机械工程材料第六章(毛松发)

第六章合金钢为改善钢的性能，特意加入一种或数种合金元素的钢称为合金钢。

目前常用的合金元素有硅（Si）、锰（Mn）、铬（Cr）、镍（Ni）、钨（W）、钼（Mo）、钒（V）、钛（Ti）、铝（Al）、硼（B）、铌（Nb）、锆（Zr）和稀土元素（Re）等。

稀土元素稀土元素是钪、钇和镧等17种元素的总称。

市有“稀土之城”之美誉。

稀土除具有金属通用性以外，还具有自己的一些“绝招”。

钢中加入适量稀土，可细化晶粒，改善加工性能，提高钢的耐高温、抗腐蚀的本领。

铸铁中加入稀土，可大大提高铸铁的塑性。

第一节合金钢的优良性能合金元素在钢中不仅与铁和碳这两个基本元素发生作用，而且合金元素之间也可能相互作用，从而使合金钢具有优良的性能。

力学性能好合金元素溶入铁后，形成合金铁素体，使铁素体的强度和硬度提高。

强化铁素体最显著的合金元素是硅、锰和镍。

钛、钒、钨、钼、铬、锰这些与碳亲和力大的合金元素，能与碳形成较稳定的特殊碳化物，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，而对塑性和韧性影响不大。

因此，我们可以发现，与碳钢相比，合金钢具有优良的力学性能。

红硬性高合金元素在淬火时大部分能溶入马氏体，因而在回火过程中，合金元素对扩散过程起阻碍作用，使马氏体不易分解，碳化物不易析出，使钢在回火过程中硬度下降较慢。

淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称为耐回火性。

高的耐回火性使钢在较高的温度条件下，仍能保持高硬度和耐磨性。

金属材料在高温（>550℃）下保持高硬度（≥60HRC）的能力，称为红硬性。

碳钢制造的刀具只能在200℃以下保持高硬度，而合金钢的红硬性最高可达600℃。

红硬性高的材料可用于制造切削速度高的刀具，在金属切削加工中发挥重要作用。

淬透性好合金元素（除钴外）溶入奥氏体后，能增加过冷奥氏体的稳定性，从而使C曲线右移，减小了钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。

淬透性好的钢能使大截面的零件淬透，且可用冷却能力弱的介质淬火，减少零件的变形与开裂。

具有特殊的物理、化学性能加入铬、镍、钼等合金元素，可使钢有很好的耐腐蚀性和耐热性；加入11％——14%的锰元素，钢将具有特别高的耐磨性。

（钨和钢中的碳结合，生成很硬的碳化钨）第二节合金钢的分类和牌号合金钢的分类1.按合金元素含量分类（1）低合金钢，合金元素总含量≤5%。

（2）中合金钢，合金元素总含量5%——10%。

（3）高合金钢，合金元素总含量≥10%。

2.按主要用途分类（1）合金结构钢，主要用于制造重要的机械零件和工程结构件。

（2）合金工具钢，主要用于制造重要工具。

（3）特殊性能钢，是具有某些特殊物理、化学性能的合金钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。

（4）合金钢的价格较碳钢贵，一般在碳钢难以胜任工作时才考虑使用合金钢。

合金钢牌号表示方法1．合金结构钢牌号的表示方法除低合金高强度结构钢和特殊专用钢，合金结构钢牌号采用下列方法表示：二位数字 + 元素符号 + 数字平均含碳的合金元素合金元素平均万分之几百分含量例如，40Mn2表示含C 0.40%,Mn 2.0%;20Cr2Ni4表示含C0.20%,Cr2.0%,Ni 4.0%。

若高级优质钢，则在牌号后加“A”，特级优质钢在牌号后加“E”，如20Cr2Ni4A。

2．合金工具钢牌号的表示方法合金工具钢的牌号采用下列方法表示：一位数字 + 元素符号 + 数字平均含碳的合金元素合金元素平均千分之几百分含量注意：当C≥1.0%时，牌号中不予标出。

例如，3Cr2W8V表示含C 0.30%,Cr 2.0%,V 1.0%;Cr12MoV表示含C≥1.0%，Cr 12.0%,V 1.0%。

3．特殊性能钢牌号的表示方法特殊性能钢牌号的表示方法基本上与合金工具钢相同，只是当含碳量在0.03%——0.1%之间时，牌号中用0表示；当含碳量≤0.03%时，牌号中用00表示。

除此以外，还有一些特殊专用钢，为表示钢的用途，在钢的牌号前面冠以汉语拼音字母字头，而不标含碳量，合金元素含量的标注也特殊。

例如，滚动轴承钢牌号的表示方法是：在牌号前加“G”（“滚”字的汉语拼音字首，）如GCr15、GCr15SiMn、GCr9。

这里应特别注意牌号中铬元素后面的数字是表示铬的千分之几，其他元素仍按百分之几表示。

如GCr15SiMn表示平均含Cr1.5%,Si1.0%,Mn1.0%的滚动轴承钢。

第三节合金结构钢合金结构钢按照用途可分为工程用钢和机械制造用钢两大类。

工程用钢主要用于各种工程结构。

这类钢是含少量合金元素的低碳结构钢，过去称为普通低合金结构钢，现今称为低合金高强度结构钢。

机械制造用钢主要用于制造机械零件，按其用途和热处理特点，又分为合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢等、低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是在低碳钢的的基础上加入少量合金元素而制成的钢，钢中的含碳量小于0.2%，合金元素总量小于3%。

由于合金元素产生的显著强化作用，这类钢的强度比含碳量相同的碳钢高得多（高25%——150%），故称低合金高强度结构钢。

它还具有良好的塑性、韧性和焊接性，耐腐蚀性也比碳钢好。

由于这类钢塑性好，便于冷弯和冲压成型，成本低，产量大。

另外，冷脆转变温度低，对高寒地区使用的结构件和运输工具有很重要的意义。

低合金高强度结构钢牌号的表示方法与普通碳素结构钢相同，它仍用“Q数字——质量等级”表示其牌号，如Q345——A表示屈服点为345MPa的A级低合金高强度结构钢。

这类钢的屈服点在295——460MPa之间。

（低合金高强度结构钢由于强度大，若达到碳钢相同的强度时，可大大节约钢材，减轻设备自重。

对于车辆、船舶、工程机械等动力机械，由于减轻自重，可以大大节约能源，提高运载能力，并提高工作效率。

设备的加工由于壁厚减薄，重量减轻，从而减少焊接工作量。

采用低合金高强度结构钢可促进各类工程及设备向大型、轻量、高效能方向发展。

）低合金高强度结构钢通常是热轧状态下供应，使用时一般不再进行热处理。

合金渗碳钢用于制造渗碳零件的钢称为渗碳钢。

碳素渗碳钢（15、20、25钢）由于淬透性差，仅能在表层获得高的硬度，而心部得不到强化，故适用于制造受力小的渗碳零件。

一些性能要求高、截面更大的零件，都必须采用合金渗碳钢。

合金渗碳钢是用来制造既要有优良的耐磨性、耐疲劳性，又能承受冲击载荷作用而有足够高的韧性、强度的零件。

合金渗碳钢含碳量在0.10%——0.25%之间，以保证心部具有足够的塑性和韧性。

加入Cr、Ni、Mn、Si、B等合金元素，主要是提高淬透性，使零件在热处理后，从表面到心部都得到强化；加入V、Ti等合金元素，目的是细化晶粒。

20CrMnTi是最常用的合金渗碳钢，适用于截面直径在30mm以下的高强度渗碳零件。

合金渗碳钢的热处理一般是渗碳、淬火和低温回火。

合金调质钢调质钢是指经调质处理（淬火+高温回火）后使用的钢。

优质碳素结构钢中40、45、50是常用的调质钢。

这类钢价格便宜，工艺简单，但淬透性差，调质后力学性能不够理想，仅适用于制造形状简单、尺寸小的零件。

许多重要零件必须选用合金调质钢。

合金调质钢含碳量在0.25%——0.50%之间。

加入Cr、Mn、Si、Ni、B等合金元素，主要是强化铁素体，显著提高淬透性，使大截面零件获得均匀、一致的组织和性能。

加入少量Mo、V、W、Ti等合金元素，目的是细化晶粒，进一步提高强度。

40Cr是合金调质钢最常用的钢种，其强度比40钢提高20%，属于低淬透性合金调质钢，油淬临界直径为30——40mm，用于制造一般尺寸的重要零件。

35CrMo为中淬透性合金调质钢，油淬临界直径为40——60mm。

40CrMnMo为高淬透性合金调质钢，油淬临界直径为60——100mm。

合金调质钢的淬透性好，一般用油淬，调质后的组织为回火索氏体。

若要求零件表面有很高的耐磨性，可在调质后进行表面淬火或化学热处理。

合金调质钢广泛用于制造承受多种工作载荷，受力情况比较复杂，要求综合力学性能好的重要零件。

超高强度钢（超高强度钢是指屈服点大于1300MPa、抗拉强度大于1400MPa的钢。

它是在合金调质钢的基础上，加入多种合金元素而发展起来的，主要用于航空和航天工业。

）合金弹簧钢弹簧利用在弹性变形时所储存的能量，来缓和机械上的振动和冲击作用。

由于弹簧一般是在动载荷条件下使用的，因此，弹簧钢必须具有高的弹性强度、高的疲劳强度和足够的韧性。

优质碳素结构钢中65、70、75、80和65Mn是常用的碳素弹簧钢，由于它们的淬透性差，只适用于制作直径小于15mm的小弹簧。

如果弹簧未淬透，将会使弹簧的屈服点显著降低，以致弹簧在工作时产生塑性变形，因此，较大截面的弹簧必须采用合金弹簧钢。

合金弹簧钢的含碳量在0.45%——0.70%，通常加入Mn、Si、Cr等合金元素，主要是提高弹簧钢的强度和淬透性。

尤其是Si，能显著提高弹簧的弹性强度，是弹簧钢中的常用元素之一。

含硅、锰的弹簧钢最高工作温度在250℃以下，而含铬、钒、钨的弹簧钢可在350℃以下工作。

弹簧钢的分类弹簧钢按加工和热处理分为两种：（1）冷成型弹簧适用于小型弹簧（外径小于10mm），它采用冷拔钢丝或冷轧钢带制作。

钢材经过冷卷和冷轧，由于冷加工硬化作用，屈服点大为提高。

卷成型的弹簧，需在200℃——300℃进行去应力退火，以稳定弹簧的几何尺寸和消除应力。

（2）热成型弹簧适用于大型弹簧或形状复杂的弹簧。

弹簧热成型后进行淬火及中温回火，以便获得很高的弹性强度和疲劳强度。

热处理后的弹簧往往还要进行喷丸处理，使表面产生加工硬化，以提高弹簧的抗疲劳性，从而提高弹簧的寿命。

滚动轴承钢滚动轴承（滚动轴承是现代机械应用广泛的支承零件，滚动轴承通常由外圈、圈、滚动体、保持架四个主要部件组成。

滚动轴承工作时，滚动体与套圈之间属于点接触或线接触，接触面积小，摩擦阻力小，启动灵敏，效率高，润滑简便，互换性好，但抗冲击能力差，噪声大，工作寿命较短。

）制造滚动轴承的专业钢称为滚动轴承钢。

滚动轴承在工作时，承受着高而集中的交变应力，同时在滚动体与套圈之间还会产生强烈的摩擦。

因此，滚动轴承必须具有高的硬度和耐磨性、高的弹性强度和疲劳强度，以及一定的韧性。

滚动轴承钢含碳量为0.95%——1.05%，含铬量为0.45%——1.65%。

加入合金元素Cr是为了提高淬透性，并在热处理后形成细小均匀分布的碳化物，提高其耐磨性。

制造大型轴承时。

为进一步提高淬透性，还可以加入Si、Mn等元素。

滚动轴承钢的热处理主要是锻造后再进行球化退火（＜210HBS），制成零件后进行淬火和低温回火，得到回火马氏体组织，硬度可达62HRC以上。

第四节合金工具钢工具钢可分为碳素工具钢和合金工具钢两种。

碳素工具钢来源较广，价格便宜，淬火后能达到高的硬度和较高的耐磨性，但因它的淬透性差，淬火变形倾向大，红硬性差（只能在200℃以下保持高硬度）。