第10章 合金钢

1、第十章 合金钢 分类及编号 合金元素在钢中的作用 合金结构钢 机器零件用钢 合金工具钢 特殊钢第一节第一节 钢的钢的分类及编号分类及编号1.1 1.1 合金钢介绍合金钢介绍为了提高钢的力学、工艺、物理或化学性能，在冶炼时特意往钢中加入的一些化学元素(即通常称为合金元素)，所得到的钢称为合金钢。 改善对象改善对象p 提高强度 Q235钢p 提高淬透性 35Si2MnMoV-60mm油淬/ 35钢-5mm水淬p 提高高温强度、热硬性p 提高抗氧化、耐腐蚀、耐热、耐磨、电磁等特殊性能1.2 合金钢分类1) 按用途分类按用途分类结 构 钢 主要用来制造承受力结构零部件，其中就热处 理或专门构件的类型可

2、分别称呼为调质钢、渗 碳钢、弹簧钢、轴承钢等。 模具钢 主要用来制造加工其它零件的工具或模具，其 中又分为刃具钢、模具钢、量具钢等。 特 殊 钢 具有特殊性能而作某项专用的钢，其中又分为 不锈钢、耐热钢、电工钢等。 2) 2) 按钢的成分分类按钢的成分分类碳 钢 仅含有一定量非人为特意加入的常存元 素Si、Mn等。合金钢 为达到某种性能要求，人为加入了必要 的合金元素。按其加入的量较多元素又 有铬钢、锰钢、铬锰钢、钨钼钢等；按 其总量分为低(10%) 。 碳素钢低碳钢，wC0.25%；中碳钢，wC=0.25%0.6%；高碳钢，wC0.6%。合金钢低合金钢，合金元素总含量w5%；中合金钢，合金元

3、素总含量w=5%10%；高合金钢，合金元素总含量w10%。另外，根据钢中所含主要合金元素种类的不同，也可分为锰钢、铬钢、铬镍钢、硼钢等。 （1）按平衡状态或退火状态的组织分类可以分为亚共析钢、共析钢、过共析钢和莱氏体钢。 （2）按正火组织分类 可分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢。 （3）按室温时的显微组织分类 可分为铁素体钢、奥氏体钢和双相钢。（3 3）按显微组织分类）按显微组织分类 主要以钢中有害杂质P、S的含量来分类，可分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。例如，优质碳素结构钢的优质钢等级wP、wS均0.035%，高级优质钢等级wP、wS均0.030%；合金结构钢的优质

4、钢等级wP、wS均0.035%，高级优质钢等级wP、wS均0.025%。（4 4）按品质分类）按品质分类1.2钢 的 编 号化学元素：国际化学元素符号；RE汉语拼音： （一）碳素结构钢和低合金高强度结构钢 这两类钢采用表示屈服点的拼音首位字母“Q”+屈服点数值（单位为MPa）+质量等级+脱氧方法等符号表示，按顺序组成牌号。例如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ等；低合金高强度结构钢牌号表示为Q345C、Q345D等。 质量等级由A到E，磷、硫含量降低，钢的质量提高。碳素结构钢牌号中表示镇静钢的符号“Z”和表示特殊镇静钢的符号“TZ”可以省略；低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢

5、，其牌号中没有表示脱氧方法的符号。 牌号用两位数字表示。这两位数字表示平均含碳量的万分之几，如45钢表示钢中平均含碳量为wC=0.45%，08钢表示平均含碳量为wC=0.08%。 含锰量较高的钢，须将锰元素标出，如平均wC=0.50%、wMn=0.70%1.00%的钢，其牌号为“50Mn”。 沸腾钢、半镇静钢以及专门用途的优质碳素结构钢，应在牌号后特别标出，如“20g”，即平均含碳量为wC=0.20%的锅炉钢。（二）优质碳素结构钢 在牌号前加“T”以表示碳素工具钢，其后跟以表示含碳量的千分之几的数字，如平均含碳量wC=0.8%的钢，其钢号为“T8”。含锰量较高者，在牌号后标以“Mn”，如“T8

6、Mn”。高级优质碳素工具钢在牌号后加“A”，如“T10A”。（三）碳素工具钢 合金结构钢的牌号由三部分组成，即“数字+合金元素符号+数字”。前面的两位数字表示平均含碳量的万分之几，合金元素后面的数字表示合金元素的平均含量，一般以百分之几表示，当其平均值w1.5%时，牌号中一般只标明元素符号而不标明其含量。若其平均值w1.5%、2.5%、3.5%时，则在元素后面相应地标出2、3、4。如为高级优质钢，则在牌号后面加“A”。如含碳量为wC=0.35%、wSi=1.1%1.4%、wMn=1.1%1.4%的钢，其牌号为“35SiMn”。（四）合金结构钢 合金工具钢的编号原则与合金结构钢大体相同，所不同的

7、只是含碳量的表示方法不同，如平均含碳量wC1.0%，则不标出含碳量；如平均含碳量wC1.0%时，则在牌号前以千分之几表示。如“CrMn”中的wC=1.3%1.5%；“9Mn2V”中的wC=0.85%0.95%。（五）合金工具钢 不锈钢与耐热钢（珠光体型耐热钢除外）的牌号由“数字+合金元素符号+数字”组成。前面的数字表示平均含碳量的万分之几。如“95Cr18 ”表示含碳量为wC=0.95%。但当wC0.08%时，以“0”表示，如06Cr19Ni10；当wC0.03%时，以“022”表示，如022Cr19Ni10。（六）不锈钢与耐热钢1.3 常用合金钢的牌号合金结构钢合金结构钢(合结钢合结钢) 牌

8、号的组成为：数字元素符号和数字字母，其中第一部分用两位数字表示钢的含碳量的万分之几；第二部分用化学元素符号表示钢中的所含主要或关键合金元素，元素含量超过1.5的将含量的百分数用数字标注在元素符号的后面；第三部分的字母为级别标志，注明特殊要求或专门用途。例如20CrMnTi、40Cr、40MnB、60Si2Mn等。合金工具钢合金工具钢(合工钢合工钢) 牌号的组成和合结钢基本相同，仅第一部分用一位数字表示钢的含碳量的千分之几，含碳量大于1.0的将这部分数字略去，如1Cr18Ni9Ti、5CrNiMo、9CrSi、Cr12MoV、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。第二节 合金元素在钢中的作用2

9、.1 合金元素在钢中的分布合金元素在钢中的分布合金元素在钢中存在的形式有两类型，一种是溶解到碳钢原有的相中，另一种是形成新相，存在形式决定于元素的数量和性质。其中关键在于元素与碳的亲和力。 钢中常用合金元素钢的成分中含有的元素一般除Fe、C外，还包括： 常存合金元素 Si、Mn 未清除净的杂质 S、P、H、O 主要元素(含量较高) Cr、Ni、W、Mo 强碳化物元素 V、Nb、Tb、Zr、B 其它元素 Re(稀土)、Al 2.1 合金元素在钢中的分布合金元素在钢中的分布1 溶入铁素体、奥氏体和马氏体中，以固溶体形式存在；2 形成强化相：形成合金渗碳体、元素本身的碳化物或形成金属化合物；3 形成

10、非金属夹杂物，如O/N/S；4 游离态存在：Pb/石墨1) 非碳化物形成元素常用元素：常用元素：Ni、Co、Si、Al、Cu等。这类元素与碳的亲合力比铁弱，它们在低温时溶解在铁素体中，高温时溶解于奥氏体中。这些元素的溶入，由于固溶强化的结果，均提高材料的强度和硬度。Cr、Ni、Mn少量溶入时，对塑性影响不大，当数量过多或其它一些元素的加入会对材料的塑性带来少量的下降。 2.1.1 合金元素与碳的相互作用合金元素与碳的相互作用2）碳化物形成元素）碳化物形成元素常用元素：Mn、Cr、W、Mo、V、Zr、Nb、Ti等。这类元素与碳的亲合力比铁强，量少时溶入渗碳体中，形成合金渗碳体 (Fe,M)3C，

11、一般合金渗碳体都比Fe3C稳定，在奥氏体中的溶解和聚集长大比Fe3C难；当钢中这类合金元素和碳量都较高时，可形成稳定性更高的合金碳化物，常见的有Mn3C、Cr7C3、Cr23C6、Fe4W2C、WC、MoC、VC、TiC等，它们具有比渗碳体更高的熔点和更高的硬度。 根据碳原子半径rc与金属原子半径rm的比值，可以将碳化物分为两类：当rc/rm 0.59时，形成间隙化合物。如Cr23C6，Cr7C3，Mn3C， Fe3C，M6C (Fe3Mn3C、Fe3W3C) 等1. 当rc/rm 13%或Ni9%时)，奥氏体区扩大以致在室温下只有单相的奥氏体存在，即A1点降到室温以下或根本不出现fcc向bc

12、c的转变，这时的钢称为奥氏体钢。合金元素的加入，使A3线上移，而A4下移，导致相区缩小。这类元素有Cr、 Si 、 Al、 V ，也称为a相稳定化元素。当碳的含量较低，缩小相区的合金元素使A3线在G点以上，A4线在N点以下，两线相遇，造成相区封闭。含量超过一定量后(如Cr13%)，致使奥氏体相区消失，钢在室温下为单相铁素体，成为铁素体钢。铁素体升温直到熔化也不出现bcc向fcc的转变，即a相和高温的d相区相通。2) 缩小相区封闭相区，无限扩大a相区Mo、W、Ti封闭相区，有限扩大a相区B、Nb、Zr只能缩小相区，而达不到封闭。 3）影响共析点S的成分合金元素的加入，引起相区缩小或扩大，除导致A

13、1温度的上升或下降外，还会造成S点左右移动，即改变S点的成分。统计表明，几乎所有的元素都使统计表明，几乎所有的元素都使S点左移点左移，同时同时E点也点也随之左移随之左移。例如：在含Mo、W、Ti量高的钢中，对应0.3-0.4%的碳量已是过共析钢，而含碳量达到0.8-1.0就超过了E点，在钢的组织中出现了莱氏体。 2.3 对相变过程的影响 1) 加热转变 A.A.奥氏体形成速度奥氏体形成速度 非碳化物形成元素中：Co、Ni可加速奥氏体化，另一些元素作用不明显； 碳化物形成合金元素中：Cr、Mo、W、V、Ti减慢奥氏体的形成，另一些作用不明显，但不会加速奥氏体化。 所有合金元素在奥氏体中的需要均匀

14、化，故奥氏体化的时间必需加长。有些强碳化物元素在奥氏体中溶解十分困难，奥氏体化的温度有的要求10001100或更高。B. B. 奥氏体的晶粒度奥氏体的晶粒度碳化物形成合金元素随着与碳的结合力的增加，阻碍奥氏体化中的晶粒长大过程。强碳化物形成元素，如V、Ti、Nb、Zr就可以强烈阻止奥氏体晶粒生长；一般碳化物形成元素，如W、Mo、Cr可以一定程度的阻止奥氏体晶粒生长；非碳化物形成元素，如Si、Ni、Cu对奥氏体晶粒几乎不发生影响；而Mn、P会促进奥氏体晶粒的长大。 2) 对过冷奥氏体分解 合金元素对过冷奥氏体分解的影响其实反映在对钢的TTT曲线的影响。p 淬透性 Co使C曲线左移，降低钢的淬透性

15、，其它元素都使C曲线右移，提高淬透性。扩散速度减慢，使珠光体形核困难；扩大奥氏体相区元素降低过冷奥氏体转变温度，影响扩散速度；微量元素吸附晶界，阻止形核。2) 对过冷奥氏体分解 合金元素对过冷奥氏体分解的影响其实反映在对钢的TTT曲线的影响。p 马氏体点 除Si、Al外，合金元素会降低钢的马氏体点，在淬火到室温时的残余奥氏体增加。 p对C曲线的形状 主要表现为C曲线弯曲出现两个鼻尖，珠光体转变和贝氏体转变各对应一个，严重的造成这两个转变曲线分离，中间出现一亚稳区，有的对其中某一种转变有抑制作用，两个鼻尖一前一后，而严重时，其中的某一转变受抑制，而只能发生一种转变，如出现贝氏体钢。p对贝氏体转变

16、影响 合金元素无法扩散，主要影响碳扩散速度Mn、Cr、Ni灯降低g-a转变温度，减小相变驱动力；且Mn、Cr阻碍C扩散；Si阻止过饱和铁素体的脱溶；强碳化物形成元素W、Mo、V、Ti提高g-a的转变温度，增大转变驱动力，但是降低C扩散速度，减缓转变。W、Mo、Ti、V延缓珠光体转变。2.3 对回火转变的影响1）提高了钢的回火稳定性 回火稳定性表示钢抵抗回火软化的能力。许多合金元素可以减缓碳的扩散，推迟马氏体分解，在高温下碳化物的长大速度也被减缓。从而使回火过程中各个转变速度减慢，或完成或达到同样的回火效果需要更高的温度。2）产生二次硬化效果 一些含W、Mo、V较高的钢中，回火温度升高到一定程度

17、后，出现硬度上升，一般在500600中出现一硬度的高峰值，这种现象称为“二次硬化”。 淬火后残余奥氏体较多且十分稳定，在回火时并未发生转变，而内应力大大减小；在500600下，马氏体才出现分解，析出的高硬度的碳化物弥散细小，自身硬度高，同时强化了铁素体的基体。 3) 出现第二类回火脆性出现第二类回火脆性 钢在淬火后回火时，在一定的温度范围内，韧性出现谷值，表现出明显的脆化现象称为回火脆性。第一类回火脆性在250400范围内回火后出现，难以避免，因此碳钢和合金钢的回火不宜在这个温度进行。一般认为，低温回火脆性是由于马氏体分解时沿马氏体条或片的界面析出断续的薄壳状碳化物所致。部分合金钢在500-6

18、50回火后缓冷时，也出现韧性下降，称为第二类回火脆性，通常认为是部分合金元素如Ni、Cr、Mn或杂质S、P等在晶界处出现偏聚有关，只要在回火后采用较快的速度冷却，如在水或油中冷却，就可以避免第二类回火脆性的产生。 工程结构用钢用于制作各种大型金属结构，如桥梁、船舶、屋架、车辆、锅炉、容器等工程构件，通常简称为工程用钢。一般说来，这些构件的工作特点是不作相对运动，承受长期静载荷；有一定使用温度要求，如有的（锅炉）使用温度可到250以上，而有的则在寒带条件下工作，长期承受低温作用；通常在野外（如桥梁）或海水中（如船舶）使用，承受大气和海水的浸蚀。第三节 合金结构钢 结构钢主要用来制造工程构件，是机

19、械、交通、石化、建筑用金属材料的主体，在构件中主要是承受力的作用。 3.1 概述 工程用钢必须具有良好的工艺性能。为了制成各种构件，需要将钢厂供应的棒材、板材、型材、管材、带材等钢材先进行必要的冷变形，制成各种部件，然后用焊接或铆接的方法连接起来，因而要求钢材必须具有良好的冷变形性和焊接性，构件用钢的化学成分的设计和选择，首先必须满足这两方面的要求，其使用性能的要求往往退居第二位。这一点与其他钢种的情况有所不同。 （一）屈服现象 屈服现象是低碳钢所具有的力学性能特点，表现为在其工程应力-应变曲线上存在上、下屈服点和屈服平台。屈服现象出现的原因是由于间隙原子C、N所形成的柯氏气团对位错有很强的钉

20、扎作用，必须在较大的外加应力下才能使位错挣脱气团的钉扎而移动，这一应力值就是应力-应变曲线上的上屈服点，位错一旦挣脱了气团的钉扎，就可以在较低的应力下运动，这就是下屈服点，此时试样继续延伸而应力保持定值或作微小波动，这就是应力-应变曲线上的屈服齿或屈服平台。3.2 工程结构用钢的力学性能特点影响表面质量1 预变形法，预先进行超过屈服点的少量变形，让位错脱离柯氏气团的钉扎，消除屈服点；2 减小间隙溶质原子含量，或加入固定C、N的强碳化物形成元素。 构件用钢经冷塑性变形后，在室温放置较长时间或稍经加热后，其强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这种现象称为应变时效。前已指出，低碳钢在开始塑性变形时位错挣

21、脱柯氏气团的钉扎而运动，当多数位错都挣脱柯氏气团后，流变应力开始增高，产生加工硬化现象。（二）应变时效和淬火时效 用低碳钢材制造的各种工程构件，室温下的强度不高，塑性韧性良好，但是当温度降低时，可能由微孔聚集型的塑性断裂转变为脆性的解理断裂，这一现象称为冷脆。（三）冷脆倾向性 （一）对力学性能的影响图11-9 合金元素对铁素体的固溶强化作用图11-10 合金元素对铁素体抗拉 强度的影响3.3 合金元素对工程结构用钢性能的影响3.3 合金元素对工程结构用钢性能的影响（一）对力学性能的影响图11-11 合金元素对铁素体 屈服强度的影响图11-12 合金元素对铁素体断面收缩率的影响图11-13 合金

22、元素对铁素体冲击韧度的影响3.3 合金元素对工程结构用钢性能的影响（二）对焊接性能的影响类似于淬火：奥氏体晶粒加热显著长大，周围组织激冷产生马氏体转变，取决于钢中的含碳量和合金元素种类及含量。 折合成碳当量 0.4-0.5%时 不具有良好的可焊性。工程用钢：微合金化或低合金化。（三）对耐大气腐蚀性能的影响Cu-保护膜 Cr-致密氧化膜（二） 低合金高强度钢 用途用途：工程结构件，如车辆、船舶、压力容器、桥梁、建筑等。性能要求： 高强度300MPa; 高韧性 d20, ak24J (T -40oC) , 安全、防止冷脆；好的焊接性和冷变形性，有利成形。 成分特点：成分特点：低碳，WC0.20%W

23、t，以保证足够的韧性； 以Mn为主强化元素，一般含量在1.21.5%，个别低碳的可到1.8%，不仅可提高强度，且价格较廉； 部分钢中加入少量Nb、V强碳化物形成元素，防止热轧加热过程中晶粒长大，达到细化晶粒的效果；针对特殊用途，可加入Cu、P，提高钢的抗腐蚀能力。 3.4 常用工程结构用钢（一）碳素钢热轧空冷： 塑性好，可焊性好热处理：热处理：一般不需专门热处理，热轧空冷后一般不需专门热处理，热轧空冷后(相当于正相当于正火火)直接使用。直接使用。 组织为铁素体加索氏体。组织为铁素体加索氏体。牌号同碳素结构钢第四节 机器零件用钢 机器零件用钢是指用于制造各种机器零件，如轴类零件、齿轮、弹簧和轴承

24、等所用的钢种，也称为机械结构用钢。 机器零件在工作时承受拉伸、压缩、剪切、扭转、冲击、振动、摩擦等一种力的作用，或几种力的同时作用，在零件的截面上产生拉、压、切等应力。这些应力值可以是恒定的或变化的；在方向上可以是单向的或反复的；在加载方式上可以是逐渐的或骤然的。机器零件工作环境也很复杂，有的在高温，有的在低温，有的还受腐蚀介质的作用。4.1 概述 机器零件损伤及失效方式也各不相同。一般说来，根据机器零件的工作条件，对力学性能提出以下要求： 1）要求机器零件用钢有较高的疲劳强度。 2）要求机器零件用钢要具有高的屈服强度、抗拉强度以及较高的断裂抗力。 3）要求机器零件用钢具有良好的耐磨性及接触疲

25、劳强度。 4）要求机器零件用钢应具有较高的韧性，以降低缺口敏感性。机械零件用钢-工艺： 型材锻造热处理切削最终热处理磨削使用状态： 淬火回火态性能要求与含碳量： 渗碳钢与低碳马氏体钢： 0.2%C 调质钢： 0.4%C 弹簧钢： 0.5-0.7%C 轴承钢：1.0%C主要因素：碳含量；回火温度；元素类型 机器零件用钢中加入的合金元素主要有Cr、Mn、Si、Ni、Mo、W、V、Ti、B和Al等数种，或者是单独加入，或者是几种同时加入。 它们在钢中的主要作用是： 提高钢的淬透性； 降低钢的过热敏感性； 提高耐回火性； 抑制第二类回火脆性； 改善钢中非金属夹杂物的形态和提高钢的工艺性能等。4.2 合

26、金化特点合金化特点 淬透性虽是一种热处理工艺性能，但是，合金元素可以通过提高钢的淬透性而影响钢的力学性能。如前所述，马氏体相变及其随后的回火是综合利用了固溶强化、晶界强化、位错强化和第二相强化，获得马氏体已成为钢的最重要强化手段。在相同硬度的条件下，淬火回火钢的0.2、远高于未淬透（或未淬火）的钢，前者的冲击韧度和疲劳强度也显著优于后者。（一）提高钢的淬透性图11-14 钢的组织对冲击韧度的影响（35CrNiMo钢淬火回火到b=880MPa）图11-15 钢的组织对淬火回火后钢的疲劳强度的影响（全部试样都热处理到36HRC）机器零件用钢的合金化特点淬火回火钢力学性能的相似性相似性并非无差别主加

27、元素：Si、Mn、Cr、Ni提高淬透性和综合力学性能辅加元素：Mo、W、V、Ti、B、RE 降低过热敏感性与回火脆性 0.1%机器零件用钢的合金化特点 碳是机器零件用钢中的最重要的元素，它不但直接决定了马氏体的硬度，而且对马氏体的形态及其回火后的性能都有很大影响。回火是热处理的最后一道工序，回火温度的确定就决定了钢的最后组织状态，因此从这一意义上来说，回火工艺在某种程度上决定了零件的使用性能和寿命。（二）含碳量的选择和回火温度的确定 低碳马氏体钢： 0.2%C 低温回火 位错马氏体+残余奥氏体+弥散碳化物 调质钢： 0.4%C 高温回火 回火索氏体 轴承钢：1.0%C 低温回火 回火马氏体+粒

28、状碳化物机器零件用钢的合金化特点 钢的切削加工性能是一种重要的工艺性能，对于大生产显得尤为重要，有时为了提高切削速度，发挥自动机床的加工能力，延长刀具使用寿命，常常不得不牺牲一部分使用性能而保证钢材的切削加工性能。（三）提高钢的切削加工性S、Pb、Ca、Te、Se等 非金属夹杂物或单相，硬度低、破坏钢的连续性中等硬度最佳： HBW179-229 低碳钢 正火 减小粒度 高碳钢 球化退火渗碳钢的工作条件及对性能的要求 现以齿轮为例分析其工作条件及对使用性能的要求 1）齿轮工作时，从啮合点到齿根的整个齿面上均受脉动的弯曲应力作用，而在齿根危险断面上造成最大的弯曲应力。在脉动弯曲应力作用下，可使齿轮

29、产生弯曲疲劳破坏。破坏形式是断齿。 2）齿轮工作时，通过齿面接触传递动力。在接触应力的反复作用下，会使工作齿面产生接触疲劳破坏。破坏形式主要有麻点剥落与硬化层剥落两种。 3）齿轮工作时，两齿面相对运动（包括滚动与滑动），产生摩擦力，因而要求齿面有较高的耐磨性。 4）齿轮工作时，有时还会承受强烈的冲击载荷，要求齿轮有较高的强韧性。4.3 渗碳钢4.1 渗碳钢 用途：用途：工件表面承受强磨擦、磨损以及交变应力，经常承受高的载荷，特别是冲击载荷。例如汽车、拖拉机、内燃机中传递动力的齿轮。性能要求性能要求：材料的主体或心部需要足够的强度及优良的韧性，以保持足够的支撑能力，为此同时应有良好的淬透性；表面

30、处理后，要有高的硬度，以提高其耐磨性和接触疲劳抗力；能适应高温渗碳工艺。成分特点成分特点：低碳，0.100.20%C，为达到表面硬度，零件需要淬火，可以保证心部在表面淬火时形成板条马氏体，依然有足够塑性和韧性；加入提高淬透性的合金元素，常用Cr、Mn、Ni、B为主强化元素；加入少量强碳化物形成元素，如Ti、V、Mo等，它们在钢中形成大量较细的碳化物，使钢在渗碳过程，即长时间的高温下停留，阻止奥氏体的晶粒长大。热处理：锻造毛坯正火机械加工渗碳、淬火、低温回火 精加工。其中关键热处理工艺过程是渗碳。 常用的钢号：低淬透性合金渗碳钢 15Cr、20Cr、16Mn2、20Mn2等，淬透性不算高，用于受

31、力不大的耐磨零件，如滑块、活塞销等，渗碳层较薄，但渗碳后晶粒尺寸可能较大，需空冷，二次淬火。中淬透性合金渗碳钢 20CrMnTi、12CrNi3A、20CrMnMo、20MnVB，这类钢中合金元素总量较高(4)，淬透性和韧性均较高，渗碳后一般预冷到870左右直接在油中淬火，用于变速箱齿轮、十字轴等零件。高淬透性合金渗碳钢 12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA等，这类钢中含有的合金元素总量更高(7.5)，淬透性很大，强韧性配合好，可承受重载，用于尺寸大的重要零件，如大马力内燃机的主动牵引齿轮，它们淬火到室温往往残余奥氏体量还很多，需要进行冷处理或其它专门方式的热处理。 渗碳钢的热处理一般是渗

32、碳后进行淬火及低温回火，以获得高硬度的表层及强而韧的心部。根据钢的成分的差异，常用的热处理方法有以下几种。 1.渗碳后预冷直接淬火及低温回火 合金元素低、不易过热的钢 2.一次淬火 易过热 3.两次淬火 18Cr2Ni4WA 渗碳钢的热处理二、二、渗碳钢渗碳钢第三节第三节 合金结构钢合金结构钢 常用的钢号常用的钢号：调质钢的工作条件 经调质处理后使用的结构钢称为调质钢。许多机器设备上的重要零件如机床主轴、汽车拖拉机的后桥半轴、柴油发动机曲轴、连杆、高强度螺栓等，都是在多种应力负荷下工作的，受力情况比较复杂，要求具有比较全面的力学性能不但要有很高的强度，而且要求有良好的塑性和韧性，即要求良好的综

33、合力学性能，才能承受较大的工作应力，防止由于突然过载等偶然原因造成的破坏。4.4 调质钢4.4 调质钢 用途：汽车、机床、内燃机等的重要零件，如齿轮、轴、连杆、高强度螺栓。性能要求：良好的综合力学性能，即高强度和高韧性的配合，以达到安全传递动力，特别是存在不平衡的冲击载荷。成分特点：中碳，0.350.50%C之间，韧性是强度和塑性的合理配合，碳含量低材料的强度不足，过高的碳因塑性低造成韧性下降；加入提高淬透性的合金元素，常用Cr、Mn、Ni、B为主，是调质钢的主合金元素，保证材料的心部性能来提高材料整体性能；防止第二类回火脆性，部分钢中加入Mo，可以消除回火脆性的影响； 细化奥氏体晶粒，如W、

34、Mo、V等。 1.低淬透性调质钢 这类钢的油淬临界直径最大为3040mm，典型钢种有45、40Cr等。45钢是比较便宜的钢种，淬透性低，用于对力学性能要求不高的零件，40Cr钢有较高的力学性能和工艺性能，应用十分广泛，可用于制造汽车、拖拉机上的连杆、螺栓、传动轴及机床主轴等零件。 2.中淬透性调质钢 这类钢的油淬临界直径为4060mm，典型钢种有40CrMn、35CrMo等。由于淬透性较好，可用以制造截面尺寸较大的中型甚至大型零件，如曲轴、齿轮、连杆等。 3.高淬透性调质钢 这类钢的油淬临界直径在60mm以上，大多含有Ni、Cr等元素。为了防止回火脆性，钢中还含有Mo，如40CrNiMo等，用

35、于制造大截面承受重载荷的重要零件，如航空发动机轴等。常用调质钢三、调质钢三、调质钢第三节第三节 合金结构钢合金结构钢 常用的钢号常用的钢号：1.预备热处理 调质钢经热加工之后，必须经过预备热处理以降低硬度，便于切削加工，消除热加工时造成的组织缺陷（如带状组织）、细化晶粒、改善组织，为最终热处理做好准备。对于合金元素含量较低的钢，可进行正火或退火处理；对于合金元素含量较高的钢，正火处理后可能得到马氏体组织，尚需再在Ac1以下进行高温回火，使其组织转变为粒状珠光体，降低硬度，便于切削加工。2.最终热处理 调质钢的最终热处理是淬火加高温回火。合金钢的淬透性比较高，可以采用较慢的冷却速度淬火，一般都用

36、油淬，以避免出现热处理缺陷，调质钢的最终性能取决于回火温度，当要求强度较高时，采用较低的回火温度，反之选用较高的回火温度。回火温度范围一般为500650。调质钢的热处理主体材料进行调质，即淬火后高温回火。如40Cr的典型热处理工艺为830850加热奥氏体化，油冷淬火，在600回火2小时，得到较高强度、高塑性、高韧性配合的回火索氏体。以后对局部要求高硬度、耐磨的部位可用局部淬火或表面淬火。 调 质 钢低碳马氏体分布着大量的位错，它不但强度高，塑性、韧性也好，缺口敏感性小，如将常用的渗碳钢和低合金高强度钢经淬火获得低碳马氏体并低温回火后，其力学性能在许多方面优于调质钢，可满足不少机器零件的使用性能

37、要求。低碳马氏体钢0.25%15MnVB钢经880C淬火后200C回火sb=1353MPa, s0.2=1133MPa, y=51%, ak=95J/cm240Cr钢经850C水淬火后500C回火sb=981MPa, s0.2=785MPa, y=45%, ak=58.9J/cm2调 质 钢低碳马氏体分布着大量的位错，它不但强度高，塑性、韧性也好，缺口敏感性小，如将常用的渗碳钢和低合金高强度钢经淬火获得低碳马氏体并低温回火后，其力学性能在许多方面优于调质钢，可满足不少机器零件的使用性能要求。硼钢B尽管含量仅0.0010.004，可以明显提高钢的淬透性，这是我国自己开发的硼钢，在5060年代来节

38、省铬镍元素，但硼钢的质量控制难度较大。低碳马氏体钢960 oC)，加热时碳化物完全溶解，使淬火组织有以下缺陷： 无碳化物，耐磨性下降；因过冷奥氏体内碳含量增加，其稳定性提高，增加了组织中的残余奥氏体量，使硬度下降；马氏体针片粗大，韧性大大降低。l为减小淬火引起的变形开裂，淬火加热采用预热，淬火采用200 oC硝盐分级油淬。再在200 oC低温回火60-90min。l最终组织：最终组织：回火马氏体回火马氏体+残余奥氏体残余奥氏体+碳化物颗粒碳化物颗粒3）高速钢常用钢号：高速钢广泛用来制造车刀、铣刀、钻头、拉刀等切削刀具。常用的牌号有W18Cr4V、W9Mo3Cr4V、W6Mo5Cr4V2。还有一

39、些采用高V或含Co或含Al高速钢。成分特点：高碳(0.701.50%C)，足够的碳形成硬的碳化物并保证淬火时奥氏体的溶碳量。W、Mo可以造成二次硬化效果，保证红硬性，在560回火时析出W2C或Mo2C，在500600不发生聚集长大，大量的碳化物可以提高材料的硬度，但超过20后会出现碳化物不均匀影响性能，W量一般为18，而每1的Mo可代替2的W。Cr提高淬透性，抗氧化、脱碳和耐腐蚀能力。一般都为4左右。V提高耐磨性，VC的硬度极高，颗粒细小，也有二次硬化的作用。 高速钢的铸态组织及其压力加工 图11-22 W18Cr4V钢铸态组织共晶莱氏体网 鱼骨状的M6C+共晶奥氏体黑色组织 d共析体； 白色

40、组织 马氏体和残余奥氏体 高速钢铸态组织和化学成分是极不均匀的，尤其是处于晶界处的鱼骨状的共晶莱氏体硬度很高（约6567HRC），脆性很大。因此，高速钢通常不能直接在铸态下使用。铸态组织的这种不均匀性不能用热处理方法改变，只有经热压力加工（锻造或轧制）才能打碎粗大的共晶碳化物并使之在钢中均匀分布。 3.高速钢的热处理1）高速钢的退火 高速钢锻、轧后应进行退火，其目的是降低硬度，以利切削加工；同时也使碳化物形成均匀分布的颗粒，为淬火作组织准备。退火工艺分普通退火和等温退火两种。 2）高速钢的淬火 高速钢淬火加热的最大特点是奥氏体化温度很高。如果加热温度不够高，虽然珠光体转变为奥氏体，但此时奥氏体

41、中碳和合金元素的含量很低。3）高速钢的回火 高速钢淬火加热后的奥氏体中含有大量碳和合金元素，Ms和Mf点显著降低，淬火后钢中保留着大量残留奥氏体，影响尺寸稳定性。典型工艺过程：下料锻造球化退火机械加工淬火、多次高温回火喷砂磨刃成品。预先热处理： 高速钢的铸锭中碳化物粗大，极不均匀，必需经过良好的锻造。锻造不是简单的成型，要求反复镦拔；终锻温度太高会造成晶粒长大不均匀，过低在锻造时可能开裂。锻造后进行球化退火，工艺如图，组织为索氏体及其上分布的细小颗粒状碳化物。达到消除应力，硬度控制在HB207-255之间，便于机械加工，并为最终热处理作好组织准备。 最终热处理(淬火)：850预热，发生奥氏体转

42、变，均匀内外材料的组织和温度；1200-1280高温加热，合金碳化物充分溶解，保证奥氏体的含碳量在0.7%以上，Mo含量多的加热温度低一些。600分级，这里在珠光体转变和贝氏体转变的分界温度，奥氏体可稳定存在，分级温度高会有早期碳化物析出而降低奥氏体中的含碳量，分级时间在2-5分钟。小零件分级后空气中冷却就能保证马氏体转变；大尺寸零件还需要在280硝盐浴分级，再到空气中冷却。 最终热处理(回火)： 淬火硬度仅HRC58-60，这时的残余奥氏体数量可达40，在540-560进行回火，回火过程中析出细小的合金渗碳体，组织依然为回火马氏体。回火后的冷却中，残余奥氏体可以继续发生马氏体转变，材料的硬度

43、进一步提高，这就是二次硬化。对生成的马氏体还要进行回火，一次回火冷却后残余奥氏体量降低到10左右，第二次回火，转变过程同前一次，经过两次回火后，残余奥氏体的数量降到3左右，再经过第三次回火，组织基本稳定，再回火变化不明显。最后的硬度可以保证在HRC62-64，并且在使用过程中，温度直到600附近，材料的组织都不会发生变化，即保证了高温使用下的硬度，这就是高速钢的红硬性。 回火组织 回火马氏体(黑色基体)碳化物(白色)少量残余奥氏体。一般硬度可以保证在HRC62-64，含Co高速钢硬度可以达到HRC65-67。一、刃具钢一、刃具钢第四节第四节 合金结构钢合金结构钢 3 3高速钢高速钢 专门用来制

44、造各种模具的钢材称为模具钢，大致可分为冷作模具钢和热作模具钢两大类。用途：在接近室温状态对金属进行变形的模具，如冷冲模、冷镦、冷挤压、拉丝、滚丝轮、搓丝板等。性能要求：高硬度，能加工其它金属材料；高耐磨性；足够的韧性和耐疲劳抗力。1）冷作模具钢二、模具钢成分特点：高碳，1.0%C，有的甚至可达到2，保证热处理后的硬度在HRC60以上；加入较多能形成难熔碳化物的强碳化物形成元素，如Cr、Mo、W、V等，用来提高材料的耐磨性，其中Cr含量较高，一方面可以大幅度提供钢的淬透性，另一方面形成的碳化物Cr7C3也是高硬度的耐磨质点；Mo、V可一提高回火稳定性，并能细化晶粒。常用钢号：尺寸较小、轻载的模具

45、可以采用T10A、9SiCr、9Mn2V等刃具用钢来制作；尺寸较大、重载和要求较精密、热处理变形小的模具一般采用Cr12型钢如Cr12、Cr12MoV等钢制作。 1. 1. 冷作模具钢冷作模具钢热处理： Cr12系列钢中最有代表性的是Cr12MoV钢，既有普通钢的特点，也可以出现二次硬化，典型热处理工艺有两种。其一称是低淬低回，工艺为1000-1050加热，油淬，180-240回火，硬度58-60 HRC；其二称是高淬高回，工艺为1100-1120加热油淬，510回火三次，硬度58-60HRC。二者处理后的硬度差不多，后者工艺复杂，但使用温度可以提高。为了保证工件精密度和表面质量，利用它的高淬

46、透性，广泛采用真空加热，高纯氮气冷却，可以得到高质量的光亮淬火。 工艺流程：下料 锻造球化退火机加工淬火、低回精磨或电火花加工产品。 组织：回火马氏体颗粒状碳化物残余奥氏体 2. 热作模具钢用途：对金属进行热变形的模具，如热锻模、热镦、热挤压、精密锻造模等。性能要求：高的热硬度和高温耐磨性；高热稳定性，工作时模具表面不易氧化和本身不发生组织转变；足够的韧性和耐疲劳抗力，很多模具承受的是冲击力；高热疲劳抗力，模具在工作急热急冷的温度变化，膨胀收缩循环作用下的产生的疲劳裂纹，表现为工作表面的龟裂。成分特点：中碳，0.3-0.6%C，保证热处理后的硬度在HRC3552之间；加入较多能提高钢的淬透性元

47、素，如Cr、Ni、Mn等；加入Mo、W、V等能产生二次硬化效果，形成的碳化物是高硬度的耐磨质点；Mo、V可提高回火稳定性，并能细化晶粒。常用钢号：5CrMnMo、5CrNiMo、5Cr2NiMoVSi等。第一个用于普通模具，第二种用于要求较高的模具，后者性能更优，如东汽的12000吨曲柄锻压机加工汽车前桥的热锻模，当时有一组实验数据，5CrNiMo模具加工5500件已经损坏，5Cr2NiMoVSi加工8828件还能使用。热处理： 锻造毛坯退火机械加工淬火、带温回火精加工产品。 5CrMnMo钢加热到820850奥氏体化，防止开裂出炉预冷至750-780，油冷到210(马氏体点附近,出油冒烟不着

48、火)取出，立即进行回火，不容许冷到室温，以防开裂，回火温度为500-540，得到的组织是回火屈氏体或回火索氏体，硬度为HRC41-44。二、模具钢二、模具钢第四节第四节 合金结构钢合金结构钢 华中科技大学材料系开发研制的部分模具钢三、量具钢用途：制造各种测量工具，如卡尺、千分尺、块规、卡板、塞规、螺旋测微仪等等。性能要求： 受力较小，但要求高硬度(62HRC)和高耐磨性；高的尺寸稳定性，存放和使用中不允许有尺寸的变化。常用的钢号：没有专门的钢种。简单量具可用T10A、T12A或65Mn等。复杂、高精度量具采用低合金刃具钢CrWMn。热处理： 锻造球化退火机械加工淬火冷处理低温回火粗磨低温人工时

49、效精磨去应力回火研磨。 冷处理降温至-70 -80(干冰或冷冻)消除残余奥氏体的影响，硬度可达HRC66。 回火温度较低，常用 140160时间加到3hr，目的减小淬火的应力，回火后硬度在HRC6265。 后期120时效36hr，用来消除粗磨产生的应力。再在120去应力回火3hr。 工艺举例： 第六节 特殊钢 一、不锈钢特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的专用钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢、低温用钢、电工钢等。这些钢往往用在特殊工况条件下，故应具有某些特殊的性能。1金属的腐蚀 腐蚀：金属表面和周围介质发生化学或电化学作用引起的损坏现象叫做腐蚀。腐蚀时有化学反应的叫做化学腐蚀如高温氧化。腐蚀时有

50、电流产生的叫做电化学腐蚀。腐蚀介质： 大气 化学介质化学腐蚀与防腐：化学腐蚀主要是氧化，温度提高会加速氧化过程。防腐措施是钢中加入Al、Cr、Si等元素，在高温时形成致密氧化物阻止氧进一步向内扩散；也可将钢进行表面处理，如发蓝、发黑等在表面形成保护层。电化学腐蚀：是由于金属在电解质溶液中形成原电池或微电池。当不同的材料处于同一电解质中时，若二者的电极电位不同时，它们之间存在电势差即电压。如果两电极之间可以形成通路就有电流通过，电极电位较低的阳极上金属原子失去电子，变成离子溶如电解质中，即造成腐蚀。珠光体就是一例。 防电化学腐蚀原理 产生电化学腐蚀必须具备三个条件：要构成阳极和阴极；有电解质存在

51、；阳极和阴极形成通路。防腐原理就是阻断其中一环，为适应某工作环境，电解质的存在是无法改变的事实。防止金属材料电化学腐蚀，对自身形成的原电池可以采取采取相应措施。 防电化学腐蚀措施l尽量为单相组织，减少自己内部构成原电池的可能性；l加入合金元素，使两相的电极电位相近，减少电流；l减少或阻隔电流，可以想法增加电阻，例如生产致密不导电的保护膜，即进行“钝化”处理。l阴极保护。当一种材料与另一种材料形成宏观电池，也出现电化学腐蚀，防止的途径就是抬高其电极电位，让腐蚀发生在不重要的部分或专门为保护而放置的材料上。 一、不锈钢2.不锈钢的成分特点1.性能要求 耐腐蚀；工件要求的力学性能，如高硬度的可以做耐

52、腐蚀工具，高强度的作耐腐蚀构件。 降低钢的含碳量，减少双相珠光体数量；加入元素Cr，可以提高材料的电极电位及钝化能力，特别是含量达到12处，电极电位突然增加(n/8原理)，所以一般不锈钢中的Cr含量都大于12；加入足够Cr、Ni，改变相图使钢成为单相组织，避免形成双相组织的原电池。 加入Mo、Cu，提高对非氧化性酸的腐蚀抗力。加入Ti、V，消除碳的晶间偏析，与钢中的碳优先形成化合物，避免晶界由于生成Cr的碳化物而出现贫铬，减轻了材料晶间腐蚀倾向。 加入Mn、N，可以代替Ni扩大奥氏体区，可以提高在有机酸中的耐腐蚀性。 2.不锈钢的成分特点3.常用不锈钢1）马氏体型：Cr13系列：包括1Cr13

53、、2Cr13、3Cr13、4Cr13，Cr的含量一般在13左右，充分利用Cr对电极电位提高的作用。第一位数字表示钢的含碳量从0.1%-0.4%，数值越大，含碳量越高，热处理后的强度和硬度越高，耐腐蚀则下降。1Cr13、2Cr13不锈钢主要用来制造耐腐蚀构件，如汽轮机叶片、水压机的阀、结构架等。在调质状态下使用，组织为回火索氏体。常规热处理工艺为1000-1050加热淬火，700-790回火。3Cr13、4Cr13淬火后能保证一定的硬度，它们的热处理方法为1000-1050加热淬火，200-300回火，所得到的组织为回火马氏体，有好的硬度和弹性，广泛用在医疗器械上。3Cr13的弹性好，可以旨在医

54、疗用钳子、镊子，以及日常餐具等。4Cr13的回火马氏体有相当的硬度，常用来制造手术剪子、手术刀等。 2）铁素体型Cr17系列常用牌号是1Cr17。当Cr的含量大于17后，在加热过程中没有奥氏体化转变，始终保持单相的铁素体，故成为铁素体不锈钢。这类钢的耐腐蚀性好，但不能利用淬火得到马氏体来强化，所以材料的强度较低，塑性非常好。通常不需进行热处理，在对塑性要求不苛刻时，可以进行冷加工的加工硬化来提高强度。铁素体型可以用来制造化工设备中的容器、管道等。 3）奥氏体型常称为189型，常用牌号0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti。这类钢为一直都是单相奥氏体组织，

55、故称为奥氏体不锈钢。当Cr的含量大于18.5%后能产生钝化，阻碍阳极反应；含Ni达到9主要是扩大相区，降低钢的 S 点到室温以下，从高温降到室温也不发生fccbcc转变。奥氏体不锈钢是单相组织，电化学作用小，对硝酸、冷磷酸、有机酸、碱类、盐等溶液表现出化的耐腐蚀性，广泛用来制造要求耐酸、碱、盐腐蚀的容器和器械。此外，奥氏体不锈钢是没有磁性的，所以经常用来制造防磁性的仪表构件。 奥氏体型不锈钢的晶间腐蚀在189型不锈钢中，随着碳的含量增加，钢的耐腐蚀性下降。碳经常在奥氏体晶界处有聚集，聚集的碳和铬形成碳化物，降低了晶界出铬的含量，表现为晶界的耐腐蚀性低，而出现晶间腐蚀。加入Ti的主要作用是为了抑制(Cr,Fe)23C6在晶界上的析出，消除晶间腐蚀。Ti的含量要大于5*(C%0.02)以得到要求的效果，但其含量不要大