第2章 合金钢.docx
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第2章合金钢
第二章合金钢
由于碳钢存在着强度低、淬透性低、热硬性差和不能满足某些特殊的物理化学性能等缺点，因而其应用受到一定限制。
为了提高钢的力学性能，改善工艺性能和得到某些特殊的物理化学性能，炼钢时有目的的向钢中加入某些合金元素，就得到了低合金钢和合金钢。
习惯上把低合金钢和合金钢统称为合金钢。
常加入的合金元素有：
锰（Mn）、硅（Si）、铬（Cr）、镍（Ni）、钼（Mo）、钨（W）、钒（V）、钛（Ti）、硼（B）、铝（Al）、铌（Nb）、锆（Zr）、稀土（Re）等。
第一节合金元素在钢中的作用
合金元素对钢的相变、组织和性能的影响取决于它们与钢中的铁或碳的相互作用。
一、合金元素对钢中基本相的影响
铁素体和渗碳体是碳钢中的两个基本相，合金元素加入钢中时，可以溶于铁素体内，也可以溶于渗碳体内。
非碳化物形成元素如镍、硅、铝、钴等及与碳亲和力较弱的碳化物形成元素如锰，主要溶于铁素体中，形成合金铁素体。
碳化物形成元素如锆、铌、钛、钒、钨、钼、铬等，可以溶于渗碳体形成合金渗碳体，也可以和碳直接结合形成特殊合金碳化物。
1、合金铁素体
合金元素溶于铁素体中，由于与铁的晶格类型和原子半径不同而造成晶格畸变，从而提高塑性变形抗力，产生固溶强化效果。
图7-1和7-2为几种合金元素对铁素体的硬度和韧性的影响。
由图可见，硅、锰显著提高铁素体的硬度，当Si<0.6%、Mn<1.5%时，对韧性的影响不大。
铬、镍这两个元素，在适当的含量范围内（Cr<2%、Ni<5%），不但提高铁素体的硬度，而且能提高其韧性。
为此，在合金结构钢中，为了获得良好的强化效果，对铬、镍、硅、锰等合金元素要控制在一定的含量范围内。
2、形成碳化物
作为碳化物形成元素，在元素周期表中都是位于铁以左的过渡族金属，越靠左，则d层电子数越少，形成碳化物的倾向越强。
按形成碳化物的稳定程度，可将合金元素按由强至弱的顺序排列成钛、锆、铌、钒、钨、钼、铬、锰、铁。
锰是弱碳化物形成元素，与碳的亲和力比铁强，溶于渗碳体中，形成合金渗碳体（Fe,Mn）3C，这种碳化物的熔点较低、硬度较低、稳定性较差。
铬、钼、钨属于中强碳化物形成元素，既能形成合金渗碳体，如（Fe,Mn）3C等，又能形成各自的特殊碳化物，如Cr7C3、Cr23C6、MoC、WC等，这些碳化物的熔点、硬度、耐磨性以及稳定性都比渗碳体高。
铌、钒、钛是强碳化物形成元素，它们在钢中优先形成特殊碳化物，如NbC、VC、TiC等。
它们的稳定性最高，熔点、硬度和耐磨性也最高。
二、合金元素对铁碳合金相图的影响
合金元素的加入对铁碳合金相图的相区、相变温度、共析成分等都有影响。
a）b）
图7-3Mn、Cr对铁碳合金相图的影响
合金元素会使奥氏体相区扩大或缩小。
镍、锰、碳、氮等元素的加入都会使奥氏体相区扩大，是奥氏体形成元素，特别以镍、锰的影响更大。
图7-3a）为Mn对铁碳合金相图的影响。
铬、钼、硅、钨等元素使奥氏体相区缩小，是铁素体形成元素。
图7-3b）为Cr对相图的影响。
由图7-3可见，随着Mn含量的增加，共析转变温度和共析成分向低温、低碳方向移动。
因此，当Mn含量相当高时，由于扩大奥氏体区的结果，又可能在室温下形成单相奥氏体钢；而随着Cr含量的增加其共析温度和共析成分向高温、低碳方向移动，因此，当含Cr量相当高时，由于缩小奥氏体区的结果，有可能在室温下形成单相铁素体钢。
此外，由于上述合金元素的作用，而使铁碳合金相图的S点和E点的含碳量降低，从而使钢中的组织与含碳量之间的关系发生变化。
三、合金元素对钢热处理的影响
如第六章所述，合金元素对钢在加热时奥氏体化及过冷奥氏体分解过程都有着重要的影响。
此外，合金元素对回火转变也产生一定的影响。
将淬火后的合金钢进行回火时，其回火过程的组织转变与碳钢相似，但由于合金元素的加入，使其在回火转变时具有如下特点：
1、提高钢的回火稳定性
淬火钢件在回火时，组织分解和转变快慢的程度称为回火稳定性。
不同的钢在相同温度回火后，强度、硬度下降少的其回火稳定性较高。
由于合金元素阻碍马氏体分解和碳化物聚集长大过程，使回火的硬度降低过程变缓，从而提高钢的回火稳定性。
由于合金钢的回火稳定性比碳钢高，若要求得到同样的回火硬度时，则合金钢的回火温度就比同样含碳量的碳钢来得高，回火的时间也长，内应力消除得好，钢的塑性和韧性指标就高。
而当回火温度相同时，合金钢的强度、硬度都比碳钢高。
如图7-4所示为含0.35%C的钢中加入不同的钼，经淬火后回火时的硬度变化情况。
2、产生二次硬化
当含钨、钼、钒、钛量较高的淬火钢，在500～600℃温度范围回火时，其硬度并不降低，反而升高，把这种在回火时硬度升高的现象称为二次硬化。
图7-4表明含Mo量大于2%的钢产生二次硬化的情况。
这是因为含上述合金元素较多的合金钢，在该温度范围内回火时，将析出细小、弥散的特殊碳化物，如Mo2C、W2C、VC、TiC等，这类碳化物硬度很高，在高温下也非常稳定，难以聚集长大，能有效地阻碍位错运动，具有高温强度。
如具有高热硬性的高速钢就是靠这种特性来实现的。
另外，将淬火合金钢加热至500～600℃回火，在冷却过程中由部分残余奥氏体转变为马氏体，从而增加钢的硬度，这种现象称为“二次淬火”（或也称二次硬化）。
3、回火脆性
淬火钢在某些温度区间回火或从回火温度缓慢冷却通过该温度区间的脆化现象，称为回火脆性。
图7-5为镍铬钢回火后的冲击韧度与回火温度的关系。
钢淬火后在300℃左右回火时产生的回火脆性称为第一类回火脆性。
无论碳钢或合金钢，都可能发生这种脆性，并且它与回火后的冷却方式无关。
这种回火脆性产生后无法消除。
为了避免第一类回火脆性的发生，一般不在250～350℃温度范围内回火。
含有铬、锰、铬-镍等元素的合金钢淬火后，在脆化温度区（400～550℃）回火，或经更高温度回火后缓慢冷却通过脆化温度区所产生的脆性，成为第二类回火脆性。
它与某些杂质元素在原奥氏体晶界上偏聚有关。
这种偏聚容易发生在回火后缓慢冷却的过程中，最容易发生在含铬、锰、镍等合金元素的合金钢中。
如果回火后快冷，杂质元素便来不及在晶界上偏聚，就不易发生这类回火脆性。
当出现第二类回火脆性时，可将其加热至500～600℃经保温后快冷，即可消除回火脆性。
对于不能快冷的大型结构件或不允许快冷的精密零件，应选用含有适量钼和钨的合金钢，能有效防止第二类回火脆性的发生。
第二节低合金钢和合金钢的分类与编号
一、分类
国家标准规定的非合金钢、低合金钢和合金钢中合金元素规定含量见表7-1。
非合金钢已在第四章中介绍，以下主要介绍低合金钢和合金钢。
表7-1合金元素规定含量界限值（摘自GB/T13304-1991）
合金元素
合金元素规定含量值/%
合金元素
合金元素规定含量值/%
非合金钢
低合金钢
合金钢
非合金钢
低合金钢
合金钢
AL
<0.10
—
≥0.10
Nb
<0.02
0.02～0.06
≥0.06
B
<0.0003
—
≥0.0005
Si
<0.50
0.50～0.90
≥0.90
Cr
<0.30
0.30～0.50
≥0.50
Ti
<0.05
0.05～0.13
≥0.13
Cu
<0.10
0.10～0.50
≥0.50
W
<0.10
—
≥0.10
Mn
<1.00
1.00～1.40
≥1.40
V
<0.04
0.04～0.12
≥0.12
Mo
<0.05
0.05～0.10
≥0.10
Zr
<0.05
0.02～0.05
≥0.05
Ni
<0.30
0.30～0.50
≥0.50
1、低合金钢
低合金钢是指合金元素的种类和含量低于国家标准规定范围的钢。
与非合金钢的分类相似，低合金钢按质量等级可分为三类：
普通质量低合金钢（如一般低合金高强度结构钢、低合金钢筋钢等）；优质低合金钢（如通用低合金高强度结构钢、锅炉和压力容器用低合金钢、造船用低合金钢）；特殊质量低合金钢（如核能用低合金钢、低温压力容器用钢等）。
2、合金钢
合金钢是指合金元素的种类和含量高于国家标准规定范围的钢。
按质量等级，合金钢可分为优质合金钢（如一般工程结构用合金钢、耐磨钢、硅锰弹簧钢）；特殊质量合金钢（如合金结构钢、轴承钢、合金工具钢、高速工具钢、不锈钢、耐热钢）。
另外，合金钢按用途分有结构钢、工具钢、不锈钢及耐热钢；按合金元素种类分有铬钢、锰钢、铬镍钢、铬钼钢、铬锰钢、硅锰钢、硅锰钼钒钢、铬镍钼钢等；按正火后的金相组织分有珠光体钢、马氏体钢、奥氏体钢和莱氏体钢（最典型的是高速工具钢）。
二、编号
我国合金钢编号是由含碳量数字、合金元素符号及合金元素含量数字按顺序及汉语拼音字母组成的。
1、含碳量数字当含碳量数字为两位数时，表示钢中平均含碳量的万分数；当含碳量为一位数时，表示钢中平均含碳量的千分数。
例如20CrMnTi钢，平均（C）为万分之二十，即0.2%；3Cr13钢平均（C）为千分之二，即0.3%。
2、合金元素符号与含量数字表示该合金元素平均含量的百分数。
当合金元素平均含量小于1.5%时不标数字。
例如60Si2Mn钢平均（Si）为2%、（Mn）<1.5%。
3、当采用汉语拼音字母表示产品名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表产品名称的汉语拼音中选取第一个字母，加在牌号首部或尾部。
如GCr15（G表示滚动轴承）、SM3Cr3Mo（SM表示塑料模具）。
上面介绍的是一般情况。
合金钢的牌号表示中还有一些特例，如有的钢不标含碳量数值（如CrWMn）；有的钢含碳量数字为“0”或“00”（如0Cr19Ni9、00Cr12）；有的牌号中合金元素为千分数（如GCr15）等，这些将在后面遇到时详细介绍。
第三节低合金钢
一、低合金高强度结构钢
1、用途
广泛用于桥梁、车辆、船舶、锅炉、高压容器、输油管、大型钢结构以及汽车、拖拉机、挖土机械等产品方面。
在某些场合用低合金高强度结构钢代替碳素结构钢可减轻构件重量，保证使用可靠、耐久。
2、性能特点
这类钢具有较高的强度，良好的塑性、韧性，良好的焊接性、耐蚀性和冷成形性，低的韧脆转变温度，适于冷弯和焊接。
其强度显著高于相同碳量的碳素结构钢，若用低合金高强度结构钢来代替碳素结构钢，就可在相同受载条件下重量减轻20～30%。
此外，它还具有更低的韧脆转变温度，这对在北方高寒地区使用的构件及运输工具（例如车辆、容器、桥梁），具有十分重要的意义。
3、化学成分特点
（1）含碳量一般Wc≤0.20%，以保证其韧性、焊接性能及冷成形性能。
（2）合金元素主加元素Mn、Si能固溶强化铁素体。
辅加元素Ti、V、Nb等形成微细碳化物，起细化晶粒和弥散强化的作用，从而提高钢的强韧性。
4、常用钢种
低合金高强度钢的牌号与碳素结构钢相同，有Q295、Q345、Q390、Q420、Q460，其中Q345应用最广泛。
5、热处理特点
常在热轧退火（或正火）状态下使用，组织为铁素体加珠光体。
焊接后一般不再热处理。
常用低合金高强度结构钢的牌号、成分、力学性能及用途见表7-2。
表7-2常用低合金高强度结构钢的牌号、化学成分、力学性能及用途（摘自GB/T1591－1994）
牌号
质量等级
化学成分（≤）/%
力学性能（≥）
用途举例
含C量≤
含Mn量
含Si量≤
含S量≤
含P量≤
/MPa
/MPa
/MPa
Ak
/J
Q295
A
0.16
0.80～1.50
0.55
0.045
0.045
295
390～570
23
－
桥梁、车辆、锅炉、容器、建筑金属结构
B
0.16
0.80～1.50
0.55
0.040
0.040
292
390～570
23
34（20℃）
Q345
A
0.20
1.00～1.60
0.55
0.045
0.045
345
470～630
21
－
桥梁、车辆、中低压力容器、化工容器、船舶、建筑构件、低压锅炉、薄板冲压件、输油管道、储油罐等
B
0.20
1.00～1.60
0.55
0.040
0.040
345
470～630
21
34（20℃）
C
0.20
1.00～1.60
0.55
0.035
0.035
345
470～630
22
34（0℃）
D
0.18
1.00～1.60
0.55
0.030
0.030
345
470～630
22
34（-20℃）
E
0.18
1.00～1.60
0.55
0.025
0.025
345
470～630
22
27（-40℃）
Q390
A
0.20
1.00～1.60
0.55
0.045
0.045
390
490～650
19
－
桥梁、压力容器、船舶、电站设备、起重设备、各种大中型钢结构、重型机械等
B
0.20
1.00～1.60
0.55
0.040
0.040
390
460～650
19
34（20℃）
C
0.20
1.00～1.60
0.55
0.035
0.035
390
460～650
20
34（0℃）
D
0.20
1.00～1.60
0.55
0.030
0.030
390
460～650
20
34（-20℃）
E
0.20
1.00～1.60
0.55
0.025
0.025
390
460～650
20
27（-40℃）
Q420
A
0.20
1.00～1.70
0.55
0.045
0.045
420
520～580
18
－
大型重要桥梁、大型船舶、高压容器、重型机械设备及其它大型焊接结构件
B
0.20
1.00～1.70
0.55
0.040
0.040
420
470～630
18
34（20℃）
C
0.20
1.00～1.70
0.55
0.035
0.035
420
470～630
19
34（0℃）
D
0.20
1.00～1.70
0.55
0.030
0.030
420
470～630
19
34（-20℃）
E
0.20
1.00～1.70
0.55
0.025
0.025
420
470～630
19
27（-40℃）
Q460
C
0.20
1.00～1.70
0.55
0.035
0.035
460
550～720
17
34（0℃）
大型重要桥梁、大型船舶
D
0.20
1.00～1.70
0.55
0.030
0.030
460
550～720
17
34（-20℃）
E
0.20
1.00～1.70
0.55
0.025
0.025
460
550～720
17
27（-40℃）
注：
1、试样厚度（直径）≤16mm，若试样厚度增加，则性能σ5和δ5会相应降低。
2、Q460级钢和各牌号D、E级钢一般不供应型钢、钢棒。
二、易切削结构钢
在钢中加入S、Mn、P等合金元素，或加入微量的Pb、Ca能显著改善其切削加工性能，这类钢称为易切钢。
易切削结构钢具有切削抗力小，对刀具的磨损小，切削易碎，便于排除等特点，主要用于成批大量生产的螺栓、螺母、螺钉等标准件，也可用于轻型机械，如自行车、缝纫机、计算机零件等。
易切削结构钢常用牌号有：
Y12、Y12Pb、Y15、Y30、Y40Mn、Y45Ca等，钢号中首位字母“Y”表示钢的类别为易切削结构钢，其后的数字为含碳量的万分之几，末位元素符号表示主要加入的合金元素（无此项符号的钢表示为非合金易切削钢）。
三、低合金耐候钢
低合金耐候钢具有良好的耐大气腐蚀的能力，是近年来我国发展起来的新钢种。
此类钢主要加入的合金元素有少量的铜、铬、磷、钼、钛、铌、钒等，使钢的表面生产致密的氧化膜，可提高耐候性。
常用的牌号有：
09CuP、09CuPCrNi等。
这类钢可用于农业机械、运输机械、起重机械、铁路车辆、建筑、塔架等构件，也可制作铆接件和焊接件。
第四节合金结构钢
采用合金结构钢来制造各类机械零件，除了因为它们有较高的强度或较好的韧性外，另一重要原因还在于合金元素的加入增大了钢的淬透性，有可能使零件在整个截面上得到均匀一致的良好的综合机械性能，即具有高强度的同时又有足够的韧性，从而保证零件的长期安全使用。
一、合金渗碳钢
用于制造渗碳零件的钢叫做渗碳钢。
1、用途
主要用于制造变速齿轮、内燃机上凸轮轴、活塞销等工作条件较复杂的机械零件，它们一方面承受强烈的摩擦磨损和交变应力的作用，另一方面又经常承受较强烈的冲击载荷。
2、性能特点
钢件经渗碳、淬火和低温回火后，表面具有较高的硬度和耐磨性，心部具有足够的强度和韧性。
3、化学成分特点
（1）含碳量—般Wc＝0.1％～0.25％，保证渗碳零件心部具有足够的韧性和塑性。
（2）合金元素主要有Cr、Mn、Ni、Mo、W、Ti、B、V等。
其中Cr、Mn、Ni、B的作用是提高钢的淬透性，Mo、W、V、Ti的作用是为了细化晶粒、抑制钢件在渗碳时发生过热。
4、常用钢种
合金渗碳钢根据淬透性高低分为以下三类：
（1）低淬透性合金渗碳钢典型钢种有20Cr、15Mn2、20MnV等。
这类钢合金元素的总量≤2%，在水中的淬透层深度一般小于20～35mm，经渗碳、淬火及低温回火后心部强度相对较低，强度和韧性配合较差，通常用于制造受力较小（σb＝800～1000MPa），截面尺寸不大的耐磨零件，如柴油机的凸轮轴、活塞销、滑块、小齿轮等。
这类钢渗碳时心部晶粒易于长大，特别是锰钢。
如性能要求较高时，这类钢在渗碳后经常采用两次淬火法。
（2）中淬透性合金渗碳钢典型钢种有20CrMnTi、20CrMnMo、20MnVB等。
这类钢含合金元素总量约为2～5%，淬透性较好，在油中的最大淬透层深度为25～60mm，零件淬火后心部强度可达1000MPa～1200MPa。
这类钢可用作受中等动载荷的耐磨零件，如汽车变速齿轮、齿轮轴，花键轴套、气门座等。
由于含有Ti、V、Mo，渗碳时奥氏体长大倾向较小，自渗碳温度预冷到870℃左右直接淬火，并经低温回火后具有较好的机械性能。
（3）高淬透性合金渗碳钢典型钢种有12Cr2Ni4A、20Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA等。
这类钢含有较多的铬、镍等合金元素，合金元素的总量＞5%。
在这些合金元素的复合作用下，钢的淬透性很高，油中最大淬透直径大于100mm。
经渗碳、淬火及低温回火后心部强度可达1300MPa以上，主要用于制造承受重载和强烈磨损的重要大型零件，如内燃机车的主动牵引齿轮、柴油机曲轴、连杆；涡轮发动机的涡轮轴、压气机前轴与后轴等。
这类钢由于含有较高的合金元素，其C曲线大大向右移，因而在空气中冷却也能得到马氏体组织；另外，其马氏体转变温度大为下降，渗碳表面在淬火后将保留大量的残余奥氏体。
为了减少淬火后的残余奥氏体，可在淬火前先高温回火（650℃左右），使碳化物球化或在淬火后采用冷处理（-70～-80℃）。
表7-3常用合金渗碳钢的牌号、成分、热处理、力学性能及用途（摘自GB/T3077－1999）
类
别
牌号
化学成分
试样尺寸/mm
热处理
力学性能
用途举例
C
Si
Mn
Cr
其它
第一次淬火温度
/℃
第二次淬火温度
/℃
回火温度
/℃
σs
/MPa
σb
/MPa
δ5
/%
/J
不小于
低淬透性
15Cr
0.12~0.18
0.17~0.37
0.40~0.70
0.70~1.00
15
880水，油
780~820水，油
200水，空
490
735
11
55
截面不大、心部要求较高强度和韧性、表面承受磨损的零件，如齿轮、凸轮、活塞、活塞环、联轴器、轴等
20Cr
0.18~0.24
0.17~0.37
0.50~0.80
0.70~1.00
15
880水，油
780~820水，油
200水，空
540
835
10
47
截面在30mm以下形状复杂、心部要求较高强度、工作表面承受磨损的零件，如机床变速箱齿轮、凸轮、蜗杆、活塞销、爪形离合器等
20CrV
0.17~0.23
0.17~0.37
0.50~0.80
0.80~1.10
V0.10~0.20
15
880水，油
800水，油
200水，空
590
835
12
55
截面尺寸不大、心部具有较高强度、表面要求高硬度耐磨的零件，如齿轮、活塞销、小轴、传动齿轮、顶杆等
20MnV
0.17~0.24
0.17~0.37
1.30~1.60
V0.07~0.12
15
880水，油
200水，空
590
785
10
55
锅炉、高压容器、大型高压管道等较高载荷的焊接构结件，使用温度上限450℃~475℃，亦可用于冷压、冷冲压零件，如活塞销，齿轮等
中淬透性
20Mn2
0.17~0.24
0.17~0.37
1.40~1.80
15
850水，油
200水，空
590
785
10
47
代替20Cr钢制作渗碳小齿轮、小轴，低要求的活塞销、气门顶杆、变速箱操纵杆等
20CrNi3
0.17~0.24
0.17~0.37
0.30~0.60
0.60~0.90
Ni2.75~3.15
25
830水，油
480水，油
735
930
11
78
在高载荷条件下工作的齿轮、蜗轮、轴、螺杆、双头螺杆、销钉等
20CrMnTi
0.17~0.23
0.17~0.37
0.80~1.10
1.00~1.30
Ti0.04~0.10
15
880
油
870
油
200水，空
835
1080
10
55
在汽车、拖拉机工业中用于截面在30mm以下，承受高速、中或重载荷以及受冲击、摩擦的重要渗碳件，如齿轮、轴、齿轮轴、爪形离合器、蜗杆等
20Mn2B
0.17~0.24
0.17~0.37
1.50~1.80
B0.0005~0.0035
15
880
油
200水，空
785
980
10
55
尺寸较大、形状较简单、受力不复杂的渗碳件，如机床上的轴套、齿轮、离合器，汽车上的转向轴、调整螺栓等
20MnVB
0.17~0.23
0.17~0.37
1.20~1.60
V0.07~0.12
B0.0005~0.0035
25
860
油
200水，空
885
1080
10
55
模数较大、载荷较重的中小渗碳件，如重型机床上的齿轮、轴，汽车后桥主动、被动齿轮等淬透性件
高淬透性
20Cr2Ni4
0.17~0.23
0.17~0.37
0.30~0.60
1.25~1.65
Ni3.25~3.65
15
880
油
780
油
200水，空
1080
1175
10
63
大截面渗碳件如大型齿轮、轴等
18Cr2Ni4WA
0.13~0.19
0.17~0.37
0.30~0.60
1.35~1.65
Ni4.00~4.50
W0.80~1.20
15
950
空
850
空
200水，空
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