第六章 合金钢

共析点S 的含碳量下降，即向左移动。随着
合金元素含析点S含碳量只有0.30%。
共析点左移表明，在含碳量相同的条 件下，合金钢的珠光体组织比碳钢多，因 而强度高。
b、 当合金元素为碳化物形成元素时，由于这些 元素与碳形成稳定的碳化物，因而这部分碳 被固定，不参与共析反应，故共析点S右移。
珠光体钢 15CrMo、12CrMoV
贝氏体钢 12MoVWBSiRE
3、 按钢中S、P杂质含量 a、普通合金钢 S≤0.050% P≤0.045% b、优质合金钢 S≤0.035% P≤0.035%
c、高级优质合金钢 S≤0.025% P≤0.025%
d、特级优质合金钢 S≤0.015% P≤0.020%
普通低合金钢一般在热轧退火或正火状态下 使用，不需进行热处理。
1、成分特点
C%<0.20%；主强化元素是Mn<1.8%；加 入微量的Ti、V、Nb等细化晶粒；加入Cu提高 耐大气腐蚀能力。
常用钢号： 16Mn、16MnR、15MnV、15MnTi、14MnNb、 16MnCu
三、易切钢
在钢中添加S、Pb、Ca、P等合金元素，使 钢成为容易切削。 作用：使切屑易断，不易形成“切屑积瘤”， 减摩、降低切削力、切削热。但使钢 的性能下降。
8、合金元素对回火转变的影响
合金元素使淬火钢在回火过程中，组织 分解和转变速度减缓，增加了回火抗力，提 高回火稳定性，从而使合金钢的硬度回火后 下降程度减轻。某些碳化物形成元素，甚至 出现回火时二次硬化现象。
① 第一类回火脆性：
含Cr、Mn的合金结构钢，在250-400℃范围 回火，产生无法消除的脆性，称为第一类回火脆 性（或不可逆回火脆性）。产生原因尚无定论， 沿条状马氏体晶界析出碳化物薄片是重要原因。 也与S、P、As、Sb、Sn 等杂质有关。
温度
950-970℃ 正火 920℃ 预冷 气体渗碳 870-880℃ 油淬 200℃ 回火 时间
空冷
20CrMnTi钢制汽车变速齿轮热处理工艺曲线
五、调质钢
1、 调质：
淬火+高温回火，获得 S回组织
具有较高的强度和较高的塑、韧性配合 （良好的综合机械性能） 对于调质零件，淬透性对机械性能影响很大。
三、合金钢的分类
1、 按合金元素含量（合金元素总量） a、微合金钢 0.001-0.1% b、低合金钢 1-5% c、中合金钢 5-10% d、高合金钢 >10%
2、 按钢的金相组织
铁素体钢 Cr17、Cr25、Cr28 奥氏体钢 1Cr18Ni9、0Cr19Ni9、Mn13 马氏体钢 3Cr13、4Cr13、1Cr11MoV、 1Cr12WmoV
② Cr、Mn 强烈推迟贝氏体转变 ③ Ni含量较多时，珠光体转变的孕育期很长， C曲线只有贝氏体转变曲线，而珠光体转变 曲线不出现。 ④ 稳定碳化物形成元素的含量与碳含量的比值 较高的钢，3Cr13、4Cr13过冷奥氏体等温状 变曲线上只有珠光体转变曲线。
除Co和Al以外，大多数合金元素不同程度 地降低Ms，并增加残余A’的含量。
钢号：Y12、Y15、Y20、Y30、Y40Mn、 Y40CrSCa、T10Pb
四、渗碳钢
渗碳钢属于低碳钢，含碳量0.1-0.25%，
以保证心部有足够的塑、韧性。为了克服碳
钢缺陷，常采用低碳合金钢作为渗碳钢，加
入合金元素Cr、Ni、Mn、B提高淬透性，改 善渗碳层的强度和塑、韧性；添加少量的V、 W、Mo、Ti细化晶粒，抑制渗碳时晶粒长大。
5、 合金元素改变共析点的位置
合金元素在改变相变温度的同时，也改 变共析温度和共析成分，反映在Fe-Fe3C相图 上，共析点的位置发生改变。
a、 当合金元素为非碳化物形成元素 Si、Ni、Cu 或弱碳化物形成元素Mn时
合金元素溶于奥氏体，排挤出部分碳原子，
这部分被排挤出的碳原子必然参与共析反应，使
同碳素渗碳钢一样，渗碳后需热处理，
“淬火+低温回火”，获得“外硬内韧”组织。
常用钢号： 15Cr、20Cr、15Mn2、20Mn2、
15CrMn、20CrMnTi、
20CrMnMo、 12Cr2Ni4A、18Cr2Ni4W
应用举例： 用20CrMnTi制造汽车变速齿轮。 技术要求： 渗碳层厚度1.2~1.6mm, 碳浓度1.0%, 齿轮硬度HRC58~60, 心部硬度HRC30~45 工艺路线： 坯料→锻造→正火→加工齿形（铣、插）→ 局部镀铜→渗碳→预冷淬火→低温回火→喷丸→ 磨齿→成品。
5、不能满足某些特殊性能要求
如：耐低温、高磁性、无磁性等。
碳钢的冷脆性转变温度较高，-20 ~ -30℃，
故碳钢的使用温度应≥-20℃。
因此发展合金钢成为必然，二十一世 纪结构材料的重要发展方向之一就是利用 新技术、新工艺改造传统材料——微合金 化高强钢，低合金超高强钢。
二、合金元素的作用 1、 合金元素固溶于铁素体 合金元素固溶于铁素体后，会使α-Fe 晶格产生畸变——固溶强化，使铁素体强 度提高。
2、热稳定性差
碳钢在使用温度超过 200℃后，软化变形， 机械性能（强度、韧性）急剧下降，不能用于 高温场合。
3、耐腐蚀性差
碳钢在大多数介质中的耐腐蚀性很差，尤 其对酸几乎没有任何抵御能力。 珠光体：大量的腐蚀电池
4、淬透性差
碳钢不能用于制作大截面尺寸的重要零 件。淬火时，急冷易变形、开裂；缓冷，又 淬不上火或淬透层很浅。
2、 成分特点：
调质钢属于中碳钢，含碳量0.27~0.50% （含碳量过低强度不足，过高韧性不足）。
要获得具有良好综合机械性能的S回，必 须先淬透获得M，添加Cr、Ni、Mn、Si、B 提高淬透性。
添加Mo、W，防止高温回火脆性（第二类 回火脆性），快速冷却法仅适用于小型零件，
而对大截面尺寸零件难以奏效。
如：45最大淬透直径15mm，加入1.8% Mn 后可达60 mm。
3、合金元素形成碳化物、金属化合物
合金渗碳体:（Fe-Cr）3C、（Fe-W）3C
复杂碳化物: （Cr-Fe）23C6 、Fe4W2C、VC、
MoC、NbC、TiC、AlN、SiO2、 TiO2、TiN、Al2O3。
这些化合物都是硬而脆的强化相，具有相 当高的热稳定性。在钢中呈弥散分布时，可以 显著的强化钢，且可以抑制高温奥氏体晶粒长 大，细化晶粒，减少（降低）或消除钢的热敏 感性，提高回火抗力。
一、合金结构钢的分类及编号
1、分类 合金结构钢分为：普通低合金钢、易切 钢、调质钢、渗碳钢、弹簧钢、滚动轴承钢。
2、编号
数字 + 化学元素 + 数字
合金元素含量的百分之几， <1.5% 不标出
合金元素
平均含C量的万分之几
如：40Cr
表示
含C量：0.40% （0.37-0.45%） 含Cr量：0.8-1.1%
60Si2Mn 表示 含C量：0.57-0.65% 含Si 量：1.5-2.0% 含Mn 量：0.6-0.9%
若为高级优质钢，则在钢号后加“A” 如： 20Cr2Ni4A、45CrNiMoVA
二、普通低合金钢
合金含量 <3%，其强度显著高于相同含碳量 的碳素钢（低合金钢），且具有良好的塑性、韧 性、焊接性能，比碳钢更低的冷脆转变温度。主 要用于桥梁、锅炉压力容器、车辆、船舶、大型 钢结构等。
当合金元素配比适当时，在提高强度的同 时，并不降低塑性，且有的合金元素（Cr、Ni） 含量较低时：Cr<2%，Ni<5%，就既能提高强
度，又增加塑、韧性。
2、合金元素溶于奥氏体
合金元素溶于奥氏体，除一定程度上起固 溶强化，提高钢的强度作用外，最重要的是增
加了奥氏体的稳定性，使C曲线显著右移， 故合金钢的淬透性很好。
共析点右移表明，在含碳量相同的 条件下，合金钢组织中铁素体含量比碳 钢多。
由于组织中存在硬而脆的碳化物，铁素体含 量会保证塑、韧性，而强度、硬度仍较高。 无论共析点S左移还是右移，表明合金钢 的含碳量不能和碳钢一样以2.11%为上限。 有些合金钢，含碳量很高，但由于有相当 数量的铁素体存在，其塑性、韧性仍然较高。 如：我国的Cr12W，2.3%C 美国的D6、D7，2.35%C
第六章 合金钢（alloy steel）
第一节 概论 合金钢是在碳素钢中添加一些 合金元素而炼制的一类钢，以改善 碳素钢的性能。
为什么要发展合金钢？
因为碳钢不能满足要求。
一、碳素钢的缺陷 1、综合机械性能差 虽然碳素钢的强度、硬度随着含碳量的增加 而提高，但塑性、韧性却随之下降，不能在同一 成分中得到配合完善的综合机械性能。
到室温，即在室温下就能获得无磁性奥氏体钢。 如：13% Mn的 Mn13，9% Ni的 0Cr18Ni9。
b、扩大α相区（缩小封闭γ相区）的元素 Si、Cr、Mo、W、V、Ti、Al 等使临界点A3
上升，A4下降，有的元素还能使A3、A4重合，不
出现γ相。 如：17-28%Cr、Cr17、Cr25、Cr28，从室温 到熔点都不出现γ相，而是单一的α相。
d、 对A晶粒度的作用：Al、Ti、Nb、V、Zr 能
形成微细的碳化物质点，且熔点很高，能强
烈地抑制奥氏体晶粒长大（高温下）。W、
Mo、Cr有一定的阻碍作用，而 C、Mn、P
则促进奥氏体晶粒长大（降低Fe原子间的结
合力）。
7、合金元素对过冷奥氏体（C曲线）转 变的影响
除Co以外，其它合金元素溶入奥氏体，都 增大其稳定性，使C曲线右移。 ① 碳化物形成元素（Ti、Nb、V、W、Mo）含量 较多时，使C曲线形状发生改变，强烈推迟珠 光体转变，而对贝氏体转变推迟较小；同时升 高珠光体转变的温度，降低贝氏体转变温度， 出现两组C曲线。
正火：低碳合金钢，改善切削加工性能， HRC170~210。 渗碳：920℃，6~8h，深度达1.2~1.6mm。 渗碳后预冷到870~880℃，油淬，经200℃ 2~3h
回火，表层硬度可达HRC58~60，心部硬度
HRC30~45，达到“外硬内韧”。 齿面经喷丸处理，可消除氧化皮，且使齿面 表层产生残余压应力，有利于提高疲劳强度。
4、 按合金组元 a、二元合金钢： Mn 钢、硅钢、铬钢。
b、三元合金钢 Cr－Mn、Si-Cr、Si-Mn、 Cr-Ni
c、多元合金钢 Cr-Mn-Ti、Ni-Cr-Mo-V 5、 按用途
合金结构钢
合金工具钢 特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、超强钢
第二节 合金结构钢
在碳素结构钢中添加Cr、Ni、Mn、Si、Mo、 W、V、Ti 等合金元素，使其具有较高强度、韧 性、淬透性。
② 第二类回火脆性：
含Cr、Ni、Mn、Si的合金结构钢在550-650℃ 回火产生的可以通过热处理消除的回火脆性，称 为第二类回火脆性（可逆回火脆性）。
原因：钢中Ni、Cr及杂质Sb、P、Sn向原奥 氏体晶界偏聚有关，偏聚程度越大，回火脆性越 严重。
消除方法：重新回火加热至600℃以上，快 冷（水冷）。
添加少量V细化晶粒，防止奥氏体晶粒长大， Al氮化元素。
3、 常用调质钢
40Cr、40CrMo、42CrMo、
40CrNiMo、35CrMo、40CrMnMo、 38CrMoAl、30CrMnSi、40MnVB、 40CrMn、30CrNi3
应用举例：用40Cr制作发动机连杆螺丝 发动机连杆螺丝，承受冲击性载荷（拉应 力），且周期性变化，一旦发生断裂，会引起 严重事故，要求有足够的强度、冲击韧性、抗 疲劳。
4、 合金元素改变钢的相变温度
当合金元素加入碳素钢之后，会对相变临 界点产生影响，反映到Fe-Fe3C相图上: a、扩大γ相区元素（Ni、Mn、Cu、Co、N）
这些合金元素会使A3下降，A4上升，使γ相
区扩大，这种作用与合金元素的含量有关。随着
合金含量的增加，会把γ相区扩大到一定范围，
其中Ni、Mn 随着含量的增加，会把γ相区扩大
6、合金元素对钢加热时组织转变的影响
a、非碳化物形成元素（Ni、Cu）可以降低 碳在奥氏体中的扩散激活能，加速碳的 扩散，对P→A转变有加速作用。 b、 强碳化物形成元素（Ti、V、Nb、W ） 增加碳在奥氏体中的扩散激活能，减缓 碳的扩散，对P→A转变有阻碍作用。
c、 由于强碳化物形成元素使奥氏体成分难以均 匀化，提高淬火温度或延长保温时间可使奥 氏体成分均匀化（C曲线右移），这也是提高 合金钢淬透性的有效方法。