工程材料-第7章 合金鋼

1、第七章第七章 合金鋼合金鋼在碳素鋼的基礎(chǔ)上，為了改善鋼的組織和性能，在冶煉時(shí)有意加入某些在碳素鋼的基礎(chǔ)上，為了改善鋼的組織和性能，在冶煉時(shí)有意加入某些元素所獲得的鋼種，叫合金鋼。元素所獲得的鋼種，叫合金鋼。常用的合金元素有：常用的合金元素有：Si(0.4%)、Mn(0.8%)、Cr、Mo、 W、V、Ti、Nb、Zr、Ni、Co、Al、RE等。等。第一節(jié)第一節(jié) 合金元素在鋼中的作用合金元素在鋼中的作用非碳化物形成元素：非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B碳化物形成元素：碳化物形成元素：Zr、Nb、Ti、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe一一 合金元素對(duì)鋼中基本相的影響合金元素對(duì)鋼中

2、基本相的影響1 強(qiáng)化鐵素體：強(qiáng)化鐵素體：合金元素溶于鐵素體，形成合金鐵素體。合金元素溶于鐵素體，形成合金鐵素體。強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性有下降趨勢。強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性有下降趨勢。F 和和 Fe3C 與合金鋼相比，碳鋼的淬透性低、強(qiáng)度低、回火穩(wěn)定性差、不具備某些與合金鋼相比，碳鋼的淬透性低、強(qiáng)度低、回火穩(wěn)定性差、不具備某些特殊性能等。特殊性能等。2 形成合金碳化物：形成合金碳化物： Zr、Nb、Ti、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe結(jié)構(gòu)鋼中結(jié)構(gòu)鋼中合金元素合金元素含量有一含量有一定的限制定的限制加入少量的碳化物形成元素，形成合金滲碳體，如加入少量的碳化物形成元素，形成合金滲碳體，如(Fe

3、 Mn)3C、(Fe W)3C。當(dāng)加入量超過一定限度除形成合金滲碳體外，還形成合金碳化物如：當(dāng)加入量超過一定限度除形成合金滲碳體外，還形成合金碳化物如：Cr7C3 、Cr23C6等和穩(wěn)定性更高的間隙相（等和穩(wěn)定性更高的間隙相（ WC、VC、TiC、MoC等等 ） 。熔點(diǎn)和硬度很高，難溶于熔點(diǎn)和硬度很高，難溶于A，也難聚集和長大。，也難聚集和長大。含量含量 強(qiáng)度、硬度、耐磨性強(qiáng)度、硬度、耐磨性，塑性、韌性，塑性、韌性 二二 合金元素對(duì)鐵碳合金相圖的影響合金元素對(duì)鐵碳合金相圖的影響1 擴(kuò)大或縮小奧氏體相區(qū)擴(kuò)大或縮小奧氏體相區(qū)（相區(qū)）相區(qū)）：擴(kuò)大擴(kuò)大A體相區(qū)元素：體相區(qū)元素： C、N、 Co、 Ni

4、、 Mn、Cu 縮小縮小A體相區(qū)元素：體相區(qū)元素： Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al使使S點(diǎn)和點(diǎn)和E點(diǎn)向左下方移動(dòng)，點(diǎn)向左下方移動(dòng)，A相區(qū)擴(kuò)大，促使相區(qū)擴(kuò)大，促使A 形成，稱為形成，稱為A形成元素。當(dāng)他們的含量足夠高時(shí)形成元素。當(dāng)他們的含量足夠高時(shí)S點(diǎn)溫度會(huì)降到室溫以下室溫下得到穩(wěn)定的點(diǎn)溫度會(huì)降到室溫以下室溫下得到穩(wěn)定的A組組織，生產(chǎn)出奧氏體鋼，如：織，生產(chǎn)出奧氏體鋼，如：1Cr18Ni9Ti使使S點(diǎn)和點(diǎn)和E點(diǎn)向左上方移動(dòng)，點(diǎn)向左上方移動(dòng)，A相區(qū)縮小，促使相區(qū)縮小，促使F形形成，稱為成，稱為F形成元素。當(dāng)他們的含量足夠高時(shí)奧氏形成元素。當(dāng)他們的含量足夠高時(shí)奧氏體相區(qū)消失，使鋼在高溫和室溫都

5、為穩(wěn)定的體相區(qū)消失，使鋼在高溫和室溫都為穩(wěn)定的F組織，組織，生產(chǎn)出單相鐵素體鋼，如生產(chǎn)出單相鐵素體鋼，如1Cr17鋼鋼影響最大影響最大2 幾乎所有合金元素都使幾乎所有合金元素都使S點(diǎn)和點(diǎn)和E點(diǎn)向左移，即移向低碳方向。點(diǎn)向左移，即移向低碳方向。S點(diǎn)左移：共析成分含碳量降低，如含點(diǎn)左移：共析成分含碳量降低，如含Cr13%的鋼共析成分含碳量僅為的鋼共析成分含碳量僅為0.3%E點(diǎn)左移：出現(xiàn)萊氏體的含碳量降低。如含點(diǎn)左移：出現(xiàn)萊氏體的含碳量降低。如含W18%的鋼，含碳量僅的鋼，含碳量僅 為為0.7% 0.8% 鑄態(tài)出現(xiàn)萊氏體鑄態(tài)出現(xiàn)萊氏體。3 A 形成元素使共析溫度下降，形成元素使共析溫度下降，F(xiàn) 形成

6、元素使共析溫度升高。形成元素使共析溫度升高。三三 合金元素對(duì)鋼熱處理的影響合金元素對(duì)鋼熱處理的影響（一）對(duì)鋼加熱時(shí)（一）對(duì)鋼加熱時(shí)A體化的影響體化的影響合金鋼合金鋼A化過程和碳鋼相同，包括三個(gè)階段：化過程和碳鋼相同，包括三個(gè)階段：晶核形成和長大晶核形成和長大滲碳體溶解滲碳體溶解奧氏體成分均勻化奧氏體成分均勻化 A化過程離不開化過程離不開Fe和和C原子的擴(kuò)散。原子的擴(kuò)散。加入合金元素影響了擴(kuò)散速度和碳化物穩(wěn)定性。加入合金元素影響了擴(kuò)散速度和碳化物穩(wěn)定性。1 加速加速A體的形成：體的形成：某些非碳化物形成元素如某些非碳化物形成元素如Co、Ni 加速加速A體的形成體的形成。大部分合金元素特別是強(qiáng)碳化

7、物形成元素如大部分合金元素特別是強(qiáng)碳化物形成元素如Mo、W、V等，減慢等，減慢A體的形成速度體的形成速度。2 減慢減慢A體的形成：體的形成：原因：加入這些元素使碳的擴(kuò)散能力降低，形成碳化物阻礙碳擴(kuò)散。原因：加入這些元素使碳的擴(kuò)散能力降低，形成碳化物阻礙碳擴(kuò)散。 碳化物穩(wěn)定性很高碳化物穩(wěn)定性很高，難分解，使，難分解，使A均勻化過程變得困難。均勻化過程變得困難。 把把A化過程的三個(gè)階段推向更高溫度?；^程的三個(gè)階段推向更高溫度。合金鋼要獲得成分均勻合金鋼要獲得成分均勻A，加熱溫度更高，保溫時(shí)間更長。，加熱溫度更高，保溫時(shí)間更長。 P、Mn等促進(jìn)奧氏體晶粒長大；等促進(jìn)奧氏體晶粒長大； V 、 Ti、

8、Nb、Al等強(qiáng)烈阻止奧氏體晶粒長大。等強(qiáng)烈阻止奧氏體晶粒長大。 Mo、W、Cr有阻止奧氏體晶粒長大作用有阻止奧氏體晶粒長大作用。 Si、Ni、Co、Cu影響小。影響小。（二）對(duì)過冷（二）對(duì)過冷A體分解的影響體分解的影響（C曲線形狀、位置）曲線形狀、位置）3 對(duì)對(duì)A體晶粒度的影響：體晶粒度的影響： 過冷過冷A體分解離不開體分解離不開Fe和和C原子的擴(kuò)散原子的擴(kuò)散，加入合金加入合金元素（除元素（除Co外）阻礙了外）阻礙了Fe和和C原子的擴(kuò)散原子的擴(kuò)散，使使A分解分解過程被推遲，即延緩了過程被推遲，即延緩了A分解，分解，C曲線向右移。曲線向右移。（三）對(duì)（三）對(duì)M體相變溫度的影響體相變溫度的影響大多

9、數(shù)合金元素（除大多數(shù)合金元素（除Co、Al外）使外）使Ms點(diǎn)下降，點(diǎn)下降，Mn的作用最顯著。的作用最顯著。增加了殘余增加了殘余A的數(shù)量。的數(shù)量。（四）對(duì)回火轉(zhuǎn)變的影響（四）對(duì)回火轉(zhuǎn)變的影響1 提高鋼的回火穩(wěn)定性：鋼對(duì)回火時(shí)軟化過程的抵抗能力。提高鋼的回火穩(wěn)定性：鋼對(duì)回火時(shí)軟化過程的抵抗能力。 越不容易軟化，回火穩(wěn)定性越強(qiáng)。越不容易軟化，回火穩(wěn)定性越強(qiáng)?；鼗鸾M織轉(zhuǎn)變包括四個(gè)階段：回火組織轉(zhuǎn)變包括四個(gè)階段：M分解分解殘余殘余A分解分解碳化物的轉(zhuǎn)變碳化物的轉(zhuǎn)變滲碳體聚集長大和滲碳體聚集長大和相再結(jié)晶。相再結(jié)晶。 加入合金元素，尤其是加入合金元素，尤其是Nb、Ti、V、W、Mo、Cr降低降低Fe和和

10、C原子擴(kuò)散能力，把回火組織轉(zhuǎn)變四個(gè)階段推向更高溫度。原子擴(kuò)散能力，把回火組織轉(zhuǎn)變四個(gè)階段推向更高溫度。 在同一溫度回火，合金鋼硬度和強(qiáng)度高。在同一溫度回火，合金鋼硬度和強(qiáng)度高?；鼗鸬较嗤捕?，合金鋼的回火溫度高?；鼗鸬较嗤捕?，合金鋼的回火溫度高。離不開離不開Fe原子和原子和C原子擴(kuò)散原子擴(kuò)散Nb、Ti、V、W、Mo、Cr 對(duì)提高回火穩(wěn)定性有較強(qiáng)作用，對(duì)提高回火穩(wěn)定性有較強(qiáng)作用，Si 作用也明顯。作用也明顯。硬硬度度降降低低的的過過程程被被推推向向更更高高溫溫度度內(nèi)應(yīng)力消除徹底，塑性、韌性較高內(nèi)應(yīng)力消除徹底，塑性、韌性較高2 產(chǎn)生二次硬化：在某溫度范圍回火硬度升高的現(xiàn)象。產(chǎn)生二次硬化：在某溫度

11、范圍回火硬度升高的現(xiàn)象。含含Mo 、 W 、 V、 Ti較高的淬火鋼，在較高的淬火鋼，在500600 回火時(shí)硬度不降反升?；鼗饡r(shí)硬度不降反升。原因：原因：（1）M 回火回火穩(wěn)定性很高，穩(wěn)定性很高，在在500600 回火時(shí)回火時(shí)，析出細(xì)小、彌散分析出細(xì)小、彌散分 布的特殊碳化物布的特殊碳化物Mo2C、 VC、 W2C、TiC，硬度、穩(wěn)定性，硬度、穩(wěn)定性高，高， 難以聚集長大，具有高溫強(qiáng)度。難以聚集長大，具有高溫強(qiáng)度。 （2）部分殘余）部分殘余A轉(zhuǎn)變?yōu)檗D(zhuǎn)變?yōu)镸也提高了硬度。也提高了硬度。高速鋼利用二次硬化提高熱硬性。高速鋼利用二次硬化提高熱硬性。3 產(chǎn)生回火脆性產(chǎn)生回火脆性在某溫度范圍回火出現(xiàn)脆化

12、（沖擊韌性降低）現(xiàn)象。在某溫度范圍回火出現(xiàn)脆化（沖擊韌性降低）現(xiàn)象。第一類回火脆性：第一類回火脆性： 250 350 左右左右第二類回火脆性：第二類回火脆性：500650最容易出現(xiàn)在含最容易出現(xiàn)在含Cr、Mn、Ni等元素的合金鋼中。等元素的合金鋼中。 原因：緩冷時(shí)合金元素在原原因：緩冷時(shí)合金元素在原A晶晶 界上偏聚，削弱了晶界的聯(lián)系。界上偏聚，削弱了晶界的聯(lián)系。 快冷可以消除第二類回火脆性快冷可以消除第二類回火脆性加入加入W、Mo可防止第二類回火脆性可防止第二類回火脆性在此溫度范圍回火，碳化物沿在此溫度范圍回火，碳化物沿M晶界呈薄片析出晶界呈薄片析出，增大了晶界脆斷傾向，使韌性降低。增大了晶界

13、脆斷傾向，使韌性降低。加入加入W、Mo可可強(qiáng)烈阻止合金元素向晶界偏聚，有效防止回火脆性強(qiáng)烈阻止合金元素向晶界偏聚，有效防止回火脆性。第二節(jié)第二節(jié) 合金鋼的分類與編號(hào)合金鋼的分類與編號(hào)一 分類二二 牌號(hào)表示方法牌號(hào)表示方法1 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼 Q s min質(zhì)量等級(jí)符號(hào)質(zhì)量等級(jí)符號(hào)（A、B、C、D、E）例：例：Q345C：鋼的：鋼的s 是是345 MPa， 質(zhì)量等級(jí)質(zhì)量等級(jí) C 級(jí)級(jí) 2 合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼兩位數(shù)字兩位數(shù)字 + 合金元素符號(hào)合金元素符號(hào) + 數(shù)字?jǐn)?shù)字 如如 60Si2Mn高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，鋼號(hào)最后加（高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，鋼號(hào)最后加（A）易切鋼：易切鋼：Y含碳量萬分之幾含碳

14、量萬分之幾+合金元素符號(hào)合金元素符號(hào)+ 數(shù)字?jǐn)?shù)字 例：例：Y20 、 Y20Pb滾動(dòng)軸承鋼：滾動(dòng)軸承鋼：GCr含鉻量千分之幾含鉻量千分之幾+合金元素符號(hào)合金元素符號(hào)+ 數(shù)字?jǐn)?shù)字 例：例：GCr15SiMn碳的萬分之幾碳的萬分之幾合金元素百分之合金元素百分之幾幾合金元素合金元素1.5%：省略：省略3 合金工具鋼合金工具鋼一位數(shù)字一位數(shù)字 + 合金元素符號(hào)合金元素符號(hào)+ 數(shù)字?jǐn)?shù)字碳的千分之幾碳的千分之幾合金元素百分之幾合金元素百分之幾含碳量含碳量千分之十：省略千分之十：省略例：例：5CrMnMo CrWMn4 特殊性能鋼特殊性能鋼一位數(shù)字一位數(shù)字 + 合金元素符號(hào)合金元素符號(hào)+ 數(shù)字?jǐn)?shù)字碳的千分之

15、幾碳的千分之幾含碳量含碳量 0.03% 和和 0.08%，鋼號(hào)前分別，鋼號(hào)前分別 “00”和和“0” 例：例：2Cr13 0Cr18Ni9Ti合金元素合金元素1.5%：省略：省略 一一 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼：低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼：在普通碳鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素制成，主要用于工程結(jié)構(gòu)，如橋梁、在普通碳鋼的基礎(chǔ)上加入少量合金元素制成，主要用于工程結(jié)構(gòu)，如橋梁、建筑、船舶、車輛、高壓容器等，故又稱其為工程用鋼。建筑、船舶、車輛、高壓容器等，故又稱其為工程用鋼。a 化學(xué)成分特點(diǎn)：低碳化學(xué)成分特點(diǎn)：低碳wwc c0.2% 0.2% 、低合金元素低合金元素wwMeMe3%12%時(shí)在陽極區(qū)表面形成氧化膜時(shí)在

16、陽極區(qū)表面形成氧化膜，阻止陽極區(qū)的阻止陽極區(qū)的 反應(yīng)（鈍化現(xiàn)象），同時(shí)提高基體電極電位，提高耐腐蝕性。反應(yīng)（鈍化現(xiàn)象），同時(shí)提高基體電極電位，提高耐腐蝕性。在氧化性介質(zhì)（大氣、水蒸氣、海水、氧化性酸等）中有好的耐腐蝕性在氧化性介質(zhì)（大氣、水蒸氣、海水、氧化性酸等）中有好的耐腐蝕性應(yīng)用應(yīng)用：醫(yī)療器械、汽輪機(jī)葉片等醫(yī)療器械、汽輪機(jī)葉片等3 奧氏體不銹鋼：奧氏體不銹鋼：188型鎳鉻不銹鋼型鎳鉻不銹鋼18%Cr：提高鈍化能力：提高鈍化能力9%Ni：擴(kuò)大：擴(kuò)大A相區(qū)，使鋼在室溫為單相相區(qū)，使鋼在室溫為單相A組織組織晶間腐蝕：晶間腐蝕：500700保溫時(shí)，保溫時(shí)，晶界上析出晶界上析出Cr23C6 晶界附近

17、晶界附近Cr11.7%，晶界容易被腐蝕，晶界容易被腐蝕防止晶界腐蝕的措施：防止晶界腐蝕的措施：C0.06%，不易形成不易形成Cr23C6，如：，如：0Cr18Ni9加入加入Ti、Nb形成形成TiC、 NbC，不形成不形成Cr23C6，如：，如： 1Cr18Ni9Ti發(fā)現(xiàn)有晶間腐蝕傾向，加熱發(fā)現(xiàn)有晶間腐蝕傾向，加熱850900，保溫，保溫23h、空冷、空冷熱處理熱處理固溶處理固溶處理：目的是獲得單相：目的是獲得單相A組織組織加熱到加熱到10501150 ，所有碳化物溶于所有碳化物溶于A。水淬快冷，水淬快冷， 使碳化物來不及析出。使碳化物來不及析出。 耐蝕性高、塑性、韌性好，強(qiáng)度低。耐蝕性高、塑性

18、、韌性好，強(qiáng)度低。含有含有Ti或或Nb的的188型不銹鋼型不銹鋼，固溶處理固溶處理穩(wěn)定化處理穩(wěn)定化處理加熱加熱850900 、保溫、保溫6h，使含，使含Cr碳化物完全溶解。碳化物完全溶解。消除內(nèi)應(yīng)力消除內(nèi)應(yīng)力：經(jīng)冷加工或焊接，有殘余應(yīng)力。避免應(yīng)力腐蝕開裂。：經(jīng)冷加工或焊接，有殘余應(yīng)力。避免應(yīng)力腐蝕開裂。穩(wěn)定化處理穩(wěn)定化處理隨后緩冷使隨后緩冷使Ti或或Nb的碳化物充分析出，碳全部穩(wěn)定在的碳化物充分析出，碳全部穩(wěn)定在TiC或或 NbC中，不會(huì)再形成含中，不會(huì)再形成含Cr碳化物，提高固溶體中含碳化物，提高固溶體中含 Cr量。量。 二二 耐熱鋼：高溫下抗氧化、具有一定高溫強(qiáng)度耐熱鋼：高溫下抗氧化、具有

19、一定高溫強(qiáng)度加入加入Cr、Al、Si，形成保護(hù)膜，形成保護(hù)膜加入加入Cr、Ni、Mo、W、V、Mn等，提高高溫強(qiáng)度。等，提高高溫強(qiáng)度。三三 耐磨鋼：受強(qiáng)烈沖擊或摩擦?xí)r具有很高的抗磨損能力的鋼，通常指高錳鋼。耐磨鋼：受強(qiáng)烈沖擊或摩擦?xí)r具有很高的抗磨損能力的鋼，通常指高錳鋼。成分：高碳、高錳成分：高碳、高錳 0.91.4%C、1015% Mn，有時(shí)加入，有時(shí)加入Cr、Ni、Mo 等等鑄造成型，如鑄造后緩冷沿晶界析出碳化物，使鋼變脆、耐磨性差。鑄造成型，如鑄造后緩冷沿晶界析出碳化物，使鋼變脆、耐磨性差。水韌處理：加熱到水韌處理：加熱到10501150 、保溫，使碳化物全部溶解。、保溫，使碳化物全部溶解。 迅速水冷形成單相迅速水冷形成單相A組織。組織。硬度：硬度：180220HBS 使用時(shí)受強(qiáng)烈沖擊或很大壓力時(shí)使用時(shí)受強(qiáng)烈沖擊或很大壓力