第六章合金钢（ alloy steel ）

第六章合金钢（alloysteel） 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。

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。

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。

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。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。

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。

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，使共析点S 的含碳量下降，即向左移动。随着合金元素含量增加，共析点的含碳量越来越低，如：Ni 含量为13%时，共析点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。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

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。

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。

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。 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。

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）。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%

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。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。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。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。

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。

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。

温度 950-970℃ 920℃ 预冷正火 870-880℃ 气体渗碳空冷油淬 200℃ 回火时间 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。

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。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。加工工艺路线：坯料→锻造→正火→粗加工 →调质→精加工→成品。

退火或正火：改善锻造组织，细化晶粒。有利 于机械加工。调质：组织为回火索氏体，不允许有块铁素体出现，硬度HRC30-38。高温回火后，水冷，防止第二类回火脆性。

温度 840℃ 油冷 525℃ 回火水冷时间 40Cr制发动机连杆螺栓热处理工艺

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