工程材料及成型技术基础第5章金属材料

1、1第一节 碳钢一、常存杂质对碳钢性能的影响 碳钢是指含碳量小于2.11%的铁碳合金，但实际使用的碳钢并不是单纯的铁碳合金，除碳以外，还含有少量的锰、硅、硫，磷等，这些元素是从矿石、燃料和冶炼等渠道进入钢中的，这些元素统称为杂质，它们对钢的性能有一定的影响，下面作简要介绍。第六章第六章 金属材料金属材料一）杂质和气体的影响一）杂质和气体的影响 Mn 脱氧、去硫脱氧、去硫, ,提高钢的强度和硬度。提高钢的强度和硬度。 Si 有很强的固溶强化作用有很强的固溶强化作用, ,能脱氧。能脱氧。1.有益元素有益元素2.有害元素有害元素: : P 有很强的固溶强化作用有很强的固溶强化作用, ,低温低温 韧性差

2、韧性差 ( ( 冷脆冷脆 ) )。 S 能引起钢在热加工时或高温工作下能引起钢在热加工时或高温工作下开裂开裂 ( ( 热裂热裂 ) )。3.气体元素气体元素: N：钢中过饱和钢中过饱和N在常温放置过程中会发生在常温放置过程中会发生时时 效脆化效脆化。加加Ti、V、Al等元素可消除时效等元素可消除时效 倾向。倾向。 O：钢中的氧化物易成为钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源疲劳裂纹源。 H：原子态的过饱和氢时将降低韧性原子态的过饱和氢时将降低韧性, 引起引起氢氢 脆脆。当氢在缺陷处以当氢在缺陷处以 分子态析出时，会产分子态析出时，会产 生很高内压，形成微生很高内压，形成微 裂纹，其内壁为白色，裂纹，其内

3、壁为白色， 称称白点白点或或发裂发裂。钢中白点钢中白点5二、碳钢的分类碳钢的分类方法很多，下面介绍三种：(一)按钢的含碳量分1低碳钢 含碳量0.252. 中碳钢 含碳量在0.25 % -0.6 %之间3. 高碳钢 含碳量0.6 % 6(二)按钢的质量分类 主要是根据钢中含有害杂质S、P的多少来分：1普通碳素钢 钢中S，P的含量分别为0.05和0.045。2优质碳素钢 钢中S、P的含量均0035 。3高级优质碳素钢 钢中S、P的含量分别0.020和0.030 。7(三)按用途分类 1碳素结构钢 这类钢主要用于制造各种工程构件(如桥梁、船舶、建筑等)和机器零件(如齿轮、轴、螺钉、螺母、连杆等)，这

4、类钢一般属于低碳钢和中碳钢。 2碳素工具钢 这类钢主要用于制造各种刀具、量具、模具。这类钢含碳量较高，属于高碳钢。8三、碳钢的编号和用途 为了生产、加工处理和使用不致造成混乱，对各种钢材进行命名和编号。 (一)碳素结构钢 碳素结构钢是工程中应用最多的钢种,其产量约占钢总产量的70-80。按国家标准GB70088,碳素结构钢分为五类20种，如表所示。9 碳素结构钢的牌号是以钢材厚度(或直径)不大于16mm钢的屈服点(s )数值划分的，并且还有质量等级和脱氧方法的细划分。表中的符号、代号的意义如下。 Q钢屈服点“屈”字汉语拼音首位字母； A、B、C、D分别为质量等级； F沸腾钢“沸”字汉语拼音首位

5、字母； b半镇静钢“半”字汉语拼音首位字母，用小写b为便于与质量等级B级相区别；10Z镇静钢“镇”字汉语拼音首位字母；TZ特殊镇静钢“特镇”两字汉语拼音首位字母。 在牌号组成表示方法中，“Z”与“TZ符号予以省略。 例如；Q235-AF即表示屈服点数值为235Nmm2的A级沸腾钢。 11碳素结构钢的应用： Q195、Q215A、Q215B塑性较高，有一定强度，通常轧制成薄板，钢筋，钢管、型钢等，用作桥梁、钢结构等，也在机械制造中用作铆钉、螺钉、地脚螺栓、轴套、开口销，拉杆、冲压零件等。12 Q235A、Q235B、Q235C、Q235D强度较高，可用作转轴、心轴、拉杆、摇杆、吊钩、链等。Q25

6、5A、Q255B、Q275强度更高，可用作工具：轧辊、主轴、摩擦离合器、刹车钢带等。 13(二)优质碳素结构钢 这类钢中有害杂质及非金属夹杂物含量较少，化学成分控制得也较严格，塑性和韧性较高，多用于制造较重要零件。 这类钢的编号方法是以平均含碳量万分数表示，例如，平均含碳量为0.45的优质碳素结构钢，就称为45号钢。14(三)碳素工具钢 这类钢的编号方法是在“碳”或“T”后加一数字，数字表示钢的平均含碳量的千分数。 例如，碳7(或T7)，碳12(T12)分别表示平均含碳量为0.7 和1.2 的碳素工具钢。 碳素工具钢都是优质钢，若为高级优质碳素工具钢，则在钢号后面加一个“高”字或(A)，例如碳

7、12高(或T12A)。151.镇静钢镇静钢 ( killed steel )钢液在钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铅进行了充分脱浇注前用锰铁、硅铁和铅进行了充分脱氧氧 ,Wo = 0.01%左右左右, 成分较均匀、组织较致密。成分较均匀、组织较致密。主要用于机械性能要求较高的零件。主要用于机械性能要求较高的零件。2.沸腾钢沸腾钢 ( boiling steel ) 钢液在钢液在浇注仅前进行轻度假脱氧浇注仅前进行轻度假脱氧,Wo = 0.03%0.07%,成分偏析较严重、组织不致密。成分偏析较严重、组织不致密。机械性能不均匀机械性能不均匀, 冲击韧性差冲击韧性差, 常用于要求不高常用于要求不高的零件。

8、的零件。3.半镇静钢半镇静钢 ( balanced steel )半镇静钢是半镇静钢是脱氧过程介于镇静钢和沸腾钢之间脱氧过程介于镇静钢和沸腾钢之间的钢的钢,是用锰铁和硅铁进行脱氧。其质量也介于是用锰铁和硅铁进行脱氧。其质量也介于二者之间二者之间,可代替部分镇静钢可代替部分镇静钢,一般不适于做重一般不适于做重要零件。要零件。 第二节合金钢第二节合金钢 合金钢是在以碳元素为主要合合金钢是在以碳元素为主要合金元素的碳素钢的基础上发展起金元素的碳素钢的基础上发展起来的。在合金钢中，除了铁和碳来的。在合金钢中，除了铁和碳以外，还含有为某种目的（如增以外，还含有为某种目的（如增加淬透性，提高强度、耐磨性、

9、加淬透性，提高强度、耐磨性、红硬性、耐热性、耐腐蚀性等等）红硬性、耐热性、耐腐蚀性等等）而特意加入的其它合金元素，这而特意加入的其它合金元素，这些元素有些元素有MnMn、SiSi、CrCr、MoMo、NiNi、W W、TiTi、V V、NbNb等。等。 二）合金元素在钢中的作用二）合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的存在形式及主要作用：合金元素在钢中的存在形式及主要作用： 溶于铁素体内，形成合金铁素体。溶于铁素体内，形成合金铁素体。 作用：固溶强化。作用：固溶强化。 溶于渗碳体内，形成合金渗碳体，如溶于渗碳体内，形成合金渗碳体，如（FeFe，CrCr）3 3C C。 作用：提高碳化物硬度和稳定

10、性。作用：提高碳化物硬度和稳定性。 和碳形成特殊碳化物，如和碳形成特殊碳化物，如FeFe3 3W W3 3，CrCr2323C C6 6，MoMo2 2C C，TiCTiC。 作用：特殊碳化物稳定，硬度高，作用：特殊碳化物稳定，硬度高，可提高红硬性和耐磨性；特殊碳化物可提高红硬性和耐磨性；特殊碳化物细小弥散，起弥散强化作用。细小弥散，起弥散强化作用。合金元素对硬度的影响合金元素对硬度的影响合金元素对冲击韧性合金元素对冲击韧性的影响的影响与碳作用形成合金碳化物与碳作用形成合金碳化物 Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱弱强强v 弱碳化物元素弱碳化物元素: : Fe、Mn。v 中强碳

11、化物元素中强碳化物元素: : Cr、Mo、W。v 强碳化物元素强碳化物元素: : V、Ti、Nb、Zr。三三) )合金元素对合金元素对Fe-Fe3C相图的影响相图的影响 扩大奥氏体区扩大奥氏体区 缩小奥氏体区缩小奥氏体区 改变共晶点和共析点的参数改变共晶点和共析点的参数1.扩大奥氏体区的合金元素扩大奥氏体区的合金元素面心立方晶格的面心立方晶格的Mn、Ni、Co等元素以及等元素以及N和和C。作用作用: 使使A3线温度下降线温度下降, A4线温度上升。线温度上升。 Mn 元素对奥氏体区的影响元素对奥氏体区的影响2.缩小奥氏体区的合金元素缩小奥氏体区的合金元素体心立方晶格的体心立方晶格的Cr、Mo、

12、W、V、Ti、Si 等元素。等元素。作用作用: : 使使A3线温度上升线温度上升, A4线温度下降。线温度下降。 Cr 元素对奥氏体区的影响元素对奥氏体区的影响3.改变共晶点和共析点参数的元素改变共晶点和共析点参数的元素v几乎所有的合金元素。几乎所有的合金元素。v作用作用: : 使使S点和点和E点的点的成分向左移成分向左移。 即移向低碳的方向即移向低碳的方向 使使A1线线的的温度变化温度变化。 合金元素对合金元素对 S 点成分的影响点成分的影响合金元素对合金元素对A1线线的影响的影响四四) )合金元素对钢的热处理的影响合金元素对钢的热处理的影响 加热时对加热时对奥氏体形成奥氏体形成的影响的影响

13、 对对过冷奥氏体转变过冷奥氏体转变的影响的影响 对对回火转变回火转变的影响的影响1.合金元素对加热时奥氏体形成的影响合金元素对加热时奥氏体形成的影响除除Mn 元素外元素外, ,所有合金元素的加所有合金元素的加 入入, ,均使奥氏体的形成速度减慢。均使奥氏体的形成速度减慢。强碳化物形成元素强碳化物形成元素能强烈的阻止奥能强烈的阻止奥 氏体晶粒长大氏体晶粒长大( Ti、V、Zr、Nb 等等)。非碳化物形成元素非碳化物形成元素能轻微的阻止奥能轻微的阻止奥 氏体晶粒长大氏体晶粒长大( Si、Ni、Cu、Co 等等)。2.合金元素对过冷奥氏体转变的影响合金元素对过冷奥氏体转变的影响v 除除 Co 元素外

14、元素外, 所有的合金元素均使所有的合金元素均使 钢的钢的 TTT 曲线向右移。推迟奥氏体向珠光体和曲线向右移。推迟奥氏体向珠光体和贝氏体转变的过程，提高淬透性。贝氏体转变的过程，提高淬透性。v 除除 Co、Al 元素外元素外, 所有的合金元素所有的合金元素 都使都使马氏体转变温度马氏体转变温度下降。下降。v 提高钢的淬透性提高钢的淬透性, 常用的元素有常用的元素有: Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。等。3.合金元素对回火转变的影响合金元素对回火转变的影响回火抗力回火抗力的增加阻碍的增加阻碍F和和C的扩散，的扩散，提高马氏体的稳定性，推迟马氏体的分解和提高马氏体的稳定性，推迟马氏体的分解和残

15、余奥氏体的转变，阻碍碳化物的析出和聚残余奥氏体的转变，阻碍碳化物的析出和聚集长大集长大 二次硬化二次硬化的产生（红硬性提高）的产生（红硬性提高） 削弱削弱回火脆性（回火脆性（W,M） W、Mo、V 等碳化物在等碳化物在550时时,使钢达到最高硬度使钢达到最高硬度, 产生产生二次硬化二次硬化。 Cr-Ni 钢的回火脆性示意图钢的回火脆性示意图 防止第二类回火脆性的产生的方法防止第二类回火脆性的产生的方法:v在在500600 快速冷却。快速冷却。v加入合金元素加入合金元素W、Mo。因此，根据因此，根据合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的作用1.主加元素主加元素: 对提高钢的性能起主要作对提高钢的性

16、能起主要作 用。用。 Si、Mn、Cr、Ni、B。2.辅加元素辅加元素: 配合主加元素进一步提高配合主加元素进一步提高 钢的性能钢的性能,弥补主加元素的弥补主加元素的 不足与缺陷。不足与缺陷。 W、Mo、V、Ti、Nb。第二节第二节 钢的分类和编号钢的分类和编号 1.分类 钢材种类繁多，为便于生产使用和研究，进行了如下分类： 1）按化学成份分类 钢按化学成份不同可分为碳素钢和合金钢。碳素钢按碳含量的不同又分为低碳钢（含碳量小于0.25%），中碳钢（含碳量为0.250.6%）和高碳钢（含碳量大于0.6%）。合金钢按合金元素总量分为低合金钢（合金元素总量小于5%），中合金钢（合金元素总含量为510

17、%）高合金钢（合金元素总量大于10%） 有时，按合金钢中所含主要合金元素将合金钢分为锰钢，铬钢，铬钼钢或铬锰钛钢等。 2）按供应态的显微组织分类 一般钢的供应状态有退火态和正火态两种。 按正火态组织将钢分为珠光体类，贝氏体类，马氏体类及奥氏体类钢，在这里也不排除有过渡型混合组织出现的可能。 按退火态（即平衡态）组织可将钢分为亚共析、共析和过共析钢 。）按用途分类）按用途分类结构钢结构钢工具钢工具钢特殊性能钢特殊性能钢2. 钢的编号 我国的钢材编号是采用国际化学符号，数字及汉语拼音字母并用的原则，按碳含量、合金元素的按碳含量、合金元素的种类和数量以及质量级别来编号种类和数量以及质量级别来编号的的

18、。 1）普通结构钢 2）优质碳素结构钢 3）碳素工具钢 4）合金结构钢 5）合金工具钢 6）滚动轴承钢 7）不锈钢及耐热钢1）普通）普通碳素碳素结构钢结构钢 （普碳钢） 该类钢牌号表示方法是由代表屈服点 的 字 母 （ Q ） ， 屈 服 强 度 数 值（MPa值），质量等级符号（A，B，C，D）及脱氧方法符号（F，b，Z，TZ）等四部分按顺序组成。 Q 235 A F沸腾钢沸腾钢A等级等级235 MPa屈服强度屈服强度2）优质碳素结构钢 该类钢的钢号用钢中平均含碳量的两位数字表示，单位为万分之一。如钢号45，表示平均含碳量为0.45%的钢，这是正常含锰量（按杂质含量）的优质碳素结构钢的钢号表

19、示方法。 对含锰量较高的钢，须将锰元素标出。所谓较高含锰量系指含碳量大于0.6%、含锰量在(0.91.2)%者及含碳量小于0.6%、含锰量(0.71.0)%者，数字后面附加化学元素符号Mn。例如钢号25Mn，表示平均含碳量为0.25%而含锰量为(0.71.0)%的钢。 * * 45 - Wc = 0.45%* * 较高锰质量分数的优质碳素结构钢较高锰质量分数的优质碳素结构钢 45Mn - Wc = 0.45% ; WMn = 0.7%1.0%3）碳素工具钢 碳素工具钢是在钢号前加“T”表示，其后跟以表示钢中平均含碳量的千分之几的数字。如平均含碳量为0.8%的工具钢，其钢号记为“T8”。含锰量较

20、高者须在钢号后标以“Mn”。若为高级优质碳素工具钢则在钢号末端加“A”，如T10A。T 12 A高级优质高级优质 Wc = 1.2%碳素工具钢碳素工具钢4）合金结构钢 该类钢的牌号是由该类钢的牌号是由“数字数字+ +元素元素+ +数字数字”三部分组成。三部分组成。前面的数字（为两位数）表示平均含碳量的万分数，合金元素以化学元素符号表示，合金元素后面的数字（一位或两位数）表示该元素的平均百分含量，如果合金元素平均含量低于1.5%时，则不标明其含量；当其平均含量大于或等于1.5%至2.5%时则在元素后面标“2”，依此类推。 如60Si2Mn钢，其平均含碳量约0.6%，含硅2%及含锰1%5）合金工具

21、钢 该类钢的编号原则大体同合金结构钢，只是含碳量的表示方法不同，而合金元素的表示方法相同。钢号前表示其平均含碳量的是一位数字，为其千分数；当平均含碳量大于或等于1.0%时，则不标出含碳量。例如9Mn2V钢的平均含碳量为(0.85%0.95)%；而CrMn钢 中 的 平 均 含 碳 量 则 为 ( 1 . 3 1 . 5 ) % 。 高速钢是一类高合金工具钢，其钢号中一般不标出含碳量，仅标出合金元素符号及其平均含量的百分数。如W18Cr4V钢的平均碳含量为(0.70.8)%，而合金元素含量则约为18%W、4%Cr和1%V。6）滚动轴承钢 该 类 钢 含 碳 量 较 高 （ 一 般 约 为0.95

22、1.15%），在钢号中不标明；其钢号前冠以G表示“滚动轴承”钢，其后为铬（Cr）+数字+其它合金元素+数字+(）表示，数字表示铬平均含量的千分数，而其它合金元素后的数字则表示其百分数。如“滚铬15”（即GCr15），即是铬平均含量为1.5%滚动轴承钢。 7）不锈钢及耐热钢 这两类钢钢号前面的数字表示平均含碳量的千分数，如“9铬18”（即9Cr18）表示该钢平均含碳量为0.9%。但碳含量小于0.03%及0.08%者，在钢号前分别冠以“00”及“0”，如“00铬18镍1”（即00Cr18Ni10）等。应指出，上述钢中能起重要作用的微量元素如钛，铌，锆等虽然含量较低（一般小于1%甚至小于0(01%)

23、，但应在钢号中标出，且元素符号后不附加数字；而当其在某些钢中含量大于1%时，则必须在元素符号后加上其含量的百分数。 第三节第三节 合金结构钢合金结构钢 ( Alloy Constructional Steel ) 普通低合金钢普通低合金钢 合金渗碳钢合金渗碳钢 合金调质钢合金调质钢 弹簧钢弹簧钢 滚动轴承钢滚动轴承钢 易切削钢易切削钢一一. .普通低合金钢普通低合金钢 ( common low alloyed steel )1.化学成分化学成分: 碳素结构钢碳素结构钢 + 合金元素合金元素主加合金元素主加合金元素: Mn 1.8 %以内。以内。辅加合金元素辅加合金元素:V、Ti、Nb、B。2.

24、牌号牌号: Q 345 C 质量等级质量等级345 MPa屈服强度屈服强度3.3.热处理特点：热处理特点： 热轧空冷状态下使用，不需要进行专门的热处理。热轧空冷状态下使用，不需要进行专门的热处理。在有特殊需要时，如为了改善焊接接头性能，可进行一在有特殊需要时，如为了改善焊接接头性能，可进行一次正火处理次正火处理Q460钢含钢含Mo、B，正火组织，正火组织 为为B，强度高强度高，用于石化中温，用于石化中温 高压容器。高压容器。压力容压力容器器南京长江大南京长江大桥桥 Q345钢钢(16Mn)综合性能好综合性能好， 用于船舶、桥梁、车辆等大用于船舶、桥梁、车辆等大 型钢结构。型钢结构。 16Mn1

25、6Mn是我国低合金高强钢中是我国低合金高强钢中发展最早、使用最多、产量最发展最早、使用最多、产量最大的钢种。例如南京长江大桥、大的钢种。例如南京长江大桥、广州电视塔等。广州电视塔等。 Q390钢含钢含V、Ti、Nb，强度强度 高高，用于中等压力的容器。，用于中等压力的容器。万吨远洋轮万吨远洋轮4.典型典型普通低合金钢普通低合金钢二二.碳素渗碳钢及合金渗碳钢碳素渗碳钢及合金渗碳钢1.对渗碳钢的性能要求对渗碳钢的性能要求:2.对渗碳钢的含碳量的要求对渗碳钢的含碳量的要求: 低碳低碳3.渗碳钢的热处理特点渗碳钢的热处理特点:渗碳渗碳 淬火淬火 + 低温回火低温回火(180200)表硬里韧表硬里韧Wc

26、 0.25 %Wc = 0.150.25 %合金元素合金元素:Cr、Mn、 Ni、B、V、W、 Mo、Ti等。等。表层表层:M回回+Fe3C+A残残心部心部:F+P表层表层:M回回+Cm+A残残心部心部:低碳低碳M回回 +F碳素渗碳钢碳素渗碳钢合金渗碳钢合金渗碳钢化学成分化学成分热处理后的组织热处理后的组织4.合金渗碳钢的牌号合金渗碳钢的牌号20 Mn2 Ti A等级等级:高级优质高级优质含钛量含钛量WTi1.5 %含锰量含锰量WMn 2 %含碳量含碳量WC 20 %005.典型合金渗碳钢种介绍典型合金渗碳钢种介绍 低淬透性合金渗碳钢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 %

27、15Cr、20Cr、20Mn2。用用 于受力小的耐磨件，如柴于受力小的耐磨件，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中淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在钢含合金元素总量在4 %左左 右。右。20 CrMn、20CrMnTi、 20Mn2TiB。用于中等载荷。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。柴油机凸轮轴柴油机凸轮轴活塞销活塞销( 20Cr )高淬透性合金渗碳钢高淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在钢含合金元素总量在 4 % 6 %。18Cr2NiWA、 20Cr2Ni4A等。用于大载荷等。用于大载荷 的耐磨件，如柴油机曲轴。的耐磨

28、件，如柴油机曲轴。 柴油机曲轴柴油机曲轴三三.碳素调质钢及合金调质钢碳素调质钢及合金调质钢1.对调质钢的性能要求对调质钢的性能要求:既强又韧既强又韧2.对调质钢的含碳量的要求对调质钢的含碳量的要求:中碳中碳3.调质钢的热处理特点调质钢的热处理特点:淬火淬火 + 高温回火高温回火( 500650 )Wc = 0.250.6 %Wc = 0.250.5 %合金元素合金元素: Cr、Mn、 Ni、B、Si、V、 W、Mo、Ti等。等。表层表层: S回回碳素调质钢碳素调质钢合金调质钢合金调质钢化学成分化学成分热处理后的组织热处理后的组织心部心部: P + F表层表层: S回回心部心部: S回回4.合金

29、调质钢的牌号合金调质钢的牌号40Cr40Mn40MnB35CrMo38 Cr Mo Al A25Cr2Ni4WA5.典型合金调质钢种介绍典型合金调质钢种介绍 低淬透性调质钢低淬透性调质钢钢含合金元素总量钢含合金元素总量3 %。40Cr、40MnB等。等。 中淬透性调质钢中淬透性调质钢钢含合金元素总量在钢含合金元素总量在4 %左右。左右。38 CrSi、35 CrMo 等。等。圆圆锥锥齿齿轮轮柴油机凸轮轴柴油机凸轮轴常用于制造较小的齿轮、常用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。轴、螺栓等零件。 高淬透性调质钢高淬透性调质钢钢含合金元素总量在钢含合金元素总量在4 % 10 %。 制造大截面重载荷零件

30、，如制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的零件等曲轴等用高淬透性的零件等 。38 Cr Mo Al A、40 Cr Mn Mo、25 Cr2 Ni4 W A等。等。四四. .碳素弹簧钢及合金弹簧钢碳素弹簧钢及合金弹簧钢1.对弹簧钢的性能要求对弹簧钢的性能要求:高的高的e、高的、高的s/ b、高的、高的-1、良好的韧、良好的韧性性。2.对弹簧钢含碳量的要求对弹簧钢含碳量的要求:中、高碳。中、高碳。3.热成型弹簧钢的热处理特点热成型弹簧钢的热处理特点:淬火淬火 + 中温回火中温回火( 450550 )碳素弹簧钢碳素弹簧钢合金弹簧钢合金弹簧钢化学成分化学成分热处理后的组织热处理后的组织Wc =

31、0.60.9 %Wc = 0.50.7 %合金元素合金元素: Si、Mn、Cr、V、W、Mo等。等。T回回制造尺寸小于制造尺寸小于815mm的的小型弹簧。小型弹簧。T回回制造尺寸在制造尺寸在2025mm左右的弹簧。左右的弹簧。4.合金弹簧钢的牌号合金弹簧钢的牌号6565 Mn55 Si 2 Mn60 Si 2 Mn50 Cr V A50 Cr Mn A55 Si Mn Mo V Nb 5.弹簧生产工艺特点弹簧生产工艺特点 弹簧钢按其成形方法分为冷成型（强化后成形）及热成形（成形后强化）两类。其相应加工和热处理工艺为： （1）冷成形弹簧：对小型弹簧（如丝径小于(810)mm的螺旋弹簧或钢带），一

32、般在热处理强化后冷拔或冷卷成形。 为改善塑性提高强度，一般应在成形前等温冷却得到均匀细珠光体组织（如铅浴(450550)等温淬火冷拔钢丝工艺）或在冷拔工序中加入680 中间退火（冷拔钢丝工艺）；而在冷成形完成后必须要进行一次消除内应力，稳定尺寸并提高弹性极限的定型处理，处理温度为(250300),保温(12)h。冷成形后弹簧直径越小强化效果越好,强度极限可达1600MPa以上，且表面质量好。 （2）热成形弹簧：对于中大型弹簧一般应加热至奥氏体区进行热卷成型，并使成形温度略高于淬火温度，利用余热淬火，然后进行中温回火（ 回火温度(350450)，得到回火屈氏体组织，保证了高的弹性极限和足够韧性。

33、对热成形弹簧，由于加热过程易造成表面氧化和脱碳等缺陷，故一般还要补充进行一道表面喷丸处理，这样可大大提高其疲劳强度和寿命。如汽车板簧用60Si2Mn钢热成型后，经喷丸处理可使其寿命提高(35)倍。汽车板簧汽车板簧大型热卷弹簧大型热卷弹簧热卷大弹簧热卷大弹簧簧弹丝簧弹丝五五.滚动轴承钢滚动轴承钢 ( bearing steel )1.性能要求性能要求:v高的硬度强度和耐磨性高的硬度强度和耐磨性;v高的接触疲劳强度高的接触疲劳强度;v足够的韧性和耐蚀性足够的韧性和耐蚀性;v高的纯净度高的纯净度;滚珠轴滚珠轴承承滚针轴承滚针轴承滚柱轴承滚柱轴承2.化学成分特点化学成分特点:高碳高碳, Wc = 0.

34、91.1%。主加主加Cr, 0.41.65 % 辅加辅加Si、Mn。优质钢材优质钢材。3.热处理特点热处理特点:球化退火球化退火+ 淬火淬火+ 低温回火低温回火极细回火马氏体极细回火马氏体+ +细粒状碳化物细粒状碳化物+ +少量残余奥氏体少量残余奥氏体4.滚动轴承钢的牌号滚动轴承钢的牌号G Cr9 Si Mn 含含Mn量量WMn1.5 % 含含Si量量WSi1.5 % 含含Cr量量WCr 0.9 % 滚动轴承钢滚动轴承钢六六.易切削钢易切削钢( fee cutting steel )2.性能要求性能要求:降低切削力和切削热降低切削力和切削热,减少刀具减少刀具磨损磨损,延长刀具寿命延长刀具寿命,

35、改屑性能改屑性能,提高切削速度。提高切削速度。3.化学成分特点化学成分特点:1.用途用途:适用于高速切削和在自动加工机适用于高速切削和在自动加工机床上加工的材料。床上加工的材料。S:Ws = 0.080.3%Pb:WPb=0.150.25%Ca:微量微量4.易切削钢的牌号易切削钢的牌号Y 40 Mn 含锰量含锰量WMn 1.5 % 含碳量含碳量WC 0.4 % 易切削钢易切削钢5.易切削钢的热处理工艺特点易切削钢的热处理工艺特点 低碳易切削钢低碳易切削钢 ( Y12、Y15、Y20 ) 渗碳渗碳或或淬火淬火成成低碳马氏体低碳马氏体。 中碳易切削钢中碳易切削钢 ( Y40 ) 调质调质及及表面淬

36、火表面淬火。 第四节第四节 合金工具钢合金工具钢合金刃具钢合金刃具钢 ( alloy cutting steel )合金模具钢合金模具钢 ( alloy die steel )合金量具钢合金量具钢( alloy measuring steel )量量 具具刃刃 具具模模 具具一一.碳素刃具钢碳素刃具钢1.性能要求性能要求:高硬度、高耐磨性高硬度、高耐磨性,有一有一定的强度和韧性。定的强度和韧性。2.化学成分特点化学成分特点:高碳。高碳。3.热处理特点热处理特点:淬火淬火 + 低温回火低温回火4.组织组织: M回回 + Fe3C + A残残5.用途用途:用于低速、低温用于低速、低温(200）、）

37、、 低冲击、硬度在低冲击、硬度在HRC62左右的左右的 刃具。刃具。锉锉 刀刀手手 锤锤二二.合金刃具钢合金刃具钢 种类种类 : 低合金刃具钢低合金刃具钢 ; 高速钢。高速钢。 牌号牌号 :合金元素及含量合金元素及含量千分之几的含碳量千分之几的含碳量 9 Si Cr W18 Cr4 V1.低合金刃具钢低合金刃具钢1.性能要求性能要求:高硬度、高耐磨性、有一高硬度、高耐磨性、有一定的红硬性、强度和韧性定的红硬性、强度和韧性,工作温度不超过工作温度不超过300。2.化学成分特点化学成分特点:*高碳高碳*加入加入Cr、Mn、Si、 W、V 等合金元素。等合金元素。3.热处理特点热处理特点:球化退火球

38、化退火 淬火淬火 + 低温回火低温回火 2.高速钢高速钢 ( high speed steel )(1) 性能要求性能要求:高硬度、高耐磨性、高的红硬性高硬度、高耐磨性、高的红硬性(600时时,HRC63以上以上) 、有一定的强度和韧性。、有一定的强度和韧性。高速钢高速钢 - 锋钢、白钢锋钢、白钢 ; 18 4 1 钢钢车刀车刀铣刀铣刀钻头钻头(2) 化学成分特点化学成分特点:v高碳高碳 0.71.5%:v钨钨 18%:v钼钼 5%:v铬铬 4%:v钒钒1.5%: 保证高硬度保证高硬度退火状态下形成退火状态下形成M6C碳化物碳化物,在在560左右回火时左右回火时, 弥散析弥散析出出W2C, 造

39、成二次硬化造成二次硬化, 提高提高钢的红硬性钢的红硬性。1%Mo的作用等同于的作用等同于2%W。形成形成Cr23C6碳化物碳化物;提高钢的提高钢的淬透性淬透性。形成形成VC, 硬度极高硬度极高, 提高钢的提高钢的硬度和耐磨性硬度和耐磨性, 产生二次硬化。产生二次硬化。(3) W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点钢的生产工艺及热处理特点铸造铸造 锻造锻造 球化退火球化退火 机加工机加工 淬火淬火+三次三次570回火回火 磨削加工磨削加工 铸造铸造:高速钢属于高速钢属于莱氏体钢莱氏体钢,铸态组织铸态组织 中含有中含有大量呈鱼骨状分布的粗大量呈鱼骨状分布的粗 大共晶碳化物大共晶碳化物M6C,钢的韧

40、性大钢的韧性大 幅下降。幅下降。 W18Cr4V钢的铸态组织钢的铸态组织W18Cr4V铸造组织 130 W18Cr4V钢的铸态组织钢的铸态组织W18Cr4V铸态组织 420 锻造锻造:鱼骨状碳化物不能用热处理来消除鱼骨状碳化物不能用热处理来消除,只能依只能依 靠反复多次锻打来击碎。靠反复多次锻打来击碎。W18Cr4V锻造组织 210 球化退火球化退火:消除应力消除应力,调整组织调整组织,便于机加工便于机加工, 为淬火作好组织准备。为淬火作好组织准备。球化退火后的组织球化退火后的组织 : S + 粒状粒状 Cm W18Cr4V球化退火组织 420 W18Cr4V钢的热处理过程示意图钢的热处理过程

41、示意图淬火淬火 : 1280; 淬火后的组织淬火后的组织:M+Cm+A残残(2025%) W18Cr4V钢淬火组织钢淬火组织 W18Cr4V淬火组织 300 三次三次570回火回火在在570回火时回火时 , 产生产生二次硬化。二次硬化。三次三次570回火回火*淬火后淬火后A残约残约2025 %。*第一次回火后第一次回火后A残约剩残约剩1518 %。*第二次回火后第二次回火后A残约剩残约剩35 %。*第三次回火后第三次回火后A残约剩残约剩12 %。回火后的组织回火后的组织: M回回 + Cm + A残残 ( 1 2 % )组织硬度组织硬度为为65HRC以上。以上。 W18Cr4V淬火淬火+ 一次

42、回火组织一次回火组织W18Cr4V淬火+一次回火组织105 W18Cr4V淬火淬火+ 三次回火组织三次回火组织W18Cr4V淬火+ 三次回火组织 420 三三.合金模具钢合金模具钢( alloy die steel )v热作模钢热作模钢:工作温度为工作温度为600以上。以上。v冷作模钢冷作模钢:工作温度为工作温度为200300。一一) 热作模钢热作模钢 ( hot die steel )1.性能要求性能要求:高的热硬性、高温耐磨性高的热硬性、高温耐磨性;高的抗氧化能力高的抗氧化能力;高的热强性和足够高的韧性高的热强性和足够高的韧性;高的热疲劳抗力高的热疲劳抗力( 防止龟裂防止龟裂 );高的淬透

43、性和导热性高的淬透性和导热性; 2.化学成分特点化学成分特点:中碳中碳 0.30.6 %;合金元素合金元素:Cr、Ni、Mn、 Si、Mo、W、V。曲轴模具曲轴模具3.热处理特点热处理特点: *热锻模钢热锻模钢: 5 CrMnMo 热处理工艺热处理工艺: 淬火淬火 + 550回火回火 热处理后的组织热处理后的组织: S回或回或T回回 温度时间500820850预冷预冷油冷油冷530550回火回火 *热压模钢热压模钢: 3 Cr2W8V 热处理工艺热处理工艺: 淬火淬火 + 600三次回火三次回火 热处理后的组织热处理后的组织: M回回 + Cm粒状粒状二二) 冷作模钢冷作模钢 ( cold d

44、ie steel )1.性能要求性能要求:高的硬度高的硬度,HRC62;高的耐磨性高的耐磨性;足够高的韧性与疲劳抗力足够高的韧性与疲劳抗力;热处理变形小热处理变形小;2.化学成分特点化学成分特点:高碳高碳 12 %;合金元素合金元素:Cr, Mo、W、V。汽车冲压模具汽车冲压模具3.热处理特点热处理特点: *一次硬化法一次硬化法: 淬火淬火 + 低温回火低温回火 ( 9501000 ) ( 150180 ) *二次硬化法二次硬化法: 淬火淬火 + 三次回火三次回火 ( 11001000 ) ( 510520 )热处理后的组织热处理后的组织: M回回 + Cm + A残残牌号牌号: Cr12、C

45、r12MoV四四.合金量具钢合金量具钢1.性能要求性能要求:高的硬度高的硬度, HRC62;高的耐磨性高的耐磨性;高的尺寸稳定性高的尺寸稳定性;足够高的心部韧性足够高的心部韧性;热处理变形小热处理变形小; 尺寸稳定尺寸稳定;良好的耐蚀性良好的耐蚀性;卡卡 尺尺量量 规规千分尺千分尺3.热处理特点热处理特点:4.热处理后的组织热处理后的组织: M回回 + Cm淬火淬火 冷处理冷处理 ( - 70 - 80 ) 低温回火低温回火 时效处理时效处理 ( 120130,几十小时几十小时 ) 5.牌号牌号: CrWMn、4Cr13、GCr15、 9SiCr、T12A、60等。等。2.化学成分特点化学成分

46、特点:高碳高碳 0.91.5 %;合金元素合金元素:Cr, Mn、W。第五节第五节 特殊性能钢特殊性能钢 特殊性能钢是指具有特殊物理化学性特殊性能钢是指具有特殊物理化学性并可在特殊环境下工作的钢，如不锈钢并可在特殊环境下工作的钢，如不锈钢耐热钢，耐磨钢及低温用钢等。耐热钢，耐磨钢及低温用钢等。 不锈钢不锈钢 ( stainless steel ) 耐热钢耐热钢 ( heat resistant steel ) 耐磨钢耐磨钢 ( wear resistant steel ) 一一.不锈钢不锈钢 ( stainless steel )1.定义定义: 在腐蚀介质中具有很高的抗腐在腐蚀介质中具有很高的

47、抗腐 蚀能力的钢。蚀能力的钢。2.概念概念:*在在空气空气中的年腐蚀量为中的年腐蚀量为0.01mm 以内的钢以内的钢, 称为在空气中使用的称为在空气中使用的 不锈钢。不锈钢。 *在在强酸、强碱强酸、强碱介质中的年腐蚀介质中的年腐蚀 量为量为0.1mm以内的钢以内的钢,称为在强称为在强 酸、强碱介质中使用的不锈钢。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机理.金属腐蚀的种类金属腐蚀的种类:1)化学腐蚀化学腐蚀: 金属与介质金属与介质 ( 干燥气体和干燥气体和 非电解质溶液非电解质溶液 ) 发生化学发生化学 反应而产生的腐蚀。反应而产生的腐蚀。 例如例如:高温氧化、脱碳等。高温氧化、

48、脱碳等。2)电化学腐蚀电化学腐蚀:金属与介质金属与介质 ( 电解质溶电解质溶 液液,即酸、碱、盐溶液即酸、碱、盐溶液 ) 发生电化学反应而产生发生电化学反应而产生 的腐蚀。的腐蚀。电化学腐蚀过程示意图电化学腐蚀过程示意图 珠光体电化学腐蚀示意图珠光体电化学腐蚀示意图4.金属的防腐措施金属的防腐措施:1)覆盖层保护覆盖层保护: 涂漆、电镀、发蓝、磷化等工艺。涂漆、电镀、发蓝、磷化等工艺。2)形成氧化层形成氧化层: 加入合金元素加入合金元素Cr、Al、Si 等等,形成形成Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜。等氧化膜。 3)提高金属的电极电位提高金属的电极电位: 加入合金元素加入合金元素Cr、

49、Ni、Si等等,提高金属基体的电极电位。提高金属基体的电极电位。4)使钢在室温下呈单相组织使钢在室温下呈单相组织:加入合金元素加入合金元素 Mn、Ni、Co等能扩大等能扩大 区区,可在室温获得可在室温获得奥氏体钢奥氏体钢。加入合金元素加入合金元素 Cr、Mo、W、V、Ti、 Si 等能扩大等能扩大区区,可在室温获得可在室温获得铁素体铁素体 钢。钢。5)减少与消除钢中的各种不均匀现象减少与消除钢中的各种不均匀现象: 偏析、应力、组织等。偏析、应力、组织等。6)牺牲阳极保护阴极牺牲阳极保护阴极 : 镶嵌一些比金属镶嵌一些比金属 或合金基体电极电位更低的金属块。或合金基体电极电位更低的金属块。5.化

50、学成分特点化学成分特点: * 低碳低碳:耐蚀性要求愈高耐蚀性要求愈高,碳含量愈低。碳含量愈低。 * 合金元素合金元素:主加主加Cr。 辅加辅加Ni、Mo、Cu、Ti、 Nb、Mn 等。等。6.常用的不锈钢常用的不锈钢: *马氏体型不锈钢马氏体型不锈钢 *铁素体型不锈钢铁素体型不锈钢 *奥氏体型不锈钢奥氏体型不锈钢1)马氏体型不锈钢马氏体型不锈钢 - Cr13型钢型钢化学成分特点化学成分特点: Wc = 0.1 0.4 % WCr = 13 %热处理特点热处理特点:铬多碳高,正火正火后的组体是后的组体是马氏体马氏体。性能：较高的强度，耐磨和耐蚀性牌号牌号: 1Cr134Cr13用途用途: 医疗器

51、械医疗器械医用镊子医用镊子 1Cr13金相组织图金相组织图1Cr13供货状态组织 ( 化染 ) 580 2)铁素体型不锈钢铁素体型不锈钢化学成分特点化学成分特点: Wc = 0.1 %左右左右 WCr = 17 %热处理特点热处理特点: 不能进行热处理强化不能进行热处理强化。牌号牌号: 1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等。等。用途用途:化工设备中要求耐蚀性高、塑化工设备中要求耐蚀性高、塑 性好、强度低的容器、管道等。性好、强度低的容器、管道等。铁素体型不锈钢的用途铁素体型不锈钢的用途硝酸生产装置硝酸生产装置合成氨生产装置合成氨生产装置3)奥氏体型不锈钢奥氏体型不锈钢-18 8型钢型钢化学

52、成分特点化学成分特点: Wc = 0.08 0.14 % WCr = 1719 % WNi = 811 % Cu、Ti、Mo等。等。加工特点加工特点:不能进行热处理强化不能进行热处理强化,只能只能 冷塑性变形强化。冷塑性变形强化。热处理特点热处理特点:固溶处理固溶处理;稳定化处理稳定化处理; 消除应力退火。消除应力退火。牌号牌号: 0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、 0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti用途用途: 化工容器、管道等。化工容器、管道等。大型化工储罐大型化工储罐(304)(304)管板换热器管板换热器 ( 304 ) 1Cr18Ni9Ti固溶处理组织金相图固溶处理组织金相图

53、1Cr18Ni9Ti固溶处理组织 580 二二.耐热钢耐热钢1.定义定义:在高温下具有抗氧化性和高温在高温下具有抗氧化性和高温 强度的特殊钢。强度的特殊钢。2.性能要求性能要求抗氧化性抗氧化性 ( 热稳定性热稳定性 )高温强度高温强度( 热强性热强性 )蠕变强度蠕变强度持久强度持久强度3.提高钢的耐热性的途径提高钢的耐热性的途径: 加入合金元素加入合金元素Cr、Si、Al等等,在在 钢的表面形成稳定、致密的氧化膜。钢的表面形成稳定、致密的氧化膜。4.提高钢的耐热性的途径提高钢的耐热性的途径: 1)固溶强化固溶强化:加入加入W、Mo、 Nb、Ti、 V等元素强化基体等元素强化基体;提高再结晶温度

54、。提高再结晶温度。 2)弥散强化弥散强化:加入加入Nb、V、Ti等元素形等元素形 成碳化物成碳化物,在晶内弥散析出在晶内弥散析出,阻碍位错阻碍位错 的滑移的滑移,提高塑变抗力。提高塑变抗力。5.钢种及钢种及 用途用途 抗氧化钢抗氧化钢 ( 不起皮钢不起皮钢 ) :奥氏体型钢奥氏体型钢1Cr18Ni9Ti等等,工作温度工作温度 850。热强钢热强钢珠光体型珠光体型 16Mo，工作温度工作温度 600。马氏体型马氏体型1Cr13，工作温度工作温度 600。奥氏体型奥氏体型18-8型，型，工作温度工作温度 850。耐耐 热热 钢钢 的的 用用 途途发动机叶片发动机叶片航空发动机航空发动机汽轮机叶片汽

55、轮机叶片汽车阀门汽车阀门三三.耐磨钢耐磨钢( wear-resistant steel )1.定义定义:在强烈冲击载荷作用下发生冲击形变硬化的高锰钢。在强烈冲击载荷作用下发生冲击形变硬化的高锰钢。球磨机球磨机挖掘机挖掘机颚式破碎机颚式破碎机2.性能要求性能要求:高硬度、耐磨性、韧性。高硬度、耐磨性、韧性。3.化学成分特点化学成分特点:高碳高碳 Wc = 11.3 %高锰高锰 WMn = 1114 % 4.热处理特点热处理特点:水韧处理。水韧处理。（即固溶处理）-将铸件加热至高温（10001100）并适当保温，使碳化物完全溶入奥氏体中，然后水淬激冷，使碳化物不析出而得到单相奥氏体组织。此时钢的硬

56、度很低， 约HB(190220)， 但韧性很高。5.室温组织室温组织: :过饱和单相奥氏体。过饱和单相奥氏体。水韧处理的工艺特征水韧处理的工艺特征铸态组织高锰钢铸态组织高锰钢加热到加热到10501100A水淬水淬A受到剧烈冲击或较大压力受到剧烈冲击或较大压力表层表层MHB500心部心部AHB220 A + Cm 高锰钢铸态组织高锰钢铸态组织高锰钢铸态组织 ( 化染 ) 58 高锰钢水韧淬火组织金相图高锰钢水韧淬火组织金相图高锰钢水韧淬火组织 ( 化染 ) 58 高锰钢水韧淬火高锰钢水韧淬火+回火组织金相图回火组织金相图高锰钢水韧淬火+回火组织 ( 化染 ) 105 5.牌号牌号ZG Mn13

57、- 1一号铸造高锰钢一号铸造高锰钢锰含量锰含量WMn 13 %铸钢铸钢铁路道岔铁路道岔履带履带球磨机衬板球磨机衬板挖挖掘掘机机铲铲齿齿 高锰钢广泛用于既要求耐高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件。磨又要求耐冲击的零件。如拖如拖拉机的履带板、球磨机的衬板、拉机的履带板、球磨机的衬板、破碎机的牙板、挖掘机的铲齿破碎机的牙板、挖掘机的铲齿和铁路的道岔等。和铁路的道岔等。钢钢 号号钢钢 种种合金元素的主要作用合金元素的主要作用热处理特点热处理特点使用状态下组织使用状态下组织Q345低合金高强低合金高强度结构钢度结构钢Mn:强化强化F，增加，增加P量，降量，降低冷脆转变温度低冷脆转变温度热轧空冷热

58、轧空冷F+P65Mn弹簧钢弹簧钢Mn:提高淬透性，强化提高淬透性，强化F淬火淬火+中温回火中温回火T回回ZGMn13耐磨钢耐磨钢Mn:获得单相获得单相A组织组织水韧处理水韧处理表表:M+碳化物碳化物 心心:A20Cr渗碳钢渗碳钢Cr:提高淬透性，强化提高淬透性，强化F渗碳渗碳+淬火淬火+低低温回火温回火表表: M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A心心: M回回+F40Cr调质钢调质钢Cr:提高淬透性，强化提高淬透性，强化F调质处理调质处理S回回9SiCr低合金工具钢低合金工具钢Cr:提高淬透性提高淬透性淬火淬火+低温回火低温回火M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A (少量少量)GCr15滚动轴

59、承钢滚动轴承钢Cr:提高淬透性，耐磨性、提高淬透性，耐磨性、耐蚀性耐蚀性淬火淬火+低温回火低温回火M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A (少量少量)1Cr13马氏体不锈钢马氏体不锈钢Cr:提高耐蚀性提高耐蚀性淬火淬火+高温回火高温回火S回回5CrNiMo热作模具钢热作模具钢Cr、Ni:提高淬透性，强化提高淬透性，强化F淬火淬火+高温回火高温回火S回回Mo:防止高温回火脆性防止高温回火脆性Cr12MoV冷作模具钢冷作模具钢Mo:细化晶粒，提高耐磨性细化晶粒，提高耐磨性淬火淬火+低温回火低温回火M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A (少量少量)W18Cr4V高速钢高速钢V:提高耐磨性、热硬性提高耐

60、磨性、热硬性淬火淬火+低温回火低温回火M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A (少量少量)1Cr18Ni9Ti不锈钢不锈钢Ti:防止晶间腐蚀防止晶间腐蚀固溶处理固溶处理A138铸铁铸铁第一节第一节 概概 述述一、铸铁的成分和特性一、铸铁的成分和特性 铸铁是含有碳、硅等的铁碳合金。常用铸铸铁是含有碳、硅等的铁碳合金。常用铸铁的成分大致为：铁的成分大致为：2.5-4.02.5-4.0C C，1.01.03.03.0Si,0.5-1.4Si,0.5-1.4MnMn，0.01-0.50.01-0.5P,0.02-P,0.02-0.20-0.20S S。可见，与钢相比，铸铁含。可见，与钢相比，铸铁含C C