第四章 合金钢

机械工程专业 机械工程材料 合金钢思维导图。合金钢 alloy steel 钢里除铁、碳外，加入其他的合金元素，就叫合金钢。 在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金。根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。

第四章 合金钢

• 合金元素改善钢热处理工艺性能
  • 细化A晶粒（除Mn以外）。合金元素和C形成碳化物，阻碍晶界移动，细化A组织，从而细化钢的组织。
  • 提高淬透性（除Co）以外。几乎都增加A的稳定性，减慢过冷A分解v,使C曲线右移，降低了 v临，提高了淬透性。
    • Mn,Cr使B转变图右移大于P转变图右移；Mo,W与前两者刚好相反，因此某些合金空冷就能得到B。
    • （除了Co，Al外），大多数合金使钢的M转变温度Ms,Mf下降，引起淬火后残留A的增加。
  • 提高回火抗力（淬火钢在回火，产生二次硬化，防止第二类回火脆性
    • 回火抗力（淬火钢在回火时抵抗硬度下降的能力，又叫耐回火性）
    • 二次硬化：淬火 钢在较高的温度回火，硬度不减反而升高的现象。
    • 回火脆性：淬火钢回火后出现韧性下降的现象。250-400度出现的为第一类回火脆性；500-650度发生的为第二类回火脆性。消除第二类脆性方法：对于小零件，回火后快冷（水冷或油冷）；对于大零件，选用含W、Mo的钢制造。
• 合金元素改善钢使用性能
  • 固溶强化
    • 合金元素与Fe的原子半径和晶体结构相差+,强化效果+，但合金元素超过一定量时，韧性急剧-。
  • 第二相强化（弥散强化）
    • Mn,Cr,Mo,W等溶于渗碳体，形成合金渗碳体，+渗碳体稳定性。+钢硬度，强度。 P+硬度，但会形成冷淬
  • 细晶强化：+强度，硬度，+塑性，韧性（其他方法做不到）
  • 使钢获得特殊性能
    • 形成稳定的单相组织
    • 形成致密氧化膜（+耐蚀性和高温氧化性）和金属间化合物（阻碍位错在高温下运动+蠕变抗力，呈细小颗粒时+高温强度）
• 第三节、合金工具钢
  • 合金工具钢含碳>1%不标,9/5/3开头，表P124
    • 新型合金工具钢p128
    • 中C合金工具钢（热作模具钢，压铸模）
      • 5CrNiMo(T+回M),5CrMnMo,4CrSi,3Cr2W8V
      • 热处理：淬火+高温回火
    • 高C高合金工具钢
      • 高速钢W开头，表p127）
        • 锻造及热处理：因为有鱼骨状的共晶Ld(先锻造：反复镦拔）再球化退火（S+细粒c化物）；淬火1200-1300度（隐晶M+细粒c化物，大量A残），高温550-570度回火3次（A残->回火M,粒状C化物+少量A残）
        • 单例：W18Cr4V。淬火温度1280度,有二次硬化现象；W6Mo5Cr4V2
      • 高铬钢Cr后数字很大（承受重负荷，形状复杂，形变小，耐磨高硬度好）
        • Cr12MoV，高温淬火+高温回火（二次硬化法）模具形变大，强烈磨损，晶粒粗大
        • Cr12,低温淬火+低温回火。（一次硬化法）模具变形小，形状复杂
        • 热处理：预热球化退火（S+粒状C化物）；终热淬火+回火（回火M+粒状c化物+A残）
    • 高C低合金工具钢（冷作模具钢）
      • 热处理：预热球化退火；最终淬火+低温回火（组织：细针回火M+细粒C化物+少量A残）要求尺寸稳定则：冷处理+时效处理（-A残，消除应力)
      • 单例：9SiCr,CrWMn、9Mn2V
  • 碳素工具钢
    • 价格低，淬透性差，耐回火性差，热硬性差，多用于造手动和低速运动工具
• 第四节、特殊性能钢
  • 不锈钢和镍基耐蚀合金
    • 合金元素的作用
      • 1：+基体的电极电位；2使钢在室温为单相组织；3表面形成致密氧化膜；4形成稳定氧化物和金属化合物
    • 不锈钢
      • M不锈钢
        • 30Cr13,4Cr13制医疗器械和不锈钢刀具；95Cr18耐蚀的滚动轴承和刃具
      • F不锈钢（硝酸的吸收塔，热交换器）
        • 06Cr13,10Cr17
        • 单相F，不发生相变，不能用淬火强化
      • A不锈钢（制硝酸，有机酸，盐，碱工业的零件）
        • 06Cr19Ni10,06Cr17Ni12Mo2
        • 晶间腐蚀：在晶界上析出含Cr的c化物，晶界贫Cr，电极电位降低，沿晶界腐蚀（消除方法：1-含碳量，不行成含Cr的碳化物；2入加Ti/Nb；3固溶/退火处理，使A均匀化
      • A-M不锈钢（硝酸工业与尿素，尼龙生产，Ti/N结尾）
        • 12Cr21Ni5Ti,14CH8Ni11Si4AlTi,022Cr22NiSiMo3N
      • 沉淀硬化型不锈钢(航天和高强度，高耐腐蚀Al结尾)
        • 07Cr17Ni7Al,07Cr15Ni7Mo21Al
  • 耐磨钢（高Mn钢）
    • ZGMn13铸钢制坦克，拖拉机，挖掘机的履带，破碎机的压板，铁路的道岔（高耐磨是通过加工硬化获得的，必须用于在剧烈冲击和挤压的条件下受摩擦，否则发挥不出高耐磨性）
    • 热处理：水韧处理/固溶处理（加热，保持，快冷得到过饱和固溶体（单相A））
• 第二节、合金结构钢
  • 合金结构钢，合金工具钢，特殊性能钢牌号命名法p107
  • 一、低合金高强度钢C<=0.2%（图p109)
    • 性能:强化F,细化晶粒，+强度；有好的塑性，韧性，焊接性，耐大气腐蚀性。减重节约钢材、
    • 热处理：热轧空冷(F+P)有时焊接后正火后使用。若要求高强度则调质(回火S)
    • • 用途：Q345，Q390造桥，车，船等结构件，Q420(制强度更高的桥，车，船）；Q460即14CrMnMoVB制钢高压容器；
    • 补充;通过亚温淬火或控制轧制，获得F+M/F+岛状M+A,可以+钢强度和冷成形性能，-重量。
  • 二、合金渗碳钢0.1%-0.25%，20开头的(图p111）
    • 性能：外硬里韧，好淬透性，良好工艺性能
    • 热处理：渗碳，淬火，低温回火。表层细针回火M+粒状C+少量残余A；芯部F/T+低温M
    • 单例：20CrMnTi制造汽车，拖拉机变速箱齿轮
    • 分类和用途：可分为低（小齿轮、活塞），中（汽车，拖拉机变速箱齿轮），高淬透性合金渗碳钢（飞机、坦克曲轴。内燃机车主动牵引齿轮）
  • 三、合金调质钢0.25%-0.5%多为40开头
    • 性能：好的淬透性，优良的综合力学性能
    • 用途：收力复杂，综合力学性能零件，如：精密机床主轴，汽车后桥半杆，发动机曲杆，连杆螺栓，锻床的锤杆。
    • 可分为低（40Cr、40MnB);中(35CrMo、38CrSi)，高淬透性合金调质钢(38CrMoAlA、40CrNiMoA)
    • 热处理：调质（回火S)，若要求局部良好耐磨，则局部中频感应加热表面淬火，低温回火。有缺口零件，喷丸或滚压强化（+疲劳抗力，延长使用寿命）
    • 单例：渗N钢38CrMOAlA制精密机床主轴（调质+表面渗氮+缺口喷丸）；40CrMo制火车内燃机曲轴（调质+轴颈中频感应加热淬火+低温回火）
  • 四、合金弹簧钢0.45%-0.7%多为60开头（表p116)
    • 按合金元素分
      • 含Si,Mn
        • 60Si2Mn制汽车，拖拉机，火车的板弹簧和螺旋弹簧
      • 含Cr,V
        • 50CrVA制造350-400度下重载弹簧，如：阀门弹簧，内燃机汽阀弹簧
    • 性能：好的淬透性，耐回火性，脱碳敏感性小，高弹性极限和屈服强度，疲劳强度，韧性，塑性
    • 冷成形弹簧（小型）
    • 热成形弹簧(大型）
    • 热处理：淬火+中温回火（回火T)常在热处理后喷丸，+寿命
  • 五、轴承钢0.95%-1.05，G（滚）开头，表P118
    • 性能：高硬度，弹性极限，接触疲劳强度，适当韧性，耐腐蚀
    • 热处理;球化退火，淬火+低温回火（细针M+细粒、球状碳化物+少量残余A）
    • 高碳铬轴承钢(GCr4,GCr15制小型滚动轴承及冷冲模具，量具，丝杆；GCr15SiMn,GCr15SiMo,GCr18Mo制大型滚动轴承）
    • 高碳无铬轴承钢（GMnMoVBRE,GSiMoMnV)
  • 六、超高强度钢多为30-40开头，四种合金元素表p120-121)
    • 性能：高比强度，耐热性，一定塑性，冲击韧性，断裂韧性，好切削加工性，焊接性，价格低于钛合金
• 热硬性：钢在较高T下工作时，仍能保持高硬度的能力。