金属学第九章_合金钢

1、第九章合金钢概述 合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、镍、合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。其中钒、钛、铌、锆等在钢硼、稀土等。其中钒、钛、铌、锆等在钢中是强碳化物形成元素，只要有足够的碳，中是强碳化物形成元素，只要有足够的碳，在适当条件下，就能形成各自的碳化物，在适当条件下，就能形成各自的碳化物，当缺碳或在高温条件下，则以原子状态进当缺碳或在高温条件下，则以原子状态进入固溶体中；锰、铬、钨、钼为碳化物形入固溶体中；锰、铬、钨、钼为碳化物形成元素，其中一部分以原子状态进入固溶成元素，其中一部分以原子状态进入固

2、溶体中，另一部分形成置换式合金渗碳体；体中，另一部分形成置换式合金渗碳体；铝、铜、镍、钴、硅等是不形成碳化物元铝、铜、镍、钴、硅等是不形成碳化物元素，一般以原子状态存在于固溶体中。素，一般以原子状态存在于固溶体中。第一节 合金元素在钢中的作用 在钢中加入合金元素后，钢的基本组元铁在钢中加入合金元素后，钢的基本组元铁和碳与加入的合金元素会发生交互作用。和碳与加入的合金元素会发生交互作用。钢的合金化目的是希望利用合金元素与铁、钢的合金化目的是希望利用合金元素与铁、碳的相互作用和对铁碳相图及对钢的热处碳的相互作用和对铁碳相图及对钢的热处理的影响来改善钢的组织和性能。理的影响来改善钢的组织和性能。 合

3、金元素加入钢中后，主要以三种形式存合金元素加入钢中后，主要以三种形式存在钢中。即：与铁形成固溶体；与碳形成在钢中。即：与铁形成固溶体；与碳形成碳化物；在高合金钢中还可能形成金属间碳化物；在高合金钢中还可能形成金属间化合物。化合物。 一、一、 合金元素与铁、碳的相互作用合金元素与铁、碳的相互作用 合金元素加入钢中后，主要以三种形合金元素加入钢中后，主要以三种形式存在钢中。即：与铁形成固溶体；与碳式存在钢中。即：与铁形成固溶体；与碳形成碳化物；在高合金钢中还可能形成金形成碳化物；在高合金钢中还可能形成金属间化合物。属间化合物。 1. 溶于铁中溶于铁中 几乎所有的合金元素（除几乎所有的合金元素（除P

4、b外）都可溶入外）都可溶入铁中铁中, 形成合金铁素体或合金奥氏体形成合金铁素体或合金奥氏体, 按其按其对对-Fe或或-Fe的作用的作用, 可将合金元素分为扩可将合金元素分为扩大奥氏体相区和缩小奥氏体相区两大类。大奥氏体相区和缩小奥氏体相区两大类。 缩小缩小相区元素相区元素亦称铁素体稳定化元素亦称铁素体稳定化元素, 主要有主要有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等。它们使等。它们使A3点上升点上升, A4点下降点下降(铬铬除外除外, 铬含量小于铬含量小于7%时时, A3点下降点下降; 大于大于7%后后,A3点迅速上升点迅速上升), 从而缩小从而缩小相区存在的相区存在的范围范围,

5、 使铁素体稳定区域扩大。按其作用不使铁素体稳定区域扩大。按其作用不同可分为完全封闭同可分为完全封闭相区的元素相区的元素(如如Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si等等)和部分缩小和部分缩小相区的相区的元素元素(如如B、Nb、Zr等等)。 2. 形成碳化物形成碳化物 合金元素按其与钢中碳的亲和力的大小合金元素按其与钢中碳的亲和力的大小, 可可分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。 常见非碳化物形成元素有：常见非碳化物形成元素有：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。它们基本上都溶于铁素体和奥等。它们基本上都溶于铁素体和奥氏体中。常见碳化物形成元素

6、有：氏体中。常见碳化物形成元素有：Mn、Cr、W、V、Nb、Zr、Ti等等(按形成的碳化物的稳定性程度按形成的碳化物的稳定性程度由弱到强的次序排列由弱到强的次序排列)，它们在钢中一部分固溶于，它们在钢中一部分固溶于基体相中，一部分形成合金渗碳体基体相中，一部分形成合金渗碳体, 含量高时可含量高时可形成新的合金碳化合物。形成新的合金碳化合物。 第一节第一节 合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的作用 钢钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲击性降低，当碳量性和冲击性降低，当碳量0.23%超过时，钢的焊超过时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结

7、构钢，含接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。敏感性。 时效处理：钢材经过冷加工后，在常温下存放时效处理：钢材经过冷加工后，在常温下存放15-20天，或加热至天，或加热至100-200度并保持度并保持2小时左右小时左右 时效敏感性：因时效作用导致钢材性能改变的程时效敏感性：因时效作用导致钢材性能改变的程度。一般，钢材的机械强度提高，而塑性和韧性度。一般，钢材的

8、机械强度提高，而塑性和韧性降低。降低。 二、二、 合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图的影响相图的影响 1. 对奥氏体和铁素体存在范围的影响对奥氏体和铁素体存在范围的影响 扩大或缩小扩大或缩小相区的元素均同样扩大或相区的元素均同样扩大或缩小缩小Fe-Fe3C相图中的相图中的相区相区, 且同样且同样Ni或或Mn的含量较多时的含量较多时, 可使钢在室温下得到单可使钢在室温下得到单相奥氏体组织相奥氏体组织 (如如1Cr18Ni9奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢和和ZGMn13高锰钢等高锰钢等)， 而而Cr、Ti、Si等超等超过一定含量时过一定含量时, 可使钢在室温获得单相铁素可使钢在室温获得单相铁素体组织

9、体组织 (如如1Cr17Ti高铬铁素体不锈钢等高铬铁素体不锈钢等)。 2. 对对Fe-Fe3C相图临界点相图临界点(S和和E点点)的影响的影响 扩大扩大相区的元素使相区的元素使Fe-Fe3C相图中的相图中的共析转变温度下降共析转变温度下降, 缩小缩小相区的元素则使相区的元素则使其上升其上升, 并都使共析反应在一个温度范围内并都使共析反应在一个温度范围内进行。几乎所有的合金元素都使共析点进行。几乎所有的合金元素都使共析点(S)和共晶点和共晶点(E)的碳含量降低，即的碳含量降低，即S点和点和E点左点左移移, 强碳化物形成元素的作用尤为强烈。强碳化物形成元素的作用尤为强烈。 三、三、 合金元素对钢热

10、处理的影响合金元素对钢热处理的影响 合金元素的加入会影响钢在热处理过程中的组织合金元素的加入会影响钢在热处理过程中的组织转变。转变。 1. 合金元素对加热时相转变的影响合金元素对加热时相转变的影响 合金元素影响加热时奥氏体形成的速度和奥氏体合金元素影响加热时奥氏体形成的速度和奥氏体晶粒的大小。晶粒的大小。 (1)对奥氏体形成速度的影响：对奥氏体形成速度的影响： Cr、Mo、W、V等强碳化物形成元素与碳的亲合力大等强碳化物形成元素与碳的亲合力大, 形成难溶形成难溶于奥氏体的合金碳化物于奥氏体的合金碳化物, 显著减慢奥氏体形成速显著减慢奥氏体形成速度；度；Co、Ni等部分非碳化物形成元素等部分非碳

11、化物形成元素, 因增大碳因增大碳的扩散速度的扩散速度, 使奥氏体的形成速度加快；使奥氏体的形成速度加快；Al、Si、Mn等合金元素对奥氏体形成速度影响不大。等合金元素对奥氏体形成速度影响不大。 (2)对奥氏体晶粒大小的影响：大多数合金对奥氏体晶粒大小的影响：大多数合金元素都有阻止奥氏体晶粒长大的作用元素都有阻止奥氏体晶粒长大的作用, 但影但影响程度不同。强烈阻碍晶粒长大的元素有：响程度不同。强烈阻碍晶粒长大的元素有：V、Ti、Nb、Zr等；中等阻碍晶粒长大的元等；中等阻碍晶粒长大的元素有：素有：W、Mn、Cr等；对晶粒长大影响不等；对晶粒长大影响不大的元素有：大的元素有：Si、Ni、Cu等；促

12、进晶粒长等；促进晶粒长大的元素：大的元素：Mn、P等。等。 2. 合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响 除除Co外外, 几乎所有合金元素都增大过冷奥几乎所有合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性氏体的稳定性, 推迟珠光体类型组织的转变推迟珠光体类型组织的转变, 使使C曲线右移曲线右移, 即提高钢的淬透性。常用提即提高钢的淬透性。常用提高淬透性的元素有：高淬透性的元素有：Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等。必须指出等。必须指出, 加入的合金元素加入的合金元素, 只有只有完全溶于奥氏体时完全溶于奥氏体时, 才能提高淬透性。如果才能提高淬透性。如果未完全溶解未完全溶解, 则

13、碳化物会成为珠光体的核心则碳化物会成为珠光体的核心, 反而降低钢的淬透性。另外反而降低钢的淬透性。另外, 两种或多种合两种或多种合金元素的同时加入金元素的同时加入(如如, 铬锰钢、铬镍钢等铬锰钢、铬镍钢等), 比单个元素对淬透性的影响要强得多。比单个元素对淬透性的影响要强得多。 除除Co、Al外外, 多数合金元素都使多数合金元素都使Ms和和Mf点点下降。其作用大小的次序是：下降。其作用大小的次序是：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。其中。其中Mn的作用最强的作用最强, Si实际实际上无影响。上无影响。Ms和和Mf点的下降点的下降, 使淬火后钢使淬火后钢中残余奥氏体量增多。残余奥氏体量过多中残余

14、奥氏体量增多。残余奥氏体量过多时时,可进行冷处理可进行冷处理(冷至冷至Mf点以下点以下), 以使其转以使其转变为马氏体变为马氏体; 或进行多次回火或进行多次回火, 这时残余奥这时残余奥氏体因析出合金碳化物会使氏体因析出合金碳化物会使Ms、Mf点上升点上升, 并在冷却过程中转变为马氏体或贝氏体并在冷却过程中转变为马氏体或贝氏体(即即发生所谓二次淬火发生所谓二次淬火)。 3. 合金元素对回火转变的影响合金元素对回火转变的影响 (1)提高回火稳定性提高回火稳定性 合金元素在回火过合金元素在回火过程中推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转程中推迟马氏体的分解和残余奥氏体的转变变(即在较高温度才开始分解和转变

15、即在较高温度才开始分解和转变)， 提提高铁素体的再结晶温度高铁素体的再结晶温度, 使碳化物难以聚集使碳化物难以聚集长大，因此提高了钢对回火软化的抗力长大，因此提高了钢对回火软化的抗力, 即即提高了钢的回火稳定性。提高回火稳定性提高了钢的回火稳定性。提高回火稳定性作用较强的合金元素有：作用较强的合金元素有：V、Si、Mo、W、Ni、Co等。等。 (2)产生二次硬化产生二次硬化 一些一些Mo、W、V含量较高含量较高的高合金钢回火时的高合金钢回火时, 硬度不是随回火温度升硬度不是随回火温度升高而单调降低高而单调降低, 而是到某一温度而是到某一温度(约约400)后反而开始增大后反而开始增大, 并在另一

16、更高温度并在另一更高温度(一般一般为为550左右左右)达到峰值。这是回火过程的达到峰值。这是回火过程的二次硬化现象二次硬化现象, 它与回火析出物的性质有关。它与回火析出物的性质有关。当回火温度低于当回火温度低于450时时, 钢中析出渗碳体钢中析出渗碳体; 在在450以上渗碳体溶解以上渗碳体溶解, 钢中开始沉淀出钢中开始沉淀出弥散稳定的难熔碳化物弥散稳定的难熔碳化物Mo2C、W2C、VC等等, 使硬度重新升高使硬度重新升高, 称为沉淀硬化。回火称为沉淀硬化。回火时冷却过程中残余奥氏体转变为马氏体的时冷却过程中残余奥氏体转变为马氏体的二次淬火所也可导致二次硬化。二次淬火所也可导致二次硬化。 第二节

17、 合金钢的分类与编号 一、合金钢的分类 合金钢的种类繁多，为了便于生产、使用和科学研究，需要进行分类。（1）按用途分类,大体上可分为：建筑结构用钢，机械结构用钢（除了合金结构钢）外，还包括合金弹簧钢和轴承钢等），工具钢（包括工模具钢和高速工具钢）以及特殊性能钢（不锈耐酸钢、耐热不起皮钢、无磁钢等）。（2）按合金元素的总含量可分成：低合金钢、中合金钢和高合金钢 （3）按所含主要元素分类，有铬钢、镍钢、）按所含主要元素分类，有铬钢、镍钢、钼钢、铬镍钢、铬镍钼钢等。钼钢、铬镍钢、铬镍钼钢等。（4）按合金钢的金相组织又可分成：铁素）按合金钢的金相组织又可分成：铁素体钢、珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、体

18、钢、珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢，以及亚共析钢和过共析钢等奥氏体钢，以及亚共析钢和过共析钢等。 合金钢合金钢-编号方法编号方法 1.滚动轴承钢滚动轴承钢在牌号前面加在牌号前面加“G”(“滚滚”字汉语拼音的首字汉语拼音的首位字母位字母)，后面数字表示铬的质量分数的千，后面数字表示铬的质量分数的千倍，其碳的质量分数不标出。例如倍，其碳的质量分数不标出。例如GCr15钢，就是平均铬的质量分数钢，就是平均铬的质量分数Cr1.5的滚的滚动轴承钢。铬轴承钢中若含有除铬外的其动轴承钢。铬轴承钢中若含有除铬外的其它合金元素时，这些元素的表示方法同一它合金元素时，这些元素的表示方法同一般的合金结构钢。

19、滚动轴承钢都是高级优般的合金结构钢。滚动轴承钢都是高级优质钢，但牌号后不加质钢，但牌号后不加“A”。 2.合金结构钢 其牌号由“两位数字十元素符号+数字”三部分组成。前面两位数字代表钢中平均碳质量分数的万倍，元素符号表示钢中所含的合金元素，元素符号后面数字表示该元素的平均质量分数的百倍。合金元素的平均质量分数Me1.5%时，一般只标明元素而不标明数值；当平均质量分数1.5、2.5、3.5%，时，则在合金元素后面相应地标出2， 3，4，。例如40Cr，其平均碳的质量分数c=0.4，平均铬的质量分数Cr1.5。如果是高级优质钢，则在牌号的末尾加“A”。例如38CrMoAlA钢，则属于高级优质合金结

20、构钢。 3.合金工具钢 这类钢的编号方法与合金结构钢的区别仅在于：当c1时，用一位数字表示碳的质量分数的千倍；当碳的质量分数1%时，则不予标出。例如Cr12MoV钢，其平均碳的质量分数为?c=1.451.70%，所以不标出；Cr的平均质量分数为12，Mo和V的质量分数都是小于1.5%。又如9SiCr钢，其平均?c=0.9，平均?Cr均1.5。不过高速工具钢例外，其平均碳的质量分数无论多少均不标出。因合金工具钢及高速工具钢都是高级优质钢，所以它的牌号后面也不必再标“A”。 4、高速工具钢、高速工具钢 工具钢的一类，通常用作高速切削工具，工具钢的一类，通常用作高速切削工具，简称高速钢简称高速钢,俗

21、称锋钢。俗称锋钢。 编号与合金工具钢基本相同。主要区别是编号与合金工具钢基本相同。主要区别是钢中平均含碳量钢中平均含碳量Wc1%时也不标数字。时也不标数字。 5.不锈钢与耐热钢这类钢牌号前面数字表示碳质量分数的千倍。例如3Crl3钢，表示平均?c0.3，平均?Cr13。当碳的质量分数?c0.03及c0.08时，则在牌号前面分别冠以“00”及“0”表示，例如00Cr17Ni14Mo2，0Cr19Ni9钢等。第三节 低合金结构钢与合金结构钢 用于制造重要工程结构和机器零件的钢种用于制造重要工程结构和机器零件的钢种称为合金结构钢。称为合金结构钢。 主要有低合金结构钢、合金渗碳钢、合金主要有低合金结构

22、钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢。调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢。 一、一、 低合金结构钢低合金结构钢 1. 用途用途 主要用于制造桥梁、船舶、车辆、主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。结构等。 2. 性能要求性能要求 (1) 高强度：一般其的屈服强度在高强度：一般其的屈服强度在300MPa以上。以上。 (2) 高韧性：要求延伸率为高韧性：要求延伸率为15%20%，室，室温冲击韧性大于温冲击韧性大于600kJ/m800kJ/m。 对对于大型焊接构件，还要求有较高的断裂韧于大型焊接构件，还要求有较高的断裂

23、韧性。性。 (3) 良好的焊接性能和冷成型性能。良好的焊接性能和冷成型性能。 (4) 低的冷脆转变温度。低的冷脆转变温度。 (5) 良好的耐蚀性。良好的耐蚀性。 3. 成分特点成分特点 (1) 低碳：由于韧性、焊接性和冷成形性能的低碳：由于韧性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳含量不超过要求高，其碳含量不超过0.20%。 (2) 加入以锰为主的合金元素。加入以锰为主的合金元素。 (3) 加入铌、钛或钒等辅加元素：少量的铌、加入铌、钛或钒等辅加元素：少量的铌、钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮化物，有利于钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮化物，有利于获得细小的铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性。获得细小的铁

24、素体晶粒和提高钢的强度和韧性。 此外，加入少量铜（此外，加入少量铜（0.4%）和磷（）和磷（0.1%左左右）等，可提高抗腐蚀性能。加入少量稀土元素，右）等，可提高抗腐蚀性能。加入少量稀土元素，可以脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺可以脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能。性能。 4. 常用低合金结构钢常用低合金结构钢 16Mn 是我国低合金高强钢中用量最多、是我国低合金高强钢中用量最多、产量最大的钢种。使用状态的组织为细晶产量最大的钢种。使用状态的组织为细晶粒的铁素体粒的铁素体珠光体，强度比普通碳素结珠光体，强度比普通碳素结构钢构钢Q235高约高约20%30%，耐大气腐蚀性，耐大气腐

25、蚀性能高能高20%38%。 15MnVN 中等级别强度钢中使用最多中等级别强度钢中使用最多的钢种。强度较高，且韧性、焊接性及低的钢种。强度较高，且韧性、焊接性及低温韧性也较好，被广泛用于温韧性也较好，被广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶等大型结构。 强度级别超过强度级别超过500MPa后，铁素体和珠光体后，铁素体和珠光体组织难以满足要求，于是发展了低碳贝氏组织难以满足要求，于是发展了低碳贝氏体钢。加入体钢。加入Cr、Mo、Mn、B等元素，有利等元素，有利于空冷条件下得到贝氏体组织，使强度更于空冷条件下得到贝氏体组织，使强度更高，塑性、焊接性能也较好，多用于高压高，塑性、焊接性能也较好，多用于高压锅炉

26、、高压容器等。锅炉、高压容器等。 5. 热处理特点热处理特点 这类钢一般在热轧空冷状态下使用，这类钢一般在热轧空冷状态下使用，不需要进行专门的热处理。使用状态下的不需要进行专门的热处理。使用状态下的显微组织一般为铁素体显微组织一般为铁素体+索氏体。索氏体。 二、二、 合金渗碳钢合金渗碳钢 1. 用途用途 主要用于制造汽车、拖拉机中主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。这类零件在工作中遭受强烈等机器零件。这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载荷，的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。特别是

27、冲击载荷。 2. 性能要求性能要求 (1) 表面渗碳层硬度高，以保证优异的表面渗碳层硬度高，以保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力，同时具有适当的耐磨性和接触疲劳抗力，同时具有适当的塑性和韧性。塑性和韧性。 (2) 心部具有高的韧性和足够高的强度。心部具有高的韧性和足够高的强度。心部韧性不足时，在冲击载荷或过载作用心部韧性不足时，在冲击载荷或过载作用下容易断裂；强度不足时，则较脆的渗碳下容易断裂；强度不足时，则较脆的渗碳层易碎裂、剥落。层易碎裂、剥落。 (3) 有良好的热处理工艺性能有良好的热处理工艺性能 在高的渗在高的渗碳温度（碳温度（900950）下，奥氏体晶粒）下，奥氏体晶粒不易长大，并有良好

28、的淬透性。不易长大，并有良好的淬透性。 3. 成分特点成分特点 (1) 低碳：碳含量一般为低碳：碳含量一般为0.10%0.25%，使零件心部有足够的塑性和韧性。，使零件心部有足够的塑性和韧性。 (2) 加入提高淬透性的合金元素：常加加入提高淬透性的合金元素：常加入入Cr、Ni、Mn、B等。等。 (3) 加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素：加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素：主要加入少量强碳化物形成元素主要加入少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。等，形成稳定的合金碳化物。 4.钢种及牌号钢种及牌号 20Cr低淬透性合金渗碳钢。这类钢的低淬透性合金渗碳钢。这类钢的淬透性低，心部强度

29、较低。淬透性低，心部强度较低。 20CrMnTi中淬透性合金渗碳钢。这类中淬透性合金渗碳钢。这类钢淬透性较高、过热敏感性较小，渗碳过钢淬透性较高、过热敏感性较小，渗碳过渡层比较均匀，具有良好的机械性能和工渡层比较均匀，具有良好的机械性能和工艺性能。艺性能。 18Cr2Ni4WA和和20Cr2Ni4A高淬透性高淬透性合金渗碳钢。这类钢含有较多的合金渗碳钢。这类钢含有较多的Cr、Ni等等元素，淬透性很高，且具有很好的韧性和元素，淬透性很高，且具有很好的韧性和低温冲击韧性。低温冲击韧性。 5. 热处理和组织性能热处理和组织性能 合金渗碳钢的热处理工艺一般都是渗合金渗碳钢的热处理工艺一般都是渗碳后直接

30、淬火，再低温回火。碳后直接淬火，再低温回火。 热处理后，热处理后，表面渗碳层的组织为合金渗碳体表面渗碳层的组织为合金渗碳体+回火马氏回火马氏体体+少量残余奥氏体组织，硬度为少量残余奥氏体组织，硬度为60HRC62HRC。心部组织与钢的淬透性及零件截。心部组织与钢的淬透性及零件截面尺寸有关，完全淬透时为低碳回火马氏面尺寸有关，完全淬透时为低碳回火马氏体，硬度为体，硬度为40HRC48HRC；多数情况下；多数情况下是屈氏体、回火马氏体和少量铁素体，硬是屈氏体、回火马氏体和少量铁素体，硬度为度为25HRC40HRC。心部韧性较高。心部韧性较高。 三、三、 合金调质钢合金调质钢 1. 用途用途 合金调

31、质钢广泛用于制造汽车、合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。件，如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。 2. 性能要求性能要求 调质件大多承受多种工作调质件大多承受多种工作载荷，受力情况比较复杂，要求高的综合载荷，受力情况比较复杂，要求高的综合机械性能，即具有高的强度和良好的塑性、机械性能，即具有高的强度和良好的塑性、韧性。合金调质钢还要求有很好的淬透性。韧性。合金调质钢还要求有很好的淬透性。但不同零件受力情况不同，对淬透性的要但不同零件受力情况不同，对淬透性的要求不一样。求不一样。 3. 成分特点：成分特

32、点： (1) 中碳：碳含量一般在中碳：碳含量一般在0.25%0.50%之间，之间，以以0.4%居多；居多； (2) 加入提高淬透性的元素加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等：这些合金元素除了提高淬透性外，还能形成等：这些合金元素除了提高淬透性外，还能形成合金铁素体，提高钢的强度。如调质处理后的合金铁素体，提高钢的强度。如调质处理后的40Cr钢的性能比钢的性能比45钢的性能高很多；钢的性能高很多； (3) 加入防止第二类回火脆性的元素：含加入防止第二类回火脆性的元素：含Ni、Cr、Mn的合金调质钢，高温回火慢冷时易产生第的合金调质钢，高温回火慢冷时易产生第二类回火脆性。在钢中加入二类回火

33、脆性。在钢中加入Mo、W可以防止第二可以防止第二类回火脆性，其适宜含量约为类回火脆性，其适宜含量约为0.15%0.30%Mo或或0.8%1.2%的的W。 4. 钢种及牌号钢种及牌号 (1) 40Cr 低淬透性调质钢：这类钢的低淬透性调质钢：这类钢的油淬临界直径为油淬临界直径为30mm40mm，用于制造，用于制造一般尺寸的重要零件。一般尺寸的重要零件。 (2) 35CrMo 中淬透性合金调质钢：这中淬透性合金调质钢：这类钢的油淬临界直径为类钢的油淬临界直径为40mm60mm,加加入钼不仅可提高淬透性，而且可防止第二入钼不仅可提高淬透性，而且可防止第二类回火脆性。类回火脆性。 (3) 40CrNi

34、Mo 高淬透性合金调质钢：高淬透性合金调质钢：这类钢的油淬临界直径为这类钢的油淬临界直径为60mm-100mm，多半是铬镍钢。铬镍钢中加入适当的钼，多半是铬镍钢。铬镍钢中加入适当的钼，不但具有好的淬透性，还可消除第二类回不但具有好的淬透性，还可消除第二类回火脆性。火脆性。 5. 热处理和组织性能热处理和组织性能 合金调质钢的最终热合金调质钢的最终热处理是淬火加高温回火（调质处理）。合处理是淬火加高温回火（调质处理）。合金调质钢淬透性较高，一般都用油，淬透金调质钢淬透性较高，一般都用油，淬透性特别大时甚至可以空冷，这能减少热处性特别大时甚至可以空冷，这能减少热处理缺陷。理缺陷。 合金调质钢的最终

35、性能决定于回火温度。合金调质钢的最终性能决定于回火温度。一般采用一般采用500-650回火。通过选择回火回火。通过选择回火温度，可以获得所要求的性能。为防止第温度，可以获得所要求的性能。为防止第二类回火脆性，回火后快冷（水冷或油二类回火脆性，回火后快冷（水冷或油冷），有利于韧性的提高。冷），有利于韧性的提高。 合金调质钢常规热处理后的组织是回火索合金调质钢常规热处理后的组织是回火索氏体。对于表面要求耐磨的零件（如齿轮、氏体。对于表面要求耐磨的零件（如齿轮、主轴），再进行感应加热表面淬火及低温主轴），再进行感应加热表面淬火及低温回火，表面组织为回火马氏体。表面硬度回火，表面组织为回火马氏体。表面

36、硬度可达可达55HRC58HRC。 合金调质钢淬透调质后的屈服强度约合金调质钢淬透调质后的屈服强度约为为800MPa, 心部硬度可达心部硬度可达22HRC25HRC。若截面尺寸大而未淬透时，性能显著降低。若截面尺寸大而未淬透时，性能显著降低。 四合金弹簧钢四合金弹簧钢 弹簧是起缓冲、减振和储能等作用。弹簧弹簧是起缓冲、减振和储能等作用。弹簧一般是在交变应力下工作，常见的破坏形一般是在交变应力下工作，常见的破坏形式是疲劳破坏，因此，必须具有高的屈服式是疲劳破坏，因此，必须具有高的屈服点和屈强比（点和屈强比（s/ b）、弹性极限、抗疲）、弹性极限、抗疲劳性能，以保证弹簧有足够的弹性变形能劳性能，以

37、保证弹簧有足够的弹性变形能力并能承受较大的载荷。同时，弹簧钢还力并能承受较大的载荷。同时，弹簧钢还要求具有一定的塑性与韧性，一定的淬透要求具有一定的塑性与韧性，一定的淬透性，不易脱碳及不易过热。一些特殊弹簧性，不易脱碳及不易过热。一些特殊弹簧还要求有耐热性、耐蚀性或在长时间内有还要求有耐热性、耐蚀性或在长时间内有稳定的弹性。稳定的弹性。 中碳钢和高碳钢都可作弹簧使用，但因其中碳钢和高碳钢都可作弹簧使用，但因其淬透性和强度较低，只能用来制造截面较淬透性和强度较低，只能用来制造截面较小、受力较小的弹簧。合金弹簧钢则可制小、受力较小的弹簧。合金弹簧钢则可制造截面较大、屈服极限较高的重要弹簧。造截面较

38、大、屈服极限较高的重要弹簧。 化学成分：合金弹簧钢为中、高碳成分，一般wC=0.50.7，以满足高弹性、高强度的性能要求。加入的合金元素主要是Si、 Mn、Cr，作用是强化铁素体、提高淬透性和耐回火性。但加入过多的Si会造成钢在加热时表面容易脱碳，加入过多的Mn容易使晶粒长大。加入少量的V和Mo可细化晶粒，从而进一步提高强度并改善韧性。此外，它们还有进一步提高淬透性和耐回火性的作用。 热处理：为保证弹簧具有高的强度和足够的韧性，通常采用淬火+中温回火。 对热成形弹簧，可采用热成形余热淬火，对热冷成形的弹簧，有时可省去淬火、中温回火工艺，成形后只需进行200300进行去应力退火即可。弹簧钢热处理

39、后通常进行喷丸处理，其目的是在弹簧表面产生残余压应力，以提高弹簧的疲劳强度。 弹簧成型方法：对直径或板簧厚度大于10 mm的大弹簧，可在比正常淬火温度高出5080的温度热成形，对直径或板簧厚度小于810mm的小弹簧，常用冷拔弹簧钢丝冷卷成形。 常用牌号：常用合金弹簧钢的牌号、化学成分、热处理、力学性能及用途见表64。常用的合金弹簧钢有60Si2Mn、50CrVA、30W4Cr2VA等。 五、滚动轴承钢五、滚动轴承钢 轴承钢性能要求轴承钢性能要求：主要用于制造滚动轴承：主要用于制造滚动轴承的内圈、外圈、滚动体和保持架。滚动轴的内圈、外圈、滚动体和保持架。滚动轴承工作时，内、外圈与滚动体的高速相对

40、承工作时，内、外圈与滚动体的高速相对运动使其接触面受到强烈的摩擦，因此要运动使其接触面受到强烈的摩擦，因此要求所用材料具有高耐磨性；内、外圈与滚求所用材料具有高耐磨性；内、外圈与滚动体的接触面积很小，载荷集中作用于局动体的接触面积很小，载荷集中作用于局部区域，使接触处容易压出凹坑，因此要部区域，使接触处容易压出凹坑，因此要求所用材料具有高硬度；求所用材料具有高硬度； 内、外圈与滚动体的接触位置不断变化，内、外圈与滚动体的接触位置不断变化，受力位置和应力大小也随之不断变化，在受力位置和应力大小也随之不断变化，在这种周期性的交变载荷作用下，内、外圈这种周期性的交变载荷作用下，内、外圈和滚动体的接触

41、表面会出现小块金属剥落和滚动体的接触表面会出现小块金属剥落现象，因此要求所用材料具有高的接触疲现象，因此要求所用材料具有高的接触疲劳强度。此外，轴承钢还应有一定的韧性劳强度。此外，轴承钢还应有一定的韧性和淬透性。和淬透性。 化学成分：滚动轴承钢为高碳成分，wC=0.951.10%，以保证高硬度和高耐磨性。主要合金元素为Cr，wCr=0.401.65%，Cr能提高淬透性，并与碳形成颗粒细小而弥散分布的碳化物，使钢在热处理后获得高而均匀的硬度及耐磨性。有时，轴承钢中还加入Si和Mn以进一步提高其淬透性，用于大型轴承。 牌号牌号：牌号前用字母“G”表示滚动轴承钢的类别，后附元素符号Cr和其平均含量的

42、千分数及其它元素符号。如GCr4、GCr15、GCr15SiMn、GCr15SiMo、GCr18Mo，目前应用最广泛的是GCr15。 用途用途：滚动轴承钢虽是制作滚动轴承的专用钢，但其成分与性能接近工具钢，故也可制作冷冲模、精密量具等工具，还可制作要求耐磨的精密零件，如柴油机喷油嘴、精密丝杠。 热处理：预先热处理为球化退火，可获得细小均匀的球状珠光体。其目的一是降低硬度（硬度为170210HBS），改善切削加工性能；二是为淬火提供良好的原始组织，从而使淬火及回火后得到最佳的组织和性能。最终热处理是淬火和低温回火，获得细回火马氏体加均匀分布的细粒状碳化物及少量残余奥氏体，硬度为6165HRC。对

43、精密的轴承钢零件，为保证尺寸稳定性，可在淬火后立即进行冷处理（6080），以尽量减少残余奥氏体量。冷处理后进行低温回火和粗磨，接着在120130 进行时效，最后进行精磨。 第四节 合金工具钢 合金工具钢，是在碳素工具钢基础上加入铬、钼、钨、钒等合金元素以提高淬透性、韧性、耐磨性和耐热性的一类钢种。它主要用于制造量具、刃具、耐冲击工具和冷、热模具及一些特殊用途的工具。 合金工具钢的淬硬性、淬透性、耐磨性和韧性均比碳素工具钢高，按用途大致可分为刃具、模具和量具用钢3类。其中碳含量高的钢（碳质量分数大于0080）多用于制造刃具、量具和冷作模具，这类钢淬火后的硬度在HRC60以上，且具有足够的耐磨性；

44、碳含量中等的钢（碳质量分数 0.350.70）多用于制造热作模具，这类钢淬火后的硬度稍低，为HRC5055,但韧性良好。 （一）刃具用钢（一）刃具用钢 刃具在工作条件下产生强烈的磨损并发热，刃具在工作条件下产生强烈的磨损并发热，还有震动和承受一定的冲击负荷。刃具用钢应具还有震动和承受一定的冲击负荷。刃具用钢应具有高的硬度、耐磨性、红硬性和良好的韧性。为有高的硬度、耐磨性、红硬性和良好的韧性。为了保证其具有高的硬度，满足形成合金碳化物的了保证其具有高的硬度，满足形成合金碳化物的需要，钢中碳质量分数一般在需要，钢中碳质量分数一般在0.801.45。铬。铬是这类钢的主要合金元素，质量分数一般在是这类

45、钢的主要合金元素，质量分数一般在0.501.70，有的钢还含有钨，以提高切削金属的，有的钢还含有钨，以提高切削金属的性能。这类工具钢因含有合金元素，因此淬透性性能。这类工具钢因含有合金元素，因此淬透性比碳素工具钢好，比碳素工具钢好，热处理热处理产生的变形小，具有高产生的变形小，具有高的硬度和耐磨性。常用的钢类有铬钢、硅铬钢和的硬度和耐磨性。常用的钢类有铬钢、硅铬钢和铬钨锰钢等。铬钨锰钢等。 （二）模具钢二）模具钢 模具大致可分为冷作模具、热作模具模具大致可分为冷作模具、热作模具和塑料模具和塑料模具3类，用于锻造、冲压、切型、类，用于锻造、冲压、切型、压铸等。由于各种模具用途不同，工作条压铸等。

46、由于各种模具用途不同，工作条件复杂，因此对模具用钢，按其所制造模件复杂，因此对模具用钢，按其所制造模具的工作条件，应具有高的硬度、强度、具的工作条件，应具有高的硬度、强度、耐磨性，足够的韧性，以及高的淬透性、耐磨性，足够的韧性，以及高的淬透性、淬硬性和其他工艺性能。淬硬性和其他工艺性能。 （三）量具用钢（三）量具用钢 量具应具有良好的尺寸稳定性、高耐量具应具有良好的尺寸稳定性、高耐磨性、高硬度和一定的韧性。因此，量具磨性、高硬度和一定的韧性。因此，量具用钢庆应具有硬度高、组织稳定、耐磨性用钢庆应具有硬度高、组织稳定、耐磨性好，以及良好的研磨和加工性能、热处理好，以及良好的研磨和加工性能、热处理

47、变形小、膨胀系数小和耐蚀性好。这类钢变形小、膨胀系数小和耐蚀性好。这类钢一般属于过共析钢，加入的合金元素有铬、一般属于过共析钢，加入的合金元素有铬、锰、钨、钼等。常用的钢类有铬钢、铬钨锰、钨、钼等。常用的钢类有铬钢、铬钨锰钢、锰钒钢等。锰钢、锰钒钢等。 特殊性能钢简介特殊性能钢简介 特殊性能钢具有特殊物理或化学性能，用特殊性能钢具有特殊物理或化学性能，用来制造除要求具有一定的机械性能外，还来制造除要求具有一定的机械性能外，还要求具有特殊性能的零件。其种类很多，要求具有特殊性能的零件。其种类很多，机械制造中主要使用不锈钢、耐热钢、耐机械制造中主要使用不锈钢、耐热钢、耐磨钢。磨钢。 一 不锈钢 不

48、锈钢指耐空气、蒸汽、水等弱腐蚀介质和酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢，又称不锈耐酸钢。实际应用中，常将耐弱腐蚀介质腐蚀的钢称为不锈钢，而将耐化学介质腐蚀的钢称为耐酸钢。由于两者在化学成分上的差异，前者不一定耐化学介质腐蚀，而后者则一般均具有不锈性。不锈钢的耐蚀性取决于钢中所含的合金元素。 马氏体不锈钢马氏体不锈钢 常用马氏体不锈钢含碳量为常用马氏体不锈钢含碳量为0.1-0.45,含铬量为含铬量为12-14，属铬不锈，属铬不锈钢。随着钢中含碳量的增加，钢的强度、钢。随着钢中含碳量的增加，钢的强度、硬度、耐磨性提高，但耐蚀性则下降。为硬度、耐磨性提高，但耐蚀性则下降。为了提高耐蚀性及机械性能，这

49、类钢最后热了提高耐蚀性及机械性能，这类钢最后热处理是淬火和回火。它在空气中可淬硬，处理是淬火和回火。它在空气中可淬硬，但一般仍用油冷。这类钢多用于机械性能但一般仍用油冷。这类钢多用于机械性能要求较高，而耐蚀性要求较低的零件。如要求较高，而耐蚀性要求较低的零件。如汽轮机叶片、各种泵的零件、弹簧、滚动汽轮机叶片、各种泵的零件、弹簧、滚动轴承及一些医疗器械。轴承及一些医疗器械。 铁素体不锈钢铁素体不锈钢 常用含碳量低于常用含碳量低于0.15, 含铬含铬量为量为12-30,也属于铬不锈钢。其塑性、也属于铬不锈钢。其塑性、焊接性均较马氏体钢好。这类钢广泛用于焊接性均较马氏体钢好。这类钢广泛用于硝酸、氮肥、磷酸等化学工业中。硝酸、氮肥、磷酸等化学工业中。 3 奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢 这是应用最广泛的不锈这是应用最广泛的不锈钢，属镍铬钢。钢，属镍铬钢。 奥氏体不锈钢