金属材料与热处理第7章合金钢课件

1、第7章 合金钢知识目标：了解合金元素对钢性能的影响掌握合金钢钢常用的分类方法 技能目标：掌握合金钢牌号的表示方法与识读 根据用途正确选用合金钢牌号 为了提高钢的综合机械力学性能、工艺性能、物理性能、化学性能和得到某些特殊性能，在冶炼时有意往钢中加入一些合金元素，这种钢就称为合金钢。 一般加入钢中的合金元素有：铬（Cr）、镍（Ni）、钼（Mo）、钨（W）、锰（Mn）、硅（Si）、钒（V）、钴（Co）、硼（B）、铌(Nb)、锆(Zr)、铝(Al)、铜(Cu)、钛(Ti)、氮(N)等，以及稀土（Re）等合金元素。 7.2 合金钢的分类和牌号7.1 合金元素对钢的影响7.3 合金结构钢7.4 合金工具

2、钢7.5 特殊性能钢第7章 合金钢7.1 合金元素对钢的影响7.1.1 形成合金铁素体7.1.2 形成合金碳化物7.1.3 细化晶粒7.1.4 提高钢的淬透性 7.1.5 提高钢的回火稳定性7.1.6 对铁碳合金相图的影响7.1.7 合金元素对钢热处理的影响7.1.1 形成合金铁素体 大多数合金元素（除铅外）都可以或多或少溶入铁素体中，形成合金铁素体。合金元素与铁形成间隙固溶体或形成置换固溶体。由于合金元素的加入，引起铁素体晶格畸变，产生固溶强化，使溶入合金元素的铁素体的强度、硬度明显增加，塑性和韧性略有下降。7.1.2 形成合金碳化物1.合金渗碳体合金渗碳体是合金元素溶入渗碳体中置换其中的铁

3、原子所形成的化合物（如铬、钨、锰等合金元素形成的（Fe，Cr）3C、（Fe，W）3C、（Fe，Mn）3C）。形成合金渗碳体的合金元素与碳的亲和力相对较弱（比Fe强），且晶格类型与渗碳体相同，合金渗碳体较渗碳体略为稳定，硬度也有所提高。稳定性高的合金渗碳体较难溶于奥氏体，从而阻碍了加热时奥氏体晶粒的长大。7.1.2 形成合金碳化物2.特殊碳化物某些合金元素（如钒、铌、钛等）与碳的亲和力较强，能形成特殊碳化物（如VC、TiC等），且晶格类型与渗碳体完全不同，特殊碳化物比合金渗碳体具有更高的稳定性、硬度、熔点和耐磨性，稳定性越高的碳化物越难溶于奥氏体，同时也越难长大。当钢中的特殊碳化物呈弥散分布时，

4、合金钢的强度、硬度和耐磨性明显提高，韧性不降低。7.1.3 细化晶粒由于合金元素（几乎所有元素）的加入，形成了合金铁素体和合金碳化物，降低了扩散速度，使合金钢晶格的稳定性明显增加，抑制钢在加热时向奥氏体晶粒转变（包括奥氏体的形核与长大）的时间和速度，达到细化晶粒的目的，使合金钢在热处理后能获得更细的晶粒。为了得到比较均匀、细小，含有足够数量的合金元素的奥氏体，合金钢的热处理需要更高的加热温度和较长的保温时间。7.1.4 提高钢的淬透性合金元素（除钴外）溶入奥氏体后，可降低原子的扩散能力，增加了过冷奥氏体的稳定性，推迟其向珠光体转变，使C曲线右移，降低了合金钢淬火的临界冷却速度，提高合金钢的淬透

5、性。提高了钢的淬透性对生产有利，可以在冷却能力较弱的介质中进行淬火，减少工件变形与开裂的倾向；如果以相同的临界冷却速度冷却，可增大淬透层深度，从而提高了零件的力学性能。 7.1.5 提高钢的回火稳定性淬火钢在回火时抵抗软化（强度、硬度下降）的能力称为钢的回火稳定性。合金钢在回火过程中，由于合金元素的阻碍作用，使马氏体、残余奥氏体不易分解，碳化物不易析出，即使析出后也不易长大，呈较大的弥散状分布，所以合金钢在回火过程中硬度下降较慢。某些合金钢（含钼、钒等）在回火时出现二次硬化现象，硬度比淬火后还高，究其原因是残余奥氏体在回火过程中转变为马氏体，马氏体在回火时析出高弥散度的特殊碳化物。7.1.5

6、提高钢的回火稳定性 通过以上可以看出，在相同的回火温度条件下，合金钢的强度和硬度比同样含碳量的碳钢更高；在相同的强度和硬度前提下，合金钢的回火温度比相同含碳量的碳钢要高，从而使其韧性更好，内应力更小。 高的回火稳定性也就是高的红硬性(或热硬性)，具有高的回火稳定性的合金钢能在较高的温度下保持高硬度和高耐磨性，这对实际生产有益，可以提高某些工具钢的耐用度，从而提高了生产效率。7.1.6 对铁碳合金相图的影响1. 对奥氏体、铁素体相区的影响奥氏体形成的元素有锰、镍、钴等合金元素，这些合金元素能使奥氏体相区扩大。铁素体形成的元素有铬、钼、钒、钛、硅等合金元素，这些合金元素能使铁素体相区扩大。2. 对

7、共析成分的影响所有合金元素均使共析含碳量下降，共析点S左移。一般碳钢中的共析成分含碳量约为0.77%，当加入4.0%的锰时，共析成分的含碳量仅为0.6%。一些高合金钢中含有0.4%碳就已经是过共析钢了。大多数合金元素也使共晶莱氏体的含碳量降低，E点左移。如在一些高合金钢中，尽管含碳量没有超过1.0%，其铸态组织已出现莱氏体。7.1.6 对铁碳合金相图的影响3.对共析温度的影响合金元素可以溶入铁素体从而影响铁素体-奥氏体相变；合金元素还影响碳化物的稳定性，使碳化物在加热时难于分解。扩大奥氏体相区的元素能降低A3点和A1点，扩大铁素体相区的元素能使A3点和A1点升高。应当指出，在加入一种或几种合金

8、元素之后，钢的共析转变一般是在一个温度范围内进行的，而不是在恒温下进行的。7.1.7 合金元素对钢热处理的影响1合金元素对钢加热转变的影响合金钢的奥氏体过程与碳钢相同，包括形核与长大。由于绝大多数合金元素都降低了扩散速度，所以合金元素实际上减缓了奥氏体化的过程。 2合金元素对过冷奥氏体转变的影响在等温转变过程中，过冷奥氏体的转变属于扩散型转变，合金元素（除钴外）能使奥氏体稳定性增加，C曲线右移（合金元素必须溶入奥氏体后），增加钢的淬透性，减小工件变形开裂的倾向。 7.2 合金钢的分类和牌号7.2.1 合金钢的分类7.2.2 合金钢的牌号7.2.1 合金钢的分类1.按钢的用途分类 可分为:合金结

9、构钢、合金工具钢和特殊性能钢2.按合金元素总含量分类 (1)低合金钢：合金元素总含量小于或等于5% (2)中合金钢：合金元素总含量在5%10%范围内 (3)高合金钢：合金元素总含量超过10%7.2.2 合金钢的牌号我国合金钢的牌号是根据国家标准的规定（GB/T221-2008），采用汉语拼音、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的原则。具体是采用碳含量、合金元素的种类及含量、质量级别来编号的。7.2.2 合金钢的牌号1合金结构钢合金结构钢牌号由三部分组成，即“两位数字+化学元素符号+数字”。“两位数字”表示钢的平均含碳量的万分之几；“化学元素符号”表示钢中含有的主要合金元素；“数字”表示该元素的百分

10、之几。合金元素平均含量小于1.5%时，编号中仅标元素，一般不标含量。 38 CrMoAl A （合金结构钢）主要元素铬、钼、铝含量均小于1.5高级优质平均含碳量为0.387.2.2 合金钢的牌号2合金工具钢合金工具钢牌号表示方法为“一位数字+化学元素符号+数字”。“一位数字”表示钢的平均含碳量的千分之几，当平均含碳量大于或等于1%时则不标注，合金元素及其含量的标注方法与合金结构钢相同。如9SiCr、Cr12MoV等。 9 SiCr （合金工具钢）主要合金元素为硅、铬，含量均小于1.5平均含碳量为0.907.2.2 合金钢的牌号3.特殊性能钢特殊性能钢牌号表示方法与合金工具钢牌号表示方法基本相同

11、。例如，不锈钢4Cr13，表示平均含碳量为0.4%，平均含铬量为13%的不锈钢、2Cr13表示含碳量为0.20%，平均含铬量为13%。但当含碳量在0.030.10%，为了避免出现小数，用0表示；当含碳量小于或等于0.03%时，用00表示。如0Cr18Ni9中平均含碳量为0.030.10%，00Cr30Mo2的平均含碳量小于0.03%。 4 Cr13 （不锈钢）主要合金元素为铬，平均含量为在13平均含碳量为0.407.2.2 合金钢的牌号4.滚动轴承钢滚动轴承钢牌号表示方法为“G+Cr+数字”。G表示“滚”字的汉语拼音字母字头，其含碳量不予标注，Cr表示铬元素，“数字”表示铬含量的千分之几，其它

12、元素含量仍按百分数表示。如平均铬含量为1.5%的滚动轴承钢，其牌号写为GCr15、GCr15SiMn等。 G Cr15 （滚动轴承钢）主要合金元素为铬，平均含量为在1.5“滚”字的汉语拼音字母字头7.3 合金结构钢7.3.1 低合金高强度结构钢7.3.2 机械制造用钢7.3.1 低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢具有良好的低温韧性、塑性、耐蚀性、焊接性、成形工艺性等。常加入的合金元素主要有Si、Mn和微合金元素V、Ti、Al、Nb等。低合金高强度结构钢一般多轧制或正火态供应，用户一般不再进行热处理，也不再进行机械加工就可直接使用，它广泛使用在桥梁、船舶、车辆以及石油化工容器等方面。GB/T

13、1591-2008低合金高强度结构钢,这类钢有Q345、Q390、Q420、Q460、Q500、Q550、Q620、Q690八个牌号。根据质量要求分为A、B、C、D、E五个级别。A级不做冲击试验，后四个等级分别做20、0、-20、-40的冲击试验。 7.3.2 机械制造用钢1.合金渗碳钢合金渗碳钢的含碳量为0.10%0.25%。含碳量过高，零件韧性下降；含碳量过低，心部强度不足，而且碳浓度梯度过陡，表面渗碳层容易脱落。合金渗碳钢的预备热处理一般采用正火，最终热处理采用渗碳+淬火+低温回火。经渗碳后渗碳层的含碳量一般为0.81.1%，表层含碳量太高，碳化物过多，造成碳化物分布不均；若表层含碳量太

14、低，硬度和耐磨性下降。常用20CrMnTi等7.3.2 机械制造用钢2.合金调质钢合金调质钢一般指经调质处理（淬火+高温回火）后使用的结构钢。具有较高的强度、良好的塑性和韧性。主要用于制造在重载荷作用下同时又受冲击载荷作用的受力复杂的零件，如轴类、齿轮、连杆等零件。合金调质钢的含碳量一般在0.20%0.50%范围，属于中碳合金钢，以获得较高的综合力学性能。合金调质钢所含合金元素的总量不是很大，一般不超过3%7%，属于中低合金钢，所含合金元素的种类较多，常加入的合金元素有Cr、Ni、Mn、Si、W、Mo、V、Ti、B及稀土等。合金调质钢的预备热处理一般采用正火，最终热处理进行调质处理。如：40C

15、r 、38CrMoAlA 等 7.3.2 机械制造用钢 3.合金弹簧钢弹簧钢是指用于制造各种弹簧的钢。合金弹簧钢的含碳量一般为0.45%0.7%，若含碳量过高，弹簧钢的塑性和韧性均下降，疲劳强度也会随之下降，若含碳量过低，弹簧钢的强度和硬度不足。合金弹簧钢主要加入的合金元素有Mn（1.3%），Si（3.0%），Cr（1.0%），还有V和Mo等，以使弹簧零部件在淬火时能够整个截面都能淬透，回火后得到回火屈氏体组织，整个截面组织均匀，晶粒细化，性能一致，不易过热，在高温下也能保持足够的强度和韧性。常用65Mn 、60Si2Mn 等 7.3.2 机械制造用钢4. 滚动轴承钢滚动轴承钢主要用于制造各种

16、滚动轴承的内外圈及滚动体（滚珠、滚柱、滚针）的专用钢，也可以用于制造各种工具及耐磨零件。对轴承钢的性能要求是高的接触疲劳强度和屈服强度，高而均匀的硬度和耐磨性，高的弹性极限和足够的韧性，一定的抗腐蚀性和尺寸稳定性等。 滚动轴承钢其含碳量为0.95%1.15%，高的含碳量既保证了钢的淬硬性，又能形成一部分高硬度碳化物，使钢具有高硬度和高耐磨性。滚动轴承钢主要加入的合金元素有Cr(1.65%)，Si，Mn等，提高滚动轴承钢的淬透性，并在热处理后形成细小且均匀分布的碳化物（合金渗碳体），提高钢的强度、接触疲劳极限和耐磨性。 滚动轴承钢的热处理包括预备热处理（球化退火）及最终热处理（淬火+低温回火）。

17、目前应用最多的滚动轴承钢有GCr15和GCr15SiMn 7.4 合金工具钢7.4.1合金刃具钢7.4.2合金模具钢7.4.3合金量具钢7.4.1 合金刃具钢1.低合金刃具钢低合金刃具钢与碳素工具钢相比较，低合金工具钢淬透性好，能制造尺寸较大的刀具，可以选择冷却能力较慢的介质（如油）中淬火，使变形减小。低合金刃具钢的含碳量为0.75%1.5%，以保证淬火后具有高硬度并可形成一定数量的合金碳化物，提高耐磨性。加入的合金元素其总量小于5%，它属于低合金钢，其作用主要提高淬透性及回火稳定性，强化基体，细化晶粒等作用。低合金刃具钢的热处理与碳素工具钢基本相同。预备热处理是球化退火（得到粒状珠光体），最

18、终热处理是淬火加低温回火。一般工作温度低于300 。常用9SiCr、CrWMn等7.4.1 合金刃具钢2. 高速钢高速钢是一种具有高红硬性、高耐磨性、足够强度的合金工具钢。故常用于制造切削速度较高、形状复杂、载荷较大的刀具，如车刀、铣刀、钻头、拉刀等，此外高速钢还可用作制造冷挤压模及某些耐磨零件。高速钢切削时能长期保持刃口锋利，又称为锋钢，它比低合金刃具钢的切削速度高，又称为高速钢。高速钢的热硬性可达600 高速钢中的含碳量为0.7%1.5%，高的含碳量一方面是保证钢淬得马氏体后有高的硬度，另一方面与强碳化物形成元素生成极硬的合金碳化物，提高钢的耐磨性和热硬性。但是含碳量不能过高，否则容易产生

19、碳化物偏析，降低钢的塑性和韧性。加入的元素有W、Mo、Cr、V、Co等合金元素，其总量大于10%。高速钢热处理包括锻造后退火及加工后淬火与回火。7.4.2 合金模具钢1. 冷作模具钢冷作模具包括冷冲模、冷镦模、冷挤压模以及拉丝模、滚丝模、搓丝板等，这类模具工作时的实际温度一般不超过200300，它们属于接近室温冷状态下对金属进行变形加工的一种模具，也称为冷变形模具。 冷作模具钢一般具有高的含碳量，含碳量为1.02.0，以获得高硬度和高耐磨性。加入合金元素Cr、Mo、W、V等，以提高耐磨性、淬透性和回火稳定性。冷作模具钢的最终热处理是淬火加低温回火，以保证其有足够的硬度和耐磨性。7.4.2合金模

20、具钢2. 热作模具钢 热作模具工作时型腔温度可达600，如热锻模、压铸模、热挤压模等，它们是属于在受热状态下对金属进行变形加工的一种模具。热锻模具通常采用中碳合金钢（含碳量=0.3%0.6%）制造，含碳量过高会使热锻模具的韧性下降，导热性变差；含碳量过低则不能保证钢的强度和硬度。在热锻模具中加入的合金元素有Cr、Ni、Mn、Mo、Si等元素。热作模具钢锻造后应退火以消除应力，降低硬度，以便于后续的切削加工。最终热处理为淬火+高温回火，即调质处理，得到回火索氏体组织，具有良好的综合机械性能和热疲劳抗力。常用5CrMnMo、5CrNiMo等 7.4.2合金模具钢3. 塑料模具钢塑料模具是指用来加工

21、制造塑料制品的模具。 塑料模具一般较复杂制造成本高，而原材料费用只占模具成本的极小部分，因而一般优先选用工艺性能好且稳定的钢种。适用于冷挤压成型的塑料模具用钢有工业纯铁和低碳钢，如10、15、20、20Cr钢；中小尺寸且不很复杂的塑料模具，可选用T10A、9Mn2V、CrWMn、Cr2钢等；大尺寸且形状复杂的塑料模具可采用4Cr5MoSiV钢等，要求高耐磨性可采用Cr12MoV钢等；7.4.2合金模具钢复杂精密塑料模具一般选用18CrMnTi、12CrNi3A、12Cr2Ni4A等优质渗碳钢；当塑料成型模压时析出有害气体与钢起强烈反应时，这时的模具应该采用马氏体不锈钢2Cr13或3Cr13钢较

22、合理。塑料模具在9501000加热并在油中进行淬火，之后在200220进行回火，硬度为4550HRC，可直接抛光并装配使用，不需要表面进行镀铬处理。塑料模具在淬火加热时应注意保护，防止表面氧化脱碳。热处理后最好镀铬或进行表面涂镀层处理，使其表面具有优异耐磨耐腐蚀且脱模性好，防止使用时的腐蚀和粘附。7.4.3合金量具钢量具是测量工件尺寸的工具，如游标卡尺、千分尺、塞规、卡规和样板等，主要用于制造量具的钢称为量具钢。一般要求具有高的硬度、高耐磨性、高的尺寸稳定性和足够的韧性。 制造量具没有专用的钢，碳素工具钢、合金工具钢和滚动轴承钢等均可用于制造量具。要求较高的量具，一般均采用微变形合金工具钢制造

23、，如CrWMn、CrMn、GCr15等。精度较低、形状简单的量具如量规、样板等可采用T10A、T12A,9SiCr等钢制造。7.4.3 合金量具钢常用10、15钢经渗碳+淬火+低温回火或50、55、60、60Mn、65Mn等高频淬火，适用于制造精度要求不高，使用场合频繁，碰撞后不易折断的卡尺、样板、直尺等量具。对于精密量具，为了保证使用过程中的尺寸稳定性，淬火后要进行一次-80-70的冷处理，促使残余奥氏体转变，然后再进行长时间低温回火。 7.5 特殊性能钢7.5.1 不锈钢7.5.2 耐热钢7.5.3 耐磨钢7.5.1 不锈钢不锈钢包括不锈钢和耐酸钢。能抵抗大气腐蚀的钢称为不锈钢。在一些化学

24、介质中（如酸类等）中能抵抗腐蚀的钢称为耐酸钢。通常情况下把不锈钢和耐酸钢统称为不锈钢，不锈钢就是指在空气、水、盐水溶液、酸及其他腐蚀性介质中具有高度化学稳定性的钢。7.5.1 不锈钢不锈钢的种类很多，性能也不同，我们把它大致分为以下几类。1）按钢中的组织结构分类，一般分为奥氏体不锈钢、铁素体不锈钢和马氏体不锈钢等。2）按钢中的化学成分分类，一般分为铬不锈钢、铬锰不锈钢、铬镍不锈钢、铬镍钼不锈钢以及超低碳不锈钢等。3）按钢的性能特点和用途分类，一般分为耐硝酸不锈钢、耐硫酸不锈钢、耐点蚀不锈钢、耐应力腐蚀不锈钢和高强度不锈钢等。4）按钢的功能特点分类，一般分为低温不锈钢、无磁不锈钢、易切削不锈钢和

25、超塑性不锈钢等。7.5.1 不锈钢1奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢的成分特点是含碳量很低（0.1%）,含铬、镍等合金元素较多，典型的18-8型中含铬量为18%，含镍量为9%，属于铬镍不锈钢的范畴。常用的奥氏体不锈钢有1Cr18Ni9和0Cr18Ni9N等。奥氏体不锈钢可分为铬镍不锈钢和铬锰不锈钢两个系列。 7.5.1 不锈钢2马氏体不锈钢马氏体不锈钢含碳量为0.1%1.2%，含铬12%18%，淬火后能得到马氏体组织，因此成为马氏体不锈钢。 含碳量较低的1Cr13、2Cr13用于力学性能较高而且有一定耐蚀性的零件。如汽轮机叶片、医疗器械等。含碳量较高的3Cr13、4Cr13、7Cr13等可用于制造医用

26、手术器具、量具、弹簧及轴承等。 7.5.1 不锈钢3铁素体不锈钢铁素体不锈钢的成分中含碳量较低（0.12%），含铬12%30%，属于铬不锈钢，合金元素铬是缩小奥氏体相区的元素，可使钢获得单相铁素体组织。铁素体不锈钢无法用淬火的方法强化。它具有良好的高温抗氧化性（700以下），特别是耐蚀性较好。铁素体不锈钢的耐蚀性、塑性、焊接性均优于马氏体不锈钢，但其强度较低，力学性能不如马氏体不锈钢，塑性不及奥氏体不锈钢，主要用于对力学性能要求不高，而对耐蚀性要求很高的零件及构件，如硝酸的吸收塔、酸槽管路等，也用于高温下抗氧化的材料，如不锈钢厨具、餐具等。常用0Cr13Al 、1Cr17 等。7.5.2 耐热

27、钢耐热钢是在高温下具有良好的化学稳定性和较高强度，能较好适应高温条件的特殊性能钢。钢的耐热性包括以下两个指标，一是高温抗氧化性，二是高温强度。耐热钢包括抗氧化钢和热强钢。在高温下抵抗高温介质腐蚀并具有一定强度的钢称为抗氧化钢。抗氧化钢广泛用于工业炉中的构件、炉底板、料架、炉罐、辐射管等，它们的工作条件和热强钢不同，工作时所承受的负载不是很大，但是要抵抗各种介质的化学腐蚀。 7.5.2 耐热钢热强钢在应力和高温下工作，不仅要具有良好的高温抗氧化性，而且还具有高温下抵抗塑性变形和断裂的能力的钢称为热强钢。热强钢在高温下仍然具有足够力学性能，即热强性。汽轮机、燃气轮机的转子和叶片，锅炉过热器，高温工作时的螺栓和弹簧，内燃机进、排气阀等用钢均属此类钢。典型的抗氧化钢有4Cr9Si2、0Cr13Al等；典型的热强钢有4Cr14Ni、14W2Mo等。 7.5.3 耐磨钢 耐磨钢主要是指在强烈冲击载荷作用下才能发生硬化的高锰钢。它的主要成分是含碳量为1.0%1.3%，含锰量为11%14%，耐磨钢典型牌号是ZGMn13，它的主要成分是铁、碳、锰。这种钢用机械加工的方法比较困难，基本上都是铸造成型的。 耐磨钢主要应用于在巨大压力和强烈冲击载荷作