機(jī)械工程材料-沈蓮-04章-合金鋼

第四章

合金鋼

ALLOYSTEELS

碳鋼的優(yōu)點(diǎn)：（1）經(jīng)熱處理后具有良好的綜合力學(xué)性能；（2）冶煉工藝簡(jiǎn)單，成本低；（3）壓力加工性能好；（4）切削加工性能好。

碳鋼的缺點(diǎn)：（1）淬透性低；（2）回火抗力差：淬火鋼在回火過(guò)程中硬度、強(qiáng)度下降過(guò)多；（3）強(qiáng)度不夠高；（4）不具備特殊性能：耐高溫、耐低溫、耐磨損、耐腐蝕。

要求減輕自重的大型構(gòu)件和受力復(fù)雜、負(fù)荷大、速度高的重要機(jī)械零件以及在高溫、低溫、腐蝕、磨損等惡劣環(huán)境下工作的零構(gòu)件，顯然不能用碳鋼來(lái)制造。

合金鋼就是指為了改善鋼的性能，在碳鋼中特意加入某些合金元素的鋼。第一節(jié)

概述

ABSTRACTOFALLOYSTEELS

合金鋼就是指在碳鋼中特意加入某些合金元素的鋼。

常用合金元素有Cr、Mn（錳）、Co（鈷）、Cu、Si、Al、B（硼）、W（鎢）、Mo（鉬）、V（釩）、Ti（鈦）、Nb（鈮）、Zr（鋯）、RE（稀土元素）。

合金元素在鋼中可以與鐵和碳形成固溶體（合金奧氏體、合金鐵素體），也可以與鐵和碳形成碳化物（合金滲碳體、特殊碳化物），不同合金元素也可以相互之間形成金屬間化合物，從而改變鋼的組織和性能。一、合金元素在鋼中的作用（1）細(xì)化奧氏體晶粒1.合金元素改善鋼的熱處理工藝性能

除Mn以外，所有的合金元素都能阻礙鋼在加熱時(shí)奧氏體晶粒長(zhǎng)大，尤其以Ti、V、Nb、Zr、Al的作用最大，它們?cè)阡撝行纬蒚iC、VC、NbC、ZrC、AlN細(xì)微質(zhì)點(diǎn)，阻礙晶界移動(dòng)，顯著細(xì)化奧氏體晶粒，從而使鋼熱處理后的組織細(xì)化。（2）提高淬透性

除Co以外，所有的合金元素固溶于奧氏體中增加了奧氏體的穩(wěn)定性，減慢了過(guò)冷奧氏體分解速度，使奧氏體等溫轉(zhuǎn)變圖右移，因而降低了鋼淬火時(shí)的臨界冷卻速度V臨，提高了淬透性。

這樣，大尺寸的零件淬火后，整個(gè)截面上組織較均勻，性能較一致，而且可以選用冷卻速度較低的淬火介質(zhì)（如油），避免淬火時(shí)的變形開裂。如果合金元素含量很高，在空氣中冷卻也能得到馬氏體。（3）提高回火抗力，產(chǎn)生二次硬化

回火抗力：淬火鋼在回火過(guò)程中抵抗硬度下降的能力。硬度下降越慢，則回火抗力越高。

合金元素固溶于淬火馬氏體中減慢了碳的擴(kuò)散，阻礙碳化物從過(guò)飽和固溶體中析出，推遲了馬氏體的分解，延緩硬度下降，因而合金鋼具有較高的回火抗力。與同等碳含量的碳鋼相比，在同樣的回火溫度下，合金鋼有較高的強(qiáng)度和硬度；而回火至同一硬度，則合金鋼的回火溫度高，其塑性、韌性較好。當(dāng)鋼中Cr、W、Mo、V等的含量超過(guò)一定量時(shí)，在400℃以上還會(huì)形成彌散分布的特殊碳化物Cr7C3、W2C、Mo2C、VC等，使硬度重新升高，直至500~600℃硬度達(dá)到最高值。這種淬火鋼在較高溫度回火，硬度不下降反而升高的現(xiàn)象稱為二次硬化。二次硬化對(duì)高合金工具鋼十分重要，使刃具、模具、在較高溫度下仍保持高硬度。圖4-2合金元素對(duì)回火的影響a）Si的影響b）Mo的影響（4）防止第二類回火脆性

回火脆性：淬火鋼回火后出現(xiàn)韌性下降的現(xiàn)象。在250~400℃出現(xiàn)的韌性下降現(xiàn)象，稱為“第一類回火脆性”。無(wú)有效方法消除它，通常只有避免在此溫度范圍內(nèi)回火。“第二類回火脆性”是在500~650℃回火后緩慢冷卻出現(xiàn)的沖擊韌性下降現(xiàn)象。這類回火脆性只在含Cr、Mn或Cr-Ni、Cr-Mn的合金鋼中出現(xiàn)。若回火后快冷或在鋼中加入0.2~0.3%的Mo或0.4%~0.8%的W可以防止防止第二類回火脆性。實(shí)際生產(chǎn)中，為了防止第二類回火脆性，對(duì)于小尺寸零件，通常采用回火后快冷的方法，對(duì)于大尺寸零件，則選用含Mo、W的鋼制造。（1）合金元素使鋼得到強(qiáng)化2.合金元素提高鋼的使用性能

如第二章所述，鋼的塑性變形是位錯(cuò)的遠(yuǎn)動(dòng)形成滑移帶造成的。鋼中的溶質(zhì)原子、第二相粒子、晶界都是位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，從而都會(huì)使鋼的強(qiáng)度、硬度升高，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化。

合金元素Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W可固溶于鐵素體、奧氏體、馬氏體中引起晶格畸變，增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化。1）固溶強(qiáng)化圖4-4各種合金元素對(duì)鐵素體硬度和沖擊韌度的影響

合金元素Mn、Cr、Mo、W

可以固溶于滲碳體中，形成合金滲碳體（Fe·Mn）3C、（Fe·Cr）3C、（Fe·Mo）3C、（Fe·W）3C，增加了鐵和碳的親和力，提高了滲碳體的穩(wěn)定性。這種穩(wěn)定性較高的合金滲碳體即使在鋼加熱形成奧氏體時(shí)，也難以溶解在奧氏體中，也難以聚集長(zhǎng)大，冷卻后保留在鋼中，形成位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙，提高了鋼的強(qiáng)度和硬度。2）第二相強(qiáng)化

此外，各種合金元素可以和碳形成相應(yīng)的特殊碳化物，這些特殊碳化物熔點(diǎn)高、硬度高、穩(wěn)定性高，加熱時(shí)更難溶于奧氏體中，當(dāng)它們以細(xì)小質(zhì)點(diǎn)分布在鋼中時(shí)，更能有效地提高鋼的強(qiáng)度和硬度。3）細(xì)晶強(qiáng)化

大多數(shù)合金元素都能細(xì)化奧氏體和鐵素體晶粒及馬氏體針條，尤其以V、Ti、Nb、Zr、Al的細(xì)化作用最顯著，晶界或馬氏體針條邊界成為位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的障礙。細(xì)晶強(qiáng)化不僅可以提高鋼的強(qiáng)度和硬度，而且同時(shí)提高鋼的塑性和韌性。（2）合金元素使鋼獲得特殊性能

合金元素固溶于鐵素體和奧氏體中時(shí)，可以使Fe-Fe3C相圖中的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度、共析溫度等曲線和點(diǎn)的位置發(fā)生改變。1）形成穩(wěn)定的單相組織

Ni、Mn、Cu、N等元素能使相圖中奧氏體區(qū)擴(kuò)大。當(dāng)這些元素含量較高時(shí)，例如wNi為9%時(shí)，或wMn為13%時(shí)，則可使A3降至室溫以下，此時(shí)鋼在室溫呈單相奧氏體組織，稱為奧氏體鋼，有耐腐蝕、耐高溫、抗磨損等特殊性能。而Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al等元素能使相圖中奧氏體區(qū)縮小。當(dāng)這些元素含量較高時(shí)，例如wCr為17%~28%時(shí)則可使奧氏體區(qū)消失，此時(shí)鋼呈單相鐵素體組織，稱為鐵素體鋼，此類鋼也具有耐腐蝕、耐高溫等特殊性能。2）形成致密氧化膜和金屬間化合物

合金元素Si、Cr、Al、Ni、W、Mo、Ti等可以形成致密氧化膜SiO2、Cr2O3、Al2O3和金屬進(jìn)化合物FeSi、FeCr、Ni3Al、Ni3Ti、Fe2W、Fe2Mo。

致密氧化膜覆蓋在鋼的表面，提高鋼的耐腐蝕性和高溫抗氧化性（不銹鋼的性能）；金屬間化合物則阻礙位錯(cuò)在高溫下運(yùn)動(dòng)，提高鋼的蠕變抗力，特別是它們呈彌散分布的細(xì)顆粒時(shí)，可以顯著提高鋼的高溫強(qiáng)度（耐熱鋼的性能）。

合金鋼的分類方法很多，最常用的方法是按照用途將合金鋼分為合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼、特殊性能鋼三大類。二、合金鋼的分類及牌號(hào)1.合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼合金滲碳鋼合金調(diào)質(zhì)鋼合金彈簧鋼滾動(dòng)軸承鋼

例如Wc為0.37%~0.44%、WCr為0.8%~1.1%的鋼以40Cr表示；Wc為0.57%~0.65%、WSi為1.5%~2.0%、WMn為0.6%~0.9%的鋼以60Si2Mn表示。

合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)是用“數(shù)字+合金元素符號(hào)+數(shù)字”表示的，前面的數(shù)字表示鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬(wàn)分?jǐn)?shù)，后面的數(shù)字表示合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的百分?jǐn)?shù)，都采用四舍五入。

對(duì)于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，其牌號(hào)用“Q+數(shù)字+質(zhì)量等級(jí)（A、B、C、D、E質(zhì)量依次提高）表示。

含S、P量較低（Ws<0.02%、Wp<0.03%）的高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，則在牌號(hào)的最后加“A”。

對(duì)于高碳低鉻軸承鋼，其牌號(hào)前注明“G”表示“高碳”Wc通常是0.95%~1.05%，因?yàn)槭恰暗豌t”后面的數(shù)字表示鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千分?jǐn)?shù)。例如GCr15鋼的Wc為0.95%~1.05%、WCr為1.5%。2.合金工具鋼合金工具鋼刃具鋼模具鋼量具鋼

合金工具鋼的牌號(hào)表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼大致相同，也是用”數(shù)字+合金元素符號(hào)+數(shù)字“來(lái)表示，其差別只是前面的數(shù)字是表示鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千分?jǐn)?shù)，如果鋼中Wc≥1.0%時(shí)，不標(biāo)注此數(shù)字。例如9Mn2V鋼，其Wc為0.9%、WMn為2%左右、Wv為1%左右。3.特殊性能鋼特殊性能鋼不銹鋼耐熱鋼耐磨鋼

特殊性能鋼的牌號(hào)表示方法與合金工具鋼完全相同，是用”數(shù)字+合金元素符號(hào)+數(shù)字“來(lái)表示，其差別只是前面的數(shù)字是表示鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的千分?jǐn)?shù)，如果鋼中Wc≥1.0%時(shí)，不標(biāo)注此數(shù)字。低溫鋼第二節(jié)

合金結(jié)構(gòu)鋼

合金鋼結(jié)構(gòu)鋼主要用于制造重要工程結(jié)構(gòu)和機(jī)器零件，它是工業(yè)上應(yīng)用最廣、用量最多的鋼種。合金結(jié)構(gòu)鋼低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼合金滲碳鋼合金調(diào)質(zhì)鋼合金彈簧鋼滾動(dòng)軸承鋼超高強(qiáng)度鋼

由于合金鋼結(jié)構(gòu)鋼的用途各異，應(yīng)用場(chǎng)合不同，選擇的含碳量就不同，所選擇的熱處理方案也不同。合金結(jié)構(gòu)鋼中Wc可在0.1%~1.1%范圍內(nèi)變化。

合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)是用“數(shù)字+合金元素符號(hào)+數(shù)字”表示的，前面的數(shù)字表示鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬(wàn)分?jǐn)?shù)，后面的數(shù)字表示合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的百分?jǐn)?shù)，都采用四舍五入。一、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼重要用于制造在大氣和海洋中工作的大型焊接結(jié)構(gòu)件，如建筑結(jié)構(gòu)、橋梁、車輛、船舶、輸油輸氣管道、壓力容器等。1.成分及性能特點(diǎn)低碳低合金以此保證鋼具有良好的塑性、韌性和焊接性能。合金元素：Mn、Ti、V、Nb、RE固溶強(qiáng)化鐵素體、細(xì)晶（晶粒）強(qiáng)化、提高在大氣中的耐腐蝕性。

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度顯著高于相同含碳量的普通低碳結(jié)構(gòu)鋼，并具有良好的塑性、韌性和良好的焊接性和耐大氣腐蝕性。

因此，用此類鋼來(lái)制作大型構(gòu)件不僅安全可靠，而且減輕自重、節(jié)約鋼材。2.常用牌號(hào)和熱處理

對(duì)于低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，其牌號(hào)用“Q+數(shù)字+質(zhì)量等級(jí)（A、B、C、D、E質(zhì)量依次提高）表示。

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼一般在供應(yīng)狀態(tài)下直接使用。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼通常采用熱軋空冷（控軋鋼），有時(shí)在焊接后進(jìn)行一次正火處理（空冷）。

只有在個(gè)別要求高強(qiáng)度的情況下，才進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火），獲得回火索氏體組織，例如高壓容器。近年來(lái)，在此類鋼的基礎(chǔ)上，調(diào)整合金元素含量，通過(guò)亞溫淬火（淬火至溫度稍高于Ms的恒溫硝鹽浴或堿浴中）或控制軋制（調(diào)整和控制熱軋時(shí)的溫度、時(shí)間、變形度、冷卻速度），獲得鐵素體+馬氏體或鐵素體+島狀馬氏體+殘留奧氏體的組織，可以進(jìn)一步提高強(qiáng)度和冷成形性能，減輕構(gòu)件重量。二、合金滲碳鋼

合金滲碳鋼是指經(jīng)過(guò)滲碳熱處理后使用的低碳合金結(jié)構(gòu)鋼，主要用于制造在摩擦力、交變接觸應(yīng)力和沖擊條件下工作的重要零件，如汽車、拖拉機(jī)、重型機(jī)床中的齒輪，內(nèi)燃機(jī)中的凸輪軸等。

這些重要零件表面要求有高的硬度、耐磨性和高的接觸疲勞強(qiáng)度，心部則要求有良好的韌性和適當(dāng)?shù)膹?qiáng)度，只有采用合金滲碳鋼經(jīng)滲碳熱處理后才能滿足上述性能要求。1.成分及性能特點(diǎn)低碳合金元素：Cr、Ni、Mn、B提高鋼的淬透性、改善零件心部組織和性能，還能提高滲碳層的強(qiáng)度和韌性，尤其以Ni的作用最為顯著。保證心部有足夠的韌性微量合金元素：V、Ti、W、Mo形成特殊碳化物，阻礙奧氏體晶粒長(zhǎng)大。

合金滲碳鋼具有較高的強(qiáng)度和韌性，較好的淬透性，同時(shí)具有優(yōu)良的工藝性能，即使在930~950℃高溫下長(zhǎng)時(shí)間滲碳處理，其奧氏體晶粒也不會(huì)長(zhǎng)大，這樣既能使零件滲碳后表面獲得高的硬度和耐磨性，又能使心部有足夠的強(qiáng)度和韌性。2.常用牌號(hào)和熱處理低淬透性合金滲碳鋼中淬透性合金滲碳鋼高淬透性合金滲碳鋼：小齒輪、活塞銷：重要中齒輪、離合器軸：重要的曲軸、大中齒輪

其中應(yīng)用最廣泛的是20CrMnTi鋼（抗拉強(qiáng)度為1000~1200MPa），屬于中淬透性合金滲碳鋼，用于制造承受高速、中速、沖擊和在劇烈摩擦條件下工作的零件，如汽車、拖拉機(jī)的變速箱齒輪、離合器軸。

合金滲碳鋼的熱處理一般采用滲碳后直接進(jìn)行淬火和低溫回火。鍛造正火機(jī)加工淬火低溫回火精加工下料鑄造滲碳圖4-620CrMnTi鋼齒輪的熱加工工藝規(guī)范

最終組織：

表層：細(xì)針狀高碳回火馬氏體+粒狀碳化物+殘留奧氏體。

心部：低碳回火馬氏體（或鐵素體+托氏體）

從而使合金滲碳鋼具有表硬心韌的綜合力學(xué)性能。三、合金調(diào)質(zhì)鋼

合金滲碳鋼是指經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理（淬火+高溫回火）后使用的中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，主要用于制造受力復(fù)雜、要求綜合力學(xué)性能的重要零件。

這些零件在工作過(guò)程中承受彎曲、扭轉(zhuǎn)或拉-拉、拉-壓交變載荷與沖擊載荷的復(fù)合作用。它們既要有高的強(qiáng)度，又要有高的塑性、韌性。如精密機(jī)床的主軸、汽車的后橋半軸、發(fā)動(dòng)機(jī)的曲軸、連桿螺栓、鍛床的錘桿等。1.成分及性能特點(diǎn)中碳合金元素：Mn、Cr、Si、Ni、B增加鋼的淬透性、固溶強(qiáng)化鐵素體，有時(shí)加入少量的V，來(lái)細(xì)化晶粒。保證調(diào)質(zhì)處理后有足夠的強(qiáng)度和塑性、韌性。對(duì)于含Cr、Mn、Cr-Ni、Cr-Mn的鋼為了防止和減輕第二類回火脆性，常加入適量的Mo、W。性能2.常用牌號(hào)和熱處理低淬透性合金調(diào)質(zhì)鋼中淬透性合金調(diào)質(zhì)鋼高淬透性合金調(diào)質(zhì)鋼：截面尺寸較小的重要零件：截面尺寸較大的重要零件：截面尺寸大的重要零件

合金調(diào)質(zhì)鋼的熱處理為淬火+高溫回火，即調(diào)質(zhì)，其組織為回火索氏體，具有高的強(qiáng)度，并具有適當(dāng)?shù)乃苄院晚g性。

有些調(diào)質(zhì)鋼制零件除了要求較高的強(qiáng)度、塑性、韌性配合外，還要求表層局部區(qū)域有良好的耐磨性，為此，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后，還要對(duì)局部區(qū)域進(jìn)行感應(yīng)加熱表面淬火或滲氮。近年來(lái)，利用低碳合金結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)淬火+低溫回火獲得強(qiáng)而韌的低碳馬氏體來(lái)代替中碳合金調(diào)質(zhì)鋼，提高了零件的承載能力，減輕了質(zhì)量，取得了較好的效果。如采用20SiMnMoV鋼代替35CrMo鋼制造石油鉆井用的吊環(huán)，可使質(zhì)量從97Kg減小到29Kg。四、合金彈簧鋼

合金彈簧鋼是用于制造彈簧或其他彈性零件的鋼種。彈簧的主要作用是通過(guò)彈性變形儲(chǔ)存能量，從而傳遞力和緩和機(jī)械的振動(dòng)與沖擊。顯然，彈簧應(yīng)具備高的彈性極限和屈服強(qiáng)度，以保證其能吸收大量的彈性能而不發(fā)生塑性變形。此外還應(yīng)具備較高的疲勞強(qiáng)度和足夠的塑性、韌性，以防止彈簧的疲勞斷裂和沖擊斷裂。1.成分及性能特點(diǎn)中高碳合金元素：Si、Mn、Cr、V、Nb、Mo、W提高鋼的淬透性和耐回火性、固溶強(qiáng)化鐵素體，提高彈性極限與屈服比。以保證彈簧鋼具有高強(qiáng)度和高彈性極限。因此，合金彈簧鋼的淬透性好、耐回火性好，具有高的彈性極限、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度以及較高的疲勞強(qiáng)度與足夠的塑性、韌性。2.常用牌號(hào)和熱處理

合金彈簧鋼按所含合金元素大致可分為兩類。

（1）含Si、Mn元素的合金彈簧鋼典型代表是60Si2Mn，用于制造截面尺寸≤25mm的彈簧，如汽車、拖拉機(jī)、火車的板彈簧和螺旋彈簧等。

（2）含Cr、V元素的合金彈簧鋼典型代表是50CrVA，用于制造截面尺寸≤30mm的彈簧，并在350~400℃溫度下工作的重載彈簧。

合金彈簧鋼的熱處理為淬火+中溫回火，獲得回火托氏體，具有最好的彈性。

彈簧的表面質(zhì)量對(duì)使用壽命影響很大，微小的表面缺陷如脫碳、裂紋、夾雜均降低疲勞強(qiáng)度。因此，彈簧在熱處理后常采用噴丸處理，使其表面產(chǎn)生殘留壓應(yīng)力，以提高疲勞強(qiáng)度，從而提高使用壽命，經(jīng)噴丸處理后，彈簧的使用可提高5~6倍。

根據(jù)成形工藝，彈簧可分為冷成形彈簧和熱成形彈簧，它們具有不同的加工工藝路線。

（1）冷成形彈簧用于截面尺寸<10mm的小型彈簧，如儀表中的彈簧。

然后冷卷或冷沖壓成形。成形后的彈簧再在200~400℃溫度下進(jìn)行去應(yīng)力退火。成形前：冷拉（冷軋）或熱處理（淬火+中溫回火），使其具有高的