第六章合金钢

1、第一节 概述第二节 合金结构钢第三节 合金工具钢第四节 特殊性能钢第五节 钢的火花鉴别第六章 合金钢 第一节第一节 概述概述 工业上较多地使用合金钢大约是在19世纪后半期，先后发明了自硬钢、铬钢、镍钢和高速工具钢，适应了社会生产力发展的要求。 20世纪20年代后，冶金技术取得了快速发展，耐热钢、高强度钢和超高强度钢等不断问世，随着冶金新技术，特别是炉外精炼技术的广泛应用，合金钢开始向高纯度、高精度和超低碳的方向发展。目前国际上合金钢的产量约占钢总产量的10%，是国民经济和国防建设大量使用的重要金属材料。一、合金元素在钢中的主要作用一、合金元素在钢中的主要作用1. 1. 强化铁素体强化铁素体 由

2、于合金元素与铁的晶格类型和原子半径的差异，引起铁素体的晶格畸变，产生固溶强化作用，使铁素体的强度、硬度提高，塑性和韧性下降。2. 2. 形成合金碳化物形成合金碳化物 锰、铬、钼、钨、钒、钛等元素能与碳形成碳化物。根据合金元素与碳的亲和力不同，它们在钢中形成的碳化物可分为合金渗碳体和特殊碳化物两类。3. 3. 细化晶粒细化晶粒 几乎所有的合金元素都有抑制钢在加热时奥氏体晶粒长大的作用，达到细化晶粒的目的。4. 4. 提高钢的淬透性提高钢的淬透性 除钴外，所有的合金元素溶解于奥氏体后，均可增加过冷奥氏体的稳定性，推迟其向珠光体的转变，使C曲线右移，从而减小淬火临界冷却速度，提高钢的淬透性。5. 5

3、. 提高钢的回火稳定性提高钢的回火稳定性 合金钢在回火过程中，由于合金元素的阻碍作用，使马氏体不易分解，碳化物不易析出，即使析出后也不易聚集长大，而保持较大的弥散度，所以钢在回火过程中硬度下降较慢。二、合金钢的分类二、合金钢的分类1. 1. 按用途分类按用途分类 合金结构钢：用于制造机械零件和工程结构的合金钢。 合金工具钢：用于制造各种工具的合金钢。 特殊性能钢：具有某种特殊物理、化学性能的合金钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。2. 2. 按合金元素总含量分类按合金元素总含量分类 低合金钢：合金元素总含量小于5%。 中合金钢：合金元素总含量为5%10%。 高合金钢：合金元素总含量大于10%。第一

4、节第一节 概述概述 第二节第二节 合金结构钢合金结构钢 合金结构钢实物a）奥运“鸟巢” b）变速齿轮c）机床丝杠 如图所示，奥运“鸟巢”属于大型工程构件，变速齿轮和机床丝杠属于机械零件。它们的工作条件和性能要求各不相同，应选择不同类型的金属材料制造。 那么，什么样的材料能满足需要呢？一、低合金结构钢一、低合金结构钢1. 1. 成分及性能特点成分及性能特点 低合金高强度结构钢的含碳量较低，加入的主要合金元素是锰（Mn）、硅（Si）、钛（Ti）、铌（Nb）、钒（V）等。锰和硅的主要作用是对铁素体起固溶强化作用，以提高钢的强度。2. 2. 热处理特点热处理特点 低合金高强度结构钢大多数是在热轧退火或

5、正火状态下使用，一般不再进行热处理。3. 3. 常用牌号和用途常用牌号和用途常用的低合金高强度结构钢的牌号、力学性能和用途二、合金渗碳钢二、合金渗碳钢1. 1. 成分及性能特点成分及性能特点2. 2. 热处理特点热处理特点3. 3. 常用牌号和用途常用牌号和用途常用合金渗碳钢的牌号、力学性能和用途 为改善切削加工性能，预备热处理应采用正火，为保证表面的高硬度和高耐磨性，合金渗碳钢的最终热处理应采用渗碳后淬火再低温回火。 合金渗碳钢的含碳量为0.10%0.25%，可保证心部有足够的塑性和韧性。加入铬、镍等合金元素可提高钢的淬透性，加入钒、钛等合金元素主要是为了防止在高温渗碳过程中晶粒长大。三、合

6、金调质钢三、合金调质钢1. 1. 成分及性能特点成分及性能特点2. 2. 热处理特点热处理特点3. 3. 常用牌号和用途常用牌号和用途 这类钢的含碳量一般为0.25%0.50%。合金调质钢中常加入少量铬、锰等合金元素使铁素体强化并提高韧性。加入少量钼、钒等碳化物形成元素，可阻止奥氏体晶粒长大。 为改善锻造后的组织、消除锻造内应力和改善切削加工性能，合金调质钢的预备热处理应采用正火或退火。常用合金调质钢的牌号、力学性能和用途 第三节第三节 合金工具钢合金工具钢 车刀和铣刀是高速切削刀具，工作时由于受到复杂的切削力作用，其刃部与工件之间产生强烈的摩擦，使切削刃磨损并发热，切削量越大，刃部温度越高，

7、会使刃部硬度降低，甚至丧失切削能力。另外，车刀和铣刀还承受冲击载荷与振动。 因此，要求制造车刀和铣刀的材料除了具有高的硬度和刃磨性，足够的强度和韧性外，还必须在高温下具有高的热硬度。一、合金刃具钢一、合金刃具钢1. 1. 低合金刃具钢低合金刃具钢 （1）成分及性能特点 低合金刃具钢的含碳量一般为0.75%1.5%，保证淬火后具有高的硬度和耐磨性。低合金刃具钢与碳素工具钢相比提高了淬透性。低合金刃具钢经热处理后具有高的硬度、足够的强度和韧性等。 （2）热处理特点 低合金刃具钢的预备热处理采用球化退火，若组织中网状碳化物较多，球化退火前应先正火消除网状碳化物。为获得所需要的力学性能，最终热处理采用

8、淬火加低温回火。 （3）常用牌号和用途常用低合金刃具钢的牌号、硬度和用途2. 2. 高速钢高速钢（1）成分及性能特点 高速钢中含碳量较高（0.7%1.5%），并含有大量的钨、铬、钒、钼等强碳化物形成元素。高含碳量是为了保证形成足够量的合金碳化物，并使高速钢具有高的硬度和耐磨性。 高速钢具有高热硬性、高耐磨性和足够的强度，高速钢的热硬性可达600，切削时能长期保持刃口锋利，故又称锋钢。（3）常用牌号和用途常用高速钢的牌号、含碳量、热处理、硬度和用途二、合金模具钢二、合金模具钢1. 1. 冷作模具钢冷作模具钢冷作模具（1）成分及性能特点 冷作模具钢的成分特点是高碳、高铬，高碳保证获得高硬度和高耐磨

9、性，加入一定量的铬、锰等元素是为了提高淬透性。这类钢应具有高硬度、高耐磨性、足够的强度和韧性。（2）热处理特点 为减小内应力，冷作模具钢的预备热处理选用等温球化退火。最终热处理一般采用淬火加低温回火。（3) 常用牌号和用途 冷作模具钢的牌号表示方法与低合金刃具钢相同。小型冷作模具可用碳素工具钢、低合金刃具钢和滚动轴承钢制造。（1）成分及性能特点 热作模具钢一般为中碳合金钢，具有良好的强度、硬度和韧性。加入合金元素铬、镍、锰、硅等是为了强化钢的基体和提高钢的淬透性。加入铝、钨、钒等元素是为了细化晶粒，提高钢的回火稳定性和耐磨性。（2）热处理特点 热作模具钢的预备热处理一般采用退火。最终热处理是淬

10、火后中温或高温回火。（3）常用牌号和用途 热作模具钢牌号的表示方法与低合金刃具钢相同。3. 3. 塑料模具钢塑料模具钢（1）性能特点 塑料模具钢的工作温度均不超过250，由于其在工作时会持续受热、受压，并受到一定程度的摩擦和有害气体的腐蚀，因此要求塑料模具钢在200左右具有足够的强度和韧性，并具有较高的耐磨性和耐腐蚀性。（2）常用牌号和用途塑料模具钢的牌号和用途三、合金量具钢三、合金量具钢常用量具1. 1. 性能特点性能特点 量具必须具备极高的尺寸精度和稳定性，因而量具的工作部分一般要求具有高硬度、高耐磨性、高的尺寸稳定性和足够的韧性。2. 2. 热处理特点热处理特点 合金量具钢经淬火后要在1

11、50170下长时间低温回火，以稳定尺寸。对精密量具，淬火后要进行冷处理，然后再进行长时间的低温回火。3. 3. 常用合金量具钢的牌号和用途常用合金量具钢的牌号和用途量具钢的应用实例 第四节第四节 特殊性能钢特殊性能钢挖掘机 挖掘机主要用于各种工程土料的挖掘和装载等作业，其工作条件十分复杂和具有不确定性，履带和铲斗承受强烈的磨损和冲击，要求具有很高的强度、韧性和耐磨性，一般钢材难以满足这一要求，这就需要选择一种具有特殊性能的材料特殊性能钢来满足上述要求。一、不锈钢一、不锈钢1. 1. 成分特点成分特点 随着不锈钢中含碳量的增加，其强度、硬度和耐磨性提高，但耐腐蚀性下降，因此，大多数不锈钢的含碳量

12、都较低。不锈钢还具有良好的耐腐蚀性。2. 2. 常用不锈钢的牌号和用途常用不锈钢的牌号和用途 不锈钢牌号的表示方法：只规定含碳量上限者，当钢中含碳量上限不大于0.10% 时，以其上限的3/4表示含碳量；当含碳量上限大于0.10% 时，以其上限的4/5表示含碳量，用两位阿拉伯数字表示含碳量的万分数。 常用不锈钢的牌号和用途1.1. 成分特点成分特点（1）抗氧化钢 抗氧化钢是在高温下具有较好的抗氧化能力且具有一定强度的钢。抗氧化钢中加入的合金元素为铬、硅、铝等，它们在钢表面形成致密的氧化膜，从而避免了钢的进一步氧化。（2）热强钢 热强钢是在高温下具有良好抗氧化能力且具有较高的高温强度的钢。为了提高

13、钢的抗氧能力和高温强度，常在钢中加入铬、钨等合金元素。2. 2. 常用牌号和用途常用牌号和用途耐热钢的常用牌号和用途二、耐热钢二、耐热钢第一节第一节 概述概述 第五节第五节 钢的火花鉴别钢的火花鉴别一、火花鉴别的原理及火花组成一、火花鉴别的原理及火花组成1 1火花鉴别的原理火花鉴别的原理 在旋转着的砂轮上打磨钢试件，试件上脱落下来的钢屑在惯性力作用下飞溅出来，形成一道道或长或短的火花射线。根据试件与砂轮的接触压力不同、钢的成分不同, 火花射线也各不一样。飞溅的钢屑达到高温时，钢和钢中的伴生元素在空气中烧掉。因为碳的氧化物CO和CO2是气体，这些小的赤热微粒在离开砂轮一定距离时产生类似于爆炸的现象，于是便爆裂成火花，所以可根据流线和火花的特征来鉴别钢材的成分。2 2火花的组成火花的组成（1）火束（2）流线流线形状示意图（3）节点与芒线（4）爆花与花粉爆花各种形式的示意图（5）尾花 尾花形态示意图a）直羽尾花b）枪尖尾花c）狐尾花二、火花鉴别的方法二、火花鉴别的方法1 1火花鉴别的设备及操作方法火花鉴别的设备及操作方法 火花鉴别的主要设备是砂轮机。进行火花鉴别时，操作者应戴上无色眼镜，场地光线不宜太亮，以免影响火花色泽及清晰程度。在钢试件接触砂轮时，压力要适中，使火花向略高于水平方向发射，以便于仔细观察。从火花的颜色、形状、长短、爆花的数量和尾花的特征等多方面进行判断。