合金钢

合金元素作用

1. 提高强度 (固溶强化)
2. 提高淬透性
3. 细化晶粒
4. 提高耐磨性
5. 提高回火稳定性 (渗碳, 淬火)
6. 提高高温强度, 提高热硬性 (高速工具钢)
7. 提高抗氧化等特殊性能 (特殊性能钢)

合金钢分类

1. 合金结构钢
2. 合金工具钢
3. 特殊性能钢

合金钢牌号

合金结构钢

通常较软, 含碳量低 牌号的基本结构为 [ab] + [EL1][n1] + ... [A/E]

1. ab 表示钢的含碳量的万分数, 即 0.ab%
2. EL 表示主要合金元素
3. n 表示合金元素的平均含量, 范围 (n + 0.5)% ~ (n + 1.5)%, 如果 n = 0 则不标
4. A/E 表示合金级别, 通常不标

合金工具钢

通常硬度高, 碳含量高 基本结构同合金结构钢 [a] + [EL1][n1] + ...

• a 仅使用一位数表示碳含量的千分数, 即 0.a%
• 当碳含量大于 1.0%, 不标 a

特殊性能钢

通常碳含量极低 基本结构同合金结构钢

• 当碳含量小于 0.09% 仅标 0
• 当碳含量小于 0.03% 仅标 00

其他牌号

1. 滚珠轴承钢 在钢号前标以 G
2. 铸钢 在牌号前标以 ZG
3. 易切削钢 在牌号前标以 Y

合金元素的作用

强化基本相

1. 与铁素体形成固溶相, 使强度提升(固溶相中晶格畸变强度高)
2. 融入渗碳体, 形成稳定的渗碳体, 提升熔点与强度(渗碳体易分解为石墨)
3. 融入渗碳体, 形成细小碳化物, 弥散强化, 使位错无法通过

影响相图

1. 扩大 $\gamma$ 相区(奥氏体)
   1. 使奥氏体能在低温下形成, 在含碳量高时产生单相, 用于制作耐腐蚀钢
   2. 得到奥氏体柔软韧性高
2. 扩大 $\alpha$ 相区(铁素体)
   1. 得到耐腐蚀的单相
   2. 无渗碳体, 韧性高
3. 改变共析点与共晶点 在低碳条件下得到坚硬的莱氏体(共晶点移动)(低碳高速钢)

影响热处理

1. 除 $Ni, Co$, 降低原子的扩散速度, 延缓奥氏体化并抑制奥氏体晶粒长大, 细化晶粒, 效果最显著的元素为 $Ti$ 与 $V$
2. 除 $Co$ 外, 加入合金使 C 型线右移, 能够减缓淬火降温速度, 提高淬透性
3. 除 $Co, Si, Al$ 外, 加入合金将降低 $M_s$ 与 $M_f$(马氏体形成温度), 使淬火后的残余奥氏体增加
4. 分离珠光体与贝氏体转变

回火影响

1. 提升回火稳定性 减缓碳原子移动速度, 防止马氏体在高温下转变, 使合金在高温下硬度也不易降低, 称为热硬性/红硬性
2. 产生二次硬化 ($W, Mo, V$) 高温下马氏体分解, 碳与合金元素结合弥散为小颗粒, 使合金在高温回火下硬度不降反升
3. 二类回火脆性 某些结构钢在高温下回火, 脆性增加, 需要避免高温回火, 或加入 $Mo, W$ 来防止

合金结构钢

普通低合金钢

1. 用途 用于工程构件，如桥梁
2. 性能 强度较高, 韧性较好, 焊接性能好
3. 成分特点 $\omega_c<0.25\%$, $\omega_{\text{合金元素}}< 3\%$ ，以Mn为主
4. 常用钢种 Q295, Q345, Q390, Q420, Q460
5. 热处理 出厂后不再进行热处理，使用状态是正火组织
6. 组织 $F$+$S$

渗碳钢

1. 用途 用于要求表硬心韧的零件, 如齿轮
2. 性能 表硬心韧, 耐磨性及抗疲劳性好
3. 成分特点 $\omega_c=0.1\sim 0.25\%$，加入合金元素, 提高淬透性...
4. 常用钢种 15, 20, 20Cr, 20CrV, 20MnCr
5. 热处理
   1. 预先热处理: 正火
   2. 最终热处理: 渗碳 + 淬火 +低温回火
6. 组织
   1. 表面为过共析钢: $M_\text{回}$ + $A_r$ +碳化物
   2. 心部为亚共析钢

调质钢

1. 用途 用于要求强韧性配合的重要零件, 且要有足够的淬透性, 如主轴, 高强度螺栓
2. 性能 强韧性配合
3. 成分特点 中碳, 加入合金元素, 提高淬透性...
4. 常用钢种 40, 45, 40Cr, 35SiMn, 40MnB
5. 热处理
   1. 预先热处理: 完全退火
   2. 最终热处理: 淬火+高温回火 (也称调质)
6. 组织 回火索氏体 $S_\text{回}$

弹簧钢

1. 用途 用于各类弹簧和弹性元件
2. 性能 高的弹性极限，高屈强比
3. 成分特点 $\omega_c=0.50\sim 0.90\%$，主加Si, Mn, 提高淬透性...
4. 常用钢种 60, 65, 65Mn, 60Si2Mn
5. 热处理 淬火 +中温回火
6. 组织 回火托氏体 $T_\text{回}$

轴承钢

1. 用途 用来制造滚动轴承，简称轴承钢
2. 性能要求 高强度和硬度，高的接触疲劳抗力
3. 成分特点 $\omega_c=0.95\sim 1.15\%$, 主加Cr, 提高淬透性, 提高耐磨性和接触疲劳性能, ...
4. 常用钢种 GCr15(中小轴承), GCr15SiMn(淬透性高，较大型轴承), G20CrMo
5. 热处理
   1. 预先热处理: 球化退火
   2. 最终热处理: 淬火＋低温回火
6. 组织 $M_\text{回}$ ＋ 细小碳化物＋ $A_r$

其他结构合金钢

1. 易切削钢 加入合金元素 $S$ 与 $Ca$, 提升切削性能

2. 低淬透性钢 加入合金元素 $Ti$, 含碳量较高, 专供感应加热淬火用的淬透性特别低的钢种, 用于代替渗碳钢

合金工具钢

通常含碳量较高, 需要先锻造细化晶粒, 然后球化退火, 改善组织中的碳化物不均匀性

低速刃具钢/冷作模具杠

1. 用途 制造切削刀具/在接近室温状态对金属进行变形的模具(工作温度低于 300\degree C)
2. 性能要求:
   1. 高硬度, HRC60以上
   2. 高耐磨性
   3. 为防止崩刃, 还要求具有一定的强度, 韧性和塑性
3. 成分特点 高碳, 加入合金元素提高淬透性, ...
4. 常用钢种 9CrSi，9Mn2V，CrWMn, Cr12(大型模具)
5. 热处理
   1. 预先热处理: 球化退火
   2. 最终热处理: 淬火＋低温回火
6. 组织 $M_\text{回}$ ＋ 碳化物＋ $A_r$

高速钢

1. 用途 制造切削刀具, 工作温度高于 $600\degree C$
2. 性能要求:
   1. 与一般刃具钢相同
   2. 高的热硬性(热硬性也称为红硬性，指刃部受热升温后，刃具钢仍能维持高硬度)
3. 成分特点 高碳, 加入合金元素提高淬透性, 加入能产生二次硬化效果的元素 ...
4. 常用钢种 W18Cr4V、W9Mo3Cr4V、W6Mo5Cr4V2
5. 热处理
   1. 预先热处理: 球化退火
   2. 最终热处理: 淬火＋多次高温回火(二次硬化)
6. 组织 $M_\text{回}$ ＋ 碳化物(二次硬化) ＋ $A_r$

热作模具钢

1. 用途 在受热状态对金属进行变形的模具, 工作温度高于 $600\degree C$
2. 性能要求 高的强韧性配合, 热硬性, 耐磨性, 抗热疲劳性和抗氧化性能
3. 成分特点: 中碳，$\omega_c=0.4\sim 0.6\%$, 加入合金元素提高淬透性, 加入能产生二次硬化效果的元素 ...
4. 常用的钢号 5CrMnMo、5CrNiMo、5Cr2NiMoVSi
5. 热处理
   1. 预先热处理: 球化退火
   2. 最终热处理: 淬火＋多次高温回火(二次硬化)
6. 组织 $S_\text{回}$ 或 $T_\text{回}$

特殊性能钢

金属腐蚀的机理

1. 化学腐蚀 金属与介质(干燥气体)发生化学反应而产生的腐蚀
2. 电化学腐蚀 金属与介质(电解质溶液)发生电化学反应而产生的腐蚀
3. 预防方法
   1. 获得单相组织
   2. 减小合金各相的电势差, 从而提高钢的电位
   3. 使合金钝化

不锈钢

1. 用途
   1. 制造在腐蚀介质中工作，具有较高腐蚀抗力的零件，如化工中的 阀门
   2. 在空气中的年腐蚀量为 0.01mm 以内的钢, 称为在空气中使用的不锈钢
   3. 在强酸, 强碱介质中的年腐蚀量为 0.1mm 以内的钢, 称为在强酸, 强碱介质中使用的不锈钢
2. 性能要求
   1. 耐腐蚀
   2. 工件要求的力学性能, 如高硬度的做耐腐蚀工具
3. 成分特点
   1. 低含碳量，耐蚀性要求愈高，碳含量应愈低
   2. 加入元素$Cr$, $Ni$, 可以提高材料的电极电位及钝化能力(通常 $Cr>13\%$)
   3. $Ti$, $V$, 消除碳的晶间偏析(防止腐蚀)
4. 常用钢种
   1. 马氏体型 Cr13 系列, 包括 1Cr13, 2Cr13 等, 用于制作水压机的阀等结构 通常具有较高的强度和硬度
   2. 奥氏体型 常称为18－9型, 常用牌号 0Cr18Ni9, 1Cr18Ni9 等
   3. 铁素体型 Cr17系列，常用牌号是 1Cr17, 1Cr17Mo 等, 硬度低, 塑性高, 用来制造化工设备中的容器, 管道等
5. 热处理
   1. 奥氏体型
      1. 固溶处理 通过加热到 $1050\sim 1150\degree C$, 使其中的碳化物完全溶解, 可提升奥氏体型不锈钢的耐腐蚀性, 也称为水韧处理
      2. 稳定化退火
      3. 去应力退火

耐热钢

抗氧化钢

1. 在高温下具有较好的抗氧化性, 且有一定热强度的钢种
2. 3Cr18Mn12Si2N、2Cr20Mn9Ni2Si2N
3. 大部分都属于奥氏体型钢

热强钢

高温下有一定抗氧化能力和较高强度以及良好组 织稳定性的钢