合金钢的性能之所以比碳钢优越，主要是由于合金元素在钢中所起的作用，它们的加入改变了钢的内部组织与结构，其相变温度也有很大变化。合金元素对钢组织的影响规律可以从两个方面理解。一方面是合金元素对铁碳状态图的影响。由于合金元素可以使状态图中的S．E点左移，在相同含碳量的钢中，合金钢的珠光体量要比碳钢多，使钢的强度提高；另一方面是合金元素对C曲线的影响。由于合金元素都能使C曲线右移(Co.Al除外)，提高了钢的淬透性，降低了钢的临介冷却速度。当钢的临界冷却速度足够小时，在空冷的条件下即可得到马氏体组织，这就是马氏体钢。当钢中的合金元素足够多时，可以使Ms点移至温室以下，空冷时不但不产生珠光体转变和贝氏体转变，也不能产生马氏体转变，这样在室温下就可以得到奥氏体组织，这就是奥氏体钢。当缩小γ相区的合金元素足够多时，可以使铁的γ相区消失，从而得到铁素体钢。从以上分析，可知，正是由于合金元素的这种作用，我们可以通过合金化的方法，得到各种不同机械性能的钢。

合金钢的显微组织比碳钢复杂，在合金钢中存在的基本相有：合金铁素体、合金奥氏体、合金碳化物(包括合金渗碳体、特殊碳化物)及金属间化合物等。其中合金铁素体与合金渗碳体及大部分合金碳化物的组织特征与碳钢中的铁素体和渗碳体无明显区别，而金属间化合物的组织形态则随种类不同而各异，合金奥氏体在晶粒内常常存在滑移线和孪晶特征。

下面着重研究和分析各种不同类型合金材料的组织特点。

1.高速钢

工业上广泛使用的高速工具钢为W18Cr4V，是一种典型的莱氏体工具钢，在退火状态时，钢中有25%左右的合金碳含物。高速钢热处理时，关键的地方是准确的选择淬火温度，为了提高红硬性，淬火加热时应该有足够数量的碳化物溶入固溶体中，所以淬火温度一般在1280～1300℃。淬火后的组织约有60～70％的马氏体，28～30％的残余奥氏体，10％的碳化物。淬火温度过低（如1250℃），奥氏体中没有足够的合金元素，虽然淬火硬度很高，但回火后红硬性就欠佳造成回火硬度不足，若淬火温度过高（如1320℃），虽然红硬性提高了，但又易造成过热或者过烧的缺陷，这是不允许的。高速钢过热组织特征是晶粒粗大，在晶界上还可能出现网状碳化物，这时高速钢很脆。实际工作中不能使用，为纠正过热组织，高速钢先进行退火处理，然后重升淬火.回火.高速钢过烧组织的特征是晶界有部分熔化，出现黑色莱氏体组织，过烧组织无法纠正，只能作废，在实际工作中作为生产事故处理。

高速钢淬火加热时，为了防止氧化脱碳，通常在高温盐熔炉中加热，一般进行两次预热，第一次在箱式炉中500～560℃。第二次在中温盐熔炉中800～850℃，以防止工件变形和升裂。高速钢有很高的淬透性，对形状简单的工具可在20～90℃油中冷却，直径小于3～5mm的工具可在空气中冷却。对大截面的成型工具为减少冷却过程中的变形，可采用分级或等温淬火工艺。对细长工具，一般要进行热校直，即将工件油冷至250℃左右出油，立即校直，然后进行回火。高速钢淬火后一定要进行淬火处理，一般采用650℃三次回火，每次保温一小时，以提高钢硬度和红硬性，经过回火后的高速钢的硬度约为HRC62～65。高速钢是高合金工具钢，以具有良好的热硬性(或红硬性)著称。这里以典型的W18Cr4V(简称18-4-1)钢为例加以分析研究。

W18Cr4V的化学成分为：0.7～0.8%C，17.5～19%W，3.8～4.4%Cr，1.0～1.4%V，≤0.3%Mo。由于钢中存在大量的合金元素(大于20%)，因此除了形成合金铁素体与合金渗碳体外，还会形成各种合金碳化物(如Fe₄W₂C、VC等)，这些组织特点决定了高速钢具有优良的切削性能。

（1）高速钢的铸态组织

按组织特点分类，高速钢属莱氏体钢，在一般铸造条件下存在以具有鱼骨状碳化物为特征的共晶莱氏体组织(K+A(或A+M))。图l所示为W18Cr4V钢的铸态组织。在显微镜下观察时，除共品莱氏体外还有部分呈暗黑色的δ共析体组织（类似细片状珠光体，是细小片状碳化物分布在基体中）和少量马氏体(呈亮白色部分)、残余奥氏体和合金碳化物。

（2）高速钢的退火组织

高速钢铸态组织极不均匀，特别是共晶组织中粗大碳化物的存在，使钢的性能显著降低，因此，高速钢铸造后必须经过锻造、退火，以改善碳化物的分布状况。

图2所示为W18Cr4V钢经锻造及退火后的显微组织，组织中呈亮白色较大块状为一次碳化物，较细小块状为二次碳化物，碳化物相主要有三种，即M₆C(Fe₃W₃C或Fe₃Mo₃C)、M₂₃C₆(Cr₂₃C₆)和MC(VC)，基体组织是索氏体。

（3）高速钢的淬火及回火组织

高速钢优良的热硬性及高的耐磨，只有经淬火及回火后才能获得。W18Cr4V钢通常采用较高的淬火温度(1270～1280ºC)，以保证奥氏体充分合金化淬火时可在油中或空气中冷却，图3为W18Cr4V钢经1270～1280ºC淬火后的显微组织，其组织为在马氏体及残余奥氏体的基体上布有一次碳化物的颗粒，碳化物类型只有M₆C和MC。在金相显微镜下观察时，马氏体不易显示。高速钢经淬火后组织中存在相当数量(约30～40％)的残余奥氏化，需经560ºC回火（一般2～3次）加以消除。回火时从马氏体和部分残余奥氏体中析出高度分散的碳化物，降低了残余奥氏体中碳和合金元素的含量，使其稳定性降低，在冷却过程中这些奥氏体就会转变成马氏体。

图4所示为W18Cr4V钢经淬火及560ºC回火后的显微组织，其中呈亮白色块状的为合金碳化物，碳化物类型有淬火后的M₆C和MC，以及析出的W₂C和VC，暗黑色基底是回火马氏体和少量残余奥氏体。

（4）高速钢的过热及过烧组织

当W18Cr4V钢淬火温度超过1300℃时，晶粒迅速长大，出现过热现象，其组织与正常淬火相似。当W18Cr4V钢淬火温度超过1330℃时，在晶界处出现液相，生成莱氏体，或者同时出现莱氏体和呈暗黑色的δ共析体组织，出现过烧现象。其过热及过烧组织分别见图5和图6。

2.不锈钢

(1)奥氏体不锈钢

18-8型铬镍奥氏体不锈钢在大气、海水及化学介质中具有良好的抗腐蚀能力。这里以1Cr18Ni9Ti钢为例加以分析研究。

该不锈钢的化学成分为：≤0.12％C，17～19％Cr，8～11％Ni，0.6～0.9％Ti，其硬度约203HV。铬在钢中的主要作用是产生钝化作用，提高电极电位而使钢的抗蚀性加强。镍的加入在于扩大g区及降低Ms，以保证室温下具有奥氏体组织。lCrl8Ni9Ti钢的热处理方法是进行固溶处理(1050～1100ºC水淬)。图7所示为该不锈钢经1050ºC水淬后的显微组织。组织呈现出单一奥氏体晶粒并有明显的孪晶。

(2)马氏体不锈钢

铬13型不锈钢因含有大量的铬元素，过冷奥氏体的稳定性较高，因此，这类钢高温加热后在空气中冷却易获得马氏体组织，另一方面，铬元素是封闭或缩小奥氏体区形成铁素体的元素，致使钢的基体组织易为铁素体。1Cr13钢为常用的铬13型不锈钢，从金相组织来划分，1Cr13钢列为马氏体—铁素体（半铁素体钢），其化学成分为：0.08～0.15%C，12～14%Cr，≤0.6%Si, ≤0.6%Mn, ≤0.030%S, ≤0.035%P。

1Cr13钢的热处理方法为淬火(1000～1050ºC油或水淬)+回火（700～790ºC油、水或空气冷却）。图8所示为1Cr13钢经1000ºC油淬后的显微组织。组织为马氏体+铁素体+少量的残余奥氏体。

(3)奥氏体-铁素体复相不锈钢

在18-8型铬镍奥氏体不锈钢基础上降低镍含量或增加铬含量（即在9%Ni的情况下），合金在所有温度区（包括室温）时仍处于α+g两相区。常见的奥氏体-铁素体复相不锈钢为1Cr21Ni5Ti和1Cr18Mn10Ni5Mo3N钢。图9所示为1Cr21Ni5Ti不锈钢经1050ºC水淬后的显微组织，其组织为奥氏体和铁素体。

3.高锰钢

高锰钢是指含0.9～1.3%C和11～14%Mn的钢，具有很高的加工硬化能力，冷变形后的硬度可以达到450～600HB。铸造高锰钢（ZGMn13）淬火后的机械性能为：σb=800～1000MN/m²,σs=250～400MN/m²,δ5=40～45%,ψ=40～45%,HB=180～200。由于锰是奥氏体形成元素，可使单一奥氏体相区扩大。高锰钢含有大量的锰元素，所以高锰钢在室温时为奥氏体组织，故称奥氏体钢。因高锰钢在铸造状态下碳化物沿晶界析出，使钢塑性和韧性大为降低，脆性增大，且硬度较高（约420HB、1～2%δ）。为获得所需的性能，高锰钢必须经过热处理（淬火处理），其热处理方法为：加热1000～1050ºC保温一定时间后，迅速在水中冷却淬火（亦称为水韧处理）。以消除晶界析出的碳化物，得到单一的奥氏体组织。其组织特征见图10。

高锰钢淬火时，水温通常不超过20ºC（最高也要低于30ºC），如果冷却不足，碳化物将沿奥氏体晶界析出，并将引起附近区域的预先分解，生成屈氏体，冲击韧性降低，其组织特征见图11。