第6章 合金钢课件

第七章

合金钢本章介绍合金钢的分类方法、成份和主要应用。着重介绍各类合金钢的钢号、成份特点、热处理工艺、组织、性能和应用。重点掌握各类合金钢的钢号、成份特点、热处理工艺、组织、性能以及它们的应用。内容提要：学习目标合金钢的分类按合金元素含量多少分类按含主要合金元素分类按小试样正火或铸态组织分类按用途分类低合金钢合金元素含量低于5%中合金钢5~10%高合金钢高于10%铬钢铬镍钢锰钢合金结构钢合金工具钢特殊性能钢珠光体钢马氏体钢奥氏体钢铁素体钢莱氏体钢§1合金钢的基础知识碳钢：价格低，但力学性能低，淬透性低，回火抗力差，不能满足特殊性能要求（如耐热、耐低温、耐蚀等）。合金钢：在碳钢的基础上，加入某些合金元素而得到的钢。碳钢的优点与不足：优点：

1价格低，容易冶炼；碳钢3-4千元/吨，合金钢5-6千元/吨2、加工工艺性好例：锻、焊、切削加工性好3、改善性能好（C%，热处理）不足：1、淬透性差2、强度级别低，屈强比低屈强比3、回火稳定性差，耐热性差碳钢制作的刀具，刀刃处工作温度<200℃，高速钢温度<600℃，硬质合金刀具达到1000℃。高速钢的出现，带来高速切削的诞生，给机械加工行业带来了革命性的变化。4、不能满足特殊性能的要求1、2、3、4、正是碳钢的不足，促进了合金钢的进步。合金钢用量占钢铁材料的比例，反映了一个

国家工业技术的水平。钢中的合金元素弱碳化物元素:Fe、Mn。中强碳化物元素:Cr、Mo、W。强碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。B、N、Al、Si、Ni、Co、Cu与碳的亲和力较弱，一般以固溶体形式存在。铁的左边这些元素与碳作用形成合金碳化物铁的右边

钢中的合金元素合金元素对钢中基本相的影响合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。合金元素对钢的热处理的影响。溶入F（α相）形成合金F：非碳化物元素和部分弱碳化物元素；例：Mn、Ni、Co、Si、Al、B产生固溶强化。溶入Fe3C：部分弱碳化物元素，置换出Fe3C中的Fe；例：Cr、Mn形成合金渗碳体（Fe.Cr）3C

（Fe.Mn）3C合金元素对钢中基本相的影响溶解碳钢原有相中；形成新相。存在形式决定于元素与碳亲和力、数量和性质。溶入原有相：合金元素溶入铁素体后，产生固溶强化，使铁素体的强度、硬度提高，但塑性、韧性都有下降趋势。合金元素对铁素体相性能的影响2、形成新相多是碳化物形成元素，与碳的亲合力比较强，形成合金碳化物。常见有Cr23C6、Fe4W2C、WC、VC、TiC等；

它们具有比渗碳体更高的熔点和更高的硬度。这些元素提高钢的强硬度、耐磨性，降低塑、韧性。几种化合物的性能非碳化物形成元素溶于F固溶强化弱碳化物形成元素形成合金较硬、耐磨，比渗碳体Fe3C更稳定强碳化物形成元素形成特殊高熔点、硬、耐碳化物磨，最稳定

合金元素对Fe-Fe3C相图的影响影响A和F存在的范围Mn、Ni、Co等扩大γ相区，扩大A存在的区域，如1Cr18Ni9Ti和Mn13，室温下只有单相A，形成A钢。Cr、Mo、W、V、Ti、Si缩小γ相区均缩小A存在区域，有可能在室温下只有单相F存在而成为F钢。如1Cr17Ti高铬铁素体不锈钢Mn对奥氏体区的影响S、E点左移，因而合金钢中的共析体的含碳量就不再是0.77%Cr对奥氏体区的影响使S、E点左移，并使A1线的温度变化。合金元素对S点成分的影响合金元素对A1线的影响合金元素对钢的热处理的影响加热时对奥氏体形成的影响减缓A化过程（Ni、Co除外）

影响A晶粒长大

强烈阻止A晶粒长大的元素：铝、钛、铌、锆中等阻止A晶粒长大的元素：钨、钼、铬促进A晶粒长大的元素：锰、磷、碳

合金碳化物熔点高、难分解，障碍C的扩散，热处理时要提高加热温度或延长保温时间。冷却时对过冷A转变的影响除Co外，合金元素的加入使C曲线右移。即增大过冷A的稳定性，提高钢的淬透性。增强淬透性常用的元素有:Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。除Co、Al元素外，所有的合金元素都使马氏体转变温度下降。合金元素还可能使C曲线形状发生改变，甚至出现两组C曲线3、对M转变的影响除Co、Al之外，其余合金元素均使Ms、Mz点下降。结果增加A残量例：W18Cr4V钢，淬火后A残量达25%；处理办法：冷处理，多次回火（1）提高钢的回火稳定性：CrMoWVNbSi提高了回火温度，提高了韧性同样的回火温度，硬度较高原因：减缓碳的扩散和碳化物的长大，推迟马氏体的分解。4、合金元素对回火转变的影响（2）产生二次硬化：MoWVTi等合金元素使钢在500~600℃回火时硬度升高的现象。W、Mo、V等碳化物在550℃时，使钢达到最高硬度，产生二次硬化。例：W18Cr4V钢，淬火后A残量达25%，硬度60~63HRC，回火后63~65HRC。原因：1、A残发生向M的转变2、析出弥散碳化物（3）回火脆性:可逆。Ni、Cr使合金钢中多。Cr-Ni钢的回火脆性示意图防止方法：1、消除杂质元素Mn、Cr、Ni向晶界的偏聚。减少杂质元素含量;2、加入合金元素W、Mo,消除杂质元素的偏聚，提高晶界断裂强度;3、回火后快冷,抑制杂质元素向晶界偏聚.第一类：250~400℃,低温回火脆性。第二类：500~600℃，高温回火脆性。不能消除.不可逆防止方法：避开这一温度范围回火。钢中的合金元素的作用可简单概括P116、118页:§2合金钢的分类与牌号当平均含碳量大于或等于1%时不标出。§3合金结构钢低合金（高强度）结构钢成分：Wc<0.2%，合金含量%<3%，主加元素Mn性能：①较高的强度、屈强比、塑、韧性；

②良好的焊接性和冷塑性加工性（低碳）；

③含有耐大气和海水腐蚀的元素（Cu、P）。用途：桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。东风号远洋轮船Q345南京长江大桥Q345高压容器Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的容器。Q460钢含Mo、B，强度最高，用于石化中温高压容器。热处理及典型钢种16Mn360MPa15MnTi、15MnV400MPa一般在热轧空冷状态下使用，制成构件后不经热处理直接使用。用途：制造要求高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷的重要零件。如：汽车中传递动力的齿轮渗碳钢表层高硬度（≥58HRC）和高耐磨性；心部良好强度和韧性；高的淬透性以保证渗碳件的心部性能，以便于渗碳后直接淬火。性能成分特点：低碳+提高淬透性元素+强碳化物元素

低碳：0.1%～0.25%，以保证零件心部足够的塑性和韧性，抵抗冲击载荷；辅加Mo、W、V、Ti等强碳化物形成元素，以形成稳定的特殊合金碳化物阻止渗碳时奥氏体晶粒长大。加入提高渗碳钢的淬透性合金元素：主加Cr、Mn、Ni、B等，保证零件的心部为低碳马氏体，从而具有足够的心部强度；热处理及典型钢种

渗碳→淬火+低温回火（180～200℃）低淬透性：15Cr、20Cr、15Mn2中淬透性：20CrMnTi、20CrMnMo高淬透性：12CrNi3A、18Cr2Ni4W低淬透性合金渗碳钢：合金元素总量＜3%，15Cr、20Cr、20Mn2。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。中淬透性合金渗碳钢：合金元素总量在4%左右。20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。高淬透性合金渗碳钢：合金元素总量在4%～6%。18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。活塞销(20Cr)柴油机曲轴柴油机凸轮轴渗碳钢的分类：渗碳后的组织表面中心1%C0.2%C

P+Fe3C

P

P+F

F+P少渗层厚度：表层到1/2过渡层的厚度20CrMnTi齿轮制造工艺工艺路线：下料→锻造→正火→齿形加工→渗碳→预冷淬火→低温回火→喷丸→精磨热处理工艺曲线预先热处理：正火，改善锻造组织，降硬度，利于切削最终热处理：淬火＋低回最终组织：表层：高碳M回+C化物+A残心部：低碳M回

+F+细P

表层硬度耐磨，心部较高强度和AK用途：制造受力复杂（交变应力、冲击载荷等）的重要零件，如发动机连杆、曲轴、机床主轴等。调质钢性能：具有优良的综合力学性能，内外组织性能一致，即既强又韧：1、高的屈服强度及疲劳极限2、良好的韧性塑性3、局部表面有一定的耐磨性4、较好的淬透性中碳：0.25%～0.5%（一般0.4%左右，强韧性合理配合）。合金元素：主加元素Mn、Si、Cr、Ni、B等，主要作用提高淬透性；次要作用溶入铁素体起固溶强化作用。辅加元素Mo、W、V等强碳化物形成元素，其中Mo、W的主要作用是抑制含Cr、Ni、Mn、Si等合金调质钢的高温回火脆性，次要作用是改善淬透性；

V主要作用形成碳化物阻碍奥氏体晶粒长大，起细晶强化和弥散强化作用。成分特点：中碳+提高淬透性元素+防止回火脆性元素热处理：

预先热处理：正火处理（合金含量低）或正火＋高温回火（合金含量高）

最终热处理：调质，即淬火＋高温回火。连杆组织：S回典型钢种：低淬透性：40MnMoB、40Cr中淬透性：42CrMo、40CrNiMo高淬透性：34CrNi3Mo调质钢40Cr制造连杆螺栓工艺过程工艺路线：下料→锻造→退火（或正火）→机械加工（粗加工）→调质→机械加工（精加工）→装配40Cr钢制造连杆螺栓的调质处理工艺曲线预备热处理：改善锻造组织，细化晶粒，适合机械加工；淬火：获得M组织；回火采用水冷防止第二类回火脆性。得到回火S键槽可用局部表面感应淬火及回火，得到表面组织为S回，提高耐磨性，心部组织保持调质状态不变。调质零件如需要表面良好耐磨性应在调质后安排表面淬火根据强韧的不同要求，采用不同的回火温度例：40CrNiMo850℃油淬后回火温度对力学性能的影响调质钢与渗碳钢的比较（1）合金化原则

（2）

获得优良综合力学性能的途径用途渗碳钢：用于承受冲击载荷，且耐磨的零件。例：汽车后桥主动轮齿轮调质钢：用于运转平稳，要求好的综合性能的零件例：一般的齿轮、轴、连杆等。用途：制造各种弹簧和弹性元件或类似性能要求的结构零件

弹簧钢性能：1、高的弹性极限σe和屈强比σs/σb，2、高的疲劳极限σ-1；3、足够的韧性，硬度适中，39~50HRC中高碳：碳素弹簧钢0.6～0.9%C，合金弹簧钢0.45～0.70%C，经淬火加中温回火后得到回火屈氏体组织，能较好地保证弹簧的性能要求。合金元素主加元素为Si、Mn等，其主要作用是提高淬透性、回火稳定性、强化F基体；辅加元素为Mo、W、V等强碳化物形成元素，主要作用有防止Si引起的脱碳缺陷，并细化晶粒及进一步提高弹性极限与屈强比。成分特点：高碳+提高淬透性元素+提高回火稳定性元素热处理：按成形方法分为两类热轧弹簧：冷轧弹簧：热成型→淬火+中温回火→喷丸

淬火+中温回火→冷成型→去应力→喷丸

冷成形：强化后成形；热成形：成形后强化典型的钢种：T10典型的钢种：65Mn、60Si2Mn热成形弹簧对截面尺寸＞10mm各种大型和形状复杂的弹簧均采用热成形(如热轧、热卷)，如汽车、拖拉机、火车的板簧和螺旋弹簧。汽车板簧热卷大弹簧加工路线：下料→加热压弯或卷绕→淬火→中温回火→喷丸，组织为回火T氏体。喷丸可强化表面并提高弹簧表面质量，显著改善疲劳性能。（也可采用等温淬火获得下贝氏体、或形变热处理，提高弹簧的性能和寿命）。冷成形弹簧截面尺寸＜10mm的各种小型弹簧可采用冷成形(如冷卷、冷轧)，如仪表中的螺旋弹簧、发条及弹簧片等。弹簧丝发条这类弹簧在成形前先进行冷拉（冷轧）、淬火中温回火或铅浴等温淬火后冷拉（轧）强化；然后再进行冷成形加工，此过程中将进一步强化金属，但也产生了较大的内应力和脆性，故在其后应进行低温去应力退火（一般200～400℃）。用途：制造各种滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱）和内外套圈的专用钢种。滚动轴承钢性能：1、高的硬度强度HRC60~62和耐磨性;2、高的接触疲劳强度，接触应力可达3000~3500MPa;3、足够的韧性和耐蚀性;高碳：0.95%~1.15%C，保证轴承钢高硬度和高耐磨性；低铬：0.40%~1.65%Cr，增加钢的淬透性，并形成合金渗碳体(Fe、Cr)3C提高接触疲劳极限和耐磨性。大型轴承加入Si、Mn、Mo、V等元素以进一步提高淬透性和强度。内圈外圈滚动体保持架成分特点：高碳+提高淬透性元素热处理：球化退火+淬火＋低温回火预先热处理：球化退火，以改善切削加工性并为淬火作组织准备；最终热处理：淬火＋低温回火，决定轴承钢的性能，得到高硬度（62~66HRC）和高耐磨性。冷处理：消除A残与内应力、稳定组织、提高轴承的尺寸精度。组织：M回＋细碳化物＋少量A残

典型钢种GCr9小轴承GCr15多数轴承GCr15SiMn壁厚大于14的大轴承§4合金工具钢用于制造各种切削刀具的合金钢。用途：车刀、铣刀、钻头等高合金刃具钢、低合金刃具钢一、刃具钢

工作特点：1、与工件发生剧烈的摩擦2、刃部有很高的工作温度3、承受一定的冲击和弯曲应力性能要求高的硬度（60～66HRC）和耐磨性。高的红硬性，即钢在高温下（500～600℃）保持高硬度（60HRC左右）的能力，这是高速切削加工刀具必备的性能。足够的韧性、塑性（限制S、P含量）。耐磨性取决于高硬度和碳化物的性质三种碳化物的硬度高的热硬性取决于钢的回火稳定性和碳化物的性质材料塑性韧性低：刀具崩刃具、断裂。（一）碳素刃具钢成份——含碳量约0.6～1.3%性能——常温硬度（HRC60～62）及耐磨性较好。但淬透性差、热硬性差。热处理：预先热处理：正火+球化退火，消除网状碳化物及锻后不均匀，降低硬度便于切削加工，并为淬火作组织准备最终热处理：淬火＋低温回火组织：回火马氏体＋细粒状渗碳体＋少量残余奥氏体。（二）低合金刃具钢成分：高碳，含0.9～1.5%C，添加Si、Mn、Cr等合金元素，提高钢的淬透性和回火稳定性，进一步改善刀具的硬度和耐磨性；强碳化物形成元素(如W、V等)所形成的碳化物除对耐磨性有提高作用外，还可提高钢的热硬性。性能：低合金工具钢的淬透性和综合力学性能好，但由于其内的合金元素主要是淬透性元素，而不是含量较多的强碳化物形成元素(W、Mo、V等)，故仍不具备热硬性特点，刀具刃部的工作温度一般不超过250℃，否则硬度和耐磨性迅速下降，甚至丧失切削能力，因此这类钢属于低速切削刃具钢。

9SiCr钢板牙热处理工艺曲线板牙工艺路线：下料下料→球化退火→机械加工→淬火+低温回火→磨平面→抛平面→开口分级淬火低温回火降低残应力圆板牙淬火回火工艺预热减少高温停留时间，从而降低氧化脱碳倾向（三）高合金刃具钢（高速钢）按成分特点分：钨系、钴系和钨钼系（W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2）高碳0.7～1.5%：获得高碳M，足量碳化物，细化晶粒培养，提高硬度，增大耐磨性。钨18%：形成碳化物；在560℃左右回火时，弥散析出W2C，造成二次硬化，提高钢的红硬性。钼5%：1%Mo的作用等同于2%W。但是Mo的含量高使钢高温时易氧化脱碳。铬4%：形成碳化物；提高钢的淬透性。钒1.5%：形成VC，硬度极高，提高钢的硬度和耐磨性，产生二次硬化。性能：高硬度、高耐磨性、高的红硬性（600℃时，HRC63以上）、有一定的强度和韧性。盘形铣刀W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点工艺路线：下料→锻造→退火→机加工→淬火＋三次回火→喷砂→磨削消除A残；并产生二次硬化

弥散硬化：W2C、VC弥散析出；二次淬火：A残中析出合金碳化物，使A残中合金的浓度下降，MS

上升，在随后的冷却过程中残余A转变为M。锻造高速钢含大量合金元素铸态有共晶Ld属于莱氏体钢，铸态组织中含有大量呈鱼骨状的粗大共晶碳化物，钢的韧性大幅下降。不能用热处理来消除，只能依靠反复多次锻打来击碎。退火温度870~880，保温2~3h，消除应力，调整组织，便于机加工，为淬火作好组织准备。退火后的组织:S+粒状碳化物淬火1280℃；淬火后的组织：M+粒状碳化物+A残(20～25%)三次回火W18Cr4V铸态组织420共晶莱氏体：P+Ld+碳化物W18Cr4V锻造组织210W18Cr4V淬火+三次回火组织420

极细的回火马氏体和较多粒状碳化物及少量残余奥氏体模具钢（一）冷作模具钢工作条件与性能要求：在常温下使金属材料变形成型的模具用钢，工作温度200～300℃；模具承受很大的载荷及摩擦、冲击作用；冷作模具钢应具有高硬度、高耐汽车车门模具成分：高碳合金元素：Cr，Mo、W、V磨性、高强度和足够的韧性；冷作模具对淬透性、耐磨性尤其是韧性方面的要求更高一些，冷作模具钢应是高碳成分并多在回火马氏体状态下使用。（二）热作模钢工作条件与性能要求：使热态金属成形的模具用钢。热锻模工作部分的温度会升高到300～400℃、热挤压模可达500～800℃、甚至近1000℃，因交替加热冷却的温度循环产生交变热汽车曲轴模具成分：中碳0.3～0.6%；中碳调质钢合金元素:Cr、Ni、Mn、Si、Mo、W、V。应力；热作模具常见的失效形式有变形、磨损、开裂和热疲劳等，要求模具钢应具有良好的高温强韧性、高的热疲劳和热磨损抗力、一定的抗氧化性和耐蚀性等。量具钢性能要求：高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性。千分尺热处理：淬火+冷处理+低温回火+时效处理最终组织：M回+合金碳化物成分：高碳；合金元素：Cr，Mn、W。应用

◆简单量具——T10A、T12A等。◆高精度量具——GCr15、9SiCr、CrWMn冷处理：减少残A量；时效处理：降低内应力，且回火M进一步稳定。低温回火：减少应力，并使冷处理后的过高硬度降到所要求的硬度最后低温回火：消除磨削应力，把应力降到最小。特殊性能钢（一）不锈钢金属腐蚀的种类:化学腐蚀——金属表面与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀。如金属高温时的氧化，钢的脱碳。电化学腐蚀——金属材料（合金或不纯的金属）与电解质溶液接触，通过电极反应产生的腐蚀。如钢的生锈。金属的防腐“多相”易腐蚀，“单相”不易腐蚀两相若电极电位接近耐腐蚀(Cr、Ni提高基体电极电位)表面致密的氧化膜也耐腐蚀(Al2O3、Cr2O3)化学成分特点:低碳：耐蚀性要求愈高，碳含量愈低。合金元素：主加Cr。辅加Ni、Mo、Cu、Ti、Nb、Mn

等。铁素体不锈钢碳含量<0.15%、铬含量16％～18％。Cr是铁素体形成元素，致使此类钢从室温到高温（1000℃左右）均为单相铁素体；塑性加工、切削加工和焊接性较优。主要用于对耐蚀性和抗氧化性有较高要求的零件，如耐硝酸、磷酸结构和抗氧化结构。常见的铁素体不锈钢有1Cr17、1Cr28等。马氏体不锈钢马氏体不锈钢：碳0.1%～0.45%，含Cr平均为13%。当WCr>12%时能起到钝化作用。此类钢在氧化性介质中（如大气、海水