4第四章 钢的合金化对组织和性能的影响

2
热作模具：型腔表面温度可达6000C。
常用的材料是 5CrNiMo 5CrMnMo （传统）、 35Cr3Mo3W2V ( 新 钢种）等。
特殊性能钢（见§7-3 的 六、耐蚀高合金钢）
• 不锈钢中合金元素的作用（耐腐蚀的原理） • 常用的不锈钢类型及其应用
一
不锈钢中合金元素的作用（Cr,Ni,Si,AL,Mo,Ti,Nb等。）
2 工艺路线（用高速钢W18Cr4V制造车刀） 三镦三拔 下料 锻造 球化退火 成品 机加工 淬火
回火(三次） 550-570°C 3 组织分析 M回（细针状） 碳化物（粒状） A’（很少量 ）
三 其他常用的工具钢
1 冷作模具钢: 实际温度不超过200-3000C
工作条件及要求：负荷重、模具形状复杂，要求模具材料变形 小、耐磨性高、有一定的韧性。材料中含Cr较高， 常用的有：Cr12MoV（传统）、7Cr7Mo3VSi(新钢种）。
数字+合金元素符号+数字 含碳量的千 分数 合金元素平均质量 的千分数
说明：Wc>1%时，不标数字；高速钢例外。
合金结构钢的分类：
低合金高强度钢、 合金渗碳钢、 合金调质钢、合金弹 簧钢、轴承钢、超高强度钢
一 1 低合金高强度结构钢 应用：在大气和海洋中工作的的大型焊接结构件，如建筑 结构、桥梁、车辆 、船舶 、输油输气管道、压力容器等。
（1）提高铁素体的电极电位，Cr ， -0.56V → 0.12V (2) 使钢呈单相组织。
F
A
( WCr > 17%)
(WNi > 9%)
(3)形成致密氧化膜，如 Cr,Si,AL； （4）形成稳定碳化物，防止晶间腐蚀。金属间化合物 Ni3Al,Ni3(Ti,Nb) 。防止晶间腐蚀，提高强度，Ti,Nb等。
中淬透性合金渗碳钢 20CrMnTi 20 CrMn 高淬透性合金渗碳钢 18Cr2Ni4WA
常用牌号：20CrMnTi
5 6
20 CrMn
20MnTiB等
最终热处理：渗碳+淬火+低温回火 组织：表面高碳回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体 ， 心部：铁素体+低碳回火马氏体
三
合金调质钢：(需要经过调质处理 使用的中碳合金钢。)
1
2
应用：精密机床主轴、火车发动机曲轴、连杆螺栓、汽车 后桥半轴等。
性能要求：良好的综合性能（即高强度、好的塑性韧性）
3
成分：中碳（Wc：0.25—0.50% ，多数0.4%）,
合金元素：Mn, Cr, Si, Ni, B, Mo ,W等。
4 分类和牌号
低淬透性合金调质钢 40Cr 40MnB
中淬透性合金调质钢 35CrMo 38CrSi 高淬透性合金调质钢 38CrMoAlA 40CrNiMoA 常用牌号：40Cr 40MnB 35CrMo 5 热处理：调质处理
§4-5
钢的分类简介
一、 碳钢的分类和牌号
1. 碳钢的分类 碳钢分类见表 4 － 2 。具体钢种 的性能和用途在第七章中详 细介绍。
表4－2 碳钢的分类
2、碳钢牌号和命名：
普通碳素结构钢：Q235－A· F 优质碳素结构钢：20钢 、45钢 碳素工具钢：T9、 T10A
二 、合金钢的分类
1、合金钢的分类
四 1 2 3 4 5 五
合金弹簧钢 应用：用于制造汽车、拖拉机和火车的板弹簧或螺旋弹簧、 其它各种螺旋弹簧。 性能：具有高的弹性极限以及屈服强度，还具有高的疲劳 强度和足够的塑性韧性。 成分： Wc 0.45—0.70% ，多数 0.6% ，合金元素及作 用：Si,Mn,Cr,V，Nb,Mo,W 。 常用牌号：60Si2Mn， 65Mn, 50CrVA 最终热处理：淬火+中温回火 轴承钢（用于制造滚动轴承）
2 失效形式：磨损，刀刃崩缺，刀具折断 3 性能要求： 高硬度； 红硬性； 一定强度、塑性、韧性 二 典型的工具钢成分及热处理（以高速钢为例）W18Cr4V
1
成分
高碳： 0.7—0.8% ，保证高硬度，并与 W,V 等形成碳化物或 者是合金碳化物 高的Ｗ含量：—18%；使钢保持红硬性，提高回火抗力，提 高 淬 透 性 。 （ 在 500-600 度 回 火 时 产 生 细 小 而 弥 散 分 布 W2 C。 ） Cr: --4% 提高淬透性和回火抗力，增加抗氧化、抗 脱碳、抗腐蚀能力。 V ： --1% 提高硬度和红硬性，细化晶粒（形成细少的 高硬度的VC，改善韧性）
2、合金元素与铁的作用-----合金固溶体 几乎所有合金元素都可以与铁作用形成合 金铁素体或者合金奥氏体。除了C、N、B与铁 形成间隙固溶体外，其它合金元素均与铁形成
置换固溶体。合金元素都可以在不同程度上提
高固溶体的强度和硬度，并降低冲击韧性，其 中Si和Mn对铁素体固溶强化效果最为显著，镍 还可以减少钢的冷脆性并增加塑性和韧性。
二 常用不锈钢
1 马氏体型不锈钢
成分：Wc：0.1—1.0%， WCr :12—18% 特点：淬透性好，空冷可到马氏体.
牌号：1Cr13 , 2Cr13 ，3Cr13 , ↓ 亚共析钢 ↓ 共析钢
4Cr13, ↓ 过共析钢
热处理及应用：1Cr13 , 2Cr13；调质处理，组织为S回。 应用：汽轮机叶片（ 1Cr13 , 2Cr13 称为叶片钢），蒸汽 机管附件。 3Cr13 , 4Cr13 应用：医疗器件，不锈钢刃具。 2 奥氏体型不锈钢（用量最多，占65—70%； ） WCr: 18%； WNi: 8%； 淬火+低温回火，组织为M回
性能：高塑性、高的低温韧性、高的加工硬化能力、焊接性 能好、无磁性及高的耐腐蚀性。 应用：化工行业居多，酸（硝酸、有机酸）、碱、盐工业中 的机械零件。
3 铁素体型不锈钢
• 室温下具有铁素体组织的铬不锈钢，其 代表性的钢种是0Cr13、1Cr17及含铬为 25~30%的钢。 • 把碳＋氮降至≤0.025%，得到许多性能优 异的钢种，如超纯级的000Cr18Mo2、 000Cr25Mo1、000Cr28Mo2、 000Cr30Mo2及000Cr28Ni4Mo2等。
典型成分：Wc: < 0.12%
(称为18-8不锈钢，目前为19-9）如1Cr18Ni9、 0Cr18Ni9、00Cr19Ni10等
也可添加适量的钼、钛、铌、铜等元素 ：0Cr17Ni12Mo2 ， 0Cr18Ni10Ti ，0Cr17Ni13Mo3Cu2 组织：单相A 固溶处理：加热至A体区快冷（水冷）。
合金钢的分类见图4－3。 具体钢种的性能和用途在第七章中介绍
表4－3 合金钢的分类
2 合金钢的牌号
平均碳的质 量的万分数
合金元素平均质 量的万分数
（1）合金结构钢的牌号：数字+合金元素符号+数字 45Mn2 40Cr 几个特殊情况：轴承钢，低合金高强度结构钢,高级优质钢
(2) 合金工具钢和特殊性能钢的牌号：
第四章 钢的合金化对组织和性能的影响 知识要点
合金元素对钢的组织和性能、热处理和加工的影响; 碳素钢和合金钢的分类和牌号命名方法; 常用的合金结构钢、合金工具钢(以高速钢/模具钢为例）、 特殊性能钢（不锈钢）
§4-1 合金元素在钢中的存在形式和作用
合金元素添加后主要与铁和碳发生反应
1、合金元素与碳的作用-----合金碳化物
3、合金元素对回火转变的影响
• A、提高回火稳定性 推迟了马氏体分解和残余奥氏体的转变； 提高了铁素体的再结晶温度； • B、高温回火脆性 250～350℃出现低温回火脆性，又称为不 可逆回火脆性。 450～650℃出现高温回火脆性。这是可逆 的回火脆性 。回火快速冷却可防止、 加入W或Mo 可以消除
2、合金元素对加热和冷却转变的影响
A、对加热转变的影响 碳化物形成元素，阻滞碳的扩散，大大减 缓奥氏体的形成，并且阻止晶粒长大 。 非碳化物形成元素可以加快奥氏体的形成， 对阻止晶粒长大的作用不大 。 个别元素：Mn、P以及B有促进奥氏体晶粒 长大的倾向。
B、对冷却转变的影响
• 几乎所有合金元素（Co除外）都不同程 度地延缓其转变，增大过冷奥氏体的稳 定性，使C曲线右移，提高了钢的淬透性。 利？弊？ • 除Co、Si和Al之外，大多数合金元素会 降低Ms和Mf点，使钢中残余奥氏体量增 加，从而降低了钢的硬度和抗疲劳性、 耐磨性。利？弊？
2
3 4
性能：好的塑性韧性及焊接性能 ，强度高，可抵抗大气腐 蚀。
成分：低碳、含Mn、Ti、V、Nb、RE元素。 牌号：Q+数字 （Q345， Q390， Q420， Q460 ）
屈服强度
二、合金渗碳钢：低碳钢基础上加合金元素
1 应用：汽车、重型机床齿轮、活塞销，内燃机的凸轮轴等
2 3 4 性能：“表硬心韧” 成分： Wc：0.12—0.25%，常加元素Cr ,Ni ,Mn ,B ，微量元 素V, Ti , W , Mo 分类和牌号 分类：低淬透性合金渗碳钢 20Mn2 20Mn 20MnTiB
§4-2 合金元素对钢热处理的影响
1、 合金元素对Fe-Fe3C相图的影响 A、改变γ相区 扩大γ相区的元素Mn、Ni、Co、C、N、Cu添 加后，使A1点下降 缩小γ相区的元素Cr、Mo、V、W、Ti、Si、Al、 B、Nb添加后，使A1 点上升 B 、S和E点移动 ：移向含碳量较小的方向 （左移← ）
按照合金元素形成碳化物的能力由大到小排列为：Ti、Zr、Nb、 V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。其中: 强碳化物形成元素Ti、Zr、Nb、V都形成特殊碳化物，其碳化物 不同于一般渗碳体。 中等碳化物形成元素W、Mo、Cr含量较低时与铁形成合金渗碳 体，含量较高时可形成新的合金碳化物。 弱碳化物形成元素Mn、Fe少部分溶于渗碳体中、大部分溶于铁 素体或奥氏体。 渗碳体、合金渗碳体、合金碳化物、特殊碳化物， 稳定性和硬度依次增高→
§4-3 合金元素对对钢加工性能的影响
• 热处理、耐蚀性能 ：合金钢的淬透性提 高，回火稳定性增加，减少变形及开裂 倾向，使热处理操作容易。有利 • 其它性能： 都不利 • 铸造 、焊接 、锻造 、冷加工 、切削
§4-4 钢中杂质对性能的影响
Mn、Si、 S 、 P杂质 ： 锰 与硫的结合力较强，生成的MnS夹杂 硅 与氧的结合力较强，生成的SiO2夹杂 硫 的夹杂物使钢产生热脆（热轧 、焊接）， 导致开裂 磷 使钢材脆性增加，称为冷脆 。产生偏析 影响焊接性能
• 作业：P54
3 ，4
两大类：高碳铬轴承钢 GCr15、GCr15SiMn
高碳无铬轴承钢 GMnMoVRE GSiMnMoV
合金工具钢
知识点 以高速钢为例，了解工具钢成分特点， 合金元素的作用、热处理过程等。
一 工具钢的服役条件及性能要求（以车刀为例） 1 服役条件
（1）刀刃与工件之间发生剧烈的摩擦，造成严重的磨损 （2） 刀刃部分温度高（高Fra Baidu bibliotek切削时，温度达600度） （3）冲击与振动 （进刀）