第三章 钢的合金化概论

合金元素和铁的作用 合金钢中的相组成 合金元素在钢中的分布与偏聚 合金钢中的相变 合金元素对钢强韧化的影响 合金元素对钢工艺性的影响 微量元素在钢中的作用 合金钢的分类与编号

第1节 合金元素和铁的作用

第1节 合金元素和铁的作用

隐存杂质：O、H、N，难以测量。 偶存杂质：与冶炼所用矿石和废钢有关， Cu、Sn、Pb、Ni、Cr等 杂质元素对性能的影响： S形成Fe-FeS共晶，熔点低，热脆性 P形成二元或三元磷共晶，硬而脆，冷脆性 H形成白点，氢脆

第1节 合金元素和铁的作用

一、合金钢的概念及为什么发展合金钢 二、合金元素在钢中的作用 三、合金钢的分类及牌号

第1节 合金元素和铁的作用

2.合金元素 为了提高钢的性能，往钢中加入一定量的合金 元素，以改变其工艺性能和使用性能，加入的元 素称为合金元素。相应的钢称为合金钢。

第1节 合金元素和铁的作用

低合金钢：合金元素总量低于5%， 中合金钢：合金元素总量5-10%， 高合金钢：合金元素总量大于10%

所谓合金钢，就是为了改善钢的性能， 特意地加入一些合金元素的钢。 （在碳钢的基础上有意地加入一种或几种合金元素，使
钢的使用性能或工艺性能得以改善提高，这样组成的 铁基合金即为合金钢。）。
碳钢还存在着以下几个主要缺点，使它的应用受到一定限制。 （1） 碳钢的淬透性低 碳钢制成的零件尺寸不能太大，否则淬不透，出现内外性能不均， 对于一些大型的机械零件，（要求内外性能均匀），就不能采用 碳钢制作，如发电机转子，汽轮机叶片，汽车、拖拉机的连杆螺 栓等。
（2）回火抗力差 碳钢淬火后，只有经低温回火才能保持高硬度，若其回火温度超过200℃， 其硬度就显著下降。即回火抗力差，不能在较高的温度下保持高硬度，因 此对于要求耐磨，切削速度较高，刃部受热超过200℃的刀具就不能采用 碳钢制作。 （3）碳钢不能满足一些特殊性能的要求 如耐热性、耐腐蚀性、耐低温性（低温下高韧性） 为了弥补碳钢的不足，满足上述条件的要求，目前工业上广泛发展和使用 了合金钢材料。

2.合金元素对铁碳相图的影响

1)影响A和F存在的范围 2)使S、E点左移 3) 对A１点的影响

1)影响A和F存在的范围

（1）扩大γ相区 （2）缩小γ相区
使A3点(γ-Fe α-Fe的转变点)下降, A4点 ( γ-Fe的转变点)上升, 从而扩大γ-相的存 在范围。 完全扩大γ相区元素(室温下单相A)Mn，Ni

部分扩大γ相区的元素 C、N、Cu

使A3点上升, A4点下降(铬除外, 铬含量 小于7%时, A3点下降; 大于7%后,A3点迅 速上升), 从而缩小γ相区存在的范围, 使铁素体稳定区域扩大。 完全封闭γ相区的元素(如Cr、Mo、W、V、 Ti、Al、Si等)。如Cr17、Cr25、Cr28等 铬不锈钢均属铁素体钢。 部分缩小γ相区的元素(如B、Nb、Zr等)。
无论是扩大γ区的合金元素，还是缩小γ 区的合金均使E点和S点左移，即降低共析点的 含碳量及碳在奥氏体中的最大溶解度。因此使 相同含碳量的碳钢和合金钢具有不同的显微组 织，如含碳0.4%的碳钢具有亚共析组织，而含 C0.4%，13%Cr的合金钢则具有过共析组织。 因为此时的共析成分已不再是0.77%，而是变 为0.3%C了，另外，由于E点的左移，使含碳 量远低于2.11%C的合金钢中出现莱氏体。如 18%W的高速工具钢，含0.70-0.80%C，其铸 态组织中出现了莱氏体。

Mn 元素对S、E点的影响图

Cr 元素对S、E点的影响图

合金元素对 S 点成分的影响

合金元素对A1线的影响

第2节 合金钢中的相组成

1.合金元素在钢中的存在方式 2.合金元素对铁碳相图的影响 3.合金元素对钢的热处理的影响 4.合金元素使合金钢具有某些特殊性能

1.合金元素在钢中的存在方式

1）合金元素在钢中的主要存在形式 2）合金元素对钢的性能的影响

1）合金元素在钢中的主要存在形式

（1）形成固溶体 （2）形成碳化物 （3）游离状态
通常与碳的亲和力很弱，主要固溶于铁 素体、奥氏体、马氏体中，而不形成碳 化物，如：Ni、Si、Al、Co……。 合金铁素体 当钢中加入少量合金元素时，有一部 分溶于铁素体内形成合金铁素体
碳化物形成元素可形成合金渗碳体 和特殊碳化物 A 合金渗碳体 B 特殊碳化物
合金元素与碳的亲合力较弱，它的大部 分是固溶于铁素体、奥氏体、马氏体中， 而少部分固溶于渗碳体中形成合金渗碳 体，如（Fe，Mn）3C。
合金元素与碳的亲合力很强，主要以特 殊碳化物形式存在，如V、Ti、Nb、Zn。 合金元素（Cr、Mo、W）与碳的亲合力 较强，当含量较少时，它们主要固溶于 渗碳体中，而含量较高时，才能形成特 殊碳化物如：Cr23C6、WC、MoC、Cr7C6。
硬而脆，具有金属键和共价键混合健。 形成元素：按从强到弱排列： Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe
强碳化物形成元素 中强碳化物形成元素 弱碳化物形成元素

主要碳化物 M3C型：Fe3C、Mn3C等，正交点阵结构 M7C3型：Cr7C3，复杂六方点阵结构 M23C6型：Cr23C6，复杂立方点阵结构 M2C型：Mo2C、W2C，密排六方点阵结构 MC型：VC、TiC、NbC，简单面心点阵结构 MoC、WC，简单六方点阵结构 M6C型：Fe3W3C、Fe3Mo3C、Fe4W2C，复杂六方点阵 结构，非金属型碳化物

高硬度、脆性、高熔点 形成元素：按从强到弱排列： Ti、Zr、Nb、V、Mo、W、Cr、Mn、Fe
强氮化物形成元素 素 强氮化物形成元素 弱氮化物形成元

属于NaCl型简单立方点阵的氮化物： TiN、NbN、CrN等 属于密排六方点阵的氮化物： WN、Nb2N、MoN等

σ相：结构复杂，高硬度； 出现于高铬不锈钢、铬镍和铬锰不锈钢、 高合金耐热钢和耐热合金中。降低合金的塑性 和韧性 AB2相：如Fe2Mo、Fe2W、Fe2Nb等， 耐热钢中的一种强化相。 AB3型：Ni3Al、Ni3Ti、Fe3Al等， 有序固溶体相。 A6B7相：Fe7W6、Fe7Mo6等， 不锈钢、耐热钢和耐热合金的一种强化 相。
对于固态下不溶于铁或在铁中溶解度很 小的少数元素，如Pb、Cu、（＞0.8)等， 常以游离态存在 。

第3节 合金元素在钢中的分布 与偏聚

一、分布 1.合金元素在钢中的存在状态 溶于固溶体（奥氏体、铁素体） 形成碳化物和氮化物 存在于金属间化合物中，常在高合金钢 中出现 各类夹杂物（如氧化物、硫化物等） 自由态，如Pb

第3节 合金元素在钢中的分布与偏聚

2.分布规律 退火态： 非碳化物形成元素绝大部分固溶于基体；碳化物 形成元素由碳和本身含量而定，优先形成碳化物，其 余溶入基体。 正火态： 基本同退火态。但有些高合金钢淬透性好，正火 后形成马氏体或贝氏体，同淬火态。 淬火态： 溶入奥氏体的元素淬火后存在于马氏体、贝氏体 或残余奥氏体中；未溶的仍存于碳化物中。 回火态： 取决于回火温度。
合金元素溶入基体后，与缺陷相互作用，发生 偏聚或内吸附，造成缺陷处浓度大于基体的平 均浓度。 吸附在刃型位错，形成Cottrell气团 吸附在螺型位错，形成Sneok气团 吸附在层错，形成铃木气团。 对性能有影响 P、Sn造成回火脆性 B在奥氏体晶界，提高淬透性

第4节 合金钢中的相变

一、合金钢的加热奥氏体化 1.碳（氮）化物在奥氏体中的溶解规律 碳化物越稳定，在奥氏体中的溶解度越小。 Cr、Mo、V的碳化物有较大的溶解度，Ti、Nb、 Zr的碳化物溶解度较小。 随温度下降，各种碳化物的溶解度降低。 溶解在奥氏体中的弱碳化物形成元素，促进稳 定性好的碳化物溶解。 稳定性差的碳化物先溶解，稳定性好的碳化物 后溶解。

（1） 对钢加热时奥氏体形成 的影响

对奥氏体形成速度的影响 对奥氏体晶粒大小的影响

钢加热时对奥氏体形成速度的影响

奥氏体化过程包括奥氏体的形成，剩余碳化物的溶 解和奥氏体成分均匀化，均是由合金元素和碳的扩 散所控制。 非碳化物形成元素： Co和Ni提高碳在奥氏体中扩散速度，加速奥氏体的 Co Ni 形成。Si、Al、Mn等元素，对C的扩散速度影响不 大。因而对奥氏体的形成速度影响不大。 碳化物形成元素：Cr、W、Nb、Mo、Ti、V阻碍C 的扩散，缓减奥氏体的形成速度。 合金元素的扩散能力远比碳小，因此，要获得均匀 的奥氏体，合金钢的加热温度应比碳钢高，保温时 返回 间应比碳钢长。

钢加热时对奥氏体晶粒大小的影响

碳化物形成元素：Ti、V、Nb、Zr……阻碍晶粒 长大 非碳化物形成元素：Si、Ni……阻止晶粒长大； P、Cu促进晶粒长大。 钢加入碳、磷、锰(高碳时)等元素会促进奥氏体 晶粒长大；加入铝、钛、钒、铌等元素会强烈 阻止奥氏体晶粒长大；加入钨、钼等元素会中 等阻止奥氏体晶粒长大。

（2）对过冷奥氏体的转变的影响

实质上是对C曲线的影响 除Co以外，大多数合金元素都增加奥氏 体的稳定性，使C曲线右移。 且非碳化物形成元素Al、Ni、Si、Cu等不 改变C曲线的形状，只使其右移； 碳化物形成元素Mn、Cr、Mo、W等除使 C曲线右移外，还改变其形状。

合金元素对C曲线的影响

碳化物形成元素Mn、Cr、Mo、W等将C 曲线分裂为珠光体转变的贝氏体转变两 个C曲线，并在此二曲线之间出现一个 过冷奥氏体的稳定区． 其中Cr和Mn推迟贝氏体转变的作用大于 珠光体转变；而Mo、W推迟珠光体转变 的作用大于贝氏体的。

合金元素对C曲线的影响图

合金元素对C曲线形状的改变大致有五种。 合金元素对 曲线形状的改变大致有五种。 曲线形状的改变大致有五种 第一种，只有一个鼻子，元素有Ni、 、 第一种，只有一个鼻子，元素有 、Si、Mn 第二种，出现两个鼻子，元素有Cr、 第二种，出现两个鼻子，元素有 、Mo、W、V 、 、 第三种，只有珠光体转变区，元素Cr 第三种，只有珠光体转变区，元素 第四种，只有贝氏体转变区，元素W、 第四种，只有贝氏体转变区，元素 、Mo 第五种，没有珠光体、贝氏体转变区，元素Ni、 第五种，没有珠光体、贝氏体转变区，元素 、Mn

对过冷奥氏体的转变影响的实际意义

合金元素使C曲线位置和形状的改变，有重要 的实际意义，由于合金元素使C曲线右移，因 而使淬火的临界冷却速度降低，提高了钢的淬 透性，这样就可采用较小的冷却速度，甚至在 空气中冷却就能得到马氏体，从而避免了由于 冷却速度过大而引起的变形和开裂。 另一方面由于形状的改变，使某些钢 28CrMoNiVB采取空冷便得贝氏体组织，具有 良好的综合机械性能，就不用采取等温淬火。

2.合金元素对珠光体转变的影响 总是不同程度地推迟珠光体转变， 使珠光体转变曲线右移。 按减缓速度排序： Mo、W、Mn、Cr、Ni、Cu、Si、V、Co

3.合金元素对贝氏体转变的影响 合金元素C、Mn、Ni、Cr、V等都降低Bs点， 在贝氏体和珠光体转变之间出现过冷奥氏体 的中温稳定区，形成两个转变C曲线。 合金元素增长转变孕育期，减慢长大速度。 影响顺序为 Mn、Cr、Ni、Si、W、Mo、V

4.合金元素对马氏体转变的影响 就合金元素对Ms点的影响而言，除钴、铝提高Ms点以 外，所有常用合金元素，只要溶于奥氏体，都降低Ms 点。其中碳的作用最强烈，锰、铬、镍的作用次之， 钼、钨、硅的作用再次之。 合金元素对Ms点的影响主要决定于它们对奥氏体Ms 马氏体两相平衡温度T的影响和对奥氏体的固溶强化作 用。 碳既剧裂降低T温度又显著增高奥氏体的屈服强度， 故剧烈降低Ms点； 绝大多数合金元素都降低Ms点，按作用递减顺序为： C、Mn、Ni、Cr、Mo、W、Si。 Co、Al升高Ms点。

三、合金钢的回火转变 合金元素对马氏体分解期的影响 Ni、Mn的影响小。 碳化物形成元素阻止马氏体分解，程度与他 们和C的亲和力有关。 Si在低于300℃时强烈延缓马氏体的分解。

第5节 合金元素对钢的强韧化的影响

一、钢的强化机理 固溶强化、位错强化、细晶强化、第二相强化 钢强化的本质机理：各种途径增大了位错滑移的阻力，提高
了钢的塑性变形抗力和钢的强度。

固溶强化：由于溶质原子进入溶剂晶格的间隙或结点，使晶

格发生畸变，增加位错运动的阻力，使固溶体硬度和强度升 高，这种现象叫固溶强化现象

位错强化：过冷变形等方式提高位错密度，利用位错间的交

互作用使位错运动受阻，来使强度提高。 只要能阻碍位错滑移，就能提高金属材料的强度，同时降低 了金属的塑性。

细晶强化：塑性变形时粗大晶粒的晶界处塞积的位错数

目多，形成较大的应力场能够使相邻晶粒内的位错源启动， 目多，形成较大的应力场能够使相邻晶粒内的位错源启动， 使变形继续；相反，细小晶粒的晶界处塞积的位错数目少， 塞积的位错数目少 使变形继续；相反，细小晶粒的晶界处塞积的位错数目少， 要使变形继续，须施加更大的外部作用力， 要使变形继续，须施加更大的外部作用力，从而体现了细 晶对材料强化的作用。 晶对材料强化的作用。

Hall-Petch公式：σs= σ + Ky d-1/2 公式： 公式 其中，溶质原子的钉扎作用越强， 越大 越大. 其中，溶质原子的钉扎作用越强，Ky越大 国际、 国际、国内超细晶粒钢计划 第二相强化：位错与第二相（沉淀析出相）的交互作 位错与第二相（ 位错与第二相 沉淀析出相） 弥散分布的第二相可以有效地阻碍位错运动。 用，弥散分布的第二相可以有效地阻碍位错运动。

强化作用的叠加模型： 强化作用的叠加模型： 叠加模型 Hall-Petch公式：σs= σ + Ky d-1/2 公式： 公式 ?σ固溶 ?σ第二相 ?σ位错 固溶+ 第二相+ σs= σ1 + ?σ固溶 ?σ第二相 ?σ位错 + Ky d-1/2 与材料、 σ1与材料、温度和形变速率有关。 与材料 温度和形变速率有关。

第5节 合金元素对钢的强韧化的影响

二、合金钢强化的有效性
合金钢淬火回火时，两个相反的因素影响强度：马氏体分解 产生弱化，特殊碳化物质点弥散析出强化。 为了保证钢回火时强化大于弱化，各种元素浓度有一个最小 值。取决于碳含量和形成碳化物的类型。 如含0.1%~0.15%C钢中， V的最小浓度为0.1%~0.2% 而含0.4的C钢中， V的最小浓度为0.35%

三、合金元素对钢韧性的影响

导致强化的组织因素：细晶强化降低韧脆转变 温度，间隙固溶提高韧脆转变温度，弥散强化 降低塑性和韧度较小，有效而实用 置换固溶元素：Ni提高韧性，含Mn少时也提高 韧性，其他合金元素降低韧性 晶粒度：细化晶粒提高强度和韧性。 碳化物和其他脆性相：降低韧性。要小、均匀、 圆和适量。 杂质：降低韧性。 合金化的途径？？

第6节 合金元素对钢工艺性的影响

一、热处理工艺性 1淬透性 （1）概念：在规定条件下，决定钢材淬硬深度 和硬度分布的特性，也是钢在淬火时能获得马 氏体的能力。 注意：1.淬透性是钢固有的一个属性。

第6节 合金元素对钢工艺性的 影响

2.工厂提供的淬透性资料通常是端淬曲线， 也称淬透性曲线。 3.由于钢的化学成分有一定的范围，所以淬 3. 透曲线也有波动范围，称为淬透带。 常用钢的淬透性见表1.7和1.8。 （2）淬透深度：一般从淬硬表面测量到规定值 处的垂直距离。

（3）影响淬透性的因素： 钢材的化学成分、淬火加热温度、冷却 介质的特性、冷却的方式方法、零件的形状尺 寸以及加热方式等。 1)钢材的化学成分 凡是在钢中引起“C”曲线右移或左移的 合金元素，都对淬适性有着极大的影响。使 “C”曲线右移的元素将提高钢的淬透性；使 “C”曲线左移的元素将降低钢的淬透性。（Co）

2) 冷却介质的冷却特性和冷却速度 冷却速度快的，淬透性就提高，冷却速度慢的， 淬透性就降低。 3）零件的形状尺寸、加热温度、冷却方式 形状尺寸小、加热温度高，连续冷却等都能 在一定程度上提高淬透性。 而形状尺寸大、加热温度低、等温冷却等能 使淬透性下降。 4）加热的方式也会影响淬透性. 加热方式不同，产生的加热效果也不同。例 如用箱式电炉就比盐浴炉产生的氧化、脱碳现象 严重，就会降低淬透性。

（4）淬透性分类 马氏体淬透性 提高马氏体淬透性的作用从大到小： B、Mn、Mo、Cr、Si、Ni 贝氏体淬透性 对合金元素要求：使珠光体转变右移， 对贝氏体转变影响不大。 加入合金元素：0.5Mo+微量B 无铁素体淬透性

（5）对合金元素的作用要求 A.前提是合金元素溶于奥氏体 B.对淬透性要求不高的合金结构钢，采用单一合 金化，要求较高的要采用多种合金化。 C.多种合金化对淬透性的影响不是简单的加和关 系，而是相互补充，相互加强。 D.最有效的合金化是将强弱不同的碳化物形成元 素和非碳化物形成元素有效组合起来。 E.只有淬火成马氏体，碳钢和合金钢具有相近的 综合力学性能，合金化主要是提高淬透性。

（1）概念 理想淬火条件下，以超过临界冷却速度所形 成的马氏体组织能够达到的最高硬度。 （2）影响因素主要是含碳量，合金元素影响较小。 含碳量越高，淬火达到的硬度越高。 0.6%时达到最高，继续提高含碳量，由于残余奥 氏体量增大，碳钢硬度增大不大，合金钢硬度下 降。 （3）淬火硬度与含碳量之间的关系 公式：HRC=30+50(C%)
（1）淬火应力与变形开裂的关系 淬火应力大于工件的屈服应力产生变形，淬 火应力大于抗拉强度工件发生开裂。 （2）零件设计、选材和热处理时应注意的问题 A.不同成分的钢，淬火变形倾向有很大不同。 B.零件的冷热加工有残余应力，淬火处理前应消 除。设计零件注意结构。 C.当钢的心部未淬透时，变形趋于长度缩短，内 外径尺寸缩小。全部淬透时，内外径尺寸胀大。
D.完全淬透工件表面易产生裂纹。随含碳量增大， 裂纹倾向增大。 E.工件表面有氧化脱碳层时，易在表面产生淬火 龟裂。 F.采用分级淬火、等温淬火或双液淬火可降低应 力，减小变形开裂倾向。 G.加热温度和加热速度对零件变形有影响。 H.淬火后应注意及时回火。

4.过热敏感性和氧化脱碳倾向

（1）过热敏感性：钢在加热时，奥氏体晶粒急 剧长大的敏感性。 不同钢具有不同的过热敏感性。 锰钢最敏感。 （2）脱碳：在各种加热或保温过程中，由于周 围氧化气氛的作用，使钢材表面的碳全部或部 分丧失掉的现象。 脱碳降低钢的硬度、耐磨性和疲劳强度。 含硅钢氧化脱碳倾向最大。
合金钢的回火稳定性大，所以要求回火温度高， 回火时间长。

6.回火脆性和白点 6.

避免在形成低温、高温回火脆性温度内回火 白点敏感性：锻、轧钢件内产生内裂纹的敏感程度。 解决办法： 降低氢含量（氢含量高必要条件），去 氢退火（内应力充分条件）。
（1）冷成型性 固溶体中的合金元素，提高钢的冷加工硬化 程度，使钢塑性变形后变硬变脆，这对钢的冷 加工是很不利的。 对于那些需要经受大量塑性变形加工的钢材， 在冶炼时应限制其中各种残存合金元素的量， 特别要严格控制硫、磷等。 碳、硅、磷、硫、镍、铬、钒、铜等元索还 会使钢材的冷态压延性能恶化。
合金元素溶入固溶体中，或在钢中形成碳化 物，都能使钢的热变形抗力提高和塑性明显降 低，容易发生锻裂现象。 钒+铌，钛等的碳化物在钢中呈弥散状分 布时，对钢的塑性影响不大。 另外，合金元素一般都降低钢的导热性和 提高钢的淬透性，为了防止开裂，合金钢锻造 时的加热和冷却都必须缓慢。
金属的切削性能是指金属被切削的难易程度和加工表面的 质量。 为了提高钢的切削性能，可在钢中加入一些能改善切削性 能的合金元素，最常用的元素是硫，其次是铅和磷。 由于硫在钢中与锰形成球状或点状硫化锰夹杂，破坏了金 属基体的连续性，使切削抗力降低，切屑易于碎断，在易 切削钢中硫的质量分数可达0.08％～0.30％。 铅在钢中完全不溶，以2～3pm的极细质点均匀分布于钢 中，使切屑易断，同时起润滑作用，改善了钢的切削性能， 在易切削钢中铅的质量分数控制在0.10％～0.30％。 少量的磷溶入铁素体中，可提高其硬度和脆性，有利于获 得良好的加工表面质量。

（4）合金元素对焊接性能的影响

钢的焊接性能，主要取决于它的淬透性、回火性和碳的质量分数。 合金元素对钢材焊接性能的影响，可用焊接碳当量来估算。 我国目前所广泛应用的普通低合金钢，其焊接碳当量可按下述经验公式计算。 Cd=C+1/6Mn+1/5Cr+1/15Ni+1/4Mo+1/5V+1/24Si+1/2P+1/13Cu 近年来，对厚度为15、50mm的200个钢种(从碳钢到强度等级为1000MPa级 的高强度合金钢)，以低氢焊条进行常温下的Y型坡口拘束焊接裂纹试验。在 试验基础上，提出了一个用以估计钢材出现焊接裂纹可能性的指标，称为钢 材焊接裂纹敏感性指数，其计算公式为 Pc=C+1/30Si+1/20Mn+1/20Cu+1/60Ni+1/20Cr+1/15Mo+1/10V+5B+1/600t+1/60H % 与碳当量公式相比增加了板厚和含氢量。

（5） 合金元素对铸造性能的影响

钢的铸造性能主要由铸造时金属的流动性、收 缩特点、偏析倾向等来综合评定。 它们与钢的固相线和液相线温度的高低及结晶 温度区间的大小有关。固、液相线的温度愈 低和结晶温度区间愈窄，铸造性能愈好。 合金元素的作用主要取决于其对状态图的影响． 另外，一些元素如铬、钼、钒、钛、铝等，在钢中 形成高熔点碳化物或氧化物质点，增大了钢液的 粘度，降低其流动性，使铸造性能恶化。

第7节 微量元素在钢中的作用

一、微量元素的作用 1.常见的微量元素：O、N、S、P、Se、As、Zr、Re 2.根据作用分 常用微量元素：B、N、V、Ti、Zr、Nb、Re 改善切削性能的微量元素：S、Se、Bi、Pb、Ca 净化、变质、控制夹杂物形态的元素：Ti、Zr、Re、Ca 有害元素：P、S、As、Sn、Pb

第7节 微量元素在钢中的作用

（3）微量元素的有益作用 A.净化作用 B、Re脱氧、去氮、降氢，减少夹杂，改善夹杂类型 与分布 B.变质作用 C.改变夹杂物性质和形态 （4）有害作用

第8节 钢的分类及牌号

1．合金结构钢 2．合金工具钢 3．特殊性能钢
用数字+化学元素+数字的方法表示 前面的数字表示钢的平均含碳量的万分数，合金元素用 汉字或化学符号表示，其后面的数字表示合金元素含量， 一般以平均含量的百分数表示，当合金元素含量小于 1.5%时，牌号中只标明元素而不标明含量，如果平均含 量等于或大于1.5%、2.5%、3.5%……时，相应地以2、 3、4等表示，如含0.37～0.44%C，0.8～1.10%Cr的钢 40Cr，含0.57～0.65%C，1.5～2.0%Si，0.6～0.9%Mn 的钢用60Si2Mn表示，对于滚珠轴承钢，在钢号前注明 “滚”或“G”，后面的数字则表示铬含量的千分数，如 GCr15的平均含Cr量1.5%（含C%为1%左右）含S、P量 较低（S＜0.02%,P＜0.03% ）的高级优质钢，则在钢号 加“高”或“A”。 易切削钢，在钢号前加“易”或“Y”如Y12（Mn、Si、C、
与合金结构钢大致相同，只是含碳量的表示方法不同。 含碳量：平均含量≥1.0%时不标出；＜1.0%时的千分 之几表示。高速钢例外，其平均含碳量＜1.0%时也不 标出。 合金元素表示方法与结构钢相同。 如：（1）CrMn表示平均含量≥1.0%，Cr、Mn平均含 量均＜1.5%合金工具钢。 （2）9SiCr表示平均含量≥0.9%，Si 、Cr平均含 量均＜1.5%合金工具钢。

§2合金结构钢、合金工具钢、 特殊性能钢

1.合金结构钢 2.合金工具钢 3.特殊性能钢
① ② ③ ④ ⑤ ⑥ 普通低合金结构钢（普低钢） 调质钢 渗碳钢 氮化用钢 弹簧钢 滚动轴承钢

① 普通低合金结构钢（普低钢）

在普通低合金结构钢中常加入：Mn、Si、Cr、 Mo、V、Cu、P等，Mn、Si、Cr、Nb、V提高 强度，Cu、P提高耐蚀性。 通常是在热轧或正火状态下使用、使用状态的 组织是大量的铁素体+少量珠光体。 典型牌号：16Mn、 16MnR 、 15MnTi 、 15MnV 应用：建筑结构、锅炉、容器、车辆、船舶压 力容器。 特点：含C量低，焊接性能好。

用于船舶、桥梁、车辆等大 型钢结构。 。

万吨远洋轮 南京长江大桥

高，用于中等压力的容器。

为B，强度高，用于石化中温 高压容器。

淬火+高温回火→回火索氏体，具有好的综合 机械性能前提是淬火时得到马氏体，淬透性是 关键，合金元素的主要作用就是提高淬透性。 Mn、Cr、Ni、B、 Si用来提高淬透性，Mo、W 可抑制第二类回火脆性，Ti、V细化晶粒。 典型牌号：40Cr 、40CrMn 应用：轴类、连杆、齿轮 特点：中碳、调质后具有好的强度与塑性的配 合，局部表面淬火+低温回火后具高硬度和耐 磨性。
钢含合金元素总量＜ 钢含合金元素总量＜3 %， ， 40Cr、40MnB等。 。 等
钢含合金元素总量在4 左右 左右。 钢含合金元素总量在 %左右。 38 CrSi、35 CrMo 等，常用于 制造较小的齿轮、 制造较小的齿轮、 螺栓等零件。 轴、螺栓等零件。
钢含合金元素总量在4 ～ 钢含合金元素总量在 %～ 10 %。 。 38 Cr Mo Al A、40 Cr Mn Mo、25 Cr2 Ni4 W 、 、 A等，制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高 等 制造大截面重载荷零件， 淬透性的零件等 。
表面渗碳后淬火低温回火 Cr、Ni、Mo、W、Mn、Si和B提高淬透性，保 证心部淬火后为低碳马氏体，不含或含少量的 铁素体（心部硬度高时，表层剥落）Ti细化晶 粒（在高温时阻止奥氏体晶粒长大） 渗碳后可直接淬火，Cr还可使碳化物呈球状， 避免表层开裂。 典型牌号：20Cr 20CrMnTi 20Cr2Ni4 应用：齿轮 特点：含C量在0.2%左右
低淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量＜ 钢含合金元素总量＜3 % 15Cr、20Cr、20Mn2。用 、 、 。 于受力小的耐磨件， 于受力小的耐磨件，如柴 油机的活塞销、凸轮轴等。 油机的活塞销、凸轮轴等。 中淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在4 %左 钢含合金元素总量在 左 右。20 CrMn、20CrMnTi、 、 、 20Mn2TiB。用于中等载荷 。 的耐磨件，如变速箱齿轮。 的耐磨件，如变速箱齿轮。
高淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在 4 %～ 6 %。18Cr2NiWA、 ～ 。 、 20Cr2Ni4A等。用于大载荷 等 的耐磨件，如柴油机曲轴。 的耐磨件，如柴油机曲轴。

20 CrMnTi 钢制造齿轮的 热处理工艺曲线

调质后表面氮化，心部有好的综合机械 性能，表面硬，耐磨。 典型牌号：38CrMoAlA 应用：齿轮（齿轮的表面硬度及耐磨性 高于渗碳）挤出机螺杆 使用状态下的组织：心部，回火索氏全 ； 表面：氮化物。
要求有高的弹性极限及屈服极限，含C量在 0.6%左右，淬火+中温回火后得屈氏体有高的 屈服极限。Mn、Si、Cr、V提高钢的淬透性和 回火稳定性，Si还可强化铁素体，提高钢的弹 性极限与疲劳极限，但Si能增加表面脱碳和石 墨化倾向，常用Cr、V代替。 典型牌号：60SiZMn、65Mn、60SiZCr 应用：各类弹簧 特点：含C量在0.6%左右

高硬度、高耐磨、高碳的铬轴承钢，含C量在 0.9~1.11%含0.5~1.65%Cr提高钢的淬透性， 形成合金渗碳体，比Fe3C稳定能阻碍奥氏体晶 粒长大，淬火后得细针状马氏体，增加钢的韧 性，淬火后保留一部分合金渗碳体，有利于提 高钢的接触疲劳强度及耐磨性。Cr还能提高回 火稳定性，但含Cr量过高（＞1.65%）时，会 增加淬火钢中残余奥氏体量等，不利。 淬火+低温回火→回火马氏体 典型牌号：GCr15 含C量1%左右 Cr量为 1.5% 返回 应用：滚动轴承

球化退火+ 淬火+ 球化退火 淬火 低温回火

极细回火马氏体+细粒状碳化物+ 极细回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体

铬轴承钢制造轴承的工艺路线

锻造 球化退火 机加工