工程材料学第07章 合金钢综述

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1、1 第七章 合金钢 分类及编号 合金元素在钢中的作用 合金结构钢 合金工具钢 特殊钢 2 第一节 分类及编号 一、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(通常称合 金元素)，所得到的钢称为合金钢。 改善对象 1. 提高强度 2. 提高淬透性 3. 提高高温强度、热硬性 4. 提高抗氧化、耐腐蚀、耐热、耐磨 、电磁等特殊性能 3 一、合金钢介绍 第一节 分类及编号 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 未清除净净的杂质杂质 S、P、H、O 主要元素(含量较较高) Cr、Ni、W、Mo 强碳化

2、物元素 V、Nb、Tb、Zr、B 其他元素 Re(稀土)、Al 4 二、合金钢分类 第一节 分类及编号 1按用途分类 结构钢 主要用来制造承受力结构零部件，按热处理或专门 构件的类型：调质钢、渗碳钢、弹簧钢、轴承钢等。 工模具钢钢 主要用来制造加工其它零件的工具或模具，其中 又分为为刃具钢钢、模具钢钢、量具钢钢等。 特殊钢钢 具有特殊性能而作某项专项专 用的钢钢，其中又分为为不 锈钢锈钢 、耐热钢热钢 、电电工钢钢等。 5 二、合金钢分类 第一节 分类及编号 主要用途 6 2按钢的成分分类 l 按其加入的量较较多元素又有铬钢铬钢 、锰钢锰钢 、铬锰钢铬锰钢 、钨钨 钼钢钼钢 等； l 按其总量

3、分为低、中、高合金钢。 10% 7 二、常用合金钢钢的牌号 第一节 分类及编号 合金结结构钢钢(合结钢结钢 ) 数字 两位数字表示钢钢的含碳量的万分之几 元素符号和数字 用化学元素符号表示钢钢中的所含 主要或关键键合金元素，元素含量1.5不标标出， 1.5%，2,5%，3,5%,4.5% 2 3 4 5 18Cr2Ni4W 字母 字母为级别标为级别标 志、注明特殊要求或专门专门 用 途。 两位数字元素符号数字其它 20CrMnTi、40Cr、40MnB、60Si2Mn、38CrMoAlA(E) 8 合金工具钢钢(合工钢钢) 牌号的组组成和合结钢结钢 基本 相同，仅仅第一部分用一位数字表示钢钢的

4、含碳量 的千分之几，含碳量大于1.0的将这这部分数 字略去，如1Cr18Ni9Ti、5CrNiMo、9CrSi、 Cr12MoV、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。 其他专用牌号 对对于某些专门专门 用途或特殊性能的 钢钢有些牌号，如滚动轴滚动轴 承钢钢GCr15、GCr6，铸铸 钢钢件ZG45、ZGMn13，易切削钢 Y40CrSCa 等等 。 9 第二节 合金元素在钢中的作用 一、对钢中基本相的影响 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. 1. 非碳化物形成元素 与碳的亲亲合

5、力比铁铁弱，主要 有Ni、Co、Si、Al、B等。在低温时时溶解在铁铁素体 中，高温时时溶解于奥氏体中。元素的溶入，有固溶 强化的结结果，均提高材料的强度和硬度。 Cr、Ni、Mn少量溶入时时，对对塑性影响不大，且因 强度的提高，韧韧性增加；当数量过过多或其他一些 元素的加入会对对材料的塑性带带来少量的下降。 10 一、对钢中基本相的影响 第二节 合金元素在钢中的作用 2. 碳化物形成元素 与碳的亲亲合力比铁铁强，常用元 素主要有Mn、Cr、W、Mo、V、Zr、Nb、Ti等。量少 时时溶入渗碳体中，形成合金渗碳体 (Fe,M)3C，合 金渗碳体比Fe3C稳稳定，在奥氏体中的溶解和聚集长长 大比

6、Fe3C难难。合金元素和碳量都较较高时时，可形成 稳稳定性更高的合金碳化物，常见见的有Mn3C、Cr7C3、 Cr23C6、Fe4W2C、WC、MoC、VC、TiC等，具有比渗碳 体更高的熔点和更高的硬度。 3. 与铁铁、碳之外的其他元素的结结合 合金元素与非 金属元素N、O、S结结合，生产夹杂产夹杂 物，钢钢中常见见的 有TiN、AlN、SiO2、Al2O3、MnS、Ni3Al、Ni3Ti等。 此外Pb、Cu、C(石墨)以游离态态的方式存在于钢钢中 。 11 一、对钢中基本相的影响 第二节 合金元素在钢中的作用 12 二、对铁碳相图的影响 第二节 合金元素在钢中的作用 1. 扩扩大相区 合金

7、元素的加入，A3线线下移，扩扩大了相区。 包括：Mn、Ni、Co、N等，也称相稳稳定化元素。碳也是属于 扩扩大相区的元素。元素含量增加，A1线线也下移。含量超过过 一定量后，室温下只有单单相的奥氏体存在，即A1点降到室温 以下或根本不出现现fcc向bcc的转变转变 ，这时这时 的钢钢称为为奥氏体 类类型钢钢。 2. 缩缩小相区 合金元素的加入，A3线线上移，缩缩小相区，包 括：Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si等，也称为为相稳稳定化元素 。碳的含量较较低，钢钢中加入一定量的Cr、Si，造成相区封 闭闭，在室温下的铁铁素体升温直到溶化也不出现现bcc向fcc的转转 变变，即相和高温的相区相通。

8、另外，B、Nb、Zr只能缩缩 小相区，而达不到封闭闭。比如：Cr17，Cr25，Cr28。 13 二、对铁碳相图的影响 第二节 合金元素在钢中的作用 3. 影响共析点S的成分 合金元素的加入，随着对对相区的缩缩 小或扩扩大，除造成A1温度的上升或下降外，对对S点还还会造成左 右移动动，即改变变S点的成分。几乎所有的元素都使S点左移， 同时时E点也随之左移。如：Mo、W、Ti含量高的钢钢中，0.3 0.4%的碳量已是过过共析钢钢，而含碳量达到0.81.0就超过过 了E点，在钢钢的组织组织 中出现现了莱氏体。 14 三、对相变过程的影响 第二节 合金元素在钢中的作用 1加热转变热转变 奥氏体形成速

9、度 l 所有元素在奥氏体中的需要均匀化，故奥氏体化的时间必需 加长； l 非碳化物元素中，Co、Ni可加速奥氏体化，有些不明显，但 不会减慢； l 合金元素与碳的亲和力明显影响碳的迁移速度； l 碳化物元素中，Cr、Mo、W、V、Ti大大减慢奥氏体的形成， 有些作用不明显，但不会加速； l 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。 15 奥氏体的晶粒度 l 奥氏体化中的晶粒长大过程，随着与碳的结合力的增 加，表现出阻碍作用； l 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； l 一般碳化物形成元素，如W、Mo、Cr可以

10、一定程度的 阻止奥氏体晶粒生长； l 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； l Mn、P会促进奥氏体晶粒的长大。 16 三、对相变过程的影响 第二节 合金元素在钢中的作用 1对过过冷奥氏体分解 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。 1. 淬透性 Co使C曲线线左移，降 低钢钢的淬透性，其它元素都使 C曲线线右移，提高淬透性。 2. 马氏体点 除Si、Al外，上述 元素使钢钢的马马氏体点的温度下 降。降低钢的马氏体点，在淬 火到室温时的残余奥氏体增加 。 17 三、对相变过程的影响 第二节 合金元素在钢中的作用 1对过过冷奥氏体分解 3

11、. 对对C曲线线的形状 主要表现现：C曲线线弯曲出 现现两个鼻尖，珠光体转转 变变和贝贝氏体转变转变 曲线线分 离，中间间出现现一亚稳亚稳 区 ，有的对对其中某一种转转 变变有抑制作用，两个鼻 尖一前一后，而严严重时时 ，其中的某一中转变转变 受 抑制，而只能发发生一种 转变转变 ，如出现贝现贝 氏体钢钢 。 18 四、对回火转变的影响 第二节 合金元素在钢中的作用 1提高了钢钢的回火稳稳定性 回火稳定性 表示钢对于回火时发生软化过程的抵抗能力。 表现形式 合金元素可以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。 原因 由于它们减缓碳的扩散，推迟马氏体分解，在高温

12、 下碳化物的长大速度也被减缓。同样温度下回火的硬度就 较高。 19 2产产生二次硬化效果 二次硬化 含W、Mo、V较较高的钢钢中 ，回火温度升高到一定程度后，硬 度上升，在500600中出现现一硬 度的高峰值值。 残余奥氏体较多且十分稳定， 回火时并未发生转变，而内应力 大大减小，在冷却时这些奥氏体 又部分的发生马氏体转变，材料 的硬度得到提高； 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。 20 四、对回火转变的影响 第二节 合金元素在钢中的作用 3出现现第二类类回火脆性 l第一类类回火脆性 一般的碳钢钢和 合金钢钢在350附近

13、回火都出现这现这 种现现象，通常是不可避免的，回火 不宜在这这个温度进进行。 l第二类类回火脆性 部分合金钢钢在 500650回火后缓缓冷时时，也出现现 韧韧性下降。 原因 部分合金元素如Ni、Cr、Mn 或杂质杂质 S、P等在晶界处处出现现偏聚 ，只要在回火后采用较较快的速度冷 却，如在水或油中冷却，就可以避 免第二类类回火脆性的产产生。 21 第三节 合金结构钢 一、低合金高强度钢 制造工程构件，机械、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。 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以上，受力省料和减少自重；高 韧性，

14、20，直到40，ak24J，安全性和防止冷脆 ；好的焊接性和冷变形性，有利成形。 成分特点 低碳，WC0.20%Wt，以保证足够的韧性；以Mn 为主强化元素，提高强度，元素来源方便，且价格较廉,一般 含量在1.21.5%，个别低碳的可到1.8%；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。 22 一、低合金高强度钢 第三节 合金结构钢 热处理 一般不需专门热处理，热轧空冷后(相当于正火)直接使 用。 常用的钢号 23 一、低合金高强度钢 第三节 合金结构钢 热处理：一般不需专门热处理，热轧空冷

15、后(相当于正火)直接使 用。 24 二、渗碳钢 第三节 合金结构钢 用途 表面承受强磨擦、磨损以及交变应力，经常承受高载荷， 尤其冲击载荷. 如: 汽车, 拖拉机, 内燃机中传递动力的齿轮。 性能要求 主体或心部需要足够够的强度及优优良的韧韧性，以保 持足够够的支撑能力，同时时有良好的淬透性； 表面处处理获获得高硬度，有高耐磨性和接触疲劳劳抗力； 能适应应高温渗碳工艺艺。 成分特点 低碳，0.100.20%C，保证证心部在表面淬火时时形 成板条马马氏体，有足够够塑性和韧韧性； 加入提高淬透性的合金元素，常用Cr、Mn、Ni、B； 加入少量强碳化物形成元素，如Ti、V、Mo等，阻止在渗碳 过过程

16、中奥氏体的晶粒长长大。 25 二、渗碳钢 第三节 合金结构钢 热处理 锻造毛坯正火机械加工渗碳、淬火、低回 精加工。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，合金元素总量较高(4)，淬透性和韧性均较高，渗 碳预冷到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、18Cr2Ni4W等，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