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1、第七章合金钢 合金元素在钢中的作用2Outline 分类及编号1 合金结构钢3 合金工具钢4 特殊钢5工程材料学工程材料学 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(即通常称为合金元素)，所得到的钢称为合金钢。合金元素的作用：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、电磁等特殊性能工程材料学工程材料学 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 未清除净的杂质S、P、H、O 主要元素(含量较高)Cr、Ni、W、Mo 强碳化物元素V、Nb、Tb、Zr、
2、B 其他元素Re(稀土)、Al 一、合金钢介绍分类及编号工程材料学工程材料学 1按用途分类合金结构钢主要用来制造承受力结构零部件，其中就热处理或专门构件的类型可分别称呼为调质钢、渗碳钢、弹簧钢、轴承钢等。合金工具钢主要用来制造加工其它零件的工具或模具，其中又分为刃具钢、模具钢、量具钢等。特殊性能钢具有特殊性能而作某项专用的钢，其中又分为不锈钢、耐热钢、电工钢等。2按钢的成分分类碳钢：仅含有一定量非人为特意加入的常存元素Si、Mn等。合金钢：为达到某种性能要求，人为加入了必要的合金元素。按其加入的量较多元素又有铬钢、锰钢、铬锰钢、钨钼钢等；按其总量分为低、中、高合金钢。10%见书p162表7-1
3、一、合金钢介绍分类及编号工程材料学工程材料学 二、合金钢的牌号各个国家钢的牌号命名的方法各不相同，仅介绍我国统一命名的一般规定。（1）合金结构钢牌号的组成为：两位数字元素符号数字两位数字元素符号数字字母字母第一部分用两位数字表示钢的含碳量的万分之几；第二部分用化学元素符号表示钢中的所含主要或关键合金元素，平均含量少于1.5%时不标数,平均含量为1.5%2.49%、2.5%3.49%时,相应地标以2、3；第三部分的字母为级别标志，注明特殊要求或专门用途。例如20CrMnTi、40Cr、40MnB、60Si2Mn、18Cr2Ni4W、38CrMoAlA等。分类及编号工程材料学工程材料学 （2）合金
4、工具钢牌号组成和合金结构钢基本相同，一位数字元素符号数字一位数字元素符号数字仅第一部分用一位数字表示钢的含碳量的千分之几，含碳量大于1.0的将这部分数字略去，如1Cr18Ni9Ti、5CrNiMo、9CrSi、Cr12MoV、W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。（3）特殊性能钢与合金工具钢的编号规则基本一致。当不锈钢中的Wc%0.09或0.03时，第一部分碳含量分别标出“0”或“00”，0Cr18Ni12Mo2Cu2,00Cr12分类及编号工程材料学工程材料学 （4）其他专用牌号专门用途或特殊性能的钢滚珠轴承钢：在钢号前标以“G”。GCr15表示含碳量约1.0%、铬含量约1.5%(这是一个
5、特例,铬含量以千分之一为单位的数字表示)的滚珠轴承钢；W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2碳含量1，仍不标出。铸钢ZG45、ZGMn13易切削钢：碳和合金元素含量与结构钢编号法则一致，Y40Mn表示碳含量为0.4%、锰含量少于1.5%的易切削钢；Y40CrSCa。分类及编号工程材料学工程材料学 一、合金元素能强化钢中的基本相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（固溶体），另一种是形成新相（金属化合物），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.非碳化物形成元素这类元素与碳的亲合力比铁弱，常用元素主要有Ni、Co、Si、Al、B等。它们在低温时溶解
6、在铁素体中，高温时溶解于奥氏体中。由于固溶强化，均提高材料的强度和硬度。少量溶入时，对塑性影响不大；数量过多或其他一些元素的加入塑性略有下降。合金元素在钢中的作用工程材料学工程材料学 2.形成合金渗碳体或特殊碳化物强碳化物形成元素Mn、Cr、W、Mo、V、Zr、Nb、Ti等量少时溶入渗碳体中，形成合金渗碳体(Fe,M)3C当合金元素和碳量都高时，可形成稳定性更高的合金碳化物，常见的有Mn3C、Cr7C3、Cr23C6、Fe4W2C、WC、MoC、VC、TiC等，它们具有比渗碳体更高的熔点和更高的硬度。这些合金渗碳体和特殊碳化物稳定性高，细小碳化物产生弥散强化的效果，提高钢的强度、硬度、耐磨性和
7、红硬性。合金元素在钢中的作用工程材料学工程材料学 合金元素在钢中的作用工程材料学工程材料学 二、合金元素对铁碳相图的影响1.扩大相区Mn、Ni、Co、C、N等与Fe作用，使A3线下移，扩大了相区，这类元素称为相稳定化元素。当含量超过一定量后，在室温下只有单相的奥氏体存在，这时的钢称为奥氏体钢。如ZGMn13和1Cr18Ni9Ti不锈钢均属于奥氏体钢。合金元素在钢中的作用工程材料学工程材料学 2.缩小相区（扩大相区）合金元素的加入，使A3线上移，为缩小相区，这类元素有Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si等，也称为相稳定化元素。钢中加入一定量的Cr、Si元素，相区可能消失，将得到全部铁素体组织，如
8、WCr=17-28的Cr17、Cr25、Cr28等不锈钢均属于铁素体钢3.影响共析点S以及E点的成分所有合金元素都使S点、E点左移。例如在Mo、W、Ti含量高的钢中（W18Cr4V），0.3-0.4%的碳量已是过共析钢，而含碳量达到0.8-1.0就超过了E点，在钢的组织中出现了莱氏体。合金元素在钢中的作用工程材料学工程材料学 合金元素在钢中的作用工程材料学工程材料学 三、合金元素对热处理过程的影响1对加热转变的影响除Ni、Co可加速奥氏体化外，其他合金元素特别是强碳化物形成元素可降低Fe、C原子扩散速度，从而延缓奥氏体化。并且阻碍奥氏体晶界移动，从而抑制奥氏体晶粒长大，可细化晶粒。合金元素在钢
9、中的作用工程材料学工程材料学 2对过冷奥氏体转变的影响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)提高淬透性除Co外，其它元素溶入A后都使C曲线右移，提高淬透性。(2)降低Ms除Co、Si、Al外，溶入A的合金元素还会使Ms下降,在淬火到室温时A增加。合金元素在钢中的作用工程材料学工程材料学 (3)对C曲线的形状影响主要表现为C曲线弯曲出现两个鼻尖，珠光体转变和贝氏体转变分离。合金元素在钢中的作用工程材料学工程材料学 四、对回火转变的影响1提高了钢的回火稳定性回火稳定性是表示钢对于回火时发生软化过程的抵抗能力。许多合金元素可减缓碳的扩散，使回火过程中各个转变速度减慢，
10、提高回火稳定性。使淬火钢的硬度在较高温度下也不易降低。这种在高温下保持高硬度的能力称为红硬性。V、Si、Mo、W提高钢的红硬性，如W18Cr4V。合金元素在钢中的作用工程材料学工程材料学 2产生二次硬化效果一些含W、Mo、V较高的钢中，回火温度升高到一定程度后，出现硬度上升，这种现象称为“二次硬化”。一般在500600出现一硬度的高峰值。原因：A部分分解为M；M分解，析出弥散细小的高硬度碳化物。3出现第二类回火脆性某些合金结构钢在500650出现，可采用快冷避免；对大截面工件快冷困难，可加入0.5Mo或1W来减小或防止第二类回火脆性。合金元素在钢中的作用工程材料学工程材料学 合金结构钢一、普通
11、低合金钢(低合金高强度钢)结构钢主要用来制造工程构件，是机械、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。1.用途：用于工程构件，如桥梁、建筑2.成分特点：Wc0.25%，W合金元素HRC60），加高碳至0.6%以上高耐磨性高淬透性高热（红）硬性足够的塑性韧性合金工具钢工程材料学工程材料学 一、刃具钢1.用途：制造切削刀具2.性能要求：高硬度，HRC60以上；高耐磨性；高的热硬性，(热硬性也称为红硬性，指刃部受热升温后，刃具钢仍能维持高硬度)；为防止崩刃，还要求具有一定的强度、韧性和塑性。3.成分特点：高碳,加入合金元素提高淬透性，固溶强化，细化晶粒，提高回火稳定性等4.常用
12、钢种：(1)低合金刃具钢：9CrSi，9Mn2V，CrWMn；低速切削，工作温度低于300C；(2)高速钢：W18Cr4V、W9Mo3Cr4V、W6Mo5Cr4V2。高速切削，工作温度低于600C合金工具钢工程材料学工程材料学 5.热处理典型的加工工艺过程：下料-锻造-球化退火-机械加工-淬火、低温回火（淬火多次高温回火）-喷砂-磨刃-成品。预先热处理：球化退火最终热处理：(1)低合金刃具钢：淬火低温回火(2)高速钢：淬火多次高温回火6.组织M回+A+碳化物:白亮的碳化物分布在暗色的回火马氏体和残余奥氏体基体上。HRC60以上。合金工具钢工程材料学工程材料学 低合金刃具钢热处理合金工具钢工程材
13、料学工程材料学 高速钢热处理多次回火使残余奥氏体转变为马氏体，材料的硬度进一步提高，称为二次硬化现象。合金工具钢工程材料学工程材料学 二、模具钢用途：制造各种模具（1）冷作模具钢(与刃具钢基本相同）1.用途：在接近室温状态对金属进行变形的模具，如冷冲模、冷镦、冷挤压、拉丝、搓丝板等。2.性能要求：高硬度；高的耐磨性；足够的韧性和抗疲劳性能；高淬透性，热处理变形小3.成分特点：高碳，1.0%C；加入强碳化物形成元素，如Cr、Mo、W、V等，提高淬透性，耐磨性，细化晶粒，提高回火稳定性。4.常用钢种：可选用碳素工具钢、低合金刃具钢、滚动轴承钢，如T10A、9SiCr、9Mn2V、CrWMn;大型模
14、具选用Cr12、Cr12MoV合金工具钢工程材料学工程材料学 5.热处理：(同刃具钢)加工工艺路线：下料-锻造-球化退火-机械加工-淬火、低回-精磨或电火花加工-产品。组织：M回颗粒状碳化物A合金工具钢工程材料学工程材料学 (2)热作模具钢1.用途：在受热状态对金属进行变形的模具，如热锻模、热镦、热挤压、精密锻造模等。工作时表面温度600度左右。2.性能要求：高的强韧性配合、热硬性、耐磨性、抗热疲劳性和抗氧化性能3.成分特点：中碳，0.40.6%C；加入提高钢的淬透性元素，如Cr、Ni、Mn等；加入能产生二次硬化效果的元素，如Mo、W、V等，提高回火稳定性，并能细化晶粒。4.常用的钢号：5Cr
15、MnMo、5CrNiMo、5Cr2NiMoVSi5.热处理：锻造毛坯-退火-机械加工-淬火、高温回火-精加工-产品。组织是T回或S回，硬度为HRC4050。合金工具钢工程材料学工程材料学 三、量具钢1.用途：制造各种测量工具，如卡尺、千分尺、块规、卡板、塞规、螺旋测微仪等等。2.性能要求：受力较小，但要求高硬度(62HRC)和高耐磨性；高的尺寸稳定性，存放和使用中不允许有尺寸的变化；良好的耐蚀性，以防止生锈、化学腐蚀。3.常用的钢号：没有专门的钢种。简单量具可用T10A、T12A或65Mn等。复杂、高精度量具采用低合金刃具钢CrWMn、Cr2、GCr15。4.热处理：下料-锻造-球化退火-机械
16、加工-淬火-冷处理-低温回火-粗磨-低温人工时效-精磨-去应力回火-研磨。合金工具钢工程材料学工程材料学 1.含碳量在0.1-0.3之间，为低合金高强度结构钢，在热轧（或正火）态下使用，不进行最终热处理，做结构件；2.同时还可以是渗碳钢，最终热处理为渗碳、淬火加低温回火，表硬心韧、耐磨性和接触疲劳抗力好，做汽车齿轮等；3.含碳量在0.3-0.5之间，为调质钢，综合机械性能好，最终热处理为调质淬火高温回火，做汽车、机床、内燃机等上的重要零件如齿轮、轴、连杆；4.含碳量在0.5-0.7之间，为弹簧钢，获得高的屈强比,做弹簧，最终热处理为淬火中温回火，得到回火屈氏体；如何判别合金钢牌号合金工具钢工程
17、材料学工程材料学 5.碳含量在0.7以上，做刃具钢和冷作模具钢，高碳保证高硬度，耐磨，一般最终热处理为淬火低温回火；6.热作模具钢含碳量中等，0.40.6，保证高温使用时的强韧性配合，最终热处理为淬火高温回火；7.轴承钢含碳量1左右，高碳保证高硬度、耐磨，最终热处理为淬火低温回火，还有低温时效稳定尺寸；8.高速钢含碳量高，0.701.50%C之间，合金元素含量高，保证高温下的热硬性，最终热处理为淬火多次高温回火，做高速切削刀具。合金工具钢如何判别合金钢牌号（续）工程材料学工程材料学 特殊性能钢是指具有特殊物理、化学性能的专用钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢、低温用钢、电工钢等。一、不锈钢1.用途：
18、制造在腐蚀介质中工作，具有较高腐蚀抗力的零件，如化工中的阀门、泵、其它需要防腐的日常用品。2.性能要求：耐腐蚀；工件要求的力学性能，如高硬度的做耐腐蚀工具，高强度的做耐腐蚀构件。3.成分特点：低含碳量，耐蚀性要求愈高，碳含量应愈低。加入元素Cr、Ni，可以提高材料的电极电位及钝化能力，成为单相组织，Ti、V，消除碳的晶间偏析。特殊性能钢工程材料学工程材料学 4.常用钢种马氏体型：Cr13系列，包括1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13，前两种用来制造耐腐蚀构件，如汽轮机叶片、水压机的阀、结构架等，后两种做医疗器械奥氏体型：常称为189型，常用牌号0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、0C
19、r18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti。组织为单相奥氏体。耐腐蚀性好，无磁性。加入Ti或Nb，防止晶间腐蚀。铁素体型：Cr17系列，常用牌号是1Cr17、1Cr17Mo。组织为单相的铁素体，强度低，塑性非常好。可通过加工硬化来强化。铁素体型可以用来制造化工设备中的容器、管道等。特殊性能钢工程材料学工程材料学 5.奥氏体型不锈钢的热处理固溶热处理：加热到10501150，溶解碳化物，水淬获得均匀的A。可均匀组织，提高耐腐蚀性。稳定化退火：用于含Ti、Nb的188钢，加热温度850880，保温6小时，空冷或炉冷，可消除晶间腐蚀。去应力退火：加热到300350去除冷加工的应力，加热到850以上去除焊接应力。特殊性能钢工程材料学工程材料学 二、耐热钢抗氧化钢：在高温下具有较好的抗氧化性，而有一定热强度的钢种。3Cr18Mn12Si2N、2Cr20Mn9Ni2Si2N。大部分都属于奥氏体型钢。热强钢：高温下有一定抗氧化能力和较高强度以及良好组织稳定性的钢。重点强调高温强度。特殊性能钢
