金属材料学习总结

1、第一章 钢铁中的合金元素 普通碳素结构钢（ 5 个强度等级）Q195、Q215含碳量很低，强度不高，但具有良好的塑性、韧性和焊接性能，常用作铁钉、铁丝、 钢窗及各种薄板等强度要求不高的工件Q235A、Q255A用于农机具中的拉杆、小轴、链等。也用于建筑钢筋、钢板、型钢等Q235B、Q255B用作建筑工程中质量要求较高的焊接结构件，机械中一般的转动轴、吊钩、自行车架等Q235C、Q235D质量较好，可作一些重要的焊接结构件及机件。Q255、Q275强度较高，其中 Q275 属于中碳钢，可用作制造摩擦离合器、刹车钢带等。优质碳素结构钢（ 31 个钢号）。常用见下列表08F钢碳的质量分数低、塑性好，

2、强度较低。可用于各种冷变形加工成型件1025 等钢焊接和冷冲压性很好，可用来制造标准件、轴套、容器等。也可以经热处理制造表面硬度高、 心部有较高的强度和韧性的耐磨损、耐冲击的零件。如齿轮、凸轮、销轴、摩擦片、水泥钉等。45 等中碳钢通过适当热处理可获得良好的综合力学性能。可用于如传动轴、发动机连杆、机床齿轮等机械 零件高碳碳素结构钢经适当热处理后可获得高的弹性极限和屈强比以及足够的韧性和耐磨性。可制造小线径的 弹簧、重钢轨、轧辊、铁锹、钢丝绳等。碳素工具钢T7、T8适合于制造承受一定冲击而要求韧性较高的刃具，如木工用斧、钳工用凿子等，淬火、低温回火后的硬度为 4854HRC（工作部分） ；T9

3、、 T10、 T11 钢用于制造冲击较小而要求高硬度与耐磨的刃具，如小钻头、丝锥、手锯条等，淬火、低温回 火后的硬度为 6062HRC，T10A钢还可用于制造一些形状简单、工作负荷不大的冷作模具、量具；T12、T13钢硬度及耐磨性最高，但韧性最差，用于制造不承受冲击的刃具，如锉刀、铲刮刀等，淬火、 低温回火后的硬度为 6265 HRC。T12A 也可用于制造量具。T7T12、T7AT12A还可用于形状简单的塑料模具。般工程用铸造碳素钢ZG340-640 其他类型的铸钢件焊接结构用碳素铸钢件如 ZG230-450H低合金铸钢件如 ZGD535-720耐热铸钢件如 ZG40Cr30Ni20不锈耐酸

4、钢铸件如 ZG1Cr18Ni9Ti中、高强度不锈钢铸件如 ZG10Cr13Ni1Mo1.2 钢的合金化原理1. 合金元素的存在形式形成铁基固溶体形成铁基置换固 溶体与 Fe 形成无限固溶体： Ni、Co、 Mn、Cr、V形成较宽溶解度的有限固溶体： Mo和 W形成具有较窄溶解度的有限固溶体：Ti 、 Nb、TaZr、Hf、Pb在 Fe 具有很小的溶解度形成铁基间隙固 溶体间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按B、 C、N、O、H的顺序而增加形成合金渗碳体过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强度（或稳定性）按下列规律递减：Hf、Zr 、Ti、Ta、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn

5、、Fe形成金属间化合物分为正常价化合物、电子化合物及间隙化合物三类。金属间化合物通常仅指电子化合物。形成非金属相（非碳化合物）钢中的非金属相有： FeO、MnO、TiO2 、SiO2、Al2O3、Cr2O3、MgOAl2O3、MnOAl2O3、MnS、 FeS、2MnOSiO2、CaOSiO2 等。非金属夹杂物一般都是有害的非晶体相在特殊条件下（如快速冷却凝固） ，可使某些金属或合金形成非晶体相结构。2. 合金元素与铁的相互作用相稳定化元素开启相区 （无限扩大 相区）： Mn、 Ni 、 Co，扩展相区 （有限扩大 相区）： C、 N、 Cu、 Zn、 Au相稳定化元素封闭相区 （无限扩大 相

6、区） 含 Cr 量小于 7%时， A3 下降；：Si 、Al 和强碳化物形成元素 Cr、W、Mo、V、Ti 及 P、Be 等 含 Cr 量大于 7%时， A3 才上升。缩小相区（不能使相区封闭 ）：B、Nb、Zr、Ta 等3. 合金元素与碳的相互作用形成碳化物碳化物形成元素： Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ti、Zr，均位于 Fe 的左侧非碳化物形成元素： Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S。均处于周期表 Fe 的右侧Me对 C 在 A中的扩 散激活能和扩散系 数的影响碳化物形成元素：降低 C的活度，提高了 C在 A 中结合力，因而使扩散激活能升高扩散系数 下降非碳化物形成元素：

7、降低了 C在 A 中的结合力，因而使扩散激活能下降，扩散系数升高Si 例外 : 升高扩散激活能，降低扩散系数4.Me 对 层错能的影响 层错能越低，位错的形成和扩展越容易，滑移越困难，加工硬化趋势越大、 提高 层错能： Ni 、Cu和 C，易于变形加工 降低 层错能： Mn、Cr、Ru和 Ir ，难变形加工5. 合金元素对 Fe-Fe3C 相图的影响相区扩大 相区： Ni, Co, Mn etc如： 1Cr18Ni9 and ZGMn13（ 高锰耐磨钢等 ）缩小 如：相区： Cr, W, Mo, V, Ti, Si etc 1Cr17Ti（ 高铬铁素体不锈钢 ）温度扩大 相区的元素使铁碳合金相

8、图的共析转变温度下降共析点 S缩小 相区的元素使铁碳合金相图的共析转变温度上升。成分几乎所有合金元素都使 S点左移，以强碳化物形成元素的作用最为强烈。共晶点 E的碳含 量也随合金元素增加而左移6. 合金元素对钢的热处理的影响奥 氏 体 化奥氏体形核和长大阶段碳化物形成元素： Cr, Mo, W ，V 妨碍 C扩散，减慢奥氏体长大非碳化物形成元素： Co Ni 提高 C在奥氏体中的扩散速度，增大奥氏体的形成速度。 Si, Al ，Mn 对 C在奥氏体中的扩散速度影响不大碳化物的分解视碳化物的稳定性奥氏体成分均匀化C，Me的扩散。 Me扩散缓慢奥氏体晶粒长大 倾向强烈阻止： Ti, V, Zr,

9、Nb MC, Al AlN, Al2O3作用中等： W, Mo, Cr作用轻微： Ni, Si, Cu, Co有助长大： Mn, P, B （Mn钢有强烈过热倾向，注意加热温度和时间）过 冷 奥 氏 体 分 解高温 P转变使 C曲线右移，提高钢的淬透性（ Me淬火加热溶入 A才有效）：除 Co外。 提高钢的淬透性采用多元少量合金化原则推迟 P转变，可在连续冷却的过程中得到B组织的钢Me的加入对钢有固溶强化中温 B转变降低 Bs，使 B和 P转变温度间出现过冷 A的中温稳定区： C, Mn, Ni, Cr, Mo, V, Ti改变 B转变动力学过程，增长转变孕育期，减慢长大速度：C, Si, M

10、n, Ni, Ni,Cr 作用较强， W,Mo,V,Ti 作用较小低温 M转变使 Ms, Mf 下降，室温下将保留更多的残留奥氏体量：除Co，Al降低残留奥氏体含量的方法： 1 淬火后在负温下继续冷却 2多次回火，使合金碳化 物析出， A中 Me量减少， Ms Mf 点升高，在二次淬火时即可减少残奥量M形态结 构Ms点高，滑移的临界分切应力低，形成位错亚结构的MMs点低，孪生分切应力低，形成孪晶亚结构的M7.Me 对淬火钢回火转变的影响提高回火稳定性，即提高软化抵抗力，使各阶段转变速度大大减慢，将其推向更高温度。第二章 工程构件用合金结构钢特性服役静载荷，无相对运动特性一定温度和环境，耐高温和

11、低温，抗腐蚀。如：锅炉 250 度，北方承受低温，船舶桥梁受大气海水腐蚀力学高弹性模量，保证好的刚度性能高屈服，断裂极限，保证好的抗塑性变形和抗断裂的能力低裂纹敏感性，低冷脆性加工好的冷变形性能性能好的焊接性能成份C%=0.25%设计Me提高强度 :低合金钢 （如低合金高强度钢 ,微合金钢 ）以F为基分布着少量 P;高合金钢为 B,针状 F或M供货状态大多数经轧制后空冷 , 有时也回火处理1. 低合金高强度钢（1） 成份表元素作用C%小于 0.2wt.%具有良好的塑性和韧性 , 良好的焊接性能主要元素 : Mn细化 P 和 F晶粒1-15%Mn促进 F 多系滑移（有时考虑经济因素抑制 Fe3C

12、在晶界析出 ,减少裂纹源 , 提高冲击韧性使用 Cr 和 Ni)使 S 点左移 , 增加 P 含量 , 提高强度辅加元素 : Al 、 V、Ti 、 Nb析出强化 , 细化晶粒 , 提高韧性Cu P增强在大气中的耐腐蚀性 .1.Cu 在钢表面聚集 , 正电位 , 阳极 , 形成钝化Cr Ni膜 2.P 固溶 , 提高耐腐蚀性 3.Ni Cr 形成钝化膜稀有元素脱 S,除气 , 改善微观组织和杂质分布 ,提高机械使用性能2. 微合金钢（1） 成份元素作用Ti,V,Nb抑制 A 晶粒的长大阻止 A 在变形过程中再结晶析出强化具有 F-P 的低合金和微合金钢的屈服强度达 460MP相变强化能提高强度

13、和韧性 , 如低碳 B,低碳 S,低碳 M（2） 主要强化机制 : 细晶强化 , 析出强化3. 低碳 B（1） 力学性能 :与 F-P相比,有更高的强度和韧性，屈服强度可达490780MP（2） 成份元素作用主加 Mo,B显著推迟 F和 P的形成,对 B相变的推迟作用较小Mn,Cr,Ni进一步推迟先共析 F 和 P的形成并降低 BsNb,V,Ti细化晶粒 , 沉淀强化（）典型钢种及热处理14MnMoV, 14MnMoVBR，e屈服强度达 490MP。用于容器和其他部件的制造 钢板厚度 14mm，正火高温回火14MnMoVBR在e 焊前必须预热至 150 .4. 针状 F（1）显微结构低碳或超低

14、碳针状 F（属于 B），相变在上 B 转变温度区域，为板条状，有高密度位错（ 2）典型钢种 Mn-Mo-Nb（3）性能：屈服强度 470MPa,延伸率 20%, 室温冲击功 80J，好的低温韧性，好的焊接性能，对H2S有好的抗腐蚀性能。4）成分元素作用C 0.10%低碳含量形成 NbC沉淀，增强韧性Mn 1.6-2.0%推迟 F 和 P的形成，降低 Bs点，使针状 F 的形成温度降到 450，属固溶元素Mo 0.2-0.6%有效推迟 F 的形成，对 B转变无影响Nb 0.04-0.06%形成沉淀强化相 Nb（C,N）, 轧制过程中细化晶粒c. 应用：寒冷地区输油管道，天然气管道。5. 低碳 M

15、钢（1）显微组织和热处理热处理显微组织性能应用锻造或轧制空冷BMF0.2=828MPa；b=1049MPa；室温冲击功 96J用于制造汽车的轮臂托架轧制或锻造直接 淬火回火低回火 M0.2=935MPa b=1197MPa; 室温 冲击功 50J-40 冲击功 32J制造汽车操纵杆2）性能及应用：高强度高韧性，高疲劳强度，用于运动部件，低温环境3）成分低 C、加入 Mo、Nb、V、 B等与合理含量的 Mn和 Cr 配合。提高淬透性， Nb还细化晶粒6.F M双相钢显微组织铁素体 +岛状马氏体 +少量的残余奥氏体性能特点低的屈服强度，一般不超过 350MPa- 曲线是光滑连续的，没有屈服平台，更

16、没有锯齿形屈服现象高的均匀延伸率和总延伸率 , 其总延伸率在 24%以上高的加工硬化指数， n 值大于 0.24 ；（ =Kn）高的塑性应变比（ r ）。（ r= w/ b。 w为宽度应变， b 为厚度应变）生产双相钢的 方法热处理： Ac1 与 Ac3 双相区加热 , 其组织为 ，在冷却过程中 , 应保证转变产物为 M,而不是热轧双相钢：热轧后从奥氏体状态冷却时，首先形成70 80的多边形铁素体。未转变的奥氏体在以后冷却时转变成 M（2）双相钢优异性能（低屈服强度和高应变硬化率）原因a. 马氏体区域存在残余应力，应力来源于快速冷却时马氏体相变的体积和形状变化。b. 体积和形状变化效应，使周围

17、铁素体经受塑性变形，导致铁素体中存在高密度的可动位错c. 伴随着马氏体的残余奥氏体，在成形操作时，发生应变诱发马氏体相变（3）典型组成和应用C 0.04%0.10,Mn 0.8%1.8%, Si 0.9%1.5, Mo 0.3%0.4%, Cr 0.4%0.6%,和微量 V。用于汽车钢板7. 新一代钢铁材料超级钢 超细晶粒钢 先进高强度钢 关于超级钢技术路线的二种说法：三超和三化三超：超洁净、超均质、超细晶三化：洁净化（炼钢） 、均质化（连铸） 、细晶化（轧制）第三章 机械制造结构钢第一节 调质钢一、化学组成1、碳 0.3 0.5 碳过低，淬硬性不够；碳过高，韧性下降2、合金元素：主加： Cr

18、、Mn、 Si、Ni；辅加： Mo、W、V、Ti、Al、 B 等。合金元素的作用： Cr, Mn, Si ,Ni 固溶于 相中，固溶强化，提高淬透性 Cr, Mo, W, V 阻止渗碳体在回火过程中的聚集和长大，使具有高硬度 延缓 再结晶，保持细小晶粒，使具有高强度和韧性 Mo， W 防止回火脆性 V, Ti，Al 细化晶粒二、热处理1、预备热处理合金含量较少的钢在轧制和锻造后的组织多半是珠光体，对此类钢一般采用在 AC3 线以上加热进行正火。合金含量较多的钢在轧制和锻造后的组织多为马氏体组织，对此类钢一般采用在 AC3 线以 上加热进行正火，随后再进行一次高温回火，使马氏体型钢的强度由HB3

19、80 550 降至HB207 240，可以顺利地进行切削加工。2、最终热处理：淬火，回火，表面处理三、合金元素的机械性能1、微观硬度：铁素体的晶粒大小，合金元素在铁素体中的固溶程度，碳化物的数量和碳化物的弥散程度与调质 钢的硬度有着密切的关系。2、回火温度与综合机械性能之间的关系 回火温度越高，硬度、断裂强度、屈服强度越低，延伸性、断面收缩率、延展性越高3、高温回火后的韧性合金元素对韧性的影响：碳：减小韧性锰： 2%提高脆性转变温度，降低韧性镍：提高韧性，降低脆性转变温度磷：降低韧性，提高脆性转变温度高温回火脆性 缓冷试样的冲击韧性却明显低于快速冷却的试样 500 550之间回火脆性发生得最快

20、；随着保温时间的延长，脆化程度曲线上的温度越来越高 碳素钢高温回火脆性是不敏感的； 钢中加入锰或铬后变敏感；硅锰钢、铬锰钢回火脆化倾向性更加 增大； 单纯镍钢对高温回火脆性不敏感，而铬钢中加镍则明显促进回火脆性； 钼、钨是降低高温回 火脆性的元素； 避免或减轻回火脆性的措施：a. 避免在易发生高温回火脆性的温度范围内回火；b. 尽可能缩短在回火脆性温度内的回火时间；c. 回火后采用快冷的工艺方法；d. 采用含钼钢种，并尽可能降低钢中的磷、锡、锑含量；e. 对已感受回火脆的钢，用重新加热到650 后快冷的方法来恢复。表 3-2 常用调质钢的成分和用途钢号主要化学成分（ % ）用途CMnSiCrN

21、iMo450.420.500.500.800.170.37主轴、40Cr0.37-0.50-0.20-0.80-重要轴0.450.800.401.1030CrMn0.27-0.80-0.90-0.80-高速Si0.341.101.201.1040CrNi0.37-0.50-0.20-0.80-1.25-0.15-航空Mo0.440.800.400.901.750.25表 3-3 常用调质钢的热处理和机械性能钢号热处理机械性能淬火回火毛坯尺寸bMPs MPa5 % %kJ.c45850水600空10a6503501738m4540Cr850油500油2510008009456030CrMnSi8

22、80油520油25110090010455040CrNiMo850油600油3011009001255100四、合金调质钢的典型钢种1 、低淬透性：油淬临界直径最大为 30mm40mm40Cr、40CrV、40MnB、40MnV、38CrSi 、 40MnVB等40MnB、 40MnVB是为节约 Cr 而发展的代用钢， 40MnB的淬透性稳定性较差，切削加工性能也差些2 、中淬透性：油淬临界直径最大为 40mm60mm35CrMo、40CrMn、40CrNi、30CrMnSi 等加入 Mo不仅使淬透性显著提高，而且可防止回火脆性3 、高淬透性：油淬临界直径最大为 60mm100mm37CrNi

23、3A、40CrMnMo、40CrNiMoA、 25Cr2Ni4WA较多的 Cr 和 Ni 的适当配合可大大提高钢的淬透性，加Mo还可消除回火脆性第二节 弹簧钢 一、弹簧钢的要求1、高屈服强度和弹性极限，以及高屈强比2、高疲劳极限3、良好表面条件：喷丸处理可显著提高表面状态，提高使用寿命4、好的加工性能：具有一定塑性和淬透性，过热敏感小，不易脱碳二、化学成分1、碳：碳素弹簧钢： 0.8%0.9% 合金弹簧钢： 0.45%0.7%2、Si 和 Mn：提高淬透性、 固溶强化铁素体、提高钢的回火稳定性，但 Si 含量高时增大 C 石墨化的倾向，且 在加热时易于脱碳； Mn则易于使钢过热3、Cr、 W、

24、V、Nb：碳化物形成元素，它们可以防止过热（细化晶粒）和脱碳，从而保 证重要用途弹簧具有高的弹性极限和屈服极限4、弹簧钢均为优质钢（ P 0.04%， S0.04%）或高级优质钢（ P 0.035%，P0.035%）。三、热处理1、冷成形弹簧： 冷成形的弹簧在冷成形之后要进行200 400的去应力退火， 冷成形弹簧在成形之前， 钢丝已具备了一定的性能，即已处于硬化状态，所以通常只能制造小型弹簧。2、热成形弹簧：热成形之后，进行淬火及中温回火，以获得所要求的性能，通常还要进行喷丸处理，使表面 强化并在表面产生残余压应力以提高疲劳强度。四、典型弹簧钢的应用1、 碳素弹簧钢： 65、70、75 和

25、85 钢。较高的强度和适当的塑性，但其淬透性较低。65Mn，具有稍高的淬透性，脱碳倾向小，但容易过热并有回火脆性的倾向。故使用于制造截面尺寸稍大的普通弹簧。2、 合金弹簧钢： 60Si2Mn：主要用于制造汽车、 拖拉机和机车上的板簧 （ 10 12mm厚）和螺旋弹簧 （直径为 20 25mm） 等。硅显著提高弹性极限和屈服比；略提高淬透性，但又不使Ms点下降，不致增加淬火开裂倾向；可以防止氧化，但却促进脱碳倾向 50CrV：用于制造 350-400 下承受重载的大型弹簧，如阀门弹簧、高速柴油机的汽门弹簧。Cr 和V 的复合加入，不仅提高弹簧钢的淬透性，而且有较高的高温强度、韧性和较好的热处理工

26、艺性能。3-4 典型弹簧钢的成分和用途钢号主要化学成分 （%）用途CMnSiCrV650.620.700.500.800.170.37截面小于 12-15mm的小弹簧65Mn0.620.700.901.200.170.37截面小于 25mm的各种螺旋弹簧、板弹簧60Si2Mn0.570.650.600.901.502.00截面小于 25mm的各种螺 旋弹簧、板弹簧0.460.500.170.800.10截面小于 30mm强度要求50CrVA0.540.800.371.100.20较高的弹簧表 3-5 典型弹簧钢的热处理和机械性能钢号热处理机械性能淬火回火b MPa 0。 2MPa10%7582

27、0480108088073065Mn83048098078083060Si2Mn8704601270118052555SiMnMoV880520-5801370127073550CrV850520127010801045第三节 滚动轴承钢一、化学成分特点1. 高碳： 0.95%1.15% ，一部分存在于马氏体中以强化马氏体；另一部分形成足够数量的碳化物以获得所要 求的耐磨性。但碳含量过高会增加碳化物分布的不均匀性，且易生成网状碳化物额降低其性能。2. 主加合金 Cr: 提高淬透性和耐腐蚀性， 0.40%1.65%，(Fe,Cr)3C 可提高耐磨性和接触疲劳强度； 当 1.65% 时，残余 A

28、增加，硬度和尺寸稳定性下降，同时增加碳化物的不均匀性，降低钢的韧性。3. Si, Mn ， V进一步提高淬透性。4. 降低 S、P 含量，减少氧化物、硅酸盐、夹杂物，提高冶金质量。二、原始组织要求1、无缩孔、皮下气泡、白点和过烧2、严格控制非金属夹杂物3、严格控制疏松级别4、改善碳化物不均匀性(网状、带状和液析)三、热处理特点1、预先热处理：通常采用球化退火， 770810， 790最佳。碳化物的形状取决于加热温度，而碳化物的弥 散度取决于冷却速度。冷却速度越大，碳化物的弥散度也越大，其硬度也越高。2、最终热处理：淬火低温回火。温度过高会引起过热，晶粒长大，使钢的韧性和疲劳强度下降，且易淬裂和

29、变形；温度过低，则奥氏体中溶解的铬和碳的含量不够，钢淬火后硬度不足。马氏体中的碳含量在 0.45%-0.5% 时，轴承钢既具有高硬度，又有良好的韧性，还具有最高的接触疲劳寿命。四、应用实例1、常用轴承钢1) 铬轴承钢： GCr15，淬透性不是很高，因此多用于制造中小型轴承2) 添加 Mn、Si 、Mo、 V的轴承钢： GCr15SiMn钢，主要用于制造大型轴承。为了节约Cr，可以加入 Mo、V，得到不含铬的轴承钢，如 GSiMnMoV、 GSiMnMoVRE钢等高碳铬轴承钢也可用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。2 、其他类型轴承钢1) 渗碳轴承钢2) 高碳铬不锈轴承钢和高温轴承钢第四

30、节 渗碳钢一、服役条件及对性能的要求1、 表面具有高的弯曲、接触疲劳强度和高的耐磨性2、心部具有高强度和韧性二、化学成分特点1、 低碳： 0.12% 0.25% 保证心部有良好的韧性2、 合金化：常加入 Mn、 Cr、 Ni 、 Mo、 W、Si、V、Ti 、B etc1) 提高钢材的淬透性，提高机件的强度和韧性。V、 Ti 可以细化晶粒。2) 根据渗碳工艺 碳化物形成元素对渗碳的作用：a) 增大钢表面吸收碳原子的能力b) 增大渗碳曾表面的碳浓度c) 阻碍碳在奥氏体中的扩散 总的效果是铬、锰、钼等元素加大渗碳层的厚度，钛减小渗碳层的厚度。碳化物形成元素过多，将 在渗碳层中产生许多块状碳化物，造

31、成表面脆性。所以合金元素的含量要适量。Mn 是一个较好的合金元素，既可以加速渗碳层增厚，又不过多提高渗碳层的碳含量。 非碳化物形成元素对渗碳层的作用与碳化物形成元素相反： 总的效果是镍、 硅、铜等元素减慢渗碳， 不利于渗碳层的加厚。三、热处理特点1、 预先热处理 第一步：正火：细化晶粒，减少组织中的带状程度并调整好硬度，便于机械加工。正火后的钢材具有等轴 状晶粒。第二步：退火(对 P 型钢)： 通常在 800左右的一次退火代替正火。高温回火(对 M型钢)： 必须在正火之后，再在 Ac1 以下温度进行高温回火，一获得回火索氏体 组织，可以使马氏体钢的硬度降低，顺利进行切削加工2 、最终热处理1)

32、 渗碳 在机械加工到只留有磨削余量时，进行渗碳处理。渗碳扩散层的厚度决定于：( 1)碳在奥氏体中的极限溶解度；( 2)碳在奥氏体中的扩散速度；( 3)扩散的时间。2 ) 淬火和低温回火 零件的渗碳表面：高碳回火马氏体加细小的碳化物，硬度高(6062HRC)，耐磨性高。零件的非渗碳表面和基体部分(心部) ：低碳回火马氏体淬透性高的钢种； 低碳回火马氏体加贝氏体( 4048HRC)淬透性中等的钢种； 低碳回火屈氏体( 2540HRC)淬透性小的钢种。四、典型渗碳钢及其应用1、 碳素渗碳钢： 15、 202、 合金渗碳钢按淬透性的高低可分为：(1) 低淬透性合金渗碳钢： 20Cr、 20Mn2等。这

33、类钢通常只用于制造受冲击载荷较小的，且对于心部要求不高的小型渗碳件，如小齿轮、活塞销、套 筒、链条等。（2）中淬透性合金渗碳钢： 20CrMnTi 、20Mn2TiB、20MnVB等。 这种钢大量用于制造承受高速、中载并要求抗冲击和耐磨损的零件，特别是汽车、拖拉机上的重要齿轮 及离合器轴等。（3）高淬透性合金渗碳钢： 12Cr2Ni4A 、15CrMn2SiMo、18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A 等。 主要用于制造大截面、高载荷的重要齿轮和耐磨件，如飞机、坦克中的重要齿轮及曲轴等。为了减少残余奥氏体的数量，通常可以采用下面的三种方法：第一种方法是淬火后进行冷处理（ -60-100 ），

34、使残余奥氏体继续转变为马氏体； 第二种方法渗碳及正火后进行一次高温回火（600620），随后再加热到较低温度（ Ac1+3050）淬火，最后再进行低温回火第三种方法是在渗碳后进行喷丸强化表 3-7 典型渗碳钢的成分钢号主要化学成分（ %）CMnSiCrTiNi150.12-0.190.35-0.650.17-0.3720Cr0.17-0.240.50-0.800.20-0.400.70-1.0020CrMnTi0.17-0.240.80-1.100.20-0.401.00-1.300.06-0.1220Cr2Ni40.17-0.240.30-0.600.20-0.401.25-1.753.25

35、-3.75表 3-8 典型渗碳钢的热处理和机械性能钢号热处理（）机械性能渗碳预备处理淬火回火bMPasMPa%kJ.cm15930890空790200500300151520Cr930880油80020085055010406020CrMnTi930880油870200110085010457020Cr2Ni4930880油78020012001100104580第五节 氮化钢一、氮化钢的特点1、优点： 明显提高零件疲劳强度和耐磨性； 具有对水、油等介质的耐腐蚀的能力； 零件的变形量很小； 氮化层在较高的温度仍能保持其硬度。2 、缺点：生产周期长，成本高二、氮化处理后的性能1、表面硬度：要求高

36、耐磨性的零件，表面硬度高达HV900 1000；仅要求高疲劳强度的零件，表面硬度可以为 HV500 800 。2、心部硬度：在氮化处理前零件经受调质处理，零件硬度为HV200 300，为回火索氏体组织，经氮化处理后，心部还具有良好的综合机械性能。三、氮化钢的合金化1、合金元素与钢的氮化工艺 氮化物形成元素 （ 如铝、钛、铌、钒、钼、铬、钨等 ） 能在 相中形成微细的氮化物颗粒，对 相起强化作 用。铝、钛、铌、钒是最有效的元素，其次是铬、钼、钨等元素。 氮化物形成元素阻碍氮原子向内部扩散，减少氮化层的层深。 非氮化物形成元素（如镍、硅、铜等）则阻碍氮原子的吸收，降低表面氮浓度，减少氮化层的深度。

37、2、钢的淬透性和淬火工艺 铝是非碳化物形成元素，铝的存在并不增加钢中碳化物的溶解温度； 铬、钼是增大钢的淬透性重要的元素； 钛、铌、钒等强碳化物形成元素存在时，需要提高淬火温度，使含钛、铌、钒的碳化物溶于奥氏体中， 增大钢的淬透性。 要使氮化过程中扩散进入 相的氮原子能与钒、钼、铬、铝等原子形成超细微的氮化物，对相基体起有效的硬化作用，那么，在调质处理淬火时，首先要使这些元素较多地溶入奥氏体，淬火成马氏体 时使这些元素被保留在马氏体中。3、合金元素与回火 铬、钼、钒元素溶入马氏体中时，分别能使钢在400 500、 500600、550650回火时保持高的强度。 钼可使钢在 510 580氮化长

38、期保温和随后炉冷时，不致产生回火脆化。四、氮化钢的热处理特点淬火高温回火氮化 氮化温度： 510-570 ，氮化层的厚度一般是 0.3 0.5mm。 氮化处理提高零件疲劳强度和耐磨性的原因：1） 表面形成高硬度的 - Fe4N ，-Fe2-3N 层2）渗入的氮原子与氮化物形成元素形成弥散的合金氮化物；3）表面渗入氮原子后体积膨胀，在表面产生残余压应力。五、典型氮化钢种及应用广泛应用的氮化钢主要是 38CrMoAlA、 38Cr2WVAlA、 35CrMo、 40CrV 等。 要求高耐磨性的零件要有高硬度的表面氮化层，一般采用含强氮化物形成元素铝的钢种，如38CrMoAl 。仅要求高疲劳强度的零

39、件，可采用不合铝的 Cr-Mo 型氮化钢，如 35CrMo、40CrV 等，其氮化层的硬度控制在500800HV。第六节 马氏体结构钢一、低碳马氏体结构钢1、 低碳和低合金1) 低碳马氏体的显微结构： 板条状马氏体板条间残余奥氏体薄膜弥散分布于板条内部的细小碳化物2) 低碳马氏体钢的性能： 静载下具有高强度，塑性和韧性 静载下具有低裂纹敏感性和低疲劳裂纹敏感性 与中碳调质钢相比具有低冷缩倾向3) 解释 板条束是脆性断裂的最小断裂单元，板条束的宽度愈小，钢的脆性转化温度愈低； 奥氏体晶粒愈细，淬火得到的马氏体的板条束的宽度也愈窄，韧性也愈好； 板条马氏体的板条束是平行长成的， 不象针状马氏体非平

40、行成长而发生相互撞击造成微裂纹， 这显 然也不降低钢的韧性。板条马氏体的相界还常常存在连续或不连续的残余奥氏体薄膜， 这种塑性的第二相的存在也促进实 现低碳马氏体性能的优化： 沿马氏体板条相界呈薄膜分布的奥氏体可以使裂纹分支， 增加能量消耗； 在应力作用下诱导残余奥氏体向马氏体转变而释放应力。4) 典型钢种1、15MnVB 提高螺钉加工性能，如冷拉和冷镦不产生裂纹，不损坏模具、螺丝板牙和滚丝轮 在 880 淬火 200 回火，其综合性能优于 QTS 40Cr2、15MnVB 添加Si, Mn 和 Mo 能强化马氏并获得良好的淬透性3、20SiMn2MoVA 和 25SiMn2MoVA 综合性能

41、良好 2、低碳中合金马氏体结构钢提高合金元素含量获得高强度高韧性 25Si2Mn2CrNiMoV ：1) 强化低碳马氏体而不牺牲韧性，有效利用碳的强化作用和Si, Mn, Ni ，Mo的固溶作用2) 很好地利用了低碳马氏体的高韧性并进一步提高韧性： 在合金化强化马氏体的同时，使其亚结构基本上保持位错型。 在马氏体板条相界形成稳定的残余奥氏体薄膜 在保证必要强度的情况下，尽可能提高回火温度，以使塑性、韧性得到较大的恢复。 采用精选原料、真空熔炼和细化晶粒(添加0.2V%)，以减少轧制元素的含量或改变其分布，也有利于改善钢的韧性。综上所述， Si 、Mn、Ni 和 Mo是这类钢成分设计时主要考虑的

42、元素。 次要考虑的合金元素还有：从改善淬透性和提高耐蚀性来考虑，加入1%左右的 Cr 也是必要的。从细化晶粒的角度来考虑，加入 V 可以细化晶粒，改善强韧性。 因此 25Si2Mn2CrNiMoV 钢的合金设计思路是合金化与强韧性机理综合运用的典型例子之一。3、低合金中碳马氏体结构钢合金元素：C：含碳量每增加 0.10%, 强度增加 300MPa；含碳量过高会减少塑性和韧性Si, Mn, Cr, Ni, Mo ：增加奥氏体稳定性和淬透性，以及强度V, Nb ：细化奥氏体和马氏体晶粒，增加塑性和韧性 加入合金元素使回火马氏体的低温回火脆性移向高温，即避开低温回火脆性的温度范围。采取提高钢 的纯度

43、，降低钢中夹杂物、气体及有害杂质元素含量的措施。从而进一步改善低合金中碳超高强度钢的韧性。4、马氏体时效钢 合金化原理 马氏体时效钢的高强度来自马氏体相变的固溶强化和低温强化，以及金属间化合物的时效强化。 时效强化的影响：置换元素的沉淀析出扩大了奥氏体区域。合金元素主要元素 Ni ：保证 M的形成，提高强度，减小其他元素的固溶度；减小位错运动阻力和位错与合金元 素间的相互作用能，减小冷缩裂倾向；有助于沉淀相的形核和长大，促进塑性和伸长性。 Co：扩大奥氏体区域，减小位错运动阻力和位错与合金元素间的相互作用能，促进M的形成。 Ni, Ti, Al, Mo, Nb Ni3Al 、Ni3Ti 、Ni

44、3Mo and Fe2Mo.马氏体时效钢的板条马氏体具有良好的塑性和韧性，又有较好的低温塑性和韧性。其原因在于板条 马氏体中具有大量数目的可动位错，组织中可动位错的利用率的增加不仅改善塑性，而且使解理缩小到 最低限度。马氏体时效钢的板条马氏体的强度并不高，但配合金属间化合物沉淀强化后可获得最佳的强 韧性。 Mo: 产生协同效应 : 钴减小含钼强化相的溶解度，使更多的强化相在时效过程中析出； 钼还可以降低马氏体时效钢的回火脆性。 钛除了形成沉淀相以外，还会与残余碳或氮形成钛的碳氮化合物而细化钢的组织，但它们常沉淀在 奥氏体晶界引起各向异性效应，并降低钢的塑性。铝对马氏体也有一定的强化效应，然而它

45、损害时效前后的延性。 马氏体时效钢的热处理相变滞后第七节 特殊用途钢一、高锰钢 10%14%Mn and 0.9%1.4%C 淬火后显微组织：单一奥氏体，高韧性，低屈服强度1、 性能：在冲击载荷和高压力作用下，表面迅速疲劳硬化，表面磨损，但内表面保持良好韧性。因此，高抗 冲击性能满足要求。加工硬化本质：严重变形后产生位错和孪晶， -M 和 -M ，阻碍位错运动。2、 组成：C 1.15% 1.25%Mn 扩大 相区，稳定奥氏体2.0%4.0%Cr或少量 Mo 和 V 高屈服强度，良好冲击韧性和高耐磨性Re 增加钢水流动性，增强模具充型能力，细化奥氏体晶粒，延迟碳化物在晶界沉淀析出，增加冷加 工

46、硬化作用和韧性3、热处理：水韧处理 : 将钢加热到单相奥氏体相区的温度范围保温，使网状碳化物充分溶入奥氏体，然后水冷，获得 单相奥氏体组织。水韧处理后的高锰钢受到冲击载荷后，表面会产生加工硬化，而内部仍是高塑性的奥氏 体。因此它兼有高硬度、高耐磨性及高的塑性。二、易切削钢和自由切削钢 金属材料的切削加工性不仅和材料中的非金属夹杂物或金属间化合物的数量、形态、性能、分布等有关， 而且还受材料的硬度和组织状态影响。1、 合金目的： 增加合金元素在 和 相中的固溶度； 改变非金属化合物的组成和性能； 形成固溶金属化合物。 合金元素： S, P, Se, Te, Pb, Ca形成 MnS, MnTe,

47、 PbTe, CaS, - CaO?SiO2, 2CaO?Al2O3?SiO2或 Pb2、 易切削钢的牌号：在钢号前加“ Y”，代表“易切削钢”（汉语拼音“易”的第一个字母）。Y 后面的阿拉伯数字表示平均含碳量（以万分之几计） 。加 S和加 P的易切削钢的牌号在符号 Y 和阿拉伯数字后不加易切削元素符号。较高 Mn含量的加 S和加 P 的易切削钢的牌号在符号 Y 和阿拉伯数字后加 Mn元素符号。对含 Ca、Pb等易切削元素的易切削钢，在符号Y 和阿拉伯数字后加易切削元素符号。第四章 工具钢性能要求力学 性能刃具钢高硬度，好的耐磨性，高的红硬性，一定的塑性和韧性热作模具钢高温下一定的强度，硬度，

48、好的抗热疲劳能力和韧性冷作模具钢高硬度，好的耐磨性，一定的塑性和韧性量具钢高硬度，好的耐磨性，一定的尺寸稳定性工艺 性能一定淬透性低形变，低裂纹倾向降低脱碳敏感性硅和钼含量超过 1时会加重脱碳敏感性，使其表面硬度降低，减少耐磨性加工性能过共析钢及莱氏体钢一般均需经过球化退火，以得到硬度较低的粒状珠光体组织以便切削一. 刃具钢1. 碳素工具钢（ 1）成分： 0.65-1.35%C, 碳含量越高，耐磨性越好，韧性越差2）热处理工艺锻打合适的锻打比可使碳化物均匀分布合适的终锻 / 终轧温度，过高产生网状渗碳体，过低导致塑性下降且易产生裂纹快冷至 600 700 ，然后慢冷至室温，防止产生网状渗碳体和

49、粗大晶粒球化退火调制不完全淬火Ac1+30-50 回火温度因工具的种类与用途而稍有差异。刃具通常采用180 210，螺纹工具（如板牙）采用 200 250。3）典型牌号的成分，性能及应用钢号化学成分硬度用途举例CSiMn供应状态（HB?淬火后HRCT70.65-0.740.350.4018762承受冲击，韧性较好、硬度适当的工具，如手钳、大锤、改锥、木工工具T80.75-0.840.350.4018762承受冲击，要求硬度较高的工具，如冲头、压缩空气工具、木工工具T8Mn0.80-0.900.350.40-0.6018762同上，但淬透性较大，可制断面较大的工具T90.85-0.940.350

50、.4019262韧性中等、硬度高的工具，如冲头、木工工具、凿岩工具T100.95-1.040.350.4019762不受剧烈冲击、高硬度耐磨的工具，如车刀、刨刀、丝锥、手锯条T111.05-1.140.350.4020762同上T121.15-1.240.350.4020762不受冲击、要求高硬度高耐磨的工具，如锉刀、刮刀、精车刀、量具T131.25-1.350.350.4021762同上，要求更耐磨的工具，如刮刀、剃刀2. 低合金工具钢1）成分成分作用Cr碳化物形成元素，稳定 A，提高淬透性阻碍碳化物的聚集和长大，提高 M的分解温度，提高回火稳定性阻止 Si 的石墨化倾向Si增加钢的淬透性，

51、提高钢的回火稳定性石墨化元素，在高碳钢中，高温加热时引起脱碳和促进石墨化。加W、Cr、 Mn等，减少钢的脱碳倾向Mn提高钢的淬透性，但 Mn增加钢的过热倾向W在工具钢中形成较稳定的碳化物，阻止钢的过热，保证晶粒细化，有利于提高钢的耐磨性V比其他元素更为有效地阻止奥氏体晶粒长大，降低过热敏感性2）热处理工艺锻打多次墩粗，使碳化物均匀分布淬火A温度比碳钢稍高，淬火介质：油和熔盐回火160-200 3）典型牌号，化学成分，热处理工艺及应用钢号化学成分， wt%热处理及硬度用途CMnSiCr其它淬火，淬火，HRC回火，回火 后，HRCCr061.30-0.400.400.50-800-63-65160-62-64锉刀、刮1.450.70810?180刀、刻刀?Cr20.95-0.400.401.30-830-62-65150-60-62同上1.10