第7章 合金钢

使弹簧具有高弹性极限、屈服极限和疲劳强度，一定的塑性和韧性。
（2）冷成型弹簧：截面尺寸＜10 mm 如果成型前弹簧钢丝已经有很高的强度和足够的塑性、韧性： 消除应力的退火处理 如果弹簧钢丝是退火状态，成形后：淬火＋中温回火 弹簧最后喷丸处理：造成表面压应力，提高疲劳强度。 五 滚动轴承钢：制作滚动轴承元件、其它耐磨零件 工作时承受较大局部交变载荷，滚动体和套圈之间有极大的接触应力。 要求有很高的硬度、耐磨性、疲劳强度，足够的韧性、耐腐蚀性。 （1）化学成分：常用高碳、铬钢， wc=0.95 ~ 1.15%， wCr=0.40 ~1.55%。 高碳：提高硬度，获得高耐磨性合金碳化物 Cr：↑淬透性，形成合金渗碳体阻止A晶粒长大以获得隐晶M， ↑强度、韧性和疲劳强度。 大型轴承加入Si、Mn、Mo、V：提高淬透性、强度和疲劳极限
缩小A体相区元素： Cr、Mo、W、V、Ti、Si、
Al 使S点和E点向左上方移动，A相区缩小，促使F形 成，称为F形成元素。当他们的含量足够高时奥氏
体相区消失，使钢在高温和室温都为稳定的F组织， 生产出单相铁素体钢，如1Cr17钢
2 几乎所有合金元素都使S点和E点向左移，即移向低碳方向。
S点左移：共析成分含碳量降低，如含Cr13%的钢共析成分含碳量仅为0.3% E点左移：出现莱氏体的含碳量降低。如含W18%的钢，含碳量仅
（2）热处理：球化退火＋淬火＋低温回火 组织：极细回火M＋极细粒状合金渗碳体＋少量A残 61—65HRC
精密轴承淬火后冷处理：－60 ℃减少A残，低温回火消除冷处理时内应力。
精磨后稳定化处理：加热120 ℃ ～130 ℃保温10～15h 提高尺寸稳定性。
六 易切钢
有良好的切削加工性能
加入合金元素：S、P、Pb、Ca、Se等 Pb：细小颗粒均匀分布在钢的基体上，改善可切削性，0.1%～ 0.3% S：0.08%～0.35%，必须有足够Mn形成MnS夹杂物，中断基体连续 性提高切削性能。但容易形成纤维组织。加入Ti、Zr、RE等，抑 制
原因：加入这些元素使碳的扩散能力降低，形成碳化物阻碍碳扩散。 碳化物稳定性很高，难分解，使A均匀化过程变得困难。 把A化过程的三个阶段推向更高温度。
合金钢要获得成分均匀A，加热温度更高，保温时间更长。
3 对A体晶粒度的影响：
P、Mn等促进奥氏体晶粒长大；
V 、 Ti、Nb、Al等强烈阻止奥氏体晶粒长大。 Mo、W、Cr有阻止奥氏体晶粒长大作用。
不 可 逆
在此温度范围回火，碳化物沿M晶界呈薄片析出， 增大了晶界脆断倾向，使韧性降低。 第二类回火脆性：500～650℃ 缓冷
最容易出现在含Cr、Mn、Ni等元素的合金钢中。 原因：缓冷时合金元素在原A晶
界上偏聚，削弱了晶界的联系。
可 逆
快冷可以消除第二类回火脆性 加入W、Mo可防止第二类回火脆性
原因：（1）在500℃～600 ℃回火时，析出细小、弥散分布的特殊
碳化物Mo2C、 VC、 W2C、、TiC，硬度很高、
稳定性高， 难以聚集长大，具有高温强度。 （2）部分残余A转变为M也提高了硬度。 A残析出合金碳化物，降低了A残中合金浓度，Ms↑
冷却时A残 → M “产生二次淬火” 。
3 产生回火脆性 在某温度范围回火出现脆化（冲击韧性降低）现象。 第一类回火脆性： 250℃ ～350 ℃左右
四 合金弹簧钢：用于制造大截面尺寸的弹簧和弹性零件 1 化学成分特点：
wc= 0.45% ~ 0.7%
碳素弹簧钢淬透性差：小尺寸弹簧。
主添加元素是Si、Mn：提高淬透性、回火稳定性、
强化F，保证高弹性和高屈强比。 Cr、Mo、V：细化晶粒，提高弹性和屈强比、提高高温强度
2 弹簧的成型及热处理特点
（1）热成型弹簧：截面尺寸＞10 ～ 15mm 加热成型＋淬火＋中温回火，组织为回火托氏体。
第七章 合金钢
与合金钢相比，碳钢的淬透性低、强度低、回火稳定性差、不具备某些
特殊性能等。
在碳素钢的基础上，为了改善钢的组织和性能，在冶炼时有意加入某些
元素所获得的钢种，叫合金钢。 常用的合金元素有：Si(>0.4%)、Mn(>0.8%)、Cr、Mo、 W、V、Ti、
Nb、Zr、Ni、Co、Al等。
第一节 合金元素在钢中的作用
4 常用钢种：20CrMnTi（如用于汽车变速箱齿轮）
下料 → 锻造 → 正火 → 加工齿形 → 渗碳 → 淬火（油冷）
→ 低温回火 → 喷丸→精磨
三 合金调质钢：
制造重要机器零件（齿轮、连杆、重要螺栓等），淬透性要好。
1 化学成分特点： wc= 0.25% ~ 0.50%：碳过低不易淬硬，过高则韧性差。
↓重量20%～30%。良好的压力加工性能和焊接工艺性，
耐蚀性及低温性能好。
c 热处理特点：热轧后退火或正火，成形后不进行热处理，组织：P+F。
二 渗碳钢：
1 化学成分特点： wc= 0.1% ~ 0.25%：以保证零件的心部有足够的塑性和韧性；
碳素渗碳钢淬透 性低淬，热处理 热处理后表层和心部都得到强化。 对心部性部改变 Ti、V、Mo：细化晶粒，形成碳化物阻止渗碳时奥氏体长大。 不大。
二 合金元素对铁碳合金相图的影响
1 扩大或缩小奥氏体相区：
影响最大
பைடு நூலகம்
扩大A体相区元素： C、N、 Co、 Ni、 Mn、Cu
使S点和E点向左下方移动，A相区扩大，促使A 形成，称为A形成元素。当他们的含量足够高时 S点温度会降到室温以下，室温可得到稳定的A组 织，生产出奥氏体钢，如：1Cr18Ni9Ti
合金元素：Mn、Cr、Si、Ni、B：可提高淬透性，强化F，改善韧性。
加入少量的Mo、W、V、Ti等元素：阻止A体晶粒长大，提高钢的回火稳定性。 Mo：防止第二类回火脆性。 2 热处理特点： 预备热处理： 改善调质钢的锻压组织及切削加工性能 合金元素含量较低：正火 最终热处理： 调质：淬火＋高温回火；
硫化物延伸，防止各向异性。
Ca：0.001%～0.05%，形成高熔点氧化物，附在刀具上， 提高耐磨性。 在刀具钢或不锈钢中加Pb、 S、Se等，可提高可切削性。
第四节
一 刃具钢 1 性能要求
工具钢
（1）高硬度：＞60HRC； C↑→ HRC↑； 0.6%～1.5% （2） 高耐磨性：取决于碳化物的硬度、数量、大小、分布。一定量的硬
一位数字 + 合金元素符号+ 数字 碳的千分之几
含碳量 ≤ 0.03% 和 0.08%，钢号前分别 “0” 和 “00” 例：2Cr13 0Cr18Ni9Ti
第三节
一 低合金高强度结构钢：
合金结构钢
在普通碳钢的基础上加入少量合金元素制成，主要用于工程结构，如桥梁、 建筑、船舶、车辆、高压容器等，故又称其为工程用钢。 a 化学成分特点：低碳wc<0.2% 、低合金元素wMe<3% 合金元素：Mn、Ti、V、Nb、Cu、P等 Mn：固溶强化、细化晶粒↑强度，改善塑性、韧性 Ti、V、Nb：形成碳化物阻碍晶粒长大，弥散强化 Cu、P ：↑耐腐蚀性 b 性能特点：较高的强度（比碳素结构钢高10%～30%），足够塑性和韧性；
常用合金元素： Cr、Ni、Mn和B以提高钢的淬透性，
2 热处理特点： 预备热处理：正火
表面：0.85%～1.0%
合金渗碳体＋回火M＋残余A 60～62HRC
最终热处理：渗碳后进行淬火，低温回火（180 ~200℃）
心部组织：淬透：低碳M。
多数情况：T＋少量低碳M＋少量F 3 性能特点： 表面具有较高的硬度、耐磨性， 心部具有足够的强度和韧性。
增加了残余A的数量。
硬 度 （四）对回火转变的影响 降 1 提高钢的回火稳定性：钢对回火时软化过程的抵抗能力。 低 越不容易软化，回火稳定性越强。 的 过 回火组织转变包括四个阶段： M分解 程 残余A分解 被 离不开Fe原子和C原子扩散 碳化物的转变 推 渗碳体聚集长大和α相再结晶。 向 更 加入合金元素，尤其是Nb、Ti、V、W、Mo、Cr等， 高 降低Fe和 C原子扩散能力，把回火组织转变四个阶段推向更高温度。 温 度 在同一温度回火，合金钢硬度和强度高。
为0.7% ～ 0.8% 铸态出现莱氏体。 A 形成元素使共析温度下降，F 形成元素使共析温度升高。
三 合金元素对钢热处理的影响
（一）对钢加热时A体化的影响
晶核形成和长大 奥氏体成分均匀化
合金钢A化过程和碳钢相同，包括三个阶段： 渗碳体溶解 A化过程离不开Fe和C原子的扩散。
加入合金元素影响了扩散速度和碳化物稳定性。 1 加速A体的形成： 某些非碳化物形成元素如Co、Ni 加速A体的形成。 2 减慢A体的形成： 大部分合金元素特别是强碳化物形成元素如 Mo、W、V等，减慢A体的形成速度。
碳的万分之几
如 60Si2Mn 合金元素＜1.5%：省略
合金元素百分之 几
高级优质钢，钢号最后加（A） 易切钢：Y＋含碳量万分之几+合金元素符号+ 数字 例：Y20 、 Y20Pb
滚动轴承钢：GCr＋含铬量千分之几+合金元素符号+ 数字
例：GCr15SiMn
3 合金工具钢
一位数字 + 合金元素符号+ 数字 碳的千分之几 含碳量≥千分之十：省略 例：5CrMnMo 4 特殊性能钢 CrWMn 合金元素百分之几 合金元素＜1.5%：省略
而细小的碳化物均匀分布在强而韧的基体上可提高耐磨性。
（3） 高的热硬性：刀具温度升高时仍能保持高硬度。
钢中加入提高回火稳定性、能产生二次硬化的元素可提高钢的热硬性。 碳素工具钢淬透性低、淬火时易变形和开裂，热硬性差。 用于制作刃部受热较低的手用工具或低速、小走刀量的机用工具。 2 低合金刃具钢 （1）成分特点：碳0.9%～1.5%
组织：回火索氏体，具有良好的综合性能。