合金钢

(b) 铬对奥氏体区的影响
(2) 改变Fe-Fe3C相图S、E点位置 大多数合金元素均能使S点、E点左移。共析钢中碳的质量 分数就不是c =0.77%，而是c＜0.77%。出现共晶组织的最低 碳的质量分数不再是c =2.11％，而是c＜2.11％。 例如，含c =0.4%的碳钢原属亚共析钢，当加入Cr=12% 后就成了共析钢。又如含c＝0.7％～0.8％的高速钢，由于大量 合金元素的加入，在铸态组织中却出现合金莱氏体，这种钢称 为莱氏体钢。
4.1.3 合金元素对钢材热处理的影响
(1) 合金元素对钢加热时转变影响 由于合金元素的扩散速度很缓慢，因此对于合金钢应采取 较高的加热温度和较长的保温时间，以保证合金元素溶入奥氏 体并使之均匀化，从而充分发挥合金元素的作用。
当合金元素形成碳化物，这些特殊碳化物在高温下比较稳定， 不易溶于奥氏体，并以细小质点的形式弥散地分布在奥氏体晶界 上，机械地阻碍奥氏体晶粒长大。因此，使得钢在高温下较长时 间的加热仍能保持细晶粒组织，这是合金钢的一个重要特点。 (2) 合金元素对钢冷却转变的影响 1)合金元素对过冷奥氏体等温转变的影响 除钴外，大多数合 金元素溶入奥氏体后降低原子扩散速度，使奥氏体稳定性增加， 从而使C曲线右移。含有这类元素的低合金钢，其C曲线形状与碳 钢相似，只有一个鼻尖，如图4.1.2a所示。当碳化物形成元素溶 入奥氏体后，由于它们对推迟珠光体转变与贝氏体转变的作用不 同，使C曲线出现两个鼻尖，曲线分解成珠光体和贝氏体两个转 变区，而两区之间，过冷奥氏体有很大的稳定性，如图4.1.2b所 示。
4.3 合金结构钢
在碳素结构钢的基础上添加一些合金元素就形成了合金结构 钢。合金结构钢具有较高的淬透性，较高的强度和韧性，用于制 造重要工程结构和机器零件时具有优良的综合力学性能，从而保 证零部件安全的使用。主要有低合金高强度结构钢、合金渗碳钢、 合金调质钢、合金弹簧钢和滚珠轴承钢。
4.3.1 低合金高强度结构钢
4.1.1 合金元素对钢中基本项的影响
(1) 强化铁素体 绝大多数合金元素都可或多或少地溶于铁素体中，形成合金 铁素体。合金元素溶入铁素体后，引起铁素体晶格畸变，另外合 金元素还易分布在晶体缺陷处，使位错移动困难，从而提高了钢 的塑性变形抗力，产生固溶强化，使铁素体的强度、硬度提高， 但塑性、韧性都有下降趋势。
(a) 锰对奥氏体区的影响
(b) 铬对奥氏体区的影响
铝、铬、钼、钨、钒、硅、钛等，这类合金元素使A3和A1 温度升高， GS线向左上方移动，如图4.1.2b所示。随着钢中这类 元素含量的增大，可使相图中奥氏体区消失，此时，钢在室温下 的平衡组织是单相的铁素体，这种钢称为铁素体钢。
(a) 锰对奥氏体区的影响
4.1.2合金元素对Fe-Fe3C相图的影响
钢中加入合金元素后，对铁碳合金相图的相区、相变温度、 共析成分等都有影响。 (1) 改变了奥氏体区的范围 铜、锰、镍等这类合金元素使A3、A1温度下降，GS线向 左下方移动，随着锰、镍含量的增大，会使相图中奥氏体区一 直延展到室温下。因此，它在室温的平衡组织是稳定的单相奥 氏体，这种钢称奥氏体钢，如图4.1.1a所示。
硅、锰能显著提高铁素体强度、硬度，但当si＞0.6%、 Mn＞1.5%时，将降低其韧性。而铬、镍这两个元素，在适量范 围内(Cr≤2%，Ni≤5%)，不但可提高铁素体的硬度，而且能提 高其韧性。为此，在合金结构钢中，为了获得良好强化效果，对 铬、镍、硅和锰等合金元素要控制在一定含量范围内。 (2) 形成合金碳化物 钒、铌、锆、钛为强碳化物形成元素；铬、钼、钨为中强碳 化物形成元素；锰为弱碳化物形成元素。 钢中形成的合金碳化物的类型主要有：合金渗碳体和特殊碳 化物，合金渗碳体较渗碳体略为稳定，硬度也较高，是一般低合 金钢中碳化物的主要存在形式。特殊碳化物是与渗碳体晶格完全 不同的合金碳化物。特殊碳化物特别是间隙相碳化物，比合金渗 碳体具有更高的熔点、硬度与耐磨性，并且更为稳定，不易分解。 合金碳化物的种类、性能和在钢中分布状态会直接影响到钢的性 能及热处理时的相变。
由于合金元素使C曲线右移，故降低了钢的马氏体临界冷却 速度，增大了钢的淬透性。
பைடு நூலகம்
(a) 非碳化物形成元素及弱碳化物形成元素 (b) 强碳化物形成元素 图4.1.2 合金元素对C曲线的影响
2)合金元素对过冷奥氏体向马氏体转变的影响 除钴、铝外， 大多数合金元素溶入奥氏体后，使马氏体转变温度Ms和Mf降低， 其中铬、镍、锰作用较强。Ms越低，则淬火后钢中残余奥氏体 的数量就越多。 (3)合金元素对淬火钢回火转变的影响 钢在回火时抵抗硬度下降的能力，称回火稳定性。淬火时 溶于马氏体的合金元素，回火时有阻碍马氏体分解和碳化物聚 集长大的作用。使回火硬度降低过程变缓，从而提高钢的回火 稳定性。由于合金钢的回火稳定性比碳钢高，若要得到相同的 回火硬度时，则合金钢的回火温度就比同样碳的质量分数的碳 钢要高，回火时间也长。而当回火温度相同时，合金钢的强度、 硬度都比碳钢高。
一些含有钨、钼、钒的合金钢，经 高温奥氏体充分均匀化并淬火后，在 500～600℃回火时会从马氏体中析出特 殊碳化物，析出的碳化物高度弥散分布 在马氏体基体上，使钢的硬度反而有所 提高，这就形成了二次硬化。含碳量为 0.3%的Mo钢的回火温度与硬度关系曲 线见图4.1.3。二次硬化实质是一种弥散 硬化。另外，由于特殊碳化物的析出， 使残余奥氏体中碳及合金元素浓度降低， 提高了Ms温度，故在随后冷却时就会 有部分残余奥氏体转变为马氏体，这也 是在回火时钢的硬度提高而产生二次硬 化的原因。二次硬化现象对需要较高红 硬性的工具钢(如高速钢)具有重要意义。
4.3.2 合金渗碳钢
合金渗碳钢主要用来制造工作中承受较强烈的冲击作用和 磨损条件下的渗碳零件。例如，制作承受动载荷和重载荷的汽 车变速箱齿轮、汽车后桥齿轮和内燃机里的凸轮轴、活塞销等。 这类钢经渗碳、淬火和低温回火后表面具有高的硬度和耐磨性， 心部具有较高的强度和足够韧性的零件。 合金渗碳钢中碳的质量分数一般在c=0.10％~0.25％之间， 以保证渗碳零件心部具有良好的塑性和韧性。碳素渗碳钢的淬 透性低，热处理对心部的性能改变不大，加入合金元素可提高 钢的淬透性，改善心部性能。常用的合金元素有铬、镍、锰和 硼等，其中以镍的作用最好。为了细化晶粒，还加入少量阻止 奥氏体晶粒长大的强碳化物形成元素，如钛、钒、钼等，它们 形成的碳化物在高温渗碳时不溶解，有效地抑制渗碳时的过热 现象。
合金元素的主要作用是：加入锰（为主加元素）、硅、铬、 镍元素为强化铁素体；加入钒、铌、钛、铝等元素为细化铁素 体晶粒；合金元素使S点左移，增加珠光体数量；加入碳化物形 成元素(钒、铌、钛)及氮化物形成元素(铝)，使细小化合物从固 溶体中析出，产生弥散强化作用。 低合金高强度结构钢可按屈服极限分295、345、390、420、 460N/mm2五个强度等级，其中295–390N/mm2级的应用最广。 它们的牌号、化学成分、力学性能及用途见表4.3.1。 低合金高强度结构钢大多数是在热轧、正火状态下使用， 其组织为铁素体十少量珠光体。对Q420、Q460的C、D、E级钢 也可先淬成低碳马氏体，然后进行高温回火以获得低碳回火索 氏体组织，从而获得良好的力学性能。其中Q345钢的应用最广 泛。我国的南京长江大桥、内燃机车机体、万吨巨轮及压力容 器、载重汽车大梁等都采用Q345钢制造。
金属材料及工艺（第二版）
金属材料篇之 合金钢
主讲：
碳素钢种类繁多，生产比较简单，成本低廉。经过热处理 后，可以在不改变化学成分的前提下使力学性能得到不同程度 的改善和提高，在工农业生产中有着广泛的应用。但是碳素钢 的淬透性比较差，强度、屈强比、回火稳定性、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。为了满足科学技术和工业的发展要 求，提高钢的性能，往往在铁碳合金中特意加入锰、铬、硅、 镍、钨、钒、钼、钛、硼、铝、铜和稀土等合金元素，所获得 的钢种，称为合金钢。由于合金元素与铁、碳以及合金元素之 间的相互作用，改变了钢的内部组织结构，从而能提高和改善 钢的性能。
低合金高强度结构钢是结合我国资源条件发展起来的钢种。 它是低碳结构钢，合金元素总量在3％以下，以Mn为主要元素。 和碳素结构钢相比有较高强度，足够的塑性、韧性，良好的焊接 工艺性能，较好的耐腐蚀性和低的冷脆转变温度。 为保证有良好的塑性与韧性，良好的焊接性能和冷成形性能， 低合金高强度结构钢中碳的质量分数一般均较低，大多数为c＝ 0.16％~0.20％。
4.2.2 合金钢的编号方法
（1）低合金高强度结构钢 其牌号由代表屈服点的汉语拼音 字母（Q）、屈服极限数值、质量等级符号（A、B、C、D、E） 三个部分按顺序排列。例如Q390A，表示屈服强度σs＝ 390N/mm2、质量等级A的低合金高强度结构钢。
（2）合金结构钢 其牌号由“两位数字十元素符号+数字”三部 分组成。前面两位数字代表钢中平均碳质量分数的万倍，元素 符号表示钢中所含的合金元素，元素符号后面数字表示该元素 的平均质量分数的百倍。合金元素的平均质量分数Me＜1.5% 时，一般只标明元素而不标明数值；当平均质量分数≥1.5％、 ≥2.5％、≥3.5%，…时，则在合金元素后面相应地标出2， 3， 4，…。例如40Cr，其平均碳的质量分数c=0.4％，平均铬的质 量分数Cr＜1.5％。如果是高级优质钢，则在牌号的末尾加 “A”。例如38CrMoAlA钢，则属于高级优质合金结构钢。 （3）滚动轴承钢 在牌号前面加“G”(“滚”字汉语拼音的首位 字母)，后面数字表示铬的质量分数的千倍，其碳的质量分数不 标出。例如GCr15钢，就是平均铬的质量分数Cr＝1.5％的滚动 轴承钢。铬轴承钢中若含有除铬外的其它合金元素时，这些元 素的表示方法同一般的合金结构钢。滚动轴承钢都是高级优质 钢，但牌号后不加“A”。
（4）合金工具钢 这类钢的编号方法与合金结构钢的区别仅在于： 当c＜1％时，用一位数字表示碳的质量分数的千倍；当碳的质 量分数≥1%时，则不予标出。例如Cr12MoV钢，其平均碳的质量 分数为c=1.45％~1.70%，所以不标出；Cr的平均质量分数为12 ％，Mo和V的质量分数都是小于1.5%。又如9SiCr钢，其平均 c=0.9％，平均Cr均＜1.5％。不过高速工具钢例外，其平均碳 的质量分数无论多少均不标出。因合金工具钢及高速工具钢都是 高级优质钢，所以它的牌号后面也不必再标“A”。 （5）不锈钢与耐热钢 这类钢牌号前面数字表示碳质量分数的千 倍。例如3Crl3钢，表示平均c＝0.3％，平均Cr＝13％。当碳 的质量分数c≤0.03％及c≤0.08％时，则在牌号前面分别冠以 “00”及“0”表示，例如00Cr17Ni14Mo2，0Cr19Ni9钢等。
图4.1.3 含碳量为0.3%的Mo钢 的回火温度与硬度关系曲线
4.2 合金钢的分类与编号
生产中使用的钢材品种繁多，为了便于生产、管理、选用和 研究，有必要对钢加以分类和编号。
4.2.1 合金钢的分类
按合金元素总的质量分数分为低合金钢(Me＜5％)、中合金 钢(Me＝5%~10%)、高合金钢(Me＞10％)；按钢中主要合金 元素种类不同，又可分为锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、铬锰钢 等；按用途分合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢；按正火 后组织分铁素体钢、奥氏体钢、莱氏体钢等。
4.1 合金元素在钢中的作用
在冶炼钢的过程中有目的地加入一些元素，这些元素称为合 金元素。常用的合金元素有：锰(Mn＞1％)、硅(Si＞0.5％)、 铬、镍、钼、钨、钒、钛、锆、铝、钴、硼、稀土（RE）等。钢 中加入合金元素改变钢的组织结构和力学性能，同时也改变钢的 相变点和合金状态图。合金元素在钢中的作用十分复杂，本节主 要分析合金元素对钢中基本相、铁碳合金相图和热处理影响。