金屬材料熱處理第五章合金鋼

導(dǎo)言

合金鋼——在碳素鋼的基礎(chǔ)上，為了改善鋼的性能，在冶煉時有目的地加入一種或數(shù)種合金元素的鋼。

性能：較高的力學(xué)性能、淬透性和回火穩(wěn)定性等，有的還具有耐熱、耐酸、耐蝕等特殊性能。第一頁，共六十四頁。§5－1合金元素在鋼中的主要作用一、強化鐵素體二、形成合金碳化物三、細化晶粒四、提高鋼的淬透性五、提高鋼的回火穩(wěn)定性第二頁，共六十四頁。一、強化鐵素體

大多數(shù)合金元素（除鉛外）都能溶于鐵素體，形成合金鐵素體。

對性能的影響；鐵素體的強度、硬度增加，塑性、韌性有所下降，即產(chǎn)生固溶強化作用；

固溶強化（Solidsolutionstrengthening）融入固溶體中的溶質(zhì)原子造成晶格畸變，晶格畸變增大了位錯運動的阻力，使滑移難以進行，從而使合金固溶體的強度與硬度增加。第三頁，共六十四頁。二、形成合金碳化物1．合金滲碳體

錳、鉻、鉬、鎢等弱、中強碳化物形成元素一般傾向于形成合金滲碳體，合金滲碳體較滲碳體略為穩(wěn)定，硬度也略高，可明顯提高低合金鋼的強度。2．特殊碳化物

釩、鈮、鈦等強碳化物形成元素能與碳形成特殊碳化物，特殊碳化物比合金滲碳體具有更高的熔點、硬度和耐磨性，而且更穩(wěn)定、不易分解。第四頁，共六十四頁。合金元素溶入Fe3C內(nèi)，增強了Fe與C之間的親和力，從而提高了滲碳體的穩(wěn)定性，使之較難溶于奧氏體，較難聚集長大；其它類型的碳化物也較難溶于奧氏體，較難聚集長大，并且熔點、硬度較高；總之：這些碳化物的增多，將使鋼的強度、硬度增高，耐磨性增高，但塑性、韌性下降；對性能的影響第五頁，共六十四頁。三、細化晶粒

幾乎所有的合金元素都有抑制鋼在加熱時奧氏體晶粒長大的作用，達到細化晶粒的目的。強碳化物形成元素鈮、釩、鈦等形成的碳化物、鋁（Al）在鋼中形成的AlN和Al2O3細小質(zhì)點，均能強烈地阻礙奧氏體晶粒長大，使合金鋼在熱處理后獲得比碳鋼更細的晶粒。第六頁，共六十四頁。合金鋼熱處理時加熱的目的：獲得成分均勻的奧氏體，使合金元素盡可能多的溶入奧氏體中，提高淬透性，大多數(shù)合金元素（除少數(shù)Ni、Co，主要是碳化物形成元素）會減慢奧氏體的形成過程。所以合金鋼的奧氏體化溫度高，保溫時間長。第七頁，共六十四頁。四、提高鋼的淬透性

除鈷外，所有的合金元素溶解于奧氏體后，均可增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，推遲其向珠光體的轉(zhuǎn)變，使C曲線右移，從而減小鋼的臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。常用提高淬透性的合金元素有：鉬、錳、鉻、鎳（Ni）和硼（B）等。第八頁，共六十四頁。第九頁，共六十四頁。五、提高鋼的回火穩(wěn)定性

回火穩(wěn)定性——淬火鋼在回火時，抵抗軟化的能力。（淬火鋼在回火時抵抗強度、硬度下降的能力；）如圖

第十頁，共六十四頁。第十一頁，共六十四頁。§5－2合金鋼的分類和牌號一、合金鋼的分類二、合金鋼的牌號第十二頁，共六十四頁。一、合金鋼的分類1．按用途分類

合金結(jié)構(gòu)鋼；普通低合金鋼（低合金高強鋼）、滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、滾動軸承鋼、易切削鋼、超高強度鋼；（如圖）合金工具鋼；刃具鋼、模具鋼、量具鋼。（如圖）特殊性能鋼；不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、電工用鋼。第十三頁，共六十四頁。1.構(gòu)件用鋼：制造各種大型金屬結(jié)構(gòu)-橋梁、船舶、屋架、容器-又叫做工程用鋼。車輛儲氣罐第十四頁，共六十四頁。船舶橋梁第十五頁，共六十四頁。銼刀量規(guī)鉆頭第十六頁，共六十四頁。2．按合金元素總含量分類

低合金鋼：合金元素總含量＜5％。中合金鋼：合金元素總含量5％～10％高合金鋼：合金元素總含量＞10％第十七頁，共六十四頁。二、合金鋼的牌號

兩位數(shù)字（碳含量）＋元素符號（或漢字）＋數(shù)字表示。

前面兩位數(shù)字表示鋼的平均含碳量的萬分數(shù)。元素符號（或漢字）表明鋼中含有的主要合金元素。后面的數(shù)字表示該元素的含量。合金元素含量小于1.5％時不標，平均含量為1.5％~2.5％，2.5％~3.5%…時，則相應(yīng)地標以2，3…1．合金結(jié)構(gòu)鋼

第十八頁，共六十四頁。40Cr（合金結(jié)構(gòu)鋼）主要合金元素為鉻，含量在1.5％以下平均含碳量為0.40％60Si2Mn（合金結(jié)構(gòu)鋼）平均含硅量為2％左右平均含碳量為0.60％主要合金元素為錳，含量小于1.5％第十九頁，共六十四頁。2．合金鋼多為優(yōu)質(zhì)鋼，無需特殊表示。當(dāng)合金鋼為高級優(yōu)質(zhì)鋼或特級優(yōu)質(zhì)鋼時，分別在牌號尾加A、E表示。必要時可將表示產(chǎn)品用途、特性或工藝方法的字符加在牌號尾部。

第二十頁，共六十四頁。3．合金工具鋼與合金結(jié)構(gòu)鋼的區(qū)別僅在于碳含量的表示方法，它用1位數(shù)字表示平均含碳量的千分數(shù)，當(dāng)碳含量≥1.0％時，則不予標出。合金元素含量表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相同，當(dāng)平均含鉻量小于1%時，在鉻含量（以千分數(shù)計）前加數(shù)字“0”。第二十一頁，共六十四頁。4．高速鋼

含碳量均不標出，如W18Cr4V鋼的平均含碳量為0.7％～0.8％。5．特殊性能鋼

不銹鋼或耐熱鋼的牌號用兩位或三位阿拉伯?dāng)?shù)字表示含碳量的最佳控制值（以萬分之幾或十萬分之幾計），合金元素含量的表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相同，當(dāng)材料只規(guī)定含碳量上限時，若含碳量上限≤0.10%，則以其上限值的3/4表示，若含碳量上限＞0.1%時，則以其上限值的4/5表示（兩位數(shù)，萬分數(shù)計）。如:06Cr18Ni9表示含碳量不大于0.08%，平均含鉻量為18%，含鎳量為9%的鉻鎳不銹鋼；12Cr17表示含碳量不大于0.15%，含鉻量為17%的高碳鉻不銹鋼。第二十二頁，共六十四頁。當(dāng)含碳量規(guī)定上下有限時，則采用平均含碳量表示（兩位數(shù)，萬分數(shù)計）。如20Cr13其含碳量為0.16~0.25%，平均含碳量為0.20%，含鉻量為13%。當(dāng)不銹鋼中有意加入鈮、鈦、鋯、氮等元素時，雖然含量很低也應(yīng)在牌號中標出。如022Cr18Ti為一種含碳量不大于0.03%,最佳控制值為0.022%，含鉻量18%，含鈦量小于1.0%的不銹鋼。當(dāng)含碳量上限≤0.03%，（超低碳），則以三位數(shù)表示含碳量最佳控制值（十萬分數(shù)計），如：015Cr19Ni11是一種含碳量上限為0.02%，最佳控制值為0.015%；平均含鉻量為19%，含鎳量為11%的極低碳不銹鋼。第二十三頁，共六十四頁。特殊專用鋼，為表示鋼的用途，在鋼的牌號前面冠以漢語拼音字母字頭，并不標含碳量，合金元素含量的標注也和上述有所不同。如：滾動軸承鋼中高鉻軸承鋼的前面標“G’，（“滾”字的漢語拼音字母字頭）而不標含碳量，如GCr15。而牌號中鉻元素后面的數(shù)字是表示含鉻量的千分數(shù)，其他元素仍按百分數(shù)表示，如GCrl5SiMn表示含鉻量為1.5％，硅、錳含量均小于1.5％的滾動軸承鋼。易切鋼也是在牌號前冠以拼音字母“Y”，如“Y15”，表示含碳量0.15％的易切鋼。6．特殊專用鋼第二十四頁，共六十四頁?！?－3合金結(jié)構(gòu)鋼一、低合金結(jié)構(gòu)鋼二、合金滲碳鋼三、合金調(diào)質(zhì)鋼四、合金彈簧鋼五、滾動軸承鋼

合金結(jié)構(gòu)鋼——用于各類工程結(jié)構(gòu)件和制造各種機器零件的鋼。第二十五頁，共六十四頁。一、低合金結(jié)構(gòu)鋼

在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素就形成了低合金結(jié)構(gòu)鋼。常加入的合金元素有錳（Mn）、硅（Si）、鈦（Ti）、鈮（Nb）、釩（V）等。低合金結(jié)構(gòu)鋼的含碳量較低，一般為0.10％～0.25％。熱軋退火或正火狀態(tài)下使用，一般不再進行熱處理。第二十六頁，共六十四頁。低合金結(jié)鋼的應(yīng)用

第二十七頁，共六十四頁。二、合金滲碳鋼

合金滲碳鋼在經(jīng)滲碳+淬火+低溫回火的處理后，具有外硬內(nèi)韌的性能，用來制造既要有優(yōu)良的耐磨性和耐疲勞性、又能承受沖擊載荷作用的零件，含碳量在0.10％～0.25％之間，加入合金元素主要是為了提高鋼的淬透性，并防止鋼因在長時間滲碳而造成晶粒粗大。其典型熱處理工藝為：滲碳+淬火+低溫回火。第二十八頁，共六十四頁。合金滲碳鋼的應(yīng)用

第二十九頁，共六十四頁。三、合金調(diào)質(zhì)鋼

含碳量一般為0.25％～0.50％，屬于中碳合金鋼。常加入少量鉻、錳、硅、鎳、硼等合金元素以增加鋼的淬透性，使鐵素體強化并提高韌性。加入少量鉬、釩、鎢、鈦等碳化物形成元素，可阻止奧氏體晶粒長大和提高鋼的回火穩(wěn)定性，以進一步改善鋼的性能。熱處理工藝是調(diào)質(zhì)（淬火+高溫回火）。

第三十頁，共六十四頁。合金調(diào)制鋼的應(yīng)用

第三十一頁，共六十四頁。四、合金彈簧鋼

含碳量一般為0.45％～0.70％?？杉尤氲暮辖鹪赜绣i、硅、鉻、釩和鎢等。彈簧鋼的性能特點：（1）高的彈性極限或屈服極限和高的屈強比，以保證彈簧有足夠高的彈性變形能力，并能承受大的載荷。（2）高的疲勞極限，以保證彈簧在長期的振動和交變應(yīng)力作用下不產(chǎn)生疲勞破壞。（3）為了滿足成形的需要和可能承受的沖擊載荷，彈簧鋼應(yīng)具有一定的塑性和韌性。此外，一些在高溫及易蝕條件下工作的彈簧，還應(yīng)具有良好的耐熱性和抗蝕性。

第三十二頁，共六十四頁。合金彈簧鋼的應(yīng)用

第三十三頁，共六十四頁。五、滾動軸承鋼

主要用來制造各種滾動軸承的內(nèi)外圈及滾動體（滾珠、滾柱、滾針），也可用來制造各種工具和耐磨零件。滾動軸承鋼必須具有高的硬度和耐磨性、高的彈性極限和接觸疲勞強度、足夠的韌性和一定的耐蝕性。軸承鋼都是高級優(yōu)質(zhì)鋼。滾動軸承鋼的熱處理包括預(yù)先熱處理和最終熱處理。預(yù)先熱處理采用球化退火，最終熱處理為淬火+低溫回火。第三十四頁，共六十四頁。滾動軸承鋼的應(yīng)用

第三十五頁，共六十四頁。§5－4合金工具鋼一、合金刃具鋼二、合金模具鋼三、合金量具鋼第三十六頁，共六十四頁。一、合金刃具鋼

合金刃具鋼主要用來制造車刀、銑刀、鉆頭等各種金屬切削刀具。刃具鋼要求高硬度、耐磨、高熱硬性及足夠的強度和韌性等。第三十七頁，共六十四頁。1．低合金刃具鋼

低合金刃具鋼是在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素的鋼。

加入鉻、錳、硅等元素，目的是提高鋼的淬透性，同時還能提高鋼的強度。加入鎢、釩等強碳化物形成元素，目的是為了提高鋼的硬度和耐磨性，并防止加熱時過熱，保持晶粒細小。

低合金刃具鋼的預(yù)備熱處理是球化退火，最終熱處理為：淬火+低溫回火。第三十八頁，共六十四頁。低合金刃具鋼的應(yīng)用第三十九頁，共六十四頁。2．高速鋼

高紅硬性、高耐磨性的高合金工具鋼。鋼中含有較多的碳（0.7％～1.50％）和大量的鎢、鉻、釩、鉬等強碳化物形成元素。

高的含碳量：保證形成足夠量的合金碳化物，并使高速鋼具有高的硬度和耐磨性。

W、Mo：提高鋼紅硬性的主要元素。鉻：提高鋼的淬透性。釩：提高鋼的硬度、耐磨性和紅硬性，并能細化晶粒。第四十頁，共六十四頁。高速合金鋼的應(yīng)用第四十一頁，共六十四頁。2．熱作模具鋼

熱作模具鋼是用來制造使金屬在高溫下成形的模具，如熱鍛模、熱擠壓模、壓鑄模等。熱作模具鋼要具備較高的強度、韌性、高溫耐磨性及熱穩(wěn)定性，并具有較好的抗熱疲勞性能。熱作模具鋼的最終熱處理是淬火+中溫回火（或高溫回火），以保證其具有足夠的韌性。第四十二頁，共六十四頁。二、合金模具鋼

用于制作模具的鋼稱為模具鋼。1．冷作模具鋼

冷作模具鋼用于制造使金屬在冷狀態(tài)下變形的模具，如沖裁模、拉絲模、彎曲模、拉深模等。小型沖裁模第四十三頁，共六十四頁。熱鍛模、壓鑄模和擠壓模

第四十四頁，共六十四頁。3．塑料模具鋼

我國目前在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用十多種新型塑料模具鋼，初步形成了我國塑料模具用鋼體系。塑料模具對材料在強度和韌度上的要求低于冷作模和熱作模,由于注塑零件形狀往往比較復(fù)雜,塑料模具在淬硬后很難加工,有時甚至無法加工。所以應(yīng)選用熱處理變形小的材料。塑料模具的型腔復(fù)雜，切削加工量大，所以應(yīng)具有優(yōu)良的切削加工性能。塑料模具型腔表面質(zhì)量要求很高，材料必需具有良好的拋光性能和刻蝕性。塑料模具使用時型腔中往往要添加各種化學(xué)添加劑，所以模具材料需要有良好的耐腐蝕性能。第四十五頁，共六十四頁。塑料制品與塑料模具第四十六頁，共六十四頁。三、合金量具鋼

量具是測量工件尺寸的工具，其工作部分所用鋼材一般要求高硬度、高耐磨性、高的尺寸穩(wěn)定性和足夠的韌性。第四十七頁，共六十四頁。§5－5特殊性能鋼一、不銹鋼二、耐熱鋼三、耐磨鋼第四十八頁，共六十四頁。一、不銹鋼

不銹鋼主要是指在空氣、水、鹽的水溶液、酸及其他腐蝕性介質(zhì)中具有高度化學(xué)穩(wěn)定性的鋼。不銹鋼是不銹鋼和耐酸鋼的統(tǒng)稱，能抵抗大氣腐蝕的鋼稱為不銹鋼，而在一些化學(xué)介質(zhì)（如酸類）中能抵抗腐蝕的鋼稱為耐酸鋼。

常用不銹鋼按化學(xué)成分分為鉻不銹鋼、鉻鎳不銹鋼和鉻錳不銹鋼等。按金相組織特點分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼等。第四十九頁，共六十四頁。1．奧氏體不銹鋼

含碳量很低（≤0.15％），含鉻量為18％，鎳為9％，這種不銹鋼習(xí)慣上稱為18－8型不銹鋼，屬于鎳鉻不銹鋼。常用的奧氏體不銹鋼有12Cr18Ni9、06Cr18Ni9N等。

第五十頁，共六十四頁。2．馬氏體不銹鋼

鋼中含碳量為0.10％～1.20％，淬火后能得到馬氏體，屬于鉻不銹鋼。淬火、回火后使用。馬氏體不銹鋼的耐蝕性、塑性和焊接性都不如奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼，但由于它具有較好的力學(xué)性能與一般的耐蝕性相結(jié)合，故應(yīng)用廣泛。馬氏體不銹鋼鍛造后需退火，以降低硬度、改善切削加工性能。在沖壓后也需進行退火，以消除硬化、提高塑性，便于進一步加工。第五十一頁，共六十四頁。3．鐵素體不銹鋼

含碳量＜0.12％，含鉻量在11.50％～30％之間，屬于鉻不銹鋼。鉻是縮小奧氏體相區(qū)的元素，可使這類鋼獲得單相鐵素體組織?？勾髿馀c耐酸能力強，具有良好的高溫抗氧化性，特別是抗應(yīng)力腐蝕性較好，但力學(xué)性能不如馬氏體不銹鋼，塑性不及奧氏體不銹鋼。第五十二頁，共六十四頁。二、耐熱鋼

耐熱鋼——在高溫下具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和較高強度，能較好適應(yīng)高溫條件的特殊性能鋼。鋼的耐熱性包含高溫抗氧化性和高溫強度兩個指標。在高溫下具有抗高溫介質(zhì)腐蝕能力的鋼稱為抗氧化鋼；在高溫下仍具有足夠力學(xué)性能的鋼稱為熱強鋼。耐熱鋼是抗氧化鋼和熱強鋼的總稱。常用的抗氧化鋼有40Cr9Si2、0