第七章合金钢(同济王国华)1128案例
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第二类回火脆性： 450 ℃～ 600 ℃间产生的回火脆性。在含Mn、Cr、Ni等元素的合金钢中易发生。 产生的原因：某些杂质元素以及合金元素本身在原奥氏体晶界上的严重偏聚有关。 如何防止：①回火后快冷 ②加入Mo、W
原因① 沉淀硬化: 当回火温度低于 450 ℃时，钢中析出渗碳体，在 450 ℃以上渗碳体溶解，钢中开始析出弥散稳定的难溶碳化物，使硬度重新升高。 550 ℃左右出现峰值。
回火脆性：钢回火时，在某一温度段，脆性增加，冲击韧性明显下降的现象。
第一类回火脆性： 250 ℃～ 400 ℃间产生的回火脆性，无法消除，只能避开。
时间
温 度
低温回火
180～200 ℃
800火
Ac3+30 ～ 50 ℃
900-950 ℃渗碳
图 20CrMnTi制造齿轮热处理工艺图
最终热处理后的组织： 表面渗碳层的组织： 合金渗碳体+回火马氏体+少量残余奥氏体 硬度60HRC～62HRC
心部组织： 完全淬透：回火马氏体 多数情况心部为：屈氏体+回火马氏体+少量铁素体 硬度：25HRC ～40HRC;心部韧性一般高于700kJ/m2
除Co、Al外，多数合金元素都使Ms、Mf点下降C曲线右移，即提高钢的淬透性。
图 合金元素对碳钢C曲线的影响
3.合金元素对回火转变的影响
(1)提高回火稳定性 淬火钢在回火时，抵抗强度、硬度下降的能力称为回火稳定性。 提高回火稳定性作用较强的合金元素有： V、Si、Mo、W、Ni、Co等
缩小γ相区的元素均缩小奥氏体存在范围。 ，其中完全封闭γ相区的元素(如Cr、Ti、Si等) 超过一定含量后，可使钢在室温下得到单相铁素体组织。1Cr17Ti
2.对共析点S和共晶点C的影响
扩大γ相区的元素使共析点S下降，缩小γ相区的元素使共析点S上升。
所有合金元素都使共析点S碳质量分数下降(即左移)。
合金元素及其质量分数的表示：
20CrMnTi
W(C)约为0.2%
主要元素Cr、Mn、Ti的质量分数均在1.5%以下。
牌号：
1Cr18Ni9Ti
W(C)约为0.1%
主要元素w(Cr)约为18% w(Ni)约为9% w(Ti) ＜1.5%
(2)产生二次硬化 一些Mo、W、V质量分数较高的高合金钢回火时硬度不是随回火温度升高而单调降低，而是到某一温度(约400℃)反而开始增大，并在另一更高温度(一般为550 ℃左右)达到最高峰，这是回火过程的二次硬化现象。
原因② 残余奥氏体的转变：二次硬化也可以由回火时冷却过程中残余奥氏体转变为马氏体的二次淬火引起。
牌号：
专用钢用汉语拼音字首来表示。 少数特殊性能钢的编号例外。
特例1：滚珠轴承纲：GCr15：w(C)约为1.0% w(Cr)约为1.5%
特例2：易切削钢：Y40Mn: w(C)约为0.4% w(Mn)＜1.5%
弥散和沉淀强化
当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将阻碍位错运动，产生显著的强化作用。如果第二相是从过饱和的固溶体中析出的第二相(如细小的碳化物)，则称为沉淀强化。如果第二相是以粉末冶金的方式加入并起强化作用，则称为弥散强化。
位错强化
位错密度增加，位错间的交互作用增强，相互缠结，造成位错运动阻力增大，引起塑性变形抗力提高。
对于共晶点也有类似的规律。
三、 合金元素对钢的热处理的影响
1.合金元素对加热时组织的影响
减慢：Cr、Mo、W、V等阻碍碳的扩散 加快：Co、Ni等增大碳的扩散 影响不大：Al、Si、Mn等
(2)对奥氏体晶粒大小的影响
(1) 对奥氏体形成速度的影响
大多数金属都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。碳化物形成元素最明显。
碳质量分数的表示：
标出主要合金元素，质量分数由其后面的数字标出，平均质量分数为：1.5%～2.49%标2 2.5%～3.49%标3 以此类推 若＜1.5%不标
缩小γ相区的元素：Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等
A3点(γ-Fe α-Fe)↓ A4点(δ-Fe γ-Fe) ↑
A3点(γ-Fe α-Fe) ↑ A4点(δ-Fe γ-Fe) ↓
Cr<7% A3点↓ Cr>7% A3点↑
金属晶粒越细晶界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大。 原因：
细晶强化
例：为什么说得到马氏体随后回火处理是钢的最经济又最有效的强韧化方法？
答：淬火形成马氏体时，马氏体中的位错密度增高，而屈服强度是和位错密度成正比的，马氏体形成，马氏体被分隔成许多较小的、取向不同的区域（马氏体束），产生相当于晶粒细化的作用。马氏体中的合金元素也有固溶强化作用。 马氏体是过饱和固溶体，回火时析出碳化物使间隙固溶强化效应大大减小，但使韧性大大改善，同时析出的碳化物粒子能造成强烈的第二相强化。所以，获得马氏体并对其回火是钢的最经济最有效的综合强化方法。
第二节 合金钢的分类及编号
1.合金钢的分类
2.合金钢的编号
按用途分：结构钢、工具钢和特殊性能钢
总原则： 碳质量分数+合金元素符号+合金元素数量+质量级别
结构钢：碳质量分数万分之一，两位数表示。 工具钢、特殊性能钢：碳质量分数千分之一，一位数 表示。 工具钢的碳质量分数超过1%时，碳质量分数不标出。
(3)增大回火脆性
四、 合金元素对钢的机械性能的影响
四种强化机制
固溶强化
弥散和沉淀强化
位错强化
细晶强化
欲提高强度，设法增大位错运动的阻力，合金中能有效阻止位错运动的障碍有四种，因而强化机制也有四种。
固溶强化
通过形成固溶体使金属的强度和硬度提高的现象称为固溶强化。 原因：晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。
(4)常用钢种：例：20Cr、20CrMnTi
一般：渗碳后直接淬火，再低温回火。
(5)热处理和组织性能
例：汽车齿轮
(1)渗碳齿轮的工艺路线：下料→锻造→正火→切削加工→渗碳、淬火+低温回火→喷丸→磨削加工
汽车齿轮主要分装在变速箱和差速器中。 汽车齿轮受力较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等，均要求比机床齿轮高。 选材：合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi 回答以下问题： (1)工艺路线、热处理工艺参数 (2)分析组织与性能
特例3：高级优质钢在钢的末尾加“A”：20Cr2Ni4A
特例4：耐热钢：12Cr1MoV: w(C)约为0.12% w(Cr)约为0.1% w(Mo) ＜1.5% w(V) ＜1.5%
1.低合金结构钢
第三节 合金结构钢
(2)性能要求
①高强度 ②高韧性 ③良好的焊接性和冷成型性 ④低的冷脆转变温度 ⑤良好的耐蚀性
主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构件。
(1)用途
(4)常用钢种：例：16Mn (Q345)
①热轧空冷状态下使用，不需专门的热处理 ②为了改善焊接区，可进行一次正火处理。 组织：F+S
第七章 合金钢 概 论
随着科学技术和工业的发展，对材料提出了更高的要求，如更高的强度，抗高温、高压、低温，耐腐蚀、磨损以及其它特殊物理、化学性能的要求，碳钢已不能完全满足要求。 碳钢的在性能上主要有以下几方面的不足： (1) 淬透性低 通常，碳钢水淬最大淬透直径只有10 mm～20 mm。 (2) 强度和屈强比较低 如普通碳钢Q235钢的σs为235 MPa，而低合金结构钢Q345（16Mn）的σs则为360 MPa以上。40钢的σs /σb仅为0.43, 而合金钢35CrNi3Mo的σs /σb高达0.74。 (3) 回火稳定性差 碳钢在进行调质处理时，为了保证较高的强度需采用较低的回火温度，这样钢的韧性就偏低；为了保证较好的韧性，采用高的回火温度时强度又偏低，所以碳钢的综合机械性能水平不高。 (4) 不能满足特殊性能的要求 碳钢在抗氧化、耐蚀、耐热、耐低温、耐磨损以及特殊电磁性等方面往往较差，不能满足特殊使用性能的需求。为了提高钢的性能，在铁碳合金中特意加入合金元素。所获得的钢种，称为合金钢。 老师提示 碳钢不能完全满足科学技术和工业的发展要求。 为了提高钢的性能，在铁碳合金中特意加入合金元素。所获得的钢种，称为合金钢。
①低碳：w(C)=0.1%～0.25%之间 ②加入提高淬透性的合金元素：Cr、Ni、Mn等 ③加入阻碍奥氏体晶粒长大的合金元素： Ti、V、 W、Mo等
(3)成分特点
第一节 合金元素在钢中的作用
合金元素
C，碳化物
Fe，固溶体
少量存于夹杂物中
高合金钢中可能形成金属间化合物
一、 合金元素对钢中基本相的影响
1. 溶于铁 合金元素除Pb外，都可溶于铁，形成合金铁素体或合金奥氏体。
分类
扩大γ相区的元素：Mn、Ni、Co、C、N、Cu等
①强烈阻碍奥氏体晶粒长大的元素：V、Ti等 ②中等阻碍奥氏体晶粒长大的元素：W、Mo、Cr ③对奥氏体晶粒长大影响不大的元素：Si、Ni、Cu ④促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P
2.合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响
除Co以外，几乎所有的合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性，推迟珠光体类型组织的转变，使C曲线右移，即提高钢的淬透性。
正火的目的：提高硬度，改善切削性能
(2)组织与性能
3. 合金调质钢
主要用于制造汽车、拖拉机、机床和其他机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。
(1)用途
图 扩大γ相区的相图
图 缩小γ相区的相图
完全扩大
部分扩大
完全封闭
部分缩小
2. 形成碳化物
分类
非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B
碳化物形成元素：Mn、Cr、W、V、Nb、Zr、Ti
二、 合金元素对铁碳相图的影响
1.对奥氏体和铁素体存在范围的影响
扩大γ相区的元素均扩大奥氏体存在范围。 如Ni、Mn含量较多时，可使钢在室温下得到单相奥氏体组织。1Cr18Ni9Ti、ZGMn13
(5)热处理和组织性能
①低碳：w(C)<0.2% ②加入以Mn为主的合金元素 ③加入铌、钛或钒等辅加元素
(3)成分特点
2. 合金渗碳钢
主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等。
(1)用途
①表面渗碳层硬度高 ②心部高的韧性和足够高强度 ③有良好的热处理性能
(2)性能要求
原因① 沉淀硬化: 当回火温度低于 450 ℃时，钢中析出渗碳体，在 450 ℃以上渗碳体溶解，钢中开始析出弥散稳定的难溶碳化物，使硬度重新升高。 550 ℃左右出现峰值。
回火脆性：钢回火时，在某一温度段，脆性增加，冲击韧性明显下降的现象。
第一类回火脆性： 250 ℃～ 400 ℃间产生的回火脆性，无法消除，只能避开。
时间
温 度
低温回火
180～200 ℃
800火
Ac3+30 ～ 50 ℃
900-950 ℃渗碳
图 20CrMnTi制造齿轮热处理工艺图
最终热处理后的组织： 表面渗碳层的组织： 合金渗碳体+回火马氏体+少量残余奥氏体 硬度60HRC～62HRC
心部组织： 完全淬透：回火马氏体 多数情况心部为：屈氏体+回火马氏体+少量铁素体 硬度：25HRC ～40HRC;心部韧性一般高于700kJ/m2
除Co、Al外，多数合金元素都使Ms、Mf点下降C曲线右移，即提高钢的淬透性。
图 合金元素对碳钢C曲线的影响
3.合金元素对回火转变的影响
(1)提高回火稳定性 淬火钢在回火时，抵抗强度、硬度下降的能力称为回火稳定性。 提高回火稳定性作用较强的合金元素有： V、Si、Mo、W、Ni、Co等
缩小γ相区的元素均缩小奥氏体存在范围。 ，其中完全封闭γ相区的元素(如Cr、Ti、Si等) 超过一定含量后，可使钢在室温下得到单相铁素体组织。1Cr17Ti
2.对共析点S和共晶点C的影响
扩大γ相区的元素使共析点S下降，缩小γ相区的元素使共析点S上升。
所有合金元素都使共析点S碳质量分数下降(即左移)。
合金元素及其质量分数的表示：
20CrMnTi
W(C)约为0.2%
主要元素Cr、Mn、Ti的质量分数均在1.5%以下。
牌号：
1Cr18Ni9Ti
W(C)约为0.1%
主要元素w(Cr)约为18% w(Ni)约为9% w(Ti) ＜1.5%
(2)产生二次硬化 一些Mo、W、V质量分数较高的高合金钢回火时硬度不是随回火温度升高而单调降低，而是到某一温度(约400℃)反而开始增大，并在另一更高温度(一般为550 ℃左右)达到最高峰，这是回火过程的二次硬化现象。
原因② 残余奥氏体的转变：二次硬化也可以由回火时冷却过程中残余奥氏体转变为马氏体的二次淬火引起。
牌号：
专用钢用汉语拼音字首来表示。 少数特殊性能钢的编号例外。
特例1：滚珠轴承纲：GCr15：w(C)约为1.0% w(Cr)约为1.5%
特例2：易切削钢：Y40Mn: w(C)约为0.4% w(Mn)＜1.5%
弥散和沉淀强化
当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将阻碍位错运动，产生显著的强化作用。如果第二相是从过饱和的固溶体中析出的第二相(如细小的碳化物)，则称为沉淀强化。如果第二相是以粉末冶金的方式加入并起强化作用，则称为弥散强化。
位错强化
位错密度增加，位错间的交互作用增强，相互缠结，造成位错运动阻力增大，引起塑性变形抗力提高。
对于共晶点也有类似的规律。
三、 合金元素对钢的热处理的影响
1.合金元素对加热时组织的影响
减慢：Cr、Mo、W、V等阻碍碳的扩散 加快：Co、Ni等增大碳的扩散 影响不大：Al、Si、Mn等
(2)对奥氏体晶粒大小的影响
(1) 对奥氏体形成速度的影响
大多数金属都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。碳化物形成元素最明显。
碳质量分数的表示：
标出主要合金元素，质量分数由其后面的数字标出，平均质量分数为：1.5%～2.49%标2 2.5%～3.49%标3 以此类推 若＜1.5%不标
缩小γ相区的元素：Cr、Mo、W、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr等
A3点(γ-Fe α-Fe)↓ A4点(δ-Fe γ-Fe) ↑
A3点(γ-Fe α-Fe) ↑ A4点(δ-Fe γ-Fe) ↓
Cr<7% A3点↓ Cr>7% A3点↑
金属晶粒越细晶界越多，变形抗力越大，金属的强度就越大。 原因：
细晶强化
例：为什么说得到马氏体随后回火处理是钢的最经济又最有效的强韧化方法？
答：淬火形成马氏体时，马氏体中的位错密度增高，而屈服强度是和位错密度成正比的，马氏体形成，马氏体被分隔成许多较小的、取向不同的区域（马氏体束），产生相当于晶粒细化的作用。马氏体中的合金元素也有固溶强化作用。 马氏体是过饱和固溶体，回火时析出碳化物使间隙固溶强化效应大大减小，但使韧性大大改善，同时析出的碳化物粒子能造成强烈的第二相强化。所以，获得马氏体并对其回火是钢的最经济最有效的综合强化方法。
第二节 合金钢的分类及编号
1.合金钢的分类
2.合金钢的编号
按用途分：结构钢、工具钢和特殊性能钢
总原则： 碳质量分数+合金元素符号+合金元素数量+质量级别
结构钢：碳质量分数万分之一，两位数表示。 工具钢、特殊性能钢：碳质量分数千分之一，一位数 表示。 工具钢的碳质量分数超过1%时，碳质量分数不标出。
(3)增大回火脆性
四、 合金元素对钢的机械性能的影响
四种强化机制
固溶强化
弥散和沉淀强化
位错强化
细晶强化
欲提高强度，设法增大位错运动的阻力，合金中能有效阻止位错运动的障碍有四种，因而强化机制也有四种。
固溶强化
通过形成固溶体使金属的强度和硬度提高的现象称为固溶强化。 原因：晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。
(4)常用钢种：例：20Cr、20CrMnTi
一般：渗碳后直接淬火，再低温回火。
(5)热处理和组织性能
例：汽车齿轮
(1)渗碳齿轮的工艺路线：下料→锻造→正火→切削加工→渗碳、淬火+低温回火→喷丸→磨削加工
汽车齿轮主要分装在变速箱和差速器中。 汽车齿轮受力较大，受冲击频繁，其耐磨性、疲劳强度、心部强度以及冲击韧性等，均要求比机床齿轮高。 选材：合金渗碳钢20Cr或20CrMnTi 回答以下问题： (1)工艺路线、热处理工艺参数 (2)分析组织与性能
特例3：高级优质钢在钢的末尾加“A”：20Cr2Ni4A
特例4：耐热钢：12Cr1MoV: w(C)约为0.12% w(Cr)约为0.1% w(Mo) ＜1.5% w(V) ＜1.5%
1.低合金结构钢
第三节 合金结构钢
(2)性能要求
①高强度 ②高韧性 ③良好的焊接性和冷成型性 ④低的冷脆转变温度 ⑤良好的耐蚀性
主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构件。
(1)用途
(4)常用钢种：例：16Mn (Q345)
①热轧空冷状态下使用，不需专门的热处理 ②为了改善焊接区，可进行一次正火处理。 组织：F+S
第七章 合金钢 概 论
随着科学技术和工业的发展，对材料提出了更高的要求，如更高的强度，抗高温、高压、低温，耐腐蚀、磨损以及其它特殊物理、化学性能的要求，碳钢已不能完全满足要求。 碳钢的在性能上主要有以下几方面的不足： (1) 淬透性低 通常，碳钢水淬最大淬透直径只有10 mm～20 mm。 (2) 强度和屈强比较低 如普通碳钢Q235钢的σs为235 MPa，而低合金结构钢Q345（16Mn）的σs则为360 MPa以上。40钢的σs /σb仅为0.43, 而合金钢35CrNi3Mo的σs /σb高达0.74。 (3) 回火稳定性差 碳钢在进行调质处理时，为了保证较高的强度需采用较低的回火温度，这样钢的韧性就偏低；为了保证较好的韧性，采用高的回火温度时强度又偏低，所以碳钢的综合机械性能水平不高。 (4) 不能满足特殊性能的要求 碳钢在抗氧化、耐蚀、耐热、耐低温、耐磨损以及特殊电磁性等方面往往较差，不能满足特殊使用性能的需求。为了提高钢的性能，在铁碳合金中特意加入合金元素。所获得的钢种，称为合金钢。 老师提示 碳钢不能完全满足科学技术和工业的发展要求。 为了提高钢的性能，在铁碳合金中特意加入合金元素。所获得的钢种，称为合金钢。
①低碳：w(C)=0.1%～0.25%之间 ②加入提高淬透性的合金元素：Cr、Ni、Mn等 ③加入阻碍奥氏体晶粒长大的合金元素： Ti、V、 W、Mo等
(3)成分特点
第一节 合金元素在钢中的作用
合金元素
C，碳化物
Fe，固溶体
少量存于夹杂物中
高合金钢中可能形成金属间化合物
一、 合金元素对钢中基本相的影响
1. 溶于铁 合金元素除Pb外，都可溶于铁，形成合金铁素体或合金奥氏体。
分类
扩大γ相区的元素：Mn、Ni、Co、C、N、Cu等
①强烈阻碍奥氏体晶粒长大的元素：V、Ti等 ②中等阻碍奥氏体晶粒长大的元素：W、Mo、Cr ③对奥氏体晶粒长大影响不大的元素：Si、Ni、Cu ④促进奥氏体晶粒长大的元素：Mn、P
2.合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响
除Co以外，几乎所有的合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性，推迟珠光体类型组织的转变，使C曲线右移，即提高钢的淬透性。
正火的目的：提高硬度，改善切削性能
(2)组织与性能
3. 合金调质钢
主要用于制造汽车、拖拉机、机床和其他机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。
(1)用途
图 扩大γ相区的相图
图 缩小γ相区的相图
完全扩大
部分扩大
完全封闭
部分缩小
2. 形成碳化物
分类
非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B
碳化物形成元素：Mn、Cr、W、V、Nb、Zr、Ti
二、 合金元素对铁碳相图的影响
1.对奥氏体和铁素体存在范围的影响
扩大γ相区的元素均扩大奥氏体存在范围。 如Ni、Mn含量较多时，可使钢在室温下得到单相奥氏体组织。1Cr18Ni9Ti、ZGMn13
(5)热处理和组织性能
①低碳：w(C)<0.2% ②加入以Mn为主的合金元素 ③加入铌、钛或钒等辅加元素
(3)成分特点
2. 合金渗碳钢
主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等。
(1)用途
①表面渗碳层硬度高 ②心部高的韧性和足够高强度 ③有良好的热处理性能
(2)性能要求