第七章 合金钢

1、第七章 合金钢本章内容n 7-1概论n 7-2合金结构钢n 7-3合金工具钢n 7-4特殊性能钢7-1概论碳钢在性能上的不足： 淬透性低 碳钢水最大淬透直径:10mm-20mm 强度和屈强比较低  普通碳钢Q235钢的s为235MPa低合金结构钢16Mn的s为360MPa以上   (3) 回火稳定性差(4) 不能满足特殊性能要求ü 抗氧化ü 耐蚀ü 耐热ü 耐低温ü 耐磨ü 特殊电磁性一、合金元素在钢中的作用1、合金元素在钢中的存在形式非金属夹杂物合金铁素体合金碳化物Ni、Si、Al、Co 固溶

2、强化铁、锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛弱中强强(Fe,Mn)3C(Fe,Cr)3C Cr23C6Cr7C3Fe3W3CWC Mo2CVC TiCAl2O3 AlN TiN FeO·Al2O32、合金元素对力学性能的影响二、合金元素对铁碳相图的影响 改变了奥氏体相区的范围扩大：Ni Co Mn等 缩小：Cr W Mo Ti Al Si改变E、S点位置 S点左移，减低了共析点的含碳量。例：Wc=0.4% WCr=14%的钢具有过共析钢组织E点左移，使出现莱氏体的含碳量降低。例：高速钢铸态组织中出现莱氏体三、合金元素对热处理的影响ü 加热ü 冷却ü 回火（1）

3、合金元素对加热转变的影响a）大多数合金元素（ 除镍、钴以外）都减缓钢的奥氏体化过程。 合金钢在热处理时，要相应地提高加热温度或沿长保温时间，才能保证奥氏体化过程的充分进行。b）几乎所有的合金元素（除锰以外）都能阻止奥氏体晶粒的长大，细化晶粒。 尤其是碳化物形成元素钛、矾、钼、钨、铌、锆等（2）合金元素对冷却转变的影响a）大多数合金元素（除钴以外），都能提高过冷奥氏体的稳定性，使C曲线位置右移，临界冷却速度减小，从而提高钢的淬透性。合金元素对钢的淬透性的影响：钼、锰、钨、铬、镍、硅、矾通过复合元素，采用多元少量的合金化原则，对提高钢的淬透性会更有效。 b）除钴、铝外，多数合金元素溶入奥氏体后，使

4、马氏体转变温度Ms和Mf点下降，钢的Ms点越低，Ms点至室温的温度间隔就越小，在相同冷却条件下转变成马氏体的量越少。 凡是降低Ms点的元素都使淬火后钢中残余奥氏体含量增加。而钢的残余奥氏体量的多少，对钢的硬度、尺寸稳定性、淬火变形均有较大影响。 （3）合金元素对淬火钢回火转变的影响a）对淬火钢回火稳定性的影响。 淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称为回火稳定性。 b）二次硬化碳化物形成元素铬、钨、钼、钒c）回火脆性含铬、镍、锰、硅等元素的合金结构钢450600防止：回火后采用快冷四、合金钢编号1、合金结构钢编号：两位数字+元素符号+数字+· · · 脱氧方法、质

5、量等级该元素的百分之几平均含碳量万分之几WMe1.5% 2WMe2.5% 3WMe3.5% 4例：20CrMnTi 60Si2Mn2、合金工具钢与特殊性能钢一位数字（或没有数字）+元素+数字+W c1.0%，标千分数；W c1.0%，不标；高速钢不标含碳量。5）专用钢拼音 + 数字 + 元素符号 + 数字例：9SiCr Cr12MoV Cr06 W18Cr4V7-2 合金结构钢 低合金结构钢 合金渗碳钢 合金调质钢 合金弹簧钢 滚珠轴承钢 一、低合金结构钢（普通低合金钢）1、用途 主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。 2. 性能要求 （1） 高强

6、度：一般屈服强度在300MPa以上。(2) 高韧性：要求延伸率为15%20%，室温冲击韧性大于600kJ/m2800kJ/m2。对于大型焊接构件，还要求有较高的断裂韧性。(3) 良好的焊接性能和冷成型性能。(4) 低的冷脆转变温度。(5) 良好的耐蚀性。 3. 成分特点 （1） 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0.20%。(2) 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、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。    此外，加入少量铜（0.4%）和磷（0.1%

7、左右）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，改善韧性和工艺性能。4、常用低合金结构钢牌号、成分、性能及用途188页表6-1/6-2Q340(16Mn) 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粒的铁素体珠光体，强度比普通碳素结构钢Q235高约20%30%，耐大气腐蚀性能高20%38%。    Q420(15MnVN)  中等级别强度钢中使用最多的钢种。强度较高，且韧性、焊接性及低温韧性也较好，被广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶等大型结构。   Q460E-Z35鸟巢、水立方用

8、钢Z向性能钢板l 适用于钢结构用钢板、造船、海上采油平台、锅炉压力容器等重要焊接构件的钢板,要求厚度方向有良好的抗层状裂性能。l 不仅要求沿宽度方向和长度方向有一定的力学性能，而且要求厚度方向有良好的抗层状撕裂的性能。钢板的抗层状撕裂的性能采用厚度方向拉伸试验的断面收缩率来评定。 钢板按厚度方向性能分为Z15、Z25、Z35三个级别。 5. 热处理特点  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。使用状态下的显微组织一般为铁素体+索氏体。 二、易切削钢（140页表6-3）1、性能要求良好的切削加工性能ü 易断屑ü 刀具磨损小ü 表面质量高2

9、、合金化特点 增加锰含量 加入硫、铅、钙、锑、铍等易切削钢用途1.自动车床加工、五金冲压件加工；2.电子工业、光纤接头、光碟机、扫描仪、医疗用器材；3家用电器、仪器仪表行业；4.办公设备（电脑、影印机、相机、传真机等）；5.钟表元件、眼镜；6.电子端子针、计时器、化油器；7.装饰品、灯饰品、汽车、机车、链条；8.清洁车扫具、玩具；9.笔类、手袋配件、皮带扣、渔具等；10.双头螺栓、螺钉、螺母、管接头、弹簧座等。三、合金渗碳钢  1、用途 ü 汽车、拖拉机中的变速齿轮ü 内燃机上的凸轮轴ü 活塞销 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

10、荷，特别是冲击载荷。 2. 性能要求（1） 表面渗碳层硬度高，以保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力，同时具有适当的塑性和韧性(2) 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下容易断裂；强度不足时，则较脆的渗碳层易碎裂、剥落。(3) 有良好的热处理工艺性能 在高的渗碳温度（900950）下，奥氏体晶粒不易长大，并有良好的淬透性。3. 成分特点(1) 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。(2) 加入提高淬透性的合金元素：常加入Cr、Ni、Mn、B等。(3) 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Ti、V、W、Mo等，形成

11、稳定的合金碳化物。4. 常用牌号（141表6-4）u 20Cr低淬透性合金渗碳钢。这类钢的淬透性低，心部强度较低。u 20CrMnTi中淬透性合金渗碳钢。这类钢淬透性较高、过热敏感性较小，渗碳过渡层比较均匀，具有良好的机械性能和工艺性能。u 18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A高淬透性合金渗碳钢。这类钢含有较多的Cr、Ni等元素，淬透性很高，且具有很好的韧性和低温冲击韧性。5. 热处理和组织性能热处理工艺：渗碳后淬火+低温回火。金相组织：u 表层：合金渗碳体+回火马氏体+少量残余奥氏体组织，硬度为60HRC62HRC。u 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体，硬

12、度为40HRC48HRC；多数情况下是屈氏体、回火马氏体和少量铁素体，硬度为25HRC40HRC。心部韧性一般都高700KJ/m2。 例：20CrMnTi制造汽车变速齿轮锻造正火机械加工局部镀铜渗碳预冷淬火+低温回火喷丸磨齿四、调质钢1. 用途 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件，如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。 2. 性能要求u 调质件大多承受多种工作载荷，受力情况比较复杂，要求高的综合机械性能，即具有高的强度和良好的塑性、韧性。u 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，对淬透性的要求不一样。3. 成分特点(1) 中碳：碳含量一般在0.25%0

13、.50%之间，以0.4%居多； (2) 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，还能形成合金铁素体，提高钢的强度。如调质处理后的40Cr钢的性能比45钢的性能高很多； (3) 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二类回火脆性。 在钢中加入Mo、W可以防止第二类回火脆性，其适宜含量约为0.15%0.30%Mo或0.8%1.2%的W。 4. 钢种及牌号（145表6-5）  5. 热处理和组织性能u 最终热处理是淬火+高温回火（调质处理）。u 合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

14、能减少热处理缺陷。u 合金调质钢的最终性能决定于回火温度。一般采用500-650回火。通过选择回火温度，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（水冷或油冷），有利于韧性的提高。 u 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、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。表面硬度可达55HRC58HRC。u 合金调质钢淬透调质后的屈服强度约为800MPa, 冲击韧性在800kJ/m2心部硬度可达22HRC25HRC。若截面尺寸大而未淬透时，性能显著降低。 五、弹簧钢1. 用途：合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性

15、元件。 2. 性能要求（1） 高的弹性极限e，尤其是高的屈强比s /b以保证弹簧有足够高的弹性变形能力和较大的承载能力。(2) 高的疲劳强度-1，以防止在震动和交变应力作用下产生疲劳断裂。(3) 足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆断。较好的淬透性、易成形、耐热性、耐蚀性。3. 成分特点 （1） 中、高碳 ,高的屈强比要求弹簧钢的碳含量比调质钢高，一般为0.50%0.70%。碳含量过高时，塑性、韧性降低，疲劳抗力也下降。(2) 加入以Si、Mn为主的提高淬透性的元素，Si和Mn同时也提高了屈强比。重要用途的弹簧钢还必须加入Cr、V、W等元素。 此外，弹簧的冶金质量对疲劳强度有很大的影响，

16、所以弹簧钢均为优质钢或高级优质钢。 4. 钢种和牌号 （1）65Mn和60Si2Mn 以Si、Mn为主要合金元素的弹簧钢。这类钢的价格便宜，淬透性明显优于碳素弹簧钢，Si、Mn的复合合金化，性能比只用Mn的好得多。这类钢主要用于汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧。(2) 50CrVA 含Cr、V、W等元素的弹簧钢 。Cr、V复合合金化，不仅大大提高钢的淬透性，而且还提高钢的高温强度、韧性和热处理工艺性能。这类钢可制作在350400温度下承受重载的较大弹簧。5. 加工、热处理与性能 热成形弹簧 用热轧钢丝或钢板制成，然后淬火和中温（450550）回火，获得回火屈氏体组织，具有很高的屈服强度和弹性极限

17、，并有一定的塑性和韧性，一般用来制作为较大型的弹簧。(2) 冷成形弹簧 小尺寸弹簧一般用冷拔弹簧钢丝（片）卷成。    为了提高弹簧的疲劳寿命，目前还广泛采用喷丸强化处理。 六、滚动轴承钢 1. 用途 主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等，属专用结构钢。从化学成分上看它属于工具钢，所以也用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。 2. 性能要求 （1）高的接触疲劳强度：轴承元件如滚珠与套圈，运动时为点或线接触，接触处的压应力高达1500MPa5000MPa；应力交变易造成接触疲劳破坏，产生麻点或剥落，所以轴承钢疲劳强度应很高。(

18、2) 高的硬度和耐磨性：硬度一般为62HRC64HRC。(3) 足够的韧性和淬透性。    此外，还要求在大气和润滑介质中有一定的耐蚀能力和良好的尺寸稳定性。3. 成分特点（1） 高碳 0.95%1.10%，以保证其高硬度、高耐磨性和高强度。(2) Cr为基本合金元素，提高淬透性；形成合金渗碳体(Fe, Cr)3C呈细密、均匀分布，提高钢的耐磨性, 特别是疲劳强度。适宜的含量为0.40%1.65%。(3) 加入 Si、Mn、V进一步提高淬透性，便于制造大型轴承。V部分溶于奥氏体中，部分形成碳化物VC，提高钢的耐磨性并防止过热。 4、牌号（1） 铬轴承钢 最常用的是

19、GCr15。使用量占轴承钢的绝大部分。(2) 在铬轴承钢中加入Si、Mn可提高淬透性，如GCr15SiMn、GCr15SiMnMoV等。为了节Cr, 加入Mo、V可得到无铬轴承钢, 如GSiMnMoV、GSiMnMoVRE等，其性能与GCr15相近。 5. 热处理及组织性能（1） 球化退火 u 降低钢的硬度，以利于切削加工；u 获得细的球状球光体和均匀分布的过剩的细粒状碳化物，为零件的最终热处理做组织准备。(2) 淬火和低温回火 u GCr15钢的淬火温度严格控制在820840范围内；u 回火温度一般为150160。 轴承钢热处理后的组织极细的回火马氏体+均匀分布的粒状碳化物+少量残余奥氏体

20、请选择选择制造下列零件的材料：汽车齿轮、机床主轴 、汽车板簧 、滚珠45 60Si2Mn GCr15 20CrMnTi Q2357-3 合金工具钢工具钢按用途分为：p 刃具钢p 模具钢p 量具钢，实际应用界限并非绝对！一、合金刃具钢1、用途 主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、钻头等。 2. 性能要求   (1) 高硬度 金属切削刀具的硬度一般都在60HRC以上。(2) 高耐磨性 不仅取决于钢的硬度，而且与钢中硬化物的性质、数量、大小和分布有关。(3) 高热硬性 热硬性是指钢在高温下保持高硬度的能力（亦称红硬性）。热硬性与钢的回火稳定性和特殊碳化物的弥散析出有关。(

21、4) 足够的塑性和韧性 以防刃具受冲击震动时折断和崩刃。 3. 成分特点 (1) 碳素和低合金刃具钢最高工作温度不超过350，其成分的主要特点是：  高碳  碳含量为0.9%1.1%，以保证高硬度和高耐磨性。  加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素        Cr、Mn、Si主要是提高钢的淬透性，Si还能提高钢的回火稳定性;     W、V能提高硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持细小的晶粒。(2) 高速钢 高碳：碳含量在0.70%以上，最高可达1.

22、5%左右，它一方面要保证能与W、Cr、V等形成足够数量的碳化物；另一方面还要有一定数量的碳溶于奥氏体中，以保证马氏体的高硬度。 加入Cr、W、Mo、V等合金元素：     Cr 提高淬透性， W、Mo 保证高的热硬性。在随后的560回火时，形成W2C或Mo2C弥散分布，造成二次硬化。    V 提高耐磨性，细化晶粒。4、合金刃具钢牌号1) 低合金刃具钢 典型钢种为9SiCr。 球化退火机加工淬火+低温回火磨削热处理后组织：回火马氏体+剩余碳化物+少量残余奥氏体(2) 高速钢u W6Mo5Cr4V2钢的耐磨性、热塑性和韧性较好；u W1

23、8Cr4V钢的热硬性较好, 热处理时的脱碳和过热倾向较小。高速钢热处理特点 高速钢热处理后的组织回火马氏体+细粒状碳化物+残余奥氏体（1%2%）二、合金模具钢 u 冷作模具钢u 热作模具钢 1. 热作模具钢（1） 用途 u 热锻模u 热挤压模u 压铸模等u 工作时型腔表面温度可达600以上。 (2) 性能要求 高的热硬性和高温耐磨性； 高的抗氧化性能； 高的热强性和足够的韧性，尤其是受 冲击较大的热锻模钢； 高的热疲劳抗力，以防止龟裂破坏； 由于热模具一般较大，所以还要求热模具钢有高的淬透性和导热性。(3) 成分特点 中碳 碳含量一般为0.3%0.6%，以保证高强度、高韧性、较高的硬度（35H

24、RC52HRC）和较高的热疲劳抗力。 加入较多的提高淬透性的元素Cr、Ni、Mn、Si等 Cr是提高淬透性的主要元素，同时和Ni一起提高钢的回火稳定性。Ni在强化铁素体的同时还增加钢的韧性，并与Cr、Mo一起提高钢的淬透性和耐热疲劳性能。 加入产生二次硬化的Mo、W、V等元素，Mo还能防止第二类回火脆性，提高高温强度和回火稳定性。(4)钢种和牌号u 5CrMnMo、5CrNiMo及5CrMnSiMoV 对韧性要求高而热硬性要求不太高的热锻模。u 3Cr2W8V、4Cr5MoVSi  热强性更好的大型锻压模或压铸模(5) 热处理u  淬火+高温（550左右）回火 组织：回火索

25、氏体和回火屈氏体u 热压模钢淬火后在略高于二次硬化峰值的温度（600左右）回火 组织：回火马氏体+粒状碳化物+少量残余奥氏体，与高速钢类似。为了保证热硬性，要进行多次回火。 2、冷作模具钢 （1）用途 冷冲模、冷镦模、冷挤压模和拉丝模等，工作温度不超过200300。(2) 性能要求 冷作模具工作时承受很大的压力、弯曲力、冲击载荷和摩擦。主要失效形式是磨损，也常出现崩刃、断裂和变形等失效现象。因此，冷模具钢应具有以下基本性能： 高硬度，一般为58HRC62HRC; 高耐磨性; 足够的韧性和疲劳抗力; 热处理变形小。(3) 成分特点 高碳 1.0%以上，个别甚至达到2.0%，以保证高的硬度和高耐磨

26、性。 加入Cr、Mo、W、V等合金元素 形成难熔碳化物，提高耐磨性，尤其是Cr。 典型钢种是Cr12型钢，铬的含量高达12%。铬与碳形成M7C3型碳化物，能极大提高钢的耐磨性，铬还显著提高钢的淬透性。（4）冷作模具钢牌号 9Mn2V、9SiCr、CrWMn 大部分要求不高的冷模具用低合金刃具钢制造。 Cr12 大型冷模具用钢，热处理变形很小，制造重载和形状复杂的模具。(5) 热处理特点 一次硬化法低淬低回（9501000）淬火（150180）回火 硬度61HRC64HRC，使钢具有较好的耐磨性和韧性，适用于重载模具。 二次硬化法 高淬高回（11001150）淬火，510520多次（一般为三次）

27、回火 产生二次硬化，使硬度达60HRC62HRC，红硬性和耐磨性都较高（但韧性较差）。适用于在400450温度下工作的模具。Cr12型钢热处理后组织为回火马氏体、碳化物和残余奥氏体。 三、量具用钢1. 用途 ：制造各种测量工具，如卡尺、千分尺、块规、塞规等。 2. 性能要求 量具在使用过程中要求测量精度高，不能因磨损或尺寸不稳定影响测量精度，对其性能的主要要求是。(1) 高硬度（大于56HRC）和耐磨性；(2) 高尺寸稳定性 热处理变形要小，在存放和使用过程中，尺寸不发生变化。3. 成分特点 量具用钢的成分与低合金刃具钢相同，即为高碳（0.9%1.5%）和加入提高淬透性的元素Cr、W、Mn等。

28、 4. 量具用钢  u 尺寸小、形状简单、精度较低的量具，选用高碳钢制造；u 复杂的精密量具一般选用低合金刃具钢；u 精度要求高的量具选用CrMn、CrWMn、GCr15等制造。 量具用钢的选用举例 量 具 钢 号平样板或卡板 一般量规与块规 高精度量规与块规 高精度且形状复杂的量规与块规 抗蚀量具10、20或50、55、60、60Mn、65Mn T10A、T12A、9SiCr Cr钢、CrMn钢、GCr15 CrWMn(低变形钢) 4Cr13, 9Cr18(不锈钢) 5. 热处理特点（1） 在保证硬度的前提下，尽量降低淬火温度，以减少残余奥氏体。(2) 淬火后立即进行-70-80的

29、冷处理，使残余奥氏体尽可能地转变为马氏体，然后进行低温回火。(3) 精度要求高的量具，在淬火、冷处理和低温回火后，尚需进行120130，几小时至几十小时的时效处理，使马氏体正方度降低、残余的奥氏体稳定和消除残余应力。例：高精度块规热处理 高精度块规是作为校正其它量具的长度标准，要求有极好的尺寸稳定性。因此常采用GCr15(或CrWMn)钢制造。其热处理工艺较复杂。经过处理的块规，一年内每10毫米长度的尺寸变量不超过0.1微米0.2微米。 GCr15钢块规热处理工艺曲线 7-4 特殊性能钢及合金p 不锈钢p 耐热钢p 耐磨钢p 硬质合金一、不锈钢珠光体腐蚀示意图1、成分特点1）碳含量:耐蚀性要求

30、愈高，碳含量应愈低。大多数不锈钢的碳含量为0.1%0.2%。对要求提高碳含量时（可达0.85%0.95%），应相应地提高铬含量。2）主加铬。能提高钢基体的电极电位。随铬含量的增加，钢的电极电位急剧升高。铬在氧化性介质（水蒸气、大气、海水、氧化性酸等）中极易钝化，生成致密的氧化膜、使钢的耐蚀性大大提高。 3) 加入镍 可获得单相奥氏体组织，显著提高耐蚀性；4) 加入钼、铜等 Cr在非氧化性酸（如盐酸、稀硫酸和碱溶液等）中的钝化能力差，加入Mo、Cu等元素，可提高钢在非氧化性酸中的耐蚀能力。5) 加入钛、铌等 Ti、Nb能优先同碳形成稳定碳化物，使Cr保留在基体中，避免晶界贫铬，从而减轻钢的晶界腐蚀倾向。2、常用不锈钢(1) 马氏体不锈钢 1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13n 因铬含量12%，它们都有足够的耐蚀性，但因只用铬进行合金化，它们只在氧化性介质中耐蚀，在非氧化性介质中不能达到良好的钝化，耐蚀性很低。 n 碳含量低的1Cr13、2Cr13钢耐蚀性较好，且有较好的机械性能n 3Cr13、4Cr13钢因碳含量增加，强度和耐磨性提高，但耐蚀性降低。 (2) 铁素体型不锈钢1Cr17、1Cr17Tin 铬含量为17%-30%，碳含量低于0.15%n 为单相铁素体组织，耐蚀性比Cr13型钢更好。n 在退火或正火状态下使用，强度较低、塑性很好，可用形变强化提高强度。n