合金钢
——是指碳钢添加一种或一种以上合金元素所形成的钢材。通常的合金元素，除碳以外，若含Mn量在1.65%以上、含Si量在0.60%以上，或含Cu量在0.06%以上等，就可以认定是属于合金钢。碳钢如果依不同用途加入Ni、Cr、V、W、Mo、Ti、.....等元素，以得到需要的效果，就成为合金钢。例如：微量的Cr可以使钢具有极佳的硬化能，而12%以上时，钢就不易腐蚀，成为耐蚀钢。加入18%W、4%Cr、1%V时即为高速钢（ W18Cr4V ）。
但压力加工、切削加工、焊接工艺性略低于碳钢。
§7-1 合金元素在钢中的作用
一、合金元素在钢中的作用
1． 铬 Cr
——铬在钢中的角色多元且重要，它会形成稳定而硬的碳化物，而且具有抗蚀性，是不锈耐酸钢及耐热钢的主要合金化元素。
其主要作用有：
a．提高钢的淬透性并有二次硬化作用、加强渗碳作用。
b．使钢在高温时仍具高强度、硬度。
c．能增加钢的耐磨性。
d．增高钢的淬火温度。
f．含量＞ 12%时，使钢有良好的高温抗氧化和耐腐蚀性。（如不锈钢1Cr13）
2．镍 Ni
镍在钢中的影响有:
a．细化铁素体晶粒，增进钢的硬化性能。
b．能降低热处理时的淬火温度，因此在热处理时变形小。
c．能提高钢的塑韧性，特别是低温韧性。
d．能提高钢的热强性和耐蚀性，是热强钢及奥氏体不锈钢的主要合金元素之一。
（如：1Cr18Ni9 、1Cr18Ni9Ti ）
3．钨 W
——钨能耐高温，而且溶于钢中会与碳形成碳化物称为碳化钨，能提高钢的强度。此外：
a．钨可以提高钢的淬火温度。对钢的淬透性也有一定提高。
b．加强钢的耐磨性、回火稳定性，
c．可以降低淬火时钢的晶粒长大的趋势。
d．钨钢刀具有高的红硬性。（如： W18Cr4V ）
e．可增加钢的保磁性，故可配入钢中而制造永久磁钢 。
4．钒 V
——钒可以无限量固溶入铁中，并阻止奥氏体晶粒的长大， 钒在钢中有脱酸除氧的能力。此外钒的作用还有：
a．能提高淬火温度。
b．增加钢的回火稳定性并有强烈的二次硬化作用。
c．有助于钢的结晶组织细微化，提高钢的低温冲击韧性。
d．碳化钒是金属碳化物中最硬最耐磨的，所以可大大提高工具钢的使用寿命。
e．钒通过细小碳化物颗粒的弥散分布提高钢的蠕变和持久强度。
5．锰 Mn
——锰亦为钢中重要元素，其作用及影响如下:
a．在适量下，锰量增加可增加钢的强度及硬度。
b．锰有脱氧及脱硫功效（形成MnS），防止热脆，故锰能改善钢的锻造性与可塑性。
c．锰在钢中含量多，可降低钢的淬火温度。
d．可增进钢的硬化深度，尤其对含碳量高的锰钢最为显著。
e．降低钢的下临界点，增加奥氏体冷却时的过冷度，细化珠光体组织以改善其机械性能。
6．钼 Mo
——钼可增加钢的最大强度及硬度，因此在合金钢中也颇为重要。
a．阻止奥氏体到珠光体转变的能力最强，从而提高钢的淬透性。
b．增加钢的红硬性。
c．合金钢中加入钼可消除回火脆性。
d．高速工具钢含钼，可改善切削加工性能。
e．能改善钢在高温下的抗拉强度。
7．钴 Co——钴为制造合金钢之重要元素，在钢中可以生成碳化物，但也可能有不良影响。
它具有以下特性：
a．钴可代替镍，如增加强度及耐热等性能。
b．能提高钢的淬火温度。
c．增加钢的保磁能力，是制造磁性钢的主要元素。
d．提高钢的Ms点，降低钢的淬透性。
8．钛 Ti ——固溶状态时，固溶强化作用极强。固溶于奥氏体中提高钢淬透性的作用很大，但钛在钢中易与碳形成碳化物TiC，化合钛由于其细微颗粒形成新相的晶核从而促进奥氏体分解，降低钢的淬透性。 其它特性如下：
a．钛在不锈钢中，可以防止高温时铬量的局部减少，维持其防蚀的能力。
b．可以防止合金钢由高温缓冷时的脆化现象。
9．铜 Cu ——合金钢中铜含量不可以超过1.5% ，否则会使钢变脆。此外：
a．铜在钢中有抵抗大气腐蚀的性能。低碳合金钢内含铜1%，其抵抗大气腐蚀性比不含铜者高出四倍。在不锈钢中加铜 3-4%，亦有助不锈钢的防蚀作用。
b．可以适当增加钢的强度。
10．铝 Al
a．极易与氧结合形成氧化铝，是一种强脱氧剂。
b．能抑制晶粒长大。
c．在渗氮钢中促进形成坚硬耐蚀的渗氮层，所以铝是氮化用钢的重要元素。
d．使钢具有高温抗氧化、耐氧化性介质及H2S气体的腐蚀作用。
11．硅 Si
a．硅能增加钢的电磁传导率，故适于制造电气材料。
b．提高钢的淬透性和抗回火性，对钢的综合机械性能，特别是弹性极限有利，是弹簧钢
和低合金高强度钢的常用合金元素。
c．硅能增高淬火温度。
d．会阻碍碳元素溶于钢中。
e．对于含碳量较高的钢，硅则增加其脆性。
f．增加耐热钢的氧化性，可用为脱酸性。
12．硫 S
—硫在钢中为有害之杂质，硫与铁化合成为FeS，与锰化合成MnS，其结果：
a．会增加钢的热脆性
b．硫含量0.2%以上，就会严重影响钢的强度和韧性。
c．硫可使钢强度降低，因此有利于钢的切削，但除了易切钢之外，极少利用。
综合各种合金元素对于碳钢的影响，而选择添加合金元素时必须考虑元素特性及应用场合的需要，因材适用才是最重要的，如果不了解特性贸然选择，不但可能增加成本，效果也可能适得其反。
二、合金元素对钢中基本相的影响
1. 溶于F形成合金F
—— 形成合金F，产生固溶强化。固溶强化使钢的强度、硬度提高而韧性下降。
（见图7-1、7-2）
2. 形成碳化物
⑴ 合金渗碳体，如 (Fe, Mn)3C ；
⑵ 特殊碳化物，如 Cr7C3、MoC、WC、 VC、TiC 。
稳定性，熔点、硬度比Fe3C高得多， 显著提高钢的强、硬度。
三、合金元素对铁碳合金相图的影响
扩大或缩小A、F区域
如，室温下，1Cr18Ni9 为单相A，1Cr17Ti 为单相F。
使共析转变点S、共晶转变点E 左移 —— 钢中P含量增加，或出现Ld’
（见图7-3、7-4）
四、合金元素对钢的热处理影响
1.减缓A化过程（Ni、Co除外）
合金碳化物熔点高、难分解，障碍C的扩散，热处理时要提高加热温度
或延长保温时间。
2. 使C曲线右移，Vk减小，淬透性提高（Co除外）。
3. 细化晶粒
—— 合金元素及其碳化物（ Mn除外）阻止A晶粒长大。
4. 提高回火稳定性
—— 合金元素阻碍 M 分解和碳化物聚集长大过程
◆ 回火稳定性
——淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力。
5. 弥散硬化
—— 回火过程生成的细小、高硬度的合金碳化物使硬度反而提高。
6. 回火脆性
—— 淬火钢在某一温度范围回火时，出现脆化现象。
⑴ 第一类（不可逆）回火脆性 —— 在300℃左右
⑵ 第二类（可逆）回火脆性 —— 500～650℃，回火后快冷可避免脆化。
§7-2 合金钢的分类和编号方法
一、分类
㈠ 按合金元素含量分
⑴ 低合金钢（合金元素总量 ＜5% ＝如 40Cr、9SiCr
⑵ 中合金钢（合金元素总量 5% ～ 10 %） 如 18Cr2Ni4W
⑶ 高合金钢（合金元素总量 ＞ 10%） 如 Cr12、Cr12MoV、W18Cr4V
㈡ 按用途分
合金结构钢 合金工具钢 特殊性能钢
1.合金结构钢
⑴
建筑及结构用钢 （普通低合金结构钢）
⑵
机械制造用钢
◆ 渗碳钢 20Cr 20CrMn 20CrMnMo
◆ 调质钢 40Cr 30CrMnSi 38CrMoAl 40CrMnMo
◆ 弹簧钢 60Si2MnA 50CrMnMo 50CrVA
◆ 轴承钢 GCr15 GCr15SiMn
2.合金工具钢
⑴ 刃具钢
◆ 高速钢： W18Cr4V、 W6Mo5Cr4V2
◆ 低合金刃具钢： 9SiCr、9Mn2V
⑵ 模具钢
◆ 冷作模具钢： Cr12、Cr12MoV
◆ 热作模具钢： 5CrNiMo、5CrMnMo
⑶ 量具钢 ： CrMn CrWMn
3. 特殊性能钢
⑴ 不锈钢：
◆ 马氏体不锈钢 1Cr13 2Cr13 4Cr13
◆ 铁素体不锈钢 1Cr17Mo
◆ 奥氏体不锈钢 1Cr18Ni9
⑵ 耐热钢： 1Cr25Si2、 1Cr18Ni9Ti
⑶ 耐磨钢：Mn13
二、合金钢牌号的表示方法
1.普通低合金钢（普低钢、低合金高强度结构钢）
在普通低碳钢的基础上加入少量合金元素（＜3%＝、 可同时保证力学性能和化学成分，其生产成本与碳钢相近。牌号的表示方法也与普通碳素结构钢一致，低合金高强度结构钢的最低屈服强度＞275MPa。
牌号：由 Q+数字+质量等级符号组成。它的钢号冠以 “ Q ” ，代表钢材的屈服点，后面的数字表示屈服点数值。例如Q390B：表示屈服点σs ≥ 390 MPa的碳素结构钢、B级质量。
用途 ——用作桥梁、船舶、车辆、锅炉、压力容器、石油管道、大型钢架结构等。
1. 合金结构钢
——C% 用万分数表示；合金含量用百分数表示，小于1.5%不标。
A 表示高级优质 —— 如，20Cr2Ni4A
如 40Cr : 表示 C% =0.4% ，Cr%＜1.5%的合金结构钢。
如 60Si2Mn: 表示C% =0.6% ，Si% = 2% ，Mn%＜ 1.5%
2. 合金工具钢
—— C%＞1.0% 时，不标含量。 C%＜1.0% 时，用千分数表示。
如 9SiCr: 表示 C％ = 0.9%、Si%和 Cr%均＜1.5%的合金工具钢。
如 CrWMn: 表示 C％ ＞1.0%、Cr、W、Mn% 均 ＜1.5% .
合金工具钢都是高级优质钢,不需要用 A 表示。
3. 特殊性能钢
—— 表示方法与合金工具钢的编号规则基本一致,
但是：当C％≤0.09％或≤0.03时,应分别标出 “0”、“00”。
如：0Cr21Ni5Ti：表示 C％＜0.09％、Cr％ =21％、Ni％= 5％、Ti％＜1.5％ .
00Cr18Ni5Mo3Si2：表示 C％＜0.03％、Cr％ =18％、Ni ％ = 5 ％、
Mo％ =3％ 、Si ％ =2％
4. 编号例外的钢
⑴ 滚动轴承钢
——在钢号前加“ G ”，其后Cr的含量用千分数表示。
如：GCr15：表示 C％ ＞1.0%、 Cr% = 1.5%。
⑵ 高速钢
——平均C% ＜1.0%。但是不标出数字。
如： W18Cr4V：表示：C％= 0.7-0.8 ％、W％=18 ％、Cr％=4％
⑶ 易切钢
——在钢号前加“ Y ”，其余与结构钢一致。
如：Y40Mn：表示 C％= 0.37-0.45 ％、Mn ％=1.2-1.55
§7-3 合金结构钢
一、普通低合金钢
—— 在普通碳素钢的基础上加入少量合金元素 .
1.成分 —— C% ＜0.2% ；主加元素是Mn 。
2.性能 —— 高强度，高韧性，良好焊接性能和冷成形性能。
3.热处理、组织 —— 热轧空冷，S＋F
4.应用举例
⑴ 低强度级别：Q345，桥梁、工程结构
⑵ 中等强度： Q390，大型桥梁、船舶、焊接结构。
⑶ 高强度： Q420、Q460，高压锅炉、高压容器。
二、渗碳钢
1.成分 —— C% = 0.1～0.25 %，合金元素可提高淬透性，细化晶粒和提高耐磨性，
增加渗层的塑、韧性。
2. 性能 —— 渗层硬度高，耐磨，抗接触疲劳；心部高韧性和足够的强度。
3. 热处理 —— 正火 → 渗碳 → 一次(或二次)淬火 → 低温回火
4. 组织—— 表层：K＋M′＋A′；心部：低C的M′或T＋M′＋F(少量) 。
5. 应用举例
⑴ 低淬透性：20Cr，冲击载荷小的耐磨件，如小轴、活塞销、小齿轮。
⑵ 中淬透性：20CrMnTi，高速较高载有冲击的耐磨件，如汽车齿轮。
⑶ 高淬透性：18Cr2Ni4WA，重载大截面耐磨件，如柴油机曲轴、连杆。
三、调质钢
1.成分 —— C% = 0.25～0.50 %，合金元素可提高淬透性细化晶粒，消除回火脆性，提高回火稳定性，强化F。
2.性能 —— 综合机械性能高
3.热处理——调质（油淬+高温回火），可附加表面淬火或氮化 (38CrMoAl)。
4.组织 —— S′
5.应用举例
⑴ 低淬透性：40Cr，一般尺寸重要零件，如齿轮、主轴。
⑵ 中淬透性：35CrMo，较大截面零件，如曲轴、连杆。
⑶ 高淬透性：37CrNi3，
四、弹簧钢
1.成分 —— C% = 0.45～0.70 %， Si,Mn为主要合金元素，可提高淬透性和屈强比，细化晶粒。
2.性能 ——σe 、σs、屈强比和疲劳抗力高，有足够塑性，耐震动、冲击。
3.热处理
⑴ 热轧弹簧：热成型 → 淬火 + 中温回火 → 喷丸
⑵ 冷轧弹簧：淬火 + 中温回火 → 冷成型 → 去应力 → 喷丸
4.组织 —— T′
5.应用举例
◆ 65Mn、60Si2Mn：汽车，拖拉机，机车的板簧和螺旋弹簧。
◆ 50CrVA：350～400℃ 以下重载、较大型弹簧，如高速柴油机气门弹簧。
五、滚动轴承钢
1.成分 —— C% = 0.95～1.10 %，主加元素是 Cr，提高淬透性，细化碳化物，提高耐磨性和接触疲劳抗力。 GCr15中含Cr%≈1.5% .
2.性能 —— 高接触疲劳强度、高硬度和耐磨性，足够的韧性和淬透性， 一定耐蚀能力和良好尺寸稳定性。
3.热处理
⑴ 球化退火：便于切削, 使碳化物细小均匀, 为淬火作准备。
⑵ 淬火 + 低温回火
⑶ 冷处理，时效（120～140℃, 10～20h）：稳定尺寸，去应力。
4.应用举例
GCr15： 中小型轴承，冷冲模，量具，丝锥。
GCr15SiMo： 大型轴承。
GCr15的淬火组织 回火组织
§7-4 合金工具钢 —— 刃具、模具、量具钢
一、刃具钢
（一）性能要求
1.高硬度—— 机加工刀具大于HRC60 。含碳量约0.6～1.5 % 。
2.高耐磨性—— 影响刀具的使用寿命和生产效率。
高耐磨性组织 —— 硬而细小的碳化物，均匀分布在强而韧的金属基体中。
3.高的热硬性（红硬性）
—— 高温下保持高硬度的能力，与回火稳定性有关。
4.足够的强度、韧性 —— 以承受冲击载荷。
（二）碳素工具钢—— 含碳量约 0.6～1.3 %
1.性能 —— 常温硬度（HRC60～62）及耐磨性较好。
⑴ 淬透性差（水冷临界直径＜20mm＝，易变形开裂。
⑵ 热硬性差（＞200℃，硬度、耐磨性显著下降。）
2. 应用举例
—— T10～12 的硬度高，常做钻头、锉刀；T7～9 韧性较高，常做木工刀具、锤子、
錾子、带锯等。
3.热处理及组织
T10 淬火 T10回火
（三）低合金工具钢
1.成分
—— 含 0.9～1.50 % C ，合金元素＜5%，如Si、Mn、Cr、W、V 等。
2.性能
—— HRC＞60，耐磨性及热硬性优于碳素工具钢。
3.热处理
—— 球化退火（机加工前）+ 淬火（油冷）+低温回火
4.最终组织
—— 回火M + 合金碳化物 + 少量残余A 。
5.应用举例
—— 9SiCr ，做板牙、丝锥、低速切削刃具等。
（四）高速钢
1.成分 —— 含0.7～1.25 %C ，合金元素＞10%，如 W、 Mo、Cr、V、Co 等。
2.性能 ⑴ 高硬度、高耐磨性 —— W2C、VC等弥散硬化。
⑵ 高热硬性 —— 600 ℃时硬度约HRC62 。 W、Cr、V等提高热硬性。
⑶ 高淬透性 —— 尺寸不太时空冷即可淬火。 Cr 等元素提高淬透性。
3.热处理 —— 以 W18Cr4V盘形铣刀 为例
工艺路线：下料 → 锻造 →退火 →机加工→淬火 →回火 →喷砂 →磨削
⑴ 锻造 —— 成型；击碎铸态莱氏体中大量的粗大碳化物，并使之均匀分布。
⑵ 退火—— 消除锻造应力，降低硬度，便于切削加工， 为淬火作组织准备。
⑶ 淬火（1280 ℃ ）—— 增加A和 M中合金元素含量，提高热硬性。
温度不能过高，防止A晶粒粗大，淬火后A′增多。
⑷ 回火
—— 回火三次，A′基本消除；
560 ℃回火硬度最高（二次硬化 ）：
弥散硬化（强化）
—— M中W2C、VC 弥散析出；
▲ 二次淬火
—— A′中析出合金碳化物，使A′中合金的浓度下降， MS 上升，在随后的冷却过程中转变为M。
淬火组织及最终组织如下：
W18Cr4V（18-4-1）淬火组织 W18Cr4V回火组织
—— M + 合金碳化物 + A′ —— M′+ 粒状合金碳化物 + A′
W18Cr4V淬火过热组织 W18Cr4V淬火过烧组织
W6Mo5Cr4V2（6-5-4-2）淬火组织 W6Mo5Cr4V2回火组织
（五）硬质合金
——将高熔点、高硬度的金属碳化物粉末和粘结剂混合，压制成型，再经烧结而成的一种粉末冶金材料。
1.性能
◆ 高硬度（＞HRC69）；热硬性高（可达1000℃），切削速度高。
◆ 耐磨性好，寿命长。
2.应用 —— 主要做刀具
YG3（WC + 3%Co）—— 加工铸铁、有色金属及塑料。
YT5（ WC + 5%TiC + Co ）—— 加工合金钢、耐热钢等。
二、模具钢
（一）冷作模具钢
—— 冷冲模、冷镦模、冷挤压模等。
1.性能要求
—— 高硬度、强度和耐磨性，足够的韧性。
2.应用
小型模具 —— T10A、9Mn2V、9SiCr、CrWMn 等。
大型模具—— Cr12、Cr12MoV 等，淬透性好、热处理变形小、耐磨。
3.热处理及组织 （Cr12 、Cr12MoV）
最终热处理工艺 —— 淬火（分级） + 低温回火
最终组织 —— M′+ 合金碳化物 + 少量A′
（二）热作模具钢
—— 热锻模、热挤压模、压铸模等。
1.性能要求 —— 良好的综合力学性能、抗热疲劳能力高、
中小型模具 —— 5CrMnMo 等。
大型模具 —— 5CrNiMo等，淬透性好、热处理变形小、耐磨。
压铸模 —— 3Cr2W8 等。
2.热处理及组织 （5CrMnMo）
最终热处理工艺 —— 淬火 + 高温回火
最终组织 —— T′或 S′
三、量具钢
—— 卡尺、千分尺、块规、塞规等。
1.性能要求
——高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性。
2.应用
◆ 简单量具 —— T10A、T12A 等。
◆ 高精度量具—— GCr15、9SiCr、CrWMn 等。
热处理及组织 （ CrWMn 块规 ）
◆ 最终热处理工艺 —— 淬火 + 冷处理 + 低温回火 + 时效处理
◆ 最终组织 —— M′+ 合金碳化物 + 少量A′
§7-5 特殊性能钢
一、金属的腐蚀与不锈钢的反腐蚀
化学腐蚀 —— 金属在非电解质中的腐蚀，如金属高 温时的氧化，钢的脱碳 。
电化学腐蚀 —— 金属在电解质中的腐蚀，如金属在常温下的氧化。
◆ 珠光体的电化学腐蚀 —— 阳极F被腐蚀；显微镜下呈黑色；阴极Fe3C发亮。
抗电化学腐蚀的措施
1. 尽可能保持单相组织 → 减少原电池形成的可能性
2. 对于双相组织，加入合金元素，降低两相的电极电位差。
3. 加入合金元素，使金属表面生成致密的氧化膜 —— 钝化膜。
不锈钢的合金化原理：
① 含C量尽可能低；
② 加入Cr→含量＞12.5%(如M不锈钢)；
③ 含Cr量＞12.7%→单相F(如F不锈钢)；
④ 加入Ni →单相A或F+A(如A不锈钢)；
⑤ 加入Ti、Nb、B→晶界腐蚀二、常用不锈钢
F 不锈钢 —— 如 1Cr17，化工设备、食品工业。
M 不锈钢 ——如1Cr13, 2Cr13 用于汽轮机叶片、热裂设备,
3Cr13,4Cr13 手术器具及刀具。
A 不锈钢 —— 如 1Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni9Ti 化工、食品、医疗行业。
A－F不锈钢 —— 1Cr12Ni5Ti 化工设备、热交换器
联系客服
