低合金钢与合金钢

低合金钢与合金钢低合金钢与合金钢概述能力知识点1低合金钢和合金钢能力知识点2低合金钢和合金钢的分类能力知识点1低合金钢和合金钢

为了改善或提高钢的性能，在碳钢的基础上，有意添加某些合金元素所冶炼而成的钢称为低合金钢和合金钢。能力知识点2低合金钢和合金钢的分类

一、按合金元素分类低合金钢（合金元素总量<5%）中合金钢（合金元素总量为5～10%）高合金钢（合金元素总量>10%）按主要合金元素的种类锰钢铬钢硼钢铬镍钢硅锰钢按主要合金元素的数量二、按用途分类工程构件用钢机器零件用钢合金工具钢特殊性能钢合金结构钢模具钢刃具钢量具钢耐磨钢不锈钢耐热钢三、按金相组织分类按钢退火态的金相组织亚共析钢共析钢过共析钢按钢正火态的金相组织珠光体钢贝氏体钢马氏体钢奥氏体钢综合知识模块二合金元素在钢中的作用能力知识点1合金元素与铁、碳的作用能力知识点2合金元素对铁碳相图的影响能力知识点3合金元素对热处理的影响能力知识点1合金元素与铁、碳的作用

一、合金元素与铁的作用几乎所有的合金元素（除Pb外）都可溶入铁中,形成合金铁素体或合金奥氏体。其中原子直径较小的合金元素（如氮、硼）与铁形成间隙固溶体，原子直径较大的合金元素（如锰、镍、钴等）与铁形成置换固溶体。当合金元素可溶于铁素体时，由于与铁的晶格类型和原子半径不同而造成晶格畸变；另外合金元素易分布于位错线附近，对位错线的移动起牵制作用，降低位错的易动性，从而提高塑变抗力，产生固溶强化效果，使钢的强度、硬度提高，但塑性、韧性有所下降。合金元素对铁素体韧性的影响

合金元素对铁素体硬度的影响

在一般的合金化理论中，按与碳亲合力的大小，可将合金元素分为碳化物形成元素与非碳化物形成元素两大类。

1、非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B；

2、碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr。二、合金元素与碳的作用Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱强

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。碳化物形成元素中，有些元素（如Mn）与碳的亲合力较弱，除少量可溶于渗碳体中形成合金渗碳体外，大部分仍溶于铁素体或奥氏体中。而与碳亲和力较强的一些碳化物形成元素（如Cr、Mo、W等），当其含量较少时，多半溶于渗碳体中，形成合金渗碳体；当含量较高时，则可能形成新的特殊的合金碳化物。与碳亲合力很强的碳化物形成元素（如Nb、Ti、Zr等），几乎总是与碳形成特殊的碳化物。3.单独形成特殊碳化物

熔点、硬度、耐磨性最高。

稳定性最高。TiC、NbC、VC。碳化物是钢中的重要相之一，碳化物的类型、数量、大小、形状及分布对钢的性能有很重要的影响。

当钢中合金元素含量超过一定限度时，可以生成一些碳钢中没有的新相。其中最重要的是由强碳化物形成元素生成的各种合金碳化物（如W2C、VC、TiC等）。它们熔点高、硬度高，加热时很难溶于奥氏体中，因此对钢的机械性能及工艺性能有很大影响。

能力知识点2合金元素对铁碳相图的影响一、对奥氏体相区的影响1．扩大奥氏体相区元素扩大奥氏体相区的元素有镍、锰、钴、碳、氮、铜等，这些元素使A1和A3温度降低，使S点、E点向左下方移动，从而使奥氏体区域扩大Mn对铁碳相图的影响2．缩小奥氏体区的元素缩小奥氏体相区的元素有铬、钼、硅、钨等，使A1和A3温度升高，使S点、E点向左上方移动，从而使奥氏体区域缩小Cr对铁碳相图的影响

二、合金元素对S、E点的影响大多数合金元素均使S、E点左移S点向上或向下移动，则直接影响了共析转变温度（A1温度）能力知识点3合金元素对热处理的影响一、合金元素对加热转变的影响1）大多数合金元素（除镍、钴以外）都延缓钢的奥氏体化过程。2）大部分合金元素都能阻止奥氏体晶粒的长大，细化晶粒。二、合金元素对冷却转变的影响大多数合金元素（除钴以外），都能提高过冷奥氏体的稳定性，使C曲线位置右移，临界冷却速度减小，从而提高钢的淬透性。合金钢就可以采用冷却能力较低的淬火剂淬火，如采用油淬或空冷，以减小零件的淬火变形和开裂倾向。中强和强碳化物形成元素，如铬、钨、钼、矾等，溶于奥氏体后，不仅使C曲线右移，提高钢的淬透性，而且把珠光体转变与贝氏体转变明显地分为两个独立的区域，改变了C曲线的形状，使其出现两个鼻子。非碳化物形成元素和弱碳化物形成元素，如镍、锰、硅等，仅会使C曲线右移除钴、铝外，多数合金元素溶入奥氏体后，使马氏体转变温度Ms和Mf点下降。钢的Ms点越低，Ms点至室温的温度间隔就越小，在相同冷却条件下转变成马氏体的量越少。因此，凡是降低Ms点的元素都使淬火后钢中残留奥氏体含量增加。而钢的残留奥氏体量的多少，对钢的硬度、尺寸稳定性、淬火变形均有较大影响。三、合金元素对淬火钢回火转变的影响1．对淬火钢回火稳定性的影响淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称为回火稳定性或回火抗力。当回火温度相同时，合金钢的强度、硬度就比碳钢高。2．二次硬化一些高合金钢在一次或多次回火后硬度上升的现象称为二次硬化。

3.含Cr、Ni、Si、Mn等合金元素并存在P、As等杂质元素的结构钢淬火后在500～650℃范围内回火时出现第二类回火脆性。加热至600℃以上后，以缓慢的冷却速度通过500～650℃脆化温度区时，出现脆性；快速通过500～650℃脆化区时，则不出现脆性。综合知识模块三低合金钢与合金钢的

编号能力知识点1低合金钢的编号能力知识点2合金结构钢的编号能力知识点3合金工具钢与特殊性能钢的编号能力知识点4专用钢的编号能力知识点1低合金钢的编号1.牌号:

Q

345

C

质量等级345MPa屈服强度能力知识点2合金结构钢的编号20Mn2

Ti

A等级:高级优质含钛量WTi≤1.5%含锰量WMn2%含碳量WC20%00能力知识点3合金工具钢与特殊性能钢的编号9CrSiWSi≤1.5%WCr≤1.5%

含碳量WC

0.9%Cr12MoVWV≤1.5%含钼量WMo≤1.5%含铬量WCr=12%

含碳量WC>1.0%特殊性能钢的牌号和合金工具钢的表示相同，如不锈钢2Cr13表示碳的质量分数为0.20%，含铬量为12.5%～13.5%。当碳的质量分数小于0.08%时，在牌号前标“0”；当碳的质量分数小于0.03%，在牌号前标“00”。能力知识点4专用钢的编号一、压力容器用钢板用大写字母R在牌号尾表示，表示“容”。其牌号可用屈服点也可用碳的质量分数或含合金元素表示。如Q345R二、焊接气瓶用钢板用大写HP在牌号尾表示，意为“焊瓶”。其牌号可以用屈服点表示，如：Q295HP也可用含合金元素来表示，如：16MnREHP。三、锅炉用钢板用小写字母g在牌号尾表示，表示“锅”。其牌号可用屈服点表示，如：Q390g；也可用碳的质量分数或含合金元素来表示，如20g四、桥梁用钢板用“桥”拼音它一个字母q在牌号尾表示，如Q420q、16Mnq等。五、焊接结构用耐候钢用“耐候”的汉语拼音字母NH在牌号尾表示，在牌号后加上质量等级代号（C、D、E）。例如Q355NHC、Q460NHD。六、滚珠轴承钢在编号前标以“滚”字的拼音第一个字母G，其后为铬（Cr）+数字，数字表示铬含量平均值的千分之几，如GCr15，读为“滚铬15”。这里应注意牌号中铬元素后面的数字是表示含铬量为1.5%,其他元素仍按百分之几表示，如GCr15SiMn表示含铬为1.5%，Si、Mn均小于1.5%的滚动轴承钢。综合知识模块四低合金钢能力知识点1低合金钢及其分类能力知识点2低合金高强度结构钢能力知识点3船体结构钢能力知识点1低合金钢及其分类

一、按主要质量等级分特殊质量低合金钢普通质量低合金钢优质低合金钢二、按主要性能和使用特性分其他低合金钢可焊接低合金高强度结构钢低合金耐候钢低合金钢筋钢铁道用低合金钢矿用低合金钢强度级别超过400MPa后，铁素体和珠光体组织难以满足要求，于是发展了低碳贝氏体钢。加入Cr、Mo、Mn、B等元素，有利于空冷条件下得到贝氏体组织，使强度更高，塑性、焊接性能也较好，多用于高压锅炉、高压容器等，如Q460钢。能力知识点2低合金高强度结构钢

常用钢种：能力知识点3船体结构钢综合知识模块五合金结构钢能力知识点1合金渗碳钢能力知识点2合金调质钢能力知识点3合金弹簧钢能力知识点4滚动轴承钢能力知识点1合金渗碳钢低碳：碳质量分数一般为0.10%～0.25%，使零件心部有足够的塑性和韧性。

加入提高淬透性的合金元素：常加入Cr、Ni、Mn、B等。

加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素：主要加入少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。

一、成分特点：二、热处理特点20CrMnTi钢制齿轮热处理工艺曲线

活塞销(20Cr)能力知识点2合金调质钢采用调质处理，即淬火+高温回火后使用的合金结构钢，统称为合金调质钢。调质后得到回火索氏体组织，综合力学性能好，用于受力较复杂的重要结构零件。一、化学成分特点碳的质量分数在0.30%～0.50%之间主加合金元素为Cr、Mn、Ni、Si、B等二、热处理特点三、常用钢种

40Cr低淬透性合金调质钢，油淬临界直径为30mm～40mm，用于制造一般尺寸的重要零件。

35CrMo中淬透性合金调质钢，油淬临界直径为40mm～60mm,加入钼不仅可提高淬透性，而且可防止第二类回火脆性。

40CrNiMo高淬透性合金调质钢，油淬临界直径为60mm～100mm，铬镍钢中加入适当的钼，不但具有好的淬透性，还可消除第二类回火脆性。

合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。

能力知识点3合金弹簧钢合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。

高的弹性极限σe，尤其是高的屈强比σs/σb以保证弹簧有足够高的弹性变形能力和较大的承载能力。高的疲劳强度σr，以防止在震动和交变应力作用下产生疲劳断裂。足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆断。

此外，弹簧钢还要求有较好的淬透性，不易脱碳和过热，容易绕卷成形等。一些特殊弹簧钢还要求耐热性、耐蚀性等。

一、弹簧钢的性能要求

65Mn和60Si2Mn

以Si、Mn为主要合金元素的弹簧钢。这类钢的价格便宜，淬透性明显优于碳素弹簧钢，Si、Mn的复合合金化，性能比只用Mn的好得多。这类钢主要用于汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧。常用弹簧钢

50CrVA

含Cr、V、W等元素的弹簧钢。Cr、V复合合金化，不仅大大提高钢的淬透性，而且还提高钢的高温强度、韧性和热处理工艺性能。这类钢可制作在350℃～400℃温度下承受重载的较大弹簧。热成形弹簧，一般可在淬火加热时成形，然后淬火+中温回火，获得回火托氏体组织，具有很高的屈服强度和弹性极限，并有一定的塑性和韧性。冷成形弹簧，通过冷拔、冷卷成型。冷卷后的弹簧不必进行淬火处理，只需要进行一次消除内应力和稳定尺寸的定型处理，即加热到250～300℃，保温一段时间，从炉内取出空冷即可使用。高的硬度强度和耐磨性;高的接触疲劳强度;足够的韧性和耐蚀性;高的纯净度;能力知识点4滚动轴承钢一、滚动轴承钢的性能要求高碳,Wc=0.9～1.1%，以保证其高硬度、高耐磨性和高强度；主加Cr,铬提高淬透性；形成合金渗碳体(Fe,Cr)3C呈细密、均匀分布，提高钢的耐磨性,特别是疲劳强度。适宜的铬质量分数为0.40%～1.65%。二、成分特点及钢种加入硅、锰、钒等Si、Mn进一步提高淬透性，便于制造大型轴承。V部分溶于奥氏体中，部分形成碳化物VC，提高钢的耐磨性并防止过热。高的冶金质量轴承钢中非金属夹杂和碳化物的不均匀性对钢的性能尤其是接触疲劳强度影响很大。因此，轴承钢一般采用电炉冶炼和真空去气处理。GCr15含Cr量WCr≈1.5%

滚动轴承钢三、热处理特点球化退火+淬火+低温回火极细回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体铬轴承钢制造轴承的工艺路线锻造球化退火机加工淬火+冷处理(–60～–80℃;1h)

低温回火磨削加工稳定化处理(120～130℃；5～10h)综合知识模块六合金工具钢能力知识点1低合金刃具钢能力知识点2高速工具钢能力知识点3合金模具钢能力知识点4量具钢量具刃具模具1.性能要求:高硬度、高耐磨性、有一定的红硬性、强度和韧性,工作温度不超过300℃。2.化学成分特点:*高碳*加入Cr、Mn、Si、

W、V

等合金元素。3.热处理特点:球化退火淬火+低温回火

能力知识点1低合金刃具钢1.低合金刃具钢三、常用钢种及用途常用的有9SiCr、9Mn2V、CrWMn等四、低合金刃具钢的热处理球化退火最终热处理为淬火+低温回火组织回火马氏体+未溶碳化物+残留奥氏体硬度60～65HRC9SiCr钢板牙热处理工艺曲线能力知识点2.高速钢性能要求: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。高速钢---锋钢、风钢;18–4–1

钢铰刀铣刀钻头一、化学成分特点:高碳0.7～1.5%:钨18%:钼5%:铬4%:钒1.5%:

保证高硬度退火状态下形成M6C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。1%Mo的作用等同于2%W。形成Cr23C6碳化物;提高钢的淬透性。形成VC,硬度极高,提高钢的硬度和耐磨性,产生二次硬化。最常用的高速钢是W18Cr4V和W6Mo5Cr4V2，通常简称18-4-1和6-5-4-2。二、常用钢种三、高速钢的铸态组织与锻造铸造锻造球化退火机加工淬火+三次570℃回火磨削加工

铸造:高速钢属于莱氏体钢,铸态组织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物M6C,钢的韧性大幅下降。W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点

W18Cr4V钢的铸态组织W18Cr4V铸态组织420四、高速钢的热处理球化退火:消除应力,调整组织,便于机加工,为淬火作好组织准备。球化退火后的组织:

S+粒状Cm

W18Cr4V球化退火组织420

W18Cr4V钢淬火组织

W18Cr4V淬火组织300三次570℃回火在570℃回火时,产生二次硬化。

W18Cr4V回火组织W18Cr4V淬火+三次回火组织420

W18Cr4V钢的热处理过程示意图能力知识点3.合金模具钢热作模钢:工作温度为600℃以上。冷作模钢:工作温度为200～300℃。一、冷作模钢1.性能要求:高的硬度,HRC62;高的耐磨性;足够高的韧性与疲劳抗力;热处理变形小;2.化学成分特点:高碳1～2%;合金元素:Cr,Mo、W、V。汽车冲压模具3.热处理特点:

*一次硬化法:

淬火+低温回火(950～1000℃)(150～180℃)

*二次硬化法:

淬火+三次回火(1100～1000℃)(510～520℃)热处理后的组织:

M回+Cm+A残牌号:

Cr12、Cr12MoV二、热作模钢1.性能要求:高的热硬性、高温耐磨性;高的抗氧化能力;高的热强性和足够高的韧性;高的热疲劳抗力(防止龟裂);高的淬透性和导热性;2.化学成分特点:中碳0.3～0.6%;合金元素:Cr、Ni、Mn、Si、Mo、W、V。曲轴模具3.热处理特点:

*热锻模钢:5CrMnMo热处理工艺:淬火+550℃回火热处理后的组织:S回或T回

温度时间～500℃820～850℃预冷油冷530～550℃回火三、塑料模具钢1.性能要求:（1）良好的加工性能

（2）良好的抛光性（3）较高的硬度（4）热处理变形小、良好的焊接性2常用钢种:3Cr2Mo等能力知识点4.合金量具钢1.性能要求:高的硬度,HRC62;高的耐磨性;高的尺寸稳定性;足够高的心部韧性;热处理变形小;尺寸稳定;良好的耐蚀性;卡尺量规千分尺3.热处理特点:4.热处理后的组织:M回+

Cm淬火冷处理(-70～-80℃)低温回火时效处理(120～130℃,几十小时)5.牌号:

CrWMn、4Cr13、GCr15、9SiCr、T12A、60等。2.化学成分特点:高碳0.9～1.5%;合金元素:Cr,Mn、W。

CrWMn钢制造块规退火后的热处理工艺～650℃820～840℃油冷3h-70～-80℃冷处理140～160℃3h110～120℃36h时效处理精磨3h研磨温度时间能力知识点1不锈钢能力知识点2耐热钢能力知识点3耐磨钢综合知识模块七特殊性能钢能力知识点1.不锈钢1.定义:

在腐蚀介质中具有很高的抗腐蚀能力的钢。2.概念:*在空气中的年腐蚀量为0.01mm以内的钢,称为在空气中使用的不锈钢。

*在强酸、强碱介质中的年腐蚀量为0.1mm以内的钢,称为在强酸、强碱介质中使用的不锈钢。3金属腐蚀的机理.金属腐蚀的种类:1)化学腐蚀:

金属与介质(干燥气体和非电解质溶液)发生化学反应而产生的腐蚀。例如:高温氧化、脱碳等。2)电化学腐蚀:金属与介质(电解质溶液,即酸、碱、盐溶液)发生电化学反应而产生的腐蚀。

电化学腐蚀过程示意图

珠光体电化学腐蚀示意图4.金属的防腐措施:1)覆盖层保护:涂漆、电镀、发蓝、磷化等工艺。2)形成氧化层:加入合金元素Cr、Al、Si等,形成Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜。3)提高金属的电极电位:加入合金元素Cr、Ni、Si等,提高金属基体的电极电位。4)使钢在室温下呈单相组织:加入合金元素Mn、Ni、Co等能扩大

γ区,可在室温获得奥氏体钢。加入合金元素Cr、Mo、W、V、Ti、Si等能扩大α区,可在室温获得铁素体钢。5)减少与消除钢中的各种不均匀现象:

偏析、应力、组织等。6)牺牲阳极保护阴极:

镶嵌一些比金属或合金基体电极电位更低的金属块。5.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。6.常用的不锈钢:

*马氏体型不锈钢

*铁素体型不锈钢

*奥氏体型不锈钢1)马氏体型不锈钢---Cr13型钢化学成分特点:

Wc=0.1～0.4%

WCr=13%热处理特点:正火后的组体是马氏体。牌号:1Cr13～4Cr13用途:医疗器械医用镊子

1Cr13金相组织图1Cr13供货状态组织(化染)580

2)铁素体型不锈钢化学成分特点:

Wc=0.1%左右

WCr=17%热处理特点:不能进行热处理强化。牌号:1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等。用途:化工设备中要求耐蚀性高、塑性好、强度低的容器、管道等。铁素体型不锈钢的用途硝酸生产装置合成氨生产装置3)奥氏体型不锈钢---18–8型钢化学成分特点:

Wc=0.08～0.14%

WCr=17～19%

WNi=8～11%Cu、Ti、Mo等。加工特点:不能进行热处理强化,只能冷塑性变形强化。热处理特点:固溶处理（1050℃~1150℃水冷）;稳定化处理;消除应力退火。牌号:0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、0Cr18Ni9T