金属材料热处理第五章合金钢

导言

合金钢——在碳素钢的基础上，为了改善钢的性能，在冶炼时有目的地加入一种或数种合金元素的钢。

性能：较高的力学性能、淬透性和回火稳定性等，有的还具有耐热、耐酸、耐蚀等特殊性能。第一页，共六十四页。§5－1合金元素在钢中的主要作用一、强化铁素体二、形成合金碳化物三、细化晶粒四、提高钢的淬透性五、提高钢的回火稳定性第二页，共六十四页。一、强化铁素体

大多数合金元素（除铅外）都能溶于铁素体，形成合金铁素体。

对性能的影响；铁素体的强度、硬度增加，塑性、韧性有所下降，即产生固溶强化作用；

固溶强化（Solidsolutionstrengthening）融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。第三页，共六十四页。二、形成合金碳化物1．合金渗碳体

锰、铬、钼、钨等弱、中强碳化物形成元素一般倾向于形成合金渗碳体，合金渗碳体较渗碳体略为稳定，硬度也略高，可明显提高低合金钢的强度。2．特殊碳化物

钒、铌、钛等强碳化物形成元素能与碳形成特殊碳化物，特殊碳化物比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度和耐磨性，而且更稳定、不易分解。第四页，共六十四页。合金元素溶入Fe3C内，增强了Fe与C之间的亲和力，从而提高了渗碳体的稳定性，使之较难溶于奥氏体，较难聚集长大；其它类型的碳化物也较难溶于奥氏体，较难聚集长大，并且熔点、硬度较高；总之：这些碳化物的增多，将使钢的强度、硬度增高，耐磨性增高，但塑性、韧性下降；对性能的影响第五页，共六十四页。三、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。强碳化物形成元素铌、钒、钛等形成的碳化物、铝（Al）在钢中形成的AlN和Al2O3细小质点，均能强烈地阻碍奥氏体晶粒长大，使合金钢在热处理后获得比碳钢更细的晶粒。第六页，共六十四页。合金钢热处理时加热的目的：获得成分均匀的奥氏体，使合金元素尽可能多的溶入奥氏体中，提高淬透性，大多数合金元素（除少数Ni、Co，主要是碳化物形成元素）会减慢奥氏体的形成过程。所以合金钢的奥氏体化温度高，保温时间长。第七页，共六十四页。四、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，从而减小钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。常用提高淬透性的合金元素有：钼、锰、铬、镍（Ni）和硼（B）等。第八页，共六十四页。第九页，共六十四页。五、提高钢的回火稳定性

回火稳定性——淬火钢在回火时，抵抗软化的能力。（淬火钢在回火时抵抗强度、硬度下降的能力；）如图

第十页，共六十四页。第十一页，共六十四页。§5－2合金钢的分类和牌号一、合金钢的分类二、合金钢的牌号第十二页，共六十四页。一、合金钢的分类1．按用途分类

合金结构钢；普通低合金钢（低合金高强钢）、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢、易切削钢、超高强度钢；（如图）合金工具钢；刃具钢、模具钢、量具钢。（如图）特殊性能钢；不锈钢、耐热钢、耐磨钢、电工用钢。第十三页，共六十四页。1.构件用钢：制造各种大型金属结构-桥梁、船舶、屋架、容器-又叫做工程用钢。车辆储气罐第十四页，共六十四页。船舶桥梁第十五页，共六十四页。锉刀量规钻头第十六页，共六十四页。2．按合金元素总含量分类

低合金钢：合金元素总含量＜5％。中合金钢：合金元素总含量5％～10％高合金钢：合金元素总含量＞10％第十七页，共六十四页。二、合金钢的牌号

两位数字（碳含量）＋元素符号（或汉字）＋数字表示。

前面两位数字表示钢的平均含碳量的万分数。元素符号（或汉字）表明钢中含有的主要合金元素。后面的数字表示该元素的含量。合金元素含量小于1.5％时不标，平均含量为1.5％~2.5％，2.5％~3.5%…时，则相应地标以2，3…1．合金结构钢

第十八页，共六十四页。40Cr（合金结构钢）主要合金元素为铬，含量在1.5％以下平均含碳量为0.40％60Si2Mn（合金结构钢）平均含硅量为2％左右平均含碳量为0.60％主要合金元素为锰，含量小于1.5％第十九页，共六十四页。2．合金钢多为优质钢，无需特殊表示。当合金钢为高级优质钢或特级优质钢时，分别在牌号尾加A、E表示。必要时可将表示产品用途、特性或工艺方法的字符加在牌号尾部。

第二十页，共六十四页。3．合金工具钢与合金结构钢的区别仅在于碳含量的表示方法，它用1位数字表示平均含碳量的千分数，当碳含量≥1.0％时，则不予标出。合金元素含量表示方法与合金结构钢相同，当平均含铬量小于1%时，在铬含量（以千分数计）前加数字“0”。第二十一页，共六十四页。4．高速钢

含碳量均不标出，如W18Cr4V钢的平均含碳量为0.7％～0.8％。5．特殊性能钢

不锈钢或耐热钢的牌号用两位或三位阿拉伯数字表示含碳量的最佳控制值（以万分之几或十万分之几计），合金元素含量的表示方法与合金结构钢相同，当材料只规定含碳量上限时，若含碳量上限≤0.10%，则以其上限值的3/4表示，若含碳量上限＞0.1%时，则以其上限值的4/5表示（两位数，万分数计）。如:06Cr18Ni9表示含碳量不大于0.08%，平均含铬量为18%，含镍量为9%的铬镍不锈钢；12Cr17表示含碳量不大于0.15%，含铬量为17%的高碳铬不锈钢。第二十二页，共六十四页。当含碳量规定上下有限时，则采用平均含碳量表示（两位数，万分数计）。如20Cr13其含碳量为0.16~0.25%，平均含碳量为0.20%，含铬量为13%。当不锈钢中有意加入铌、钛、锆、氮等元素时，虽然含量很低也应在牌号中标出。如022Cr18Ti为一种含碳量不大于0.03%,最佳控制值为0.022%，含铬量18%，含钛量小于1.0%的不锈钢。当含碳量上限≤0.03%，（超低碳），则以三位数表示含碳量最佳控制值（十万分数计），如：015Cr19Ni11是一种含碳量上限为0.02%，最佳控制值为0.015%；平均含铬量为19%，含镍量为11%的极低碳不锈钢。第二十三页，共六十四页。特殊专用钢，为表示钢的用途，在钢的牌号前面冠以汉语拼音字母字头，并不标含碳量，合金元素含量的标注也和上述有所不同。如：滚动轴承钢中高铬轴承钢的前面标“G’，（“滚”字的汉语拼音字母字头）而不标含碳量，如GCr15。而牌号中铬元素后面的数字是表示含铬量的千分数，其他元素仍按百分数表示，如GCrl5SiMn表示含铬量为1.5％，硅、锰含量均小于1.5％的滚动轴承钢。易切钢也是在牌号前冠以拼音字母“Y”，如“Y15”，表示含碳量0.15％的易切钢。6．特殊专用钢第二十四页，共六十四页。§5－3合金结构钢一、低合金结构钢二、合金渗碳钢三、合金调质钢四、合金弹簧钢五、滚动轴承钢

合金结构钢——用于各类工程结构件和制造各种机器零件的钢。第二十五页，共六十四页。一、低合金结构钢

在碳素结构钢的基础上加入少量合金元素就形成了低合金结构钢。常加入的合金元素有锰（Mn）、硅（Si）、钛（Ti）、铌（Nb）、钒（V）等。低合金结构钢的含碳量较低，一般为0.10％～0.25％。热轧退火或正火状态下使用，一般不再进行热处理。第二十六页，共六十四页。低合金结钢的应用

第二十七页，共六十四页。二、合金渗碳钢

合金渗碳钢在经渗碳+淬火+低温回火的处理后，具有外硬内韧的性能，用来制造既要有优良的耐磨性和耐疲劳性、又能承受冲击载荷作用的零件，含碳量在0.10％～0.25％之间，加入合金元素主要是为了提高钢的淬透性，并防止钢因在长时间渗碳而造成晶粒粗大。其典型热处理工艺为：渗碳+淬火+低温回火。第二十八页，共六十四页。合金渗碳钢的应用

第二十九页，共六十四页。三、合金调质钢

含碳量一般为0.25％～0.50％，属于中碳合金钢。常加入少量铬、锰、硅、镍、硼等合金元素以增加钢的淬透性，使铁素体强化并提高韧性。加入少量钼、钒、钨、钛等碳化物形成元素，可阻止奥氏体晶粒长大和提高钢的回火稳定性，以进一步改善钢的性能。热处理工艺是调质（淬火+高温回火）。

第三十页，共六十四页。合金调制钢的应用

第三十一页，共六十四页。四、合金弹簧钢

含碳量一般为0.45％～0.70％。可加入的合金元素有锰、硅、铬、钒和钨等。弹簧钢的性能特点：（1）高的弹性极限或屈服极限和高的屈强比，以保证弹簧有足够高的弹性变形能力，并能承受大的载荷。（2）高的疲劳极限，以保证弹簧在长期的振动和交变应力作用下不产生疲劳破坏。（3）为了满足成形的需要和可能承受的冲击载荷，弹簧钢应具有一定的塑性和韧性。此外，一些在高温及易蚀条件下工作的弹簧，还应具有良好的耐热性和抗蚀性。

第三十二页，共六十四页。合金弹簧钢的应用

第三十三页，共六十四页。五、滚动轴承钢

主要用来制造各种滚动轴承的内外圈及滚动体（滚珠、滚柱、滚针），也可用来制造各种工具和耐磨零件。滚动轴承钢必须具有高的硬度和耐磨性、高的弹性极限和接触疲劳强度、足够的韧性和一定的耐蚀性。轴承钢都是高级优质钢。滚动轴承钢的热处理包括预先热处理和最终热处理。预先热处理采用球化退火，最终热处理为淬火+低温回火。第三十四页，共六十四页。滚动轴承钢的应用

第三十五页，共六十四页。§5－4合金工具钢一、合金刃具钢二、合金模具钢三、合金量具钢第三十六页，共六十四页。一、合金刃具钢

合金刃具钢主要用来制造车刀、铣刀、钻头等各种金属切削刀具。刃具钢要求高硬度、耐磨、高热硬性及足够的强度和韧性等。第三十七页，共六十四页。1．低合金刃具钢

低合金刃具钢是在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素的钢。

加入铬、锰、硅等元素，目的是提高钢的淬透性，同时还能提高钢的强度。加入钨、钒等强碳化物形成元素，目的是为了提高钢的硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持晶粒细小。

低合金刃具钢的预备热处理是球化退火，最终热处理为：淬火+低温回火。第三十八页，共六十四页。低合金刃具钢的应用第三十九页，共六十四页。2．高速钢

高红硬性、高耐磨性的高合金工具钢。钢中含有较多的碳（0.7％～1.50％）和大量的钨、铬、钒、钼等强碳化物形成元素。

高的含碳量：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。

W、Mo：提高钢红硬性的主要元素。铬：提高钢的淬透性。钒：提高钢的硬度、耐磨性和红硬性，并能细化晶粒。第四十页，共六十四页。高速合金钢的应用第四十一页，共六十四页。2．热作模具钢

热作模具钢是用来制造使金属在高温下成形的模具，如热锻模、热挤压模、压铸模等。热作模具钢要具备较高的强度、韧性、高温耐磨性及热稳定性，并具有较好的抗热疲劳性能。热作模具钢的最终热处理是淬火+中温回火（或高温回火），以保证其具有足够的韧性。第四十二页，共六十四页。二、合金模具钢

用于制作模具的钢称为模具钢。1．冷作模具钢

冷作模具钢用于制造使金属在冷状态下变形的模具，如冲裁模、拉丝模、弯曲模、拉深模等。小型冲裁模第四十三页，共六十四页。热锻模、压铸模和挤压模

第四十四页，共六十四页。3．塑料模具钢

我国目前在生产中推广应用十多种新型塑料模具钢，初步形成了我国塑料模具用钢体系。塑料模具对材料在强度和韧度上的要求低于冷作模和热作模,由于注塑零件形状往往比较复杂,塑料模具在淬硬后很难加工,有时甚至无法加工。所以应选用热处理变形小的材料。塑料模具的型腔复杂，切削加工量大，所以应具有优良的切削加工性能。塑料模具型腔表面质量要求很高，材料必需具有良好的抛光性能和刻蚀性。塑料模具使用时型腔中往往要添加各种化学添加剂，所以模具材料需要有良好的耐腐蚀性能。第四十五页，共六十四页。塑料制品与塑料模具第四十六页，共六十四页。三、合金量具钢

量具是测量工件尺寸的工具，其工作部分所用钢材一般要求高硬度、高耐磨性、高的尺寸稳定性和足够的韧性。第四十七页，共六十四页。§5－5特殊性能钢一、不锈钢二、耐热钢三、耐磨钢第四十八页，共六十四页。一、不锈钢

不锈钢主要是指在空气、水、盐的水溶液、酸及其他腐蚀性介质中具有高度化学稳定性的钢。不锈钢是不锈钢和耐酸钢的统称，能抵抗大气腐蚀的钢称为不锈钢，而在一些化学介质（如酸类）中能抵抗腐蚀的钢称为耐酸钢。

常用不锈钢按化学成分分为铬不锈钢、铬镍不锈钢和铬锰不锈钢等。按金相组织特点分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢等。第四十九页，共六十四页。1．奥氏体不锈钢

含碳量很低（≤0.15％），含铬量为18％，镍为9％，这种不锈钢习惯上称为18－8型不锈钢，属于镍铬不锈钢。常用的奥氏体不锈钢有12Cr18Ni9、06Cr18Ni9N等。

第五十页，共六十四页。2．马氏体不锈钢

钢中含碳量为0.10％～1.20％，淬火后能得到马氏体，属于铬不锈钢。淬火、回火后使用。马氏体不锈钢的耐蚀性、塑性和焊接性都不如奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢，但由于它具有较好的力学性能与一般的耐蚀性相结合，故应用广泛。马氏体不锈钢锻造后需退火，以降低硬度、改善切削加工性能。在冲压后也需进行退火，以消除硬化、提高塑性，便于进一步加工。第五十一页，共六十四页。3．铁素体不锈钢

含碳量＜0.12％，含铬量在11.50％～30％之间，属于铬不锈钢。铬是缩小奥氏体相区的元素，可使这类钢获得单相铁素体组织。抗大气与耐酸能力强，具有良好的高温抗氧化性，特别是抗应力腐蚀性较好，但力学性能不如马氏体不锈钢，塑性不及奥氏体不锈钢。第五十二页，共六十四页。二、耐热钢

耐热钢——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。钢的耐热性包含高温抗氧化性和高温强度两个指标。在高温下具有抗高温介质腐蚀能力的钢称为抗氧化钢；在高温下仍具有足够力学性能的钢称为热强钢。耐热钢是抗氧化钢和热强钢的总称。常用的抗氧化钢有40Cr9Si2、0