工程材料-第7章 合金钢

第七章合金钢在碳素钢的基础上，为了改善钢的组织和性能，在冶炼时有意加入某些元素所获得的钢种，叫合金钢。常用的合金元素有：Si(>0.4%)、Mn(>0.8%)、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Ni、Co、Al、RE等。第一节合金元素在钢中的作用非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B碳化物形成元素：Zr、Nb、Ti、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe一合金元素对钢中基本相的影响1强化铁素体：合金元素溶于铁素体，形成合金铁素体。强度、硬度提高，塑性、韧性有下降趋势。F和Fe3C与合金钢相比，碳钢的淬透性低、强度低、回火稳定性差、不具备某些特殊性能等。2形成合金碳化物：Zr、Nb、Ti、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe结构钢中合金元素含量有一定的限制加入少量的碳化物形成元素，形成合金渗碳体，如(FeMn)3C、(FeW)3C。当加入量超过一定限度除形成合金渗碳体外，还形成合金碳化物如：Cr7C3、Cr23C6等和稳定性更高的间隙相（WC、VC、TiC、MoC等）。熔点和硬度很高，难溶于A，也难聚集和长大。含量↑→强度、硬度、耐磨性↑，塑性、韧性↓二合金元素对铁碳合金相图的影响1扩大或缩小奥氏体相区（γ相区）：扩大A体相区元素：C、N、Co、Ni、Mn、Cu

缩小A体相区元素：Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al使S点和E点向左下方移动，A相区扩大，促使A形成，称为A形成元素。当他们的含量足够高时S点温度会降到室温以下室温下得到稳定的A组织，生产出奥氏体钢，如：1Cr18Ni9Ti使S点和E点向左上方移动，A相区缩小，促使F形成，称为F形成元素。当他们的含量足够高时奥氏体相区消失，使钢在高温和室温都为稳定的F组织，生产出单相铁素体钢，如1Cr17钢影响最大2几乎所有合金元素都使S点和E点向左移，即移向低碳方向。S点左移：共析成分含碳量降低，如含Cr13%的钢共析成分含碳量仅为0.3%E点左移：出现莱氏体的含碳量降低。如含W18%的钢，含碳量仅为0.7%～0.8%铸态出现莱氏体。3A形成元素使共析温度下降，F形成元素使共析温度升高。三合金元素对钢热处理的影响（一）对钢加热时A体化的影响合金钢A化过程和碳钢相同，包括三个阶段：晶核形成和长大渗碳体溶解奥氏体成分均匀化A化过程离不开Fe和C原子的扩散。加入合金元素影响了扩散速度和碳化物稳定性。1加速A体的形成：某些非碳化物形成元素如Co、Ni加速A体的形成。大部分合金元素特别是强碳化物形成元素如Mo、W、V等，减慢A体的形成速度。2减慢A体的形成：原因：加入这些元素使碳的扩散能力降低，形成碳化物阻碍碳扩散。碳化物稳定性很高，难分解，使A均匀化过程变得困难。把A化过程的三个阶段推向更高温度。合金钢要获得成分均匀A，加热温度更高，保温时间更长。

P、Mn等促进奥氏体晶粒长大；V、Ti、Nb、Al等强烈阻止奥氏体晶粒长大。Mo、W、Cr有阻止奥氏体晶粒长大作用。Si、Ni、Co、Cu影响小。（二）对过冷A体分解的影响（C曲线形状、位置）3对A体晶粒度的影响：过冷A体分解离不开Fe和C原子的扩散，加入合金元素（除Co外）阻碍了Fe和C原子的扩散，使A分解过程被推迟，即延缓了A分解，C曲线向右移。（三）对M体相变温度的影响大多数合金元素（除Co、Al外）使Ms点下降，Mn的作用最显著。增加了残余A的数量。（四）对回火转变的影响1提高钢的回火稳定性：钢对回火时软化过程的抵抗能力。越不容易软化，回火稳定性越强。回火组织转变包括四个阶段：M分解残余A分解碳化物的转变渗碳体聚集长大和α相再结晶。加入合金元素，尤其是Nb、Ti、V、W、Mo、Cr降低Fe和C原子扩散能力，把回火组织转变四个阶段推向更高温度。在同一温度回火，合金钢硬度和强度高。回火到相同硬度，合金钢的回火温度高。离不开Fe原子和C原子扩散Nb、Ti、V、W、Mo、Cr对提高回火稳定性有较强作用，Si作用也明显。硬度降低的过程被推向更高温度内应力消除彻底，塑性、韧性较高2产生二次硬化：在某温度范围回火硬度升高的现象。含Mo、W、V、Ti较高的淬火钢，在500℃～600℃回火时硬度不降反升。原因：（1）M回火稳定性很高，在500℃～600℃回火时，析出细小、弥散分布的特殊碳化物Mo2C、VC、W2C、、TiC，硬度、稳定性高，难以聚集长大，具有高温强度。

（2）部分残余A转变为M也提高了硬度。高速钢利用二次硬化提高热硬性。3产生回火脆性在某温度范围回火出现脆化（冲击韧性降低）现象。第一类回火脆性：250℃～350℃左右第二类回火脆性：500～650℃最容易出现在含Cr、Mn、Ni等元素的合金钢中。原因：缓冷时合金元素在原A晶界上偏聚，削弱了晶界的联系。快冷可以消除第二类回火脆性加入W、Mo可防止第二类回火脆性在此温度范围回火，碳化物沿M晶界呈薄片析出，增大了晶界脆断倾向，使韧性降低。加入W、Mo可强烈阻止合金元素向晶界偏聚，有效防止回火脆性。第二节合金钢的分类与编号一分类二牌号表示方法1低合金高强度结构钢Q＋σsmin＋质量等级符号（A、B、C、D、E）例：Q345C：钢的σs是345MPa，质量等级C级2合金结构钢两位数字+合金元素符号+数字如60Si2Mn高级优质钢，钢号最后加（A）易切钢：Y＋含碳量万分之几+合金元素符号+数字例：Y20、Y20Pb滚动轴承钢：GCr＋含铬量千分之几+合金元素符号+数字例：GCr15SiMn碳的万分之几合金元素百分之几合金元素＜1.5%：省略3合金工具钢一位数字+合金元素符号+数字碳的千分之几合金元素百分之几含碳量≥千分之十：省略例：5CrMnMoCrWMn4特殊性能钢一位数字+合金元素符号+数字碳的千分之几含碳量≤0.03%和0.08%，钢号前分别“00”和“0”例：2Cr130Cr18Ni9Ti合金元素＜1.5%：省略一低合金高强度结构钢：在普通碳钢的基础上加入少量合金元素制成，主要用于工程结构，如桥梁、建筑、船舶、车辆、高压容器等，故又称其为工程用钢。a化学成分特点：低碳wc<0.2%、低合金元素wMe<3%b性能特点：较高的强度（比碳素结构钢高10%～30%），足够塑性和韧性，

↓重量20%～30%。良好的压力加工性能和焊接工艺性。耐蚀性及低温性能好。c热处理特点：热轧后退火或正火，成形后不进行热处理，组织：P+F。第三节合金结构钢合金元素：Mn、Ti、V、Nb、Cu、P等Mn：固溶强化、细化晶粒↑强度，改善塑性、韧性V、Ti、Nb：形成碳化物阻碍晶粒长大，弥散强化Cu、P：↑耐腐蚀性二渗碳钢：wc=0.1%~0.25%：以保证零件的心部有足够的塑性和韧性；常用合金元素：Cr、Ni、Mn和B以提高钢的淬透性，热处理后表层和心部都得到强化。Ti、V、Mo：细化晶粒，形成碳化物阻止渗碳时奥氏体长大。1化学成分特点：2热处理特点：最终热处理：渗碳后进行淬火，低温回火（180~200℃）3性能特点：表面具有较高的硬度、耐磨性，心部具有足够的强度和韧性。表面：0.85%～1.0%合金渗碳体＋回火M＋残余A60～62HRC预备热处理：正火心部组织：淬透：低碳M。多数情况：T＋少量低碳M＋少量F碳素渗碳钢淬透性低淬，热处理对心部性部改变不大。4常用钢种：20CrMnTi（如用于汽车变速箱齿轮）下料→锻造→正火→加工齿形→渗碳→淬火（油冷）→低温回火→喷丸→精磨三合金调质钢：制造重要机器零件（齿轮、连杆、重要螺栓等），淬透性要好。1化学成分特点：wc=0.25%~0.50%，碳过低不易淬硬，过高则韧性差。合金元素：Mn、Cr、Si、Ni、B可提高淬透性，强化F，改善韧性。加入少量的Mo、W、V、Ti等元素阻止A体晶粒长大，提高钢的回火稳定性。2热处理特点：最终热处理：调质：淬火＋高温回火；Mo：防止第二类回火脆性。组织：回火索氏体，具有良好的综合性能。预备热处理：改善调质钢的锻造组织及切削加工性能合金元素含量较低：正火合金元素含量较高：正火＋高温回火（200HB）3性能特点：热处理后具有良好的综合力学性能，即强度高、塑性和韧性好。4常用钢种：40Cr（机床齿轮等）、40MnB（大截面零件）

42CrMo（汽缸螺栓）有些零件还要求表面硬度高、耐磨性好：感应加热表面淬火或氮化处理。下料→锻造→正火→机加工（粗加工）→调质→机加工（精加工）→喷丸四合金弹簧钢：wc=0.45%~0.7%主要添加元素是Si、Mn：提高淬透性、回火稳定性、强化F，保证高弹性和高屈强比。Cr、Mo、V：细化晶粒，提高弹性和屈强比、提高高温强度1化学成分特点：用于制造大截面尺寸的弹簧和弹性零件加热成型＋淬火＋中温回火，组织为回火托氏体。2弹簧的成型及热处理特点（1）热成型弹簧：截面尺寸＞10～15mm使弹簧具有高弹性极限、屈服极限和疲劳强度，一定的塑性和韧性。碳素弹簧钢淬透性差：小尺寸弹簧。五滚动轴承钢：制作滚动轴承元件、其它耐磨零件（1）化学成分：常用高碳、铬钢，wc=0.95~1.15%，wCr=0.40~1.55%。高碳：提高硬度，获得高耐磨性合金碳化物

Cr：↑淬透性，形成合金渗碳体阻止A晶粒长大以获得隐晶M，↑强度、韧性和疲劳强度。（2）冷成型弹簧：截面尺寸＜10mm如果成型前弹簧钢丝已经有很高的强度和足够的塑性、韧性：消除应力的退火处理如果弹簧钢丝是退火状态，成形后：淬火＋中温回火弹簧最后喷丸处理：造成表面压应力，提高疲劳强度。工作时承受较大局部交变载荷，滚动体和套圈之间有极大的接触应力。要求有很高的硬度、耐磨性、疲劳强度，足够的韧性、耐腐蚀性。大型轴承加入Si、Mn、Mo、V：提高淬透性、强度和疲劳极限（2）热处理：球化退火＋淬火＋低温回火低温回火：150℃～160℃，保温2～3h组织：极细回火M＋极细粒状合金渗碳体＋少量A残精密轴承淬火后冷处理：－60℃减少A残，低温回火消除冷处理时内应力。精磨后稳定化处理：加热120℃～130℃保温10～15h提高尺寸稳定性。低温长时间回火61—65HRC六易切钢有良好的切削加工性能加入合金元素：S、P、Pb、Ca、Se等Pb：细小颗粒均匀分布在钢的基体上，改善可切削性，0.1%～0.3%S：0.08%～0.35%，必须有足够Mn形成MnS夹杂物，中断基体连续性提高切削性能。但容易形成纤维组织。加入Ti、Zr、RE等，抑制硫化物延伸，防止各向异性。Ca：0.001%～0.05%，形成高熔点氧化物，附在刀具上，提高耐磨性。在刀具钢或不锈钢中加Pb、S、Se等，可提高可切削性。超高强度钢：抗拉强度＞1500MPa或屈服极限＞1380MPa

适当塑性、韧性低合金超高强度钢在调质钢基础上发展的，是最主要飞机结构用钢。碳：0.3%～0.45%

合金元素总量＜5%：Ni、Cr、Si、Mn、Mo、V等目的：提高淬透性、韧性、回火稳定性最终热处理：淬火＋低温回火2中合金超高强度钢合金元素：5%～10%：Cr、Mo、V强碳化物形成元素淬火＋高温回火，利用M回火时二次硬化强化。3中合金超高强度钢（M时效钢）以Fe、Ni为基的高合金钢碳极低＜0.03%、Ni高：18%～25%；加入Mo、Ti、Nb、Al时效强化元素815℃固溶处理获得稳定M。加热450℃～500℃时效处理，析出极细金属间化合物，弥散分布在M基体上显著提高强度。飞机、火箭第四节工具钢一刃具钢1性能要求

（1）高硬度：＞60HRC；C↑→HRC↑；0.6%～1.5%（2）高耐磨性：取决于碳化物的硬度、数量、大小、分布。一定量的硬而细小的碳化物均匀分布在强而韧的基体上可提高耐磨性。（3）高的热硬性：刀具温度升高时仍能保持高硬度。钢中加入提高回火稳定性、能产生二次硬化的元素可提高钢的热硬性。碳素工具钢淬透性低、淬火时易变形和开裂，热硬性差。用于制作刃部受热较低的手用工具或低速、小走刀量的机用工具。2低合金刃具钢（1）成分特点：碳0.9%～1.5%加入Si、Cr、Mn：提高淬透性和回火稳定性，60HRC以上加入W、V：提高热硬性、耐磨性预备热处理：球化退火197～241HB最终热处理：淬火＋低温回火温度800～8102～4h700～7206～8h空冷炉冷时间9SiCr球化退火850℃～870℃600℃～650℃160℃～200℃时间温度等温淬火190℃～200℃9SiCr最终热处理9SiCr圆板牙：下料→锻造→球化退火→机加工（粗加工）→淬火、低温回火→精加工

B下：具有更好的硬度和韧性的配合3高速钢是一种典型的高合金刃具钢。（锋钢）V：与C形成VC，提高钢的硬度和耐磨性、阻止A晶粒长大、二次硬化（2）锻造与热处理锻造：击碎粗大碳化物，均匀分布在基体上。退火：降低硬度，消除应力，为淬火做准备。（1）化学成分：c：0.7~1.25%：溶入M以提高硬度和耐磨性形成足够多的合金碳化物Cr：4%：增加A的稳定性，以提高钢的淬透性

W：6~19%一部分形成碳化物，阻止A晶粒长大。另一部分溶入M，提高钢回火稳定性，回火时析出碳化物“二次硬化”提高热硬性、Mo：0~6%与W作用相同，1%Mo代替2%W生产中常用等温退火：S＋细粒状碳化物207～225HBS淬火和回火淬火温度：1270℃～1280℃三次回火：550℃～570℃淬火温度高：1270℃～1280℃，合金元素充分溶人到A，回火时产生二次硬化提高热硬性。加热时必须预热：合金元素含量高，导热性差。小尺寸、形状简单刀具：油淬形状复杂、要求变形小的刀具：分级淬火淬火后三次高温回火：550℃～570℃M析出细小分散的碳化物：MoC、WC、VC，形成弥散硬化，A残析出合金碳化物，降低了A残中合金元素浓度，Ms↑→冷却时A残→M“产生二次淬火”。回火后组织：回火M＋合金碳化物＋少量A残（1%～2%）为提高刀具寿命，表面处理：软氮化、蒸汽处理。淬火后组织：M＋合金碳化物＋A残（20%～30%）硬质合金成分性能牌号应用钨钴类WC、CoCo↑→αk↑HB、耐磨性↓YG3（Co%）铸铁有色金属钨钴钛类WC、TiC、CoHB、热硬性好但σW、αk不如前YT5（TiC%）合金钢耐热钢钢结硬质合金WC、VC、TiC、高速钢

铬钼钢αk好，但热硬性、耐磨性↓YE65（除TiC外)形状复杂的刀具麻花钻、铣刀涂层硬质合金提高HB、耐磨性、热硬性、改善刀具性能，涂覆碳化物、氮化物粉末等硬质合金：碳化物粉末和粘结剂混合，压制成型，烧结制成粉末冶金产品。二模具钢（一）冷作模具钢小尺寸的冷作模具性能要求与刃具钢相似：T10、9CiSi、9Mn2V、CrWMn等大尺寸冷作模具钢要求淬透性好、耐磨性高、热处理变形小，一般采用高碳、高铬的Cr12型钢种，如Cr12、Cr12MoV等。碳：1.45%～1.7%：一部分溶入A，提高硬度和耐磨性。另一部分形成合金碳化物Cr：提高淬透性；

形成Cr7C3，具有极高硬度（1820HV）V、Mo：提高淬透性，细化晶粒，提高强度和韧性。下料→锻造→退火→机加工→淬火→回火→精磨或电火花加工→成品淬火和回火回火250-275油冷960-1050800-830温度℃时间空冷反复锻造击碎粗大碳化物，锻造后缓冷。退火：850℃～870℃、加热3～4h，在720℃～750℃等温6～8h，255HBS（二）热作模具钢除受各种机械应力外，还有热应力（炽热金属和冷却介质交替作用）→热疲劳性能：较高强度和韧性，足够的硬度；抗热疲劳性能良好导热性、回火稳定性；足够的淬透性成分：C≤0.5％，保证强度和韧性的良好配合Cr、Ni、Mn、Si：提高淬透性Mo、W、V：提高回火稳定性、减少回火脆性Cr、W缩小A相区，使组织稳定5CrMnMo热锻模工艺路线：下料→锻造→退火→机加工→淬火→回火→精加工→成品第五节特殊性能钢一不锈钢：抵抗空气、水、酸、碱及其它化学介质腐蚀（一）腐蚀与防腐蚀腐蚀的两种类型：化学腐蚀和电化学腐蚀（在腐蚀过程中有电流产生）更普遍图7-26引起腐蚀的冶金原因：电极电位低的阳具（不断失去电子）被腐蚀防腐蚀的措施1使钢呈单相组织，可避免微电池形成2如果是双相组织，加入合金元素，提高基体电极电位，使两相电极电位接近。3加入合金元素，如：Cr、Al等，形成保护膜。（二）不锈钢种类、成分、热处理及性能1铁素体不锈钢：Cr17钢C＜0.12%、16～18%Cr单相F组织耐腐蚀性能好、塑性好、强度低，不能热处理强化应用：化工设备的容器、管道等2马氏体不锈钢：Cr13钢0.1～0.45%C，较高的强度、硬度和耐磨性Cr：提高耐蚀性Cr>12%时在阳极区表面形成氧化膜，阻止阳极区的反应（钝化现象），同时提高基体电极电位，提高耐腐蚀性。在氧化性介质（大气、水蒸气、海水、氧化性酸等）中有好的耐腐蚀性应用：医疗器械、汽轮机叶片等3奥氏体不锈钢：18－8型镍铬不锈钢18%Cr：提高钝化能力9%Ni：扩大A相区，使钢在室温为单相A组织晶间腐蚀：500～700℃保温时，晶界上析出Cr23C6晶界附近Cr＜11.7%，晶界容易被腐蚀防止晶界腐蚀的措施：C＜0.06%，不易形成Cr23C6，如：0Cr18Ni9加入Ti、Nb形成TiC、NbC，不形成Cr23C6，如：1Cr18Ni9Ti发现有晶间腐蚀倾向，加热850～900℃