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§4.1.2合金钢的基础知识碳钢：价格低，但力学性能低，淬透性低，回火抗力差，不能满足特殊性能要求（如耐热、耐低温、耐蚀等）。合金钢：在碳钢的基础上，加入某些合金元素而得到的钢。一．合金元素对钢中基本相的影响二．合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。一．合金元素对钢中基本相的影响1.溶于基体中形成合金F或合金A合金元素溶入铁素体后，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。2.与碳作用形成合金碳化物如(Fe，Mn)3C弱碳化物元素:Fe、Mn。中强碳化物元素:Cr、Mo、W。强碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。3.单独形成特殊碳化物，如TiC、NbC、VC，具有高熔点、高硬度、高耐磨的性能，且稳定性极高。二．合金元素对Fe-Fe3C相图的影响1.影响A和F存在的范围Mn、Ni、Co等扩大γ相区，扩大A存在的区域，如1Cr18Ni9和ZGMn13，室温下单相ACr、Mo、W、V、Ti、Si缩小γ相区均缩小A存在区域，如1Cr17Ti高铬铁素体不锈钢§1合金钢的分类1、按合金元素含量多少分为低合金钢（含量＜5％），中合金钢（含量5％～10％），高合金钢（含量＞10％）；2、按主要性能和使用特性分类，分为工程结构用合金钢、机械结构用合金钢、轴承钢、工具用钢、不锈钢、耐蚀和耐热钢；3、按钢中的合金元素种类不同分为锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢和铬锰钢等；4、按用途分为合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢（重点介绍）合金工具钢合金钢不锈钢耐磨钢特殊性能钢合金结构钢普通低合金钢滚动轴承钢弹簧钢合金渗碳钢合金调质钢模具钢刃具钢量具钢耐热钢合金钢分类编号原则钢种举例合金结构钢低合金高强钢Q表示屈服点的字母，用最低屈服强度数值表示Q345C渗碳钢数字表示含碳量的万分数，化学元素符号表示主加元素，后面的数字表示所加元素的百分数20CrMnTi调质钢40Cr弹簧钢60Si2Mn滚动轴承钢G表示滚动轴承钢，数字表示含铬量的千分数GCr15合金工具钢刃具钢数字表示含碳量的千分数，化学元素符号表示主加元素，后面的数字表示所加元素的百分数W18Cr4V模具钢Cr12量具钢9SiCr特殊性能钢不锈钢数字表示含碳量的千分数，化学元素符号表示主加元素，后面的数字表示所加元素的百分数1Cr17耐热钢1Cr11MoV耐磨钢ZGMn13§3合金结构钢一．低合金高强度结构钢成分：Wc0.2%，Me%3%，主加元素Mn用途：桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。性能：①较高的强度、屈强比、塑、韧性（Me）；②良好的焊接性和冷塑性加工性（低碳）；③含有耐大气和海水腐蚀的元素（Cu、P）。Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的容器。Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度最高，用于石化中温高压容器。东风号远洋轮船Q345南京长江大桥Q345高压容器二．渗碳钢成分：①低碳：0.1%～0.25%，以保证零件心部足够的塑性和韧性，抵抗冲击载荷；②合金元素：主加Cr、Mn、Ni、B等，以提高渗碳钢的淬透性，保证零件的心部为低碳马氏体，从而具有足够的心部强度；辅加Mo、W、V、Ti等强碳化物形成元素，以形成稳定的特殊合金碳化物阻止渗碳时奥氏体晶粒长大。用途：制造要求高耐磨性、承受高接触应力和冲击载荷的重要零件。性能：①表层高硬度（≥58HRC）和高耐磨性；②心部良好强韧性；③高的淬透性以保证渗碳件的心部性能，以便于渗碳后直接淬火。热处理渗碳→淬火+低温回火（180～200℃）三．调质钢成分①中碳：0.25%～0.5%（一般为0.4%左右）。②合金元素：主加元素Mn、Si、Cr、Ni、B等，主要作用提高淬透性；次要作用溶入铁素体起固溶强化作用。辅加元素Mo、W、V等强碳化物形成元素，其中Mo、W的主要作用是抑制含Cr、Ni、Mn、Si等合金调质钢的高温回火脆性，次要作用是改善淬透性；V主要作用形成碳化物阻碍奥氏体晶粒长大，起细晶强化和弥散强化作用。用途：制造受力复杂（交变应力、冲击载荷等）的重要零件，如发动机连杆、曲轴、机床主轴等。性能：具有优良的综合力学性能，即既强又韧热处理：预先热处理：正火处理（Me含量低）或正火＋高温回火（Me含量高）最终热处理：调质，即淬火＋高温回火。组织：S回连杆四．弹簧钢成分：①中高碳：碳素弹簧钢0.6～0.9%C，合金弹簧钢0.45～0.70%C，经淬火加中温回火后得到回火托氏体组织，能较好地保证弹簧的性能要求。②合金元素主加元素为Si、Mn等，其主要作用是提高淬透性、回火稳定性、强化F基体；辅加元素为Mo、W、V等强碳化物形成元素，主要作用有防止Si引起的脱碳缺陷，并细化晶粒及进一步提高弹性极限与屈强比。用途：制造各种弹簧和弹性元件或类似性能要求的结构零件性能：高的弹性极限σe和屈强比σs/σb，高的疲劳极限；热处理①热轧弹簧：热成型→淬火+中温回火→喷丸②冷轧弹簧：淬火+中温回火→冷成型→去应力→喷丸热成形弹簧对截面尺寸＞10mm各种大型和形状复杂的弹簧均采用热成形(如热轧、热卷)，如汽车、拖拉机、火车的板簧和螺旋弹簧。其加工路线：下料→加热压弯或卷绕→淬火→中温回火→喷丸，使用状态组织为回火托氏体。喷丸可强化表面并提高弹簧表面质量，显著改善疲劳性能。（也可采用等温淬火获得下贝氏体、或形变热处理，提高弹簧的性能和寿命）。汽车板簧热卷大弹簧冷成形弹簧截面尺寸＜10mm的各种小型弹簧可采用冷成形(如冷卷、冷轧)，如仪表中的螺旋弹簧、发条及弹簧片等。这类弹簧在成形前先进行冷拉（冷轧）、淬火中温回火或铅浴等温淬火后冷拉（轧）强化；然后再进行冷成形加工，此过程中将进一步强化金属，但也产生了较大的内应力和脆性，故在其后应进行低温去应力退火（一般200～400℃）。弹簧丝发条五．滚动轴承钢成分①高碳：0.95%~1.15%C，保证轴承钢高硬度和高耐磨性；②低铬：0.40%~1.65%Cr，增加钢的淬透性，并形成合金渗碳体(Fe、Cr)3C提高接触疲劳极限和耐磨性。③大型轴承加入Si、Mn、Mo、V等元素以进一步提高淬透性和强度。用途：制造各种滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱）和内外套圈的专用钢种，也可用于制作精密量具、冷冲模、机床丝杆及油泵油嘴的精密偶件如针阀体、柱塞等耐磨件。性能：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;热处理①预先热处理：球化退火，以改善切削加工性并为淬火作组织准备；②最终热处理：淬火＋低温回火，决定轴承钢的性能，得到高硬度（62~66HRC）和高耐磨性。③冷处理：消除A残与内应力、稳定组织、提高轴承的尺寸精度。组织：M回＋细碳化物＋少量A残§4合金工具钢一、刃具钢性能要求①高的硬度（60～66HRC）和耐磨性。②高的热硬性，即钢在高温下（500～600℃）保持高硬度（60HRC左右）的能力，这是高速切削加工刀具必备的性能。③适当的韧性。（一）低合金刃具钢成分：高碳，含0.9～1.5%C，添加Si、Mn、Cr、等合金元素，提高钢的淬透性和回火稳定性，进一步改善刀具的硬度和耐磨性；强碳化物形成元素(如W、V等)所形成的碳化物除对耐磨性有提高作用外，还可提高钢的热硬性。性能：低合金工具钢的淬透性和综合力学性能好，但由于其内的合金元素主要是淬透性元素，而不是含量较多的强碳化物形成元素(W、Mo、V等)，故仍不具备热硬性特点，刀具刃部的工作温度一般不超过250℃，否则硬度和耐磨性迅速下降，甚至丧失切削能力，因此这类钢属于低速切削刃具钢。（二）高速钢成分（W18Cr4V）①高碳0.7～1.5%：保证高硬度②钨18%：形成碳化物；在560℃左右回火时，弥散析出W2C，造成二次硬化，提高钢的红硬性。③钼5%：1%Mo的作用等同于2%W。④铬4%：形成碳化物；提高钢的淬透性。⑤钒1.5%：形成VC，硬度极高，提高钢的硬度和耐磨性，产生二次硬化。性能：高硬度、高耐磨性、高的红硬性（600℃时，HRC63以上）、有一定的强度和韧性。盘形铣刀二．模具钢（一）冷作模具钢工作条件与性能要求：在常温下使金属材料变形成型的模具用钢，工作温度200～300℃；模具承受很大的载荷及摩擦、冲击作用；冷作模具钢应具有高硬度、高耐汽车车门模具成分：①高碳②合金元素：Cr，Mo、W、V磨性、高强度和足够的韧性；冷作模具对淬透性、耐磨性尤其是韧性方面的要求更高一些，冷作模具钢应是高碳成分并多在回火马氏体状态下使用。（二）热作模钢工作条件与性能要求：使热态金属成形的模具用钢。热锻模工作部分的温度会升高到300～400℃、热挤压模可达500～800℃、甚至近1000℃，因交替加热冷却的温汽车曲轴模具度循环产生交变热应力；热作模具常见的失效形式有变形、磨损、开裂和热疲劳等，要求模具钢应具有良好的高温强韧性、高的热疲劳和热磨损抗力、一定的抗氧化性和耐蚀性等。成分：中碳0.3～0.6%；合金元素:Cr、Ni、Mn、Si、Mo、W、V。三．量具钢性能要求：高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性。成分：高碳；合金元素：Cr，Mn、W。应用◆简单量具——T10A、T12A等。◆高精度量具——GCr15、9SiCr、CrWMn热处理：淬火+冷处理+低温回火+时效处理最终组织：M回+合金碳化物千分尺四．特殊性能钢（一）不锈钢金属腐蚀的种类:化学腐蚀——金属表面与周围介质直接发生化学反应而引起的腐蚀。如金属高温时的氧化，钢的脱碳。电化学腐蚀——金属材料（合金或不纯的金属）与电解质溶液接触，通过电极反应产生的腐蚀。如钢的生锈。金属的防腐1.“多相”易腐蚀，“单相”不易腐蚀2.两相若电极电位接近耐腐蚀(Cr、Ni提高基体电极电位)3.表面致密的氧化膜也耐腐蚀(Al2O3、Cr2O3)化学成分特点:1.低碳：耐蚀性要求愈高，碳含量愈低。2.合金元素：主加Cr。辅加Ni、Mo、Cu、Ti、Nb、Mn等。铁素体不锈钢碳含量0.12%、铬含量16％～18％。Cr是铁素体形成元素，致使此类钢从室温到高温（1000℃左右）均为单相铁素体；塑性加工、切削加工和焊接性较优。主要用于对耐蚀性和抗氧化性有较高要求的零件，如耐硝酸、磷酸结构和抗氧化结构。常见的铁素体不锈钢有10Cr13、1Cr17、1Cr28等。马氏体不锈钢马氏体不锈钢：碳0.1%～0.45%，含Cr平均为13%。当WCr12%时能起到钝化作用。此类钢在氧化性介质中（如大气、海水、氧化性酸）耐蚀。常见的马氏体不锈钢有：Cr13型如1Cr13、2Cr13、3Cr13。奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢：是在Cr18Ni8（18-8）基础上发展起来的，低碳（0.12％）、高铬（18％）和较高镍（9％）；Cr主要起钝化作用，Ni主要起扩大A相区的作用。此类钢具有最佳的耐蚀性，但相应地价格也较高；优良的低温韧性、高的加工硬化能力、耐热性，其冷塑性加工性和焊接性能较好。以Cr18Ni8普通型奥氏体不锈钢用量最大，牌号有1Cr18Ni9，1Cr18Ni9Ti及0Cr18Ni9等。（二）耐热钢定义:在高温下具有抗氧化性和高温强度的特殊钢。高温强度（热强性）指标有：①蠕变极限：材料在高温长期载荷下对缓慢塑性变形（即蠕变）的抗力；以表示700℃下经1000h产生0.2%残余变形量的最大应力。②持久强度：材料在高温长期载荷下对断裂的抗力；以表示在500℃下经10000h发生断裂的应力值。7001000/2.050010000提高钢抗氧化性的途径：加入Cr、Al、Si在钢表面生成致密稳定连续而牢固的Cr2O3、Al2O3、SiO2氧化膜。提高钢热强性的途径：①基体固溶强化：加入元素Cr、Ni、W、Mo等，形成单相组织并提高再结晶温度。②第二相弥散强化：加入元素V、Ti、Nb、Al等，形成细小弥散分布的稳定碳化物(VC、TiC、NbC)或稳定性更高的金属间化合物(Ni3Ti、Ni3Nb、Ni3Al)，获得