工程材料-第7章合金钢

1、第七章第七章 合金钢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。元素所获得的钢种，叫合金钢。常用的合金元素有：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。等。第一节第一节 合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的作用非碳化物形成元素：非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B碳化物形成元素：碳化物形成元素：Zr、Nb、Ti、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe一一 合金元素对钢中基本相的影响合金元素对钢中

2、基本相的影响1 强化铁素体：强化铁素体：合金元素溶于铁素体，形成合金铁素体。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。强度、硬度提高，塑性、韧性有下降趋势。F 和和 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。特殊性能等。2 形成合金碳化物：形成合金碳化物： Zr、Nb、Ti、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe结构钢中结构钢中合金元素合金元素含量有一含量有一定的限制定的限制加入少量的碳化物形成元素，形成合金渗碳体，如加入少量的碳化物形成元素，形成合金渗碳体，如(Fe

3、 Mn)3C、(Fe W)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：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（等和稳定性更高的间隙相（ WC、VC、TiC、MoC等等 ） 。熔点和硬度很高，难溶于熔点和硬度很高，难溶于A，也难聚集和长大。，也难聚集和长大。含量含量 强度、硬度、耐磨性强度、硬度、耐磨性，塑性、韧性，塑性、韧性 二二 合金元素对铁碳合金相图的影响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扩大或缩小奥氏体相区（相区）相区）：扩大扩大A体相区元素：体相区元素： C、N、 Co、 Ni

4、、 Mn、Cu 缩小缩小A体相区元素：体相区元素： Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al使使S点和点和E点向左下方移动，点向左下方移动，A相区扩大，促使相区扩大，促使A 形成，称为形成，称为A形成元素。当他们的含量足够高时形成元素。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点温度会降到室温以下室温下得到稳定的A组组织，生产出奥氏体钢，如：织，生产出奥氏体钢，如：1Cr18Ni9Ti使使S点和点和E点向左上方移动，点向左上方移动，A相区缩小，促使相区缩小，促使F形形成，称为成，称为F形成元素。当他们的含量足够高时奥氏形成元素。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

5、为稳定的体相区消失，使钢在高温和室温都为稳定的F组织，组织，生产出单相铁素体钢，如生产出单相铁素体钢，如1Cr17钢钢影响最大影响最大2 几乎所有合金元素都使几乎所有合金元素都使S点和点和E点向左移，即移向低碳方向。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。如含点左移：出现莱氏体的含碳量降低。如含W18%的钢，含碳量仅的钢，含碳量仅 为为0.7% 0.8% 铸态出现莱氏体铸态出现莱氏体。3 A 形成元素使共析温度下降，形成元素使共析温度下降，F 形成

6、元素使共析温度升高。形成元素使共析温度升高。三三 合金元素对钢热处理的影响合金元素对钢热处理的影响（一）对钢加热时（一）对钢加热时A体化的影响体化的影响合金钢合金钢A化过程和碳钢相同，包括三个阶段：化过程和碳钢相同，包括三个阶段：晶核形成和长大晶核形成和长大渗碳体溶解渗碳体溶解奥氏体成分均匀化奥氏体成分均匀化 A化过程离不开化过程离不开Fe和和C原子的扩散。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。加入合金元素影响了扩散速度和碳化物稳定性。1 加速加速A体的形成：体的形成：某些非碳化物形成元素如某些非碳化物形成元素如Co、Ni 加速加速A体的形成体的形成。大部分合金元素特别是强碳化

7、物形成元素如大部分合金元素特别是强碳化物形成元素如Mo、W、V等，减慢等，减慢A体的形成速度体的形成速度。2 减慢减慢A体的形成：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。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。 碳化物稳定性很高碳化物稳定性很高，难分解，使，难分解，使A均匀化过程变得困难。均匀化过程变得困难。 把把A化过程的三个阶段推向更高温度。化过程的三个阶段推向更高温度。合金钢要获得成分均匀合金钢要获得成分均匀A，加热温度更高，保温时间更长。，加热温度更高，保温时间更长。 P、Mn等促进奥氏体晶粒长大；等促进奥氏体晶粒长大； V 、 Ti、

8、Nb、Al等强烈阻止奥氏体晶粒长大。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有阻止奥氏体晶粒长大作用。 Si、Ni、Co、Cu影响小。影响小。（二）对过冷（二）对过冷A体分解的影响体分解的影响（C曲线形状、位置）曲线形状、位置）3 对对A体晶粒度的影响：体晶粒度的影响： 过冷过冷A体分解离不开体分解离不开Fe和和C原子的扩散原子的扩散，加入合金加入合金元素（除元素（除Co外）阻碍了外）阻碍了Fe和和C原子的扩散原子的扩散，使使A分解分解过程被推迟，即延缓了过程被推迟，即延缓了A分解，分解，C曲线向右移。曲线向右移。（三）对（三）对M体相变温度的影响体相变温度的影响大多

9、数合金元素（除大多数合金元素（除Co、Al外）使外）使Ms点下降，点下降，Mn的作用最显著。的作用最显著。增加了残余增加了残余A的数量。的数量。（四）对回火转变的影响（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。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。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：回火组织转变包括四个阶段：M分解分解残余残余A分解分解碳化物的转变碳化物的转变渗碳体聚集长大和渗碳体聚集长大和相再结晶。相再结晶。 加入合金元素，尤其是加入合金元素，尤其是Nb、Ti、V、W、Mo、Cr降低降低Fe和和

10、C原子扩散能力，把回火组织转变四个阶段推向更高温度。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。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。回火到相同硬度，合金钢的回火温度高。离不开离不开Fe原子和原子和C原子扩散原子扩散Nb、Ti、V、W、Mo、Cr 对提高回火稳定性有较强作用，对提高回火稳定性有较强作用，Si 作用也明显。作用也明显。硬硬度度降降低低的的过过程程被被推推向向更更高高温温度度内应力消除彻底，塑性、韧性较高内应力消除彻底，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。产生二次硬化：在某温度

11、范围回火硬度升高的现象。含含Mo 、 W 、 V、 Ti较高的淬火钢，在较高的淬火钢，在500600 回火时硬度不降反升。回火时硬度不降反升。原因：原因：（1）M 回火回火稳定性很高，稳定性很高，在在500600 回火时回火时，析出细小、弥散分析出细小、弥散分 布的特殊碳化物布的特殊碳化物Mo2C、 VC、 W2C、TiC，硬度、稳定性，硬度、稳定性高，高， 难以聚集长大，具有高温强度。难以聚集长大，具有高温强度。 （2）部分残余）部分残余A转变为转变为M也提高了硬度。也提高了硬度。高速钢利用二次硬化提高热硬性。高速钢利用二次硬化提高热硬性。3 产生回火脆性产生回火脆性在某温度范围回火出现脆化

12、（冲击韧性降低）现象。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：第一类回火脆性： 250 350 左右左右第二类回火脆性：第二类回火脆性：500650最容易出现在含最容易出现在含Cr、Mn、Ni等元素的合金钢中。等元素的合金钢中。 原因：缓冷时合金元素在原原因：缓冷时合金元素在原A晶晶 界上偏聚，削弱了晶界的联系。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快冷可以消除第二类回火脆性加入加入W、Mo可防止第二类回火脆性可防止第二类回火脆性在此温度范围回火，碳化物沿在此温度范围回火，碳化物沿M晶界呈薄片析出晶界呈薄片析出，增大了晶界脆断倾向，使韧性降低。增大了晶界

13、脆断倾向，使韧性降低。加入加入W、Mo可可强烈阻止合金元素向晶界偏聚，有效防止回火脆性强烈阻止合金元素向晶界偏聚，有效防止回火脆性。第二节第二节 合金钢的分类与编号合金钢的分类与编号一 分类二二 牌号表示方法牌号表示方法1 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢 Q s min质量等级符号质量等级符号（A、B、C、D、E）例：例：Q345C：钢的：钢的s 是是345 MPa， 质量等级质量等级 C 级级 2 合金结构钢合金结构钢两位数字两位数字 + 合金元素符号合金元素符号 + 数字数字 如如 60Si2Mn高级优质钢，钢号最后加（高级优质钢，钢号最后加（A）易切钢：易切钢：Y含碳量万分之几含碳

14、量万分之几+合金元素符号合金元素符号+ 数字数字 例：例：Y20 、 Y20Pb滚动轴承钢：滚动轴承钢：GCr含铬量千分之几含铬量千分之几+合金元素符号合金元素符号+ 数字数字 例：例：GCr15SiMn碳的万分之几碳的万分之几合金元素百分之合金元素百分之几几合金元素合金元素1.5%：省略：省略3 合金工具钢合金工具钢一位数字一位数字 + 合金元素符号合金元素符号+ 数字数字碳的千分之几碳的千分之几合金元素百分之几合金元素百分之几含碳量含碳量千分之十：省略千分之十：省略例：例：5CrMnMo CrWMn4 特殊性能钢特殊性能钢一位数字一位数字 + 合金元素符号合金元素符号+ 数字数字碳的千分之

15、几碳的千分之几含碳量含碳量 0.03% 和和 0.08%，钢号前分别，钢号前分别 “00”和和“0” 例：例：2Cr13 0Cr18Ni9Ti合金元素合金元素1.5%：省略：省略 一一 低合金高强度结构钢：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、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。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：低碳化学成分特点：低碳wwc c0.2% 0.2% 、低合金元素低合金元素wwMeMe3%12%时在阳极区表面形成氧化膜时在

16、阳极区表面形成氧化膜，阻止阳极区的阻止阳极区的 反应（钝化现象），同时提高基体电极电位，提高耐腐蚀性。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应用：医疗器械、汽轮机叶片等医疗器械、汽轮机叶片等3 奥氏体不锈钢：奥氏体不锈钢：188型镍铬不锈钢型镍铬不锈钢18%Cr：提高钝化能力：提高钝化能力9%Ni：扩大：扩大A相区，使钢在室温为单相相区，使钢在室温为单相A组织组织晶间腐蚀：晶间腐蚀：500700保温时，保温时，晶界上析出晶界上析出Cr23C6 晶界附近

17、晶界附近Cr11.7%，晶界容易被腐蚀，晶界容易被腐蚀防止晶界腐蚀的措施：防止晶界腐蚀的措施：C0.06%，不易形成不易形成Cr23C6，如：，如：0Cr18Ni9加入加入Ti、Nb形成形成TiC、 NbC，不形成不形成Cr23C6，如：，如： 1Cr18Ni9Ti发现有晶间腐蚀倾向，加热发现有晶间腐蚀倾向，加热850900，保温，保温23h、空冷、空冷热处理热处理固溶处理固溶处理：目的是获得单相：目的是获得单相A组织组织加热到加热到10501150 ，所有碳化物溶于所有碳化物溶于A。水淬快冷，水淬快冷， 使碳化物来不及析出。使碳化物来不及析出。 耐蚀性高、塑性、韧性好，强度低。耐蚀性高、塑性

18、、韧性好，强度低。含有含有Ti或或Nb的的188型不锈钢型不锈钢，固溶处理固溶处理稳定化处理稳定化处理加热加热850900 、保温、保温6h，使含，使含Cr碳化物完全溶解。碳化物完全溶解。消除内应力消除内应力：经冷加工或焊接，有残余应力。避免应力腐蚀开裂。：经冷加工或焊接，有残余应力。避免应力腐蚀开裂。稳定化处理稳定化处理随后缓冷使随后缓冷使Ti或或Nb的碳化物充分析出，碳全部稳定在的碳化物充分析出，碳全部稳定在TiC或或 NbC中，不会再形成含中，不会再形成含Cr碳化物，提高固溶体中含碳化物，提高固溶体中含 Cr量。量。 二二 耐热钢：高温下抗氧化、具有一定高温强度耐热钢：高温下抗氧化、具有

19、一定高温强度加入加入Cr、Al、Si，形成保护膜，形成保护膜加入加入Cr、Ni、Mo、W、V、Mn等，提高高温强度。等，提高高温强度。三三 耐磨钢：受强烈冲击或摩擦时具有很高的抗磨损能力的钢，通常指高锰钢。耐磨钢：受强烈冲击或摩擦时具有很高的抗磨损能力的钢，通常指高锰钢。成分：高碳、高锰成分：高碳、高锰 0.91.4%C、1015% Mn，有时加入，有时加入Cr、Ni、Mo 等等铸造成型，如铸造后缓冷沿晶界析出碳化物，使钢变脆、耐磨性差。铸造成型，如铸造后缓冷沿晶界析出碳化物，使钢变脆、耐磨性差。水韧处理：加热到水韧处理：加热到10501150 、保温，使碳化物全部溶解。、保温，使碳化物全部溶解。 迅速水冷形成单相迅速水冷形成单相A组织。组织。硬度：硬度：180220HBS 使用时受强烈冲击或很大压力时使用时受强烈冲击或很大压力