第六章 合金鋼

第六章合金鋼第1頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三§6.1概論

合金鋼：為了提高鋼的機械性能、工藝性能或物理、化學(xué)性能，在冶煉時特意往鋼中加入一些合金元素，這種鋼稱為合金鋼碳鋼的缺點：淬透性低；回火抗力差；基本相軟第2頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三

一、Me對基本相的影響基本相：鐵素體；碳化物合金元素：分為碳化物形成元素和非碳化物形成元素非碳化物形成元素：NiSiAlCoCu等碳化物形成元素：Mn┆CrMoW┆VTiNbZr第3頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三對鐵素體：合金元素溶于鐵素體，形成合金鐵素體，提高基體的強度。對碳化物：弱和較強碳化物形成元素形成合金滲碳體，如（Fe,Cr)3C等合金滲碳體比滲碳體更穩(wěn)定，硬度更高合金元素還可以形成特殊碳化物如，Cr7C3WCTiC等特殊碳化物比合金滲碳體比滲碳體更穩(wěn)定，硬度更高第4頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三

二、對Fe-Fe3C相圖的影響

1.NiMnCoN等合金元素擴大A區(qū)

2.CrVMo等合金元素縮小A區(qū)

3.合金元素使相圖的S點和E點左移第5頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三

三、對加熱和冷卻轉(zhuǎn)變的影響（一）對加熱轉(zhuǎn)變的影響除了Ni，Co以外的合金元素，均減慢A的形成過程；除了Mn以外，合金元素阻礙A晶粒的長大第6頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三

（二）對過冷A轉(zhuǎn)變的影響

1.除了Co以外的合金元素使C曲線右移

2.除了Co，Al以外，合金元素降低Ms點，并增加殘余奧氏體量第7頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三

四、對回火轉(zhuǎn)變的影響

1.提高回火抗力（回火穩(wěn)定性）合金元素阻礙原子的擴散，使馬氏體不易分解，且分解后碳化物不易聚集長大，從而使鋼的硬度隨回火溫度的升高而下降的程度減弱。第8頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三2.產(chǎn)生二次硬化現(xiàn)象在某一回火溫度范圍內(nèi)，隨著回火溫度的升高，硬度不下降反而升高一般在含碳化物形成元素較多的合金鋼中出現(xiàn)。第9頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三3.產(chǎn)生回火脆性鋼的韌性明顯降低第一類回火脆性：250～400℃范圍內(nèi)產(chǎn)生產(chǎn)生后無法消除，所以稱不可逆的避免在此溫度范圍內(nèi)回火

第10頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三第二類回火脆性：550～650℃范圍內(nèi)產(chǎn)生產(chǎn)生以后可消除，所以稱可逆的預(yù)防措施：①回火后快速冷卻②加入合金元素，如MoW等五、合金鋼的分類按用途分為三大類：①合金結(jié)構(gòu)鋼；②合金工具鋼；③特殊性能鋼第11頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三§6.2合金結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼：用于制造機械零件以及工程構(gòu)件一、分類及編號6類××化學(xué)符號×××：平均含碳量，1/10000×：所含元素的含量，1.5﹪以下不標含量第12頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三

二、普通低合金鋼

1.用途：制造橋梁，船舶，車輛，管道等

2.性能要求：高屈服極限，高σs/σb

良好的塑性和焊接性能一定的耐腐蝕性

3.成分特點：低碳，＜0.2﹪；保證塑性和韌性；焊接性能主加元素：Mn固溶強化，提高強度第13頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三

輔加元素：TiVNbCu等

TiVNb—細化晶粒

Cu—提高鋼對大氣的抗腐蝕能力4.常用鋼

16Mn15MnV16MnCu5.熱處理熱軋或正火第14頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三

三、易切鋼加入合金元素，使其成為容易被切削的鋼

1.附加元素SPbCa等

S：形成（Mn,Fe）S夾雜物，中斷基體的連續(xù)性

Pb：孤立呈細小顆粒

Ca：形成高熔點硅酸鹽（1300～1600℃）附在刀刃上，起減磨作用的保護膜第15頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三2.鋼號

Y12Y40MnY40CrSCa

四、滲碳鋼用于制造滲碳零件的鋼

1.用途表面承受強烈的磨損，并承受動載荷的零件。如，齒輪第16頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三2.性能要求表面具有較高的硬度、疲勞強度中心具有較高的韌性和足夠的強度

3.成分特點

C﹪：低碳，保證心部的韌性。

0.1～0.25﹪

主加元素：Cr,Ni,Mn等，↑淬透性強化鐵素體，提高心部性能第17頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三

輔加元素：W,Mo,V,Ti等細化晶粒，提高韌性和強度

4.常用鋼號

2020Cr20CrMnTi18Cr2Ni4W5.熱處理滲碳+淬火+低溫回火第18頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三

五、調(diào)質(zhì)鋼經(jīng)調(diào)質(zhì)后使用的鋼調(diào)質(zhì)后鋼具有良好的綜合機械性能，因此調(diào)質(zhì)鋼用于制造重要零件。如，機床主軸等

1.成分特點中碳，0.25～0.5％C。含碳量過低，則強度、硬度不足；過高則韌性不足第19頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三

主加元素：CrNiMn等↑淬透性；強化鐵素體輔加元素：WMoTiV等細化晶粒；提高回火抗力

WMo：防止產(chǎn)生第二類回火脆性

2.常用鋼號

4040Cr40CrMn40CrMnMo3.熱處理：調(diào)質(zhì)處理第20頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三

六、彈簧鋼彈簧作用：①減振②驅(qū)動

1.性能要求高的彈性極限（避免高載荷下發(fā)生塑性變形）高的疲勞極限（避免疲勞破壞）高的σs/σb（盡可能高的彈性極限）具有一定的塑性和韌性，較好的淬透性第21頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三2.成分特點中高碳鋼，0.6～0.75％C，保證高的疲勞極限和屈服極限合金鋼：0.45～0.7％C

主加元素：SiMnCr等↑淬透性，固溶強化

Si：顯著提高σs/σb≈1第22頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三

輔加元素：MoWV等減少脫碳傾向、過熱傾向

3.鋼號

6565Mn60Si2Mn50CrVA4.熱處理尺寸不同，成形與熱處理不同

1）熱成形大于10～15mm

淬火加熱成形—利用余熱淬火—中溫回火第23頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三2）冷成形①鉛浴等溫處理冷拉—加熱A化—500～550℃鉛浴等溫

—成形—區(qū)應(yīng)力退火（200～300℃）組織轉(zhuǎn)變：A→S②淬火回火鋼絲冷拉—淬火+中溫回火—成形—區(qū)應(yīng)力退火第24頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三

七、滾動軸承鋼用于制造滾動軸承內(nèi)、外圈及滾動體

1.工作條件滾動體和內(nèi)外圈均受交變載荷；接觸應(yīng)力大；不但有滾動，而且有滑動，受強烈的磨損第25頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三2.性能要求高而均勻的耐磨性；高的彈性極限和接觸疲勞極限；足夠的韌性和淬透性；一定的抗蝕性能

3.成分及牌號高碳，0.95～1.15％C。保證高的強度、硬度和耐磨性第26頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三

主加元素：Cr↑淬透性形成Cr的碳化物，↑接觸疲勞強度和耐磨性輔加元素：SiMn↑淬透性牌號：GCr×，Cr含量以1/1000為單位

4.鋼號

GCr15GCr15SiMn第27頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三5.熱處理預(yù)先熱處理：球化退火最終熱處理：淬火+低溫回火第28頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三§6.3合金工具鋼

用于制造刀具、模具、量具一、分類及編號

1.按成分分

1）碳素工具鋼

2）合金工具鋼

2.按用途分

1）刃具鋼3）模具鋼3）量具鋼第29頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三3.編號與合金結(jié)構(gòu)鋼類似形式：×化學(xué)符號×

前面的數(shù)字：平均含碳量以1/1000

合金元素的表示方法與結(jié)構(gòu)鋼相同如，9SiCr

高速鋼不標旱碳量，如W18Cr4V合金工具鋼都是高級優(yōu)質(zhì)鋼，故不標A第30頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三

二、刃具鋼（一）工作條件其任務(wù)是進行切削刀具承受壓力；有相對摩擦，產(chǎn)生熱量，切削速度越大，溫度越高；承受一定的沖擊和振動第31頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三

（二）性能要求

1.高的硬度和耐磨性高硬度：主要取決于含碳量高耐磨性：不僅取決于高硬度，也與鋼中碳化物數(shù)量及分布狀況有關(guān)

高碳馬氏體+均勻細小碳化物這種組織的硬度和耐磨性高所以，刃具鋼都是高碳鋼第32頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三2.高的紅硬性紅硬性：在高溫下刃具仍高硬度的能力又稱熱硬性回火穩(wěn)定性越高，紅硬性越好

3.一定的強度、塑性和韌性第33頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三

（三）碳素刃具鋼

T7～T13T7A～T13A

含碳量越高，鋼的耐磨性越好，韌性越差熱處理：淬火+低溫回火組織：細回火馬氏體（M’）+細小碳化物

+殘余奧氏體（少量）缺點：淬透性低；熱硬性差第34頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三

（四）低合金刃具鋼

ΣMe＜5﹪1.常用低合金刃具鋼

9SiCr9Mn2VCrWMn

合金元素作用：↑淬透性，↑熱硬性比碳素刃具鋼的好

第35頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三2.熱處理預(yù)先熱處理：球化退火最終熱處理：淬火+低溫回火組織：細馬氏體+碳化物（粒）+殘余奧氏體第36頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三

（五）高速鋼前兩類鋼的紅硬性低，不能用于高速切削高速鋼的紅硬性的達600℃，可長期保持刃口鋒利，又稱“鋒鋼”第37頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三1.化學(xué)成分高碳：0.7～1.65﹪

保證形成足夠數(shù)量的合金碳化物以及高碳馬氏體，保證高硬度、高耐磨性和高紅硬性合金元素：含有大量的WMoCrV等碳化物形成元素第38頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三W：提高紅硬性的主要元素↑耐磨性，阻礙晶粒長大退火以后，W在鋼中以Fe4W2C的形式存在。淬火加熱時，部分溶入A中，淬火后形成溶有W的馬氏體，這種馬氏體在

500～600℃回火時析出彌散的W2C，造成二次硬化。第39頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三Cr：↑淬透性

Cr23C61100℃全部溶入

V：阻礙晶粒長大

V溶于馬氏體時也能提高熱硬性

Mo：作用與W相似，1﹪代替2﹪Co：提高鋼的臨界點因此，允許加熱到更高的溫度，充分發(fā)揮合金元素的作用第40頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三2.常用高速鋼

W系：W18Cr4V18-4-1

發(fā)展最早，應(yīng)用最廣W-Mo系：W6Mo5Cr4V26-5-4-2

高溫塑性好第41頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三3.鍛造及預(yù)先熱處理必須反復(fù)鍛造原因：高速鋼因含有大量的合金元素，使

E點顯著左移，故高速鋼屬來氏體鋼。其組織中具有魚骨壯共晶碳化物，這些粗大的碳化物不能用熱處理方法消除，只能用鍛造的方法將其擊碎并均勻分布第42頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三

預(yù)先熱處理：退火或退火+調(diào)質(zhì)第43頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三4.高速鋼的熱處理特點

1）淬火加熱溫度很高

W18Cr4V1260～1280℃W6Mo5Cr4V21220～1240℃

因為溫度越高，溶入A中的合金元素越多，淬火后馬氏體中的合金元素越多，回火后具有高的紅硬性

W18Cr4V1270～1280℃，A中，7～8﹪W，4﹪Cr，1﹪V第44頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三2）淬火加熱時進行預(yù)熱高速鋼的導(dǎo)熱性較差。加熱時為了減少熱應(yīng)力，防止變形和開裂。必須進行預(yù)熱一般兩次預(yù)熱：第一次，～550℃

第二次，～850℃第45頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三3）在550～570℃回火，回火三次淬火后組織：M+K+AR其中，過剩的K在回火時不發(fā)生變化，只有A和AR發(fā)生轉(zhuǎn)變

550～570℃回火時硬度達最大值原因有二：第46頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三

回火三次：高速鋼的合金元素含量高，因此其MS點低，淬火后AR量多，因此硬度不高。為使AR轉(zhuǎn)變?yōu)镸，并從M中析出彌散的K

以產(chǎn)生彌散強化，要在550～570℃回火三次。一次回火后，減少至15﹪

二次回火后，減少至3～5﹪

三次回火后，減少至1～2﹪第47頁，共54頁，2023年，2月20日，星期三

后一次回火可消除前一次回火時由于

AR→M所產(chǎn)生