机械工程材料-沈莲-04章-合金钢

第四章

合金钢

ALLOYSTEELS

碳钢的优点：（1）经热处理后具有良好的综合力学性能；（2）冶炼工艺简单，成本低；（3）压力加工性能好；（4）切削加工性能好。

碳钢的缺点：（1）淬透性低；（2）回火抗力差：淬火钢在回火过程中硬度、强度下降过多；（3）强度不够高；（4）不具备特殊性能：耐高温、耐低温、耐磨损、耐腐蚀。

要求减轻自重的大型构件和受力复杂、负荷大、速度高的重要机械零件以及在高温、低温、腐蚀、磨损等恶劣环境下工作的零构件，显然不能用碳钢来制造。

合金钢就是指为了改善钢的性能，在碳钢中特意加入某些合金元素的钢。第一节

概述

ABSTRACTOFALLOYSTEELS

合金钢就是指在碳钢中特意加入某些合金元素的钢。

常用合金元素有Cr、Mn（锰）、Co（钴）、Cu、Si、Al、B（硼）、W（钨）、Mo（钼）、V（钒）、Ti（钛）、Nb（铌）、Zr（锆）、RE（稀土元素）。

合金元素在钢中可以与铁和碳形成固溶体（合金奥氏体、合金铁素体），也可以与铁和碳形成碳化物（合金渗碳体、特殊碳化物），不同合金元素也可以相互之间形成金属间化合物，从而改变钢的组织和性能。一、合金元素在钢中的作用（1）细化奥氏体晶粒1.合金元素改善钢的热处理工艺性能

除Mn以外，所有的合金元素都能阻碍钢在加热时奥氏体晶粒长大，尤其以Ti、V、Nb、Zr、Al的作用最大，它们在钢中形成TiC、VC、NbC、ZrC、AlN细微质点，阻碍晶界移动，显著细化奥氏体晶粒，从而使钢热处理后的组织细化。（2）提高淬透性

除Co以外，所有的合金元素固溶于奥氏体中增加了奥氏体的稳定性，减慢了过冷奥氏体分解速度，使奥氏体等温转变图右移，因而降低了钢淬火时的临界冷却速度V临，提高了淬透性。

这样，大尺寸的零件淬火后，整个截面上组织较均匀，性能较一致，而且可以选用冷却速度较低的淬火介质（如油），避免淬火时的变形开裂。如果合金元素含量很高，在空气中冷却也能得到马氏体。（3）提高回火抗力，产生二次硬化

回火抗力：淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力。硬度下降越慢，则回火抗力越高。

合金元素固溶于淬火马氏体中减慢了碳的扩散，阻碍碳化物从过饱和固溶体中析出，推迟了马氏体的分解，延缓硬度下降，因而合金钢具有较高的回火抗力。与同等碳含量的碳钢相比，在同样的回火温度下，合金钢有较高的强度和硬度；而回火至同一硬度，则合金钢的回火温度高，其塑性、韧性较好。当钢中Cr、W、Mo、V等的含量超过一定量时，在400℃以上还会形成弥散分布的特殊碳化物Cr7C3、W2C、Mo2C、VC等，使硬度重新升高，直至500~600℃硬度达到最高值。这种淬火钢在较高温度回火，硬度不下降反而升高的现象称为二次硬化。二次硬化对高合金工具钢十分重要，使刃具、模具、在较高温度下仍保持高硬度。图4-2合金元素对回火的影响a）Si的影响b）Mo的影响（4）防止第二类回火脆性

回火脆性：淬火钢回火后出现韧性下降的现象。在250~400℃出现的韧性下降现象，称为“第一类回火脆性”。无有效方法消除它，通常只有避免在此温度范围内回火。“第二类回火脆性”是在500~650℃回火后缓慢冷却出现的冲击韧性下降现象。这类回火脆性只在含Cr、Mn或Cr-Ni、Cr-Mn的合金钢中出现。若回火后快冷或在钢中加入0.2~0.3%的Mo或0.4%~0.8%的W可以防止防止第二类回火脆性。实际生产中，为了防止第二类回火脆性，对于小尺寸零件，通常采用回火后快冷的方法，对于大尺寸零件，则选用含Mo、W的钢制造。（1）合金元素使钢得到强化2.合金元素提高钢的使用性能

如第二章所述，钢的塑性变形是位错的远动形成滑移带造成的。钢中的溶质原子、第二相粒子、晶界都是位错运动的障碍，从而都会使钢的强度、硬度升高，产生固溶强化、第二相强化、细晶强化。

合金元素Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W可固溶于铁素体、奥氏体、马氏体中引起晶格畸变，增加了位错运动阻力，产生固溶强化。1）固溶强化图4-4各种合金元素对铁素体硬度和冲击韧度的影响

合金元素Mn、Cr、Mo、W

可以固溶于渗碳体中，形成合金渗碳体（Fe·Mn）3C、（Fe·Cr）3C、（Fe·Mo）3C、（Fe·W）3C，增加了铁和碳的亲和力，提高了渗碳体的稳定性。这种稳定性较高的合金渗碳体即使在钢加热形成奥氏体时，也难以溶解在奥氏体中，也难以聚集长大，冷却后保留在钢中，形成位错运动的障碍，提高了钢的强度和硬度。2）第二相强化

此外，各种合金元素可以和碳形成相应的特殊碳化物，这些特殊碳化物熔点高、硬度高、稳定性高，加热时更难溶于奥氏体中，当它们以细小质点分布在钢中时，更能有效地提高钢的强度和硬度。3）细晶强化

大多数合金元素都能细化奥氏体和铁素体晶粒及马氏体针条，尤其以V、Ti、Nb、Zr、Al的细化作用最显著，晶界或马氏体针条边界成为位错运动的障碍。细晶强化不仅可以提高钢的强度和硬度，而且同时提高钢的塑性和韧性。（2）合金元素使钢获得特殊性能

合金元素固溶于铁素体和奥氏体中时，可以使Fe-Fe3C相图中的同素异构转变温度、共析温度等曲线和点的位置发生改变。1）形成稳定的单相组织

Ni、Mn、Cu、N等元素能使相图中奥氏体区扩大。当这些元素含量较高时，例如wNi为9%时，或wMn为13%时，则可使A3降至室温以下，此时钢在室温呈单相奥氏体组织，称为奥氏体钢，有耐腐蚀、耐高温、抗磨损等特殊性能。而Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al等元素能使相图中奥氏体区缩小。当这些元素含量较高时，例如wCr为17%~28%时则可使奥氏体区消失，此时钢呈单相铁素体组织，称为铁素体钢，此类钢也具有耐腐蚀、耐高温等特殊性能。2）形成致密氧化膜和金属间化合物

合金元素Si、Cr、Al、Ni、W、Mo、Ti等可以形成致密氧化膜SiO2、Cr2O3、Al2O3和金属进化合物FeSi、FeCr、Ni3Al、Ni3Ti、Fe2W、Fe2Mo。

致密氧化膜覆盖在钢的表面，提高钢的耐腐蚀性和高温抗氧化性（不锈钢的性能）；金属间化合物则阻碍位错在高温下运动，提高钢的蠕变抗力，特别是它们呈弥散分布的细颗粒时，可以显著提高钢的高温强度（耐热钢的性能）。

合金钢的分类方法很多，最常用的方法是按照用途将合金钢分为合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢三大类。二、合金钢的分类及牌号1.合金结构钢合金结构钢低合金高强度结构钢合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢滚动轴承钢

例如Wc为0.37%~0.44%、WCr为0.8%~1.1%的钢以40Cr表示；Wc为0.57%~0.65%、WSi为1.5%~2.0%、WMn为0.6%~0.9%的钢以60Si2Mn表示。

合金结构钢的牌号是用“数字+合金元素符号+数字”表示的，前面的数字表示钢中碳的质量分数的万分数，后面的数字表示合金元素质量分数的百分数，都采用四舍五入。

对于低合金高强度结构钢，其牌号用“Q+数字+质量等级（A、B、C、D、E质量依次提高）表示。

含S、P量较低（Ws<0.02%、Wp<0.03%）的高级优质钢，则在牌号的最后加“A”。

对于高碳低铬轴承钢，其牌号前注明“G”表示“高碳”Wc通常是0.95%~1.05%，因为是“低铬”后面的数字表示铬的质量分数的千分数。例如GCr15钢的Wc为0.95%~1.05%、WCr为1.5%。2.合金工具钢合金工具钢刃具钢模具钢量具钢

合金工具钢的牌号表示方法与合金结构钢大致相同，也是用”数字+合金元素符号+数字“来表示，其差别只是前面的数字是表示钢中碳的质量分数的千分数，如果钢中Wc≥1.0%时，不标注此数字。例如9Mn2V钢，其Wc为0.9%、WMn为2%左右、Wv为1%左右。3.特殊性能钢特殊性能钢不锈钢耐热钢耐磨钢

特殊性能钢的牌号表示方法与合金工具钢完全相同，是用”数字+合金元素符号+数字“来表示，其差别只是前面的数字是表示钢中碳的质量分数的千分数，如果钢中Wc≥1.0%时，不标注此数字。低温钢第二节

合金结构钢

合金钢结构钢主要用于制造重要工程结构和机器零件，它是工业上应用最广、用量最多的钢种。合金结构钢低合金高强度结构钢合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢滚动轴承钢超高强度钢

由于合金钢结构钢的用途各异，应用场合不同，选择的含碳量就不同，所选择的热处理方案也不同。合金结构钢中Wc可在0.1%~1.1%范围内变化。

合金结构钢的牌号是用“数字+合金元素符号+数字”表示的，前面的数字表示钢中碳的质量分数的万分数，后面的数字表示合金元素质量分数的百分数，都采用四舍五入。一、低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢重要用于制造在大气和海洋中工作的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆、船舶、输油输气管道、压力容器等。1.成分及性能特点低碳低合金以此保证钢具有良好的塑性、韧性和焊接性能。合金元素：Mn、Ti、V、Nb、RE固溶强化铁素体、细晶（晶粒）强化、提高在大气中的耐腐蚀性。

低合金高强度结构钢的强度显著高于相同含碳量的普通低碳结构钢，并具有良好的塑性、韧性和良好的焊接性和耐大气腐蚀性。

因此，用此类钢来制作大型构件不仅安全可靠，而且减轻自重、节约钢材。2.常用牌号和热处理

对于低合金高强度结构钢，其牌号用“Q+数字+质量等级（A、B、C、D、E质量依次提高）表示。

低合金高强度结构钢一般在供应状态下直接使用。低合金高强度结构钢通常采用热轧空冷（控轧钢），有时在焊接后进行一次正火处理（空冷）。

只有在个别要求高强度的情况下，才进行调质处理（淬火+高温回火），获得回火索氏体组织，例如高压容器。近年来，在此类钢的基础上，调整合金元素含量，通过亚温淬火（淬火至温度稍高于Ms的恒温硝盐浴或碱浴中）或控制轧制（调整和控制热轧时的温度、时间、变形度、冷却速度），获得铁素体+马氏体或铁素体+岛状马氏体+残留奥氏体的组织，可以进一步提高强度和冷成形性能，减轻构件重量。二、合金渗碳钢

合金渗碳钢是指经过渗碳热处理后使用的低碳合金结构钢，主要用于制造在摩擦力、交变接触应力和冲击条件下工作的重要零件，如汽车、拖拉机、重型机床中的齿轮，内燃机中的凸轮轴等。

这些重要零件表面要求有高的硬度、耐磨性和高的接触疲劳强度，心部则要求有良好的韧性和适当的强度，只有采用合金渗碳钢经渗碳热处理后才能满足上述性能要求。1.成分及性能特点低碳合金元素：Cr、Ni、Mn、B提高钢的淬透性、改善零件心部组织和性能，还能提高渗碳层的强度和韧性，尤其以Ni的作用最为显著。保证心部有足够的韧性微量合金元素：V、Ti、W、Mo形成特殊碳化物，阻碍奥氏体晶粒长大。

合金渗碳钢具有较高的强度和韧性，较好的淬透性，同时具有优良的工艺性能，即使在930~950℃高温下长时间渗碳处理，其奥氏体晶粒也不会长大，这样既能使零件渗碳后表面获得高的硬度和耐磨性，又能使心部有足够的强度和韧性。2.常用牌号和热处理低淬透性合金渗碳钢中淬透性合金渗碳钢高淬透性合金渗碳钢：小齿轮、活塞销：重要中齿轮、离合器轴：重要的曲轴、大中齿轮

其中应用最广泛的是20CrMnTi钢（抗拉强度为1000~1200MPa），属于中淬透性合金渗碳钢，用于制造承受高速、中速、冲击和在剧烈摩擦条件下工作的零件，如汽车、拖拉机的变速箱齿轮、离合器轴。

合金渗碳钢的热处理一般采用渗碳后直接进行淬火和低温回火。锻造正火机加工淬火低温回火精加工下料铸造渗碳图4-620CrMnTi钢齿轮的热加工工艺规范

最终组织：

表层：细针状高碳回火马氏体+粒状碳化物+残留奥氏体。

心部：低碳回火马氏体（或铁素体+托氏体）

从而使合金渗碳钢具有表硬心韧的综合力学性能。三、合金调质钢

合金渗碳钢是指经过调质处理（淬火+高温回火）后使用的中碳合金结构钢，主要用于制造受力复杂、要求综合力学性能的重要零件。

这些零件在工作过程中承受弯曲、扭转或拉-拉、拉-压交变载荷与冲击载荷的复合作用。它们既要有高的强度，又要有高的塑性、韧性。如精密机床的主轴、汽车的后桥半轴、发动机的曲轴、连杆螺栓、锻床的锤杆等。1.成分及性能特点中碳合金元素：Mn、Cr、Si、Ni、B增加钢的淬透性、固溶强化铁素体，有时加入少量的V，来细化晶粒。保证调质处理后有足够的强度和塑性、韧性。对于含Cr、Mn、Cr-Ni、Cr-Mn的钢为了防止和减轻第二类回火脆性，常加入适量的Mo、W。性能2.常用牌号和热处理低淬透性合金调质钢中淬透性合金调质钢高淬透性合金调质钢：截面尺寸较小的重要零件：截面尺寸较大的重要零件：截面尺寸大的重要零件

合金调质钢的热处理为淬火+高温回火，即调质，其组织为回火索氏体，具有高的强度，并具有适当的塑性和韧性。

有些调质钢制零件除了要求较高的强度、塑性、韧性配合外，还要求表层局部区域有良好的耐磨性，为此，经过调质处理后，还要对局部区域进行感应加热表面淬火或渗氮。近年来，利用低碳合金结构钢经淬火+低温回火获得强而韧的低碳马氏体来代替中碳合金调质钢，提高了零件的承载能力，减轻了质量，取得了较好的效果。如采用20SiMnMoV钢代替35CrMo钢制造石油钻井用的吊环，可使质量从97Kg减小到29Kg。四、合金弹簧钢

合金弹簧钢是用于制造弹簧或其他弹性零件的钢种。弹簧的主要作用是通过弹性变形储存能量，从而传递力和缓和机械的振动与冲击。显然，弹簧应具备高的弹性极限和屈服强度，以保证其能吸收大量的弹性能而不发生塑性变形。此外还应具备较高的疲劳强度和足够的塑性、韧性，以防止弹簧的疲劳断裂和冲击断裂。1.成分及性能特点中高碳合金元素：Si、Mn、Cr、V、Nb、Mo、W提高钢的淬透性和耐回火性、固溶强化铁素体，提高弹性极限与屈服比。以保证弹簧钢具有高强度和高弹性极限。因此，合金弹簧钢的淬透性好、耐回火性好，具有高的弹性极限、屈服强度、抗拉强度以及较高的疲劳强度与足够的塑性、韧性。2.常用牌号和热处理

合金弹簧钢按所含合金元素大致可分为两类。

（1）含Si、Mn元素的合金弹簧钢典型代表是60Si2Mn，用于制造截面尺寸≤25mm的弹簧，如汽车、拖拉机、火车的板弹簧和螺旋弹簧等。

（2）含Cr、V元素的合金弹簧钢典型代表是50CrVA，用于制造截面尺寸≤30mm的弹簧，并在350~400℃温度下工作的重载弹簧。

合金弹簧钢的热处理为淬火+中温回火，获得回火托氏体，具有最好的弹性。

弹簧的表面质量对使用寿命影响很大，微小的表面缺陷如脱碳、裂纹、夹杂均降低疲劳强度。因此，弹簧在热处理后常采用喷丸处理，使其表面产生残留压应力，以提高疲劳强度，从而提高使用寿命，经喷丸处理后，弹簧的使用可提高5~6倍。

根据成形工艺，弹簧可分为冷成形弹簧和热成形弹簧，它们具有不同的加工工艺路线。

（1）冷成形弹簧用于截面尺寸<10mm的小型弹簧，如仪表中的弹簧。

然后冷卷或冷冲压成形。成形后的弹簧再在200~400℃温度下进行去应力退火。成形前：冷拉（冷轧）或热处理（淬火+中温回火），使其具有高的