第六章 合金钢

第六章合金钢第1页，共54页，2023年，2月20日，星期三§6.1概论

合金钢：为了提高钢的机械性能、工艺性能或物理、化学性能，在冶炼时特意往钢中加入一些合金元素，这种钢称为合金钢碳钢的缺点：淬透性低；回火抗力差；基本相软第2页，共54页，2023年，2月20日，星期三

一、Me对基本相的影响基本相：铁素体；碳化物合金元素：分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素非碳化物形成元素：NiSiAlCoCu等碳化物形成元素：Mn┆CrMoW┆VTiNbZr第3页，共54页，2023年，2月20日，星期三对铁素体：合金元素溶于铁素体，形成合金铁素体，提高基体的强度。对碳化物：弱和较强碳化物形成元素形成合金渗碳体，如（Fe,Cr)3C等合金渗碳体比渗碳体更稳定，硬度更高合金元素还可以形成特殊碳化物如，Cr7C3WCTiC等特殊碳化物比合金渗碳体比渗碳体更稳定，硬度更高第4页，共54页，2023年，2月20日，星期三

二、对Fe-Fe3C相图的影响

1.NiMnCoN等合金元素扩大A区

2.CrVMo等合金元素缩小A区

3.合金元素使相图的S点和E点左移第5页，共54页，2023年，2月20日，星期三

三、对加热和冷却转变的影响（一）对加热转变的影响除了Ni，Co以外的合金元素，均减慢A的形成过程；除了Mn以外，合金元素阻碍A晶粒的长大第6页，共54页，2023年，2月20日，星期三

（二）对过冷A转变的影响

1.除了Co以外的合金元素使C曲线右移

2.除了Co，Al以外，合金元素降低Ms点，并增加残余奥氏体量第7页，共54页，2023年，2月20日，星期三

四、对回火转变的影响

1.提高回火抗力（回火稳定性）合金元素阻碍原子的扩散，使马氏体不易分解，且分解后碳化物不易聚集长大，从而使钢的硬度随回火温度的升高而下降的程度减弱。第8页，共54页，2023年，2月20日，星期三2.产生二次硬化现象在某一回火温度范围内，随着回火温度的升高，硬度不下降反而升高一般在含碳化物形成元素较多的合金钢中出现。第9页，共54页，2023年，2月20日，星期三3.产生回火脆性钢的韧性明显降低第一类回火脆性：250～400℃范围内产生产生后无法消除，所以称不可逆的避免在此温度范围内回火

第10页，共54页，2023年，2月20日，星期三第二类回火脆性：550～650℃范围内产生产生以后可消除，所以称可逆的预防措施：①回火后快速冷却②加入合金元素，如MoW等五、合金钢的分类按用途分为三大类：①合金结构钢；②合金工具钢；③特殊性能钢第11页，共54页，2023年，2月20日，星期三§6.2合金结构钢结构钢：用于制造机械零件以及工程构件一、分类及编号6类××化学符号×××：平均含碳量，1/10000×：所含元素的含量，1.5﹪以下不标含量第12页，共54页，2023年，2月20日，星期三

二、普通低合金钢

1.用途：制造桥梁，船舶，车辆，管道等

2.性能要求：高屈服极限，高σs/σb

良好的塑性和焊接性能一定的耐腐蚀性

3.成分特点：低碳，＜0.2﹪；保证塑性和韧性；焊接性能主加元素：Mn固溶强化，提高强度第13页，共54页，2023年，2月20日，星期三

辅加元素：TiVNbCu等

TiVNb—细化晶粒

Cu—提高钢对大气的抗腐蚀能力4.常用钢

16Mn15MnV16MnCu5.热处理热轧或正火第14页，共54页，2023年，2月20日，星期三

三、易切钢加入合金元素，使其成为容易被切削的钢

1.附加元素SPbCa等

S：形成（Mn,Fe）S夹杂物，中断基体的连续性

Pb：孤立呈细小颗粒

Ca：形成高熔点硅酸盐（1300～1600℃）附在刀刃上，起减磨作用的保护膜第15页，共54页，2023年，2月20日，星期三2.钢号

Y12Y40MnY40CrSCa

四、渗碳钢用于制造渗碳零件的钢

1.用途表面承受强烈的磨损，并承受动载荷的零件。如，齿轮第16页，共54页，2023年，2月20日，星期三2.性能要求表面具有较高的硬度、疲劳强度中心具有较高的韧性和足够的强度

3.成分特点

C﹪：低碳，保证心部的韧性。

0.1～0.25﹪

主加元素：Cr,Ni,Mn等，↑淬透性强化铁素体，提高心部性能第17页，共54页，2023年，2月20日，星期三

辅加元素：W,Mo,V,Ti等细化晶粒，提高韧性和强度

4.常用钢号

2020Cr20CrMnTi18Cr2Ni4W5.热处理渗碳+淬火+低温回火第18页，共54页，2023年，2月20日，星期三

五、调质钢经调质后使用的钢调质后钢具有良好的综合机械性能，因此调质钢用于制造重要零件。如，机床主轴等

1.成分特点中碳，0.25～0.5％C。含碳量过低，则强度、硬度不足；过高则韧性不足第19页，共54页，2023年，2月20日，星期三

主加元素：CrNiMn等↑淬透性；强化铁素体辅加元素：WMoTiV等细化晶粒；提高回火抗力

WMo：防止产生第二类回火脆性

2.常用钢号

4040Cr40CrMn40CrMnMo3.热处理：调质处理第20页，共54页，2023年，2月20日，星期三

六、弹簧钢弹簧作用：①减振②驱动

1.性能要求高的弹性极限（避免高载荷下发生塑性变形）高的疲劳极限（避免疲劳破坏）高的σs/σb（尽可能高的弹性极限）具有一定的塑性和韧性，较好的淬透性第21页，共54页，2023年，2月20日，星期三2.成分特点中高碳钢，0.6～0.75％C，保证高的疲劳极限和屈服极限合金钢：0.45～0.7％C

主加元素：SiMnCr等↑淬透性，固溶强化

Si：显著提高σs/σb≈1第22页，共54页，2023年，2月20日，星期三

辅加元素：MoWV等减少脱碳倾向、过热倾向

3.钢号

6565Mn60Si2Mn50CrVA4.热处理尺寸不同，成形与热处理不同

1）热成形大于10～15mm

淬火加热成形—利用余热淬火—中温回火第23页，共54页，2023年，2月20日，星期三2）冷成形①铅浴等温处理冷拉—加热A化—500～550℃铅浴等温

—成形—区应力退火（200～300℃）组织转变：A→S②淬火回火钢丝冷拉—淬火+中温回火—成形—区应力退火第24页，共54页，2023年，2月20日，星期三

七、滚动轴承钢用于制造滚动轴承内、外圈及滚动体

1.工作条件滚动体和内外圈均受交变载荷；接触应力大；不但有滚动，而且有滑动，受强烈的磨损第25页，共54页，2023年，2月20日，星期三2.性能要求高而均匀的耐磨性；高的弹性极限和接触疲劳极限；足够的韧性和淬透性；一定的抗蚀性能

3.成分及牌号高碳，0.95～1.15％C。保证高的强度、硬度和耐磨性第26页，共54页，2023年，2月20日，星期三

主加元素：Cr↑淬透性形成Cr的碳化物，↑接触疲劳强度和耐磨性辅加元素：SiMn↑淬透性牌号：GCr×，Cr含量以1/1000为单位

4.钢号

GCr15GCr15SiMn第27页，共54页，2023年，2月20日，星期三5.热处理预先热处理：球化退火最终热处理：淬火+低温回火第28页，共54页，2023年，2月20日，星期三§6.3合金工具钢

用于制造刀具、模具、量具一、分类及编号

1.按成分分

1）碳素工具钢

2）合金工具钢

2.按用途分

1）刃具钢3）模具钢3）量具钢第29页，共54页，2023年，2月20日，星期三3.编号与合金结构钢类似形式：×化学符号×

前面的数字：平均含碳量以1/1000

合金元素的表示方法与结构钢相同如，9SiCr

高速钢不标旱碳量，如W18Cr4V合金工具钢都是高级优质钢，故不标A第30页，共54页，2023年，2月20日，星期三

二、刃具钢（一）工作条件其任务是进行切削刀具承受压力；有相对摩擦，产生热量，切削速度越大，温度越高；承受一定的冲击和振动第31页，共54页，2023年，2月20日，星期三

（二）性能要求

1.高的硬度和耐磨性高硬度：主要取决于含碳量高耐磨性：不仅取决于高硬度，也与钢中碳化物数量及分布状况有关

高碳马氏体+均匀细小碳化物这种组织的硬度和耐磨性高所以，刃具钢都是高碳钢第32页，共54页，2023年，2月20日，星期三2.高的红硬性红硬性：在高温下刃具仍高硬度的能力又称热硬性回火稳定性越高，红硬性越好

3.一定的强度、塑性和韧性第33页，共54页，2023年，2月20日，星期三

（三）碳素刃具钢

T7～T13T7A～T13A

含碳量越高，钢的耐磨性越好，韧性越差热处理：淬火+低温回火组织：细回火马氏体（M’）+细小碳化物

+残余奥氏体（少量）缺点：淬透性低；热硬性差第34页，共54页，2023年，2月20日，星期三

（四）低合金刃具钢

ΣMe＜5﹪1.常用低合金刃具钢

9SiCr9Mn2VCrWMn

合金元素作用：↑淬透性，↑热硬性比碳素刃具钢的好

第35页，共54页，2023年，2月20日，星期三2.热处理预先热处理：球化退火最终热处理：淬火+低温回火组织：细马氏体+碳化物（粒）+残余奥氏体第36页，共54页，2023年，2月20日，星期三

（五）高速钢前两类钢的红硬性低，不能用于高速切削高速钢的红硬性的达600℃，可长期保持刃口锋利，又称“锋钢”第37页，共54页，2023年，2月20日，星期三1.化学成分高碳：0.7～1.65﹪

保证形成足够数量的合金碳化物以及高碳马氏体，保证高硬度、高耐磨性和高红硬性合金元素：含有大量的WMoCrV等碳化物形成元素第38页，共54页，2023年，2月20日，星期三W：提高红硬性的主要元素↑耐磨性，阻碍晶粒长大退火以后，W在钢中以Fe4W2C的形式存在。淬火加热时，部分溶入A中，淬火后形成溶有W的马氏体，这种马氏体在

500～600℃回火时析出弥散的W2C，造成二次硬化。第39页，共54页，2023年，2月20日，星期三Cr：↑淬透性

Cr23C61100℃全部溶入

V：阻碍晶粒长大

V溶于马氏体时也能提高热硬性

Mo：作用与W相似，1﹪代替2﹪Co：提高钢的临界点因此，允许加热到更高的温度，充分发挥合金元素的作用第40页，共54页，2023年，2月20日，星期三2.常用高速钢

W系：W18Cr4V18-4-1

发展最早，应用最广W-Mo系：W6Mo5Cr4V26-5-4-2

高温塑性好第41页，共54页，2023年，2月20日，星期三3.锻造及预先热处理必须反复锻造原因：高速钢因含有大量的合金元素，使

E点显著左移，故高速钢属来氏体钢。其组织中具有鱼骨壮共晶碳化物，这些粗大的碳化物不能用热处理方法消除，只能用锻造的方法将其击碎并均匀分布第42页，共54页，2023年，2月20日，星期三

预先热处理：退火或退火+调质第43页，共54页，2023年，2月20日，星期三4.高速钢的热处理特点

1）淬火加热温度很高

W18Cr4V1260～1280℃W6Mo5Cr4V21220～1240℃

因为温度越高，溶入A中的合金元素越多，淬火后马氏体中的合金元素越多，回火后具有高的红硬性

W18Cr4V1270～1280℃，A中，7～8﹪W，4﹪Cr，1﹪V第44页，共54页，2023年，2月20日，星期三2）淬火加热时进行预热高速钢的导热性较差。加热时为了减少热应力，防止变形和开裂。必须进行预热一般两次预热：第一次，～550℃

第二次，～850℃第45页，共54页，2023年，2月20日，星期三3）在550～570℃回火，回火三次淬火后组织：M+K+AR其中，过剩的K在回火时不发生变化，只有A和AR发生转变

550～570℃回火时硬度达最大值原因有二：第46页，共54页，2023年，2月20日，星期三

回火三次：高速钢的合金元素含量高，因此其MS点低，淬火后AR量多，因此硬度不高。为使AR转变为M，并从M中析出弥散的K

以产生弥散强化，要在550～570℃回火三次。一次回火后，减少至15﹪

二次回火后，减少至3～5﹪

三次回火后，减少至1～2﹪第47页，共54页，2023年，2月20日，星期三

后一次回火可消除前一次回火时由于

AR→M所产生