不锈钢 1、马氏体不锈钢 主要为Cr13型、Cr18型钢号为1Cr134Cr13 ；9Cr18 随含碳量提高，强度、硬度提高，耐蚀性下降。 1Cr13、2Cr13 热处理：淬火+高温回火 使用状态下的组织：S回,汽轮机叶片,性能：耐大气、蒸汽腐蚀及良好的综合力学性能。 用途：用于要求塑韧性较高的耐蚀件，如汽轮机叶片等。, 3Cr13、 4Cr13、9Cr18 热处理：淬火+低温回火 使用状态下的组织：M回 性能：强度、硬度较高 用途：用于要求耐蚀、耐磨件，医疗器械、量具等。,2、铁素体不锈钢 低C:0.15%；cr 17% 具有较好的塑性，强度不高，对 硝酸、磷酸有较高的耐蚀性。 典型钢
26、号如0Cr13、1Cr17等。 成分：高铬低碳 无相变 不能进行热处理强化。 组织：单相铁素体,钢中相, 性能特点 耐酸蚀，抗氧化能力强，塑性好。但有脆化倾向： 475脆化：加热到450550停留，产生脆化。,再加热到600快冷可消除。 相脆化：在600 800长期加热时，析出硬而脆的相。, 用途 广泛用于硝酸和氮肥工业的耐蚀件。,3、奥氏体不锈钢 主要为18-8（18Cr-8Ni）型。 性能特点：具有良好的耐蚀性，冷热加工性及可焊性。高的塑韧性，无磁性。, 热处理：采用固溶处理。即加热到1100使碳化物溶解后水冷。 组织：单相奥氏体,不锈钢带, 常用钢种 为1Cr18Ni9、1Cr18Ni9
27、Ti。 用途：广泛用于化工设备及管道。,晶间腐蚀是沿晶粒周界发生腐蚀的现象，危害很大。 它是由于Cr23C6析出于晶界，使晶界附近Cr含量降到12%以下，在介质作用下发生强烈腐蚀。,加 Ti、 Nb 则先于Cr与C形成不易溶于奥氏体的碳化物，避免晶界贫Cr。, 应力腐蚀 奥氏体不锈钢易发生应力腐蚀。即在特定合金-环境体系中，应力与腐蚀共同作用引起的破坏。 奥氏体不锈钢易在含Cl的介质中发生应力腐蚀，裂纹为树枝状。,4、奥氏体马氏体沉淀硬化型C: 0.04%0.13% ；cr:15%17% ; Ni: 4%8% 超低碳: 保证高的耐蚀性; Al、Mo、Ti、Nb: 产生沉淀硬化。 热处理方式为:
28、固溶处理（9501050） 奥氏体 冷处理、塑性变形或调整处理（800） 时效处理（500） 析出金属间化合物沉淀强化。,二、耐热钢 性能要求 1、高的抗氧化性： 指钢在高温下对氧化作用的抗力。,2、高的热强性 热强性是指金属在高温下的强度。,提高高温强度的途径： 固溶强化；（高温时奥氏体的强度高于铁素体） 析出强化；（难熔碳化物MC、M6C、M23C6等作强化相） 晶界强化。 （加入B、Zr、稀土等）, 成分特点 低中碳 Cr、Si、Al：提高抗氧化性 Mo：提高热强性(T再) V、Ti：弥散强化 Ni：获得单相A组织, 常用耐热钢 1、珠光体耐热钢 常用15CrMo、12Cr1MoV， 组
29、织: F+P 用途：600以下的锅炉零件，压力容器，热交换器等。,2、马氏体耐热钢 常用1Cr13、 1Cr11MoV、4Cr9Si2。 热处理：调质。 组织： S回。 用途： 1Cr13、1Cr11MoV用于550以下汽轮机叶片。 4Cr9Si2是汽车阀门用钢。,3、奥氏体耐热钢 常用1Cr18Ni9Ti。 热处理：固溶处理（或 固溶+时效处理） 组织：单相A。 用途：工作温度可达750800 主要用于比较重要的零件，如燃 气轮轮盘、叶片、过热器管道等。,三、耐磨钢 是指在冲击载荷作用下发生冲击硬化的高锰钢。 牌号为ZGMn13。 1、成分特点 高碳：0.751.45%C。以保持高耐磨性。 高锰：1114%Mn。以保证形成奥氏体组织。,高锰钢铸件,2、热处理及组织 铸态组织为奥氏体+碳化物，性能硬而脆。 热处理：水韧处理。即将钢加热到1100，使碳化物溶入奥氏体，并进行水淬。 室温组织：过饱和单相奥氏体。,高锰钢铸件,使用时必须伴随着压力和冲击作用。 在压力及冲击作用下，表面奥氏体迅速加工硬化，使表面硬度提高到HB500550，获得高耐磨性。而心部仍为奥氏体组织，具有高耐冲击能力。,3、使用及用途 水韧处理后，韧性高，硬度低（HB180200）。,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。,
