第八章 合金钢第八章第八章 合合 金金 钢钢8.1 合金钢基本知识合金钢基本知识合金钢基本知识合金钢基本知识8.2 合金结构钢合金结构钢8.3 合金工具钢合金工具钢8.4 不锈钢不锈钢8.5 高温合金高温合金第八章第八章 合合 金金 钢钢 机械性能、工艺性能或物理、机械性能、工艺性能或物理、机械性能、工艺性能或物理、机械性能、工艺性能或物理、化学性能化学性能化学性能化学性能 合金元素的关系合金元素的关系合金元素的关系合金元素的关系定义：定义：为了提高和改善钢的性能，往钢中加入一定量的一种或一种为了提高和改善钢的性能，往钢中加入一定量的一种或一种以上的金属或非金属元素。被加入的元素称为以上的金属或非金属元素。被加入的元素称为合金元素合金元素；含有；含有意加入元素的钢称为意加入元素的钢称为合金钢合金钢。一合金元素的类型及存在形式一合金元素的类型及存在形式一合金元素的类型及存在形式一合金元素的类型及存在形式 1.非碳化物形成元素非碳化物形成元素 Ni、Si、Al、Co、Cu不能与碳形成化合物，称为非碳化物不能与碳形成化合物，称为非碳化物形成元素形成元素。只能溶于铁素体形成只能溶于铁素体形成合金铁素体合金铁素体合金铁素体合金铁素体，以-Fe(Ni或或Si或或Al)等表示等表示。2与碳作用形成与碳作用形成合金碳化物合金碳化物 Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ta、Zr、Ti 弱弱 与碳亲和力程度与碳亲和力程度 强强第八章第八章 合金钢合金钢8.1 8.1 合金钢基本知识合金钢基本知识二合金元素在钢中的作用二合金元素在钢中的作用1 1合金元素能强化钢中的基本相合金元素能强化钢中的基本相固溶强化固溶强化：形成合金铁素体，形成合金铁素体，钢钢强度、硬度升高强度、硬度升高强度、硬度升高强度、硬度升高，韧性降低。韧性降低。韧性降低。韧性降低。弥散强化弥散强化弥散强化弥散强化 形成合金渗碳体合金渗碳体或特殊碳化物特殊碳化物，并以细小质点细小质点分布在固溶体的基体基体上，则起到弥散强化弥散强化弥散强化弥散强化作用，显著提高钢的强度、硬度、耐磨性和热硬性。第八章第八章 合合 金金 钢钢8.18.1合金钢基本知识合金钢基本知识第八章第八章 合金钢合金钢8.1 8.1 合金钢基本知识合金钢基本知识固固固固溶溶溶溶强强强强化化化化机机机机理理理理：固溶强化机理即溶质原子与位错的相互作用，有四种主要类型。（1）溶质原子与位错的弹性相互作用：溶质原子对位错的钉扎形成气团；由于溶质原子的溶入而导致合金弹性模量的变化；因为溶质原子与溶剂原子尺寸差异而引起的弹性应力场阻碍了位错运动。（2）溶质原子与位错的化学相互作用：铃木钉扎。（3）溶质原子与位错的电学相互作用（4）几何相互作用。沉沉沉沉淀淀淀淀强强强强化化化化机机机机理理理理：（1）切过第二相的强化机理：当第二相质点细小的情况下，位错直接切过与基体仍然存在着共格关系的第二相质点（2）绕过第二相的强化机理：当第二相质点长大到位错难以借助切过的方式通过的时候，位错只能用绕过的方式前进，位错借助于绕过的方式通过第二相。弥弥弥弥散散散散强强强强化化化化机机机机理理理理：弥散强化的实质是利用弥散的超细微粒阻碍位错的运动，从而提高材料 在 高 温 下 的 力 学 性 能。如 用 粉 末 冶 金 方 法 制 得 的 弥 散 强 化 合 金。加工硬化机理加工硬化机理加工硬化机理加工硬化机理：金属材料在再结晶温度以下塑性变形时强度和硬度升高，而塑性和韧性降低的现象。又称冷作硬化。产生原因是，金属在塑性变形时，晶粒发生滑移，出现位错的缠结，使晶粒拉长、破碎和纤维化，金属内部产生了残余应力等。加工硬化的程度通常用加工后与加工前表面层显微硬度的比值和硬化层深度来表示。二合金元素在钢中的作用二合金元素在钢中的作用2合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图的影响相图的影响（1）对）对区的影响：区的影响：扩大扩大区的合金元素区的合金元素 Mn、Ni、Co等元素；作用：作用：使A1、A3线温度下降，A4线温度上升。第八章第八章 合金钢合金钢8.1 8.1 合金钢基本知识合金钢基本知识Mn扩大了扩大了区区二合金元素在钢中的作用二合金元素在钢中的作用2合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图的影响相图的影响（1）对）对区的影响：区的影响：缩小缩小区元素：区元素：Cr、Mo、W、Ti。作用：作用：使A1、A3线温度上升，A4线温度下降。第八章第八章 合金钢合金钢 8.1 8.1 合金钢基本知识合金钢基本知识Cr缩小缩小区区二合金元素在钢中的作用二合金元素在钢中的作用2 2合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图相图的影响的影响（2 2）改变）改变S S点和点和E E E E点的参数点的参数 合金元素使S点左移 合金元素使E点左移第八章第八章 合金钢合金钢8.1 8.1 合金钢基本知识合金钢基本知识合金元素对合金元素对S点成分的影响点成分的影响3 3 3 3合金元素对钢的热处理的影响合金元素对钢的热处理的影响合金元素对钢的热处理的影响合金元素对钢的热处理的影响n加热时对奥氏体形成的影响加热时对奥氏体形成的影响 细化奥氏体晶粒；n对过冷奥氏体转变的影响对过冷奥氏体转变的影响 奥氏体稳定性提高，提高钢的淬透性；n对回火转变的影响对回火转变的影响 提高回火稳定性，出现回火脆性；第八章第八章 合金钢合金钢8.1 8.1 合金钢基本知识合金钢基本知识二合金元素在钢中的作用二合金元素在钢中的作用WW、MoMo、V V等碳化等碳化物在物在550时，使钢达到时，使钢达到最高硬度，产生最高硬度，产生二次硬二次硬二次硬二次硬化化化化。与碳钢相比，回火。与碳钢相比，回火温度更高，即温度更高，即合金元素合金元素合金元素合金元素提高了钢的提高了钢的回火稳定性回火稳定性。第八章第八章 合金钢合金钢8.1 8.1 合金钢基本知识合金钢基本知识二合金元素在钢中的作用二合金元素在钢中的作用3合金元素对钢的热处理的影响钢的硬度与回火温度的关系含有含有MnMn、CrCr、NiNi等元等元素的合金结构钢，在素的合金结构钢，在回火回火中具有中具有回火脆性，回火脆性，即回火即回火后钢出现韧性下降现象。后钢出现韧性下降现象。不可逆回火脆性不可逆回火脆性可逆回火脆性可逆回火脆性Ni-Cr钢的回火脆性示意图钢的回火脆性示意图第八章第八章 合金钢合金钢8.1 8.1 合金钢基本知识合金钢基本知识二合金元素在钢中的作用二合金元素在钢中的作用3 3合金元素对钢的热处理的影响合金元素对钢的热处理的影响不不不不可可可可逆逆逆逆回回回回火火火火脆脆脆脆性性性性:主要发生在回火温度为 250400时，在重新加热脆性消失后，重复在此区间回火，不再发生脆性。可可可可逆逆逆逆回回回回火火火火脆脆脆脆性性性性:发生的温度在 400650，当重新加热脆性消失后，应迅速冷却，不能在 400650区间长时间停留或缓冷，否则会再次发生脆化现象。1.分类：按合金元素含量分：低合金钢(WAE5%)；中合金钢(WAE10%)。按用途分：合金结构钢：渗碳钢、调质钢、超高强度钢、弹簧钢、轴承钢 合金工具钢：刃具钢、模具钢、量具钢 特殊性能钢：不锈钢不锈钢、耐热钢（包括高温合金）、无磁钢 第八章第八章 合金钢合金钢 8.1 8.1 合金钢基本知识合金钢基本知识 三合金钢的分类与编号三合金钢的分类与编号2.2.合金结构钢的编号合金结构钢的编号合金结构钢的编号合金结构钢的编号 基本形式为“两位数字元素符号数字字母两位数字元素符号数字字母”30Cr2Ni4A30Cr2Ni4A n数字表示平均含碳量（质量分数）的万分之几万分之几，合金元素符号后面的数字表示合金元素含量的百分数百分数。含量小于1.5%1.5%时，可不标含量。n合金工具钢编号合金工具钢编号与与合金结构钢的编号相同合金结构钢的编号相同含碳量含碳量合金元素合金元素合金元素含量合金元素含量高级优质钢高级优质钢第八章第八章 合金钢合金钢8.1 8.1 合金钢基本知识合金钢基本知识三合金钢的分类与编号三合金钢的分类与编号1化学成分化学成分渗碳钢碳含量：0.100.25%合金元素含量：16%(Mn、Cr、Ni等)2热处理特点及组织热处理特点及组织n处理工艺处理工艺：渗碳淬火低温回火n表层组织：M回火+碳化物(细小)3常用渗碳钢常用渗碳钢 20Cr、20CrMnTi、18Cr2Ni4W第八章第八章 合金钢合金钢8.2 8.2 合金结构钢合金结构钢一渗碳钢一渗碳钢4.4.用途用途第八章第八章 合金钢合金钢 8.2 8.2 合金结构钢合金结构钢 一渗碳钢一渗碳钢一渗碳钢一渗碳钢低淬透性渗碳钢低淬透性渗碳钢含合金元素总量含合金元素总量3中淬透性渗碳钢中淬透性渗碳钢含合金元素总量在含合金元素总量在4左右左右高淬透性渗碳钢高淬透性渗碳钢含合金元素总量在含合金元素总量在461化学成分特点化学成分特点：含碳量：0.30.5%，提高渗透性的合金元素含 量：26%，一般为Mn、Si、Ni、Cr，另外还有 Mo、V、Al等；作用作用：防止高温回火脆性；防止晶粒粗化；加速氮化过程；2热处理特点：热处理特点：淬火高温回火淬火高温回火淬火高温回火淬火高温回火回火索氏体回火索氏体回火索氏体回火索氏体第八章第八章 合金钢合金钢8.2 8.2 合金结构钢合金结构钢二调质钢二调质钢3常用调质钢常用调质钢 45、40Cr、30CrMnSiA、40CrNiMoA等。常用于：发动机压气机盘，涡轮外轴等。第八章第八章 合金钢合金钢8.2 8.2 合金结构钢合金结构钢二调质钢二调质钢定义：定义：将b1500MPa或s1400MPa的钢材称为超高强度钢。超高强度钢是在30CrMnSiA的基础上发展起来的。1 1成分特点成分特点 含碳量中等，并含铬、锰、硅、镍、钼、钒铬、锰、硅、镍、钼、钒铬、锰、硅、镍、钼、钒铬、锰、硅、镍、钼、钒等合金元素。2 2热处理特点热处理特点 最终热处理是淬火+低温回火，使马氏体强化达到超高强度。第八章第八章 合金钢合金钢 8.2 8.2 合金结构钢合金结构钢 三超高强度钢三超高强度钢1化学成分特点化学成分特点n含碳量：含碳量：0.50.85%（中、高碳）（中、高碳）n合金元素含量：合金元素含量：2%3%，一般为：，一般为：Si、Mn、Cr、V提高淬透性，细化晶粒提高淬透性，细化晶粒2热处理特点热处理特点n热扎弹簧钢：热轧成型，热扎弹簧钢：热轧成型，淬火中温回火淬火中温回火回火屈氏体。回火屈氏体。n冷拔合金弹簧钢丝：冷缠成型，冷拔合金弹簧钢丝：冷缠成型，淬火中温回火淬火中温回火3常用的弹簧钢常用的弹簧钢70、65Mn、60Si2MnA、50CrVA第八章第八章 合金钢合金钢 8.2 8.2 合金结构钢合金结构钢 四弹簧钢四弹簧钢第八章第八章 合金钢合金钢 8.2 8.2 合金结构钢合金结构钢 四弹簧钢四弹簧钢1.化学成分特点 含碳量为0.951.15%，Cr：0.41.65%，Si、Mn 3%，增加淬透性。2.热处理特点 球化退火淬火低温回火3.性能要求 高的硬度、强度和耐磨性 高的接触疲劳强度 足够的韧性和耐蚀性 高的纯净度第八章第八章 合金钢合金钢 8.2 8.2 合金结构钢合金结构钢 五滚动轴承钢五滚动轴承钢第八章第八章 合金钢合金钢 8.2 8.2 合金结构钢合金结构钢 五滚动轴承钢五滚动轴承钢组织：极细回火马氏体细粒组织：极细回火马氏体细粒状碳化物少量残余奥氏体状碳化物少量残余奥氏体 定义定义：用来制造刃具、模具、量具的钢，称为工具钢。一刃具钢一刃具钢 优量的刃具钢，必具备以下几个条件：很高硬度：组织-高碳M；很高耐磨性：组织-高碳M均匀细小的碳化物；很高红硬性：加入提高回火抗力的合金元素；足够的韧性。第八章第八章 合金钢合金钢 8.3 8.3 合金工具钢合金工具钢1低合金刃具钢低合金刃具钢(1)化学成分特点：化学成分特点：0.851.5%C（高碳）n合金元素：主要添加元素：W、V碳化物硬度、耐磨性n附加元素：Cr、Si、Mn渗透性（2）热处理特点）热处理特点 预备退火球化退火：球化组织为机加淬