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1、4-1 合金元素在钢中的存在形式和作用合金元素在钢中的存在形式和作用合金元素添加后主要与铁和碳发生反应合金元素添加后主要与铁和碳发生反应1、合金元素与碳的作用、合金元素与碳的作用-合金碳化物合金碳化物u按照合金元素形成碳化物的能力由大到小排列为：按照合金元素形成碳化物的能力由大到小排列为：Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。其中。其中:u强碳化物形成元素强碳化物形成元素Ti、Zr、Nb、V都形成特殊碳化物，其碳化物都形成特殊碳化物，其碳化物不同于一般渗碳体。不同于一般渗碳体。u中等碳化物形成元素中等碳化物形成元素W、Mo、Cr含量较低时与铁形成合金渗碳含量较低时与铁形成合金渗碳体
2、，含量较高时可形成新的合金碳化物。体，含量较高时可形成新的合金碳化物。u弱碳化物形成元素弱碳化物形成元素Mn、Fe少部分溶于渗碳体中、大部分溶于铁素少部分溶于渗碳体中、大部分溶于铁素体或奥氏体。体或奥氏体。u渗碳体、合金渗碳体、合金碳化物、特殊碳化物，渗碳体、合金渗碳体、合金碳化物、特殊碳化物，稳定性和硬度稳定性和硬度依次增高依次增高u2、合金元素与铁的作用、合金元素与铁的作用-合金固溶体合金固溶体 u 几乎所有合金元素都可以与铁作用形成合金铁素体或者合金奥氏体。除了C、N、B与铁形成间隙固溶体外，其它合金元素均与铁形成置换固溶体。合金元素都可以在不同程度上提高固溶体的强度和硬度，并降低冲击韧
3、性，其中Si和Mn对铁素体固溶强化固溶强化效果最为显著，镍还可以减少钢的冷脆性并增加塑性和韧性。4-2 合金元素对钢热处理的影响合金元素对钢热处理的影响1、合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图的影响相图的影响A、改变相区 扩大扩大相区相区的元素Mn、Ni、Co、C、N、Cu添加后，使A1点下降 缩小缩小相区相区的元素Cr、Mo、V、W、Ti、Si、Al、B、Nb添加后，使A1 点上升B 、S和E点移动 ：移向含碳量较小的方向 （左移 ） 2、合金元素对加热和冷却转变的影响、合金元素对加热和冷却转变的影响A、对加热转变的影响 碳化物形成元素，阻滞碳的扩散，大大减缓奥氏体的形成，并且阻止晶粒长大
4、 。非碳化物形成元素可以加快奥氏体的形成，对阻止晶粒长大的作用不大 。个别元素：Mn、P以及B有促进奥氏体晶粒长大的倾向。B、对冷却转变的影响 几乎所有合金元素（Co除外）都不同程度地延缓其转变，增大过冷奥氏体的稳定性，使C曲线右移曲线右移，提高了钢的淬透性。 利？弊？利？弊？除Co、Si和Al之外，大多数合金元素会降低Ms和Mf点，使钢中残余奥氏体量增残余奥氏体量增加加，从而降低了钢的硬度和抗疲劳性、耐磨性。利？弊？利？弊？3、合金元素对回火转变的影响、合金元素对回火转变的影响 A、提高回火稳定性推迟了马氏体分解和残余奥氏体的转变；提高了铁素体的再结晶温度； B、高温回火脆性250350出现
5、低温回火脆性，又称为不可逆回火脆性。450650出现高温回火脆性。这是可逆的回火脆性 。回火快速冷却快速冷却可防止、加入W或Mo 可以消除 4-3 合金元素对对钢加工性能的影响合金元素对对钢加工性能的影响热处理、耐蚀性能 ：合金钢的淬透性提高，回火稳定性增加，减少变形及开裂倾向，使热处理操作容易。有利其它性能： 都不利铸造 、焊接 、锻造 、冷加工 、切削4-4 钢中杂质对性能的影响钢中杂质对性能的影响Mn、Si、 S 、 P杂质 ：锰 与硫的结合力较强，生成的MnS夹杂 硅 与氧的结合力较强，生成的SiO2夹杂 硫 的夹杂物使钢产生热脆（热轧 、焊接），导致开裂磷 使钢材脆性增加，称为冷脆
6、。产生偏析影响焊接性能 4-5 钢的分类简介钢的分类简介一、一、碳碳钢的分的分类和牌号和牌号1.碳碳钢的分的分类碳碳钢分分类见表表42。具具体体钢种种的的性性能能和和用用途途在在第第七七章章中中详细介介绍。表42 碳钢的分类2、碳钢牌号和命名：普通碳素结构钢：Q235AF 优质碳素结构钢：20钢 、45钢 碳素工具钢：T9、 T10A 1、合金钢的分类合金钢的分类见图43。具体钢种的性能和用途在第七章中介绍 二二、合金钢的分类、合金钢的分类表43 合金钢的分类2合金钢的牌号合金钢的牌号（1）合金结构钢的牌号：）合金结构钢的牌号：数字数字+合金元素符号合金元素符号+数字数字45Mn240Cr平均
7、碳的质量的万分数合金元素平均质量的万分数几个特殊情况：轴承钢，低合金高强度结构钢几个特殊情况：轴承钢，低合金高强度结构钢,高级优质高级优质钢钢(2)合金工具钢和特殊性能钢的牌号：合金工具钢和特殊性能钢的牌号：(3)数字数字+合金元素符号合金元素符号+数字数字含含碳量的千碳量的千分数分数合金元素平均质量合金元素平均质量的千分数的千分数说明：说明：Wc1%时，不标数字；时，不标数字；高速钢高速钢例外。例外。合金结构钢的分类：合金结构钢的分类：低合金高强度钢、低合金高强度钢、合金渗碳钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹合金调质钢、合金弹簧钢簧钢、轴承钢、超高强度钢、轴承钢、超高强度钢一一低合金高强度结
8、构钢低合金高强度结构钢1 1应用应用：在大气和海洋中工作的的大型焊接结构件，如建筑：在大气和海洋中工作的的大型焊接结构件，如建筑结构、结构、桥梁、车辆桥梁、车辆 、船舶、船舶 、输油输气管道、输油输气管道、压力容器压力容器等。等。2性能性能：好的塑性韧性及焊接性能：好的塑性韧性及焊接性能，强度高，可抵抗大气腐，强度高，可抵抗大气腐蚀。蚀。3成分成分：低碳、含：低碳、含Mn、Ti、V、Nb、RE元素。元素。4牌号牌号：Q+数字数字（Q345，Q390，Q420，Q460）屈服强度屈服强度二、合金渗碳钢：二、合金渗碳钢：低碳钢基础上加合金元素低碳钢基础上加合金元素1 1应用应用：汽车、重型机床齿轮
9、、活塞销，内燃机的凸轮轴等：汽车、重型机床齿轮、活塞销，内燃机的凸轮轴等2 22 2 性能：性能：“表硬心韧表硬心韧”3 3 成成分分：WcWc：0.120.25%0.120.25%，常常加加元元素素Cr Cr ,Ni ,Ni , ,MnMn ,B ,B ，微微量量元元素素V, Ti , W , MoV, Ti , W , Mo4 4 分类和牌号分类和牌号 分类：低淬透性合金渗碳钢分类：低淬透性合金渗碳钢 20Mn2 20Mn20Mn2 20Mn 中淬透性合金渗碳钢中淬透性合金渗碳钢 20CrMnTi20CrMnTi 20 20 CrMnCrMn 20MnTiB 20MnTiB 高淬透性合金渗
10、碳钢高淬透性合金渗碳钢 18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA 常用牌号：常用牌号：20CrMnTi 20 20CrMnTi 20 CrMnCrMn 20MnTiB 20MnTiB等等最终热处理：最终热处理：渗碳渗碳+ +淬火淬火+ +低温回火低温回火组织：表面高碳回火马氏体组织：表面高碳回火马氏体+碳化物碳化物+少量残余奥氏体少量残余奥氏体 ， 心部：铁素体心部：铁素体+ +低碳回火马氏体低碳回火马氏体三三合金调质钢：合金调质钢：(需要经过需要经过调质处理调质处理使用的中碳合金钢。使用的中碳合金钢。)1应应用用：精精密密机机床床主主轴轴、火火车车发发动动机机曲曲轴轴、连连杆杆螺螺栓栓、汽汽
11、车车后桥半轴等。后桥半轴等。2性能要求：良好的性能要求：良好的综合性能（即高强度、好的塑性韧性）综合性能（即高强度、好的塑性韧性）3成分：中碳（成分：中碳（Wc：0.250.50%，多数多数0.4%）,合金元素：合金元素：Mn,Cr,Si,Ni,B,Mo,W等。等。4分类和牌号分类和牌号低淬透性合金调质钢低淬透性合金调质钢40Cr40MnB中淬透性合金调质钢中淬透性合金调质钢35CrMo38CrSi高淬透性合金调质钢高淬透性合金调质钢38CrMoAlA40CrNiMoA常用牌号：常用牌号：40Cr40MnB35CrMo5热处理：调质处理热处理：调质处理四四 合金弹簧钢合金弹簧钢五五1 1 应应
12、用用：用用于于制制造造汽汽车车、拖拖拉拉机机和和火火车车的的板板弹弹簧簧或或螺螺旋旋弹弹簧、其它各种簧、其它各种螺旋弹簧螺旋弹簧。 2 2 性性能能：具具有有高高的的弹弹性性极极限限以以及及屈屈服服强强度度，还还具具有有高高的的疲疲劳劳强度和足够的塑性韧性。强度和足够的塑性韧性。3 3 成成分分： WcWc 0.450.70% 0.450.70% ，多多数数0.6% 0.6% ，合合金金元元素素及及作作用用：Si,Mn,Cr,VSi,Mn,Cr,V，Nb,Mo,WNb,Mo,W 。 四四4 4 常用牌号：常用牌号：60Si2Mn60Si2Mn， 65Mn,65Mn, 50CrVA50CrVA2
13、 25 5 最终热处理：淬火最终热处理：淬火+ +中温回火中温回火五五轴承钢（用于制造滚动轴承）轴承钢（用于制造滚动轴承）六六两大类：高碳铬轴承钢两大类：高碳铬轴承钢GCr15、GCr15SiMn七七高碳无铬轴承钢高碳无铬轴承钢GMnMoVREGSiMnMoV 合金工具钢合金工具钢知识点知识点以高速钢为例，了解工具钢成分特点，以高速钢为例，了解工具钢成分特点，合金元素的作用、热处理过程等。合金元素的作用、热处理过程等。一一工具钢的服役条件及性能要求工具钢的服役条件及性能要求（以车刀为例）（以车刀为例）1服役条件服役条件（1）刀刃与工件之间发生剧烈的摩擦，造成严重的磨损）刀刃与工件之间发生剧烈的
14、摩擦，造成严重的磨损（2）刀刃部分温度高（高速切削时，温度达刀刃部分温度高（高速切削时，温度达600度）度）（3）冲击与振动（进刀）冲击与振动（进刀）2失效形式：磨损，刀刃崩缺，刀具折断失效形式：磨损，刀刃崩缺，刀具折断3 3 性能要求：性能要求：高硬度；高硬度；红硬性红硬性； 一定强度、塑性、韧性一定强度、塑性、韧性二二典型的工具钢成分及热处理典型的工具钢成分及热处理（以高速钢为例）（以高速钢为例）W18Cr4V1 1 成分成分高高碳碳：0.70.8%0.70.8%，保保证证高高硬硬度度，并并与与W,VW,V等等形形成成碳碳化化物物或或者者是合金碳化物是合金碳化物高高的的含含量量：18%18
15、%；使使钢钢保保持持红红硬硬性性，提提高高回回火火抗抗力力，提提高高淬淬透透性性。（在在500-600500-600度度回回火火时时产产生生细细小小而而弥弥散散分分布布W W2 2C C。 ） Cr: Cr: -4%4% 提提高高淬淬透透性性和和回回火火抗抗力力，增增加加抗抗氧氧化化、抗抗脱脱碳、抗腐蚀能力。碳、抗腐蚀能力。 V V：-1% 1% 提提高高硬硬度度和和红红硬硬性性，细细化化晶晶粒粒（形形成成细细少少的的高高硬度的硬度的VCVC，改善韧性）改善韧性） 2工艺路线（用高速钢工艺路线（用高速钢W18Cr4V制造车刀）制造车刀）下料下料锻造锻造三镦三拔三镦三拔球化退火球化退火机加工机加
16、工淬火淬火回火回火(三次）三次）成品成品550-570C3组织分析组织分析4 4 M M回回（细针状）（细针状）5 5 碳碳化化物物（粒粒状）状）6 6 AA（很少量很少量）三三其他常用的工具钢其他常用的工具钢1 1 冷作模具钢冷作模具钢: : 实际温度不超过实际温度不超过200-300200-3000 0C C工工作作条条件件及及要要求求：负负荷荷重重、模模具具形形状状复复杂杂，要要求求模模具具材材料料变变形形小、耐磨性高、有一定的韧性。材料中含小、耐磨性高、有一定的韧性。材料中含CrCr较高，较高，常用的有：常用的有：Cr12MoVCr12MoV（传统）、传统）、7Cr7Mo3VSi(7C
17、r7Mo3VSi(新钢种）。新钢种）。2 2热作模具：型腔表面温度可达热作模具：型腔表面温度可达6006000 0C C。3 3常常用用的的材材料料是是5CrNiMo 5CrNiMo 5CrMnMo 5CrMnMo （传传统统）、 35Cr3Mo3W2V 35Cr3Mo3W2V ( (新钢种）等。新钢种）等。特殊性能钢（见特殊性能钢（见7-3的的六、耐蚀高合金钢）六、耐蚀高合金钢）不锈钢中合金元素的作用（耐腐蚀的原理）不锈钢中合金元素的作用（耐腐蚀的原理）常用的不锈钢类型及其应用常用的不锈钢类型及其应用一一不锈钢中合金元素的作用不锈钢中合金元素的作用（Cr,Ni,Si,AL,Mo,Ti,NbC
18、r,Ni,Si,AL,Mo,Ti,Nb等。）等。）（1 1）提高铁素体的电极电位，）提高铁素体的电极电位，Cr Cr ， -0.56V 0.12V -0.56V 0.12V (2) (2) 使钢呈单相组织。使钢呈单相组织。 F ( F ( W WCrCr 17%) 17%) A ( A (W WNiNi 9%) 9%) (3) (3)形成致密氧化膜形成致密氧化膜，如如 Cr,Si,ALCr,Si,AL；（4 4）形形成成稳稳定定碳碳化化物物，防防止止晶晶间间腐腐蚀蚀。金金属属间间化化合合物物NiNi3 3Al,NiAl,Ni3 3(Ti,Nb) (Ti,Nb) 。防止晶间腐蚀，提高强度，防止晶
19、间腐蚀，提高强度，Ti,NbTi,Nb等。等。二二常用不锈钢常用不锈钢1马氏体型不锈钢马氏体型不锈钢2 2成分：成分：WcWc：0.11.0%0.11.0%， W WCrCr :1218% :1218%3 3特点：淬透性好，空冷可到特点：淬透性好，空冷可到马氏体马氏体. .牌号：牌号：1Cr13 , 2Cr13 1Cr13 , 2Cr13 ，3Cr13 , 4Cr13,3Cr13 , 4Cr13, 亚共析钢亚共析钢 共析钢共析钢 过共析钢过共析钢热处理及应用：热处理及应用：1Cr13 , 2Cr131Cr13 , 2Cr13；调质处理，组织为调质处理，组织为S S回回。应应用用：汽汽轮轮机机叶
20、叶片片（ 1Cr13 1Cr13 , , 2Cr13 2Cr13 称称为为叶叶片片钢钢），蒸蒸汽汽机管附件。机管附件。3Cr13 , 4Cr13 3Cr13 , 4Cr13 淬火淬火+ +低温回火，组织为低温回火，组织为M M回回应用：医疗器件，不锈钢刃具。应用：医疗器件，不锈钢刃具。2奥氏体型不锈钢奥氏体型不锈钢（用量最多，占用量最多，占6570%6570%；）3 3典型成分：典型成分：WcWc: 0.12% : 0.12% W WCrCr: : 18%18%； W WNiNi: : 8% 8%；4 4 ( (称为称为18-818-8不锈钢，目前为不锈钢，目前为19-919-9）如如1Cr1
21、8Ni9、0Cr18Ni9、00Cr19Ni10等等也也可可添添加加适适量量的的钼钼、钛钛、铌铌、铜铜等等元元素素：0Cr17Ni12Mo2，0Cr18Ni10Ti，0Cr17Ni13Mo3Cu2组织：组织：单相单相A A 固溶处理固溶处理：加热至：加热至A A体区快冷（水冷）。体区快冷（水冷）。 性性能能：高高塑塑性性、高高的的低低温温韧韧性性、高高的的加加工工硬硬化化能能力力、焊焊接接性性能好、无磁性及高的耐腐蚀性。能好、无磁性及高的耐腐蚀性。 应应用用：化化工工行行业业居居多多，酸酸（硝硝酸酸、有有机机酸酸）、碱碱、盐盐工工业业中中的机械零件。的机械零件。3铁素体素体型不锈钢型不锈钢室温下具有铁素体组织的铬不锈钢，其代表性的钢种是0Cr13、1Cr17及含铬为2530%的钢。 把碳氮降至0.025%，得到许多性能优异的钢种，如超纯级的000Cr18Mo2、000Cr25Mo1、000Cr28Mo2、000Cr30Mo2及000Cr28Ni4Mo2等。 作业：P54 3 ，4
