合金钢（课堂PPT）

1、机械工程材料Mechanical Engineering Materials知识要点知识要点碳钢的优缺点和合金元素的作用碳钢的优缺点和合金元素的作用常用的合金结构钢常用的合金结构钢常用的合金工具钢常用的合金工具钢(以高速钢以高速钢/模具钢为例）模具钢为例）常用的特殊性能钢（不锈钢）常用的特殊性能钢（不锈钢）碳钢的优缺点：碳钢的优缺点：优点：冶炼工艺较简单，成本低，压力加 工性能好，切削加工性能好，综合力学 性能好缺点：淬透性低，回火抗力差，强度较低，无特殊性能 为提高碳钢的力学性能、淬透性及回火稳定性，在钢中添加一定量的合金元素合金钢。合金钢。 常用的合金元素有： Cr、 Mn、Ni、 Co、

2、Cu、Si、 Al、 B 、 W、 Mo 、 V、Ti、Nb、Zr、Re等。微合金化钢是近二、三十年来钢铁生产中的最重要成微合金化钢是近二、三十年来钢铁生产中的最重要成就。在普通碳钢中只要加入极少量的（就。在普通碳钢中只要加入极少量的（0.1%)0.1%)的强碳化物的强碳化物形成元素如此形成元素如此Ni、Ti、V或加少量的或加少量的Al形成形成AlN再配合以控再配合以控轧工艺，就可以制成屈服强度达轧工艺，就可以制成屈服强度达350-550MPa，并具有良好，并具有良好韧性的低碳钢。韧性的低碳钢。合金元素合金元素的影响是永远的热点。的影响是永远的热点。1. 1. 改善钢的热处理工艺性能改善钢的热

3、处理工艺性能加入加入TiTi、V V、NbNb、ZrZr、AlAl等，形成细小的碳化等，形成细小的碳化物颗粒，阻止奥氏体晶粒长大物颗粒，阻止奥氏体晶粒长大( (除除Mn)Mn)2) 2) 提高钢的淬透性提高钢的淬透性除除Co Co 以外，其他合金元素都能使钢以外，其他合金元素都能使钢”C C”曲线曲线向右移动，从而提高钢的淬透性向右移动，从而提高钢的淬透性3) 提高钢的回火抗力，产生二次硬化，防止第二类回火脆性 合金元素固溶于马氏体中，使马氏体回火时分解的难度增大，延缓硬度下降W、Cr、V、Mo 等，回火时会形成特殊碳化物，使硬度重新升高二次硬化（图4-2）回火抗力是指淬火钢在回火过程中抵抗回

4、火抗力是指淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力，又称回火稳定性。硬度下降的能力，又称回火稳定性。合金元素固溶于淬火合金元素固溶于淬火M中可减慢碳的扩中可减慢碳的扩散，阻碍碳化物从过饱和固溶体中析出，推散，阻碍碳化物从过饱和固溶体中析出，推迟迟M的分解，延缓硬度下降，因此，合金钢的分解，延缓硬度下降，因此，合金钢具有较高的回火抗力。具有较高的回火抗力。在相同回火温度下，含碳在相同回火温度下，含碳量相同的合金钢的硬度较量相同的合金钢的硬度较碳钢高。碳钢高。在要求相同硬度条件下，在要求相同硬度条件下，合金钢的回火温度高，合金钢的回火温度高，塑韧性好。塑韧性好。一些含一些含Cr、Mo、V等合金元素较多

5、的合金钢等合金元素较多的合金钢，在，在500600范围内回火范围内回火时，由于沉淀析出这些合金时，由于沉淀析出这些合金元素的碳化物并呈弥散状分元素的碳化物并呈弥散状分布，因而对材料起到沉淀强布，因而对材料起到沉淀强化的作用。化的作用。淬火钢在较高温度回火淬火钢在较高温度回火时，硬度不降低反而升高的时，硬度不降低反而升高的现象称为现象称为二次硬化二次硬化。回火温度回火温度HRCwSi 回火温度回火温度HRCwMo 淬火钢回火后的韧性下降现象称为回火脆性。在250400出现韧性下降，称第一类回第一类回火脆性火脆性；在500 600 回火后缓慢冷却时韧性亦会下降，称第二类回第二类回火脆性火脆性。回火

6、温度回火温度 AK快冷300500650慢冷l固溶强化l第二相强化l细晶强化1提高钢的强度提高钢的强度钢的塑性变形的实质是沿移面运动的结果。Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W等合金元素固溶于F、A、M中引起晶格畸变，增加位错运动的阻力，产生强化。（1）固溶强化）固溶强化硬度硬度提高提高韧性韧性降低降低Mn、Cr、Mo、W、V 、Ti 、Nb、Zr等合金元素在钢中能够形成各种碳化物合金碳化物。根据元素与碳亲和力的强弱，合金元素分为强碳化物形成元素：V、Ti、Nb、Zr弱碳化物形成元素：Mn中强碳化物形成元素：Cr、Mo、W（）第二相强化（）第二相强化V、Ti、Nb、Zr、Al等合

7、金元素可是显著细化A、F晶粒及M，提高钢的强度、硬度，并能提高钢塑性和韧性。（）细晶强化（）细晶强化钢的其它强化手段，提高强度、硬度是钢的其它强化手段，提高强度、硬度是以降低塑、韧性为代价的。以降低塑、韧性为代价的。只有细晶强化既可以提高钢的强度和硬只有细晶强化既可以提高钢的强度和硬度，又能提高钢的塑性和韧性。度，又能提高钢的塑性和韧性。使钢获得特殊性能使钢获得特殊性能合金元素加入钢中后会改变相图，使钢在室温下得到单相组织，并可形成致密的氧化膜和金属间化合物，使钢获得耐蚀性及耐热性等特殊性能。提高钢的抗腐蚀性能提高钢的抗高温氧化性能提高钢的高温强度提高钢的抗冲击磨损性能a)提高钢的耐低温性能当

8、钢中当钢中wNi=9%，wMn=13%时，可时，可使使A3降低至室温，此时钢在室温下为单降低至室温，此时钢在室温下为单相奥氏体组织，称为奥氏体钢。此类钢相奥氏体组织，称为奥氏体钢。此类钢具有耐蚀、耐高温、抗磨损等特殊性能具有耐蚀、耐高温、抗磨损等特殊性能。当钢中当钢中wCr=1728%时，可使奥氏时，可使奥氏体区消失，此时钢在室温下为单相铁素体区消失，此时钢在室温下为单相铁素体组织，称为铁素体钢。此类钢也具有体组织，称为铁素体钢。此类钢也具有耐蚀、耐高温等特殊性能。耐蚀、耐高温等特殊性能。细化细化A晶粒晶粒Ti、V、Nb、Zr、Al提高淬透性提高淬透性除除Co以外，如以外，如Mn、Cr、W、M

9、o提高回火抗力提高回火抗力Cr、W、Mo、V固溶强化固溶强化Ni、 Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W第二相强化第二相强化Mn、Cr、Mo、W扩大扩大A相相Ni、Mn、Cu、N扩大扩大F相相Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al形成致密氧化膜形成致密氧化膜Si、Al、Ni、 Cr、 W、Mo、Ti合金元素在钢中的存在形合金元素在钢中的存在形式式固溶体固溶体化合物化合物游离态游离态固溶体固溶体碳化物碳化物金属间化合物金属间化合物非金属夹杂物非金属夹杂物合金渗碳体合金渗碳体特殊碳化物特殊碳化物1 合金钢的分类合金钢的分类合金结构钢合金结构钢合金工具钢合金工具钢特殊性能钢特殊性能钢2 合金钢

10、的牌号合金钢的牌号（1）合金结构钢的牌号：）合金结构钢的牌号：数字数字+合金元素符号合金元素符号+数字数字45Mn2 40Cr平均碳的质量的万分数合金元素平均质量的百分数几个特殊情况：轴承钢，低合金高强度结构钢几个特殊情况：轴承钢，低合金高强度结构钢,高级优质钢高级优质钢G+Cr的千分数的千分数AQ+数字数字+等级等级合金工具钢和特殊性能钢的牌号：合金工具钢和特殊性能钢的牌号： 数字数字+合金元素符号合金元素符号+数字数字含碳量的千含碳量的千分数分数合金元素平均质量合金元素平均质量的百分数的百分数说明：说明：Wc1%时，不标数字；高速钢例外。时，不标数字；高速钢例外。9Mn2VCrWMn高硬度

11、、高耐磨性和高耐热性高硬度、高耐磨性和高耐热性.又名风钢或锋钢，又名风钢或锋钢，意思是淬火时即使在空气中冷却也能硬化，并且很锋利。意思是淬火时即使在空气中冷却也能硬化，并且很锋利。1、含碳量的标记、含碳量的标记结构钢：结构钢：wC10,000工具钢：工具钢：wC1,000，为了避免与结构钢混淆，又，为了避免与结构钢混淆，又规定规定wC1.0%时不予以标注，高速钢时不予以标注，高速钢例外，其例外，其wC 1.0%也不标注。也不标注。特殊性能钢：特殊性能钢： wC1,000 小结：小结：2、合金元素含量的标记、合金元素含量的标记wMe %1.51.52.53.54.5标记-2345注：滚动轴承钢铬

12、的标记除外注：滚动轴承钢铬的标记除外(wCr1,000)3、附加标记、附加标记高级优质钢：编号后高级优质钢：编号后+“A”（高）（高）特殊用途钢：编号前特殊用途钢：编号前+“特殊用途符号特殊用途符号” G滚动轴承钢；滚动轴承钢；C磁钢；磁钢； Y易切削钢易切削钢40CrNiMo30CrMnSiNi230CrMnSiAGCr150Cr131Cr170Cr18Ni9W18Cr4VwC0.4%的的CrNiMo合金结构钢合金结构钢wC0.3%,wNi2%的合金结构钢的合金结构钢wC0.3%的高级优质合金结构钢的高级优质合金结构钢wCr1.5%的滚动轴承钢的滚动轴承钢wC0.03%,wCr13%的的M不

13、锈钢不锈钢wC0.08%,wCr17%的的F不锈钢不锈钢wC0.03%,wCr18%, wNi9%的的A不锈钢不锈钢wW18%,wCr4%的高速钢的高速钢合金结构钢合金结构钢低合金结构钢低合金结构钢合金渗碳钢合金渗碳钢合金调质钢合金调质钢合金弹簧钢合金弹簧钢滚动轴承钢滚动轴承钢超高强度钢超高强度钢一、合金结构钢的一、合金结构钢的分类及编号分类及编号1.分类分类 应用：在大气和海洋中工作的的大型焊接结构件，应用：在大气和海洋中工作的的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆如建筑结构、桥梁、车辆 、船舶、船舶 、输油输气管、输油输气管道、压力容器等。道、压力容器等。性能：好的塑性韧性及焊接性能性能

14、：好的塑性韧性及焊接性能 ，强度高，可抵，强度高，可抵抗大气腐蚀。抗大气腐蚀。成分：低碳、含成分：低碳、含Mn、Ti、V、Nb、RE元素。元素。牌号：牌号：Q+数字数字 （Q345， Q390， Q420， Q460 ）屈服强度屈服强度25 钢筋混凝土沉井、钢板桩围堰管柱等基础。正桥10孔钢筋梁中9孔为160米跨度，采用优质合金钢（Q345）杆件在现场铆接拼装架设。26鸟巢鸟巢”钢结构最大跨度达到钢结构最大跨度达到343米，米，24根桁架柱内柱受力最大的根桁架柱内柱受力最大的部位的用钢是最大的难题，为了有效控制构件的最大壁厚，减少部位的用钢是最大的难题，为了有效控制构件的最大壁厚，减少焊接工作

15、量，使连接构造比较合理，钢的强度既要有张力，又要焊接工作量，使连接构造比较合理，钢的强度既要有张力，又要柔韧有拉力，还要能抗低温、易焊接，自重又不能太重。柔韧有拉力，还要能抗低温、易焊接，自重又不能太重。 “鸟巢鸟巢”最关键部位的用钢将采用高强度的最关键部位的用钢将采用高强度的Q460E-Z35钢材，钢板最大钢材，钢板最大厚度达到厚度达到110毫米，要求毫米，要求-40的冲击，抗层状撕裂性能达到的冲击，抗层状撕裂性能达到Z35。 二、合金渗碳钢二、合金渗碳钢：低碳钢基础上加合金元素低碳钢基础上加合金元素 应用：汽车、重型机床齿轮、活塞销，内燃机的凸轮应用：汽车、重型机床齿轮、活塞销，内燃机的凸

16、轮轴等轴等2 2 性能：性能：“表硬心韧表硬心韧”3 3 成分：成分：WcWc：0.120.120.25%0.25%，常加元素，常加元素Cr ,Ni ,Mn ,B Cr ,Ni ,Mn ,B ，微量元素微量元素V, Ti , W , MoV, Ti , W , Mo4 4 分类和牌号分类和牌号 低淬透性合金渗碳钢低淬透性合金渗碳钢 20Mn2 20Mn20Mn2 20Mn尺寸较小零件尺寸较小零件 中淬透性合金渗碳钢中淬透性合金渗碳钢 20CrMnTi 20CrMn 20MnTiB20CrMnTi 20CrMn 20MnTiB高淬透性合金渗碳钢高淬透性合金渗碳钢 18Cr2Ni4WA18Cr2N

17、i4WA大截面大负荷大截面大负荷 最终热处理：渗碳最终热处理：渗碳+ +低温淬火低温淬火 5 组织：表面高碳回火马氏体组织：表面高碳回火马氏体+碳化物碳化物+少量残余奥氏少量残余奥氏体体 ， 心部：铁素体心部：铁素体+ +低碳回火马氏体低碳回火马氏体29三三 合金调质钢合金调质钢 需要经过调质处理需要经过调质处理 使用的中碳合金钢。使用的中碳合金钢。性能要求：良好的综合性能（即高强度、好的塑性性能要求：良好的综合性能（即高强度、好的塑性韧性）韧性）应用：精密机床主轴、火车发动机曲轴、连杆螺栓、应用：精密机床主轴、火车发动机曲轴、连杆螺栓、汽车后桥半轴等。汽车后桥半轴等。 成分：中碳（成分：中碳

18、（Wc：0.250.50% ，多数，多数0.4%）, 合金元素：合金元素：Mn, Cr, Si, Ni, B, Mo ,W等。等。 4 分类和牌号分类和牌号 低淬透性合金调质钢低淬透性合金调质钢 40Cr 40MnB 中淬透性合金调质钢中淬透性合金调质钢 35CrMo 38CrSi 高淬透性合金调质钢高淬透性合金调质钢 38CrMoAlA 40CrNiMoA 尺寸大负荷大尺寸大负荷大 常用牌号：常用牌号：40Cr 40MnB 35CrMo5 热处理：调质处理热处理：调质处理回火索氏体回火索氏体、部分要求调质后、部分要求调质后表面淬火、渗氮、喷丸（特殊：低碳合金结构钢：淬表面淬火、渗氮、喷丸（特

19、殊：低碳合金结构钢：淬火火+低温回火）低温回火）32 合金弹簧钢合金弹簧钢1 1性能：具有高的弹性极限以及屈服强度，还具有高的性能：具有高的弹性极限以及屈服强度，还具有高的疲劳强度和足够的塑性韧性。疲劳强度和足够的塑性韧性。应用：用于制造汽车、拖拉机和火车的板弹簧或应用：用于制造汽车、拖拉机和火车的板弹簧或螺旋弹簧。螺旋弹簧。 成分：成分： Wc 0.45Wc 0.450.70% 0.70% ，多数，多数0.6% 0.6% ，合金元，合金元素及作用：素及作用：Si,MnSi,Mn, , Cr,VCr,V，Nb,Mo,W Nb,Mo,W 。 4 4 常用牌号：常用牌号：60Si2Mn60Si2M

20、n，50CrVA50CrVA5 5 最终热处理：淬火最终热处理：淬火+ +中温回火中温回火 回火托氏体回火托氏体 34轴承钢（用于制造滚动轴承）轴承钢（用于制造滚动轴承） 两大类：高碳铬轴承钢两大类：高碳铬轴承钢 GCr15、GCr15SiMn 高碳无铬轴承钢高碳无铬轴承钢 GMnMoVRE GSiMnMoV36工程上把抗拉强度工程上把抗拉强度1500MPa以上的钢以上的钢称为超高强度钢。主要用于制造飞机起落架、称为超高强度钢。主要用于制造飞机起落架、机翼大粱，火箭发动机壳体、液体燃料氧化剂机翼大粱，火箭发动机壳体、液体燃料氧化剂储藏箱、炮筒、枪筒、防弹板等等。储藏箱、炮筒、枪筒、防弹板等等。

21、wC=0.03%0.45%，含，含C范围宽。范围宽。按少量多元的原则加入合金元素：按少量多元的原则加入合金元素：Cr、Mn、Ni、Si、Mo、V、Nb、Ti、Al Cr、Mn、Ni、Si 钢的淬透性；钢的淬透性；Mo、V、Nb、Ti、Al形成特殊碳形成特殊碳化物使钢产生二次硬化，化物使钢产生二次硬化，V、Nb、Ti 有细化晶粒的作用有细化晶粒的作用（一）成分及性能特点（一）成分及性能特点低合金超高强度钢低合金超高强度钢 wMe5% 中合金超高强度钢中合金超高强度钢 5 wMe 17%) 17%) A (W A (WNiNi 9%) 9%) (3) (3)形成致密氧化膜，如形成致密氧化膜，如 Cr,Si,ALCr,Si,AL；（4 4）形成稳定碳化物，防止晶间腐蚀。金属间化合物）形成稳定碳化物，防止晶间腐蚀。金属间化合物NiNi3 3Al,NiAl,Ni3 3(Ti,Nb) (Ti,Nb) 。防止晶间腐蚀，提高强度，。防止晶间腐蚀，提高强度，Ti,NbTi,Nb等。等。二二 常用不锈钢常用不锈钢马氏体型不锈钢马氏体型不锈钢成分：成分：WcWc：0.10.11.0%1.0%， WCr: