第六章 合金钢
合金钢
?§ 1 概述及合金钢的分类、牌号
?§ 2 合金结构钢、工具钢、特殊性能钢
§ 1 概述及合金钢的分类、牌号
? 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
一、合金钢的概念及为什么
发展合金钢
? 合金钢的概念
? 发展合金钢的原因
合金钢的概念
? 所谓的合金钢，就是为了改善钢的性能，特
意地加入一些合金元素的钢。
? 常用的合金元素,Cr,Mn,Ni,Co,Cu、
Si,Al,B,W,M。 V,Ti,Nb,Zn及稀
土 Re。
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发展合金钢的原因
? 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。
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二,合金元素在钢中的作用
? 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
（ 1）形成固溶体
? 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
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（ 2）形成碳化物
?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
A 合金渗碳体
? 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。
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B 特殊碳化物
? 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。
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（ 3）游离状态
? 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 。
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2）合金元素 对钢的性能的影响
? A 产生固溶强化
? B 使渗碳体的硬度和稳定性提高
? C 形成特殊碳化物对钢性能的影响
? D 游离态存在对钢性能的影响
A 产生固溶强化
? 合金元素溶入铁素体后,凡合金元素的原子
半径与铁的原子半径相差越大,晶格类型越
不相同,必然引起铁素体晶格畸变,产生固溶
强化,使铁素体的强度、硬度提高,但塑性、
韧性都有下降趋势。
合金元素对缓慢冷却后铁素体硬度的影响图
下页
合金元素对铁素体冲击韧性的影响图
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B 使渗碳体的硬度和稳定性提高
? 合金元素溶于渗碳体内增加了铁与碳的亲合
力，从而提高了其稳定性，且这种稳定性较
高的合金渗碳体较难溶于奥氏体，较难聚集
长大，可提高钢的强度、硬度、耐磨性。
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C 特殊碳化物对钢性能的影响
? 形成特殊碳化物：（ VC,TiC,WC、
MoC…… ）因其稳定性很高，具有高熔点和
高硬度，更难溶于奥氏体，难以聚集长大。
随特殊碳化物数量增多，钢的硬度增大，耐
磨性增加，但塑性、韧性下降，特别是当这
类碳化物大小不一，分布不均匀时，钢的脆
性显著增加。
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D 游离态存在对钢性能的影响
? 游离态存在：显著降低钢的强度、塑性和韧
性，但可提高切削加工性。
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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
(1)扩大 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
? 1Cr18Ni9（奥氏体不锈钢）和 ZGMn13（高锰钢）
? 部分扩大 γ 相区的元素 C,N,Cu
下页
扩大 γ 相区示意图
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(2)缩小 γ 相区
? 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 )。
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缩小 γ 相区示意图
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(2)使 S,E点左移
? 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
(3)对 A１点的影响
? 扩大 γ 相区元素，使 A1下降
? 缩小 γ 相区元素，使 A1上升
? 临界温度的位置是制订热处理工艺和其它热加工
工艺的重要依据。由于合金元素的加入，改变了
临界温度的位置，因而合金钢的热处理及其它热
加工工艺参数都与碳钢明显不同。
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合金元素对 A1线 的影响
3.合金元素对钢的热处理的影响
? （ 1） 对钢加热时奥氏体形成的影响
? （ 2） 对过冷奥氏体的转变的影响
? （ 3） 对淬火钢回火的影响
（ 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，保温时间应
比碳钢长。
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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,Cu,Si,Ni…… 阻止
晶粒长大； P,Cu促进晶粒长大。
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（ 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。
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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。
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合金元素对 C曲线的影响图
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。
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（ 3） 对淬火钢回火的影响
? (1)提高回火稳定性
? (2)产生二次硬化 现象
? (3)增大回火脆性
(1)提高回火稳定性
? 合金元素固溶于马氏体中，减慢了碳的扩散，
从而减慢了马氏体及残余奥氏体的分解过程和阻碍
碳化物析出，聚集长大，因而在回火过程中合金钢
的软化速度比碳钢慢，即合金钢具有较高的回火抗
力，在较高的回火温度下仍保持较高的硬度，即在
回火温度相同时，合金钢的硬度及强度比相同含碳
量的碳钢高，而回火至相同硬度时，合金钢的回火
温度高，内应力的消除比较彻底，因此，其塑性和
韧性比碳钢好。
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(2)产生二次硬化 现象
? 若钢中 Cr,W,Mo,V等元素超过一定量时，
除了提高回火拉力外，在 400℃ 以上还会形成弥散
分布的特殊碳化物，使硬度重新升高，直到 500～
600℃ 硬度达最高值，出现所谓的二次硬化现象。
600℃ 以后硬度下降是由于这些弥散分布的碳化物
聚集长大的结果。
二次硬化现象对高合金工具钢 十分重要，通过
500～ 600℃ 回 火可使其硬度比淬火态硬度高
HRC5以上。
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Mo对钢 (0.35%C)淬火回火后硬度的影响
(3)增大回火脆性
? 第一类回火脆性
? 第二类回火脆性
? 第二类回火脆性的消除方法
第一类回火脆性
? 第一类回火脆性：结构钢回火时在 250-400℃ 出现
的冲击韧性下降的现象。这类回火脆性无论是在碳
钢还是合金钢中均会出现，它与钢的成分和冷却速
度无关，即使加入合金元素及回火后快冷或重新加
热到比温度范围内回火，都无法避免，故又称, 不
可逆回火脆性, 。但合金元素可使第一类回火脆性
的温度范围移向较高的温度。一般认为这类回火脆
性的产生与马氏体，残余奥氏体的分解及 Fe3C析出
有关，防止方法就是避开这一温度范围回火。
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第二类回火脆性
? 第二类回火脆性,500-650℃ 回火后缓慢冷却出现
的冲击韧性下降现象。这类回火脆性如果在回火时
快冷就不会出现，另外，如果脆性已经发生，只要
再加热到原来的回火温度重新回火并快冷，则可完
全消除，因这类回火脆性又称为, 可逆回火脆性, 。
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Cr-Ni 钢的回火脆性示意图
第二类回火脆性的消除方法
? 并非所有的钢都有第二类回火脆性，它只在含 Cr、
Mn或 Cr-Ni,Cr-Si的合金钢中出现，发生了这类回
火脆性的钢不仅室温下的冲击韧性低且韧脆转化温
度高，因此必须设法防止或避免。产生原因是 P、
Mn,S,Si等元素在晶界偏聚。
? 消除方法：（ 1）自回火温度快冷消除 P,MnS,Si
元素的偏聚。
? （ 2）在钢中加入 0.2-0.3%Mo或 0.4-0.8%W
来减缓偏聚过程发生，从而消除或减轻回火脆性。
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4.合金元素使合金钢具有某些特殊性能
加入元素 Cr,Si,Al等在高温下在钢
的表面形成致密的高熔点的氧化膜，可防止
钢件中继续氧化；加入 W,Mo,V等元素可
提高钢的高温强度，使钢具有耐热性。
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三、合金钢的分类及牌号
? 1．合金结构钢
? 2．合金工具钢
? 3．特殊性能钢
合金结构 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
化学符合表示，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,P）
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合金工具钢
? 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。
? （ 3） W18Cr4V含碳量为 0.70～ 0.80%,W,Cr,V分
别为 18%,4%＜ 1.5%的高速钢。
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特殊性能钢
? 其含碳量的表示方法与合金工具钢相同，即
≥1.0%时不标出，＜ 1.0%时以千分之几表示，而
合金元素用百分数表示。
? 如 9Cr18 平均含碳 0.9% Cr 18%
? Mn13 含碳量＞ 1.0% Mn 13%
? 但如果含碳量 ≤0.03%及 ≤0.08%时，在钢号前
分别定拟, 00”及, 0”表示，如,00Cr18Ni10,
含 ≤0.03% 18%Cr 10%Ni 0 Cr18,
含 ≤0.08% 18%Cr
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§ 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.合金结构钢
? ① 普通低合金结构钢（普低钢）
? ② 调质钢
? ③ 渗碳钢
? ④ 氮化用钢
? ⑤ 弹簧钢
? ⑥ 滚动轴承钢
① 普通低合金结构钢（普低钢）
① 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。
② 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。
③ 典型牌号,16Mn,16MnR, 15MnTi,
15MnV
④ 应用：建筑结构、锅炉、容器、车辆、船舶压力容
器。
⑤ 特点：含 C量低，焊接性能好。
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普通低合金结构钢 牌号
Q 345 C
质量等级
345 MPa
屈服强度
典型普低钢应用
? Q460钢含 Mo,B，正火组织
为 B,强度高,用于石化中温
高压容器。
压力容器
南京长江大桥
? Q345钢 (16Mn)综合性能好,
用于船舶、桥梁、车辆等大
型钢结构 。
? Q390钢含 V,Ti,Nb,强度
高,用于中等压力的容器。
万吨远洋轮
② 调质钢
? 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。
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典型合金调质钢分类
? 低淬透性调质钢
钢含合金元素总量＜ 3 %,
40Cr,40MnB等。 。
? 中淬透性调质钢
钢含合金元素总量在 4 %左右。
38 CrSi,35 CrMo 等,常用于
制造较小的齿轮,
轴、螺栓等零件。
圆
锥
齿
轮
柴油机凸轮轴
典型合金调质钢分类
? 高淬透性调质钢
钢含合金元素总量在 4 %～ 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
淬透性的零件等 。
③ 渗碳钢
? 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
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合金渗碳钢的牌号
20 Mn2 Ti A
等级,高级优质
含钛量 WTi≤1.5 %
含锰量 WMn ?2 %
含碳量 WC ?20 %00
典型合金渗碳钢应用
? 低淬透性合金渗碳钢
钢含合金元素总量＜ 3 %
15Cr,20Cr,20Mn2。 用
于受力小的耐磨件，如柴
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
右。 20 CrMn,20CrMnTi,
20Mn2TiB。用于中等载荷
的耐磨件，如变速箱齿轮。
柴油机凸轮轴
活塞销 ( 20Cr )
典型合金渗碳钢应用
?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
的耐磨件，如柴油机曲轴。
柴油机曲轴
20 CrMnTi 钢制造齿轮的
热处理工艺曲线
④ 氮化用钢
? 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。
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⑤ 弹簧钢
? 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
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汽车板簧
大型热卷弹簧
热卷大弹簧
弹簧丝
⑥ 滚动轴承钢
⑥ 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。
⑦ 淬火 +低温回火 → 回火马氏体
⑧ 典型牌号,GCr15 含 C量 1%左右 Cr量为 1.5%
⑨ 应用：滚动轴承
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滚动轴承钢的牌号
G Cr9 Si Mn
含 Mn量 WMn≤1.5 %
含 Si量 WSi≤1.5 %
含 Cr量 WCr ≈ 0.9 %
滚动轴承钢
滚动轴承钢热处理
球化退火 + 淬火 + 低温回火
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
淬火 + 冷处理 ( – 60 ～ – 80℃ ;1h )
低温回火 磨削加工 稳定
化处理 ( 120 ～ 130℃ ； 5 ～ 10h )
滚动轴承钢应用
滚珠轴承 滚针轴承 滚柱轴承
2.合金工具钢
? （ 1）刃具钢
? a、低合金刃具钢
? b、高速钢
? （ 2）模具钢
? a、冷作模具
? b、热作模具
? （ 3）量具钢,
量 具
刃
具
模 具
（ 1）刃具钢
?a、低合金刃具钢
?b、高速钢
a、低合金刃具钢
? Cr,Mn,Si,W,V主要作用是增加淬透性（ Cr、
Mn,Si等）细化晶粒（ W,V等）提高回火抗力及
耐磨性（ Cr,W,V,Si）低合金刃具钢的红硬性、
耐磨性等比碳素刃具钢高。
? 典型牌号,9CrSi（ 9SiCr）,CrWMn
? 应用：拉刀、长丝锥、长铰刀（切削速度不高）
? 切削速度高时，刀具的工作温度可达 500~600℃,
低合金刃具钢不能满足其性能要求 → 高速钢
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合金刃具钢牌号
合金元素及含量
千分之几的含碳量
9 Si Cr
W18 Cr4 V
9 SiCr 钢板牙热处理工艺曲线
板牙
b.高速钢（ 锋钢、风钢, 18-4-1钢）
(1) 性能要求, 高硬度、高耐磨性、高的红
硬性 (600℃ 时,HRC63以上 ),
有一定的强度和韧性。
车刀 铣刀 钻头
(2) 化学成分特点,
?高碳 0.7～ 1.5%,
?钨 18%,
?钼 5%,
?铬 4%,
?钒 1.5%,
保证高硬度
退火状态下形成 M6C碳化物,
在 560℃ 左右回火时,弥散析
出 W2C,造成二次硬化,提高
钢的红硬性 。
1%Mo的作用等同于 2%W。
形成 Cr23C6碳化物 ;提高钢的
淬透性 。
形成 VC,硬度极高,提高钢的
硬度和耐磨性,产生二次硬化。
(3) W18Cr4V钢的生产工艺及
热处理特点
铸造 锻造 球化退火 机加工
淬火 +三次 570℃ 回火 磨削加工
? 铸造,高速钢属于 莱氏体钢,铸态组织
中含有 大量呈鱼骨状分布的粗
大共晶碳化物 M6C,钢的韧性大
幅下降。
W18Cr4V钢的铸态组织图
W18Cr4V铸造组织 130 ?
W18Cr4V钢的铸态组织图
W18Cr4V铸态组织 420 ?
?锻造,鱼骨状碳化物不能用热处理来消除,只能依
靠反复多次锻打来击碎。
W18Cr4V锻造组织 210 ?
?球化退火,消除应力,调整组织,便于机加工,
为淬火作好组织准备。
球化退火后的组织, S + 粒状 Cm
W18Cr4V球化退火组织 420 ?
W18Cr4V钢的热处理过程示意图
W18Cr4V钢淬火组织
W18Cr4V淬火组织 300 ?
?三次 570℃ 回火
在 570℃ 回火时,产生 二次硬化。
?三次 570℃ 回火
*淬火后 A残 约 20～ 25 %。
*第一次回火后 A残 约剩 15～ 18 %。
*第二次回火后 A残 约剩 3～ 5 %。
*第三次回火后 A残 约剩 1～ 2 %。
回火后的组织,
M回 + Cm + A残 ( 1～ 2 % )
组织硬度为 HRC65以上。
W18Cr4V淬火 + 一次回火组织
W18Cr4V淬火 +一次回火组织 105 ?
W18Cr4V淬火 + 三次回火组织
W18Cr4V淬火 + 三次回火组织 420 ?
（ 2） 合金模具钢
?热作模具钢,工作温度为 600℃ 以上。
?冷作模 具 钢,工作温度为 200～ 300℃ 。
热作模 具 钢
1.性能要求,
高的热硬性、高温耐磨性 ;
高的抗氧化能力 ;
高的热强性和足够高的韧性 ;
高的热疲劳抗力 ( 防止龟裂 );
高的淬透性和导热性 ;
曲轴模具
热作模 具 钢
2.化学成分特点,
中碳 0.3～ 0.6 %;合金元素,Cr,Ni,Mn,
Si,Mo,W,V。 提高淬透性，回火稳定性,W
造成二次硬化,V细化晶粒提高耐磨性。
３,典型牌号,
3Cr2W8,5CrNiMo （基本上为中碳 0.3-
0.5%左右）
5.热处理工艺举例
? 热锻模钢, 5 CrMnMo
? 热处理工艺, 淬火 + 550℃ 回火
? 热处理后的组织, S回或 T回
? 热压模钢, 3 Cr2W8V
? 热处理工艺, 淬火 + 600℃ 三次回火
? 热处理后的组织, M回 + Cm粒状
汽车四缸压铸模
热作模具钢应用
锤锻模、机锻模（水压机、磨擦压力机等）
压铸模及热冲裁模等。工作温度 500~600℃ 机锻
模在 700℃ 左右。通常是在淬火和高温回火状态下
使用，要求具有良好的综合机械性能。
(二 ) 冷作模钢
1.性能要求,
高的硬度,HRC62;高的耐磨性 ;
足够高的韧性与疲劳抗力 ;
热处理变形小 ;
2.化学成分特点,
高碳 1～ 2 %;
合金元素,Cr,Mo,W,V。
汽车冲压模具
(二 ) 冷作模钢
３,典型牌号
? 可用低合金刃具钢 9Mn2,CrWMn,Cr12型
钢广泛用于制造各类冷作模具。
? Cr12MoV 可作为冷镦模、冷冲模。
返回
*一次硬化法,
淬火 + 低温回火
( 950～ 1000℃ ) ( 150～ 180℃ )
*二次硬化法,
淬火 + 三次回火
( 1100～ 1000℃ ) ( 510～ 520℃ )
热处理后的组织, M回 + Cm + A残
４,热处理特点
（ 3）量具钢
1.性能要求,高的硬度,HRC62;高的耐磨性 ;
高的尺寸稳定性 ;足够高的心部韧性 ;热处理
变形小 ; 尺寸稳定 ;良好的耐蚀性 ;
卡 尺 量 规 千分尺
3.热处理特点,
4.热处理后的组织, M回 + Cm
淬火 冷处理 ( - 70～ - 80℃ )
低温回火 时效处理 ( 120～ 130℃,
几十小时 )
5.牌号, CrWMn,4Cr13,GCr15,
9SiCr,T12A,60等。
2.化学成分特点, 高 碳 0.9～ 1.5 %;
合金元素,Cr,Mn,W。
3.特殊性能钢
? (1)不锈钢
? (2)耐热钢
? (3)耐磨钢
一,不锈钢
1.定义, 在腐蚀介质中具有很高的抗腐
蚀能力的钢。
2.概念,*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。
*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。
3.金属腐蚀的机理
金属腐蚀的种类,
1)化学腐蚀, 金属与介质 ( 干燥气体和
非电解质溶液 ) 发生化学
反应而产生的腐蚀。
例如,高温氧化、脱碳等。
2)电化学腐蚀,金属与介质 ( 电解质溶
液,即酸、碱、盐溶液 )
发生电化学反应而产生
的腐蚀。
电化学腐蚀过程示意图
珠光体电化学腐蚀示意图
4.金属的防腐措施,
1)覆盖层保护, 涂漆、电镀、发蓝、磷
化等工艺。
2)形成氧化层, 加入合金元素 Cr,Al,
Si 等,形成 Cr2O3,SiO2,
Al2O3等氧化膜。
3)提高金属的电极电位, 加入合金元素
Cr,Ni,Si等,提高金属
基体的电极电位。
4)使钢在室温下呈单相组织,
?加入合金元素 Mn,Ni,Co等能扩大
γ区,可在室温获得奥氏体钢。
?加入合金元素 Cr,Mo,W,V,Ti,
Si 等能扩大 α区,可在室温获得铁素体
钢。
5)减少与消除钢中的各种不均匀现象,
偏析、应力、组织等。
6)牺牲阳极保护阴极, 镶嵌一些比金属
或合金基体电极电位更低的金属块。
5.化学成分特点,
* 低碳,耐蚀性要求愈高,碳含量愈低。
* 合金元素,主加 Cr。
辅加 Ni,Mo,Cu,Ti,
Nb,Mn 等。
常用的不锈钢 分类
? a、马氏体型不锈钢
? b、奥氏体不锈钢
? c、铁素体型不锈钢
a、马氏体型不锈钢
? 0Cr13~4Cr13 9Cr13 淬透性高空冷便得 M而得
名。
? 0Cr13~2Cr13 含 C量低具有良好的综合机械性
能，可进行深冲、卷边、焊接等，制不锈钢结构中
（如汽轮机叶片等）淬火 +高温回火
? 3 Cr13,4Cr13 硬度度、焊接性差，耐蚀工件，
医疗工具，不锈轴承，淬火 +低回。
? 弱腐蚀介质：大气、海水、淡水、水蒸汽。
1Cr13金相组织图
1Cr13供货状态组织 ( 化染 ) 580 ?
b、奥氏体不锈钢
返回
b,奥氏体型不锈钢 ---18 – 8型钢
?化学成分特点, Wc = 0.08 ～ 0.14 %,WCr = 17～
19 %,WNi = 8～ 11 %,Cu,Ti,Mo等。
?加工特点,不能进行热处理强化,只能冷塑性变形
强化。
?0cCr18Ni9 1Cr18Ni9 0Cr18Ni9Ti
1Cr18Ni9Ti
?含 C量在 0.1%以下，通常为单相 A，比马氏体
不锈钢的耐蚀性好，好的冷变形性能，有好的韧
性，焊接性。
?热处理特点,固溶处理 ;稳定化处理 ;
消除应力退火。
?牌号, 0Cr18Ni9,1Cr18Ni9,
0Cr18Ni9Ti,1Cr18Ni9Ti。
?用途, 化工容器、管道等。
大型化工储罐 (304) 管板换热器 ( 304 )
1Cr18Ni9Ti固溶处理组织金相图
1Cr18Ni9Ti固溶处理组织 580 ?
c、铁素体型不锈钢
?化学成分特点, Wc = 0.1 %左右
WCr = 17 %
?热处理特点, 不能进行热处理强化。
?牌号, 1Cr17,1Cr17Ti,1Cr28等。
?用途,化工设备中要求耐蚀性高、塑
性好、强度低的容器、管道等。
铁素体型不锈钢的用途
硝酸生产装置 合成氨生产装置
（ 2）耐热钢
? 耐热不起皮钢 —— 在高温下耐氧化
? 热强钢 —— 要求高的高温强度。
? 典型牌号,12Cr1MoV 15CrMo锅炉钢管。
? 应用：长期受机械作用蒸汽管道、蒸气过滤
器等,500~600℃ 之间； Cr13型 600℃ 以
下 ； 600-700℃ 1Cr8Ni9Ti ； 700℃ 以上 Ni
基或 Co基合金。
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耐 热 钢 的 用 途
发动机叶片 航空发动机
汽轮机叶片 汽车阀门
(3)耐磨钢
? 耐磨钢除了应有良好的韧性外,还应具有良
好的耐磨性
? 代表牌号 Mn13
? 应用于挖掘机、拖拉机、坦克的履带板等
耐 磨 钢 的 用 途
球磨机
挖掘机 颚式破碎机
合金钢
?§ 1 概述及合金钢的分类、牌号
?§ 2 合金结构钢、工具钢、特殊性能钢
§ 1 概述及合金钢的分类、牌号
? 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
一、合金钢的概念及为什么
发展合金钢
? 合金钢的概念
? 发展合金钢的原因
合金钢的概念
? 所谓的合金钢，就是为了改善钢的性能，特
意地加入一些合金元素的钢。
? 常用的合金元素,Cr,Mn,Ni,Co,Cu、
Si,Al,B,W,M。 V,Ti,Nb,Zn及稀
土 Re。
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发展合金钢的原因
? 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。
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二,合金元素在钢中的作用
? 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
（ 1）形成固溶体
? 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
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（ 2）形成碳化物
?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
A 合金渗碳体
? 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。
返回
B 特殊碳化物
? 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。
返回
（ 3）游离状态
? 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 。
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2）合金元素 对钢的性能的影响
? A 产生固溶强化
? B 使渗碳体的硬度和稳定性提高
? C 形成特殊碳化物对钢性能的影响
? D 游离态存在对钢性能的影响
A 产生固溶强化
? 合金元素溶入铁素体后,凡合金元素的原子
半径与铁的原子半径相差越大,晶格类型越
不相同,必然引起铁素体晶格畸变,产生固溶
强化,使铁素体的强度、硬度提高,但塑性、
韧性都有下降趋势。
合金元素对缓慢冷却后铁素体硬度的影响图
下页
合金元素对铁素体冲击韧性的影响图
返回
B 使渗碳体的硬度和稳定性提高
? 合金元素溶于渗碳体内增加了铁与碳的亲合
力，从而提高了其稳定性，且这种稳定性较
高的合金渗碳体较难溶于奥氏体，较难聚集
长大，可提高钢的强度、硬度、耐磨性。
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C 特殊碳化物对钢性能的影响
? 形成特殊碳化物：（ VC,TiC,WC、
MoC…… ）因其稳定性很高，具有高熔点和
高硬度，更难溶于奥氏体，难以聚集长大。
随特殊碳化物数量增多，钢的硬度增大，耐
磨性增加，但塑性、韧性下降，特别是当这
类碳化物大小不一，分布不均匀时，钢的脆
性显著增加。
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D 游离态存在对钢性能的影响
? 游离态存在：显著降低钢的强度、塑性和韧
性，但可提高切削加工性。
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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
(1)扩大 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
? 1Cr18Ni9（奥氏体不锈钢）和 ZGMn13（高锰钢）
? 部分扩大 γ 相区的元素 C,N,Cu
下页
扩大 γ 相区示意图
返回
(2)缩小 γ 相区
? 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 )。
下页
缩小 γ 相区示意图
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(2)使 S,E点左移
? 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
(3)对 A１点的影响
? 扩大 γ 相区元素，使 A1下降
? 缩小 γ 相区元素，使 A1上升
? 临界温度的位置是制订热处理工艺和其它热加工
工艺的重要依据。由于合金元素的加入，改变了
临界温度的位置，因而合金钢的热处理及其它热
加工工艺参数都与碳钢明显不同。
返回
合金元素对 A1线 的影响
3.合金元素对钢的热处理的影响
? （ 1） 对钢加热时奥氏体形成的影响
? （ 2） 对过冷奥氏体的转变的影响
? （ 3） 对淬火钢回火的影响
（ 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，保温时间应
比碳钢长。
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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,Cu,Si,Ni…… 阻止
晶粒长大； P,Cu促进晶粒长大。
返回
（ 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。
下页
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。
下页
合金元素对 C曲线的影响图
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。
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（ 3） 对淬火钢回火的影响
? (1)提高回火稳定性
? (2)产生二次硬化 现象
? (3)增大回火脆性
(1)提高回火稳定性
? 合金元素固溶于马氏体中，减慢了碳的扩散，
从而减慢了马氏体及残余奥氏体的分解过程和阻碍
碳化物析出，聚集长大，因而在回火过程中合金钢
的软化速度比碳钢慢，即合金钢具有较高的回火抗
力，在较高的回火温度下仍保持较高的硬度，即在
回火温度相同时，合金钢的硬度及强度比相同含碳
量的碳钢高，而回火至相同硬度时，合金钢的回火
温度高，内应力的消除比较彻底，因此，其塑性和
韧性比碳钢好。
返回
(2)产生二次硬化 现象
? 若钢中 Cr,W,Mo,V等元素超过一定量时，
除了提高回火拉力外，在 400℃ 以上还会形成弥散
分布的特殊碳化物，使硬度重新升高，直到 500～
600℃ 硬度达最高值，出现所谓的二次硬化现象。
600℃ 以后硬度下降是由于这些弥散分布的碳化物
聚集长大的结果。
二次硬化现象对高合金工具钢 十分重要，通过
500～ 600℃ 回 火可使其硬度比淬火态硬度高
HRC5以上。
返回
Mo对钢 (0.35%C)淬火回火后硬度的影响
(3)增大回火脆性
? 第一类回火脆性
? 第二类回火脆性
? 第二类回火脆性的消除方法
第一类回火脆性
? 第一类回火脆性：结构钢回火时在 250-400℃ 出现
的冲击韧性下降的现象。这类回火脆性无论是在碳
钢还是合金钢中均会出现，它与钢的成分和冷却速
度无关，即使加入合金元素及回火后快冷或重新加
热到比温度范围内回火，都无法避免，故又称, 不
可逆回火脆性, 。但合金元素可使第一类回火脆性
的温度范围移向较高的温度。一般认为这类回火脆
性的产生与马氏体，残余奥氏体的分解及 Fe3C析出
有关，防止方法就是避开这一温度范围回火。
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第二类回火脆性
? 第二类回火脆性,500-650℃ 回火后缓慢冷却出现
的冲击韧性下降现象。这类回火脆性如果在回火时
快冷就不会出现，另外，如果脆性已经发生，只要
再加热到原来的回火温度重新回火并快冷，则可完
全消除，因这类回火脆性又称为, 可逆回火脆性, 。
返回
Cr-Ni 钢的回火脆性示意图
第二类回火脆性的消除方法
? 并非所有的钢都有第二类回火脆性，它只在含 Cr、
Mn或 Cr-Ni,Cr-Si的合金钢中出现，发生了这类回
火脆性的钢不仅室温下的冲击韧性低且韧脆转化温
度高，因此必须设法防止或避免。产生原因是 P、
Mn,S,Si等元素在晶界偏聚。
? 消除方法：（ 1）自回火温度快冷消除 P,MnS,Si
元素的偏聚。
? （ 2）在钢中加入 0.2-0.3%Mo或 0.4-0.8%W
来减缓偏聚过程发生，从而消除或减轻回火脆性。
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4.合金元素使合金钢具有某些特殊性能
加入元素 Cr,Si,Al等在高温下在钢
的表面形成致密的高熔点的氧化膜，可防止
钢件中继续氧化；加入 W,Mo,V等元素可
提高钢的高温强度，使钢具有耐热性。
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三、合金钢的分类及牌号
? 1．合金结构钢
? 2．合金工具钢
? 3．特殊性能钢
合金结构 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
化学符合表示，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,P）
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合金工具钢
? 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。
? （ 3） W18Cr4V含碳量为 0.70～ 0.80%,W,Cr,V分
别为 18%,4%＜ 1.5%的高速钢。
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特殊性能钢
? 其含碳量的表示方法与合金工具钢相同，即
≥1.0%时不标出，＜ 1.0%时以千分之几表示，而
合金元素用百分数表示。
? 如 9Cr18 平均含碳 0.9% Cr 18%
? Mn13 含碳量＞ 1.0% Mn 13%
? 但如果含碳量 ≤0.03%及 ≤0.08%时，在钢号前
分别定拟, 00”及, 0”表示，如,00Cr18Ni10,
含 ≤0.03% 18%Cr 10%Ni 0 Cr18,
含 ≤0.08% 18%Cr
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§ 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.合金结构钢
? ① 普通低合金结构钢（普低钢）
? ② 调质钢
? ③ 渗碳钢
? ④ 氮化用钢
? ⑤ 弹簧钢
? ⑥ 滚动轴承钢
① 普通低合金结构钢（普低钢）
① 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。
② 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。
③ 典型牌号,16Mn,16MnR, 15MnTi,
15MnV
④ 应用：建筑结构、锅炉、容器、车辆、船舶压力容
器。
⑤ 特点：含 C量低，焊接性能好。
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普通低合金结构钢 牌号
Q 345 C
质量等级
345 MPa
屈服强度
典型普低钢应用
? Q460钢含 Mo,B，正火组织
为 B,强度高,用于石化中温
高压容器。
压力容器
南京长江大桥
? Q345钢 (16Mn)综合性能好,
用于船舶、桥梁、车辆等大
型钢结构 。
? Q390钢含 V,Ti,Nb,强度
高,用于中等压力的容器。
万吨远洋轮
② 调质钢
? 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。
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典型合金调质钢分类
? 低淬透性调质钢
钢含合金元素总量＜ 3 %,
40Cr,40MnB等。 。
? 中淬透性调质钢
钢含合金元素总量在 4 %左右。
38 CrSi,35 CrMo 等,常用于
制造较小的齿轮,
轴、螺栓等零件。
圆
锥
齿
轮
柴油机凸轮轴
典型合金调质钢分类
? 高淬透性调质钢
钢含合金元素总量在 4 %～ 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
淬透性的零件等 。
③ 渗碳钢
? 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
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合金渗碳钢的牌号
20 Mn2 Ti A
等级,高级优质
含钛量 WTi≤1.5 %
含锰量 WMn ?2 %
含碳量 WC ?20 %00
典型合金渗碳钢应用
? 低淬透性合金渗碳钢
钢含合金元素总量＜ 3 %
15Cr,20Cr,20Mn2。 用
于受力小的耐磨件，如柴
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
右。 20 CrMn,20CrMnTi,
20Mn2TiB。用于中等载荷
的耐磨件，如变速箱齿轮。
柴油机凸轮轴
活塞销 ( 20Cr )
典型合金渗碳钢应用
?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
的耐磨件，如柴油机曲轴。
柴油机曲轴
20 CrMnTi 钢制造齿轮的
热处理工艺曲线
④ 氮化用钢
? 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。
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⑤ 弹簧钢
? 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
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汽车板簧
大型热卷弹簧
热卷大弹簧
弹簧丝
⑥ 滚动轴承钢
⑥ 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。
⑦ 淬火 +低温回火 → 回火马氏体
⑧ 典型牌号,GCr15 含 C量 1%左右 Cr量为 1.5%
⑨ 应用：滚动轴承
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滚动轴承钢的牌号
G Cr9 Si Mn
含 Mn量 WMn≤1.5 %
含 Si量 WSi≤1.5 %
含 Cr量 WCr ≈ 0.9 %
滚动轴承钢
滚动轴承钢热处理
球化退火 + 淬火 + 低温回火
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
淬火 + 冷处理 ( – 60 ～ – 80℃ ;1h )
低温回火 磨削加工 稳定
化处理 ( 120 ～ 130℃ ； 5 ～ 10h )
滚动轴承钢应用
滚珠轴承 滚针轴承 滚柱轴承
2.合金工具钢
? （ 1）刃具钢
? a、低合金刃具钢
? b、高速钢
? （ 2）模具钢
? a、冷作模具
? b、热作模具
? （ 3）量具钢,
量 具
刃
具
模 具
（ 1）刃具钢
?a、低合金刃具钢
?b、高速钢
a、低合金刃具钢
? Cr,Mn,Si,W,V主要作用是增加淬透性（ Cr、
Mn,Si等）细化晶粒（ W,V等）提高回火抗力及
耐磨性（ Cr,W,V,Si）低合金刃具钢的红硬性、
耐磨性等比碳素刃具钢高。
? 典型牌号,9CrSi（ 9SiCr）,CrWMn
? 应用：拉刀、长丝锥、长铰刀（切削速度不高）
? 切削速度高时，刀具的工作温度可达 500~600℃,
低合金刃具钢不能满足其性能要求 → 高速钢
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合金刃具钢牌号
合金元素及含量
千分之几的含碳量
9 Si Cr
W18 Cr4 V
9 SiCr 钢板牙热处理工艺曲线
板牙
b.高速钢（ 锋钢、风钢, 18-4-1钢）
(1) 性能要求, 高硬度、高耐磨性、高的红
硬性 (600℃ 时,HRC63以上 ),
有一定的强度和韧性。
车刀 铣刀 钻头
(2) 化学成分特点,
?高碳 0.7～ 1.5%,
?钨 18%,
?钼 5%,
?铬 4%,
?钒 1.5%,
保证高硬度
退火状态下形成 M6C碳化物,
在 560℃ 左右回火时,弥散析
出 W2C,造成二次硬化,提高
钢的红硬性 。
1%Mo的作用等同于 2%W。
形成 Cr23C6碳化物 ;提高钢的
淬透性 。
形成 VC,硬度极高,提高钢的
硬度和耐磨性,产生二次硬化。
(3) W18Cr4V钢的生产工艺及
热处理特点
铸造 锻造 球化退火 机加工
淬火 +三次 570℃ 回火 磨削加工
? 铸造,高速钢属于 莱氏体钢,铸态组织
中含有 大量呈鱼骨状分布的粗
大共晶碳化物 M6C,钢的韧性大
幅下降。
W18Cr4V钢的铸态组织图
W18Cr4V铸造组织 130 ?
W18Cr4V钢的铸态组织图
W18Cr4V铸态组织 420 ?
?锻造,鱼骨状碳化物不能用热处理来消除,只能依
靠反复多次锻打来击碎。
W18Cr4V锻造组织 210 ?
?球化退火,消除应力,调整组织,便于机加工,
为淬火作好组织准备。
球化退火后的组织, S + 粒状 Cm
W18Cr4V球化退火组织 420 ?
W18Cr4V钢的热处理过程示意图
W18Cr4V钢淬火组织
W18Cr4V淬火组织 300 ?
?三次 570℃ 回火
在 570℃ 回火时,产生 二次硬化。
?三次 570℃ 回火
*淬火后 A残 约 20～ 25 %。
*第一次回火后 A残 约剩 15～ 18 %。
*第二次回火后 A残 约剩 3～ 5 %。
*第三次回火后 A残 约剩 1～ 2 %。
回火后的组织,
M回 + Cm + A残 ( 1～ 2 % )
组织硬度为 HRC65以上。
W18Cr4V淬火 + 一次回火组织
W18Cr4V淬火 +一次回火组织 105 ?
W18Cr4V淬火 + 三次回火组织
W18Cr4V淬火 + 三次回火组织 420 ?
（ 2） 合金模具钢
?热作模具钢,工作温度为 600℃ 以上。
?冷作模 具 钢,工作温度为 200～ 300℃ 。
热作模 具 钢
1.性能要求,
高的热硬性、高温耐磨性 ;
高的抗氧化能力 ;
高的热强性和足够高的韧性 ;
高的热疲劳抗力 ( 防止龟裂 );
高的淬透性和导热性 ;
曲轴模具
热作模 具 钢
2.化学成分特点,
中碳 0.3～ 0.6 %;合金元素,Cr,Ni,Mn,
Si,Mo,W,V。 提高淬透性，回火稳定性,W
造成二次硬化,V细化晶粒提高耐磨性。
３,典型牌号,
3Cr2W8,5CrNiMo （基本上为中碳 0.3-
0.5%左右）
5.热处理工艺举例
? 热锻模钢, 5 CrMnMo
? 热处理工艺, 淬火 + 550℃ 回火
? 热处理后的组织, S回或 T回
? 热压模钢, 3 Cr2W8V
? 热处理工艺, 淬火 + 600℃ 三次回火
? 热处理后的组织, M回 + Cm粒状
汽车四缸压铸模
热作模具钢应用
锤锻模、机锻模（水压机、磨擦压力机等）
压铸模及热冲裁模等。工作温度 500~600℃ 机锻
模在 700℃ 左右。通常是在淬火和高温回火状态下
使用，要求具有良好的综合机械性能。
(二 ) 冷作模钢
1.性能要求,
高的硬度,HRC62;高的耐磨性 ;
足够高的韧性与疲劳抗力 ;
热处理变形小 ;
2.化学成分特点,
高碳 1～ 2 %;
合金元素,Cr,Mo,W,V。
汽车冲压模具
(二 ) 冷作模钢
３,典型牌号
? 可用低合金刃具钢 9Mn2,CrWMn,Cr12型
钢广泛用于制造各类冷作模具。
? Cr12MoV 可作为冷镦模、冷冲模。
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*一次硬化法,
淬火 + 低温回火
( 950～ 1000℃ ) ( 150～ 180℃ )
*二次硬化法,
淬火 + 三次回火
( 1100～ 1000℃ ) ( 510～ 520℃ )
热处理后的组织, M回 + Cm + A残
４,热处理特点
（ 3）量具钢
1.性能要求,高的硬度,HRC62;高的耐磨性 ;
高的尺寸稳定性 ;足够高的心部韧性 ;热处理
变形小 ; 尺寸稳定 ;良好的耐蚀性 ;
卡 尺 量 规 千分尺
3.热处理特点,
4.热处理后的组织, M回 + Cm
淬火 冷处理 ( - 70～ - 80℃ )
低温回火 时效处理 ( 120～ 130℃,
几十小时 )
5.牌号, CrWMn,4Cr13,GCr15,
9SiCr,T12A,60等。
2.化学成分特点, 高 碳 0.9～ 1.5 %;
合金元素,Cr,Mn,W。
3.特殊性能钢
? (1)不锈钢
? (2)耐热钢
? (3)耐磨钢
一,不锈钢
1.定义, 在腐蚀介质中具有很高的抗腐
蚀能力的钢。
2.概念,*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。
*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。
3.金属腐蚀的机理
金属腐蚀的种类,
1)化学腐蚀, 金属与介质 ( 干燥气体和
非电解质溶液 ) 发生化学
反应而产生的腐蚀。
例如,高温氧化、脱碳等。
2)电化学腐蚀,金属与介质 ( 电解质溶
液,即酸、碱、盐溶液 )
发生电化学反应而产生
的腐蚀。
电化学腐蚀过程示意图
珠光体电化学腐蚀示意图
4.金属的防腐措施,
1)覆盖层保护, 涂漆、电镀、发蓝、磷
化等工艺。
2)形成氧化层, 加入合金元素 Cr,Al,
Si 等,形成 Cr2O3,SiO2,
Al2O3等氧化膜。
3)提高金属的电极电位, 加入合金元素
Cr,Ni,Si等,提高金属
基体的电极电位。
4)使钢在室温下呈单相组织,
?加入合金元素 Mn,Ni,Co等能扩大
γ区,可在室温获得奥氏体钢。
?加入合金元素 Cr,Mo,W,V,Ti,
Si 等能扩大 α区,可在室温获得铁素体
钢。
5)减少与消除钢中的各种不均匀现象,
偏析、应力、组织等。
6)牺牲阳极保护阴极, 镶嵌一些比金属
或合金基体电极电位更低的金属块。
5.化学成分特点,
* 低碳,耐蚀性要求愈高,碳含量愈低。
* 合金元素,主加 Cr。
辅加 Ni,Mo,Cu,Ti,
Nb,Mn 等。
常用的不锈钢 分类
? a、马氏体型不锈钢
? b、奥氏体不锈钢
? c、铁素体型不锈钢
a、马氏体型不锈钢
? 0Cr13~4Cr13 9Cr13 淬透性高空冷便得 M而得
名。
? 0Cr13~2Cr13 含 C量低具有良好的综合机械性
能，可进行深冲、卷边、焊接等，制不锈钢结构中
（如汽轮机叶片等）淬火 +高温回火
? 3 Cr13,4Cr13 硬度度、焊接性差，耐蚀工件，
医疗工具，不锈轴承，淬火 +低回。
? 弱腐蚀介质：大气、海水、淡水、水蒸汽。
1Cr13金相组织图
1Cr13供货状态组织 ( 化染 ) 580 ?
b、奥氏体不锈钢
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b,奥氏体型不锈钢 ---18 – 8型钢
?化学成分特点, Wc = 0.08 ～ 0.14 %,WCr = 17～
19 %,WNi = 8～ 11 %,Cu,Ti,Mo等。
?加工特点,不能进行热处理强化,只能冷塑性变形
强化。
?0cCr18Ni9 1Cr18Ni9 0Cr18Ni9Ti
1Cr18Ni9Ti
?含 C量在 0.1%以下，通常为单相 A，比马氏体
不锈钢的耐蚀性好，好的冷变形性能，有好的韧
性，焊接性。
?热处理特点,固溶处理 ;稳定化处理 ;
消除应力退火。
?牌号, 0Cr18Ni9,1Cr18Ni9,
0Cr18Ni9Ti,1Cr18Ni9Ti。
?用途, 化工容器、管道等。
大型化工储罐 (304) 管板换热器 ( 304 )
1Cr18Ni9Ti固溶处理组织金相图
1Cr18Ni9Ti固溶处理组织 580 ?
c、铁素体型不锈钢
?化学成分特点, Wc = 0.1 %左右
WCr = 17 %
?热处理特点, 不能进行热处理强化。
?牌号, 1Cr17,1Cr17Ti,1Cr28等。
?用途,化工设备中要求耐蚀性高、塑
性好、强度低的容器、管道等。
铁素体型不锈钢的用途
硝酸生产装置 合成氨生产装置
（ 2）耐热钢
? 耐热不起皮钢 —— 在高温下耐氧化
? 热强钢 —— 要求高的高温强度。
? 典型牌号,12Cr1MoV 15CrMo锅炉钢管。
? 应用：长期受机械作用蒸汽管道、蒸气过滤
器等,500~600℃ 之间； Cr13型 600℃ 以
下 ； 600-700℃ 1Cr8Ni9Ti ； 700℃ 以上 Ni
基或 Co基合金。
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耐 热 钢 的 用 途
发动机叶片 航空发动机
汽轮机叶片 汽车阀门
(3)耐磨钢
? 耐磨钢除了应有良好的韧性外,还应具有良
好的耐磨性
? 代表牌号 Mn13
? 应用于挖掘机、拖拉机、坦克的履带板等
耐 磨 钢 的 用 途
球磨机
挖掘机 颚式破碎机
