合金钢-第七章xiong01

1、 重重 点点合金钢的合金钢的概念概念合金元素在钢中的存在方式及影响合金元素在钢中的存在方式及影响 合金元素对铁碳相图的影响合金元素对铁碳相图的影响合金钢的分类和牌号合金钢的分类和牌号典型合金钢的成分、性能、热处理，典型合金钢的成分、性能、热处理，用途以及如何选用合金钢。用途以及如何选用合金钢。2 2、合金钢与碳钢相比：、合金钢与碳钢相比：合金钢是在碳钢基础上，为了改善钢合金钢是在碳钢基础上，为了改善钢的组织与性能，在冶炼时有意识地加入一种或数的组织与性能，在冶炼时有意识地加入一种或数种合金元素的钢。种合金元素的钢。淬透性好。淬透性好。高强度，高屈强比高强度，高屈强比具有特殊性能，如耐高温、耐腐

2、蚀，高耐具有特殊性能，如耐高温、耐腐蚀，高耐 磨性等。磨性等。高回火稳定性高回火稳定性一、合金元素对钢中基本相的影响一、合金元素对钢中基本相的影响1.1.形成合金铁素体形成合金铁素体2.2.形成碳化物形成碳化物(a)对硬度的影响 (b)对冲击韧性的影响合金元素对铁素体性能的影响（退火状态）合金元素对铁素体性能的影响（退火状态）固溶强化固溶强化奥氏体相区扩大元素奥氏体相区扩大元素：C C、N N、CoCo、NiNi、MnMn、CuCu等元素的加入都会使奥氏体相等元素的加入都会使奥氏体相区扩大，特别以区扩大，特别以NiNi、MnMn的影响更大。的影响更大。1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti钢

3、，由于钢，由于NiNi元素含量高，元素含量高，使其成为奥氏体不锈钢。使其成为奥氏体不锈钢。奥氏体相区缩小元素，铁素体形成元奥氏体相区缩小元素，铁素体形成元素素：CrCr、MoMo等元素的加入都会使奥氏等元素的加入都会使奥氏体相区缩小，体相区缩小，相区缩小，可得到单相区缩小，可得到单一的铁素体钢。如一的铁素体钢。如0Cr130Cr13钢。钢。二、合金元素对铁碳合金相图的影响二、合金元素对铁碳合金相图的影响1. 1. 对奥氏对奥氏体相区的体相区的影响影响合金元合金元素会使素会使奥氏体奥氏体的单相的单相区扩大区扩大或缩小。或缩小。奥氏体相区扩大奥氏体相区扩大元素：使元素：使A A1 1降低。降低。奥

4、氏体相区缩小奥氏体相区缩小元素：使元素：使A A1 1升高。升高。2.2.对共析温对共析温度的影响度的影响A A1 1降低降低A A1 1升高升高3.3.对共析对共析点（点（S）位）位置的影响置的影响Co、Ni、Cr、Mo、V导热性能差当含当含W W、MoMo、V V、TiTi量较高的淬火钢，在量较高的淬火钢，在500500600600回火时，其回火时，其硬度并不降低，反而升高，回火时硬度升高的现象称为二次硬化。硬度并不降低，反而升高，回火时硬度升高的现象称为二次硬化。析出细小、弥散、稳定的特殊碳化物 合金钢的回火合金钢的回火脆性示意图脆性示意图第二节第二节 合金钢的分类和牌号合金钢的分类和牌

5、号合金结构钢合金结构钢 合金工具钢合金工具钢 特殊性能钢特殊性能钢 按用途分类按用途分类用于制造用于制造机械零件机械零件和工程结和工程结构的钢构的钢 用于制造用于制造各种工具各种工具的钢的钢 具有某种特殊具有某种特殊物理、化学性物理、化学性能的钢、耐热能的钢、耐热钢、耐磨钢钢、耐磨钢一、分类一、分类重点分类分类和和命名命名低合金钢低合金钢 中合金钢中合金钢 高合金钢高合金钢 按合金元素总含量分类按合金元素总含量分类 合金元合金元素总含素总含量量5%10%10%。 二、合金钢的牌号二、合金钢的牌号1、合金结构钢的牌号、合金结构钢的牌号采用两位数字（碳含量）采用两位数字（碳含量）+ +元素符号（或

6、汉字）元素符号（或汉字）+ +数字表示数字表示例如例如：40Cr40Cr钢为合金结构钢，钢为合金结构钢，60Si2Mn60Si2Mn钢为合金结构钢，钢为合金结构钢，40Cr40CrC C：0.4%0.4%CrCr：11.5%.5%60Si2Mn 60Si2Mn C C：0.6%0.6%MnMn：11.5%.5%SiSi：2%2%万分之几百分之几，滚动轴承钢例外，千分之几2 2、合金工具钢的牌号、合金工具钢的牌号 合金工具钢的牌号和合金结构钢的区别：仅在于碳含量的表示合金工具钢的牌号和合金结构钢的区别：仅在于碳含量的表示方法，它用一位数字表示平均含碳量的方法，它用一位数字表示平均含碳量的千分数千

7、分数，当碳含量大于等于当碳含量大于等于1.0%1.0%时，则不予标出。时，则不予标出。 如如9SiCr9SiCr钢为合金工具钢，平均含碳量为钢为合金工具钢，平均含碳量为0.90%0.90%，主要合金元素为硅、，主要合金元素为硅、铬，含量均小于铬，含量均小于1.5%1.5%。9SiCr9SiCrC C：0.9%0.9%SiSi、CrCr：1 1%1%，不标出不标出CrCr：1212% %MoMo、V:V: 1 1.5%.5%W18Cr4VW18Cr4VC C： 1%1%，也也不标出不标出W W：1818% %，CrCr：4 4% %V:V: 1 1.1 % Cr,Mo, W,V 提高耐磨性提高耐

8、磨性 Cr12MoVCr12MoV钢冲孔落料模生产工艺路线如下：钢冲孔落料模生产工艺路线如下： 下料下料锻造锻造退火退火机械加工机械加工淬火淬火+ +低温回火低温回火精磨或电火花加工精磨或电火花加工成品成品 热作模具钢用于制造热锻模和热压模。热作模具钢用于制造热锻模和热压模。 热作模具在工作时，除承受较大的各种机械应力外，热作模具在工作时，除承受较大的各种机械应力外，还使模膛受到炽热金属和冷却介质（水、油和空气）的交还使模膛受到炽热金属和冷却介质（水、油和空气）的交替作用产生的热应力，易使模膛龟裂，即热疲劳现象。替作用产生的热应力，易使模膛龟裂，即热疲劳现象。（1 1）性能要求）性能要求： 具

9、有较高的强度和韧性，并有足够的耐磨性和硬度具有较高的强度和韧性，并有足够的耐磨性和硬度（HRC40-50HRC40-50） 有良好的抗热疲劳性有良好的抗热疲劳性 有良好的导热性及回火稳定性，以利于始终保持模有良好的导热性及回火稳定性，以利于始终保持模具的良好强度和韧性。具的良好强度和韧性。 热作模具一般体积大，为保证模具的整体性能均匀热作模具一般体积大，为保证模具的整体性能均匀一致，还要求有足够的淬透性。一致，还要求有足够的淬透性。（二）热作模具钢（二）热作模具钢中C:0.3 %0.6%含碳量（2）化学成分Cr、Ni 、Mn、Si：可提高钢的淬透性。W、Mo、V：主要作用是提高钢的回火稳定性、

10、二次硬化 。Mo防止回火脆性。合金元素 5Cr2MnMo-小型热锻模 3Cr2W8V、 4Cr5MoSiV-大型热锻模典型钢种 特殊性能钢是指具有特殊的物理、化学性能的钢，它特殊性能钢是指具有特殊的物理、化学性能的钢，它的种类很多，并且正在迅速发展。其中最主要的是不锈钢的种类很多，并且正在迅速发展。其中最主要的是不锈钢和耐热钢。和耐热钢。1 1不锈钢不锈钢（又称为不锈耐酸钢）是指能抵抗大气或酸等化学介（又称为不锈耐酸钢）是指能抵抗大气或酸等化学介质腐蚀的钢。质腐蚀的钢。 用途用途：不锈钢是石油不锈钢是石油、化工、化肥等工业部门广泛使化工、化肥等工业部门广泛使用的金属材料用的金属材料. .各种容

11、器、管道、阀门总是在腐蚀性气体各种容器、管道、阀门总是在腐蚀性气体和介质工作和介质工作，常因腐蚀而失效常因腐蚀而失效。第五节第五节 特殊性能钢特殊性能钢化学腐蚀：是金属在干燥气体或非电解质溶液中化学腐蚀：是金属在干燥气体或非电解质溶液中的腐蚀，腐蚀过程不产生电流，钢在高温下的氧化的腐蚀，腐蚀过程不产生电流，钢在高温下的氧化属于典型的化学腐蚀；属于典型的化学腐蚀；电化学腐蚀：是金属与电解质溶液接触时所发生电化学腐蚀：是金属与电解质溶液接触时所发生的腐蚀，腐蚀过程中有电流产生，钢在室温下的的腐蚀，腐蚀过程中有电流产生，钢在室温下的锈锈蚀主要蚀主要属于电化学腐蚀。属于电化学腐蚀。（1 1）金属腐蚀的

12、一般概念）金属腐蚀的一般概念腐蚀通常可分为腐蚀通常可分为: : 化学腐蚀化学腐蚀 电化学腐蚀电化学腐蚀电化学腐蚀实际是电池作用。当两种互相接触的金属放入电解质溶液时，由于两种金属的电极电位不同，彼此之间就形成一个微电池，并有电流产生。电极电位低的金属为阳极；电极电位高的金属为阴极电极反应的两个规律1电极电位最低的物质首先在阳极反应。2电极电位最高的物质首先在阴极反应。 阳极的金属将不断被溶解，而阴极金属就不被腐蚀。阴极的反应为：2H+2eH2阳极的反应为：Zn-2e Zn +2对于同一种合金，由于组成合金的相或组织不同，也会形成微电池，对于同一种合金，由于组成合金的相或组织不同，也会形成微电池

13、，造成电化学腐蚀。造成电化学腐蚀。例如钢组织中的珠光体，是由铁素体和滲碳体两相组成的，在电解例如钢组织中的珠光体，是由铁素体和滲碳体两相组成的，在电解质溶液中就会形成微电池，由于质溶液中就会形成微电池，由于铁素体的电极电位低，为阳极铁素体的电极电位低，为阳极，就，就被腐蚀。而滲碳体的电极电位高，为阴极而不被腐蚀。被腐蚀。而滲碳体的电极电位高，为阴极而不被腐蚀。在观察碳钢的显微组织时，要把抛光的试样磨面放在硝酸酒精溶液在观察碳钢的显微组织时，要把抛光的试样磨面放在硝酸酒精溶液中浸蚀，使铁素体腐蚀后，才能在显微镜下观察到珠光体的组织，中浸蚀，使铁素体腐蚀后，才能在显微镜下观察到珠光体的组织，就是利

14、用就是利用电化学腐蚀的原理实现电化学腐蚀的原理实现的。的。珠光体腐蚀示意图珠光体腐蚀示意图 提高金属的抗电化学腐蚀能力的措施：提高金属的抗电化学腐蚀能力的措施：尽量使金属在获得均匀的尽量使金属在获得均匀的单相组织单相组织条件下使用，这样条件下使用，这样金属在电解质溶液中只有一个极，使微电池难以形成。如金属在电解质溶液中只有一个极，使微电池难以形成。如在钢中加入大于在钢中加入大于24%24%的的NiNi，会使钢在常温下获得单相的奥，会使钢在常温下获得单相的奥氏体组织。氏体组织。加入合金元素提高金属基体的电极电位，例如在钢中加入合金元素提高金属基体的电极电位，例如在钢中加入大于加入大于13%13%

15、的的CrCr，则铁素体的电极电位由，则铁素体的电极电位由-0.56V-0.56V提高到提高到0.2V0.2V，从而使金属的抗腐蚀性能提高。，从而使金属的抗腐蚀性能提高。加入合金元素，在金属表面形成一层致密的加入合金元素，在金属表面形成一层致密的氧化膜氧化膜，又称又称钝化膜钝化膜，把金属与介质分隔开，从而防止进一步的腐，把金属与介质分隔开，从而防止进一步的腐蚀。蚀。铬是不锈钢合金化的主要元素。钢中加入铬，提高电极铬是不锈钢合金化的主要元素。钢中加入铬，提高电极电位，从而提高钢的耐腐蚀性能。当含铬量达电位，从而提高钢的耐腐蚀性能。当含铬量达n/8n/8原子分原子分数值（数值（n=1n=1、2 2、

16、33），即达到），即达到1/81/8、2/82/8、3/83/8（也即（也即12.5%12.5%、25%25%、37.5%37.5%）原子分数）原子分数时，电极电位呈台阶式跃增，即腐蚀速度呈台阶式下降，时，电极电位呈台阶式跃增，即腐蚀速度呈台阶式下降，这称之为这称之为n/8n/8规律。所以铬钢中的含铬量只有超过台阶值规律。所以铬钢中的含铬量只有超过台阶值（如（如n=1n=1，换成重量百分数则为，换成重量百分数则为12.5%X(52/55.8)=11.7%12.5%X(52/55.8)=11.7%）时，钢的耐蚀性才明显提高。时，钢的耐蚀性才明显提高。由于含铬量超过由于含铬量超过11.7%，而且，

17、而且绝大部分都溶于固溶体中，使电绝大部分都溶于固溶体中，使电极电位跃增，使基体的电化学腐极电位跃增，使基体的电化学腐蚀过程变缓。同时，在金属表面蚀过程变缓。同时，在金属表面被腐蚀时，形成一层与基体金属被腐蚀时，形成一层与基体金属结合牢固的钝化膜，使腐蚀过程结合牢固的钝化膜，使腐蚀过程受阻，从而提高钢的耐蚀性。受阻，从而提高钢的耐蚀性。 化工生产中的某些设备及管道化工生产中的某些设备及管道4Cr14Ni14W2MoV属于奥氏体型耐热钢 ，常用于内燃机排气阀，气门等 b b）高温强度）高温强度金属在高温下所表现的力学性能与室温下大不相同。金属在高温下所表现的力学性能与室温下大不相同。在室温下的强度

18、值与载荷作用的时间无关，但金属在高温在室温下的强度值与载荷作用的时间无关，但金属在高温下，当工作温度大于再结晶温度、工作应力大于此温度下下，当工作温度大于再结晶温度、工作应力大于此温度下的弹性极限时，随时间的延长，金属会发生极其缓慢的塑的弹性极限时，随时间的延长，金属会发生极其缓慢的塑性变形，这种现象叫做性变形，这种现象叫做“蠕变蠕变”。在高温下，金属的强度。在高温下，金属的强度是用蠕变强度和持久强度来表示。蠕变强度是指金属在一是用蠕变强度和持久强度来表示。蠕变强度是指金属在一定温度下，一定时间内，产生一定变形量所能承受的最大定温度下，一定时间内，产生一定变形量所能承受的最大应力。而持久强度是

19、指金属在一定温度下，一定时间内，应力。而持久强度是指金属在一定温度下，一定时间内，所能承受的最大断裂应力。所能承受的最大断裂应力。为了提高钢的高温强度，通常采用以下几种措施：为了提高钢的高温强度，通常采用以下几种措施：固溶强化固溶强化。固溶体的热强性首先取决于固溶体自身的晶体结构，。固溶体的热强性首先取决于固溶体自身的晶体结构，由于面心立方的奥氏体晶体结构比体心立方的铁素体排列的更紧密，由于面心立方的奥氏体晶体结构比体心立方的铁素体排列的更紧密，因此奥氏体耐热钢的热强性高于铁素体为基的耐热钢。在钢中加入因此奥氏体耐热钢的热强性高于铁素体为基的耐热钢。在钢中加入合金元素，形成单相固溶体，提高原子

20、结合力，减缓元素的扩散，合金元素，形成单相固溶体，提高原子结合力，减缓元素的扩散，提高再结晶温度，能进一步提高热强性。提高再结晶温度，能进一步提高热强性。析出强化析出强化。在固溶体中沉淀析出稳定的碳化物、氮化物、金属。在固溶体中沉淀析出稳定的碳化物、氮化物、金属间化合物，也是提高耐热钢热强性的重要途径之一。如加入铌、钒、间化合物，也是提高耐热钢热强性的重要途径之一。如加入铌、钒、钛等，形成钛等，形成NbCNbC、TiCTiC、VCVC等，在晶内弥散析出，阻碍位错的滑移，等，在晶内弥散析出，阻碍位错的滑移，提高塑变抗力，提高热强性。提高塑变抗力，提高热强性。强化晶界强化晶界。材料在高温下其晶界强

21、度低于晶内强度，晶界成为。材料在高温下其晶界强度低于晶内强度，晶界成为薄弱环节。通过加入钼、锆、钒、硼等晶界吸附元素，降低晶界表薄弱环节。通过加入钼、锆、钒、硼等晶界吸附元素，降低晶界表面能，使晶界碳化物趋于稳定，使晶界强化，从而提高钢的热强性。面能，使晶界碳化物趋于稳定，使晶界强化，从而提高钢的热强性。a a）珠光体耐热钢）珠光体耐热钢一般是在正火状态下加热到一般是在正火状态下加热到Ac3+30Ac3+30，保温一段时，保温一段时间后空冷，随后在高于工作温度约间后空冷，随后在高于工作温度约5050下进行回火，其显下进行回火，其显微组织为珠光体微组织为珠光体+ +铁素体。其工作温度为铁素体。其

22、工作温度为350350550 550 ，由，由于含合金元素量少，工艺性好，常用于制造锅炉、化工压于含合金元素量少，工艺性好，常用于制造锅炉、化工压力容器、热交换器、汽阀等耐热构件。其中力容器、热交换器、汽阀等耐热构件。其中15CrMo15CrMo主要主要用于锅炉零件。这类钢在长期的使用过程中，会发生珠光用于锅炉零件。这类钢在长期的使用过程中，会发生珠光体的球化和石墨化，从而显著降低钢的蠕变和持久强度。体的球化和石墨化，从而显著降低钢的蠕变和持久强度。为此，这类钢力求降低含碳量和含锰量，并适当加入铬、为此，这类钢力求降低含碳量和含锰量，并适当加入铬、钼等元素，抑制球化和石墨化倾向。除此之外，钢中

23、加入钼等元素，抑制球化和石墨化倾向。除此之外，钢中加入铬是为了提高抗氧化性，加入钼是为了提高钢的高温强度。铬是为了提高抗氧化性，加入钼是为了提高钢的高温强度。典型钢典型钢:15CrMo:15CrMo、12CrMoV12CrMoVb）马氏体耐热钢这类钢主要用于制造汽轮机叶片和气阀等。 1Cr13、2Cr13是最早用于制造汽轮机叶片的耐热钢。为了进一步提高热强性，在保持高的抗氧化性能的同时，加入钨、钼等元素使基体强化，使碳化物稳定，提高钢的耐热性能。1Cr11MoV、1Cr12WMoV，经淬火+高温回火后，可使工作温度提高到550580 。4Cr9Si2，4Cr10Si2Mo是典型的汽车阀门用钢，

24、经调质处理后，钢具有较高的耐热性和耐磨性。0.4%的含碳量是为了获得足够的硬度和耐磨性，加入铬、硅是为了提高抗氧化性，加入钼是为了提高高温强度和避免回火脆性。4Cr10Si2Mo常用于制作重型汽车的汽阀。c c）奥氏体耐热钢）奥氏体耐热钢奥氏体耐热钢的耐热性能优于珠光体耐热钢和马氏体耐热钢，奥氏体耐热钢的耐热性能优于珠光体耐热钢和马氏体耐热钢，这类钢的冷塑性变形性能和焊接性能都很好，一般工作温度在这类钢的冷塑性变形性能和焊接性能都很好，一般工作温度在600600 700700 ，广泛用于航空、舰艇、石油化工等工业部门制造汽，广泛用于航空、舰艇、石油化工等工业部门制造汽轮机叶片，发动机汽阀等。最

25、典型的牌号是轮机叶片，发动机汽阀等。最典型的牌号是1Cr18Ni9Ti1Cr18Ni9Ti，CrCr的主要的主要作用是提高抗氧化性和高温强度，镍主要是使钢形成稳定的奥氏体，作用是提高抗氧化性和高温强度，镍主要是使钢形成稳定的奥氏体，并与铬相配合提高高温强度，钛是通过形成弥散的碳化物提高钢的并与铬相配合提高高温强度，钛是通过形成弥散的碳化物提高钢的高温强度。高温强度。4Cr15Ni204Cr15Ni20（HK40HK40）是石化装置上大量使用的高碳奥氏体耐热）是石化装置上大量使用的高碳奥氏体耐热钢。这种钢在铸态下的组织是奥氏体基体钢。这种钢在铸态下的组织是奥氏体基体+ +骨架状共晶碳化物，在骨架

26、状共晶碳化物，在900900工作寿命达工作寿命达1010万小时。铬是抗氧化性能的主要元素，铬和镍万小时。铬是抗氧化性能的主要元素，铬和镍同时加入，其主要作用是得到单相稳定的奥氏体，提高钢的高温强同时加入，其主要作用是得到单相稳定的奥氏体，提高钢的高温强度。度。 4Cr14Ni14W2Mo4Cr14Ni14W2Mo是用于制造大功率发动机排气阀的典型钢种。是用于制造大功率发动机排气阀的典型钢种。此钢的含碳量提高到此钢的含碳量提高到0.4%0.4%，目的在于形成铬、钼、钨的碳化物并呈，目的在于形成铬、钼、钨的碳化物并呈弥散析出，提高钢的高温强度。弥散析出，提高钢的高温强度。三耐磨钢三耐磨钢1 1定义

27、：定义： 通常是指在冲击和磨损条件下使用的高锰钢。通常是指在冲击和磨损条件下使用的高锰钢。2 2用途：用途：制造球磨机的衬板、破碎机的颚板、挖掘机的斗制造球磨机的衬板、破碎机的颚板、挖掘机的斗 齿、拖拉机和坦克的履带板。齿、拖拉机和坦克的履带板。3 3化学成分：化学成分： C C：0.9%- 1.5% Mn0.9%- 1.5% Mn：11%- 14%11%- 14%4 4典型钢种：典型钢种： ZGMn13ZGMn13 * *耐磨钢机械加工困难，基本上是铸造后直接使用。耐磨钢机械加工困难，基本上是铸造后直接使用。 一、填空一、填空1 1. .合金元素在钢中的主要作用有合金元素在钢中的主要作用有、

28、和和。2 2合金钢按主要用途分类，可分为合金钢按主要用途分类，可分为、及、及三大类。三大类。3 3常用的不锈钢有常用的不锈钢有和和两种两种二、判断二、判断1 1大部分合金钢的淬透性都比碳钢好。（大部分合金钢的淬透性都比碳钢好。（ ）2 2合金工具钢都是高碳钢。合金工具钢都是高碳钢。 （ ）3 3GCr15GCr15钢是钢是滚滚动轴承钢，但又可制造量具、刀具和冷冲模具等。动轴承钢，但又可制造量具、刀具和冷冲模具等。（ ）4 4Cr12W8VCr12W8V是不锈钢。（是不锈钢。（ ） 一、填空一、填空1 1. .合金元素在钢中的主要作用有合金元素在钢中的主要作用有提高淬透性提高淬透性、提高强度提高强度、提高回提高回火稳定性火稳定性和和改善性能改善性能2 2合金钢按主要用途分类，可分为合金钢按主要用途分类，可分为合金结构钢合金结构钢、合金工具钢合金工具钢及及特特殊性能钢殊性能钢三大类。三大类。3 3常用的不锈钢有常用的不锈钢有奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢和和马氏体不锈钢马氏体不锈钢两种两种二、判断二、判断1 1大部分合金钢的淬透性都比碳钢好。（大部分合金钢的淬透性都比碳钢好。（ ）2 2合金工具钢都是高碳钢。合金工具钢都是高碳钢。 （ ）- -热作模具钢热作模具钢c c：0.5%3 3GCr15GCr15钢是钢是滚