合金钢(课堂PPT)

（一）成分及性能特点
• wC=0.03%～0.45%，含C范围宽。 • 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； Mo、V、Nb、Ti、Al 形成特殊碳 化物使钢产生二次硬化， V、Nb、Ti 有细化晶粒的作用
分类
低合金超高强度钢 wMe≤5%
A
等级
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： 数字+合金元素符号+数字
含碳量的千 分数
9Mn2V CrWMn
合金元素平均质量 的百分数
说明：Wc>1%时，不标数字；高速钢例外。 高硬度、高耐磨性和高耐热性.又名风钢或锋钢， 意思是淬火时即使在空气中冷却也能硬化，并且很锋利。
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，使硬度重新升 高—二次硬化（图4-2）
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。
合金元素固溶于淬火M中可减慢碳的扩 散，阻碍碳化物从过饱和固溶体中析出，推 迟M的分解，延缓硬度下降，因此，合金钢 具有较高的回火抗力。
2、合金元素含量的标记
wMe <1.5 ≥1.5 ≥2.5 ≥3.5 ≥4.5 %
标记 -
2
3
4
5
注：滚动轴承钢铬的标记除外(wCr×1,000)
3、附加标记
高级优质钢：编号后+“A”（高）
特殊用途钢：编号前+“特殊用途符号”
G—滚动轴承钢；C—磁钢；
Y—易切削钢
…… ……
40CrNiMo wC0.4%的CrNiMo合金结构钢
缺点：淬透性低，回火抗力差，强度较低，无特殊性能
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。
常用的合金元素有： Cr、 Mn、Ni、 Co、Cu、Si、 Al、 B 、 W、 Mo 、 V、Ti、Nb、Zr、Re等。
一、合金元素在钢中的作用
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（≤0.1%)的强碳化物 形成元素如此Ni、Ti、V或加少量的Al形成AlN再配合以控 轧工艺，就可以制成屈服强度达350-550MPa，并具有良好 韧性的低碳钢。
淬火钢在较高温度回火 时，硬度不降低反而升高的 现象称为二次硬化。
HRC
HRC
wSi ↑
回火温度
wMo ↑
回火温度
淬火钢回火后的韧AK 性下降现象称为回火脆 性。
在 250~400℃ 出 现 韧性下降，称第一类回 火脆性；在500~ 600 ℃ 回火后缓慢冷却时韧性 亦会下降，称第二类回 火脆性。
（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（高速切削时，温度达600度） （3）冲击与振动 （进刀）
2 失效形式：刀具磨损，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
2. 典型合金刃具钢及其热处理
30CrMnSiNi2 wC0.3%,wNi2%的合金结构钢
30CrMnSiA wC0.3%的高级优质合金结构钢
GCr15
wCr1.5%的滚动轴承钢
0Cr13 wC0.03%,wCr13%的M不锈钢
1Cr17
wC0.08%,wCr17%的F不锈钢
0Cr18Ni9 W18Cr4V
wC0.03%,wCr18%, wNi9%的A不锈钢
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四 合金弹簧钢
1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。
2 应用：用于制造汽车、拖拉机和火车的板弹簧或 螺旋弹簧。
3 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 。
4 常用牌号：60Si2Mn，50CrVA
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。
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。
２－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
快冷
慢冷
300 500 650
回火温度 ℃
2 合金元素提高钢的使用性能
1－提高钢的强度
钢的塑性变形的实质是位错沿移面运动的结果。
固溶强化 第二相强化 细晶强化
（1）固溶强化
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。
合金元素的影响是永远的热点。
1. 改善钢的热处理工艺性能 1)细化奥氏体晶粒 加入Ti、V、Nb、Zr、Al等，形成细小的碳化 物颗粒，阻止奥氏体晶粒长大(除Mn) 2) 提高钢的淬透性 除Co 以外，其他合金元素都能使钢”C”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
中合金超高强度钢 5 <wMe<10%
高合金超高强度钢 wMe≥10%
选材及工艺路线
1 汽车齿轮：根部承受较大的交变弯曲应力； 齿和齿啮合时齿面承受较大的接触压应力并 受强烈的摩擦和磨损；换档、变速、制动时 承受较大的冲击力。
2 汽车连杆：承受交变拉应力和弯曲应力，承 受一定冲击载荷。
汽车齿轮的工艺路线： 下料 锻造 正火
第四章 合金钢
机械工程材料
Mechanical Engineering Materials
知识要点
碳钢的优缺点和合金元素的作用 常用的合金结构钢 常用的合金工具钢(以高速钢/模具钢为例） 常用的特殊性能钢（不锈钢）
第一节 概 述
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
硬度 提高
韧性 降低
（２）第二相强化
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
（３）细晶强化
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。
体 ， 心部：铁素体+低碳回火马氏体
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三 合金调质钢
需要经过调质处理 使用的中碳合金钢。
1 性能要求：良好的综合性能（即高强度、好的塑性 韧性）
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。
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。
wW18%,wCr4%的高速钢
第二节 合金结构钢
一、合金结构钢的
低合金结构钢
分类及编号
合金渗碳钢
1.分类
合金结构钢
合金调质钢 合金弹簧钢
滚动轴承钢 超高强度钢
一、 低合金高强度结构钢
1 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。
2 性能：好的塑性韧性及焊接性能 ，强度高，可抵 抗大气腐蚀。
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 [尺寸大负荷大]
常用牌号：40Cr 40MnB 35CrMo
5 热处理：调质处理[回火索氏体]、部分要求调质后 表面淬火、渗氮、喷丸（特殊：低碳合金结构钢：淬 火+低温回火）
5 最终热处理：淬火+中温回火[回火托氏体]
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五 轴承钢（用于制造滚动轴承）
两大类：高碳铬轴承钢 GCr15、GCr15SiMn 高碳无铬轴承钢 GMnMoVRE
GSiMnMoV
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六、超高强度钢
工程上把抗拉强度＞1500MPa以上的钢 称为超高强度钢。主要用于制造飞机起落架、 机翼大粱，火箭发动机壳体、液体燃料氧化剂 储藏箱、炮筒、枪筒、防弹板等等。
小结： 1、含碳量的标记 结构钢：wC×10,000 工具钢：wC×1,000，为了避免与结构钢混淆，又
规 定 wC≥1.0% 时 不 予 以 标 注 ， 高 速 钢 例外，其wC＜ 1.0%也不标注。 特殊性能钢： wC×1,000 wC=0.08~0.1%，标 1 wC=0.03~0.08%，标 0 wC< 0.03%，标 00
机加工
渗碳+淬火+低温回火
喷丸
精磨 成品
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
汽车连杆的工艺路线：(最终热处理为调质处理）
第三节 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
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 性能：“表硬心韧”
3 成分：Wc：0.12—0.25%，常加元素Cr ,Ni ,Mn ,B ， 微量元素V, Ti , W , Mo
4 分类和牌号 低淬透性合金渗碳钢 20Mn2 20Mn[尺寸较小零件] 中淬透性合金渗碳钢 20CrMnTi 20CrMn 20MnTiB 高淬透性合金渗碳钢 18Cr2Ni4WA[大截面大负荷] 5 最终热处理：渗碳+低温淬火[注意图4－6] 6 组织：表面高碳回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏
当 钢 中 wNi=9% ， wMn=13% 时 ， 可 使A3降低至室温，此时钢在室温下为单 相奥氏体组织，称为奥氏体钢。此类钢 具有耐蚀、耐高温、抗磨损等特殊性能 。
当钢中wCr=17～28%时，可使奥氏 体区消失，此时钢在室温下为单相铁素 体组织，称为铁素体钢。此类钢也具有 耐蚀、耐高温等特殊性能。
1)高碳低合金刃具钢 (1)典型牌号：9SiCr (2)成分特点高碳
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三、新型合金工具钢
新型 合金工具钢
基体钢
冷模具钢 热模具钢
第四节 特殊ห้องสมุดไป่ตู้能钢（自学）
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
在相同回火温度下，含碳 量相同的合金钢的硬度较 碳钢高。
在要求相同硬度条件下， 合金钢的回火温度高， 塑韧性好。
一 些 含 Cr 、 Ｗ 、 Mo 、 V等合金元素较多的合金钢 ，在500～600℃范围内回火 时，由于沉淀析出这些合金 元素的碳化物并呈弥散状分 布，因而对材料起到沉淀强 化的作用。
细化A晶粒
Ti、V、Nb、Zr、Al
提高淬透性 提高回火抗力 固溶强化 第二相强化
除Co以外，如Mn、Cr、W、Mo
Cr、W、Mo、V
Ni、 Si、Al、Co、Cu、Mn、Cr、Mo、 W Mn、Cr、Mo、W
扩大A相
Ni、Mn、Cu、N
扩大F相
Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al
形成致密氧化膜
Si、Al、Ni、 Cr、 W、Mo、Ti
3 成分：低碳、含Mn、Ti、V、Nb、RE元素。 4 牌号：Q+数字 （Q345， Q390， Q420， Q460 ）
屈服强度
钢筋混凝土沉 井、钢板桩围 堰管柱等基础。 正桥10孔钢筋 梁中9孔为160 米跨度，采用
优质合金钢 （Q345）杆件 在现场铆接拼
装架设。
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鸟巢”钢结构最大跨度达到343米，24根桁架柱内柱受力最大的 部位的用钢是最大的难题，为了有效控制构件的最大壁厚，减少 焊接工作量，使连接构造比较合理，钢的强度既要有张力，又要 柔韧有拉力，还要能抗低温、易焊接，自重又不能太重。 “鸟巢 ”最关键部位的用钢将采用高强度的Q460E-Z35钢材，钢板最大 厚度达到110毫米，要求-40℃的冲击，抗层状撕裂性能达到26Z35
合 固溶体
金
元
素
在
钢 中
化合物
的
存
在
形
式 游离态
固溶体
碳化物 金属间化合物
合金渗碳体 特殊碳化物
非金属夹杂物
二、 合金钢的分类及牌号
1 合金钢的分类 2 合金钢的牌号
合金结构钢
合金工具钢
特殊性能钢 平均碳的质 量的万分数
合金元素平均质 量的百分数
（1）合金结构钢的牌号：数字+合金元素符号+数字
45Mn2 40Cr G+Cr的千分数 Q+数字+