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课程名称：《工程材料》第周，第讲次摘要授课题目（章、节）本讲目的要求及重点难点：【目的要求】1.掌握合金元素在钢中的作用；2.熟悉各常用合金钢的成分、牌号、热处理方法。【重点】1.合金元素在钢中的作用，尤其是合金元素对钢的热处理的影响；2.合金钢的编号方法，会辩认各种钢号；3.各类合金结构钢的成分，热处理方法，热处理后的组织，性能特点以及主要用途。【难点】合金元素在钢中的作用、各类合金钢的牌号。内容【本讲课程的引入】碳钢虽然便宜，但随着工业和科学技术的不断发展，对钢材的要求也愈来愈高，碳钢满足不了这种要求，于是为了适应于现代工业的发展，人们研制了品种繁多的合金钢。所谓合金钢，就是在碳钢的基础上，为了改善钢的组织和性能，在冶炼时有意加入某些元素所获得的钢种，所加入的元素称为合金元素。目前常用的合金元素有Si（0.4%）、Mn（0.8%）、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Co、Al、RE等。【本课程的内容】第一节合金元素在钢中的作用在合金化理论中，通常把合金元素按与碳的亲合力大小，分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两类。非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B碳化物形成元素：Zr、Nb、Ti、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe如上这些元素对钢的相变、组织和性能的影响，都取决于它们与钢中的铁和碳的相互作用，下面我们进行讨论。一、合金元素对钢中基本相的影响常温下，退火态和正火态碳钢的基本相都是铁素体和渗碳体。当钢中加入少量合金元素时，有可能一部分溶入铁素体形成合金铁素体，而另一部分则溶入渗碳体形成合金渗碳体；而当加入的合金元素超过一定限度时，除形成合金渗碳体外，还形成其它合金碳化物，剩余的合金元素将溶入铁素体中。1、强化铁素体：大多数合金元素都能溶于铁素体，形成合金铁素体。由于固溶强化作用，使铁素体的强度、硬度提高，但塑性和韧性有下降的趋势，如图7-1所示。当合金元素含量合适时，钢在得到强化的同时，冲击韧性并不下降，亦如图7-1b所示，故结构钢中的合金元素含量都有一定的限制。2、形成合金碳化物：当加入少量的碳化物形成元素时，其基本上置换渗碳体中的铁原子形成合金渗碳体，如（Fe、Mn)3C(Fe、W)3C等，合金渗碳体的硬度和稳定性都略高于渗碳体。当碳化物形成元素加入量超过一定限度时，除形成上述合金渗碳体外，还形成其它合金碳化物，如Cr7C3、Cr23C6、MoC、WC、VC、TiC等，合金碳化物的晶格与渗碳体完全不同，它们具有更高的熔点、硬度和耐磨性，并且更为稳定。这种碳化物难溶于奥氏体中，也难聚集长大，因此当这些碳化物在钢中呈弥散分布时，能显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，而不降低韧性，所以在工具钢中常加入碳化物形成元素。二、合金元素对铁碳合金相图的影响合金元素的加入对铁碳合金相图的相区、相变温度、共析成分等都有影响。1、扩大或缩小奥氏体相区：扩大奥氏体相区的合金元素有C、N、Co、Ni、Mn、Cu等，它们都是奥氏体形成元素。特别是镍和锰的影响最大，图7-2a是锰对奥氏体区的影响。当奥氏体形成元素的含量如Mn、Ni相当高时，由于A体相区的扩大，有可能在室温下形成单相奥氏体钢；缩小奥氏体相区的合金元素有Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al等，它们为铁素体形成元素，图7-2b是铬对相图的影响。当含铬量相当高时，由于缩小奥氏体区的结果，有可能在室温下形成单相铁素体钢。图7-2扩大γ相区的合金元素——Fe示意图图7-3缩小γ相区的合金元素——Fe示意图2、使共析点S和E点的含碳量降低无论是扩大γ区的合金元素，还是缩小γ区的合金均使E点和S点左移，即降低共析点的含碳量及碳在奥氏体中的最大溶解度。因此使相同含碳量的碳钢和合金钢具有不同的显微组织，如含碳0.4%的碳钢具有亚共析组织，而含C0.4%，13%Cr的合金钢则具有过共析组织。因为此时的共析成分已不再是0.77%，而是变为0.3%C了，另外，由于E点的左移，使含碳量远低于2.11%C的合金钢中出现莱氏体。如18%W的高速工具钢，含0.70-0.80%C，其铸态组织中出现了莱氏体。a)Mn对Ｅ、Ｓ点的影响b)Cr对Ｅ、Ｓ点的影响图7-４合金元素对Ｅ、Ｓ点的影响3、使共析温度发生变化。三、合金元素对钢的热处理的影响1.对钢加热时奥氏体化的影响1）加速奥氏体的形成：合金元素的加入直接对碳的扩散及碳化物的稳定性有影响，某些非碳化物形成元素能增加碳的扩散速度，加速奥氏体的形成，如Co、Ni等；2）减慢奥氏体的形成：大部分合金元素特别是强碳化物形成元素如Mo、W、V等形成特殊碳化物，阻碍碳的扩散，减慢奥氏体形成的速度。所以合金钢淬火时不易过热，有利于得到细马氏体组织；3）对奥氏体晶粒度的影响：P、Mn等促进奥氏体晶粒长大；Ti、Nb、V等可强烈阻止奥氏体晶粒长大；W、Mo、Cr等起到一定的阻碍作用；Si、Ni、Co、Cu等影响不大；Al与N形成AlN时，在低于950℃时可强烈阻止奥氏体晶粒长大，形成本质细晶粒钢。2.对过冷奥氏体分解的影响大多数合金元素，溶入奥氏体后都能增加过冷奥氏体的稳定性，从而使C曲线右移，减小了钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。故合金碳可用冷却能力较弱的介质如油淬火，减少了应力，避免了淬火的变形和开裂。提高淬火稳定性最大的元素是Mo、Mn、Cr，其次是Ni，微量的B（小于0.005%）亦能显著提高钢的淬透性。3.对回火转变的影响1）提高钢的回火稳定性：回火稳定性是指回火时抵抗硬度下降的能力。大多数合金元素都能在加热时溶入奥氏体，形成合金奥氏体，并在随后冷却时形成合金马氏体。在回火的过程中，由于合金元素的阻碍作用，使M体不易分解，碳化物不易析出，析出后也不易聚集长大，故合金钢回火时硬度下降较慢。由于合金钢回火稳定性比碳钢高，在到达相同硬度的情况下，可提高合金钢的回火温度，较大限度地消除内应力，以提高钢的硬度和韧性。2）产生二次硬化：当淬火钢在500-600℃回火时，其硬度并不降低，反而升高，把这种回火时硬度升高的现象称为二次硬化。二次硬化的原因？将合金钢加热到500-600℃回火，在冷却过程中有部分残余奥氏体转变为马氏体，从而增加钢的硬度，这种现象也称为二次硬化。第二节合金钢的分类和编号方法一、合金钢的分类合金钢的种类繁多，分类方法也较多，常用的分类方法有以下两种：1、按主要用途分类：合金结构钢：用于制造重要的机器零件和工程结构。合金工具钢：用于制造重要的工具、模具等。特殊性能钢：具有某种特殊物理、化学性能，如不锈钢、耐热钢等。2、按合金元素含量分：低合金钢：合金元素总量小于5%；中合金钢：合金元素总量5-10%；高合金钢：合金元素总量大于10%；二、合金钢牌号的表示方法合金钢的表示方法用“数字+化学元素+数字”的方法。1、结构钢：其中结构钢的牌号采用“二位数字+元素符号+数字”表示，如60Si2Mn，其含义如下：前面的二位数表示钢中碳含量的万分之几，平均含碳量0.60%；化学元素符号表示合金元素，此合金钢的合金元素为Si和Mn；元素符号后面的数字表示此元素含量的百分之几，若含量小于1.5%，则不标出，上例中，平均含硅量2%，含锰量小于1.5%。2、工具钢：合金工具钢与结构钢的编号区别仅在于用一位数字表示含碳量的千分之几，如9SiCr，含义是：此合金工具钢C=0.9%，Si、Cr均小于1.5%。当含碳量大于1%时，则不再标出含碳量，如Cr12MoV，表示此工具钢含碳量大于1%，铬12%，钼、钒含量均小于1.5%。此外，为了表示钢的用途，有些钢种在牌号前加一字母，如滚动轴承钢的牌号为GCr9，其含铬量为0.9%；再如易切钢在牌号前加字母“Y”，例Y12、Y15等；3、特殊性能钢：其编号方法同合金工具钢，如不锈钢1Cr18Ni9Ti，其含义为：C=0.1%Cr=18%Ni=9%Ti1.5%综上所述，总结于下表：合金钢合金结构钢普通低合金钢：机械制造结构钢渗碳钢：调质钢：弹簧钢：轴承钢：易切钢：超高强度钢：合金工具钢低合金工具钢：高合金工具钢：特殊性能钢不锈钢：耐热钢：耐磨钢：160922020406021515409184118949213MnMnCrCrMnTiCrSiMnGCrYCrNiMoASiCrWCrVCrNiTiCrSiZGMn下面我们将具体介绍各种钢的性能和用途。第三节合金结构钢合金结构钢按用途可分为两类：工程用钢和机械制造用钢。一、普通低合金钢这类钢主要用于各种工程结构，如桥梁、建筑、船舶、车辆、高压容器等。它是在普通钢的基础上加入少量合金元素（3%）所制得的钢，所以又叫做普通低合金钢。普通低合金钢的含碳量小于0.2%，由于合金元素的强化作用，这类钢的强度较普碳钢高，它还有较好的塑性、韧性、焊接性和耐蚀性。普碳钢通常在热轧后经退火或正火状态使用，焊接成型后不再进行热处理。采用普碳钢的目的是减轻结构重量，保证使用可靠，节约钢材，例如用16Mn代Q235可节约钢材15-20%。普通低碳钢的牌号、成分、性能和用途见表7-1。二、优质结构钢优质结构钢是机械制造用钢，是在优质钢和高级优质钢的基础上加上合金元素所制得的，按其用途和热处理特点又可分为如下几种：渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢、易切钢和超高强度钢，下面我们分别于以介绍。（一）渗碳钢许多机器零件是在冲击载荷和表面受到强烈摩擦、磨损的条件下工作的，如汽车、拖拉机的变速齿轮、内燃机的凸轮等。这就要求材料里韧外硬，为达到这一目的，常常采用低碳钢或低合金钢进行表面渗碳后经淬火和回火处理，称这类钢为渗碳钢。1、化学成分：合金渗碳钢的含碳量在0.1-0.25%，以保证零件的心部有足够的塑性和韧性；常用的合金元素主要有Cr、Ni、Mn和B，以提高钢的淬透性，使零件在热处理后表层和心部都得到强化；为了细化晶粒，加入阻止奥氏体长大的强碳化物形成元素元素，如Ti、V、Mo等。2、热处理特点：渗碳后进行淬火，低温回火（180-200℃）。3、牌号、成分、性能及用途：见表7-2。目前常用钢号20CrMnTi。（二）合金调质钢调质钢是指经调质后使用的结构钢，大多数采用中碳钢，经调质后钢的组织是回火索氏体，具有良好的综合机械性能，即强度高、塑性和韧性好。调质钢广泛用于制造各种重要的机器零件，如齿轮、连杆、轴等。1、化学成分：C=0.25-0.5%，碳过低，不容易淬硬，过高则韧性不足；加入合金元素Mn、Cr、Si、Ni、B，可以提高钢的硬度和淬透性；加入少量Mo、W、V、Ti等元素，阻止A体晶粒长大，提高回火稳定性。2、热处理特点：预先热处理：改善调质钢的锻造组织及切削加工性能，常用正火。调质：淬火加高温回火，目的得到良好的综合性能。3、牌号、成分、性能及用途：见表7-3。常用钢号40Cr、40MnB。（三）弹簧钢弹簧钢主要用于制造各种弹性零件，特别是各种机器、仪表中的弹簧。弹簧一般工作在动载荷的条件之下，受到反复弯曲和拉、压应力，因此要求其具有较高的弹性极限、疲劳强度、足够的塑性、韧性及良好的表面质量，还要有良好的淬透性和较低的脱碳敏感性。1、化学成分：碳素弹簧钢的含碳量在0.6～0.85%，其淬透性差，只适于制造小截面尺寸的弹簧，大截面尺寸的弹簧一般选用合金弹簧钢。合金弹簧钢的含碳量为0.45～0.7%，主添加元素是Si、Mn，常用的钢号60Si2Mn。2、弹簧的成型和热处理特点：弹簧的成型工艺分为热成型和冷成型两种，随成型工艺的不同，其热处理的特点也不同。1）热成型：用热轧钢板或园钢制成，淬火后进行中温回火（450-550℃），有很高的屈服强度和弹性极限，同时还具有一定的塑性和韧性，中温回火后的组织为回火屈氏体。2）冷成型弹簧：用冷拉钢丝或冷轧弹簧钢带在冷态下制成，用于制造小尺寸的弹簧。如成型前钢丝已有很高的强度和足够的塑性和韧性，则只进行消除内应力的退火，使弹簧定型；若弹簧钢丝是在退火状态供应的，则成型后需进行淬火加中温回火。弹簧最后要进行喷丸处理，造成表面的残余压应力，以提高其疲劳强度。3、牌号