第6章知识资料合金钢

6.2合金钢

掌握：合金元素对合金钢组织和性能影响规律；由合金钢牌号推断其类型、含碳量、主要合金元素含量；明确典型钢号的性能特点、常用热处理工艺、使用状态下的组织及主要用途。

在钢中加入一定量的一种或几种元素，以提高钢的某些性能，这种钢被称为合金钢，所加入的元素被称为合金元素。钢中常用的合金元素有：硅、锰、铬、镍、钨、钼、钒、铌、锆、锆、铝、铜、钴、氮、硼、稀土等。通常将合金元素总量小于5％的钢叫做低合金钢；合金元素总量在5％~10％的钢叫做中合金钢；合金元素总量大于10％的钢叫做高合金钢。6.2.1合金元素在钢中的作用与合金钢的分类一、合金元素的主要作用1.合金元素对钢组织转变的影响(1)合金元素改变Fe—Fe3C相图：合金元素镍、锰、铜、氮等可使Fe—Fe3C相图中的γ相区扩大，而铬、钼、钒、钛等可使γ相区缩小。扩大γ相区的元素降低A3，A1温度，在一定条件下可使γ相区扩大到室温而得到单相奥氏体钢。缩小γ相区的元素将增高A3，A1温度，在一定条件下可使奥氏体相区消失，只存在铁素体相区，从而得到单相铁素体钢。合金元素使Fe—Fe3C相图中的S，E点左移（作解释）。(2)细化奥氏体晶粒：合金元素形成难熔化合物时，能有效阻碍奥氏体晶粒长大，从而使奥氏体转变后的组织细小。

(3)改变过冷奥氏体的转变曲线：合金元素(钴元素例外)使过冷奥氏体的稳定性提高，C曲线右移,高温下不容易向珠光体转变，从而提高了钢的淬透性。合金元素在使C曲线向右移的同时也降低了Ms点，使淬火钢中的A残增多。(4)提高回火抗力：合金元素使马氏体分解温度、残余奥氏体转变温度以及碳化物的析出与聚集温度均升高，提高了钢的回火抗力。（解释:钢对回火时所发生的软化过程的抗力）(5)回火脆性：锰、铬、镍、硅促进第二类回火脆性产生，这些元素促进锑、锡、磷等杂质的偏聚和析出，削弱了晶界间联系。少量的钼和钨可抑制高温回火脆性。二、合金元素对钢力学性能的影响

合金元素在钢中主要通过固溶强化、第二相强化、细化组织强化等机制影响钢的力学性能。（1）固溶强化：合金元素溶入铁素体中，有固溶强化作用，使钢的强度、硬度升高．但也使塑性、韧性下降，常见的合金元素因固溶强化对铁素体力学性能的影响如左图所示。（2）第二相强化：合金元素与碳形成碳化物，且以细小质点弥散分布在固溶体基体上，可起弥散强化作用，使钢的强度和硬度提高。（3）细化组织强化：（4）提高位错密度强化在钢中用淬火获得马氏体提高强度是以上4种强化机制的综合作用的结果。三、合金钢的分类与编号

按用途可分为合金结构钢、工具钢和特殊用途钢。（1）结构钢：包括调质钢、渗碳钢、氮化钢、贝氏体钢、超高强度钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。结构钢的编号：两位数字+元素符号+数字……说明---两位数字表示含碳量的万分数；元素符号后的数字表示元素的含量的百分数。高级优质钢在编号后加A。（2）工具钢：包括刃具钢、模具钢、量具钢等。编号：一位数字+元素符号+数字……说明---一位数字表示含碳量的千分数，在含碳量大于1%或高合金工具钢中，不予标出；元素符号后的数字表示合金元素含量的百分数。6.2.2合金结构钢

1.低合金高强度钢：在普通低碳钢基础上，加少量合金元素（＜3%）得到的，强度比普通低碳钢高10%~20%广泛应用于建筑、机械、铁路、桥梁、造船等方面。（1）性能要求：高强度、足够的塑性和韧性：σs>300MPa,δ:15%～20%,室温аk大于60～80J/cm2。

(正火火热轧态下）

焊接性能良好：良好的耐蚀性：抗潮湿大气、海洋或土壤腐蚀。低的脆性转变温度。（2）成分特点：低碳：＜0.2%主要强化元素：Mn（主加合金元素）加入Nb、V细化晶粒、形成碳化物提高强度。

（3）常用钢种：Q295,Q345,Q460等。详见P118表6-112.调质钢（在碳素调质钢的基础上发展起来）

(1)成份特点；含碳量中等，0.3%~0.5%，保证形成足够多的碳化物以获得高的强度，碳含量过低时，淬硬性不够；碳含量过高则韧性下降。合金元素主要为铬、镍、锰、硅等，作用是提高钢的淬透行和回火抗力；钨、钼主要为抑制回火脆性；钒为细化奥氏体晶粒；微量硼元素极明显提高淬透性。含铬、钼、铝的钢调质后进行氮化，在工件表面形成铬、钼、铝的氮化物，硬度高、耐磨性好，并可提高工件的疲劳和抗蚀性能。（2）热处理特点：这类钢的最终热处理为淬火后进行高温回火，即调质处理，获得回火索氏体组织，从而使钢具有良好的综合性能。牌号、热处理、性能及用途如表6~1所示。3.渗碳钢

（1）成分特点：含碳量通常在0.1％~0.25％之间，以满足渗碳工艺要求。钢小中含有碳化物形成元素如铬、锰、钼、钨、钒、钛等，渗碳后零件表面形成碳化物，提硬度和耐磨性。镍、硅等提高基体的淬透性、强度和韧性，并使渗碳层的碳浓度变化平缓。

（2）热处理特点：

渗碳钢零件在机械加工到留有磨削余量时，进行渗碳处理并空冷后，再进行淬火和低温回火，零件表面为高碳回火马氏体+细小的碳化物，因而具有很高的硬度和耐磨性。基体部分，根据钢的淬透性大小，可为低碳回火马氏体，或低碳马氏体+贝氏体，也可以是屈氏体，使基体具有良好的强度与塑韧性的配合。渗碳钢的牌号、热处理、性能及用途如表6~3所示。

4.超高强度钢

超高强度钢可分为低合金超高强度钢、马氏体时效硬化钢和沉淀硬化不锈钢等，在此仅就低合金超高强度钢作简要介绍（指抗拉强度大于1500MPa,或屈服极限大于1200MPa）。(1)成分特点：含碳量中等，并含铬、锰、硅、镍、钼、钒等合金元素。在碳与合金元素共同作用下，使淬透性、回火抗力增大，使固溶体（马氏体或下贝氏体)明显强化。镍可降低临界温度及增加韧性，钒可细化晶粒，也可改善钢的强韧性。

（2）热处理特点：

这类钢的最终热处理是淬火并低温回火，依靠马氏体强化达到超高强度。也可以进行等温淬火并回火、依靠马氏体和下贝氏体组织的共同强化来达到强度要求。常用超高强度钢的牌号、热处理和性能如表6~4所示，其中应用最多的是别30CrMnSiNi2A钢。

5.弹簧钢

(1)成分特点：含碳量—般为0.5％~0.85％之间。含碳量过低，达不到高的屈服强度要求，含碳量过高不仅屈服强度不高，而且脆性大。为提高淬透性和回火抗力以提高屈服强度，钢中加入的合金元素有硅、锰、铬等，少量的V可细化晶粒并提高回火抗力。（2）)提高屈服强度的措施；1）冷拉硬化。直径小于7mm的弹簧钢丝，可在经铅浴处理成屈氏体后再经强烈塑性变形拉制而成。依靠加工硬化和组织细化使钢丝强度显著提高。这种钢丝制成弹簧后，无需淬火回火处理。对合金钢冷拉硬化钢丝，为充分发挥合金元素作用可进行淬火中温回火处理。2）淬火加中温回火。对直径较大或厚度较大的弹簧，在成形后都经淬火加中温回火处理，以获得回火屈氏体组织。常用弹簧钢的牌号、热处理、性能和应用范围如表6-5所示。6．滚动轴承钢（说明其铬的含量）

（1）滚动轴承钢的合金化与性能特点：传统的滚动轴承钢是一种高碳低铬钢。其含碳量为0.95%~1.10%，含铬量为0.40%~1.65%。铬的主要作用是增加钢的淬透性，使淬火及回火后整个截面上获得较均匀的组织。

（2）热处理特点：滚动轴承钢的热处理主要是球化退火，淬火及低温回火。球化退火是预备热处理，其目的是获得粒状珠光体组织，降低硬度以保证易于切削加工及获得高的表面质量，并为淬火做组织上准备，球化退火工艺一般是将钢加热到790~840°C，温度过高，会出现过热组织，使轴承的韧性和疲劳强度下降；若温度过低，会使得奥氏体中溶解的铬里不足，影响淬火后的硬度。淬火后要立即回火。回火是在150~160°C保温2~4h，以去除应力，提高韧性并稳定尺寸。为使回火后性能均匀一致，回火温度也应严格控制，最好在油中进行，淬火与回火后的组织为极细的回火马氏体(80％)、分布均匀的粒粒状碳化物(5%~10%)及少量的残余奥氏体(5％~10％)，硬度为62~66HRC。

6.2.3合金工具钢

工具钢可分为高碳低合金工具钢、高碳高合金工具钢和中碳合金工具钢3类。6．2．3.1高碳低合金工具钢1.用途和性能要求：这类钢主要用来制造低速切削刃具(如车刀、铣刀、钻头等)、冷压模具以及量具。最主要的性能要求是有很高的硬度和耐磨性，也需要有一定的韧性和塑性。2.成分特点：含碳量一般在0.85％~1.5％之间，以使马氏体中溶有足够多的碳，并与合金元素形成足够多的碳化物，来提高硬度和耐磨性。钢中的合金元素大多为碳化物形成元素，如锰、铬、钨等，用以提高淬透性和形成碳化物。

3．热处理特点

这类钢供货状态均为球化退火，硬度不高，可机械加工成形、最后进行淬火并低温回火处理。得到高碳马氏体加粒状碳化物组织，从而保证性能要求，如果机械加工前进行锻造，则锻造后进行退火处理，使组织均匀的同时也使碳化物球化，为淬火前的组织做难备。常用高碳低合金钢的牌号、热处理、性能和用途如表6~7所示。6.2.3.2高碳高合金工具钢

1．高速钢(1)用途和性能要求：高速钢主要用来制造切削速度大、切削负荷和切削温度高的刀具，也可用作工作温度低于600°C的其他工具和构件等。高速钢制造的刀具，除高硬度、高耐磨性外，还要求具有在较高温度(通常为600°C)下保持高硬度的性能，即红硬性。（2）成分特点：含碳量在0.7％~1.5％范围内，以便同合金元素形成大量的碳化物，满足硬度、耐磨性和红硬性要求。通常含有大约4％铬、6%~19％钨、一定量的钼和1％~4％钒。（3）热处理特点：

高速钢含有较多的粗大碳化物，制造中应进行反复锻造，使碳化物破碎细化。在预先热处理中应进行球化退火，使组织均匀，得到粒状碳化物，并使硬度在207~255HB，以利机械加工。高速钢最终的热处理特点是高温（1280°C）奥氏体化后进行淬火和多次（3次）高温回火。高的淬火加热温度会使部分稳定碳化物溶人奥氏体，提高淬透性并提高二次硬化效果、同时也增加了淬火后残余奥氏体的量。

三次560ºC回火，其目的是；第一次回火是对淬火得到的马氏体进行回火，并使大量残余奥氏体析出弥散碳化物，从而提高Ms点，使残余奥氏体在回火冷却过程中转变成马氏体；第二次和第三次560ºC回火，是对回火时得到的马氏体进行回火，并使马氏体析出弥散的W2C、Mo2C、和VC等碳化物，从而使钢的硬度和强度明显提高。所以，高速钢在三次回火后，硬度不降反而有所提高。2.高碳高铬冷变形模具钢（1）成分特点：C：1.45~2.3%，Cr：11~13%，通常称为Cr型工具钢。铬的作用：形成大量的碳化物，提高硬度和耐磨性；提高淬透性；提高马氏体硬度。（2）热处理特点：淬火+低温回火。6.2.3.3中碳合金工具钢1.用途与性能要求（1）用途：主要用于制造热作模具—热锻模、压铸和热挤压模等。（2）性能要求：退火状态要有良好的加工成形性，使用时要有高的高温强度、热稳定性、良好的韧性、足够的高温下的硬度、高的抗冷热疲劳性能、良好的抗氧化性及高的淬透性。2.成分特点：C在0.3%~0.6%——保证钢具有足够的强度、硬度和韧性的配合。合金元素Mn、Si、Cr提高淬透性和回火抗力，W、Mo主要抑制回火脆性，V主要细化A晶粒。3.热处理特点热变形模具：淬火和高温回火；

6.2.4不锈钢（腐蚀的类型）6.2.4.1钢铁材料的抗腐蚀途径及不锈钢的分类（腐蚀类型）1．抗蚀途径为提高钢的抗蚀性，主要依靠合金元素的作用和适当的热处理，(1)获得单相组织：有些扩大Y区的元素(例如镍、锰)含量达到—定值后，可使钢成为单相奥氏体，一些扩大α区的元素(例如铬)含量达到一定值后，可使钢成为单相铁素体，由于没有第二相，不能构成微电池，因而提高了抗蚀性。据此原理制成了奥氏体不锈钢和铁素体不锈钢。（2）提高基体的电位：加入能提高基体电位的合金元素，使基体电位与其它相的电位持平，也可避免微电池腐蚀。（3）形成钝化膜；在钢中加入某些元素后，能在钢表面形成一层薄而致密的钝化膜，隔绝电解质的作用，从而达到抗蚀目的。铬是最有效的元素，不锈钢中都含有铬。

2．不锈钢分类

不锈钢按正火态的组织大致可以分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢。6.2.4.2马氏体不锈钢常用的马氏体不锈钢有Cr13型和Cr18型等,主要用于要求一定强度、硬度和韧性相配合的耐蚀结构件，如轴、齿轮和螺栓等；用于350°C以下工作的不锈弹性零件以及用于高硬度和高耐磨性的零件，如轴、轴承和不锈工具等。1.成分特点含铬高，大于12%含碳低0.1%~0.4%

2.热处理特点对Cr13型马氏体不锈钢，可通过淬火获得马氏体，以提高强度和硬度。Cr13型马氏体不锈钢有两种回火制度，Cr13，2Cr13采用高温回火，得到回火索氏体组织，具有较高强度和韧性，由于含碳量低，回火温度高，在铬碳化物析出量不多的情况下，铬因扩散使铁素体中的含量比较均匀，而且含量大于12%，同时由于内应力消除彻底，故有高的抗蚀性。3Cr13和4Cr13由于铬对共析点的影响已属于共析或过共析钢，淬火后通常采用低温回火，得到回火马氏体+(部分)碳化物组织，硬度高且耐磨。由于低温回火主要是消除应力，铬碳化物析出不多，大量铬保持在马氏体中，也能有较高抗蚀性。

6．2.4.3奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢与马氏体不锈钢相比较，具有更高的抗蚀性，更好的塑性加工成形性和焊接性，更高的使用温度，但力学性能不及马氏体不锈钢。1.成分特点不锈钢中的镍当量最少应大于10％，此时相应的铬当量为18％。常用的是18—8型奥氏体不锈钢，如1Cr18Ni9奥氏体不锈钢。为明显提高抗蚀性，钢中含碳量通常控制在0.1％甚至在0.03％以下，以抑制形成铬的碳化物，减少微电池腐蚀作用。

2.热处理特点

通常只进行固溶处理，即在1100ºC高温下加热，使碳化物溶入奥氏体，然后迅速冷却，获得单相奥氏体组织，从而具有优良的抗蚀性。

3．晶间腐蚀奥氏体不锈钢在600°C左右温度下工作时，会从奥氏体晶界处析出Cr23C6碳化物。消耗晶界附近基体中的含铬量，造成晶界附近的贫铬区。当晶界贫铬区的含铬量低于12％时，则电极电位明显降，造成晶间腐蚀。为防止晶间腐蚀，通常采用以下两种措施：(1)降低钢的含碳量：尽可能少的形成铬的碳化物，奥氏体不锈钢中有0Crl8Ni9，00Crl8Ni9等低碳或超低碳的不锈钢。（2）在钢中加入强碳化物形成元素钛、铌，钢中的碳与钛或铌结合成TiC或NbC，而不形成Cr23C6以避免晶间腐蚀。但加入钛或铌的不锈钢，在固溶处理之后须行进行稳定化处理，即加热到850~950°C使Cr23C6比较充分溶解，而使TiC或NbC充分形成。

6．2.5耐热钢与耐热合金6.2.5.1耐热钢与耐热合金（1）应具备抗氧化性(耐热不起皮性）（2）要有高温抗蠕变性、长期和短期的热强性、小的缺口敏感性以及抗热松弛和热疲劳性等。(3)要有高温下的组织稳定性及强化机制在高温下的有效性。(4）好的铸造性、锻造性、焊接性，良好的成批生产性和经济性。

6．2.5.2提高耐热性的途径1．热安定性（热稳定性）高温下抗氧化、抗腐蚀的性能又称热安定性。提高热安定性的途径和不锈钢类似，依靠钢中加入合金元素铬、铝、硅形成致密氧化物保护膜或提高基体的电位。这3种元素和氧的亲和力比铁大，会发生选择性氧化并形成铬、铝、硅氧化膜。这些氧化膜结构致密、稳定并与基体结合牢固，它们在钢表面的形成阻碍了氧化膜的扩散，抑制或避免疏松的FeO生成和长大，因此起保护作用，使钢不再继续发生氧化。

2.热强度提高热强度的途径有以下几个方面：(1)提高合金基体原子间的结合力，选用高熔点金属作为合金的基体。金属熔点高，原子间的结合力强，高温下不易变形。在高熔点金属中，面心立方结构比体心立方结构的原子结合力强，所以高温合金基体应是奥氏体。在奥氏体基体中再以铬、钼、钨等多种元素进行固溶强化，除提高热强度外，使高温下的扩散困难，不易引起扩散造成的变形，并提高再结晶温度，使应变硬化不易消失。（2）晶界强化与常温下使用的材料不同，高温下使用的材料要求适当粗化晶粒，以减少高温下最易产生流动变形的晶界数量；必须净化晶界，即减少晶界上的杂质元素；填充晶界空隙，减少缺陷，并抑制强化相在晶界处长大，从而强化晶界，抵抗沿晶界发生的蠕变和断裂。（3）弥散强化：在奥氏体基体中加入强碳化物形成元素和金属间化合物形成元素，固溶处理(淬火)时。使这些合金元素处于过饱和状态，而后再在较高温度下进行时效，使碳化物和金属间化合物等析出，以阻止高温下的位错运动。

（4）利用铸造组织：铸造高温合金中的化合物往往呈网状和骨骸状，可以阻止基体的变形，铸造组织易于控制成适当粗化的晶粒。成分相同时，铸态合金比锻造状态具有更高的热强度，但脆性较高。适用于不受冲击的高温零件。6.2.5.3耐热钢的分类与应用

1．耐热钢的分类耐热钢按性能和用途可分为抗氧化钢、热强钢以及对抗氧化和热强性均有较高要求的钢。耐热钢按显微组织大致分为以下4类：（1）珠光体或铁素体—珠光体耐热钢：这类钢—般在正火或回火后使用，其组织属于铁素体+碳化物的亚共析钢。其合金元素总含量不超过5%。工作温度范围为350~620ºC，常用作锅炉、汽轮机耐热零件的材料。（2）马氏体耐热钢：这类钢一般经过淬火十高温回火后使用，其中一部分是在1Cr13马氏体不锈钢基础上发展起来的，使用状态是回火马氏体，主要用作汽轮机叶片的材料等。（3）铁素体耐热钢：属于抗氧化钢，系高铬钢中加入硅、铝等元素形成（4）奥氏体耐热钢：它是在奥氏体不锈钢的基础上发展起的，可作燃气涡轮、航空发动机、工业炉等耐热构件的材料。在更高温度下工