械工程材料与热加工工艺,合金钢

1、第7章 合金钢 (alloy steel)合金元素在钢中的作用，尤其是合金元素对钢的热处理的影响;合金钢的编号方法，会辩认各种钢的牌号；各类合金结构钢的成分，热处理方法，热处理后的组织，性能的特点以及主要用途。主要掌握内容7.1 合金元素在钢中的作用（一）合金元素改善钢的热处理性能 细化奥氏体晶粒 提高钢的淬透性 回火转变的影响 细化奥氏体晶粒 V、Ti、Nb、Zr、Al等元素，可形成VC、TiC、AlN等化合物，比Fe3C更加难溶解，成为坚固的质点，钉住晶界，阻碍晶粒长大 。A体晶粒晶界迁移长大化合物质点E硬质点对晶界的钉扎作用（ pinning effect ）晶界能量变化晶界硬质点提高钢

2、的淬透性 （1）除Co以外，所有合金元素都使C曲线右移，从而使临界冷却速度Vk下降，过冷奥氏体（A过）稳定，淬透性提高 。Ni 2.9% Ni 4.6%Vk1 Vk2 （2）W、Cr、Mn可使C曲线右移并改变形状，如图所示： Cr：2.9% Cr：8.2% AP APAB AB(3)合金元素使M体转变温度Ms和Mf下降，从而使工件淬火后残余奥氏体增多，硬度下降。BuBlA1合金元素对回火转变的影响 （1）提高回火抗力（回火稳定性）：M体的分解温度越高、分解速度越慢，淬火硬度保持越好，例如：T8钢：400时，M体分解完毕，硬度大大的下降；W18Cr4V：800时，M体不分解，淬火硬度不变，红硬性

3、高 （2）产生二次硬化1)“沉淀性”二次硬化：高温回火析出VC、WC使硬度提高；2)“二次淬火型”二次硬化：回火时，AM体，硬度提高； （3）回火脆性的防止 第一类回火脆性（低温回火脆性、不可逆回火脆性）：a)温度：250400；b)原因：碳化物沿M体晶间析出，使韧性大大的下降；c)防止措施：避免在250400温区回火 冲 快速冷却击韧性/k 缓慢冷却 0 300 500 600 回火温度/ 缓慢冷却 a)温度：500650；b)原因：杂质（Sb、Sn、P）向晶界处偏聚，使韧性大大的降低；c)防止措施： 回火后快冷，抑制杂质偏聚； 加入0.25%Mo或1.2%W,可防止偏聚； 重新加热至600

4、，偏聚元素可溶解； 第二类回火脆性（高温回火脆性、可逆性回火脆性）（二）合金元素提高钢的使用性能 合金元素使钢强化合金元素使钢获得特殊性能 合金元素使钢强化（1）固溶强化：合金元素溶入F体内，形成合金F体；Si、Mn、Ni使F体的硬度提高；通常：Si0.6%,Mn1.5%,否则会降低钢的韧性。（2) 第二相强化：W、Mo、Cr、V、Nb可置换Fe3C中的Fe原子，形成合金渗碳体如：（FeCr）3C、（FeV）3C，使钢的硬度、强度提高；还可形成特殊化合物，如：VC、WC、NbC，熔点高、硬度高，使钢的硬度、强度大大的提高；（3）细化晶粒：合金元素能细化A体晶粒和M体针条，使钢的硬度、强度和韧性

5、提高。 合金元素使钢获得特殊性能 （1） 形成稳定的单相组织：Ni、Mn使FeFe3C相图中的S和E点向左下移动，当A体的存在温度由727扩展至室温时，就有了奥氏体钢，例如：1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢,ZGMn13奥氏体耐磨钢；T E A体 A Fe 0.77 2.11 C%T 左上移动 E A体 Fe 0.77 2.11 C% 727左下移动(2)Cr使FeFe3C相图中的S和E点向左上移动当A体区缩小、消失，钢在任何温度下都是F体组织，例如：Cr17、Cr18铁素体不锈钢；(3)形成致密氧化膜和金属间化合物：氧化膜：SiO2、CrO2、Al2O3等，提高钢的耐蚀性；金属间化合物：Fe

6、Si、Ni3Ti等，提高钢的高温蠕变抗力； 1.低合金钢：合金元素Me5%;2.中合金钢：Me10% ;1 按合金元素含量分类微合金钢 0.001-0.1%7.2 合金钢的分类及牌号 （一）合金钢的分类铁素体钢 Cr17、Cr25、Cr28奥氏体钢 1Cr18Ni9、0Cr19Ni9、Mn13马氏体钢 3Cr13、4Cr13、1Cr11MoV、1Cr12WmoV珠光体钢 15CrMo、12CrMoV贝氏体钢 12MoVWBSiRE2 按钢的金相组织分类 1、普通合金钢 S0.050% P0.045% 2、优质合金钢 S0.035% P0.035% 3、高级优质合金钢 S0.025% P0.02

7、5% 4、特级优质合金钢 S0.015% P0.020% 3 按钢中S、P杂质含量分类4 按合金组元分类 a、二元合金钢： Mn 钢、硅钢、铬钢。 b、三元合金钢 CrMn、Si-Cr、Si-Mn、 Cr-Ni c、多元合金钢 Cr-Mn-Ti、Ni-Cr-Mo-V5 按用途分类 合金结构钢 合金工具钢 特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、超强钢二、合金钢的牌号 （一）合金结构钢1. 牌号的表示方法：例如：60Si2Mn C60/100000.6%； Si2%； Mn1.5%； 数字合金元素符号数字 以万分数表示该钢平均碳含量 主加合金元素 以表示合金元素含量 2 特殊规定：1)合金元素后无数字：表示

8、该合金元素含量1.5%；如上例Mn1.5%;2)以千分数表示合金元素平均含量：例如GCr15,Cr1.5%；3)高级优质钢：后缀“A”，例如：38CrMoAlA-高级优质4)表明钢的用途：例如Y40:易切削钢；GCr15：滚动轴承钢； 1. 牌号表示方法：例如：9SiCrC9/10000.9%;Si、Cr1.0%;2)不遵守1)规定：例如：高速钢W18Cr4V, C0.70.8数字合金元素符号数字以千分数表示该钢平均碳含量；以表示合金元素含量主加合金元素（二）合金工具钢 1.牌号表示方法：同工具钢，例如3Cr13,C3/10000.3%；2.特殊规定：1)当碳含量0.08%时，钢号前冠以“0”

9、，例如：0Cr13, C0.08%；2)当碳含量0.03%时，钢号前冠以“00”，例如：00Cr18Ni10, C0.03% ;（三）特殊性能钢7.3 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 滚动轴承钢 重要的工程结构和机械零件 在碳素结构钢中添加Cr、Ni、Mn、Si、Mo、W、V、Ti 等合金元素，使其具有较高强度、韧性、淬透性。（一）低合金结构钢大气海洋中的大型焊接结构件，建筑结构、桥梁、车辆、船舶、油气管道、压力容器High-strength wire with a tensile strength of 180 kilograms per square milli

10、meter (kg/mm2) was used rather than the standard 160-kg/mm2 wire. Each strand was transported to the construction site where it was pulled from one anchorage over the saddle of each tower and fastened to the opposite anchorage frame. This procedure was repeated 289 times to fabricate each main cable

11、. Each main cable was separated at the anchorage by a splay saddle prior to attachment to the steel frame inside the anchorage to equally distribute cable tension to the foundation. A specially designed cable-squeezing machine was used to compress the 290 parallel wire strands into the final 1.12-me

12、ter-diameter cableWorlds Longest Suspension BridgeAkashi Kaikyo Bridge(日本明石海峡大桥)U.S. $3.6 billionThe steel for Nimitz-class aircraft carriers must be able to withstand the impact of a 37-ton, F-14 Tomcat aircraft landing on the deck at 150 miles an hour, shield a ships crew from radiation generated

13、by onboard nuclear reactors, and take the impact of shells and other projectiles. 尼米兹级航空母舰 Many types of steel are used in their construction and in the associated pipelines, including carbon, microalloyed, alloy and stainless steels. The fabrication process for an offshore platform involves extensi

14、ve welding. High strength steel plate is used for the decking and tubular support structure1、成分及性能特点：低碳（C0.2%）、低合金（Me900Mpa，可施加大的预应力；5)轻轨：如45SiMnP、70MnSi等，Si、P提高其耐磨性 低合金结构钢3、 热处理：1)一般工件：正火；组织：FP（细）；2)压力容器：调质处理；组织：S回； （二）合金渗碳钢制造表硬心韧工件，如变速箱齿轮、凸轮轴 2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc.

15、Thomson Learning is a trademark used herein under license.齿形加工齿轮退火齿轮渗碳低碳：C0.100.25%，保证心部韧性和渗碳的浓度梯度；淬透性高：可加入Cr、Ni、Mn、B，提高淬透性，保证心部韧性；渗碳工艺性能好：1)速度快：碳的吸收扩散快；2)变形小：淬火后工件变形要小；3)梯度平：控制W、Mo、V、Ti的含量，如果太高，可使碳的浓度梯度变陡，出现块状碳化物，易剥落； 1、成分和性能特点2、常用牌号及热处理：低淬透性合金渗碳钢：如20Mn2、20CrV、20Cr，用于小尺寸、小载荷的小齿轮、活塞销等，采取“二次淬火法”，改善心部

16、性能；中淬透性合金渗碳钢：如20CrMnTi，用于制造高速、高摩擦的汽车变速箱齿轮，渗碳后采取“直接淬火法”高淬透性渗碳合金钢：如12Cr2Ni4A,用于制造高载荷、高摩擦的飞机、坦克的主轴和主动齿轮；用20CrMnTi钢制造汽车变速箱齿轮的热处理工艺曲线分析 锻坯正火加工齿形局部镀铜渗碳预冷淬火低回喷丸磨齿；（1)制造工艺路线 （2）热处理工艺曲线 5860HRCT 950970 3545HRC 正火 930940 渗碳 870880预冷 Ac3 油 淬 200 Ms 回火 机械加工 表 心 磨齿 时间/S正火：改善锻造产生的过热组织；改善切削加工性能；渗碳：在930渗碳7小时，渗层厚1.2

17、1.6mm；预冷至870，油淬低回：表层：M回高A碳化物；硬度：5860HRC;心部：FSM回低；硬度：3545HRC;喷丸：清除氧化皮；硬化表层；增加压应力，提高疲劳强度 5860HRCT 950970 3545HRC 正火 930940 渗碳 870880预冷 Ac3 油 淬 200 Ms 回火 机械加工 表 心 磨齿 时间/S（三）合金调质钢 调质淬火高回，得到S回，工件综合力学性能好，如主轴、曲轴等；汽轮机主轴成分：属于中碳钢，C0.4%,如40Cr钢淬透性要好：淬透：S回(F粒状Fe3C);未淬透：心部出现 S (F片状Fe3C);设计零件尺寸要考虑到临界淬透直径D0： 1、成分及性

18、能特点R 表层M体 心部F+P表层M体 心部F+P连杆：心部90%M体；轴类：3/4R处80%M体螺栓：1/2R处90%M体； 加入Cr、Ni、Mn、Si、B可提高钢的D0 低淬透性调质钢：40Cr、40MnB等，用于小尺寸，低载荷工件，如连杆、螺栓、机床主轴等；中淬透性调质钢：35CrMo、38CrSi等，用于中尺寸，中载荷工件如大型曲轴、连杆等；高淬透性调质钢：38CrMoAl、40CrNiMo等，用于大尺寸，重载荷工件，如大型精密主轴、曲轴等； 2、常用调质钢牌号及热处理3、热处理 40Cr钢制造机床变速箱齿轮工艺路线：锻造退火或正火铣齿调质半精加工表面淬火低回精加工退火或正火：预处理，

19、得到160230HBS的硬度，改善切削加工性能；调质：目的：心部：S回；综合力学性能好，耐冲击；表面淬火：目的：表面：M回；提高硬度，增加耐磨性淬火温度提高（860）：感应加热速度快，Ac3提高 T Ac3 时间/S正火 退火退火或正火工艺曲线840油 525 高回 淬 水 冷调质工艺曲线860淬 火 200 低回 表面淬火工艺曲线（四）合金弹簧钢 作用：1)吸收能量缓和冲击，减少振动，如汽车的板簧；2)储存能量作为动力，如钟表的发条；要求：1)具有高的e、s，弹性变形大，不过早发生塑变；2)具有高的疲劳强度：防止疲劳断裂；3)具有足够的塑性：便于冷绕成形； 含碳：C0.50.7%，属中、高碳

20、钢；含合金元素：Si、Mn、Cr、V等，Si：提高弹性极限和回火抗力；Mn：提高淬透性和屈强比（s/b）； 1、成分及性能特点含Si、Mn的合金弹簧钢：如60Si2Mn，重型汽车板簧；含Cr、V的合金弹簧钢：如50CrVA，较高温度下的重载弹簧，如内燃机的气阀弹簧；2、常用牌号（1）冷成形弹簧：冷拉钢丝淬火中回冷卷成形去应力退火成品；（2）热成形弹簧：下料加热卷绕成形淬火中回喷丸成品；3.热处理工艺曲线：3、热处理特点T 950980 卷 870 簧 淬 400520 火 回火 时间/S热成型弹簧T 950980 淬 400520 火 回火 时间/S冷卷500-650 200 冷成型弹簧课堂讨

21、论题：1。20Cr和40MnB钢制造齿轮，齿面要求耐磨，两者的热处理工艺分别是什么？2。冷卷弹簧和热卷弹簧的加工工艺路线有什么区别？ (五) 轴承钢 (Bearing steel, Chrome Steel )用于制造滚动轴承的滚珠、滚柱和套圈的钢材。1.接触应力大：30005000MPa2. 破坏特点：1)接触疲劳（麻点）；2) 磨粒磨损；3. 性能要求：高而均匀的硬度；弹性极限、疲劳极限、淬透性、耐蚀性要高，足够的韧性；纯度要高：S、P1500Mpa；2.比强度高（b /密度）：因为质量轻，强度高，可替代铝合金，制造飞行器件；3.耐热性好：可替代Ti合金，制造高温部件； 碳含量范围宽：C0

22、.030.45，合金元素越多，碳应越少；合金元素：多元少量，例如：40SiMnCrMoVRe:C0.380.43%；Si、Mn、Cr提高淬透性；Si：提高回火抗力；Mo、V：产生“沉淀型二次硬化”；Re（稀土）：细化晶粒成分特点 常用牌号及热处理 低合金超高强度钢：1) b15002300Mpa;2)合金元素Me 5%3)热处理特点：a)淬火低回：M回；b)等温淬火：B下M回4)应用：飞机起落架、机翼主梁、轮叉等；中合金超高强度钢： 1) b15002300Mpa 2)合金元素：Me510%； 3)性能特点：在300500下，比强度（b /密度）高、热疲劳强度高； 4)热处理特点：a)空冷淬火

23、；b)回火时，M体析出M2C、MC型化合物，产生二次硬化；应用：飞机中承受中温强力构件，如轴类、螺栓等；高合金超高强度钢：1) M体时效钢：如Ni20Ti2AlNb,C62HRC)、尺寸稳定、工艺性能好 常用合金工具钢及热处理 （一）合金刃具钢 1. 高碳低合金刃具钢（Me 10）：如高速钢W18Cr4V（HSS，T1，18-4， 风钢，锋钢）:成分：C：0.70.8%，形成W2C、VC、高碳M体，提高硬度；W：18%，形成Fe4W2C,提高回火抗力；析出W2C，产生二次硬化，提高硬度；Cr：4%，Cr23C6溶入A体中，提高淬透性； V：10 2)“三镦三拔”，打碎、揉匀鱼骨状碳化物Ld(2

24、级)；3)缓慢升温，两次预热，缓冷；4)渐变形：由小到大；锻造球化退火机械加工淬火多次高温回火喷丸磨削成品 制造工艺路线热处理工艺曲线分析 1）球化退火：降低硬度，消除应力，改善切削性能，为淬火作好组织准备；2) 预热：该钢导热差、塑性低，温升快会开裂；3) 淬火温度高：使合金元素尽量溶入到奥氏体中去，提高红硬性；锻造球化退火机械加工淬火多次高温回火喷丸磨削成品 4)多次、高温回火：残余奥氏体（A）多（2025%）；AM, 提高硬度（二次淬火二次硬化）；M体析出WC、VC提高硬度（沉淀型硬化；回火组织：M回碳化物A;（二）合金模具钢 1.冷作模具钢：冷冲、冷挤、冷镦、冷拉等，以Cr12MoV为

25、例：合金元素：C1.451.70%，形成碳化物和高碳M体，提高硬度；Cr：形成Cr7C3、(Cr、Fe)7C3,硬度：1820HV,提高耐磨性；提高淬透性；产生“二次硬化”，提高回火抗力； Mo、V：提高回火抗力和淬透性，细化晶粒热处理特点：锻造等温退火机械加工淬火回火电火花或线切割加工成品；85087034h 720750 800830 9601050 250275淬火空冷空冷等温退火 1)等温退火：为切削加工和淬火作；2)800830预热：减少高温停留时间，减少构件变形或开裂；3)油淬、空冷不至室温：防止工件变形、开裂；4)最终组织：M回碳化物A;亦可采用高速钢的“二次硬化法”淬火：淬火：

26、1130；回火：520（三次），硬度61HRC；优点：提高红硬性和耐磨性；缺点：变形大、韧性低；应用：磨损剧烈、工作温度高的工件。 锻造等温退火机械加工淬火回火电火花或线切割加工成品；2 热作模具钢：热锻模、热挤压模、压铸模等以5CrMnMo为例合金元素作用：C:0.50.6属中碳，保持足够韧性，耐冲击；Cr：提高淬透性和回火抗力；Mn：提高淬透性和韧性；Mo：提高回火抗力、细化晶粒，提高韧性；热处理特点：粗车前退火；电火花加工后，淬火高温回火；最后组织：T回或S回 3 合金量具钢 以CrWMn为例制造工艺路线：锻造球化退火机械加工淬火冷处理回火粗磨人工时效精磨去应力退火研磨 650 油冷冷处

27、理 3h 7578820840时间/S150 125 120 3h 36h 3h 热处理分析：1)淬火：得到M体提高硬度；2)冷处理：使A尽量转变为M体，进一步提高组织稳定 性和硬度；3)人工时效：使M体稳定，降低内应力；4)去应力退火：消除精磨的内应力； 锻造球化退火机械加工淬火冷处理回火粗磨人工时效精磨去应力退火研磨 新型合金工具钢：1.基体钢：含有高速钢基体化学成分的钢种，如W、Mo、Cr、V等；降碳，韧性和疲劳强度高，用于冷、热模具；2.冷作模具钢：7Cr7Mo3VSi(LD1)钢：用于冷冲模；3.热作模具钢：35Cr3Mo3W2V(HM-1)钢，用于辊锻，抗热疲劳好 7.5 特殊性能

28、钢具有特殊的物理、化学、力学性能的钢种。包括不锈钢、耐热钢、低温钢、耐磨钢。（一）不锈钢1)尽量使合金在室温下呈单一组织，避免形成微电池效应，如Cr17%：F体；Ni9%：A体；2)在合金中加入Cr：Cr能提高电极电位，使之不成为阳极而耐腐蚀；如F体中溶入12%的Cr，电极电位由0.56V提高至0.12V；3)钝化处理：在处理溶液中加入Cr、Si、Al使工件表面形成致密的氧化膜（Al2O3、Cr2O3、SiO2），称为钝化处理；可隔绝电解液，阻碍阳极反应，减少腐蚀；如铝制品的阳极氧化处理；4）形成稳定的化合物TiC、NbC：可防止晶间腐蚀 提高金属耐腐蚀的措施 常用不锈钢及热处理 马氏体不锈钢

29、：特点：1)碳高：C0.11.0%，碳越高，硬度、强度越高，耐蚀性下降，因为Cr与C形成Cr3C，使F体中Cr含量下降，电极电位下降，耐蚀性下降；如Cr12MoV：Cr12%,但C1.5%,因此不是不锈钢； 2)Cr:含量为1214%，属Cr不锈钢，如1Cr13、4Cr13、9Cr18等；应用：手术刀、钳、汽轮机叶片、耐蚀轴承等；热处理：锻、冲后退火；最终热处理：淬火回火； 铁素体不锈钢：特点：1)低碳：C0.15%，保证F体中溶入足够的Cr； 2)高Cr: Cr1230%，属Cr不锈钢，如0Cr13; 3)Cr的作用：扩大F体相区，获得单相F体组织； 4)应用：作耐酸的磷酸槽；抗氧化好，作热

30、交换器；强化方法：1)无相变，不能用热处理方法强化； 2)用加工硬化方法强化； 3)用冷塑性变形再结晶退火方法细化晶粒 奥氏体不锈钢： 特点： 1)碳低，Cr、Ni高，属Cr、Ni不锈钢，如1Cr18Ni9Ti; 2)室温为单相A体，无磁性； 3)有晶间腐蚀现象，晶间析出Cr23C6,使晶间Cr含量下降，耐蚀性下降； 热处理：1)固溶处理：加热（使Cr23C6溶入A体）快冷（不使Cr23C6析出）得到单相A体（提高耐晶间腐蚀性）； 2)稳定化处理：加热温度高于Cr23C6的溶解点，使其溶解到A体中，低于TiC、NbC的溶解点，保留住非Cr碳化物，缓冷后TiC、NbC析出，而Cr23C6无析出，

31、使A体中Cr含量高，提高耐蚀性； 去应力退火：消除冷加工残余应力（加热温度300350）；消除焊接应力（加热温度850） 奥氏体铁素体不锈钢：如1Cr21Ni5Ti，组织AF，适合化工设备；沉淀硬化型不锈钢：如0Cr17Ni7Al:热处理：固溶处理（温度1060）空冷时效（560570）析出Ni3Al（提高硬度43HRC）；应用：高强度、硬度的化工设备； （二）耐热钢和高温合金 性能要求及成分特点：热稳定性、热强度要高；含Cr、Ni、W、Nb、Ti、Al等元素，形成碳化物、金属间化合物和致密氧化膜，可提高热稳定性和热强度；常用耐热钢及热处理：如中碳M体耐热钢4Cr9Si2,热处理：淬火高回，组

32、织：具有M体形态的S回体；应用：发动机排气阀，亦称“气阀钢”；常用高温合金及其热处理：工作温度800，应选用高温合金，如发动机燃烧室、尾喷管等；如Ni基高温合金GH3030、GH4033等，热处理：固溶处理时效；应用：涡轮叶片、涡轮盘等； A jet engine (Rolls-Royce Trent 800), showing the different stages: intermediate pressure compressor (IPC), high pressure compressor (HPC), high pressure turbine (HPT), intermediate pressure turbine (IPT), low pressure turbine (LPT), and the pressure and temperature profiles along the engine. Image of the Trent 800 courtesy Rolls-Royce Plc. Diagrams af