第六章合金钢（alloy-steel）
教学目的：掌握合金元素的作用规律和合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢的特点及应用；熟悉合金钢的分类及编号；了解粉末冶金工艺与硬质合
金的成分、性能。
本章重点：1、合金元素的作用规律
2、合金结构钢的特点及应用
3、合金工具钢的特点及应用
4、特殊性能钢的特点及应用
本章难点: 合金元素的作用规律
参考文献：1、戴起勋，金属材料学，化学工业出版社，2005
2、史美堂，金属材料及热处理，上海科学技术出版社，2001
3、史美堂，金属材料及热处理习题集与实验指导书，上海科学技术
出版社，1997
专业词汇：alloy-steel; constructional alloy steel; alloy tool steel; stainless steel;
duplex stainless steel; cutlery steel; solid solution strengthening;
heat-resistant steel; powder metallurgy; wear-resistant steel; cryogenic
steel; oxidation resistant steel; high-speed steel; high temperature alloy;
superalloys; tool steel; die steel; spring steel; free cutting steel; bearing
steel; ultra-high strength steel; nitriding steel; carburizing steel;
第一节概论
合金钢是在碳素钢中添加一些合金元素而炼制的一类钢，以改善碳素钢的性能。
为什么要发展合金钢？碳钢不能满足要求。
一、碳素钢的缺陷
1、综合机械性能差
虽然碳素钢的强度、硬度随着含碳量的增加而提高，但塑性、韧性却随之下降，不能在同一成分中得到配合完善的综合机械性能。
2、热稳定性差
碳钢在使用温度超过200℃后，软化变形，机械性能（强度、韧性）急
剧下降，不能用于高温场合。
3、耐腐蚀性差
碳钢在大多数介质中的耐腐蚀性很差，尤其对酸几乎没有任何抵御能力。
珠光体：大量的腐蚀池。
根据Gibbs自由能判据：Fe在酸中、碱溶液都是热力学不稳定，△G TP<0。
4、淬透性差
碳钢不能用于制作大截面尺寸的重要零件。淬火时，急冷易变形、开裂；
缓冷，又淬不上火或淬透层很浅。
5、不能满足某些特殊性能要求
如：耐低温、高磁性、无磁性等等。
碳钢的冷脆性转变温度较高，20~30℃，故碳钢的使用温度应≥-20℃。
因此发展合金钢成为必然，二十一世纪结构材料的重要发展方向之一就
是利用新技术、新工艺改造传统材料—微合金化高强钢，低合金超高强
钢。
二、合金元素的作用
1、合金元素固溶于铁素体
合金元素固溶于铁素体后，会使а-Fe晶格产生畸变，固溶强化，使铁素
体强度提高。当合金元素配比适当时，在提高强度的同时，并不降低塑
性，且有的合金元素（Cr、Ni）含量较低时Cr<2%，Ni<5%，就既能提高
强度，又增加塑、韧性。
2、合金元素溶于奥氏体
合金元素溶于奥氏体，除一定程度上起固溶强化，提高钢的强度作用外，
最重要的是增加了奥氏体的稳定性，使C曲线显著右移，合金钢的淬透
性很好。45最大淬透直径15mm，加入1.8%Mn后可达60mm。
3、合金元素形成碳化物、金属化合物
合金渗碳体（Fe-Cr）3C、（Fe-W）3C，复杂碳化物（Cr-Fe）23C6 、Fe4W2C、VC、M o C、NbC、TiC、AlN、SiO2、TiO2、TiN、Al2O3。
合金渗碳体，提高了稳定性。这些化合物都是硬而脆的强化相，具有相当高的热稳定性。在钢中呈弥散分布时，可以显著的强化缸，且可以抑制高温奥氏体晶粒长大，细化晶粒，减少（降低）或消除钢的热敏感性，提高回火抗力。
4、合金元素改变钢的相变温度
当合金元素加入碳素钢之后，会对相变临界点产生影响，反映到Fe-Fe
3
C 相图上。
a、扩大γ相区元素（Ni、Mn、Cu、Co、N）
这些合金元素会使A
3下降，A
4
上升，使γ相区扩大，这种作用与合金
元素的含量有关。随着合金含量的增加，会把γ相区扩大到一定范围，其中Ni、Mn随着含量的增加，会把γ相区扩大到室温，既在室温下就能获得无磁性奥氏体钢。13%Mn的Mn13，9%Ni的0Cr18Ni9。
b、扩大α相区（或缩小封闭γ相区）的元素（Si、Cr、Mo、W、V、Ti、Al）
使临界点A
3上升，A
4
下降，有的元素还能使A
3
、A
4
重合，不出现γ相。
如：17~28%Cr、Cr17、Cr25、Cr28，从室温到熔点都不出现γ相，
而是单一的α相。
5、合金元素改变共析点的位臵
合金元素在改变相变温度的同时，也改变共析温度和共析成分，反映在Fe-Fe
3
C相图上，共析点的位臵发生改变。
a、当合金元素为非碳化物形成元素（Si、Ni、Cu）或弱碳化物形成元素（Mn）
时，合金元素溶于奥氏体，排挤出部分碳原子，这部分被排挤出的碳原子必然参与共析反应，使共析点S的含碳量下降，即向左移动。随着合金元素含量增加，共析点的含碳量越来越低，如Ni含量为13%时，共析点S含碳量只有0.30%。
共析点左移表明，在含碳量相同的条件下，合金钢的珠光体组织比碳
钢多，因而强度高。
b、当合金元素为碳化物形成元素时，由于这些元素与碳形成稳定的碳化
物，因而这部分碳被固定，不参与共析反应，故共析点S右移。
共析点右移表明，在含碳量相同的条件下，合金钢组织中铁素体含量
比碳钢多。由于组织中存在硬而脆的碳化物，铁素体含量会保证塑、
韧性，而强度、硬度仍较高。
无论共析点S左移还是右移，表明合金钢的含碳量不能和碳钢一样，
以2.11%为上限。有些合金钢，含碳量很高，但由于有相当数量的铁
素体存在发生改变，其塑性、韧性仍然较高。如我国的Cr12W，2.3%C；
美国的 D6、D7，2.35%C
6、合金元素对钢加热时组织转变的影响
a、非碳化物形成元素（Ni、Cu）可以降低碳在奥氏体中的扩散激活能，加
速碳的扩散，对P→A转变有加速作用。
b、强碳化物形成元素（Ti、V、Nb、W）增加碳在奥氏体中的扩散激活能，
减缓碳的扩散，对P→A转变有阻碍作用。
c、由于强碳化物形成元素使奥氏体成分又难以均匀化，提高淬火温度或延
长保温时间可使奥氏体成分均匀化（C曲线右移），这也是提高合金钢淬透性的有效方法。
d、对A晶粒度的作用：Al、Ti、Nb、V、Zr能形成微细的碳化物质点，且
熔点很高，能强烈地抑制奥氏体晶粒长大（高温下）。W、Mo、Cr有一定的阻碍作用，而C、Mn、P则促进奥氏体晶粒长大（降低Fe原子减的结合力）。
7、合金元素对过冷奥氏体（C曲线）转变的影响
除Co以外，其它合金元素溶入奥氏体，都增大其稳定性，使C曲线右移。
①碳化物形成元素（Ti、Nb、V、W、Mo）含量较多时，使C曲线形状发生
改变，强烈推迟珠光体转变，而对贝氏体转变推迟较小；同时升高珠光体转变的温度，降低贝氏体转变温度，出现两组C曲线。
②Cr、Mn强烈推迟贝氏体转变
③Ni含量较多时，珠光体转变的孕育期很长，C曲线只有贝氏体转变曲线，
而珠光体转变曲线不出现。
④稳定碳化物形成元素的含量与碳含量的比值较高的钢，3Cr13、4Cr13过
冷奥氏体等温状变曲线上只有珠光体转变曲线。
⑤除Co和Al以外，大多数合金元素不同程度地降低Ms，并增加残余A’
的含量。
8、合金元素对回火转变的影响
合金元素使淬火钢在回火过程中，组织分解和转变速度减缓，增加了回
火抗力，提高回火稳定性，从而使合金钢的硬度回火后下降程度减轻。
某些碳化物形成元素，甚至出现回火时二次硬化现象。
①第一类回火脆性：
含Cr、Mn的合金结构缸，在250~400℃范围回火，产生无法消除的脆性，
称为第一类回火脆性（或不可逆回火脆性）。产生原因尚无定论，沿条
状马氏体晶界析出碳化物薄片是重要原因。也与S、P、As、Sb、Sn等
杂质有关。
②第二类回火脆性：
含Cr、Ni、Mn、Si的合金结构钢在550~650℃回火产生的可以通过热处
理消除的回火脆性，称第二类回火脆性（可逆回火脆性）。
原因：钢中Ni、Cr及杂质Sb、P、Sn向原奥氏体晶界偏聚有关，偏聚程
度越大，回火脆性越严重。
消除方法：重新回火加热至600℃以上，快冷（水冷）。
三、合金钢的分类
1、按合金元素含量（合金元素总量）
微合金钢0.001~0.1%
低合金钢1~5%
中合金钢5~10%
高合金钢>10%
2、按钢的金相组织
铁素体钢 Cr17、Cr25、Cr28。
奥氏体钢 1Cr18Ni9、0Cr19Ni9、Mn13。
马氏体钢 3Cr13、4Cr13、1Cr11MoV、1Cr12WmoV。
珠光体钢 15CrMo、12CrMoV。
贝氏体钢 12MoVWBSiRE
3、按钢中S、P杂质含量
普通合金钢 S≤0.050% P≤0.045%
优质合金钢 S≤0.035% P≤0.035%
高级优质合金钢 S≤0.025% P≤0.025%
特级优质合金钢 S≤0.015% P≤0.020%
4、按合金组元
二元合金钢 Mn钢、硅钢、铬钢。
三元合金钢 CrMn、Si-Cr、Si-Mn、Cr-Ni。
多元合金钢 Cr-Mn-Ti、Ni-Cr-Mo-V。
5、按用途
合金结构钢，合金工具钢，特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、超强钢。
第二节合金结构钢
在碳素结构钢中添加Cr、Ni、Mn、Si、Mo、W、V、Ti等合金元素，使其具有较高强度、韧性、淬透性。
一、合金结构钢的分类及编号
1、分类
合金结构钢分为：普通低合金钢、易切钢、调质钢、渗碳钢、弹簧钢、滚动轴承钢。
2、编号
数字+化学元素+ 数字
合金元素含量的百分之几，<1.5% 不标
合金元素
平均含C量的万分之几
如：40Cr 表示含C量：0.40%（0.37~0.45%）
含Cr量：0.8~1.1%
Mn 表示含C量：0.57~0.65%
60Si
2
含Si量：1.5~2.0%
含Mn量：0.6~0.9%
若为高级优质缸，则在钢号后加“A”。
如： 20Cr
2Ni
4
A、45CrNiMoVA
二、普通低合金钢
从合金含量<3%，其强度显著高于相同含碳量的碳素钢（低合金钢），且具有良好的塑性、韧性、焊接性能，比碳钢更低的冷脆转变温度。主要用于桥梁、锅炉、压力容器、车辆、船舶、大型钢结构等。
普通低合金钢一般在热轧退火或正火状态下使用，不需进行热处理。
成分特点：C%<0.20%（压力加工、焊接）。
主强化元素是Mn<1.8%，加入微量的Ti、V、Nb等细化晶粒。加入Cu提高耐大气腐蚀能力。
常用钢号： 16Mn、16MnR、15MnV、15MnTi、14MnNb、16MnCu。
三、易切钢
在钢中添加S、Pb、Ca、P等合金元素，使钢成为容易切削。
作用：使切削易断，不易形成“切削积瘤”，减摩、降低切削力、切削热。
但使钢的性能下降。
钢号： Y12、Y15、Y20、Y30、Y40Mn、Y40CrSCa、T10Pb。
四、渗碳钢
渗碳钢属于低碳钢，含碳量0.1~0.25%，以保证心部有足够的塑、韧性。为了克服碳钢缺陷，常采用低碳合金钢作为渗碳钢，加入合金元素Cr、Ni、Mn、B提高淬透性，改善渗碳层的强度和塑、韧性；添加少量的V、W、Mo、Ti 细化晶粒，抑制渗碳时晶粒长大。
同碳素渗碳钢一样，渗碳后需热处，“淬火+低温回火”，获得“外硬内韧”
组织。
常用钢号：15Cr、20Cr、15Mn
2、20Mn
2
、15CrMn、20CrMnTi、20CrMnMo、12Cr
2
Ni
4
A、
18Cr
2Ni
4
W。
用20CrMnTi制造汽车变速齿轮
技术要求：渗碳层厚度1.2~1.6mm, 碳浓度1.0%,
齿轮硬度HRC58~60, 心部硬度HRC30~45
工艺路线：坯料→锻造→正火→加工齿形（铣、插）→局部镀铜
→渗碳→预冷淬火→低温回火→喷丸→磨齿→成品。
正火：低碳合金钢，改善切削加工性能，HRC170~210。
渗碳：920℃，6~8h，深度达1.2~1.6mm。
渗碳后预冷到870~880℃，油淬，经200℃2~3h，表层硬度可达HRC58~60，心部硬度HRC30~45，“外硬内韧”。
齿面经喷丸处理，可消除氧化皮，且使齿面表层产生残余压应力，有利于提高疲劳强度。
精磨：提高齿面精度（降低齿面粗糙度），有利于提高疲劳强度。
五、调质钢
1、调质：淬火+高温回火，获得S
，具有较高的强度和较高的塑、韧性配
回
合（良好的综合机械性能），对于调质零件淬透性对机械性能影响很大。
2、成分特点：
调质钢属于中碳钢，含碳量0.27~0.50%（含碳量过低强度不足，过高韧
性不足）。
，必须先淬透获得M，添加Cr、Ni、要获得具有良好综合机械性能的S
回
Mn、Si、B提高淬透性。
添加Mo、W，防止高温回火脆性（第二类回火脆性）。
快速冷却法仅适用于小型零件，而对大截面尺寸零件难以奏效。
添加少量V细化晶粒，防止奥氏体晶粒长大，Al氮化元素。
3、常用调质钢
40Cr、40CrMo、42CrMo、40CrNiMo、35CrMo、40CrMnMo、38CrMoAl、30CrMnSi、
。
40MnVB、40CrMn、30CrNi
3
举例：用40Cr制作发动机连杆螺丝
发动机连杆螺丝，承受冲击性载荷（拉应力），且周期性变化，一旦发生
断裂，会引起严重事故，要求有足够的强度、冲击韧性、抗疲劳。
加工工艺路线：坯料→锻造→正火→粗加工→调质→精加工→成品。
退火或正火，改善锻造组织，细化晶粒。有利于机械加工。
调质后组织为回火索氏体，不允许有块铁素体出现。硬度HRC30~38。
高温回火后，水冷，防止第二类回火脆性。
六、弹簧钢
1、对弹簧钢的要求
高强度бb，高屈强比бs/бb，高的疲劳强度，足够的塑、韧性，高的
淬透性，低的脱碳敏感性，良好的成型性。
2、成分特点
含碳量高：碳钢0.60~0.75%C
合金钢0.46~0.70%C
添加Si、Mn、Cr、V等合金元素，提高淬透性，回火稳定性，细化晶粒，改善机械性能。
3、热处理特点
淬火+中温回火，获得回火屈氏体，бs/бb↑。
4、常用弹簧钢
a、锰弹簧钢 60Mn 65Mn
优点：淬透性较高，强度较高，脱碳倾向较小，成本低。
缺点：过热敏感，回火脆性，бs/бb较低，淬火裂纹。
适于制作小尺寸弹簧。
b、硅锰弹簧钢 55Si
2Mn 60Si
2
Mn
优点：淬透型好，бs/бb高，回火稳定性好，使优良的弹簧钢；添加W、Mo、V、Nb等元素可进一步提高性能。
缺点：脱碳倾向大。
适用于汽车、机床板簧等。
c、其它弹簧钢 60Si
2CrA 60Si
2
CrVA
七、滚动轴承钢（滚珠、滚柱）
1、载荷特点及破坏形式
周期性交变载荷，接触面积小，接触应力很大：300MN/m2，最高可达500MN/ m2；循环受力次数可达每分钟数万次，极易磨损和疲劳破坏。
2、对滚动轴承钢的要求
a、高硬度、高耐磨性。
b、高的弹性极限（不允许塑性变形）→接触应力很大。
c、高的疲劳强度。
d、足够的韧性。
e、高的淬透性。
f、一定的耐蚀性（大气、润滑性）。
3、常用轴承钢及化学成分
a、滚动轴承钢是高碳铬钢：GCr
6、GCr
9
、GCr
15
、GCr
9
SiMn、GCr
15
SiMn
b、化学成分：C%：0.95~1.15%，保证高硬度，高强度。
Cr%：0.40~1.65%，增加钢的淬透性并提高回火稳定性。
含Cr过高（>1.65%），A’含量增加，且碳化物分布不均匀，影响寿命。
对于大型轴承，在GCr
15
基础上加入Si（0.40~0.65%）、Mn（0.9~1.2%），以便进一步改善淬透性，提高钢的强度和弹性极限而不降低韧性。
另外，杂质含量硬严格控制：S<0.02%，P<0.027%
4、滚动轴承钢的热处理特点
热处理工艺：球化退火，淬火，低温回火。
球化退火：降低锻造后钢的硬度，有利于切削加工，并为淬火作组织准备。
GCr
15
钢的淬火温度要求十分严格850℃。若淬火温度过高>850℃，会增加残余A’的含量，且马氏体为粗片状，冲击韧性和疲劳强度急剧下降。
回火温度150~160℃，2~3h。
热处理后的组织：极细的回火马氏体+细粒状均匀的碳化物+ A’，
硬度：HRC61~65
应用举例：用GCr
15
制作油泵针阀体。
针阀与针阀体是内燃机油泵中一对精密配合件（偶件），阀体固定在汽缸头上，工作时（喷油）针阀顶端与针体顶端有强烈摩擦，且阀体端部工作温度260℃左右，发体与针阀要求尺寸稳定（精密配合），稍有变形，或引起漏油，或造成卡死。因此，要求针阀体具有较高的硬度和耐磨性，高的尺寸稳定性。
热处理技术要求：HRC62~64，热处理变形度<0.04mm.
加工工艺路线:下料(冷拉圆钢)→粗加工→去应力退火→半精加工→淬
火；冷处理,低温回火,时效→精加工→时效→抛光→成品。
去应力退火在400℃以下进行，以消除粗加工过程中产生的加工应力，为减小变形创造条件；采用硝盐微淬火（减小零件表面与心端温差），减小变形。冷处理（干冰+酒精），降低残余奥氏体含量，稳定尺寸。170℃低温回火，降低淬火及冷处理过程产生的应力，稳定组织。第一次时效在回火后进行，以进一步降低应力，稳定组织。第二次时效在精磨后进行，以消除精磨过程中产生的应力，稳定尺寸。
第三节合金工具钢
用途：用于制造刃具、模具、量具的钢，称为工具钢。
一、工具钢的分类及表示方法
1、分类
刃具钢水淬钢
按用途分模具钢淬火介质油淬钢
量具钢空硬钢
2、表示方法
数字 + 符号 + 数字
合金含量
合金
碳含量
含碳量：平均含C量大于或等于1.0%，不标出。
平均含C量<1.0%，以千分之几标出。
（高速钢例外，无论≥1.0%还是<1.0%，都不标出。）合金元素含量：与合金结构钢相同。
如：9SiCr：表示含碳量为0.9%（0.85~0.94），Cr、Si平均含量小于1.5%，Cr：0.95~1.25% Si：1.2~1.6%
W18Cr4V高速钢：平均含碳量0.70~0.80%
W：18% Cr：4% V：1.5%
二、刃具钢
1、对刃具钢性能的要求
a、高硬度和热硬性（红硬性）
切削金属的刀具，HRC60以上。
木工刀具，HRC45以上。
热硬性：在高温下保持硬度的能力，碳素工具钢只能在200℃以下保
持硬度，超过200℃软化，高速钢在600℃仍能保持高硬度。
b、高耐磨性
碳化物硬度与耐磨性之间有密切关系。硬度越高，耐磨性越好，硬度
基本相同时，碳化物的数量、颗粒大小及分布情况对耐磨性有很大
影响。一定数量的硬而细的碳化物均匀分布在强而韧的金属基础上，
耐磨性良好。
c、足够的强度和韧性
工具工作条件恶劣，承受冲击、震动、扭转、弯曲等复杂应力，所以
必须具有足够的强度和韧性，以免淬断。
d、高的淬透性，低脱碳倾向，可加工性。
2、常用刃具钢
铬钢、钨钢、钒钢、钨铬钒钢、硅铬钢、高速钢。
a、铬钢GCr158Cr Cr2
含C量：0.8~1.5%.
特点：淬透性好、耐磨性高，但脆性大，且有回火脆性倾向。
b、钨钢、钒钢、钨铬钒钢W、W2、V、WCr、W3CrV
W、V能形成坚硬而又稳定的碳化物WC、VC，Cr能提高淬透性。
特点：耐磨性高，热稳定性好，热处理变形小等优点，是优良的刃具钢。
c、高速钢W18Cr4V
又称锋钢，是一种高合金钢，合金元素含量>10%，制成刀具可以高速
切削而得名。
主要合金元素：
W：作用是形成坚硬耐磨的高熔点合金碳化物（Fe.W）3C、Fe4W2C，一小部分W溶于马氏体，从而提高马氏体组织的回火稳定性，
故钨合金高速钢在600℃高温下，仍有很高的硬度。回火时析出
W
2
C，产生“二次硬度”。
C：一方面与W、Cr、V等形成足够数量的碳化物，又要有一定数量的碳溶入高温奥氏体，使淬火后M具有一定的过饱和程度，以保证高硬度、高耐磨性。过高，碳化物数量增加，不均匀性增大，脆性大，工艺性变坏。过低，硬度、耐磨性下降。
V：形成V
4C
3
或VC比钨碳化物更稳定，能显著阻碍奥氏体晶粒长大。
V 4C
3
或VC颗粒非常细小，分布又十分均匀，对提高钢的耐磨性
非常有效。560℃回火，也产生“二次硬化”。
Cr：提高钢的淬透性。
Mo：与W作用相近，可提高韧性。
Co：进一步提高红硬性（阻止碳化物从马氏体中析出，抑制M分解）。
d、硅铬钢 9SiCr
具有较高的淬透性和回火稳定性，但有脱碳现象，加工性能较差。e、硬质合金
将一些难溶的化合物粉末和粘结剂混合，加压成型，再经烧结而成的一种粉末冶金材料。
特点：高硬度：HRC69~81，热硬性好：900~1000℃，耐磨性好，切削速度比高速钢高4~7倍，刀具寿命可提高5~8倍。
缺点：脆性大，不能进行机械加工。压制成一定规格的刀片，镶焊在刀体上使用。
金属陶瓷硬质合金：金属碳化物粉末WC、TiC，粘结剂Co、Ni混合，加压成型，烧结而成（工艺与陶瓷相近）。
钢结硬质合金：以碳化物Ti、WC为硬化相，合金钢（高速钢、铬钼钢）粉末为粘结剂混合，压制，烧结而成。
钢结硬质合金经退火后，可以进行切削加工，淬火、回火后具有相当于金属陶瓷硬度合金的高硬度、高耐磨性。
三、模具钢
1、冷作模具钢：冷冲模、冷镦模、拉丝模、滚丝模等，用于制作冷加工模
具。
a、工作中承受很大的压力，弯曲力，冲击力，摩擦力。
损坏形式：磨损、断裂、变形超差。
b、对冷作模具钢的要求：高硬度HRC58~62，高耐磨性，足够的强度与
韧性，热处理变形小。
c、常用钢号：9SiCr、9Mn2V、Cr12MoV、Cr6WV、W18Cr4V。
2、热作模具钢：热锻模、热挤压模、热镦模。
a、载荷特点：冲击、挤压、强烈摩擦、热疲劳。
b、对热作模具钢的性能要求：高强度、高耐磨性、高的抗热疲劳能力、
高的回火稳定性、良好的导热性。
c、常用钢号：5CrMnMo、5CrNiMo、6SiMnV、6SiMnV。
3、压铸模具钢
压铸是将熔化的金属或塑料，依靠压力注入模腔而直接成型的工艺方法。
对压铸模具钢的要求：高的高温强度，热稳定性好，耐热疲劳，导热性好，表面能经受液体金属或塑料的冲刷磨损、腐蚀。
3Cr2W8V、4Cr8W2、3W4CrSiV、3W2CrSiV，用于有色金属的压铸模具。Cr2、5CrMnMo、CrWMn、38CrMoAl，用于塑料模具。
四、量具钢
1、对量具钢的要求
a、高硬度（≥HRC62），高耐磨性，防止因磨损造成的尺寸偏差。
b、热处理变形小，组织稳定（尺寸稳定）。
c、良好的加工工艺性，表面粗糙度低于0.5。
2、常用量具钢
高精度量具钢：CrMn、CrWMn、GCr15、9Mn2V、MnCrWV。
一般量具钢：9SiCr、60Mn、65Mn。
五、应用举例
1、用9SiCr制造圆板牙→外螺纹，丝锥→内螺纹。
圆板牙对钢的要求：①碳化物分布均匀，以防使用时崩刃。
②热处理变形小，以保证螺纹的尺寸精度（互换性）。
③刃部高硬度HRC60～63，高耐磨性，以保证使用寿命。
9SiCr满足上述要求。
制造工艺：下料→球化处理→机械加工→淬火+低温回火→磨平面→抛槽→开口。
1、等温球化退火，碳化物分布均匀，防崩刃，降低硬度，便于机加工。600~650
℃预热，目的是减少高温停留时间，降低9SiCr的脱碳倾向（Si）。采用160~200℃硝盐浴分级淬火，可减小热处理变形。190~200℃低温回火，稳定组织，降低残余应力。→稳定尺寸（精度）。
2、用W
18Cr
4
V高速钢制造盘形齿轮铣刀
加工工艺路线：
坯料→锻造→等温退火→机械加工→淬火+回火→喷砂→精磨→成品。
W 18Cr
4
V高速钢属于空硬钢，硬度高、热稳定性高、难以热轧，故坯料为
铸坯。其组织中含有粗大的碳化物，分布均匀，直接使用，刀具的强度、
耐磨性、韧性均下降，且易崩刃，应设法消除。由于W
18Cr
4
V中的碳化物
热稳定性很高（W
2C、Fe
4
W
2
C、VC），难以用热处理法消除（扩散），只有采
用锻造法将粗大的碳化物击碎，使它分布均匀，锻造时不应一次成型，
而要反复镦粗、拔长，才能击碎粗大的碳化物。由于高速钢空冷即可淬
火，故锻后应缓慢冷却。高速钢坯料锻后硬度很高，难以加工，经退火，以改善切削加工性。为了节省时间，采用等温退火法。
为了提高洗刀的表面质量，机械加工前可增加调质：900~920℃加热油冷，700~720℃回火。
高速钢由于导热性能很差，塑性低，而淬火加热温度很高，如果直接加热到淬火温度，很容易产生变形，开裂。所以应降低加热速度，并分给予热，一般先加热到800~840℃，必要时可进行两次预热。
淬火采用580~620℃中性盐浴分级淬火，以减小变形。回火温度560℃，因为在此温度下，回火硬度最高：一方面W、V的碳化物（W
2
C、VC）呈细小分散状从马氏体中沉淀析出（弥散沉淀析出），这些碳化物很稳定，难以聚集长大，从
而提高了硬度（弥散硬化）；另一方面，在此温度范围内，一部分碳及合金元素从残余奥氏体中析出，降低了参与A’中C及合金元素含量，Ms提高，回火冷却时，A’→M，从而使钢的硬度提高。“二次硬化现象”。
为什么要进行三次回火呢？
由于W
18Cr
4
V淬火后由20~25%的残余奥氏体，经一次回火难以全部消除，
经三次回火才能基本消除（一次余15%，二次余3~5%，三次余1~2%），
且经过多次回火，还可消除前一次回火由于A’→M产生内应力。
组织：回火马氏体+少量残余奥氏体+碳化物。
3、用CrWMn制造块规
块规是标准量块，用它来测量标定线性尺寸。
要求：高硬度HRC62~65，淬火变形微小（直度≯0.05mm），尺寸稳定。
生产工艺：坯料→锻造→球化退火→机械加工→淬火→冷处理→回火→粗磨→低温人工时效处理→精磨→去应力回火→研磨→成
品。
球化退火：780~800℃加热，690~710℃等温保温，HB217~255。
引起块规尺寸变化的因素：
①残余A’转变为M，引起尺寸膨胀。
②马氏体继续分解，正方度减小引起收缩。
③残余应力松弛，引起尺寸变化。
冷处理可大大减少残余奥氏体量；低温回火使M组织稳定；低温人工时效，使组织进一步稳定，消除残余应力；精磨后去应力退火，可消除所增
的残余应力。
第四节特殊性能钢
特殊性能钢是指具有特殊性能和特殊用途的钢种。
包括：不锈钢、耐热钢、耐磨钢、超高强度钢、磁钢等。
一、不锈钢
金属腐蚀是一种普遍现象，每年因腐蚀造成的金属损失占金属产量的10%，因此提高金属的耐蚀性具有重要意义。
往钢中添加Cr、Ni等元素，可以提高其电极电位，降低腐蚀速度。→不锈钢。
不锈钢的产量是衡量钢铁水平的重要标志。
1、塔曼定律（Tamman’s law），n/8定律
往钢中添加合金元素，当合金元素的含量为1/8，2/8，…n/8（原子比）时，及合金元素的原子数占12.5%,25%,…,12.5n%时，合金的电机电位不是渐变增加，而是突变时提高，这种现象称为n/8定律。
如往钢中添加11.7%（重量百分数）的Cr，那12.5%（原子比）Cr，钢的电极电位由-0.56V突变至+0.2V，这种钢就具有抗蚀性。
2、常用不锈钢
a、铬不锈钢：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、Cr17、Cr25、Cr28
Cr13型不锈钢随着含C量的增多，耐蚀性降低。因为，形成的铬碳
化物增多，基体中铬含量减少；铬碳化物与基体具有不同的电机电位，
随着铬碳化物的增多，原电池的数量增多。
b、铬镍不锈钢：0Cr18Ni9、0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti、0Cr19Ni9
这类不锈钢属单相奥氏体型，无磁性，塑性、韧性、耐蚀性均优于
Cr13型不锈钢。
c、其它类型不锈钢
我国Cr、Ni矿较少，根据我国资源条件研制成功的两个新钢种：
15Al
3MoWTi，0Cr
10
Si
2
Mo
前者代替Cr13不锈钢，用于石油裂化装臵；后者代替1Cr18Ni9Ti，用于尿素、硫铵和硫酸等化工设备。
3、铬镍不锈钢的常用热处理工艺
a、固溶处理
奥氏体不锈钢在加热后缓冷时，会沿晶界析出（Cr?Fe）
23C
6
，局部
形成贫铬区，并发生奥氏体向铁素体转变（多相），造成不锈钢产生晶向腐蚀，为了消除这种现象，常采用固溶处理：加热到1050~1150℃，使所有碳化物都溶于奥使体中，然后水淬块冷，得到单相奥氏体组织，基体中各处的Cr含量均达到钝化成分，从而消除
了贫铬区。
b、稳定化处理（用于含Ti、Nb的奥氏体不锈钢）
由于C与Ti、Nb的亲和力大于C与Cr，故C与Ti、Nb形成的碳化物更稳定。
稳定化处理：加热温度高于（Cr?Fe）
23C
6
完全溶解的温度，而低于
TiC、NbC完全溶解的温度，保温后缓慢冷却，TiC、NbC充分析出，C
几乎全部稳定于TiC、NbC中，而不再以（Cr?Fe）
23C
6
的形式析出，
以保证基体中的Cr达到钝化处理，不产生贫铬区。
1Cr18Ni9Ti：加热850~880℃，保温6h，空冷或炉冷。
c、除应力处理
经过冷加工或焊接的奥氏体不锈钢，产生残余应力，易引起应力腐
蚀，故应进行除应力热处理。
除冷加工残余应力：加热300~350℃，保温，缓冷。
除焊接应力：加热850℃，保温，快冷。
二、耐热钢
耐热钢是指高温下（450℃以上）不氧化起皮，并能保持足够强度的一类钢。
这类钢的特点：具有较高的抗蠕变性能，高温强度，耐高温气体腐蚀，耐高温氧化。
包括两类钢：
1、抗氧化钢：在钢中添加Cr、Si、Al、RE等元素，高温时钢表面形成一层
致密的氧化膜，具有良好的保护作用。
常用钢号：3Cr
18Mn
12
Si
2
N 2Cr
20
Mn
9
Ni
2
Si
2
N
2、热强钢：高温下具有较高的强度，一定的抗氧化能力，组织稳定的钢。
合金元素：Cr、Si、Mo、V、W、Ni
常用钢号：15CrMo 12CrMoV（珠光体型）
1Cr
13 2Cr
13
1Cr
11
MoV（马氏体型）
1Cr
12WMoV 4Cr
9
Si
2
12MoVWBSiRE 12Cr
2MoWVTiB 12Cr
3
MoVSiTiB（贝氏体型）
0Cr
19Ni
9
1Cr
18
Ni
9
Ti 4Cr
14
Ni
14
W
2
Mo 0Cr
19
Ni
13
Mo
4
（奥氏体型）
三、耐磨钢
在冲击载荷作用下，发生冲击硬化的高锰钢，Mn13。
1、高锰钢的“水韧处理”：
将Mn13加热到1000~1100℃，保温一段时间，使碳化物全部溶入奥氏体中，然后迅速淬于水中，由于冷速很快，碳化物来不及析出，从而获得单相奥氏体组织。
2、耐磨机理
经水韧处理后，Mn13的硬度并不高，HB180~220。使用时，在冲击载荷作用下，表层奥氏体迅速产生加工硬化，并由马氏体及ε碳化物沿滑移而形成，使表层硬度提高到HB450~550，具有耐磨性，而心部仍维持良好的韧性。用于挖掘机、推土机、碎石机、履带、防弹板上。
作业：
1、合金元素的作用有哪些？
2、为什么弹簧钢应采用淬火加中温回火处理？
3、为什么滚动轴承钢应采用高碳钢？
4、高速钢为什么要三次回火？
5、什么是二次硬化？
6、不锈钢固溶处理和稳定化处理的目的是什么？
7、高锰钢的耐磨机理是什么？
第六章钢的热处理 习题参考答案 一、解释下列名词 答： 1、奥氏体：碳在γ-Fe中形成的间隙固溶体。 过冷奥氏体：处于临界点A1以下的不稳定的将要发生分解的奥氏体称为过冷奥氏体。 残余奥氏体：M转变结束后剩余的奥氏体。 2、珠光体：铁素体和渗碳体的机械混合物。 索氏体：在650～600℃温度范围内形成层片较细的珠光体。 屈氏体：在600～550℃温度范围内形成片层极细的珠光体。 贝氏体：过饱和的铁素体和渗碳体组成的混合物。 马氏体：碳在α-Fe中的过饱和固溶体。 3、临界冷却速度V K：淬火时获得全部马氏体组织的最小冷却速度。 4、退火：将工件加热到临界点以上或在临界点以下某一温度保温一定时间后，以十分缓慢的冷却速度（炉冷、坑冷、灰冷）进行冷却的一种操作。 正火：将工件加热到A c3或A ccm以上30～80℃，保温后从炉中取出在空气中冷却。 淬火：将钢件加热到Ac3或Ac1以上30～50℃，保温一定时间，然后快速冷却（一般为油冷或水冷），从而得马氏体的一种操作。 回火：将淬火钢重新加热到A1点以下的某一温度，保温一定时间后，冷却到室温的一种操作。 冷处理：把冷到室温的淬火钢继续放到深冷剂中冷却，以减少残余奥氏体的操作。 时效处理：为使二次淬火层的组织稳定，在110～150℃经过6～36小时的人工时效处理，以使组织稳定。 5、调质处理：淬火后再进行的高温回火或淬火加高温回火 6、淬透性：钢在淬火后获得淬硬层深度大小的能力。 淬硬性：钢在淬火后获得马氏体的最高硬度。 7、回火马氏体：过饱和的α固溶体（铁素体）和与其晶格相联系的ε碳化物组成的混合物。 回火索氏体：在F基体上有粒状均匀分布的渗碳体。 回火屈氏体：F和细小的碳化物所组成的混合物。 8、第一类回火脆性：淬火钢在250℃～400℃间回火时出现的回火脆性。 第二类回火脆性：淬火钢在450℃～650℃间回火时出现的回火脆性。 10、表面淬火：采用快速加热的方法，将工件表层A化后，淬硬到一定深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火法。
第六章合金钢及其热处理 习题解答 6-1 什么是合金元素?按其与碳的作用如何分类? 答：1、为了改善钢的组织和性能，在碳钢的基础上，有目的地加入一些元素而制成的钢，加入的元素称为合金元素。常用的合金元素有锰、铬、镍、硅、钼、钨、钒、钛、锆、钴、铌、铜、铝、硼、稀土(RE) 等。 2、合金元素按其与钢中碳的亲和力的大小，可分为碳化物形成元素和非碳化物形成元素两大类。 常见的非碳化物形成元素有：镍、钴、铜、硅、铝、氮、硼等。它们不与碳形成碳化物而固溶于铁的晶格中，或形成其它化合物，如氮可在钢中与铁或其它元素形成氮化物。 常见的碳化物形成元素有：铁、锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等(按照与碳亲和力由弱到强排列) 。通常钒、铌、锆、钛为强碳化物形成元素；锰为弱碳化物形成元素；铬、钼、钨为中强碳化物形成元素。钢中形成的合金碳化物主要有合金渗碳体和特殊碳化物两类。 6-2 合金元素在钢中的基本作用有哪些? 答：合金元素在钢中的基本作用有：强化铁素体、形成合金碳化物、阻碍奥氏体晶粒长大、提高钢的淬透性和提高淬火钢的回火稳定性。 6-3 低合金结构钢的性能有哪些特点?主要用途有哪些?
答：低合金结构钢的性能特点是：①具有高的屈服强度与良好的塑性和韧性；②良好的焊接性；③较好的耐蚀性。低合金结构钢—般在热轧空冷状态下使用，被广泛用于制造桥梁、船舶、车辆、建筑、锅炉、高压容器、输油输气管道等。 6-4 合金结构钢按其用途和热处理特点可分为哪几种?试说明它们的碳含量范围及主要用途。 答：合金结构钢是指用于制造各种机械零件和工程结构的钢。主要包括低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢等。 1、低合金结构钢的成分特点是低碳(w C < 0.20％)，—般在热轧空冷或正火状态下使用，用于制造桥梁、船舶、车辆、建筑、锅炉、高压容器、输油输气管道等。 2、合金渗碳钢的平均w C一般在0.1％～0.25％之间，以保证渗碳件心部有足够高的塑性与韧性。合金渗碳钢的热处理，一般是渗碳后直接淬火和低温回火。合金渗碳钢主要用于制造表面承受强烈摩擦和磨损，同时承受动载荷特别是冲击载荷的机器零件，如汽车、飞机的齿轮，内燃机的凸轮等。 3、合金调质钢的平均w C一般在0.25％～0.50％之间。合金调质钢的最终热处理一般为淬火后高温回火(即调质处理) ，组织为回火索氏体，具有高的综合力学性能。若零件表层要求有很高的耐磨性，可在调质后再进行表面淬火或化学热处理等。它主要用于制造承受多种载荷、受力复杂的零件，如机床主轴、连杆、汽车半轴、重要的螺
第六章合金钢（alloy-steel） 教学目的：掌握合金元素的作用规律和合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢的特点及应用；熟悉合金钢的分类及编号；了解粉末冶金工艺与硬质合 金的成分、性能。 本章重点：1、合金元素的作用规律 2、合金结构钢的特点及应用 3、合金工具钢的特点及应用 4、特殊性能钢的特点及应用 本章难点: 合金元素的作用规律 参考文献：1、戴起勋，金属材料学，化学工业出版社，2005 2、史美堂，金属材料及热处理，上海科学技术出版社，2001 3、史美堂，金属材料及热处理习题集与实验指导书，上海科学技术 出版社，1997 专业词汇：alloy-steel; constructional alloy steel; alloy tool steel; stainless steel; duplex stainless steel; cutlery steel; solid solution strengthening; heat-resistant steel; powder metallurgy; wear-resistant steel; cryogenic steel; oxidation resistant steel; high-speed steel; high temperature alloy; superalloys; tool steel; die steel; spring steel; free cutting steel; bearing steel; ultra-high strength steel; nitriding steel; carburizing steel; 第一节概论 合金钢是在碳素钢中添加一些合金元素而炼制的一类钢，以改善碳素钢的性能。 为什么要发展合金钢？碳钢不能满足要求。 一、碳素钢的缺陷 1、综合机械性能差 虽然碳素钢的强度、硬度随着含碳量的增加而提高，但塑性、韧性却随之下降，不能在同一成分中得到配合完善的综合机械性能。