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1、ch32ch32合金钢解析合金钢解析3.2 合金钢合金钢3.2.1 3.2.1 概论概论3.2.2 3.2.2 合金结构钢合金结构钢3.2.3 3.2.3 合金工具钢合金工具钢3.2.4 3.2.4 特殊性能钢及合金特殊性能钢及合金低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢合金渗碳钢合金渗碳钢合金调质钢合金调质钢非调质机械结构钢非调质机械结构钢合金弹簧钢合金弹簧钢滚动轴承钢滚动轴承钢不锈钢不锈钢耐热钢耐热钢耐磨钢耐磨钢刃具钢刃具钢模具钢模具钢量具钢量具钢3.2 合金钢合金钢3.2.1 概论概论合金钢合金钢? ?碳钢的不足：碳钢的不足： 淬透性低淬透性低 15mm20mm 强度和屈强度比较低强度和屈强
2、度比较低 Q235; 16Mn, 360MPa 回火稳定性差回火稳定性差 不能满足特殊性能的要求不能满足特殊性能的要求u按合金元素质量分数多少按合金元素质量分数多少： 低合金钢低合金钢(10)u按所含的主要合金元素按所含的主要合金元素u按正火显微组织按正火显微组织：珠光体、马氏体、铁素体、奥氏体钢：珠光体、马氏体、铁素体、奥氏体钢u按用途：按用途：结构钢、工具钢结构钢、工具钢和和特殊性能钢特殊性能钢1合金钢的分类合金钢的分类编号原则：编号原则：数字数字+元素符号元素符号+数字数字2合金钢的编号（附录合金钢的编号（附录5各国常用钢号对照表）各国常用钢号对照表）例：例：16Mn（Q345） 40C
3、r 60Si2Mn 9SiCr W18Cr4V 12Cr18Ni9Ti （ 12Cr18Ni9Ti ）平均含碳量平均含碳量，结构钢、特殊，结构钢、特殊性能钢（性能钢（C%0.04%）以万）以万分之一，两位数；工具钢以分之一，两位数；工具钢以千分之一，工具钢碳含量大千分之一，工具钢碳含量大于于1时不标出；。时不标出；。合金元素合金元素的元素的元素符号符号 合金元素的含量合金元素的含量，百分之几百分之几； 1.5，只标出元素，不标出含量，只标出元素，不标出含量； 1.5含量含量2.49%，标，标2； 2.5 含量含量3.49，标，标3； 3.5%含量含量4.49，标，标4；专用钢，专用钢，用途的汉
4、语拼音字首来标明：用途的汉语拼音字首来标明： 例如，例如，滚动轴承钢滚动轴承钢在钢号前标以在钢号前标以“G” ，如，如GCr15， 1C，1.5Cr (注意：注意：Cr含量为千分之十五含量为千分之十五) 易切削钢易切削钢(Y), Y40Mn高级优质钢高级优质钢，钢的末尾加，钢的末尾加“A”字表明：字表明： 如如20Cr2Ni4A等。等。3.2.2 合金结构钢合金结构钢制造重要制造重要工程结构工程结构和和机器零件机器零件1低合金高强度结构钢（低合金高强度结构钢（HSLA） High Strength Low Alloyed容器容器船舶船舶汽车汽车桥梁桥梁储气罐储气罐 高强度高强度 s300MPa
5、 高韧性高韧性 =15%20%, kv600800kJ/m2，高的断裂韧性，高的断裂韧性 良好的焊接性能和冷成型性能良好的焊接性能和冷成型性能 低的冷脆转变温度低的冷脆转变温度 良好的耐蚀性良好的耐蚀性 性能要求性能要求低碳低碳 0.20，韧性、焊接性和冷成形要求，韧性、焊接性和冷成形要求加入以锰为主的合金元素加入以锰为主的合金元素 锰：锰：固溶强化固溶强化，细化晶粒，细化晶粒加入铌、钛或钒等辅加元素加入铌、钛或钒等辅加元素 细晶强化细晶强化及及第二相强化第二相强化 少量铜和磷等，可提高抗腐蚀性少量铜和磷等，可提高抗腐蚀性 少量稀土元素，脱硫、去气，净化少量稀土元素，脱硫、去气，净化 成分特点
6、成分特点l16Mn（Q345）l15MnVN（Q420）l高等级管线钢高等级管线钢，X70、X80 热轧热轧 空冷空冷 正火正火 F+S 代表性钢种（表代表性钢种（表3-4A，表，表3-4B） 热处理特点热处理特点学科前沿：超级钢学科前沿：超级钢l目标：使钢铁的实用强度和寿命加倍l特征：高强度、高韧性，超洁净、高均匀性、超细化l方法：相变细化晶粒、微合金化 控轧控冷l工艺：TMCP 控制轧制+控制（加速）冷却 （CR: Control Rolling+AC: Accellerated Cooling） 细晶F+微细弥散Bl成分：低C，加Mn，细晶，相变 Nb、V、Ti，阻止A长大，细晶、沉淀2
7、合金渗碳钢合金渗碳钢变速齿轮、凸轮轴、活塞销等机器零件变速齿轮、凸轮轴、活塞销等机器零件摩擦磨损摩擦磨损、冲击载荷冲击载荷变速齿轮变速齿轮拨叉拨叉表面硬度高表面硬度高 耐磨性和接触疲劳抗力耐磨性和接触疲劳抗力心部高韧性和足够高的强度心部高韧性和足够高的强度 避免断裂和碎裂、剥落避免断裂和碎裂、剥落良好的热处理工艺性能良好的热处理工艺性能 在高的渗碳温度下，奥氏体晶粒不易长大，在高的渗碳温度下，奥氏体晶粒不易长大， 有良好的淬透性有良好的淬透性 性能要求性能要求低碳低碳 0.100.25，心部有足够的塑性和韧性。，心部有足够的塑性和韧性。加入提高淬透性的合金元素加入提高淬透性的合金元素Cr、Ni
8、、Mn、B等，提高心部的强度和韧性。等，提高心部的强度和韧性。加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素Ti、V、W、Mo等，等，合金碳化物。阻止渗碳时奥氏体合金碳化物。阻止渗碳时奥氏体晶粒长大，提高耐磨性。晶粒长大，提高耐磨性。 成分特点成分特点20Cr20CrMnTi 18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A 典型钢种典型钢种（表（表3-5）热处理工艺：热处理工艺：渗碳，直接淬火低温回火。渗碳，直接淬火低温回火。表面组织：表面组织：合金渗碳体合金渗碳体M回火回火少量少量A；心部组织：心部组织：低碳低碳M回火回火（完全淬透），（完全淬透）， T、M回火回火和少量和少量F。 热处
9、理及组织热处理及组织3合金调质钢合金调质钢重要零件：如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。重要零件：如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。齿轮齿轮连杆连杆高的综合机械性能高的综合机械性能高的强度和良好的塑性、韧性高的强度和良好的塑性、韧性 很好的淬透性。很好的淬透性。曲轴曲轴汽车万向节汽车万向节 性能要求性能要求加入提高淬透性的元素加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si 除了提高淬透性外，还能形成合金铁除了提高淬透性外，还能形成合金铁素体，提高钢的强度。素体，提高钢的强度。中碳中碳0.250.50，以，以0.4居多。居多。 成分特点成分特点加人防止第二类回火脆性的元素加人防止第二类回火脆性的元素Mo、W4
10、0Cr，广泛用于，广泛用于重要零件重要零件35CrMo40CrNiMo 典型钢种典型钢种（表（表3-7）淬火淬火+高温回火，高温回火，回火后快冷回火后快冷(水冷或油冷水冷或油冷)组织：组织：回火回火S要求耐磨性，调质后要求耐磨性，调质后表面淬火表面淬火+低温回火低温回火或进行专门的或进行专门的化学热处理化学热处理。 热处理和组织性能热处理和组织性能40Cr钢经不同温度回火后的机械性能钢经不同温度回火后的机械性能(直径直径D=12mm, 油淬油淬) 4非调质机械结构钢非调质机械结构钢代替调质钢，制造齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。代替调质钢，制造齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。微合金化、控制轧制和控制冷
11、却微合金化、控制轧制和控制冷却取消调质，达到或接近调质钢力学性能取消调质，达到或接近调质钢力学性能高的强度和良好的塑性、韧性高的强度和良好的塑性、韧性 性能要求性能要求 用途用途合金元素合金元素V：细化晶粒，冷却时析出碳氮化合物：细化晶粒，冷却时析出碳氮化合物Mn：细化：细化P，使，使P含量增加含量增加B：获得低碳粒状贝氏体：获得低碳粒状贝氏体碳碳直接切削加工用，直接切削加工用，0.320.52热压力加工用，热压力加工用，0.09%0.16% 成分特点成分特点F40VSF35MnVSF12Mn2VBS 典型钢种（表典型钢种（表3-8）直接切削加工用：直接切削加工用：F+S热压力加工（热锻、控冷
12、）用：热压力加工（热锻、控冷）用：低碳粒状低碳粒状B要求表面耐磨，可要求表面耐磨，可表面淬火表面淬火+低温回火低温回火 热处理和组织性能热处理和组织性能5. 合金弹簧钢合金弹簧钢 制造各种弹簧和弹性元件。制造各种弹簧和弹性元件。弹簧弹簧蝶形弹簧蝶形弹簧离合器弹簧离合器弹簧拉力弹簧拉力弹簧高的高的e，高的，高的s b 高的高的r高的表面质量高的表面质量足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆断足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆断较好的淬透性，不易脱碳和过热，容易绕卷成型。较好的淬透性，不易脱碳和过热，容易绕卷成型。 性能要求性能要求加入以加入以Si、Mn为主的提高淬透性的元素为主的提高淬透性的元素 重要的
13、重要的加入加入Cr、V、W等元素。等元素。中、高碳中、高碳 0.5%0.7% 成分特点成分特点65Mn60Si2Mn 汽车、拖拉机上的汽车、拖拉机上的板簧板簧和和螺旋弹簧螺旋弹簧。50CrVA 典型钢种典型钢种（表（表3-10A，3-10B）热轧钢丝或钢板制成，热轧钢丝或钢板制成，淬火淬火+中温回火中温回火(450550) 组织：组织：回火回火T 加工、热处理加工、热处理制造滚动轴承的制造滚动轴承的滚动体滚动体(滚珠、滚柱、滚针滚珠、滚柱、滚针)6滚珠轴承钢滚珠轴承钢滚珠滚珠滚珠轴承滚珠轴承 轴承元件的工况复杂苛刻，性能要求很严，主要有：轴承元件的工况复杂苛刻，性能要求很严，主要有：高的接触疲
14、劳强度高的接触疲劳强度高的硬度和耐磨性高的硬度和耐磨性 62HRC64HRC足够的韧性和淬透性足够的韧性和淬透性要求在大气和润滑介质中有一定的耐蚀能力和良好的要求在大气和润滑介质中有一定的耐蚀能力和良好的尺寸稳定性尺寸稳定性 性能要求性能要求高碳高碳 0.95%1.10铬为基本合金元素铬为基本合金元素 0.401.65，铬提高淬透性；形成合金渗碳体，铬提高淬透性；形成合金渗碳体加入硅、锰、钒等加入硅、锰、钒等 Si、Mn进一步提高淬透性，便于制造大型轴承进一步提高淬透性，便于制造大型轴承高的冶金质量高的冶金质量 夹杂物往往是接触疲劳破坏的发源点夹杂物往往是接触疲劳破坏的发源点 成分特点成分特点
15、球化退火、淬火低温回火球化退火、淬火低温回火球化退火球化退火目的：降低钢的硬度，以利于切削加工目的：降低钢的硬度，以利于切削加工 组织准备，获得细的球状组织准备，获得细的球状P和细粒状碳化物和细粒状碳化物 典型钢种典型钢种（表（表3-11）GCrl5 除轴承外也常制造冷冲模、量具、丝锥等。除轴承外也常制造冷冲模、量具、丝锥等。 热处理及组织热处理及组织淬火和低温回火淬火和低温回火 820一一840 ， 150 160 。组织：组织：极细的回火极细的回火M、均匀分布的粒状碳化物、均匀分布的粒状碳化物以及以及少少量残余量残余A。稳定尺寸，淬火后可立即稳定尺寸，淬火后可立即 “冷处理冷处理”(-60
16、 -50 )，并在回火和磨削加工后，进行并在回火和磨削加工后，进行低温时效处理低温时效处理。3.2.3 合金工具钢合金工具钢合金刃具钢合金刃具钢、模具钢模具钢、量具钢量具钢1.合金刃具钢合金刃具钢制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、钻头等制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、钻头等铣刀铣刀英制模板刀英制模板刀温度可达温度可达500600；此外，还承受一定的；此外，还承受一定的冲击冲击和和震动震动。高硬度高硬度高耐磨性高耐磨性高热硬性高热硬性 热硬性热硬性是指钢在高温下保持高硬度的能力是指钢在高温下保持高硬度的能力(亦称红硬性亦称红硬性)足够的塑性和韧性足够的塑性和韧性 性能要求性能要求 低合金刃
17、具钢低合金刃具钢最高工作温度最高工作温度 300，其成分的主要特点是：，其成分的主要特点是：a. 高碳高碳，0.91.1，保证高硬度和高耐磨性，保证高硬度和高耐磨性b加入加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素等合金元素 成分特点成分特点典型钢种：典型钢种：9SiCr，也常用做冷冲模具，也常用做冷冲模具（表（表3-12）加工过程：加工过程：球化退火、机加工，然后淬火和低温回火球化退火、机加工，然后淬火和低温回火组织：组织：回火回火M、碳化物和少量、碳化物和少量A。高合金刃具钢高合金刃具钢（W18Cr4V），具有很高的热硬性），具有很高的热硬性其成分特点是：其成分特点是：a. 高碳高碳，它一方面与
18、它一方面与W、Cr、V等形成足够数量的碳化物；另一方等形成足够数量的碳化物；另一方面还要有一定数量的碳溶于面还要有一定数量的碳溶于A中，保证马氏体的高硬度。中，保证马氏体的高硬度。b加入加入Cr、W、Mo、V等合金元素。等合金元素。Cr 提高淬透性，还能提高钢的抗氧化、脱碳能力。提高淬透性，还能提高钢的抗氧化、脱碳能力。W、Mo 保证高的热硬性；保证高的热硬性；M6CW2C和和Mo2C，二次硬化。，二次硬化。V 大大提高钢的硬度和耐磨性；细化晶粒。大大提高钢的硬度和耐磨性；细化晶粒。 高速钢高速钢（表（表3-13A，3-13B）高速钢的加工、热处理：高速钢的加工、热处理：锻造锻造打碎碳化物，并
19、使其均匀分布。打碎碳化物，并使其均匀分布。热处理热处理球化退火、淬火、回火三次球化退火、淬火、回火三次球化退火目的：便于机加工，组织准备球化退火目的：便于机加工，组织准备组织：索氏体基体和细小粒状碳化物组织：索氏体基体和细小粒状碳化物组织：组织：淬火后淬火后为淬火为淬火M、碳化物和大量、碳化物和大量A。 回火后回火后为回火为回火M、细粒状碳化物及少量、细粒状碳化物及少量A淬火加热温度非常高，淬火加热温度非常高，1220 1280 ；550570回火三次回火三次（1）冷模具钢）冷模具钢 冷冲模、冷镦模、冷挤压模和拉丝模等。冷冲模、冷镦模、冷挤压模和拉丝模等。2合金模具钢合金模具钢冷模具钢冷模具钢
20、和和热模具钢热模具钢承载：压力、弯曲力、冲击和摩擦。承载：压力、弯曲力、冲击和摩擦。失效：磨损、崩刃、断裂和变形失效：磨损、崩刃、断裂和变形性能要求：性能要求： a. 高硬度高硬度; b高耐磨性；高耐磨性； c. 足够的韧性和疲劳抗力；足够的韧性和疲劳抗力； d. 热处理变形小。热处理变形小。 性能要求性能要求a高碳高碳 1.0%bCr、Mo、W、V等等 成分特点成分特点Crl2Crl2MoV 钢种和牌号钢种和牌号（表（表3-14）b二次硬化法二次硬化法较高温度较高温度(1l00一一1150 )淬火，淬火，510520 回火三次，产回火三次，产生二次硬化生二次硬化a. 一次硬化法一次硬化法较高
21、温度较高温度(9501000) 淬火，低温淬火，低温(150180 )回火回火 热处理特点热处理特点Crl2型钢热处理后组织：型钢热处理后组织：回火回火M、碳化物碳化物和和残余残余A。 热锻模、热压模、热挤压模和压铸模等热锻模、热压模、热挤压模和压铸模等（2）热模具钢）热模具钢 a. 高的热硬性和高温耐磨性；高的热硬性和高温耐磨性； b高的抗氧化性能；高的抗氧化性能； c高的热强性和足够的韧性；高的热强性和足够的韧性； d高的热疲劳抗力，以防止龟裂破坏；高的热疲劳抗力，以防止龟裂破坏； e. 高的淬透性和导热性。高的淬透性和导热性。 性能要求性能要求a中碳中碳，0.30.6%，保证高强度和较高
22、的热疲劳抗力保证高强度和较高的热疲劳抗力b较多的提高淬透性的元素较多的提高淬透性的元素Cr、Ni、Mn、Si等等 c产生二次硬化的产生二次硬化的Mo、W、V等等元素元素 成分特点成分特点 5CrMnMo 典型钢种典型钢种热处理：热处理：淬火淬火+高温回火高温回火，组织：组织：回火索氏体回火索氏体回火屈氏体回火屈氏体。 热处理与组织热处理与组织3合金量具钢合金量具钢各种测量工具各种测量工具 性能要求性能要求 高硬度、高尺寸稳定性高硬度、高尺寸稳定性 成分特点成分特点 高碳，高碳，Cr、W、Mn等等 量具用钢量具用钢（表（表3-15） CrWMn 热处理特点热处理特点 减少变形和提高尺寸稳定性减少
23、变形和提高尺寸稳定性分类：分类：化学腐蚀化学腐蚀电化学腐蚀电化学腐蚀，在电解质溶液中发生原电池作用而破坏的，在电解质溶液中发生原电池作用而破坏的过程，腐蚀过程中有电流产生。过程，腐蚀过程中有电流产生。3.2.4 特殊性能钢及合金特殊性能钢及合金不锈钢不锈钢、耐热钢耐热钢、耐磨钢耐磨钢1不锈钢不锈钢（1）金属材料腐蚀的概念）金属材料腐蚀的概念提高金属材料的耐蚀能力，三种方法：提高金属材料的耐蚀能力，三种方法：减少原电池形成的可能性减少原电池形成的可能性 均匀的单相组织，提高电极电位均匀的单相组织，提高电极电位尽可能减小两极之间的电极电位差尽可能减小两极之间的电极电位差，并提高阳极的电，并提高阳极
24、的电极电位。极电位。减小甚至阻断腐蚀电流减小甚至阻断腐蚀电流，使金属，使金属“钝化钝化”用途：用途：性能要求：性能要求：耐蚀性；耐蚀性；工具工具高硬度、高耐磨性；重要高硬度、高耐磨性；重要结构零件结构零件高强度。高强度。 （2）用途及性能要求）用途及性能要求（3）成分特点）成分特点碳含量碳含量耐蚀性要求愈高，碳质量分数应愈低；耐蚀性要求愈高，碳质量分数应愈低；0.1 0.2；C，Cr最主要的合金元素铬最主要的合金元素铬 铬能铬能提高电极电位提高电极电位，12，电极电位急剧升高，电极电位急剧升高 铬是铬是F形成元素形成元素，12.7时，可使钢形成单一的时，可使钢形成单一的F组织组织 铬在氧化性介
25、质中极易钝化，生成致密的铬在氧化性介质中极易钝化，生成致密的氧化膜氧化膜 镍镍 可获得单相可获得单相A组织，显著提高耐蚀性。组织，显著提高耐蚀性。 钼、铜钼、铜等等 可提高钢在非氧化性酸中的耐蚀能力。可提高钢在非氧化性酸中的耐蚀能力。 钛、铌钛、铌等等 Ti、Nb能优先同碳形成稳定碳化物，使能优先同碳形成稳定碳化物，使Cr保留在基体保留在基体中，避免晶界贫铬，从而减轻钢的晶界腐蚀倾向。中，避免晶界贫铬，从而减轻钢的晶界腐蚀倾向。 锰、氮锰、氮等等A不锈钢不锈钢 12Cr18Ni9, 06Crl8Ni11Ti，C0.50.5：高温；反之，为低温：高温；反之，为低温 Cr、Si 或或A1。抗氧化性
26、，抗氧化性，Cr热强性热强性 Mo、W、V、Ti，碳化物，弥散强化，碳化物，弥散强化 碳质量分数一般都不高碳质量分数一般都不高（2）成分特点）成分特点 a铁素体铁素体耐热钢耐热钢 06Cr13Al、10Cr17；退火，耐高温氧化；退火，耐高温氧化 b马氏体马氏体耐热钢耐热钢 Crl2型型(14CrllMoV)和和Crl3型型(12Crl3、20Crl3)钢钢 c奥氏体奥氏体耐热钢耐热钢 06Crl8Ni11Ti 不锈钢又可作耐热钢使用。不锈钢又可作耐热钢使用。固溶处理或固溶加时效处理固溶处理或固溶加时效处理。 d沉淀硬化型沉淀硬化型耐热钢耐热钢 07Cr17Ni7Al（3）钢种及加工、热处理特
27、点）钢种及加工、热处理特点3耐磨钢耐磨钢（1）用途及性能要求）用途及性能要求性能要求：很高的耐磨性和韧性性能要求：很高的耐磨性和韧性高锰钢高锰钢履带履带铁轨分道叉铁轨分道叉水韧处理水韧处理，10001100 ，保温，使碳化物全部溶入，保温，使碳化物全部溶入奥氏体中，然后在奥氏体中，然后在水中快冷水中快冷，使高温奥氏体，使高温奥氏体固定到室温。硬度很低，韧性很高。固定到室温。硬度很低，韧性很高。耐磨机理：耐磨机理：加工硬化加工硬化，并且，并且马氏体转变马氏体转变，使硬度显著提，使硬度显著提高，心部则仍保持原来的高韧性状态。高，心部则仍保持原来的高韧性状态。（2）典型钢种）典型钢种 ZGMnl3（
28、3）热处理特点）热处理特点作业：作业：P44P44，4 4、1313、14141 1、试述渗碳钢和调质钢的合金化及热处理特点。、试述渗碳钢和调质钢的合金化及热处理特点。2 2、试分析合金元素、试分析合金元素CrCr在在40Cr, GCr15, CrWMn, 40Cr, GCr15, CrWMn, 1Cr13, 1Cr18Ni9Ti, 4Cr9Si21Cr13, 1Cr18Ni9Ti, 4Cr9Si2等钢中的作用。等钢中的作用。3 3、试就下列四个钢号：、试就下列四个钢号：20CrMnTi20CrMnTi、6565、T8T8、40Cr40Cr讨论如下问题：讨论如下问题：a.a.在加热温度相同的情况下，比较其淬透性和淬在加热温度相同的情况下，比较其淬透性和淬硬性，并说明理由；硬性，并说明理由；b.b.各种钢的用途，热处理工艺，最终的组织。各种钢的用途，热处理工艺，最终的组织。
