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1、第四章 合金钢ALLOY STEELS,碳钢的优点：（1）经热处理后具有良好的综合力学性能；（2）冶炼工艺简单，成本低；（3）压力加工性能好；（4）切削加工性能好。,碳钢的缺点：（1）淬透性低；（2）回火抗力差：淬火钢在回火过程中硬度、强度下降过多；（3）强度不够高；（4）不具备特殊性能：耐高温、耐低温、耐磨损、耐腐蚀。,要求减轻自重的大型构件和受力复杂、负荷大、速度高的重要机械零件以及在高温、低温、腐蚀、磨损等恶劣环境下工作的零构件，显然不能用碳钢来制造。,合金钢就是指为了改善钢的性能，在碳钢中特意加入某些合金元素的钢。,第一节 概述ABSTRACT OF ALLOY STEELS,合金钢就
2、是指在碳钢中特意加入某些合金元素的钢。,常用合金元素有Cr、Mn（锰）、Co（钴）、Cu、Si、Al、B（硼）、W（钨）、Mo（钼）、V（钒）、Ti（钛）、Nb（铌）、Zr（锆）、RE（稀土元素）。,合金元素在钢中可以与铁和碳形成固溶体（合金奥氏体、合金铁素体），也可以与铁和碳形成碳化物（合金渗碳体、特殊碳化物），不同合金元素也可以相互之间形成金属间化合物，从而改变钢的组织和性能。,一、合金元素在钢中的作用,（1）细化奥氏体晶粒,1. 合金元素改善钢的热处理工艺性能,除Mn以外，所有的合金元素都能阻碍钢在加热时奥氏体晶粒长大，尤其以Ti、V、Nb、Zr、Al的作用最大，它们在钢中形成TiC、V
3、C、NbC、ZrC、AlN细微质点，阻碍晶界移动，显著细化奥氏体晶粒，从而使钢热处理后的组织细化。,（2）提高淬透性,除Co以外，所有的合金元素固溶于奥氏体中增加了奥氏体的稳定性，减慢了过冷奥氏体分解速度，使奥氏体等温转变图右移，因而降低了钢淬火时的临界冷却速度V临，提高了淬透性。,这样，大尺寸的零件淬火后，整个截面上组织较均匀，性能较一致，而且可以选用冷却速度较低的淬火介质（如油），避免淬火时的变形开裂。,如果合金元素含量很高，在空气中冷却也能得到马氏体。,（3）提高回火抗力，产生二次硬化,回火抗力：淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力。硬度下降越慢，则回火抗力越高。,合金元素固溶于淬火马氏
4、体中减慢了碳的扩散，阻碍碳化物从过饱和固溶体中析出，推迟了马氏体的分解，延缓硬度下降，因而合金钢具有较高的回火抗力。,与同等碳含量的碳钢相比，在同样的回火温度下，合金钢有较高的强度和硬度；而回火至同一硬度，则合金钢的回火温度高，其塑性、韧性较好。,当钢中Cr、W、Mo、V等的含量超过一定量时，在400以上还会形成弥散分布的特殊碳化物Cr7C3、W2C、Mo2C、VC等，使硬度重新升高，直至500600硬度达到最高值。这种淬火钢在较高温度回火，硬度不下降反而升高的现象称为二次硬化。,二次硬化对高合金工具钢十分重要，使刃具、模具、在较高温度下仍保持高硬度。,图4-2 合金元素对回火的影响 a）Si
5、的影响 b）Mo的影响,（4）防止第二类回火脆性,回火脆性：淬火钢回火后出现韧性下降的现象。,在250400出现的韧性下降现象，称为“第一类回火脆性”。无有效方法消除它，通常只有避免在此温度范围内回火。,“第二类回火脆性”是在500650回火后缓慢冷却出现的冲击韧性下降现象。这类回火脆性只在含Cr、Mn或Cr-Ni、Cr-Mn的合金钢中出现。,若回火后快冷或在钢中加入0.20.3%的Mo或0.4%0.8%的W可以防止防止第二类回火脆性。,实际生产中，为了防止第二类回火脆性，对于小尺寸零件，通常采用回火后快冷的方法，对于大尺寸零件，则选用含Mo、W的钢制造。,（1）合金元素使钢得到强化,2. 合
6、金元素提高钢的使用性能,如第二章所述，钢的塑性变形是位错的远动形成滑移带造成的。钢中的溶质原子、第二相粒子、晶界都是位错运动的障碍，从而都会使钢的强度、硬度升高，产生固溶强化、第二相强化、细晶强化。,合金元素Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W可固溶于铁素体、奥氏体、马氏体中引起晶格畸变，增加了位错运动阻力，产生固溶强化。,1） 固溶强化,图4-4 各种合金元素对铁素体硬度和冲击韧度的影响,合金元素Mn、 Cr、 Mo、 W 可以固溶于渗碳体中，形成合金渗碳体（FeMn）3C、 （FeCr）3C、 （FeMo）3C、 （FeW）3C，增加了铁和碳的亲和力，提高了渗碳体的稳定性。这
7、种稳定性较高的合金渗碳体即使在钢加热形成奥氏体时，也难以溶解在奥氏体中，也难以聚集长大，冷却后保留在钢中，形成位错运动的障碍，提高了钢的强度和硬度。,2） 第二相强化,此外，各种合金元素可以和碳形成相应的特殊碳化物，这些特殊碳化物熔点高、硬度高、稳定性高，加热时更难溶于奥氏体中，当它们以细小质点分布在钢中时，更能有效地提高钢的强度和硬度。,3） 细晶强化,大多数合金元素都能细化奥氏体和铁素体晶粒及马氏体针条，尤其以V、Ti、Nb、Zr、Al的细化作用最显著，晶界或马氏体针条边界成为位错运动的障碍。细晶强化不仅可以提高钢的强度和硬度，而且同时提高钢的塑性和韧性。,（2）合金元素使钢获得特殊性能,
8、合金元素固溶于铁素体和奥氏体中时，可以使Fe-Fe3C相图中 的同素异构转变温度、共析温度等曲线和点的位置发生改变。,1） 形成稳定的单相组织,Ni、Mn、Cu、N等元素能使相图中奥氏体区扩大。当这些元素含量较高时，例如wNi为9%时，或wMn为13%时，则可使A3降至室温以下，此时钢在室温呈单相奥氏体组织，称为奥氏体钢，有耐腐蚀、耐高温、抗磨损等特殊性能。,而Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al等元素能使相图中奥氏体区缩小。当这些元素含量较高时，例如wCr为17%28%时则可使奥氏体区消失，此时钢呈单相铁素体组织，称为铁素体钢，此类钢也具有耐腐蚀、耐高温等特殊性能。,2） 形成致密氧化膜和金
9、属间化合物,合金元素Si、Cr、Al、Ni、W、Mo、Ti等可以形成致密氧化膜SiO2、Cr2O3、Al2O3和金属进化合物FeSi、FeCr、Ni3Al、Ni3Ti、Fe2W、Fe2Mo。,致密氧化膜覆盖在钢的表面，提高钢的耐腐蚀性和高温抗氧化性（不锈钢的性能）；金属间化合物则阻碍位错在高温下运动，提高钢的蠕变抗力，特别是它们呈弥散分布的细颗粒时，可以显著提高钢的高温强度（耐热钢的性能）。,合金钢的分类方法很多，最常用的方法是按照用途将合金钢分为合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢三大类。,二、合金钢的分类及牌号,1. 合金结构钢,合金结构钢,低合金高强度结构钢,合金渗碳钢,合金调质钢,合金弹
10、簧钢,滚动轴承钢,例如Wc为0.37%0.44%、WCr为0.8%1.1%的钢以40Cr表示； Wc为0.57%0.65%、WSi为1.5%2.0%、WMn为0.6%0.9%的钢以60Si2Mn表示。,合金结构钢的牌号是用“数字+合金元素符号+数字”表示的，前面的数字表示钢中碳的质量分数的万分数，后面的数字表示合金元素质量分数的百分数，都采用四舍五入。,对于低合金高强度结构钢，其牌号用“Q+数字+质量等级（A、B、C、D、E质量依次提高）表示。,含S、P量较低（Ws0.02%、Wp0.03%）的高级优质钢，则在牌号的最后加“A”。,对于高碳低铬轴承钢，其牌号前注明“G”表示“高碳”Wc通常是0
11、.95%1.05%，因为是“低铬”后面的数字表示铬的质量分数的千分数。例如GCr15钢的Wc为0.95%1.05%、WCr为1.5%。,2. 合金工具钢,合金工具钢,刃具钢,模具钢,量具钢,合金工具钢的牌号表示方法与合金结构钢大致相同，也是用”数字+合金元素符号+数字“来表示，其差别只是前面的数字是表示钢中碳的质量分数的千分数，如果钢中Wc1.0%时，不标注此数字。例如9Mn2V钢，其Wc为0.9%、WMn为2%左右、Wv为1%左右。,3. 特殊性能钢,特殊性能钢,不锈钢,耐热钢,耐磨钢,特殊性能钢的牌号表示方法与合金工具钢完全相同，是用”数字+合金元素符号+数字“来表示，其差别只是前面的数字
12、是表示钢中碳的质量分数的千分数，如果钢中Wc1.0%时，不标注此数字。,低温钢,第二节 合金结构钢,合金钢结构钢主要用于制造重要工程结构和机器零件，它是工业上应用最广、用量最多的钢种。,合金结构钢,低合金高强度结构钢,合金渗碳钢,合金调质钢,合金弹簧钢,滚动轴承钢,超高强度钢,由于合金钢结构钢的用途各异，应用场合不同，选择的含碳量就不同，所选择的热处理方案也不同。合金结构钢中Wc可在0.1%1.1%范围内变化。,合金结构钢的牌号是用“数字+合金元素符号+数字”表示的，前面的数字表示钢中碳的质量分数的万分数，后面的数字表示合金元素质量分数的百分数，都采用四舍五入。,一、低合金高强度结构钢,低合金
13、高强度结构钢重要用于制造在大气和海洋中工作的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆、船舶、输油输气管道、压力容器等。,1. 成分及性能特点,低碳,低合金,以此保证钢具有良好的塑性、韧性和焊接性能。,合金元素：Mn、 Ti 、V、Nb、RE,固溶强化铁素体、细晶（晶粒）强化、提高在大气中的耐腐蚀性。,低合金高强度结构钢的强度显著高于相同含碳量的普通低碳结构钢，并具有良好的塑性、韧性和良好的焊接性和耐大气腐蚀性。,因此，用此类钢来制作大型构件不仅安全可靠，而且减轻自重、节约钢材。,2. 常用牌号和热处理,对于低合金高强度结构钢，其牌号用“Q+数字+质量等级（A、B、C、D、E质量依次提高）表示。,
14、低合金高强度结构钢一般在供应状态下直接使用。低合金高强度结构钢通常采用热轧空冷（控轧钢），有时在焊接后进行一次正火处理（空冷）。,只有在个别要求高强度的情况下，才进行调质处理（淬火+高温回火），获得回火索氏体组织，例如高压容器。,近年来，在此类钢的基础上，调整合金元素含量，通过亚温淬火（淬火至温度稍高于Ms的恒温硝盐浴或碱浴中）或控制轧制（调整和控制热轧时的温度、时间、变形度、冷却速度），获得铁素体+马氏体或铁素体+岛状马氏体+残留奥氏体的组织，可以进一步提高强度和冷成形性能，减轻构件重量。,二、合金渗碳钢,合金渗碳钢是指经过渗碳热处理后使用的低碳合金结构钢，主要用于制造在摩擦力、交变接触应力
15、和冲击条件下工作的重要零件，如汽车、拖拉机、重型机床中的齿轮，内燃机中的凸轮轴等。,这些重要零件表面要求有高的硬度、耐磨性和高的接触疲劳强度，心部则要求有良好的韧性和适当的强度，只有采用合金渗碳钢经渗碳热处理后才能满足上述性能要求。,1. 成分及性能特点,低碳,合金元素：Cr、Ni、Mn、 B,提高钢的淬透性、改善零件心部组织和性能，还能提高渗碳层的强度和韧性，尤其以Ni的作用最为显著。,保证心部有足够的韧性,微量合金元素：V、Ti、W、 Mo,形成特殊碳化物，阻碍奥氏体晶粒长大。,合金渗碳钢具有较高的强度和韧性，较好的淬透性，同时具有优良的工艺性能，即使在930950高温下长时间渗碳处理，其
16、奥氏体晶粒也不会长大，这样既能使零件渗碳后表面获得高的硬度和耐磨性，又能使心部有足够的强度和韧性。,2. 常用牌号和热处理,低淬透性合金渗碳钢,中淬透性合金渗碳钢,高淬透性合金渗碳钢,：小齿轮、活塞销,：重要中齿轮、离合器轴,：重要的曲轴、大中齿轮,其中应用最广泛的是20CrMnTi钢（抗拉强度为10001200MPa），属于中淬透性合金渗碳钢，用于制造承受高速、中速、冲击和在剧烈摩擦条件下工作的零件，如汽车、拖拉机的变速箱齿轮、离合器轴。,合金渗碳钢的热处理一般采用渗碳后直接进行淬火和低温回火。,锻造,正火,机加工,淬火,低温回火,精加工,下料铸造,渗碳,图4-6 20CrMnTi钢齿轮的热加工工艺规范,最终组织：,表层：细针状高碳回火马氏体+粒状碳化物+残留奥氏体。,心部：低碳回火马氏体（或铁素体+托氏体）,从而使合金渗碳钢具有表硬心韧的综合力学性能。,三、合金调质钢,合金渗碳钢是指经过调质处理（淬火+高温回火）后使用的中碳合金结构钢，主要用于制造受力复杂、要求综合力学性能的重要零件。,这些零件在工作过程中承受弯曲、扭转或拉-拉、拉-压交变载荷与冲击载荷的
