第四章合金钢1 工程材料

重要工程结构和机械零件
Wc在0.1～1.1%范围内变化
（一）低合金结构钢
大气海洋中的大型焊接结构件，建筑结构、桥梁、车辆、 船舶、油气管道、压力容器
World's Longest Suspension Bridge Akashi Kaikyo Bridge
High-strength wire with a tensile
第四章 合金钢 (alloy steel)
主要掌握内容
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; 合金钢的编号方法，会辩认各种钢的牌号； 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。
碳钢的优缺点
减轻自重、受力复杂、负荷大、速度高的重要零 件及工具；在高温、低温、腐蚀、磨损等恶劣环 境下工作的零构件——合金钢 合金钢
(2)形成致密氧化膜和金属间化合物： 形成致密氧化膜和金属间化合物： 形成致密氧化膜和金属间化合物 氧化膜：SiO2、CrO2、Al2O3等，提高钢的耐蚀性； 金属间化合物：FeSi、Ni3Ti等，提高钢的高温蠕变抗力；
二、合金钢的分类及牌号
按照功能（性 能）分：
二、合金钢的分类及牌号
（一）合金结构钢 1. 牌号的表示方法： 例如：60Si2Mn C＝60/10000＝0.6%； Si＝2%；
Vk1
Vk2
（2）W、Cr、Mn可使C曲线右移并改变形状，如图所示：
Cr：2.9%
Cr：8.2%
A→P A→B
A→P A→B
800
T e m p e r a t u r e ( °C )
700
A1 P
11
600 500 400
s
P f
γ+
Coarse pearlite Pearlite 40 Fine pearlite
主加合金元素 以千分数表示该钢平均碳含量； 以％表示合金元素含量
数字＋合金元素符号＋数字
（三）特殊性能钢
1.牌号表示方法：同合金工具钢，例如3Cr13,WC＝3/1000＝ 0.3%； 2. 特殊规定： 1)当碳含量＜0.08%时，钢号前冠以“0”， 例如：0Cr13, Wc≤0.08%； 2)当碳含量＜0.03%时，钢号前冠以“00”， 例如：00Cr18Ni10, Wc≤0.03% ;
1、成分及性能特点： 低碳（ 低碳 （ C<0.2%）、低合金 （Me<3%）——良好的 ） 低合金（ ） 塑性韧性及焊接性能，易于压力加工和焊接; 高强度：бb低合＝1.5бb普碳；（通过Mn Ti V Nb RE等 合金元素强化F,细化晶粒，从而提高强度） 屈强比：бs/бb≈0.65～0.75 具有良好的工艺性能：可焊性、可锻性、抗大气腐蚀 2、热处理性能 一般不进行热处理；
合金元素使钢获得特殊性能
（1） 形成稳定的单 相组织： Ni、Mn使Fe－Fe3C相 图中的S和E点向左下 移动，当A体的存在温 度由727℃扩展至室温 时，就有了奥氏体钢， 例 如 ： 1Cr18Ni9Ti― 奥氏体不锈钢, ZGMn13―奥氏体耐磨 钢；
T℃ A体 E T℃ 左上移动 A体 E
按合金元素的总含量分类
1.低合金钢：合金元素Me<5%; 2.中合金钢：Me<5~10%; 3.高合金钢：Me>10% ;
低碳钢：Wc<=0.25% 碳 钢 中碳钢：Wc=0.30%~0.60% 高碳钢：Wc>0.6%
二、合金结构钢
工业上应用最广、用量最多的钢种
低合金高强度 结构钢 合金渗碳钢 合金调质钢 合金弹簧钢 高碳轴承钢
（二）合金工具钢 1. 牌号表示方法： 例如：9SiCr C＝9/1000＝0.9%; Si、Cr<1.5%; 2. 特殊规定： 1)碳含量＞1.0%时，钢号前无数字，例如：Cr12MOV,C >1.0%; 2)不遵守1)规定：例如：高速钢W18Cr4V, C＝0.7～0.8％ 高速钢的平均含碳量低于1%也不标数字；
40
γ +pearlite Bu
Bainite B s
bai B nite f
43 52 57 66
300 200 100 0 0.1 1.0
Bl
M s
M f
γ+martensite
10
10 2Biblioteka 10 310410 5 10
6
Time Secs
R o c k w e ll C H a r d n e s s
主加合金元素 以万分数表示该钢平均 碳含量 以％表示合金元 素含量
数字＋合金元素符号＋数字
Mn<1.5%；只标合金元素，不标含 量；
2 特殊规定： 1) 合金元素后无数字：表示该合金元素含量<1.5%；如上 例Mn<1.5%; 2) 以千分数 千分数表示合金元素平均含量：例如GCr15,Cr＝1.5%； 千分数 （高碳铬轴承钢） 3) 高级优质钢：后缀“A”，例如：38CrMoAlA---高级优质 4)表明钢的用途：例如Y40:易切削钢；GCr15：滚动轴承钢； 5）低合金高强度结构钢：Q+数字+质量等,如Q345E
A体晶粒 晶界迁移长大
化合物质点
硬质点对晶界的钉扎作用（ pinning effect ） 晶界
硬质点 E
晶界能量变化
2、提高钢的淬透性
Ni 2.9% Ni 4.6%
（1）除Co以外，所有合金 元素都使C曲线右移，从而使 临界冷却速度Vk下降，过冷 奥氏体（A 过 ）稳定，淬透性 提高： 大尺寸零件淬火后，整个截面 组织均匀，性能较一致； 油冷（甚至空气中冷却）即可 得到马氏体，避免变形开裂；
细化组织，提高强度；
有时焊接后正火；特殊情况（如高压容器）调质处理
南京长江大桥
低合金结构钢
2、典型牌号及应用： 1)普通低合金结构钢：如Q325（原牌号16Mn），用于建筑、 Q325（原牌号16Mn）， Q325 16Mn）， 桥梁（南京长江大桥，比用普通低碳结构钢节约15%的钢）； 2)低温用普低钢：如09MnNb，Nb提高低温韧性，用于制冷设 备； 3)耐腐蚀普低钢：如12MoAlV,Al形成Al2O3膜，提高耐蚀性； 4)预应力梁钢筋：如45MnSiV，бb>900Mpa，可施加大的预应 力； 5)轻轨：如45SiMnP、70MnSi等，Si、P提高其耐磨性
缓慢冷却 缓慢冷却
回火温度/ ℃
Si、Cr使温度高移；
第二类回火脆性 （高温回火脆性、可逆性回火脆性）
只在含Cr、Mn或Cr-Ni、Cr-Mn合金钢中出现； a)温度：500～650℃； b)原因：杂质（Mn、Si、P、S）向晶界处偏聚，使韧性大 大的降低； c)防止措施： ⅰ 回火后快冷，抑制杂质偏聚； ⅱ 加入0.25%Mo或0.4～0.8%W,可防止偏聚； ⅲ 重新加热至600℃，偏聚元素可溶解；
(3)除Co和Al外，大多数合金 元素使M体转变温度Ms和Mf 下降，从而使工件淬火后残 余奥氏体增多，硬度下降。
900
Austenite
3、合金元素对回火转变的影响
（1）提高回火抗力（回火稳定性，耐回火性）：淬火钢在 （ 回火稳定性，耐回火性） 回火过程中抵抗硬度下降的能力；M体的分解温度越高、分 解速度越慢，淬火硬度保持越好，例如： T8钢：400℃时，M体分解完毕，硬度大大的下降； T8 400 M W18Cr4V：800℃时，M体不分解，淬火硬度不变，红硬性 高 （2）产生二次硬化：较高温度回火，硬度不降低反而升高 1)“沉淀性”二次硬化：高温回火析出VC、WC使硬度提高； 2)“二次淬火型”二次硬化：回火时，A′→M体，硬度提高；
一、合金元素在钢中的作用
（一）合金元素改善钢的热处理性能 细化奥氏体晶粒 提高钢的淬透性 回火转变的影响
1、细化奥氏体晶粒
V、Ti、Nb、Zr、Al等元素，可形成VC、TiC、AlN等细小 的化合物颗粒，比Fe3C更加难溶解，成为坚固的质点， 钉住晶界，阻碍晶粒长大 ，从而使热处理后钢的组织细 化。
（二）合金元素提高钢的使用性能
合金元素使钢强化 合金元素使钢获得特殊性能
合金元素使钢强化
（1）固溶强化：合金元素溶入F、A、M体内，形成合金 F 体 ； Si 、 Mn 、 Ni 使 F 体 的 硬 度 提 高 ； 通 常 ： Si<0.6%,Mn<1.5%,否则会降低钢的韧性。 （2) 第二相强化：W、Mo、Cr、V、Nb可置换Fe3C中的 Fe原子，形成合金渗碳体如：（FeCr）3C、（FeV）3C， 提高了渗碳体的稳定性，使钢的硬度、强度提高；还可 形成特殊化合物，如：VC、WC、NbC，熔点高、硬度高， 使钢的硬度、强度大大的提高； （3）细晶强化：合金元素能细化A体晶粒和M体针条， 使钢的硬度、强度和韧性提高——（V、Ti、Nb、Zr、 Al）等细化作用最显著
U.S. $3.6 billion
meter-diameter cable
•The steel for Nimitz-class aircraft carriers must be able to withstand the impact of a 37-ton, F-14 Tomcat aircraft landing on the deck at 150 miles an hour, shield a ship's crew from radiation generated by onboard nuclear reactors, and take the impact of shells and other projectiles.
低碳低合金：焊 接性能良好
Many types of steel are used in their construction and in the associated pipelines, including carbon, microalloyed, alloy and stainless steels. The fabrication process for an offshore platform involves extensive welding. High strength steel plate is used for the decking and tubular support structure