工程材料-第7章 合金鋼

第七章合金鋼在碳素鋼的基礎(chǔ)上，為了改善鋼的組織和性能，在冶煉時有意加入某些元素所獲得的鋼種，叫合金鋼。常用的合金元素有：Si(>0.4%)、Mn(>0.8%)、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Ni、Co、Al、RE等。第一節(jié)合金元素在鋼中的作用非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B碳化物形成元素：Zr、Nb、Ti、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe一合金元素對鋼中基本相的影響1強化鐵素體：合金元素溶于鐵素體，形成合金鐵素體。強度、硬度提高，塑性、韌性有下降趨勢。F和Fe3C與合金鋼相比，碳鋼的淬透性低、強度低、回火穩(wěn)定性差、不具備某些特殊性能等。2形成合金碳化物：Zr、Nb、Ti、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe結(jié)構(gòu)鋼中合金元素含量有一定的限制加入少量的碳化物形成元素，形成合金滲碳體，如(FeMn)3C、(FeW)3C。當(dāng)加入量超過一定限度除形成合金滲碳體外，還形成合金碳化物如：Cr7C3、Cr23C6等和穩(wěn)定性更高的間隙相（WC、VC、TiC、MoC等）。熔點和硬度很高，難溶于A，也難聚集和長大。含量↑→強度、硬度、耐磨性↑，塑性、韌性↓二合金元素對鐵碳合金相圖的影響1擴大或縮小奧氏體相區(qū)（γ相區(qū)）：擴大A體相區(qū)元素：C、N、Co、Ni、Mn、Cu

縮小A體相區(qū)元素：Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al使S點和E點向左下方移動，A相區(qū)擴大，促使A形成，稱為A形成元素。當(dāng)他們的含量足夠高時S點溫度會降到室溫以下室溫下得到穩(wěn)定的A組織，生產(chǎn)出奧氏體鋼，如：1Cr18Ni9Ti使S點和E點向左上方移動，A相區(qū)縮小，促使F形成，稱為F形成元素。當(dāng)他們的含量足夠高時奧氏體相區(qū)消失，使鋼在高溫和室溫都為穩(wěn)定的F組織，生產(chǎn)出單相鐵素體鋼，如1Cr17鋼影響最大2幾乎所有合金元素都使S點和E點向左移，即移向低碳方向。S點左移：共析成分含碳量降低，如含Cr13%的鋼共析成分含碳量僅為0.3%E點左移：出現(xiàn)萊氏體的含碳量降低。如含W18%的鋼，含碳量僅為0.7%～0.8%鑄態(tài)出現(xiàn)萊氏體。3A形成元素使共析溫度下降，F(xiàn)形成元素使共析溫度升高。三合金元素對鋼熱處理的影響（一）對鋼加熱時A體化的影響合金鋼A化過程和碳鋼相同，包括三個階段：晶核形成和長大滲碳體溶解奧氏體成分均勻化A化過程離不開Fe和C原子的擴散。加入合金元素影響了擴散速度和碳化物穩(wěn)定性。1加速A體的形成：某些非碳化物形成元素如Co、Ni加速A體的形成。大部分合金元素特別是強碳化物形成元素如Mo、W、V等，減慢A體的形成速度。2減慢A體的形成：原因：加入這些元素使碳的擴散能力降低，形成碳化物阻礙碳擴散。碳化物穩(wěn)定性很高，難分解，使A均勻化過程變得困難。把A化過程的三個階段推向更高溫度。合金鋼要獲得成分均勻A，加熱溫度更高，保溫時間更長。

P、Mn等促進(jìn)奧氏體晶粒長大；V、Ti、Nb、Al等強烈阻止奧氏體晶粒長大。Mo、W、Cr有阻止奧氏體晶粒長大作用。Si、Ni、Co、Cu影響小。（二）對過冷A體分解的影響（C曲線形狀、位置）3對A體晶粒度的影響：過冷A體分解離不開Fe和C原子的擴散，加入合金元素（除Co外）阻礙了Fe和C原子的擴散，使A分解過程被推遲，即延緩了A分解，C曲線向右移。（三）對M體相變溫度的影響大多數(shù)合金元素（除Co、Al外）使Ms點下降，Mn的作用最顯著。增加了殘余A的數(shù)量。（四）對回火轉(zhuǎn)變的影響1提高鋼的回火穩(wěn)定性：鋼對回火時軟化過程的抵抗能力。越不容易軟化，回火穩(wěn)定性越強?；鼗鸾M織轉(zhuǎn)變包括四個階段：M分解殘余A分解碳化物的轉(zhuǎn)變滲碳體聚集長大和α相再結(jié)晶。加入合金元素，尤其是Nb、Ti、V、W、Mo、Cr降低Fe和C原子擴散能力，把回火組織轉(zhuǎn)變四個階段推向更高溫度。在同一溫度回火，合金鋼硬度和強度高。回火到相同硬度，合金鋼的回火溫度高。離不開Fe原子和C原子擴散Nb、Ti、V、W、Mo、Cr對提高回火穩(wěn)定性有較強作用，Si作用也明顯。硬度降低的過程被推向更高溫度內(nèi)應(yīng)力消除徹底，塑性、韌性較高2產(chǎn)生二次硬化：在某溫度范圍回火硬度升高的現(xiàn)象。含Mo、W、V、Ti較高的淬火鋼，在500℃～600℃回火時硬度不降反升。原因：（1）M回火穩(wěn)定性很高，在500℃～600℃回火時，析出細(xì)小、彌散分布的特殊碳化物Mo2C、VC、W2C、、TiC，硬度、穩(wěn)定性高，難以聚集長大，具有高溫強度。

（2）部分殘余A轉(zhuǎn)變?yōu)镸也提高了硬度。高速鋼利用二次硬化提高熱硬性。3產(chǎn)生回火脆性在某溫度范圍回火出現(xiàn)脆化（沖擊韌性降低）現(xiàn)象。第一類回火脆性：250℃～350℃左右第二類回火脆性：500～650℃最容易出現(xiàn)在含Cr、Mn、Ni等元素的合金鋼中。原因：緩冷時合金元素在原A晶界上偏聚，削弱了晶界的聯(lián)系。快冷可以消除第二類回火脆性加入W、Mo可防止第二類回火脆性在此溫度范圍回火，碳化物沿M晶界呈薄片析出，增大了晶界脆斷傾向，使韌性降低。加入W、Mo可強烈阻止合金元素向晶界偏聚，有效防止回火脆性。第二節(jié)合金鋼的分類與編號一分類二牌號表示方法1低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼Q＋σsmin＋質(zhì)量等級符號（A、B、C、D、E）例：Q345C：鋼的σs是345MPa，質(zhì)量等級C級2合金結(jié)構(gòu)鋼兩位數(shù)字+合金元素符號+數(shù)字如60Si2Mn高級優(yōu)質(zhì)鋼，鋼號最后加（A）易切鋼：Y＋含碳量萬分之幾+合金元素符號+數(shù)字例：Y20、Y20Pb滾動軸承鋼：GCr＋含鉻量千分之幾+合金元素符號+數(shù)字例：GCr15SiMn碳的萬分之幾合金元素百分之幾合金元素＜1.5%：省略3合金工具鋼一位數(shù)字+合金元素符號+數(shù)字碳的千分之幾合金元素百分之幾含碳量≥千分之十：省略例：5CrMnMoCrWMn4特殊性能鋼一位數(shù)字+合金元素符號+數(shù)字碳的千分之幾含碳量≤0.03%和0.08%，鋼號前分別“00”和“0”例：2Cr130Cr18Ni9Ti合金元素＜1.5%：省略一低合金高強度結(jié)構(gòu)鋼：在普通碳鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素制成，主要用于工程結(jié)構(gòu)，如橋梁、建筑、船舶、車輛、高壓容器等，故又稱其為工程用鋼。a化學(xué)成分特點：低碳wc<0.2%、低合金元素wMe<3%b性能特點：較高的強度（比碳素結(jié)構(gòu)鋼高10%～30%），足夠塑性和韌性，

↓重量20%～30%。良好的壓力加工性能和焊接工藝性。耐蝕性及低溫性能好。c熱處理特點：熱軋后退火或正火，成形后不進(jìn)行熱處理，組織：P+F。第三節(jié)合金結(jié)構(gòu)鋼合金元素：Mn、Ti、V、Nb、Cu、P等Mn：固溶強化、細(xì)化晶?！鼜姸?，改善塑性、韌性V、Ti、Nb：形成碳化物阻礙晶粒長大，彌散強化Cu、P：↑耐腐蝕性二滲碳鋼：wc=0.1%~0.25%：以保證零件的心部有足夠的塑性和韌性；常用合金元素：Cr、Ni、Mn和B以提高鋼的淬透性，熱處理后表層和心部都得到強化。Ti、V、Mo：細(xì)化晶粒，形成碳化物阻止?jié)B碳時奧氏體長大。1化學(xué)成分特點：2熱處理特點：最終熱處理：滲碳后進(jìn)行淬火，低溫回火（180~200℃）3性能特點：表面具有較高的硬度、耐磨性，心部具有足夠的強度和韌性。表面：0.85%～1.0%合金滲碳體＋回火M＋殘余A60～62HRC預(yù)備熱處理：正火心部組織：淬透：低碳M。多數(shù)情況：T＋少量低碳M＋少量F碳素滲碳鋼淬透性低淬，熱處理對心部性部改變不大。4常用鋼種：20CrMnTi（如用于汽車變速箱齒輪）下料→鍛造→正火→加工齒形→滲碳→淬火（油冷）→低溫回火→噴丸→精磨三合金調(diào)質(zhì)鋼：制造重要機器零件（齒輪、連桿、重要螺栓等），淬透性要好。1化學(xué)成分特點：wc=0.25%~0.50%，碳過低不易淬硬，過高則韌性差。合金元素：Mn、Cr、Si、Ni、B可提高淬透性，強化F，改善韌性。加入少量的Mo、W、V、Ti等元素阻止A體晶粒長大，提高鋼的回火穩(wěn)定性。2熱處理特點：最終熱處理：調(diào)質(zhì)：淬火＋高溫回火；Mo：防止第二類回火脆性。組織：回火索氏體，具有良好的綜合性能。預(yù)備熱處理：改善調(diào)質(zhì)鋼的鍛造組織及切削加工性能合金元素含量較低：正火合金元素含量較高：正火＋高溫回火（200HB）3性能特點：熱處理后具有良好的綜合力學(xué)性能，即強度高、塑性和韌性好。4常用鋼種：40Cr（機床齒輪等）、40MnB（大截面零件）

42CrMo（汽缸螺栓）有些零件還要求表面硬度高、耐磨性好：感應(yīng)加熱表面淬火或氮化處理。下料→鍛造→正火→機加工（粗加工）→調(diào)質(zhì)→機加工（精加工）→噴丸四合金彈簧鋼：wc=0.45%~0.7%主要添加元素是Si、Mn：提高淬透性、回火穩(wěn)定性、強化F，保證高彈性和高屈強比。Cr、Mo、V：細(xì)化晶粒，提高彈性和屈強比、提高高溫強度1化學(xué)成分特點：用于制造大截面尺寸的彈簧和彈性零件加熱成型＋淬火＋中溫回火，組織為回火托氏體。2彈簧的成型及熱處理特點（1）熱成型彈簧：截面尺寸＞10～15mm使彈簧具有高彈性極限、屈服極限和疲勞強度，一定的塑性和韌性。碳素彈簧鋼淬透性差：小尺寸彈簧。五滾動軸承鋼：制作滾動軸承元件、其它耐磨零件（1）化學(xué)成分：常用高碳、鉻鋼，wc=0.95~1.15%，wCr=0.40~1.55%。高碳：提高硬度，獲得高耐磨性合金碳化物

Cr：↑淬透性，形成合金滲碳體阻止A晶粒長大以獲得隱晶M，↑強度、韌性和疲勞強度。（2）冷成型彈簧：截面尺寸＜10mm如果成型前彈簧鋼絲已經(jīng)有很高的強度和足夠的塑性、韌性：消除應(yīng)力的退火處理如果彈簧鋼絲是退火狀態(tài)，成形后：淬火＋中溫回火彈簧最后噴丸處理：造成表面壓應(yīng)力，提高疲勞強度。工作時承受較大局部交變載荷，滾動體和套圈之間有極大的接觸應(yīng)力。要求有很高的硬度、耐磨性、疲勞強度，足夠的韌性、耐腐蝕性。大型軸承加入Si、Mn、Mo、V：提高淬透性、強度和疲勞極限（2）熱處理：球化退火＋淬火＋低溫回火低溫回火：150℃～160℃，保溫2～3h組織：極細(xì)回火M＋極細(xì)粒狀合金滲碳體＋少量A殘精密軸承淬火后冷處理：－60℃減少A殘，低溫回火消除冷處理時內(nèi)應(yīng)力。精磨后穩(wěn)定化處理：加熱120℃～130℃保溫10～15h提高尺寸穩(wěn)定性。低溫長時間回火61—65HRC六易切鋼有良好的切削加工性能加入合金元素：S、P、Pb、Ca、Se等Pb：細(xì)小顆粒均勻分布在鋼的基體上，改善可切削性，0.1%～0.3%S：0.08%～0.35%，必須有足夠Mn形成MnS夾雜物，中斷基體連續(xù)性提高切削性能。但容易形成纖維組織。加入Ti、Zr、RE等，抑制硫化物延伸，防止各向異性。Ca：0.001%～0.05%，形成高熔點氧化物，附在刀具上，提高耐磨性。在刀具鋼或不銹鋼中加Pb、S、Se等，可提高可切削性。超高強度鋼：抗拉強度＞1500MPa或屈服極限＞1380MPa

適當(dāng)塑性、韌性低合金超高強度鋼在調(diào)質(zhì)鋼基礎(chǔ)上發(fā)展的，是最主要飛機結(jié)構(gòu)用鋼。碳：0.3%～0.45%

合金元素總量＜5%：Ni、Cr、Si、Mn、Mo、V等目的：提高淬透性、韌性、回火穩(wěn)定性最終熱處理：淬火＋低溫回火2中合金超高強度鋼合金元素：5%～10%：Cr、Mo、V強碳化物形成元素淬火＋高溫回火，利用M回火時二次硬化強化。3中合金超高強度鋼（M時效鋼）以Fe、Ni為基的高合金鋼碳極低＜0.03%、Ni高：18%～25%；加入Mo、Ti、Nb、Al時效強化元素815℃固溶處理獲得穩(wěn)定M。加熱450℃～500℃時效處理，析出極細(xì)金屬間化合物，彌散分布在M基體上顯著提高強度。飛機、火箭第四節(jié)工具鋼一刃具鋼1性能要求

（1）高硬度：＞60HRC；C↑→HRC↑；0.6%～1.5%（2）高耐磨性：取決于碳化物的硬度、數(shù)量、大小、分布。一定量的硬而細(xì)小的碳化物均勻分布在強而韌的基體上可提高耐磨性。（3）高的熱硬性：刀具溫度升高時仍能保持高硬度。鋼中加入提高回火穩(wěn)定性、能產(chǎn)生二次硬化的元素可提高鋼的熱硬性。碳素工具鋼淬透性低、淬火時易變形和開裂，熱硬性差。用于制作刃部受熱較低的手用工具或低速、小走刀量的機用工具。2低合金刃具鋼（1）成分特點：碳0.9%～1.5%加入Si、Cr、Mn：提高淬透性和回火穩(wěn)定性，60HRC以上加入W、V：提高熱硬性、耐磨性預(yù)備熱處理：球化退火197～241HB最終熱處理：淬火＋低溫回火溫度800～8102～4h700～7206～8h空冷爐冷時間9SiCr球化退火850℃～870℃600℃～650℃160℃～200℃時間溫度等溫淬火190℃～200℃9SiCr最終熱處理9SiCr圓板牙：下料→鍛造→球化退火→機加工（粗加工）→淬火、低溫回火→精加工

B下：具有更好的硬度和韌性的配合3高速鋼是一種典型的高合金刃具鋼。（鋒鋼）V：與C形成VC，提高鋼的硬度和耐磨性、阻止A晶粒長大、二次硬化（2）鍛造與熱處理鍛造：擊碎粗大碳化物，均勻分布在基體上。退火：降低硬度，消除應(yīng)力，為淬火做準(zhǔn)備。（1）化學(xué)成分：c：0.7~1.25%：溶入M以提高硬度和耐磨性形成足夠多的合金碳化物Cr：4%：增加A的穩(wěn)定性，以提高鋼的淬透性

W：6~19%一部分形成碳化物，阻止A晶粒長大。另一部分溶入M，提高鋼回火穩(wěn)定性，回火時析出碳化物“二次硬化”提高熱硬性、Mo：0~6%與W作用相同，1%Mo代替2%W生產(chǎn)中常用等溫退火：S＋細(xì)粒狀碳化物207～225HBS淬火和回火淬火溫度：1270℃～1280℃三次回火：550℃～570℃淬火溫度高：1270℃～1280℃，合金元素充分溶人到A，回火時產(chǎn)生二次硬化提高熱硬性。加熱時必須預(yù)熱：合金元素含量高，導(dǎo)熱性差。小尺寸、形狀簡單刀具：油淬形狀復(fù)雜、要求變形小的刀具：分級淬火淬火后三次高溫回火：550℃～570℃M析出細(xì)小分散的碳化物：MoC、WC、VC，形成彌散硬化，A殘析出合金碳化物，降低了A殘中合金元素濃度，Ms↑→冷卻時A殘→M“產(chǎn)生二次淬火”?；鼗鸷蠼M織：回火M＋合金碳化物＋少量A殘（1%～2%）為提高刀具壽命，表面處理：軟氮化、蒸汽處理。淬火后組織：M＋合金碳化物＋A殘（20%～30%）硬質(zhì)合金成分性能牌號應(yīng)用鎢鈷類WC、CoCo↑→αk↑HB、耐磨性↓YG3（Co%）鑄鐵有色金屬鎢鈷鈦類WC、TiC、CoHB、熱硬性好但σW、αk不如前YT5（TiC%）合金鋼耐熱鋼鋼結(jié)硬質(zhì)合金WC、VC、TiC、高速鋼

鉻鉬鋼αk好，但熱硬性、耐磨性↓YE65（除TiC外)形狀復(fù)雜的刀具麻花鉆、銑刀涂層硬質(zhì)合金提高HB、耐磨性、熱硬性、改善刀具性能，涂覆碳化物、氮化物粉末等硬質(zhì)合金：碳化物粉末和粘結(jié)劑混合，壓制成型，燒結(jié)制成粉末冶金產(chǎn)品。二模具鋼（一）冷作模具鋼小尺寸的冷作模具性能要求與刃具鋼相似：T10、9CiSi、9Mn2V、CrWMn等大尺寸冷作模具鋼要求淬透性好、耐磨性高、熱處理變形小，一般采用高碳、高鉻的Cr12型鋼種，如Cr12、Cr12MoV等。碳：1.45%～1.7%：一部分溶入A，提高硬度和耐磨性。另一部分形成合金碳化物Cr：提高淬透性；

形成Cr7C3，具有極高硬度（1820HV）V、Mo：提高淬透性，細(xì)化晶粒，提高強度和韌性。下料→鍛造→退火→機加工→淬火→回火→精磨或電火花加工→成品淬火和回火回火250-275油冷960-1050800-830溫度℃時間空冷反復(fù)鍛造擊碎粗大碳化物，鍛造后緩冷。退火：850℃～870℃、加熱3～4h，在720℃～750℃等溫6～8h，255HBS（二）熱作模具鋼除受各種機械應(yīng)力外，還有熱應(yīng)力（熾熱金屬和冷卻介質(zhì)交替作用）→熱疲勞性能：較高強度和韌性，足夠的硬度；抗熱疲勞性能良好導(dǎo)熱性、回火穩(wěn)定性；足夠的淬透性成分：C≤0.5％，保證強度和韌性的良好配合Cr、Ni、Mn、Si：提高淬透性Mo、W、V：提高回火穩(wěn)定性、減少回火脆性Cr、W縮小A相區(qū)，使組織穩(wěn)定5CrMnMo熱鍛模工藝路線：下料→鍛造→退火→機加工→淬火→回火→精加工→成品第五節(jié)特殊性能鋼一不銹鋼：抵抗空氣、水、酸、堿及其它化學(xué)介質(zhì)腐蝕（一）腐蝕與防腐蝕腐蝕的兩種類型：化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕（在腐蝕過程中有電流產(chǎn)生）更普遍圖7-26引起腐蝕的冶金原因：電極電位低的陽具（不斷失去電子）被腐蝕防腐蝕的措施1使鋼呈單相組織，可避免微電池形成2如果是雙相組織，加入合金元素，提高基體電極電位，使兩相電極電位接近。3加入合金元素，如：Cr、Al等，形成保護(hù)膜。（二）不銹鋼種類、成分、熱處理及性能1鐵素體不銹鋼：Cr17鋼C＜0.12%、16～18%Cr單相F組織耐腐蝕性能好、塑性好、強度低，不能熱處理強化應(yīng)用：化工設(shè)備的容器、管道等2馬氏體不銹鋼：Cr13鋼0.1～0.45%C，較高的強度、硬度和耐磨性Cr：提高耐蝕性Cr>12%時在陽極區(qū)表面形成氧化膜，阻止陽極區(qū)的反應(yīng)（鈍化現(xiàn)象），同時提高基體電極電位，提高耐腐蝕性。在氧化性介質(zhì)（大氣、水蒸氣、海水、氧化性酸等）中有好的耐腐蝕性應(yīng)用：醫(yī)療器械、汽輪機葉片等3奧氏體不銹鋼：18－8型鎳鉻不銹鋼18%Cr：提高鈍化能力9%Ni：擴大A相區(qū)，使鋼在室溫為單相A組織晶間腐蝕：500～700℃保溫時，晶界上析出Cr23C6晶界附近Cr＜11.7%，晶界容易被腐蝕防止晶界腐蝕的措施：C＜0.06%，不易形成Cr23C6，如：0Cr18Ni9加入Ti、Nb形成TiC、NbC，不形成Cr23C6，如：1Cr18Ni9Ti發(fā)現(xiàn)有晶間腐蝕傾向，加熱850～900℃