机械专业工程材料学6终2009

1、第六章第六章 合金钢合金钢重要的金属材料重要的金属材料:n碳素钢碳素钢:价格低、易加工、可热处理、可塑变。价格低、易加工、可热处理、可塑变。n合金钢合金钢：为了改善钢的性能，在碳钢的基础上：为了改善钢的性能，在碳钢的基础上特意地加入一种或几种合金元素所形成的钢。特意地加入一种或几种合金元素所形成的钢。它具有较好机械性能（如强度、塑性、淬透性、它具有较好机械性能（如强度、塑性、淬透性、冲击韧性等）和特殊性能（耐磨性、耐腐蚀性、冲击韧性等）和特殊性能（耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性、电磁性等），但价格高。耐高温性、电磁性等），但价格高。一、合金元素的存在形式一、合金元素的存在形式1. 非碳化物形成元素

2、非碳化物形成元素:不能和碳化合的元素称为非碳化物形成元素，不能和碳化合的元素称为非碳化物形成元素， 如如Ni、Si、Co、Al、Cu等，它们只能溶于铁素体形成合等，它们只能溶于铁素体形成合金铁素体。金铁素体。n2. 碳化物形成元素碳化物形成元素（次（次d电子层不满）电子层不满）n 凡能与碳化合的元素叫做碳化物形成元素凡能与碳化合的元素叫做碳化物形成元素.n按照碳化物形成元素所形成的碳化物的稳定按照碳化物形成元素所形成的碳化物的稳定程度由程度由强强弱弱的排列顺序为：的排列顺序为：Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe；n强碳化物形成元素：强碳化物形成元素：Ti、Zr、Nb、Vn中强碳化

3、物形成元素：中强碳化物形成元素：W、Mo、Crn弱碳化物形成元素：弱碳化物形成元素：Mn、Fe； 碳化物形成元素在周期表中都是碳化物形成元素在周期表中都是位于位于铁元素的左边的过渡族金属元素铁元素的左边的过渡族金属元素, ,它们都有它们都有一个未填满的一个未填满的d d电子亚层电子亚层, ,当当形成碳化物时形成碳化物时, ,碳原子首先将其价电子碳原子首先将其价电子填入金属原子未填满的填入金属原子未填满的d d电子亚层电子亚层, ,使使形成的碳化物具有形成的碳化物具有金属键金属键结合的性质结合的性质, ,金属原子的金属原子的d d电子亚层愈不满电子亚层愈不满( (周期表周期表中中, ,在铁左边离

4、铁愈远在铁左边离铁愈远),),则其则其与碳的亲与碳的亲和力愈强和力愈强, ,形成碳化物的能力愈大形成碳化物的能力愈大, ,愈愈稳定稳定, ,而且不易分解。而且不易分解。二、合金元素的主要作用（一）合金元素对钢中基本相的影响溶于碳钢中原有的相中；形成新类型的特殊碳化物1.溶于基体中形成合金溶于基体中形成合金 F 或合金或合金 渗碳体渗碳体 。2.与碳作用形成合金碳化物。与碳作用形成合金碳化物。3.单独形成特殊碳化物单独形成特殊碳化物 。非碳化物形成元素几乎都溶解在铁素体中非碳化物形成元素几乎都溶解在铁素体中 合金铁素体。合金铁素体。碳化物形成元素中：碳化物形成元素中：与碳亲和力与碳亲和力较弱较弱

5、的元素可部分溶于渗碳体中的元素可部分溶于渗碳体中 合金渗碳体，合金渗碳体，大部分仍溶于铁素体中大部分仍溶于铁素体中。与碳亲和力与碳亲和力较强较强的一些元素含量小时，的一些元素含量小时， 合金渗碳合金渗碳体体，如，如: (Fe、Cr)3C、(Fe、Mo)3C、 (Fe、W)3C 含量多时，含量多时， 新的特殊的合金碳化物；新的特殊的合金碳化物； Cr7C3、MoC、WC、与碳亲和力与碳亲和力很强很强的元素的元素 特殊的碳化物如特殊的碳化物如NbC、TiC、ZrC等，等， 合金元素合金元素溶入铁素体溶入铁素体以固溶体的溶质形式存在：以固溶体的溶质形式存在：l主要是非碳化物形成元素主要是非碳化物形成

6、元素Si、Co、Al、Cu等以等以此种形式存在；此种形式存在；l产生产生固溶强化固溶强化作用；作用；如图所示；如图所示； Ni、Cr特殊，特殊，含量少时，铁素体韧性升高；含量少时，铁素体韧性升高；含量多时，铁素体韧性下降含量多时，铁素体韧性下降合金元素溶入渗碳体中合金元素溶入渗碳体中置换置换Fe3C中的中的Fe原子原子 合金渗碳体；合金渗碳体；(Cr、W、Mo、V、Nb);硬度增，提高耐磨性，加热时难硬度增，提高耐磨性，加热时难溶于奥氏体溶于奥氏体单独形成特殊碳化物单独形成特殊碳化物 合金元素与碳化合合金元素与碳化合 特殊碳化物，特殊碳化物，结构简单、结构简单、熔点高、硬度高、稳定性高熔点高、

7、硬度高、稳定性高，当以细小的质点，当以细小的质点分布在固溶体基体上时，可以起到弥散强化作分布在固溶体基体上时，可以起到弥散强化作用。用。 NbC、TiC、VC（二）合金元素对（二）合金元素对Fe-C相图的影响相图的影响扩大或缩小扩大或缩小A区区 改变共晶点和共析点的参数改变共晶点和共析点的参数1. 奥氏体相区的变化奥氏体相区的变化扩大或缩小扩大或缩小A区区 如，室温下，如，室温下，1Cr18Ni 9 为单相为单相A，1Cr17Ti 为单相为单相F使共析转变点使共析转变点S左移左移 钢中钢中P%，强度增加，强度增加 。使共晶转变点使共晶转变点E 左移左移 钢中出现钢中出现Le Mn、 Ni、 C

8、o、C、N、Cu均使均使S、E点向下、向左移、点向下、向左移、A3、A1 （点）线向下移，（点）线向下移，A4点上升，故可点上升，故可扩大扩大奥氏奥氏体相区；体相区；如如P125图图7-4所示所示； Cr、 Mo、 W、V、Ti、Si使使S、E点向上、向左移，点向上、向左移，A3、A1点点 （线）上升，（线）上升，A4点下降，故可点下降，故可缩小缩小奥氏体奥氏体相区；如相区；如P125图图7-4所示；所示；3.2总结：总结：n当含当含MnMn、NiNi较高的钢，因扩大奥氏体相区有可能将较高的钢，因扩大奥氏体相区有可能将A A3 3降至室温降至室温以下，此时钢在室温下保持奥氏体组织，叫做奥氏体钢

9、；以下，此时钢在室温下保持奥氏体组织，叫做奥氏体钢；例如：例如：Mn13(Mn13(耐磨钢耐磨钢) )、1Cr18Ni91Cr18Ni9（不锈钢）；如（不锈钢）；如P122P122图图7-17-1；n当含当含CrCr较高的钢，因缩小奥氏体相区有可能在室温下只有铁素较高的钢，因缩小奥氏体相区有可能在室温下只有铁素体存在而成为铁素体钢；体存在而成为铁素体钢；例如：例如：Cr17Cr17（铁素体型不锈钢）；如（铁素体型不锈钢）；如P122P122图图7-27-2；n由于所有的合金元素均使由于所有的合金元素均使S S点左移，这就意味着钢中的含碳量点左移，这就意味着钢中的含碳量不足不足0.77%0.77

10、%时，钢就变为过共析钢而析出时，钢就变为过共析钢而析出FeFe3 3C C；例如：例如：4Cr134Cr13（马氏体型不锈钢）就是过共析钢；（马氏体型不锈钢）就是过共析钢；n合金元素的存在将改变钢的共析温度，扩大奥合金元素的存在将改变钢的共析温度，扩大奥氏体相区的合金元素将使氏体相区的合金元素将使A1下降，缩小奥氏体下降，缩小奥氏体相区的合金元素将使相区的合金元素将使A1上升；如图上升；如图7-5所示；所示；n大多数合金元素均使大多数合金元素均使E点左移，这就意味着当点左移，这就意味着当钢中的含碳量小于钢中的含碳量小于2.11%时就会出现共晶莱氏时就会出现共晶莱氏体；体；例如：例如：W18Cr

11、4V的铸态组织中已出现了莱氏体的铸态组织中已出现了莱氏体；合金元素对合金元素对 S 点成分的影响点成分的影响（三）合金元素对热处理过程的影响（三）合金元素对热处理过程的影响1.1.合金元素对加热时合金元素对加热时奥氏体形成奥氏体形成过程的影响过程的影响 大多数合金元素（除少数大多数合金元素（除少数NiNi、CoCo，主要是碳化物形，主要是碳化物形成元素）会成元素）会减慢奥氏体的形成过程减慢奥氏体的形成过程。 所有合金元素（除所有合金元素（除MnMn、P P、C C、N N外）均阻碍奥氏外）均阻碍奥氏体晶粒的长大体晶粒的长大，获得晶粒细小的奥氏体组织，但作用获得晶粒细小的奥氏体组织，但作用的强弱

12、不同，强碳化物形成元素的作用大。的强弱不同，强碳化物形成元素的作用大。 强碳化物形成元素强碳化物形成元素能强烈的阻止奥氏体晶粒长大能强烈的阻止奥氏体晶粒长大( Ti( Ti、V V、ZrZr、NbNb 等等) )。 非碳化物形成元素非碳化物形成元素能轻微的阻止奥氏体晶粒长大能轻微的阻止奥氏体晶粒长大( Si( Si、NiNi、CuCu、Co Co 等等) )。 因此，一般合金钢的热处理加热温度较碳因此，一般合金钢的热处理加热温度较碳钢的高，但晶粒细小，尤其是存在强碳化物形成元素钢的高，但晶粒细小，尤其是存在强碳化物形成元素的合金钢。的合金钢。 2. 合金元素对合金元素对过冷奥氏体转变过程过冷奥

13、氏体转变过程的影响：的影响：n除除Co以外，大多数合金元素的加入（溶入奥以外，大多数合金元素的加入（溶入奥氏体中）均氏体中）均使使C曲线右移曲线右移，提高过冷奥氏体的，提高过冷奥氏体的稳定性，稳定性， Vk从而提高了钢的淬透性；从而提高了钢的淬透性；n一些碳化物形成元素还使一些碳化物形成元素还使C曲线的形状发生改曲线的形状发生改变，变，如图如图7-6所示所示；n除除Co，Al外，所有的合金元素都使外，所有的合金元素都使 Ms、Mf 点下降，淬火后残余点下降，淬火后残余A量量, 硬度硬度n提高钢的淬透性。最常采用的是：提高钢的淬透性。最常采用的是：Cr，Mn，Si，Ni，B合金元素对珠光体转变的

14、影响合金元素对珠光体转变的影响 除了除了Co、Al外均外均推迟推迟奥氏体向奥氏体向珠光体的转变。珠光体的转变。合金元素溶入奥氏体中，就或多或少合金元素溶入奥氏体中，就或多或少地推迟珠光体转变，提高淬透性。多地推迟珠光体转变，提高淬透性。多种元素的共同作用比单一元素的作用种元素的共同作用比单一元素的作用大的多。大的多。合金元素对马氏体转变的影响合金元素对马氏体转变的影响 除除Co、Al以外，溶入奥氏体中以外，溶入奥氏体中的合金元素均使的合金元素均使Ms点点下降，碳的作用下降，碳的作用最大，其次是最大，其次是Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。多种元素共存时，作用更大。多种元素共存时，作用更大。3、

15、合金元素对、合金元素对回火转变回火转变的影响：的影响：1. 提高钢的回火稳定性：提高钢的回火稳定性：回火稳定性：表示钢对于回火时发生软化过程的抵抗能回火稳定性：表示钢对于回火时发生软化过程的抵抗能力；力；M 分解、碳化物长大、残余分解、碳化物长大、残余A转变、转变、F再结晶被推迟到再结晶被推迟到较高的温度才发生。较高的温度才发生。 回火温度相同时，合金钢中析出的碳化物更细小，其回火温度相同时，合金钢中析出的碳化物更细小，其强度更高。强度更高。 合金钢在相同的回火温度下比含碳量相同的碳钢具有更合金钢在相同的回火温度下比含碳量相同的碳钢具有更高硬度，高硬度，回火稳定性越高的钢，在较高温度下的强度或

16、硬度也回火稳定性越高的钢，在较高温度下的强度或硬度也越高越高如图如图7-7所示所示；在达到相同强度条件下，回火稳定性高的钢，可在更在达到相同强度条件下，回火稳定性高的钢，可在更高温度下回火。高温度下回火。-合金钢综合力学性能比碳钢好。合金钢综合力学性能比碳钢好。n提高钢的回火稳定性作用较强的合金元素有：提高钢的回火稳定性作用较强的合金元素有：V，Si，Mo，W，Cr，Ni，Mn,Co（2）二次硬化和二次淬火二次硬化和二次淬火当钢中含当钢中含Cr、W、Mo、V、Ti等超过一定量时，回火等超过一定量时，回火后的硬度随回火温度的升高不是单调的降低，而是在后的硬度随回火温度的升高不是单调的降低，而是在

17、某一温度范围回火后某一温度范围回火后硬度硬度反而增加，并反而增加，并在在一定温度一定温度（500600）达到峰值）达到峰值。如图如图7-7C)所示；所示；n二次硬化二次硬化：在一定回火温度下硬度出现峰值的现象。：在一定回火温度下硬度出现峰值的现象。n回火温度较高时析出细小、高硬度的合金碳化物，如回火温度较高时析出细小、高硬度的合金碳化物，如MoMo2C C，使硬度反而提高。（韧性也大大，使硬度反而提高。（韧性也大大 ）n二次淬火二次淬火n500600回火时析出合金碳化物回火时析出合金碳化物残余残余A中中Me% Ms、Mf ，随后冷却时残余，随后冷却时残余A M硬度升高硬度升高二次淬火：二次淬火

18、：在高合金钢中回火冷却时残余奥氏体转变在高合金钢中回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体，而导致硬度升高的现象为马氏体，而导致硬度升高的现象。n（3）对回火脆性的影响对回火脆性的影响：n回火脆性：淬火钢在回火时的冲击韧性并不是随回火温回火脆性：淬火钢在回火时的冲击韧性并不是随回火温度的升高单调的增大，有些钢在一定温度范围内回火时，度的升高单调的增大，有些钢在一定温度范围内回火时，其冲击韧性显著下降，这种现象叫做钢的回火脆性；其冲击韧性显著下降，这种现象叫做钢的回火脆性；如如图图7-8所示；所示；n第一类回火脆性：钢在第一类回火脆性：钢在250400 温度范围内出现的温度范围内出现的回火脆性叫做第一类

19、回火脆性，也叫低温回火脆性；回火脆性叫做第一类回火脆性，也叫低温回火脆性；n第一类回火脆性产生的原因与防止方法第一类回火脆性产生的原因与防止方法:避免在此温度避免在此温度范围内回火，或加入一些合金元素，如：；范围内回火，或加入一些合金元素，如：；n第二类回火脆性：钢在第二类回火脆性：钢在500650 范围内回范围内回火时出现的回火脆性叫做第二类回火脆性，火时出现的回火脆性叫做第二类回火脆性，也叫高温回火脆性；也叫高温回火脆性；n第二类回火脆性产生的原因与防止方法：第二类回火脆性产生的原因与防止方法：防止方法：防止方法：1.回火后快冷回火后快冷可避免，重新加热后快冷可消除可避免，重新加热后快冷可

20、消除之，故此类回脆又叫做可逆回火脆性；之，故此类回脆又叫做可逆回火脆性；2.加入适量的加入适量的W、Mo；（当钢中含有；（当钢中含有Cr、Ni、Mn、Si、P等元素时，高温回火的脆性增大，等元素时，高温回火的脆性增大，在含有在含有Cr时，还有时，还有Ni和和Mn则回火脆性更则回火脆性更大）。大）。三、合金钢的分类与编号三、合金钢的分类与编号1、钢的分类、钢的分类按用途分类按用途分类（1）合金结构钢：低合金结构钢、渗碳钢、调质钢、弹）合金结构钢：低合金结构钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、易切削钢等；簧钢、轴承钢、易切削钢等；（2）合金工具钢：）合金工具钢： 刃具钢、模具钢、量具钢。刃具钢、模

21、具钢、量具钢。（3）特殊钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。）特殊钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。2.合金钢的编号：合金钢的编号：合金钢编号的一般形式：合金钢编号的一般形式：字母字母+数字数字+化学元素符号化学元素符号+数字数字+字母字母G-滚滚 Y-易易含碳量含碳量合金结构钢合金结构钢 两位数字（含碳量两位数字（含碳量万分之几万分之几）例如：例如：20MnVBA、36Mn2Si、40CrNiMo等。等。n滚动轴承钢滚动轴承钢滚或滚或G+Cr+数字（数字（Cr含量的含量的千分之几千分之几）,例如：例如：GCr15合金工具钢合金工具钢一位数字一位数字 含碳量含碳量1.0%时不标，时不标，1.

22、0%时用时用千分之几千分之几表示表示,例如例如CrMn、9Mn2V等。高速钢中不标含碳量，等。高速钢中不标含碳量，如如W18Cr4v，W6Mo5Cr4V2等。等。主要合金元素种类主要合金元素种类和名义百分含量和名义百分含量1.5%略略 1.52.5%标标2 2.53.5%标标3钢的冶金质量A-高级优质钢 E-特级优质钢合金钢的合金钢的分类（分类（按用途分类）按用途分类） 合金结构钢合金结构钢 低合金结构钢、渗低合金结构钢、渗C钢钢 、调质钢、调质钢 、弹簧钢、弹簧钢 、轴承钢等。、轴承钢等。合金工具钢合金工具钢 刃具刃具 、模具、量具钢。、模具、量具钢。 特殊性能钢特殊性能钢 不锈钢、耐热钢、

23、耐磨钢。不锈钢、耐热钢、耐磨钢。合金钢的编号合金钢的编号 结构钢结构钢 如如 60Si2Mn ，w(C)=0.6% ， w(Si)=2% ，w(Mn)1.5% 工具钢、特殊性能钢工具钢、特殊性能钢 如如 9SiCr ，w(C)=0.9% ，w(Si)、w(Cr) 均均1.5%而而 CrWMn 中，中，w(C)1.0% 专用钢专用钢 如，滚动轴承钢如，滚动轴承钢 GCr15， w(C)=1.0% ， w(Cr)=1.5% 高级优质钢高级优质钢 如，如，20Cr2Ni4A合金钢的编号：合金钢的编号：合金结构钢合金结构钢数字（含碳量数字（含碳量万分之几万分之几）+元素（化学元素符号）元素（化学元素符

24、号）+数字（合金元素的数字（合金元素的百分之几百分之几）。）。例如：例如：20MnVBA、36Mn2Si、40CrNiMo等。等。n滚动轴承钢滚动轴承钢滚或滚或G+Cr+数字（数字（Cr含量的含量的千分之几千分之几）,例如：例如：GCr15合金工具钢合金工具钢含碳量含碳量+元素元素+数字，含碳量数字，含碳量1.0%时不标，时不标，1.0%时时用用千分之几千分之几表示表示,例如例如CrMn、9Mn2V等。高速钢中不等。高速钢中不标含碳量，如标含碳量，如W18Cr4v，W6Mo5Cr4V2等。等。特殊性能钢：特殊性能钢：不锈钢与耐热钢不锈钢与耐热钢数字数字+元素元素+数字数字 第一个数字表示含碳量

25、的第一个数字表示含碳量的千分之几千分之几, 第二个第二个数字表示合金元素的数字表示合金元素的百分之几百分之几。起重要作用的。起重要作用的微量元素也要标出。微量元素也要标出。例如：例如：9Cr18，00Cr18Ni10（ 平均含碳量平均含碳量 0.03%)，0Cr18(平均含碳量平均含碳量 0.08%) 等。等。特殊性能钢：特殊性能钢：不锈钢与耐热钢不锈钢与耐热钢数字数字+元素元素+数字数字 第一个数字表示含碳量的第一个数字表示含碳量的千分之几千分之几, 第二个第二个数字表示合金元素的数字表示合金元素的百分之几百分之几。起重要作用的。起重要作用的微量元素也要标出。微量元素也要标出。例如：例如：9

26、Cr18，00Cr18Ni10（ 平均含碳量平均含碳量 0.03%)，0Cr18(平均含碳量平均含碳量 0.08%) 等。等。第二节合金结构钢第二节合金结构钢n合金结构钢：在工业上凡是用于制造各种机器零件和合金结构钢：在工业上凡是用于制造各种机器零件和用于建筑工程结构的钢叫做合金结构钢；用于建筑工程结构的钢叫做合金结构钢；1、低合金结构钢：、低合金结构钢：(一）性能一）性能：高强度，高强度，显著高于相同含碳量的普通碳钢，显著高于相同含碳量的普通碳钢，故又称为低合金高强钢（可以显著的降低构件的重量，故又称为低合金高强钢（可以显著的降低构件的重量，节约钢材），节约钢材）， 高的塑性、韧性高的塑性、

27、韧性 良好的焊接性与冷成型性能、良好的焊接性与冷成型性能、 良好的耐蚀性，良好的耐蚀性，故具有良好的综合机械性能，特别是具有较高的屈服极故具有良好的综合机械性能，特别是具有较高的屈服极限；限； 学习思路：学习思路：用途 工作条件 性能要求 成分特点 热处理特点 典型钢种应用2. 合金元素合金元素n含合金量小于含合金量小于3%，主加主加Mn，1.8%以内以内(Cr、Ni)固溶强化固溶强化 n辅加辅加Ti、V、Nb、Mo、B 细化晶粒，弥细化晶粒，弥散强化散强化，n强化铁素体，细化铁素体晶粒，使强度、韧性强化铁素体，细化铁素体晶粒，使强度、韧性改善改善;细化珠光体晶粒，同时在钢中形成微细细化珠光体

28、晶粒，同时在钢中形成微细的碳化物，起到弥散强化的作用，从而提高钢的碳化物，起到弥散强化的作用，从而提高钢的强度及韧性；的强度及韧性；n 少量少量Cu、P等等； Cu、P：提高钢对大气的抗蚀能力；：提高钢对大气的抗蚀能力；（二）成分及作用（二）成分及作用1.碳含量：含碳量一般小于碳含量：含碳量一般小于0.2%，保证好的韧性、焊接性，保证好的韧性、焊接性和冷成形性，和冷成形性，1低合金结构钢低合金结构钢钢号钢号旧钢号旧钢号主主 要要 化化 学学 成成 分分，% %机械性能机械性能CMnSi，s ，MPab ，MPa5 ，%Q29509MnNb12Mn0.160.801.500.5529557023

29、Q34516Mn16MnRe0.180.201.001.600.553456302122Q39016MnNb15MnTi0.201.001.600.553906501920Q42014MnVTiRe15MnVN0.201.001.700.554206801819Q46014MnMoV18MnMoNb0.201.001.700.5546072017常用低合金结构钢的牌号、成分、性能常用低合金结构钢的牌号、成分、性能（厚度（厚度(直径直径)16mm，AKV 34J）2.牌号牌号: Q 345345 MPa屈服强度屈服强度（三）常用低合金结构钢及其组织形态（三）常用低合金结构钢及其组织形态通常在热轧

30、状态或退火、正火状态下使用通常在热轧状态或退火、正火状态下使用组织：铁素体组织：铁素体+珠光体珠光体不需最终热处理 Q460钢含钢含Mo、B，强度高，强度高，用于石化中用于石化中温温 高压容器高压容器。压力容压力容器器南京长江大南京长江大桥桥 Q345钢钢(16Mn)综合性能好，综合性能好， 用于船舶、桥梁、车辆等大用于船舶、桥梁、车辆等大 型钢结构。型钢结构。 Q390钢含钢含V、Ti、Nb，强度强度 高，高，用于中等压力的容器。用于中等压力的容器。万吨远洋轮万吨远洋轮应用：工程结构 桥梁，船舶，车辆外壳、支架、压力容器高压容器高压容器二、渗碳钢二、渗碳钢用途用途：受冲击和强烈磨损、摩擦的零

31、件（各类齿轮、凸轮） （一）（一） 性能要求性能要求表硬心韧性能 心部韧性高、强度大。心部韧性高、强度大。 渗层硬度高，耐磨，抗接触疲劳；渗层硬度高，耐磨，抗接触疲劳； 合金渗碳钢应具有良好的工艺性能，特别是热处理合金渗碳钢应具有良好的工艺性能，特别是热处理工艺性能工艺性能，在渗碳温度（900950）下，奥氏体晶粒不易明显长大，并且有良好的淬透性。成分成分 低碳钢低碳钢 0.10.25%C, 韧性好。韧性好。合金元素合金元素-提高淬透性、耐磨性提高淬透性、耐磨性, 细化晶粒。细化晶粒。 主加元素：主加元素：Cr,Ni,Mn,B 淬透性（心部得淬透性（心部得M板条）板条） 辅加元素：辅加元素：W

32、,Mo,V,Ti 细化晶粒（细化晶粒（VC,TiC,耐磨性耐磨性） 渗渗C钢钢的牌号（摘自的牌号（摘自GB/T3077-1999）（渗渗C C: 930，回火：，回火：200 ）p172主主 要要 化化 学学 成成 分分, %预备处理预备处理淬火淬火, CMnCr，Ni0.170.240.170.240.500.801.301.600.701.00 880 800水水, 油油880水水, 油油0.170.230.170.230.901.200.801.100.901.201.001.30 850 油油880 870 油油钢号钢号20Cr20MnV20CrMn20CrMnTi淬淬透透性性低低中中

33、高高18Cr2Ni4WA20Cr2Ni4A0.130.190.170.23W0.81.20.300.601.351.654.04.51.251.653.253.75950 850空空 880 780油油机械性能机械性能bMPasMPa8357855405909301080735835118011808351080aKU2J475547557863二、渗碳钢二、渗碳钢热处理热处理渗碳后缓冷组织：渗碳后缓冷组织：表面：过共析组织表面：过共析组织 P+Fe3C心部：亚共析组织心部：亚共析组织 F+P渗碳渗碳 淬火淬火 低温回火的组织：低温回火的组织：表层表层回火回火M +碳化物碳化物+ A心部心部低

34、低C的回火的回火M（+S + F） 渗碳渗碳 淬火淬火 低温回火低温回火渗碳（加热至渗碳（加热至900-950900-950 ，渗碳，渗碳6-8h6-8h）淬火淬火预冷直接淬火，一次淬火，二次淬火预冷直接淬火，一次淬火，二次淬火低温回火低温回火180-200180-200，保温，保温1-2h 1-2h 4.合金渗碳钢的牌号合金渗碳钢的牌号20 Mn2 Ti A等级等级:高级优质高级优质含钛量含钛量WTi1.5 %含锰量含锰量WMn 2 %含碳量含碳量WC 20 %00典型合金渗碳钢种介绍典型合金渗碳钢种介绍 低淬透性合金渗碳钢低淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量钢含合金元素总量3 % 15Cr

35、、20Cr、 15Mn2 20Mn2。 淬透性小，心部强度低，强韧性淬透性小，心部强度低，强韧性 配合差配合差 用于受力小的耐磨件，如柴用于受力小的耐磨件，如柴 油机的活塞销、油机的活塞销、小轴（小轴（凸轮轴）凸轮轴）、等。等。小齿轮（机床齿轮）。小齿轮（机床齿轮）。中淬透性合金渗碳钢中淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在钢含合金元素总量在4 %左右。左右。20 CrMnMo、20CrMnTi、 20MnVB。 淬透性和力学性能均较高淬透性和力学性能均较高 用于中等载荷用于中等载荷 的耐磨件，的耐磨件，如如汽车变速齿轮汽车变速齿轮。柴油机凸轮轴柴油机凸轮轴活塞销活塞销( 20Cr )典型合金渗

36、碳钢种介绍典型合金渗碳钢种介绍高淬透性合金渗碳钢高淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在钢含合金元素总量在 4 % 6 %。18Cr2Ni4W、 20Cr2Ni4A等。等。 淬透性大，心部强度高，强度与韧性淬透性大，心部强度高，强度与韧性 配合很好配合很好 用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴、用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴、连杆。连杆。 。 飞机齿轮 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钢制造齿轮的热处理工艺曲线1、用途：受冲击和强烈磨损、摩擦的零件（各类齿轮、凸轮）2、性能：表面高的硬度、耐磨性 心部强而韧3、成分：0.10.25%C 低碳钢 主加元素：Cr,N

37、i,Mn,B 淬透性（心部得M板条） 辅加元素：W,Mo,V,Ti 细化晶粒（VC,TiC,耐磨性），4、最终热处理：渗碳 + 淬火 + 低温回火 组织：表层：高碳回火M + Fe3C或碳化物 + 残A 心部：淬透：低碳回火M 未淬透：F+S5、常用钢号：20, 20Cr, 20CrMnTi, 18Cr2Ni4W 淬透性： 低 中 高 适用： 机床齿轮 汽车变速齿轮 飞机齿轮渗碳钢小结渗碳钢小结 三、调质钢三、调质钢经过淬火和高温回火（调质处理）处理后的结构经过淬火和高温回火（调质处理）处理后的结构钢叫做调质钢；钢叫做调质钢；（一）性能要求：（一）性能要求：用途：受复合应力的重要结构件（齿轮、

38、连杆、机床主用途：受复合应力的重要结构件（齿轮、连杆、机床主轴）轴）许多机器设备上的重要零件，如：机床主轴、汽许多机器设备上的重要零件，如：机床主轴、汽车拖拉机的后桥半轮、柴油发动机舱轴、连杆、车拖拉机的后桥半轮、柴油发动机舱轴、连杆、高强度螺栓等，在多种应力负荷下工作的，受力高强度螺栓等，在多种应力负荷下工作的，受力情况比较复杂。情况比较复杂。 要求具有比较全面的机械性能要求具有比较全面的机械性能很高的强度，很高的强度，良好的塑性和韧性，即良好的塑性和韧性，即良好的综合机械性能。良好的综合机械性能。 （二）成分和作用（二）成分和作用1.碳含量碳含量：025050中碳钢中碳钢含碳量过低，不易淬

39、硬，钢的强度较低含碳量过低，不易淬硬，钢的强度较低含碳量过高，钢的塑、韧性较差；含碳量过高，钢的塑、韧性较差；碳素调质钢：碳素调质钢：40、45、50；合金调质钢：合金调质钢：25Cr2Ni4WA、30CrMnSi2.合金元素合金元素 主加元素：主加元素： Ni、Cr、 Mn、 Si 强化铁素体强化铁素体基体基体，提高韧性提高韧性淬透性，淬透性， 辅加元素：辅加元素：W,Mo,V,Ti 细化晶粒细化晶粒, 回火稳定性回火稳定性 加入防止第二类回火脆性的元素加入防止第二类回火脆性的元素 调质钢的回大温度正好处于第二类回调质钢的回大温度正好处于第二类回火脆性温度范围内，钢中含有火脆性温度范围内，钢

40、中含有Mn、Cr、Ni、B元素时，会增大回火脆性的敏感性，除回火元素时，会增大回火脆性的敏感性，除回火快速冷却外，可加入抑制回火脆性的元素快速冷却外，可加入抑制回火脆性的元素Mo和和W。加入细化奥氏体晶粒的元素加入细化奥氏体晶粒的元素 回火索氏体中的铁素体晶粒越细小，则钢回火索氏体中的铁素体晶粒越细小，则钢的强韧性越好，为了细化铁索体晶粒，首先的强韧性越好，为了细化铁索体晶粒，首先必须先细化奥氏体晶粒，常用的元素有必须先细化奥氏体晶粒，常用的元素有W、Mo、V、Ti等。等。（三）调质钢的热处理特点（三）调质钢的热处理特点预备：正火预备：正火S改善组织，消除锻造应力，便于切改善组织，消除锻造应力

41、，便于切削加工削加工 最终：调质最终：调质回火回火S获得良好的综合机械性能获得良好的综合机械性能表面要求高硬度表面要求高硬度,耐磨耐磨,-1，表面淬火表面淬火+ 低温回火（回低温回火（回火火M） 1. 预备热处理预备热处理 正火或退火处理正火或退火处理 热加工后，预备热处理可以热加工后，预备热处理可以降低硬度，便降低硬度，便于切削加工于切削加工，消除热加工时的组织缺陷（如带状，消除热加工时的组织缺陷（如带状组织）、组织）、细化晶粒、改善组织细化晶粒、改善组织，为最终热处理做为最终热处理做好准备。好准备。最终热处理最终热处理 最终热处理是最终热处理是淬火加高温回火。淬火加高温回火。淬火：淬火：淬

42、火温度：加热到淬火温度：加热到850左右，左右，AC3以上以上3050;淬火介质：合金钢的淬透性比较高，可以采用较淬火介质：合金钢的淬透性比较高，可以采用较慢的冷却速度淬火，一般都用慢的冷却速度淬火，一般都用油淬，油淬，以避免出现以避免出现热处理缺陷；热处理缺陷；高温回火：一般为高温回火：一般为500650。l某些零件除了要求有良好的综合机械性能外，某些零件除了要求有良好的综合机械性能外，还要求工件（局部）表面有较高的耐磨性，这时还要求工件（局部）表面有较高的耐磨性，这时零件经调质处理后，还应对零件（局部）表面进零件经调质处理后，还应对零件（局部）表面进行感应加热淬火，最后低温回火，表层硬度可

43、达行感应加热淬火，最后低温回火，表层硬度可达HRC5658。l调质处理后获得调质处理后获得回火索氏体回火索氏体具有良好的综合机械性能的原因，调质处理后的具有良好的综合机械性能的原因，调质处理后的组织为组织为回火索氏体回火索氏体，这种组织状态有以下几个特，这种组织状态有以下几个特点：点： （1）在铁素体基体上均匀分布的粒状碳化物在铁素体基体上均匀分布的粒状碳化物起起弥散强化作用，溶于铁素体中的合金元素起固溶弥散强化作用，溶于铁素体中的合金元素起固溶强化作用，从而保证钢有较高的屈服强度和疲劳强化作用，从而保证钢有较高的屈服强度和疲劳强度。强度。（2）组织均匀性好，减少了裂纹在局部薄弱地）组织均匀性

44、好，减少了裂纹在局部薄弱地区形成的可能性，可以保证有良好的塑性和韧性。区形成的可能性，可以保证有良好的塑性和韧性。（3）作为基体组织的铁素体是从淬火马氏）作为基体组织的铁素体是从淬火马氏体转变而成的，晶粒细小，使钢的冷脆倾向性大体转变而成的，晶粒细小，使钢的冷脆倾向性大大减小。大减小。（四）常用的调质钢（四）常用的调质钢 1.低淬透性调质钢低淬透性调质钢 40Cr 在机械制造中应用十分广泛，在机械制造中应用十分广泛，淬透性小，用于要求不高的零件，淬透性小，用于要求不高的零件，40C r钢有较高的机械钢有较高的机械性能和工艺性能，应用广泛，性能和工艺性能，应用广泛，2.中淬透性调质钢中淬透性调质

45、钢 含有较多合金元素，因而淬透性较高，含有较多合金元素，因而淬透性较高，可用于制造截面尺寸较大的中型、大型零件，如大截面曲可用于制造截面尺寸较大的中型、大型零件，如大截面曲轴、拖拉机上的连杆加钼防第二类回火脆性轴、拖拉机上的连杆加钼防第二类回火脆性40MnMoB3.高淬透性调质钢高淬透性调质钢 多半是多半是Ni-Cr钢，并含钼，少数钢不钢，并含钼，少数钢不含钼。用于制造大截面、重载荷的重要零件。如大型轴和含钼。用于制造大截面、重载荷的重要零件。如大型轴和齿轮等齿轮等40CrNiMo应用应用 40Cr，一般尺寸重要零件，一般尺寸重要零件，如齿轮、主轴。如齿轮、主轴。 35CrMo，较大截面零件，

46、较大截面零件，如曲轴、连杆。如曲轴、连杆。 40CrNiMo，大截面重载，大截面重载零件，如汽轮机主轴和叶轮。零件，如汽轮机主轴和叶轮。汽车曲轴汽车曲轴40Cr钢制作拖拉机连杆螺栓为例说明其热处理工艺方法的选钢制作拖拉机连杆螺栓为例说明其热处理工艺方法的选定和工艺路线的安排定和工艺路线的安排连杆螺栓是发动机中的一个重要的连接零件，在工作时，它连杆螺栓是发动机中的一个重要的连接零件，在工作时，它承受冲击性的周期变化的拉应力和装配时的预应力，在发动承受冲击性的周期变化的拉应力和装配时的预应力，在发动机运转中，连杆螺栓如果破断，就会引起事故。因此，要求机运转中，连杆螺栓如果破断，就会引起事故。因此，

47、要求它应具有足够的它应具有足够的强度、冲击韧性和抗疲劳能力强度、冲击韧性和抗疲劳能力。为了满足上。为了满足上述综合机械性能的要求，确定选用述综合机械性能的要求，确定选用40Cr钢制作连杆螺栓。连钢制作连杆螺栓。连杆螺栓生产工艺路线如下：杆螺栓生产工艺路线如下：下料下料锻造锻造退火（或正火）退火（或正火） 机加工机加工调质调质机加工机加工装装配配退火（或正火）是为了改善切削加工，并为随后调质处理做退火（或正火）是为了改善切削加工，并为随后调质处理做好组织准备。调质工艺如图，经好组织准备。调质工艺如图，经840加热油冷后得马氏体组加热油冷后得马氏体组织，织，540 回火后，回火后，其组织为回火索氏

48、体。其组织为回火索氏体。调质钢小结调质钢小结1、用途：受复合应力的重要结构件（齿轮、连杆、机床主轴）2、性能：良好的综合机械性能3、成分：0.30.5%C 中碳钢 主加元素：Cr,Ni,Mn,Si 淬透性，强化基体 辅加元素：W,Mo,V,Ti 细化晶粒, 回火稳定性4、热处理：预备：正火S改善组织，消除锻造应力，便于切削加工 最终：调质回火S获得良好的综合机械性能表面要求高硬度,耐磨,-1，表面淬火+ 低温回火（回火M）5、常用钢号：45，40Cr，40CrMnMo四、弹簧钢四、弹簧钢定义：弹簧钢是指用于制造各种弹簧的钢种。定义：弹簧钢是指用于制造各种弹簧的钢种。（一）弹簧钢的性能特点：（一

49、）弹簧钢的性能特点：高的高的e 、 s 、b 、-1 ，一定的塑韧性，一定的塑韧性 弹簧的作用弹簧的作用：通过弹性变形所储存的能量缓和机械：通过弹性变形所储存的能量缓和机械所承受的震动和冲击。所承受的震动和冲击。（1）高的弹性极限或屈服极限和高的屈强比高的弹性极限或屈服极限和高的屈强比，以，以保证弹簧有足够高的弹性变形能力，并能承受大的保证弹簧有足够高的弹性变形能力，并能承受大的载荷。载荷。（2）高的疲劳极限高的疲劳极限，以保证弹簧在长期的振动和，以保证弹簧在长期的振动和交变应力作用下不产生疲劳破坏。交变应力作用下不产生疲劳破坏。（3）为了满足成形的需要和可能承受的冲击载荷，）为了满足成形的需

50、要和可能承受的冲击载荷，弹簧钢应具有弹簧钢应具有一定的塑性和韧性一定的塑性和韧性。 此外，一些在高温及易蚀条件下工作的弹簧，还此外，一些在高温及易蚀条件下工作的弹簧，还应具有良好的耐热性和抗蚀性应具有良好的耐热性和抗蚀性。（二）弹簧钢的化学成分及作用（二）弹簧钢的化学成分及作用1.1.碳含量碳含量中、高碳中、高碳提高弹性极限和屈服极限。碳素弹簧钢的提高弹性极限和屈服极限。碳素弹簧钢的含碳量含碳量=0.60=0.600.900.90，合金弹簧钢，合金弹簧钢0.450.450.700.70。 2.2.合金元素合金元素加入加入SiSi、MnMn Si Si和和MnMn是常用合金元素，是常用合金元素，

51、淬透性淬透性；强化铁强化铁素体素体（固溶强化）（固溶强化）, , 回火稳定性回火稳定性，相同回火温度下，相同回火温度下具有较高的硬度和强度，其中具有较高的硬度和强度，其中SiSi的作用最大。含硅量的作用最大。含硅量高时易石墨化，加热时易脱碳，高时易石墨化，加热时易脱碳，MnMn增大钢的过热倾向。增大钢的过热倾向。加入加入CrCr、V V、W W 克服克服SiSiMnMn钢的缺点，钢的缺点，防止过热和脱碳，防止过热和脱碳，提高淬透提高淬透性（主要是性（主要是CrCr），）， V V、W W可以可以细化晶粒，细化晶粒，保证钢在高保证钢在高温下仍具有较高的弹性极限和屈服极限。温下仍具有较高的弹性极限

52、和屈服极限。保证保证e （三）弹簧钢的热处理（三）弹簧钢的热处理 弹簧的加工处理方法有两种类型：热成形弹簧和弹簧的加工处理方法有两种类型：热成形弹簧和冷成形弹簧冷成形弹簧1.热成形弹簧：热成形弹簧：尺寸大，尺寸大，60Si2Mn 现以汽车板簧为例，其热成形制造弹簧的工现以汽车板簧为例，其热成形制造弹簧的工艺路线大致如下：艺路线大致如下： 扁钢剪断扁钢剪断加热压弯成形加热压弯成形淬火淬火+中温回火中温回火喷丸喷丸装配装配 组织为回火托氏体：组织为回火托氏体：用用T表示（表示（F+粒状碳化物）粒状碳化物）HRC4348； 淬火温度：淬火温度：AC3以上以上3050, 在淬火加热时，防在淬火加热时，

53、防止氧化和脱碳，应采用快速加热（盐炉或带有保护止氧化和脱碳，应采用快速加热（盐炉或带有保护性气氛的炉），淬火后尽量快回火，以防延迟断裂。性气氛的炉），淬火后尽量快回火，以防延迟断裂。对于含对于含Si弹簧钢来说，回火温度一般为弹簧钢来说，回火温度一般为400450oC。（四）常用的弹簧钢：（四）常用的弹簧钢： 如表如表7-6 碳素弹簧钢碳素弹簧钢65钢钢用于制造小截面（直径用于制造小截面（直径1215mm）弹簧，缺点是淬透性差）弹簧，缺点是淬透性差. 合金弹簧钢一般以合金弹簧钢一般以SiMn钢为基本类型，钢为基本类型，65Mn钢的价格低廉，淬透性优于碳素弹簧钢，可钢的价格低廉，淬透性优于碳素弹簧

54、钢，可以制造尺寸为以制造尺寸为815mm的小型弹簧，如各种小尺的小型弹簧，如各种小尺寸的扁簧和座垫弹簧、弹簧发条等。寸的扁簧和座垫弹簧、弹簧发条等。小尺寸的沙发小尺寸的沙发弹簧弹簧 60Si2Mn钢钢中由于同时加入了中由于同时加入了Si和和Mn，制，制造厚度为造厚度为1012mm的板簧和直径为的板簧和直径为2530mm的的螺旋弹簧，油冷即可淬透，性能优于螺旋弹簧，油冷即可淬透，性能优于65Mn，制造，制造汽车、拖拉机等的减震板簧和螺旋弹簧；汽车、拖拉机等的减震板簧和螺旋弹簧；大尺寸的大尺寸的汽车板簧汽车板簧 2.冷成型弹簧（尺寸小，65Mn）：冷拉钢丝 冷绕成型 去应力退火（200300）弹簧

55、钢小结弹簧钢小结1、用途：弹性元件2、性能：高的e 、b 、-1 ，一定的塑韧性3、成分： 0.450.7%C （碳钢0.60.9%C）保证e 主加元素：Mn, Si, Cr 淬透性，强化基体, 回火稳定性 辅加元素：Mo, W, V 防脱碳，细化,e ，4、热处理：热成型弹簧（尺寸大，60Si2Mn）：加热成型淬火+中温回火喷丸（回火T ）3850HRc冷成型弹簧（尺寸小，65Mn）：冷拉钢丝 冷绕成型 去内应力退火（200300）5、常用钢号：65，65Mn， 小尺寸的沙发弹簧 60Si2Mn 大尺寸的汽车板簧 汽车板簧汽车板簧火车螺旋弹簧火车螺旋弹簧五、滚动轴承钢五、滚动轴承钢用途：滚动

56、轴承元件，冷冲模，量具用途：滚动轴承元件，冷冲模，量具 （滚珠、滚柱、轴承套）（滚珠、滚柱、轴承套） （一）滚动轴承的工作条件及对性能的要求（一）滚动轴承的工作条件及对性能的要求 制造滚动轴承套圈和滚动体钢制造滚动轴承套圈和滚动体钢。还用于制造各类。还用于制造各类工具和耐磨零件。主要有以下几个方面：工具和耐磨零件。主要有以下几个方面：（1）很高的强度与）很高的强度与硬硬度：点接触或线接触下工作，承度：点接触或线接触下工作，承受极大的压应力，可达受极大的压应力，可达1500000MNmm2。高的抗。高的抗压屈服强度和硬度，一般硬度应在压屈服强度和硬度，一般硬度应在HRC6264之间。之间。（2）

57、很高的）很高的接触疲劳强度接触疲劳强度-1 。高速运转，应力变变。高速运转，应力变变次数每分钟可达数万次甚至更高，易接触疲劳破坏，如次数每分钟可达数万次甚至更高，易接触疲劳破坏，如产生麻点剥落等。产生麻点剥落等。（3）很高的）很高的耐磨耐磨性：有滚动摩擦且有滑动摩擦，因此性：有滚动摩擦且有滑动摩擦，因此要有很高的耐磨性。要有很高的耐磨性。 还应有还应有一定的韧性一定的韧性，抗腐蚀性、尺寸稳定性等。，抗腐蚀性、尺寸稳定性等。（二）轴承钢的成分及作用（二）轴承钢的成分及作用1. 碳含量碳含量高碳高碳0.951.15%C 硬、耐磨硬、耐磨 含碳量含碳量0.951.15，保证有高的硬，保证有高的硬度及

58、耐磨性。决定钢硬度的主要是马氏体的含度及耐磨性。决定钢硬度的主要是马氏体的含碳量，碳还形成一部分高硬度的碳化物，提高碳量，碳还形成一部分高硬度的碳化物，提高钢的硬度和耐磨性。钢的硬度和耐磨性。2.主加元素：主加元素：Cr 淬透性，硬，耐磨淬透性，硬，耐磨 Cr为主要合金化元素，为主要合金化元素，Cr提高淬透性，提高淬透性，形成合金渗碳体，细小均匀，提高耐磨性和接形成合金渗碳体，细小均匀，提高耐磨性和接触疲劳强度。提高耐蚀性。含量不能太多，如触疲劳强度。提高耐蚀性。含量不能太多，如果果1.65，增加残余奥氏体，降低硬度及尺，增加残余奥氏体，降低硬度及尺寸稳定性寸稳定性,还增加碳化物的不均匀性，降

59、低钢的还增加碳化物的不均匀性，降低钢的韧性和疲劳强度。在韧性和疲劳强度。在165以下。以下。 3.其它合金元素其它合金元素Si、 Mn、Mo、V 制造大型轴制造大型轴承时，加入承时，加入Si和和Mn以提高钢的淬透性。以提高钢的淬透性。 高的冶金质量高的冶金质量 接触疲劳性能对非金属夹杂物有要求。危接触疲劳性能对非金属夹杂物有要求。危害最大的是氧化物，其次为硫化物和硅酸盐，必害最大的是氧化物，其次为硫化物和硅酸盐，必须严格控制须严格控制S、P；S002，P0027。常用的滚动轴承钢常用的滚动轴承钢GCr9、GCr15（三）轴承钢的热处理（三）轴承钢的热处理 预备：球化退火预备：球化退火球状球状P

60、（180270HBS），改善切削），改善切削加工性加工性最终：淬火最终：淬火+低温回火低温回火回火回火M+细碳化物细碳化物+残残A1.球化退火球化退火：目的：降低硬度：目的：降低硬度：GCr15钢的硬度降至钢的硬度降至(179207HB)，以利于切削加，以利于切削加; 获得均匀分布的细粒状获得均匀分布的细粒状珠光体，为最终热处理作珠光体，为最终热处理作组织准备。组织准备。GCr15钢球化退火温度：钢球化退火温度：780810oC，保温时，保温时间为间为26 h，然后以，然后以1030oCh的速度冷却至的速度冷却至600oCC出炉空冷。冷速应严格控制。出炉空冷。冷速应严格控制。2.淬火淬火工艺：