第六章合金钢 合金钢的优点:高的强度和淬透性 第一节合金元素在钢中的作用 常用合金元素: 非碳化物形成元素一— Co Ni Cu Si Al 碳化物形成元素一— Zr Nb v ti W Mo Cr Mn Fe 中强 、合金元素对钢中基本相的影响 1、形成合金铁素体 合金元素→溶入A→形成合金铁素体→固溶强化(CrNi较好) 2、形成合金碳化物 弱碳化物形成元素形成合金渗碳体(Fe,Mn)3C 中强碳化物形成元素形成合金碳化物(Cr23C6,Fe3W3C) 强碳化物形成元素形成特殊碳化物(VC,TC) 熔点、硬度和稳定性: 特殊碳化物>合金碳化物>合金渗碳体>Fe3C 二、合金元素对Fe-FeC相图的影响 合金元素对A相区影响 扩大A相区元素(Mn)—E、S点左下移 缩小A相区元素(Cr)—E、S点左上移 奥氏体钢:Cr18Ni9 铁素体钢:1Cr17 莱氏体钢:Wl8Cr4V 三、合金元素对热处理的影响 1、对加热的影响 多数元素减缓A形成,阻碍晶粒长大 2、对冷却的影响 多数元素溶入A后→过冷A稳定性↑→Vc↑→淬透性↑ Ms点↓→残余A量↑ 提高淬透性的意义: ①增加淬硬层深度 ②减少工件变形、开裂倾向3、对回火的影响 ①回火稳定性→抗回火软化的能力 ②产生二次硬化(析出特殊碳化物,产生弥散强化:A残→M或B下)
第六章 合 金 钢 合金钢的优点：高的强度和淬透性 第一节 合金元素在钢中的作用 常用合金元素： 非碳化物形成元素——Co Ni Cu Si Al 碳化物形成元素——Zr Nb V Ti W Mo Cr Mn Fe 强 中强 弱 一、合金元素对钢中基本相的影响 1、形成合金铁素体 合金元素 → 溶入 A → 形成合金铁素体 → 固溶强化（Cr,Ni 较好） 2、形成合金碳化物 弱碳化物形成元素 形成合金渗碳体 (Fe,Mn)3C 中强碳化物形成元素 形成合金碳化物 (Cr23C6，Fe3W3C) 强碳化物形成元素 形成特殊碳化物（VC，TiC） 熔点、硬度和稳定性： 特殊碳化物 > 合金碳化物 > 合金渗碳体 > Fe3C 二、合金元素对 Fe-FeC 相图的影响 合金元素对 A 相区影响 扩大 A 相区元素（Mn）——E、S 点左下移 缩小 A 相区元素（Cr）——E、S 点左上移 奥氏体钢：1Cr18Ni9 铁素体钢：1Cr17 莱氏体钢：W18Cr4V 三、合金元素对热处理的影响 1、对加热的影响 多数元素减缓 A 形成，阻碍晶粒长大 2、对冷却的影响 多数元素溶入 A 后 → 过冷 A 稳定性↑→ Vc↑→淬透性↑ → Ms 点↓→残余 A 量↑ 提高淬透性的意义： ①增加淬硬层深度 ②减少工件变形、开裂倾向 3、对回火的影响 ① 回火稳定性→抗回火软化的能力 ② 产生二次硬化（析出特殊碳化物，产生弥散强化；A 残→M 或 B 下）
第二节低合金钢 低合金高强度钢 碳素结构钢:Q195,Q215,Q235,Q255,Q275 低合金高强度钢:Q295,Q345,Q390,Q420,Q460 Q235+Me(<3%)→Q345 1、成分:0.1~02%C,合金元素2~3% 主加元素:Mn—固溶强化 辅加元素: Ti. Cr nb 弥散强化 使用状态:热轧或正火(F+P),不需最终热处理 2、性能:较高的σS,良好的塑性韧性, 焊接性,抗蚀性,冷脆转变温度低 3、常用钢号:Q295(09Mn2),Q345(l6Mn) 用途:工程结构——桥梁,船舶,车辆外壳、支架、压力容器 二、易切削结构钢 牌号:Y12,Y12Pb,Y30,Y40Mn 性能:良好的切削加工性(170~-240HBS,塑性低) 切削抗力小,刀具不易磨损,加工表面粗糙度低 应用:成批、大量生产时,制作性能要求不高的紧固件和小型零件 第三节合金钢的分类与牌号 合金钢分类 低合金钢一一低合金高强度钢、易切削结构钢 合金结构钢一一渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢 合金工具钢一一合金工具钢、高速钢 特殊性能钢一一不锈钢、耐热钢、耐磨钢 二、合金钢牌号 1、合金结构钢一—20 CrMnti,60SMn,25Cr2NWA 2、滚动轴承钢一—GCr15 3、合金工具钢一—9Mn2V, CrWMn 4、高速钢一—Wl8CrV,W6Mo5Cr4V2 5、不锈、耐热钢——4Cr13,OCrl8NiIi,oCrl7Ni4Mo2 6、高锰耐磨钢一—ZGMn3 学习思路 用途→工作条件→性能要求→成分特点→热处理特点→典型钢种应用
第二节 低合金钢 一、低合金高强度钢 碳素结构钢：Q195，Q215，Q235，Q255，Q275 低合金高强度钢：Q295，Q345，Q390，Q420，Q460 Q235+Me(<3%) → Q345 1、成分：0.1~0.2%C，合金元素 2~3% 主加元素：Mn —— 固溶强化 辅加元素：Ti,Cr,Nb —— 弥散强化 使用状态：热轧或正火（F + P），不需最终热处理 2、性能：较高的σs ，良好的塑性韧性， 焊接性，抗蚀性，冷脆转变温度低 3、常用钢号：Q295 （09Mn2），Q345 (16Mn) 用途：工程结构 —— 桥梁，船舶，车辆外壳、支架、压力容器 二、易切削结构钢 牌号：Y12，Y12Pb，Y30，Y 40Mn 性能：良好的切削加工性（170~240HBS，塑性低） 切削抗力小，刀具不易磨损，加工表面粗糙度低 应用： 成批、大量生产时，制作性能要求不高的紧固件和小型零件 第三节 合金钢的分类与牌号 一、合金钢分类 低合金钢——低合金高强度钢、易切削结构钢 合金结构钢——渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢 合金工具钢——合金工具钢、高速钢 特殊性能钢——不锈钢、耐热钢、耐磨钢 二、合金钢牌号 1、合金结构钢——20CrMnTi，60Si2Mn，25Cr2Ni4WA 2、滚动轴承钢——GCr15 3、合金工具钢——9Mn2V，CrWMn 4、高速钢——W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2 5、不锈、耐热钢——4Cr13，0Cr18Ni11Ti，00Cr17Ni14Mo2 6、高锰耐磨钢——ZGMn13 学习思路： 用途→ 工作条件→ 性能要求→ 成分特点→ 热处理特点→ 典型钢种应用
第四节合金结构钢 渗碳钢 1、用途:受冲击和强烈磨损、摩擦的零件(各类齿轮、凸轮) 2、性能:表面一一高的硬度、耐磨性 心部一一强而韧 3、成分:0.1~0.25 低碳钢 主加元素: CrNiMn B ↑淬透性(心部得M板条) 辅加元素:WMo,V,T 细化晶粒(VC,TC,耐磨性↑), 4、最终热处理:渗碳+淬火+低温回火 组织:表层:高碳回火M+Fe3C或碳化物+残A 心部:淬透:低碳回火M 未淬透:F+P 常用钢号:20,20Cr, 20CrMnTi 18Cr2Ni4W 淬透性 低 高 适用:机床齿轮 汽车变速齿轮 飞机齿轮 二、调质钢 1、用途:受复合应力的重要结构件(齿轮、连杆、机床主轴) 2、性能:良好的综合机械性能 3、成分:0.3~0.5%C 中碳钢 主加元素: CrNiMn,Si——↑淬透性,强化基体 辅加元素:WMo,,T——细化晶粒,↑回火稳定性 4、热处理: 预备:正火—S-—改善组织,消除锻造应力,便于切削加工 最终:调质——回火S——获得良好的综合机械性能 表面要求高硬度,耐磨,↑σ-1,→表面淬火+低温回火(回火M) 5、常用钢号:45,40Cr,40 CrMnMo 弹簧钢 1、用途:弹性元件 2、性能:高的σe、σb、σ-1,一定的塑韧性 3、成分:045~0.7%C 碳钢0.6-0.9%C)一一保证↑oe 主加元素:Mn,Si,Cr-—↑淬透性,强化基体,↑回火稳定性 辅加元素:Mo,WV 防脱碳,细化,↑σe 4、热处理:
第四节 合金结构钢 一、渗碳钢 1、用途：受冲击和强烈磨损、摩擦的零件（各类齿轮、凸轮） 2、性能：表面——高的硬度、耐磨性 心部——强而韧 3、成分：0.1~0.25%C —— 低碳钢 主加元素：Cr,Ni,Mn,B —— ↑淬透性（心部得 M 板条） 辅加元素：W,Mo,V,Ti —— 细化晶粒（VC,TIC,耐磨性↑）， 4、最终热处理：渗碳 + 淬火 + 低温回火 组织：表层：高碳回火 M + Fe3C 或碳化物 + 残 A 心部：淬透：低碳回火 M 未淬透：F+P 5、常用钢号：20, 20Cr, 20CrMnTi, 18Cr2Ni4W 淬透性： 低 中 高 适用： 机床齿轮 汽车变速齿轮 飞机齿轮 二、调质钢 1、用途：受复合应力的重要结构件（齿轮、连杆、机床主轴） 2、性能：良好的综合机械性能 3、成分：0.3~0.5%C —— 中碳钢 主加元素：Cr,Ni,Mn,Si —— ↑淬透性，强化基体 辅加元素：W,Mo,V,Ti —— 细化晶粒, ↑回火稳定性 4、热处理： 预备：正火——S——改善组织，消除锻造应力，便于切削加工 最终：调质——回火 S——获得良好的综合机械性能 表面要求高硬度,耐磨,↑σ-1，→表面淬火+ 低温回火（回火 M） 5、常用钢号：45，40Cr，40CrMnMo 三、弹簧钢 1、用途：弹性元件 2、性能：高的σe 、σb 、σ-1 ，一定的塑韧性 3、成分： 0.45~0.7%C （碳钢 0.6~0.9%C）——保证↑σe 主加元素：Mn, Si, Cr—— ↑淬透性，强化基体, ↑回火稳定性 辅加元素：Mo, W, V —— 防脱碳，细化,↑σe ， 4、热处理：
热成型弹簧(尺寸大,60SMn): 加热成型→淬火+中温回火→喷丸(回火T)38-50HRc 冷成型弹簧(尺寸小,65Mn): 冷拉钢丝→冷绕成型→去内应力退火(200~300℃) 5、常用钢号:65,65Mn,小尺寸的沙发弹簧 60Si2Mn 大尺寸的汽车板簧 四、滚动轴承钢 1、用途:滚动轴承元件,冷冲模,量具(滚珠、滚柱、轴承套 2、性能:硬、耐磨,↑σ-1,一定的韧性 3、成分:0.95~1.15%C 硬、耐磨 主加元素:Cr ↑淬透性,硬,耐磨 4、热处理: 预备:球化退火—球状P(180-270HBS),改善切削加工性 最终:淬火+低温回火—回火M+合金碳化物+残A 5、常用钢号:GCr15 第五节合金工具钢 、刃具钢 性能:高硬度、耐磨性,红硬性(热硬性), 足够的强度、韧性 1、合金刃具钢 (1)成分:08-15% 硬、耐磨 Cr W. Mn. V ↑淬透性、回火稳定性,细化晶粒, (2)热处理: 预备:球化退火一一改善切削加工性 最终:淬火+低温回火—回火M合金碳化物+残A ↑HRC、耐磨性 (3)常用钢号:9siCr, CrWMn,9Mn2V 用于制作切削用量不大形状复杂精度较高的刀具:丝锥,板牙,拉刀 2、高速钢 红硬性高(600℃),淬透性好一一锋钢。 钢号:wl8Cr4V(红硬性↑),W6Mo5Cr4V2(韧性↑) (1)成分特点:含碳量0.7~1.2%C(不标) 合金元素W,Mo,Cr,V—一产生二次硬化,热硬性 (2)锻造与热处理:
热成型弹簧（尺寸大，60Si2Mn）： 加热成型→淬火+中温回火→喷丸（回火 T ）38~50HRc 冷成型弹簧（尺寸小，65Mn）： 冷拉钢丝 → 冷绕成型→ 去内应力退火（200~300℃） 5、常用钢号：65，65Mn， 小尺寸的沙发弹簧 60Si2Mn 大尺寸的汽车板簧 四、滚动轴承钢 1、用途：滚动轴承元件，冷冲模，量具 （滚珠、滚柱、轴承套） 2、性能：硬、耐磨， ↑σ-1 ，一定的韧性 3、成分：0.95~1.15%C —— 硬、耐磨 主加元素：Cr —— ↑淬透性，硬，耐磨 4、热处理： 预备：球化退火——球状 P（180~270HBS），改善切削加工性 最终：淬火+低温回火——回火 M+合金碳化物+残 A 5、常用钢号：GCr15 第五节 合金工具钢 一、刃具钢 性能：高硬度、耐磨性，红硬性（热硬性）， 足够的强度、韧性 1、合金刃具钢 ⑴成分：0.8~1.5%C —— 硬、耐磨 Cr, W, Mn, V —— ↑淬透性、回火稳定性，细化晶粒， ⑵热处理： 预备：球化退火——改善切削加工性 最终：淬火+低温回火——回火 M+合金碳化物+残 A ↑HRC、耐磨性 ⑶常用钢号：9SiCr，CrWMn，9Mn2V 用于制作切削用量不大,形状复杂,精度较高的刀具：丝锥，板牙，拉刀 2、高速钢 红硬性高（600℃），淬透性好——锋钢。 钢号：W18Cr4V（红硬性↑），W6Mo5Cr4V2（韧性↑） ⑴成分特点： 含碳量 0.7~1.2%C （不标） 合金元素 W，Mo，Cr，V——产生二次硬化，热硬性↑ ⑵锻造与热处理：
铸态:莱氏体中的共晶碳化物呈鱼骨状 锻造:使碳化物细化并均匀分布 预备:球化退火—S+细粒状碳化物(HBS210~250) 最终:淬火(1280℃)+三次回火(560℃)一一回火M+合金碳化物+残A (63-66HRc) 热处理特点: 预热次数多→防变形开裂 淬火温度髙→使合金元素尽可能多地溶入A,保证红硬性 560℃回火→产生二次硬化(弥散强化+二次淬火) 回火次数多→消除残余A,及残余A→M产生的应力 1270-1300°C 580620°C 回火温度尸C 图7-2高速钢的热处理工艺及回火性能曲线 二、模具钢 1、冷作模具钢 性能:髙硬度、耐磨性,足够的强度、韧性 模具钢:T10,GCr15—尺寸小、形状简单的模具 9SiCr, 9Mn2V, CrWMr 形状复杂模具 Cr12 Crl2Mov 大型复杂模具 热处理:淬火+低温回火 2、热作模具钢 性能:髙温足够的强韧性、耐磨性,良好的抗疲劳性、导热性、淬透性 钢号:5 CrNIMo——中小型热锻模(亚共析钢) 5 CrMnMo——中大型热锻模 3Cr2W8V压铸模 (过共析钢) 热处理:淬火+高温回火(中温回火)—回火S(回火T)
铸态：莱氏体中的共晶碳化物呈鱼骨状 锻造：使碳化物细化并均匀分布 预备：球化退火—— S+细粒状碳化物（HBS210~250） 最终：淬火（1280℃）+三次回火（560℃）——回火 M+合金碳化物+残 A (63~66HRc) 热处理特点： 预热次数多→ 防变形开裂 淬火温度高→ 使合金元素尽可能多地溶入 A，保证红硬性 560℃回火 → 产生二次硬化 （弥散强化+二次淬火） 回火次数多→ 消除残余 A，及残余 A→M 产生的应力 二、模具钢 1、冷作模具钢 性能： 高硬度、耐磨性，足够的强度、韧性 模具钢：T10，GCr15 —— 尺寸小、形状简单的模具 9SiCr，9Mn2V，CrWMn —— 形状复杂模具 Cr12,Cr12MoV —— 大型复杂模具 热处理：淬火+低温回火 2、热作模具钢 性能： 高温足够的强韧性、耐磨性，良好的抗疲劳性、导热性、淬透性 钢号： 5CrNiMo —— 中小型热锻模 （亚共析钢） 5CrMnMo ——中大型热锻模 3Cr2W8V —— 压铸模 （过共析钢） 热处理：淬火+高温回火（中温回火） —— 回火 S（回火 T）
三、量具钢 性能:高硬度、耐磨性、尺寸稳定性 常用钢号:T10A,T12A——简单量具 9SiCr, CrWMn,GCr15—一高精度量具 提高尺寸稳定性方法: 淬火+冷处理+低温回火→精磨→人工时效120℃,2-3h (消除残A) (稳定组织、尺寸) 第六节特殊性能钢 、不锈钢 成分:0.1-02%C—↑耐蚀性 主加元素Cr→↑基体电极电位 形成钝化膜(Cr2O3) 获得单相组织 常用钢种: ①铁素体不锈钢1Cr17-不能热处理强化 ②马氏体不锈钢 lCr13,2Cr13淬火+高温回火(回火S)耐蚀结构件 3Cr13,4Cr13淬火+低温回火(回火M)医疗器械、工具 ③奥氏体不锈钢 I Cr18N19T1 热处理:固溶处理(淬火)→单相A 区别于普通淬火:无相变,淬火后硬度低 强化方式:加工硬化 应用举例:耐酸容器,餐具 、耐热钢 性能:抗氧化性,热强性 常用钢种:15CrMo,25Cr2MoVA 1Cr13, 1Cr17, 1Crl8Ni9T1 三、高锰耐磨钢 ZGMn13 成分:0.9~14%C 13%Mn 水韧处理:加热1100℃→水淬→单相A 冲击时:表面A→M产生硬化 应用:挖掘机铲斗、坦克履带、铁轨道岔、保险箱、防弹钢板等
三、量具钢 性能：高硬度、耐磨性、尺寸稳定性 常用钢号：T10A，T12A ——简单量具 9SiCr，CrWMn，GCr15——高精度量具 提高尺寸稳定性方法： 淬火 + 冷处理 + 低温回火 → 精磨 → 人工时效 120℃，2~3h (消除残 A) （稳定组织、尺寸） 第六节 特殊性能钢 一、不锈钢 成分： 0.1~0.2%C——↑ 耐蚀性 主加元素 Cr → ↑基体电极电位 形成钝化膜（Cr2O3） 获得单相组织 常用钢种： ① 铁素体不锈钢 1Cr17 —— 不能热处理强化 ② 马氏体不锈钢 1Cr13, 2Cr13 淬火+高温回火（回火 S） 耐蚀结构件 3Cr13, 4Cr13 淬火+低温回火（回火 M） 医疗器械、工具 ③ 奥氏体不锈钢 1Cr18Ni9Ti 热处理：固溶处理（淬火）→ 单相 A 区别于普通淬火：无相变，淬火后硬度低 强化方式：加工硬化 应用举例：耐酸容器，餐具 二、耐热钢 性能：抗氧化性，热强性 常用钢种：15CrMo，25Cr2MoVA 1Cr13，1Cr17，1Cr18Ni9Ti 三、高锰耐磨钢 ZGMn13 成分：0.9~1.4%C ， 13%Mn 水韧处理：加热 1100℃→水淬→单相 A 冲击时：表面 A→M 产生硬化 应用：挖掘机铲斗、坦克履带、铁轨道岔、保险箱、防弹钢板等