1、第四章 合金钢机械工程材料Mechanical Engineering Materials陈健美 教授湖南涉外经济学院 机械工程学部1 概述概述2 合金结构钢合金结构钢3 合金工具钢合金工具钢4 特殊性能钢特殊性能钢碳钢的优缺点：碳钢的优缺点：优点：冶炼工艺较简单，成本低，压力加 工性能好，切削加工性能好，综合力学 性能好缺点：淬透性低，回火抗力差，强度较低，无特殊性能第一节第一节 概概 述述为提高碳钢的力学性能、淬透性及回火稳定性，在钢中添加一定量的合金元素合金钢。合金钢。常用的合金元素有： Cr、 Mn、Ni、 Co、Cu、Si、 Al、 B 、 W、 Mo 、 V、Ti、Nb、Zr、Re
2、等。微合金化钢是近二、三十年来钢铁生产中的最重要成微合金化钢是近二、三十年来钢铁生产中的最重要成就。在普通碳钢中只要加入极少量的（就。在普通碳钢中只要加入极少量的（0.1%)0.1%)的强碳化物的强碳化物形成元素如此形成元素如此Ni、Ti、V或加少量的或加少量的Al形成形成AlN再配合以控再配合以控轧工艺，就可以制成屈服强度达轧工艺，就可以制成屈服强度达350-550MPa，并具有良好，并具有良好韧性的低碳钢。韧性的低碳钢。合金元素合金元素的影响是永远的热点。的影响是永远的热点。一、合金元素在刚中的作用的作用一、合金元素在刚中的作用的作用一、合金元素在刚中的作用的作用一、合金元素在刚中的作用的
3、作用1. 1. 改善钢的热处理工艺性能改善钢的热处理工艺性能1)1)细化奥氏体晶粒加入细化奥氏体晶粒加入TiTi、V V、NbNb、ZrZr、AlAl等，形成细小的碳化物颗粒，阻止奥氏体晶等，形成细小的碳化物颗粒，阻止奥氏体晶粒长大粒长大2) 2) 提高钢的淬透性提高钢的淬透性除除Co Co 以外，其他合金元素都能使钢以外，其他合金元素都能使钢”C”C”曲线向右移动，从而提高钢的淬透性曲线向右移动，从而提高钢的淬透性3) 提高钢的回火抗力，产生二次硬化，防止第二类回火脆性 合金元素固溶于马氏体中，使马氏体回火时分解的难度增大，延缓硬度下降W、Cr、V、Mo 等，回火时会形成特殊碳化物，使硬度重
4、新升高二次硬化回火抗力是指淬火钢在回火过程中回火抗力是指淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力，又称回火稳定性抵抗硬度下降的能力，又称回火稳定性。合金元素固溶于淬火合金元素固溶于淬火M中可减慢碳的中可减慢碳的扩散，阻碍碳化物从过饱和固溶体中析扩散，阻碍碳化物从过饱和固溶体中析出，推迟出，推迟M的分解，延缓硬度下降，因此的分解，延缓硬度下降，因此，合金钢具有较高的回火抗力。，合金钢具有较高的回火抗力。在相同回火温度下，含碳在相同回火温度下，含碳量相同的合金钢的硬度较量相同的合金钢的硬度较碳钢高。碳钢高。在要求相同硬度条件下，在要求相同硬度条件下，合金钢的回火温度高，合金钢的回火温度高，塑韧性好。塑
5、韧性好。一些含一些含Cr、Mo、V等合金元素较多的合金钢等合金元素较多的合金钢，在，在500600范围内回火范围内回火时，由于沉淀析出这些合金时，由于沉淀析出这些合金元素的碳化物并呈弥散状分元素的碳化物并呈弥散状分布，因而对材料起到沉淀强布，因而对材料起到沉淀强化的作用。化的作用。淬火钢在较高温度回火淬火钢在较高温度回火时，硬度不降低反而升高的时，硬度不降低反而升高的现象称为现象称为二次硬化二次硬化。回火温度回火温度HRCwSi 回火温度回火温度HRCwMo 淬火钢回火后的韧性下降现象称为回火脆性。在250400出现韧性下降，称第第一类回火脆性一类回火脆性；在500 600 回火后缓慢冷却时韧
6、性亦会下降，称第二类第二类回火脆性回火脆性。回火温度回火温度 AK快冷300500650慢冷产生回火脆性的原因产生回火脆性的原因第一类回火脆性与M及残余A分解时沿M针条边界析出薄片状Fe3C有关。目前尚无有效方法消除，只能尽量避开在此温度范围内回火。第二类回火脆性，是因钢中的杂质S、P、Mn、Si在晶界上偏聚引起的。 对小型零件可采用回火后快冷的方法； 而对于大型零件则可在材料中加入Mo、W等，这些元素可阻止或延缓有害元素在晶界上的析出。防止第二类回火脆性的措施防止第二类回火脆性的措施l固溶强化l第二相强化l细晶强化（二）合金元素提高钢的使用性能（二）合金元素提高钢的使用性能1. 提高钢的强度
7、提高钢的强度Ni、Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W等合金元素固溶于F、A、M中引起晶格畸变，增加位错运动的阻力，产生强化。（1）固溶强化）固溶强化硬度硬度提高提高韧性韧性降低降低Mn、Cr、Mo、W、V 、Ti 、Nb、Zr等合金元素在钢中能够形成各种碳化物合金碳化物。根据元素与碳亲和力的强弱，合金元素分为强碳化物形成元素：V、Ti、Nb、Zr弱碳化物形成元素：Mn中强碳化物形成元素：Cr、Mo、W（）第二相强化（）第二相强化V、Ti、Nb、Zr、Al等合金元素可是显著细化A、F晶粒及M，提高钢的强度、硬度，并能提高钢塑性和韧性。（）细晶强化（）细晶强化钢的其它强化手段，提高强度、
8、硬度是钢的其它强化手段，提高强度、硬度是以降低塑、韧性为代价的。以降低塑、韧性为代价的。只有细晶强化既可以提高钢的强度和硬只有细晶强化既可以提高钢的强度和硬度，又能提高钢的塑性和韧性。度，又能提高钢的塑性和韧性。. 使钢获得特殊性能使钢获得特殊性能合金元素加入钢中后会改变相图，使钢在室温下得到单相组织，并可形成致密的氧化膜和金属间化合物，使钢获得耐蚀性及耐热性等特殊性能。a)提高钢的抗腐蚀性能b)提高钢的抗高温氧化性能c)提高钢的高温强度d)提高钢的抗冲击磨损性能e)提高钢的耐低温性能合金元素在钢中作用合金元素在钢中作用细化细化A晶粒晶粒Ti、V、Nb、Zr、Al提高淬透性提高淬透性除除Co以
9、外，如以外，如Mn、Cr、W、Mo提高回火抗力提高回火抗力Cr、W、Mo、V固溶强化固溶强化Ni、 Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、W第二相强化第二相强化Mn、Cr、Mo、W扩大扩大A相相Ni、Mn、Cu、N扩大扩大F相相Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al形成致密氧化膜形成致密氧化膜Si、Al、Ni、 Cr、 W、Mo、Ti合金钢的分类方法很多，最常用的方法是按用合金钢的分类方法很多，最常用的方法是按用途进行分类途进行分类二、二、 合金钢的分类及牌号合金钢的分类及牌号小 结l熟悉合金元素在钢中存在的形式和作用l掌握第一第二类回火脆性l了解合金结构钢的牌号及特点第二节第二节 合金结构
10、钢合金结构钢合金结构钢合金结构钢低合金结构钢低合金结构钢合金渗碳钢合金渗碳钢合金调质钢合金调质钢合金弹簧钢合金弹簧钢滚动轴承钢滚动轴承钢超高强度钢超高强度钢一、合金结构钢的分类及编号一、合金结构钢的分类及编号1.分类分类 l2 编号 一、一、 低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢简称低合金高强钢简称低合金高强钢 (highstrength low alloy steel，HSLA steel)，广泛用于制造在大气和海，广泛用于制造在大气和海洋工作的大型焊接结构件，如建洋工作的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆、船舶、输筑结构、桥梁、车辆、船舶、输油气管、压力容器等。油气管、压力容器等。 成
11、分：wC0.2%, wMe 3% 性能：塑韧性好，有良好的焊接性及冷加工成形性能。 常加的合金元素：Mn、Ti、V、Nb、RE 作用：强化F，细化晶粒，提高钢的强度。（一）（一） 成分及性能特点成分及性能特点Q295：09MnV、09MnNb、09Mn2、12MnQ345：12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE、18NbQ390：15MnV、15MnTi、16MnNb（二）（二） 典型牌号典型牌号二、二、 合金渗碳钢合金渗碳钢经过渗碳热处理后使用的低碳合经过渗碳热处理后使用的低碳合金钢。金钢。工作环境：主要用于制造在摩擦工作环境：主要用于制造在摩擦力、交变接触应力和冲击条件下工作力、
12、交变接触应力和冲击条件下工作的零件，如齿轮。的零件，如齿轮。性能要求：表面要求高的硬度和性能要求：表面要求高的硬度和耐磨性及高的接触疲劳强度，心部则耐磨性及高的接触疲劳强度，心部则要求良好的韧性。要求良好的韧性。低碳低碳wc=0.100.25%，保，保证零件心部足够的韧性。证零件心部足够的韧性。加加Cr、Ni、Mn、B，钢的钢的淬透性，并改善心部的组织及性淬透性，并改善心部的组织及性能。能。加微量加微量V、Ti、W、Mo，形，形成特殊碳化物，阻止成特殊碳化物，阻止A。（一）（一） 成分及性能特点成分及性能特点低淬透性合金渗碳钢低淬透性合金渗碳钢 20Mn2、20MnV；中淬透性合金渗碳钢中淬透
13、性合金渗碳钢 20CrMn、20CrMnTi； 高淬透性合金渗碳钢高淬透性合金渗碳钢 18Cr2Ni4WA （二）典型牌号（二）典型牌号热处理特点：渗C+淬火+低温回火组织：表层 合金渗C体+回火M(高C)+少量A心部 低碳回火MT(或低碳回火M)+少量F三、合金调质钢三、合金调质钢经过经过调质调质处理（淬火处理（淬火+高温高温回火）后使用的中碳合金结构钢。回火）后使用的中碳合金结构钢。主要用于制造受力复杂主要用于制造受力复杂、要要求综合力学性能的重要零件如精密求综合力学性能的重要零件如精密机床的主轴、发动机的曲轴等等。机床的主轴、发动机的曲轴等等。 中碳 wC=0.250.5% 中合金 Mn
14、, Cr, Si , Ni, B wMe=37% 有时加微量V，以细化晶粒 高级优质 wS,P0.025% 回火脆性小 W、Mo s800MPa,b980MPa,10%, 45%, ak50J.cm-2（一）（一） 成分及性能特点成分及性能特点（二）（二） 典型牌号典型牌号低淬透性合金调质钢低淬透性合金调质钢 40Cr、40MnB中淬透性合金调质钢中淬透性合金调质钢 35CrMo、38CrSi高淬透性合金调质钢高淬透性合金调质钢 38CrMoAl、40CrNiMoA 四、合金弹簧钢四、合金弹簧钢是用来制造弹簧和是用来制造弹簧和其它弹性零件的钢种。其它弹性零件的钢种。如拖拉机和火车上的板如拖拉机
15、和火车上的板弹簧和螺旋弹簧。弹簧和螺旋弹簧。弹性比功是关键。弹性比功是关键。212eE弹性比功应力 应变 e应力 应变 中高碳中高碳wc=0.450.70%，含，含C量量比合金调质钢高，保证高强度和高比合金调质钢高，保证高强度和高的弹性极限。的弹性极限。 加加Si、 Mn、Cr、V、Nb、Mo、W, 以提高钢的淬透性和回火抗力，强以提高钢的淬透性和回火抗力，强化铁素体化铁素体 加加Mo、W、V、Nb，以降低因，以降低因Si的加入造成的脱的加入造成的脱C敏感性敏感性（一）（一） 成分及性能特点成分及性能特点60Si2Mn含含Si、Mn元素的合金弹簧钢，用于制造元素的合金弹簧钢，用于制造截面尺寸截
16、面尺寸25mm的弹簧，如汽车脱拉机的板的弹簧，如汽车脱拉机的板弹簧弹簧50CrVA含含Cr、V元素的合金弹簧钢，用于截面元素的合金弹簧钢，用于截面30mm并在并在350400工作的重载弹簧，如工作的重载弹簧，如阀门弹簧阀门弹簧（二）典型牌号（二）典型牌号热处理：热处理：淬火+中温回火组织：组织：回火T五、轴承钢五、轴承钢 用于制造滚动轴承的滚珠、滚柱用于制造滚动轴承的滚珠、滚柱和套圈等钢种。也可以用于制作精密和套圈等钢种。也可以用于制作精密量具、冷冲模、机床丝杠及柴油机油量具、冷冲模、机床丝杠及柴油机油泵的精密件如阀体、柱塞、柱塞套。泵的精密件如阀体、柱塞、柱塞套。 要求具有高的接触疲劳强度，
17、高要求具有高的接触疲劳强度，高而均匀的耐磨性及一定的韧性和耐腐而均匀的耐磨性及一定的韧性和耐腐蚀性能。蚀性能。高碳高碳wC=0.951.1%传统轴承钢是传统轴承钢是高高C低低Cr钢，可以保证钢，可以保证钢有高的硬度和强度。钢有高的硬度和强度。wC r=0.35%1.95%，提高钢的淬透性，并形成合金渗，提高钢的淬透性，并形成合金渗碳体，使钢具有高的接触疲劳强度和耐磨碳体，使钢具有高的接触疲劳强度和耐磨性。性。对于大型轴承用钢加对于大型轴承用钢加Si、Mn、Mo可可进一步提高淬透性、强度和弹性极限。进一步提高淬透性、强度和弹性极限。轴承钢要求纯度高，轴承钢要求纯度高，wS0.020%, wP0.
18、027%（一）成分及性能特点（一）成分及性能特点 含含Cr轴承钢轴承钢 GCr9、GCr15、GCr9SiMn、 GCr15SiMn无无Cr轴承钢，性能和轴承钢，性能和GCr 15相当相当GMnMoVRe、GSiMoMnV（二）典型牌号（二）典型牌号热处理：热处理：淬火+低温回火组织：组织：回火M六、超高强度钢六、超高强度钢工 程 上 把 抗 拉 强 度 工 程 上 把 抗 拉 强 度 1500MPa以上的钢称为超高强度以上的钢称为超高强度钢。主要用于制造飞机起落架、钢。主要用于制造飞机起落架、机翼大粱，火箭发动机壳体、液机翼大粱，火箭发动机壳体、液体燃料氧化剂储藏箱、炮筒、枪体燃料氧化剂储藏
19、箱、炮筒、枪筒、防弹板等等。筒、防弹板等等。wC=0.03%0.45%，含，含C范围宽。范围宽。按少量多元的原则加入合金元素：按少量多元的原则加入合金元素：Cr、Mn、Ni、Si、Mo、V、Nb、Ti、Al Cr、Mn、Ni、Si 钢的淬透性；钢的淬透性；Mo、V、Nb、Ti、Al形成特殊碳形成特殊碳化物使钢产生二次硬化，化物使钢产生二次硬化，V、Nb、Ti 有细化晶粒的作用有细化晶粒的作用（一）成分及性能特点（一）成分及性能特点低合金超高强度钢低合金超高强度钢 wMe5% 中合金超高强度钢中合金超高强度钢 5 wMe10% 高合金超高强度钢高合金超高强度钢 wMe10%分类分类第三节第三节
20、合金工具钢合金工具钢一、合金工具钢的分类和编号一、合金工具钢的分类和编号二、刃具钢1) 刃具的服役条件弯曲或扭转应力; 摩擦, 发热; 冲击; 震动2) 刃具的常见失效方式卷刃；崩刃；刀刃磨损；刀体折断3) 对刃具的性能要求高硬度，高耐磨；足够的强、韧性；高速切削时高的红硬性2. 典型合金刃具钢及其热处理1)高碳低合金刃具钢(1)典型牌号：9SiCr(2)成分特点高碳（三）中碳合金工具钢（三）中碳合金工具钢 这类钢主要用来制造热这类钢主要用来制造热作模具，如热锻模、热挤压作模具，如热锻模、热挤压模、压铸模。模、压铸模。wc=0.350.60%加加Mn、Ni、Si、Cr、W、Mo、V等以等以提高
21、钢的淬透性和回火稳定性提高钢的淬透性和回火稳定性及强化及强化F。 W、Mo可可抑制高温回火脆抑制高温回火脆性。性。 Cr、W、Mo、 Si还能还能提高钢的提高钢的耐热疲劳性能。耐热疲劳性能。(1) 成分及性能特点成分及性能特点5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2W8V等等(2) 典型牌号典型牌号三、新型合金工具钢三、新型合金工具钢新型新型合金工具钢合金工具钢基体钢基体钢 冷模具钢冷模具钢 热模具钢热模具钢 第四节第四节 特殊性能钢特殊性能钢特殊性能钢是指具有特殊物理、化学、力学性特殊性能钢是指具有特殊物理、化学、力学性 能的钢种。通常包括：不锈钢、耐热钢、低温能的钢种。通常包括：不锈钢、耐
22、热钢、低温钢和耐磨钢。钢和耐磨钢。（二）耐热钢 耐热钢按其正火组织可分为马氏体型、铁素体型、奥氏体型和沉淀硬化型。1.性能要求：高的抗高温氧化能力 高的高温强度2. 成分特点：在不锈钢的基础上，加入提高强度、形成致密氧化膜的元素3. 常用耐热钢1) 马氏体型耐热钢(1)典型牌号: 4Cr9Si2（气阀钢）1Cr12WMoV（叶片钢） (2)热处理特点：淬火(10001100) 高温回火(650800), S回 (3)性能特点：良好的高温强度 (4)应用：汽轮机叶片,发动机排气阀等2) 铁素体型耐热钢 (1)典型牌号: 1Cr18Si2 (2)热处理特点：正火处理（700800加热 空冷）,F
23、(3)性能特点：良好抗高温氧化性 (4)应用：加热炉构件等3) 奥氏体型耐热钢 (1)典型牌号: 1Cr18Ni12Ti (2)热处理特点：固溶处理（10001150加热水冷或油冷）, A (3)性能特点：良好抗高温氧化性、热强性 (4)应用：汽轮机叶片等三、低温钢l低温钢用于工作温度在0以下的零件和构件的钢种l1. 性能要求l 1）低的韧脆转变温度l 2）高的低温韧性l2. 影响金属低温韧性的主要因素l 1）晶体结构：面心立方，高；体心立方，低l 2）化学成分l 有益元素：Ni、Mnl 有害元素：C、P、Si四、耐磨钢l1. 服役条件l如坦克履带板、破碎机牙板、铁路道岔、冲击钻头等l 冲击、摩擦， l2. 性能要求：抗冲击磨损l3. 典型牌号：ZGMn13（高锰钢） l WC=0.91.5% WMn=1114% l4. 热处理特点l水韧处理(固溶处理) l10601100水冷, Al5. 性能特点l强烈的加工硬化能力l良好的抗冲击磨损性
