第5章 合金钢

1、 为了改变碳素钢的力学性能、工艺性能或某些特殊的物理、化学性能，在冶炼时，有选择地向钢液中加入一些合金元素，如猛、硅、镍、铝、钛、稀土等，这类钢就称为合金钢。 1、淬透性低 碳钢淬火要求水冷，而水冷的最大淬透直径为1520mm，因此在制作大型工件或复杂的工件时，不能保证性能的均匀性和几何形状不变。 2、强度和屈强比较低 强度低使工程结构和设备笨重 3、回火稳定性差 在进行调质处理时，为了保证较高强度而回火温度应低些时，韧性又偏低，为了保证较好韧性而回火温度应高些时强度又偏低，所以碳钢的综合机械性能很难提高上去。 4、不能满足某些特殊性能的要求 碳钢在抗氧化、耐腐蚀、耐热、耐低温和耐磨，以及特殊

2、电磁性能等方面往往较差，不能满足特殊使用要求。 主要内容： 合金元素与铁和碳的作用、对铁碳相图的影响，以及对热处理的影响规律。 1、溶入铁中 a、扩展相区(有限扩大相区) 虽然相区也随合金元素的加入而扩大，但由于合金元素与-Fe和-Fe均形成有限固溶体，并且也使A3（GS线）降低，A4（JN线）升高，但最终不能使相区完全开启。 这类合金元素主要有C、N、Cu、Zn、Au等。相区借助C及N而扩展，当C含量在0-2.11%（重量）范围内，均可以获得均匀化的固溶体（奥氏体），这构成了钢热处理的基础。 缩小相区(但不能使相区封闭) 合金元素使A3升高，A4下降，使相区缩小但不能使其完全封闭。这类合金元

3、素有：B、Nb、Zr、Ta等。 综上所述，可将合金元素分为奥氏体形成元素和铁素体的形成元素两大类对生产实际有重要的指导意义。通过控制钢中合金元素的种类和含量，使钢在室温下获得单相组织。如发展奥氏体钢时，需要往钢中加入Ni、Mn、N等奥氏体形成元素；欲发展铁素体钢时，需要往钢中加入大量的Cr、Si、Al、Mo、Ti等铁素体形成元素。 2、形成碳化物 规律性（按强弱分类）: 碳化物形成元素包括Fe、Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ti、Zr等。碳化物是钢中主要的强化相。碳化物形成元素均位于Fe的左侧。非碳化物形成元素包括Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等，与碳不能形成碳化物，但可固溶于Fe

4、形成固溶体，或形成其它化合物，如氮化物等。非碳化物形成元素均处于周期表Fe的右侧。 碳化物的特性 硬度大、熔点高（可高达3000），分解温度高（可达1200）；间相碳化物虽然含有50%-60%的非金属原子，但仍具有明显的金属特性；可以溶入入类金属原子，呈缺位溶入固溶体形式，在合金钢中常遇到这类碳化物。如：Fe3W3C、Fe4W2C、Fe3Mo3C等。 1合金元素对奥氏体、铁素体区存在范围的影响 A、扩大相区的合金元素(如Ni、Co、Mn等)均扩大铁碳相图中奥氏体存在的区域。其中完全扩大相区的合金元素Ni或Mn的含量较多时，可使钢在室温下得到单相奥氏体组织，例如1Cr18Ni9高镍奥氏体不锈钢和

5、ZGMn13高锰耐磨钢等。 B、缩小相区的合金元素(如Cr、W、Mo、V、Ti、Si等)均缩小铁碳相图中奥氏体存在的区域。其中完全封闭相区的合金元素（例如Cr、Ti、Si等）超过一定含量后，可使钢在包括室温在内的较大范围内获得单相铁素体组织，例如1Cr17Ti高铬铁素体不锈钢等。 扩大相区的元素使铁碳合金相图的共析转变温度下降；缩小相区的元素使铁碳合金相图的共析转变温度上升。 几乎所有合金元素都是共析点碳含量降低；共晶点也有类似的规律，尤其以强碳化物形成元素的作用最为强烈。 大多数合金元素均使ES线左移。E点左移，意味着钢中含碳量不到2.11%就会出现共晶莱氏体；S点左移，意味着钢中含碳量不到

6、0.77%时，就会出现二次渗碳体。由此可见，要判断一个合金钢是亚共析钢还是过共析钢，不能像碳钢那样根据Fe-Fe3C相图。而应根据Fe-C-Me三元相图和多元铁基合金系相图来进行分析。 合金元素对热处理的影响主要表现在对加热、冷却和回火过程中相变的影响上。 （1）Me对奥氏体形成速度的影响 奥氏体的形成速度取决于奥氏体晶核的形成和长大，两者都与碳的扩散有关。 非碳化物形成元素Co和Ni等提高碳在奥氏体中的扩散速度，增大奥氏体的形成速度。Si、Al、Mn等对碳在奥氏体中的扩散速度影响较小，故对奥氏体的形成速度影响不大。 强碳化物形成元素Cr、Mo、W、V等与碳的亲和力较大，显著妨碍碳在奥氏体中的

7、扩散，大大减慢了奥氏体的形成速度。 （2）Me对奥氏体晶粒长大倾向的影响 合金元素形成的碳化物在高温下越稳定，越不易溶入奥氏体中，能阻碍晶界长大，显著细化晶粒。按照对晶粒长大作用的影响， 合金元素可分为： Ti、V、Zr、Nb等强烈阻止奥氏体晶粒长大，Al在钢中易形成高熔点AlN、Al2O3细质点，也能强烈组织晶粒长大； W、Mo、Cr等阻碍奥氏体晶粒长大的作用中等； Ni、Si、Cu、Co等阻碍奥氏体晶粒长大的作用轻微； Mn、P、B则有助于奥氏体的晶粒长大。Mn钢有较强烈的过热倾向，其加热温度不应过高，保温时应较短。 5.1.4.1 合金元素对钢的强度的影响 1、强化机制 钢中Me的强化作

8、用主要有以下四种方式： （1）固溶强化：溶质原子，应力场，与位错交互作用。 （2）晶界强化（细晶强化）：晶界特性，细化晶粒 （3）第二相强化：弥散强化，沉淀强化（可变形）。 （4）位错强化：相变 通过这四种方式单独或综合加以运用，便可以有效地提高钢的强度。 2、钢的强度 提高钢强度最重要的方法是淬火和随后的回火。 钢淬火得到马氏体： A、马氏体中溶有过饱和的碳及合金元素，产生很强的固溶强化效应。 B、马氏体形成时产生高密度位错，位错强化效应很大。 C、奥氏体转变为马氏体时，形成许多极细小的、取向不同的马氏体束，产生细晶强化效应。 1、韧性的概念：指材料对断裂的抗力 2、按断裂的性质分类： 脆性

9、断裂：断裂时不发生明显的塑性变形 韧性断裂：断裂时发生显著的塑性变形 3、金属存在三种基本形式的断裂: 解理断裂：金属沿特定的晶面断开。多发生在温度低、加载速度大、金属塑性差的情况下 韧窝断裂：以金属中某些第二相粒子或夹杂物为中心形成孔洞，然后孔洞长大、汇合而导致断裂，在断口上有大量窝坑，是一种韧性断裂形式。 沿晶断裂：裂纹由晶界产生并沿晶界传播而发生断裂，是脆性断裂形式。 2、提高钢韧性的途径 A、细化晶粒 B、改善基体的韧性 C、提高回火稳定性 D、细化碳化物 E、控制非金属夹杂和杂质元素 5.1.5.1 按所含合金元素多少分类 合金钢低合金钢（5%） 中合金钢（5-10%） 高合金钢（1

10、0%） （1）结构钢： 工程用钢或构件用钢碳素工程构件用钢和低合金构件用钢； 机器零件用钢渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢。 （2）工模具钢：刃具钢、模具钢、量具钢。 （3）特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢、电工用钢等。 在碳素结构钢的基础上添加一些合金元素就形成了合金结构钢。 合金工模具钢 含碳量+元素+数字，含碳量1.0%时不标，1.0%时用千分之几表示,例如CrMn、9Mn2V等。含铬量低时，用千分之几表示，并在数字前加0，如Cr06。高速钢中不标含碳量，如W18Cr4v，W6Mo5Cr4V2等。 铬滚动轴承钢 滚或G+Cr+数字（Cr含量的千分之几）,例如：GCr15、GCr18M

11、o -也称为普通低合金钢（简称普低钢），这类钢是为了适应大型工程结构件（如大型桥梁、大型压力容器及大型船舶等）减轻结构重量、提高使用可靠性及节约钢材而发展起来的。表2-1 为我国发展的低合金高强度结构钢的牌号、化学成分和机械性能表2-2 国外几种低合金高强度结构钢的化学成分和力学性能 （1）低碳，这类钢中碳的质量分数一般小于0.2%，主要是为了获得较好的塑性、韧性、焊接性能。（2）主加合金元素主要是Mn，很少加Cr和Ni，是经济性能较好的钢种。Mn能细化珠光体和铁素体晶粒；Mn的含量在1%-1.5%范围内可促进铁素体在形变时发生交滑移，使112111滑移系在低温下仍起作用，同时，锰还使三次渗碳

12、体难于在铁素体晶界析出，减少了晶界的裂纹源，这也将改善钢的冲击韧性。Mn的加入还可使Fe-Fe3C相图中的S点左移，使基体中珠光体数量增多，致使强度不断提高。 （3）辅加合金元素Al、V、Ti、Nb等，既可产生沉淀强化作用，还可细化晶粒，从而使强韧性得以改善。（4）加入一定量的Cu和P，改善这类钢的耐大气腐蚀性能。Cu元素沉积在钢的表面，具有正电位，成为附加阴极，使钢在很小的阳极电流下达到钝化状态。P在钢中可以起固溶强化的作用，也可以提高耐蚀性能；Ni和Cr都能促进钢的钝化，减少电化学腐蚀；加入微量的稀土金属也有良好的效果。（5）加入微量稀土元素可以脱硫去气，净化钢材，并改善夹杂物的形态与分布

13、，从而改善钢的力学性能和工艺性能。 用来制造渗碳零件的钢称为渗碳钢 渗碳钢零件，通常只要求表面强化，心部具有一定的强韧性配合即可。表面高硬度、高耐磨性的获得通常采用渗碳处理，再经淬火和低温回火，因此称这类钢为渗碳钢，包括碳素渗碳钢、合金渗碳钢。 碳素渗碳钢的缺点：淬透性较低，强度较低，渗碳过程中晶粒粗化严重等缺陷，已不能满足高速旋转的机械零件，如汽车、拖拉机上的变速齿轮，内燃机上的变速齿轮、活塞销等对力学性能的要求。通过加入合金元素而发展合金渗碳钢，具有更高的性能。 低碳，一般在0.12%-0.25%。主要目的是为了保证心部有良好的韧性。加入合金元素Cr、Mn、Ni、Si、B等以提高淬透性。一

14、方面提高钢材的淬透性，提高机件的强度和韧性；另一方面利用Cr在渗碳后于表层形成碳化物，提高硬度和耐磨性。Ni对渗碳层和心部的韧性非常有利。 1.预先热处理：渗碳钢零件，在机械加工前的预先热处理通常分两步进行。 第一步：正火 第二步：退火（对P型钢） 高温回火（对M型钢） 2. 渗碳：在机械加工到只留有磨削余量时，进行渗碳处理。900930保温十几个小时。 3.最终热处理：淬火和低温回火。 低淬透性渗碳钢抗拉强度通常为b=800-1000MN/m2。典型钢种是15、20、20Cr、20Mn2等。这类钢的淬透性低，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

15、筒、链条等。 中淬透性渗碳钢抗拉强度通常为b=1000-1200MN/m2。典型钢种是20CrMnTi、20Mn2TiB、20MnVB等。 高淬透性渗碳钢抗拉强度通常为b1200MN/m2。典型钢种是12Cr2Ni4A、15CrMn2SiMo、18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A等。这类钢由于含有较多的Cr和Ni等合金元素，渗碳层后表层的C含量又很高，这样就导致了马氏体转变温度的大幅度下降。若渗碳后直接淬火，渗碳层中将保留大量的残余奥氏体，使表面硬度下降，因此必须设法减少残余奥氏体的数量。 经调制处理后使用的钢称为调制钢 根据是否含合金元素分为： 碳素调制钢 合金调制钢 经过调质处理使用的

16、结构钢称为调质钢。机床主轴；汽车、拖拉机的后桥、半轮；柴油发动机舱轴、连杆；高强度螺栓等。在多种应力负荷下工作的，受力情况比较复杂。 要求具有比较全面的机械性能很高的强度，良好的塑性和韧性，即良好的综合机械性能。 .中碳，碳含量一般在0.3%0.3%-0.5%0.5%，属于中碳。，钢中的碳可保证有足够大的碳化物体积分数以获得高的强度。碳含量过低时，淬硬性不够；碳含量过高则韧性下降。 主加合金元素：提高淬透性。 调质钢零件，在机械加工前的预先热处理和渗碳钢类似。 在机械加工后的最终热处理，为调质处理，即淬火+高温回火，以获得所需的组织（回火索氏体）和性能（最佳的综合性能）。 调质钢调质后的屈服强

17、度约为800MN/m2，冲击韧性在80J/cm2以上。 调质钢零件，除要求高的强、韧、塑性配合外，往往还要求某些部位（如轴类零件的轴颈或花键部分）有良好的耐磨性。为此，调质处理后，一般还要在局部部位进行高频感应表面淬火。 低淬透性调质钢：其油淬临界直径最大为30mm-40mm。 典型钢种是45、40、40Cr、40CrV、40MnB、40MnV、38CrSi、40MnVB等。这类钢的淬透性较低，通常只用于制造一般尺寸的重要零件。40MnB、40MnVB是为节约Cr而发展的代用钢，40MnB的淬透性较差，切削加工性能也差一些。 中淬透性调质钢：其油淬临界直径最大为40mm-60mm。 典型钢种：

18、35CrMo、40CrMn、40CrNi、30CrMnSi等。这类钢含有较多的合金元素，加入Mo不仅使淬透性显著提高，而且可防止回火脆性。主要用于制造截面较大的零件，例如，曲轴、连杆等。35CrMo、40CrMn等钢可用于500以下的较高温度下服役的零件如汽轮机转子、叶轮等。 高淬透性合金调质钢：其油淬临界直径最大为60mm-100mm。 典型钢种：37CrNi3A、40CrMnMo、40CrNiMoA、25Cr2Ni4WA等。这类钢多半是铬镍钢，Cr和Ni的适当配合可大大提高钢的淬透性，并获得优良的机械性能。加Mo还可消除回火脆性。40CrNiMoA钢主要用于制造大截面、重载荷的重要零件，如

19、航空发动机轴、汽轮机主轴、叶轮等。 用来制造入种弹性零件（如板簧、螺旋弹簧、钟表发条等）的钢称为弹簧钢 弹簧的主要作用是吸收冲击能量，缓和机器的振动和冲击作用，或储存能量使机件完成事先规定的动作，保证机器和仪表的正常工作。因此，弹簧必须具有高的屈服强度和较高的疲劳强度，以免产生塑性变形并防止过早的疲劳破断。 1. 碳含量。弹簧钢的碳含量较高，以保证高的弹性极限与疲劳极限。碳素弹簧钢的碳含量一般为0.62%-0.90%，合金弹簧钢的碳含量为0.45%-0.7%。 碳含量过低，达不到高屈服强度的要求；碳含量过高，钢的脆性很大。 2.加入Si、MnSi和Mn是弹簧钢中经常采用的合金元素，目的是提高淬

20、透性、Si、Mn固溶强化铁素体、提高钢的回火稳定性，使其在相同的回火温度下具有高的硬度和强度。其中Si的作用最大，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. 加入Cr、Mo、V，Nb克服硅锰弹簧钢的不足。因为Cr、W、V、Nb为碳化物形成元素，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. 弹簧钢的纯度对疲劳强度有很大影响，因此，弹簧钢均为优质钢（P0.04%，S0.04%）或高级优质钢（P0.035%，P0.035%）。 热成形弹簧钢的热处理工艺是在热成形之后于830-870进行油冷淬火，然后再于420-520

21、左右进行中温回火；获得回火屈氏体，渗碳体以细小的颗粒分布在相的基体上的组织。由于马氏体分解产生的相已发生回复，高碳马氏体的孪晶结构已经消失，相变引起的内应力已经大幅度下降。 一类是以合金元素Si、Mn合金化的弹簧钢，如65Mn和60Si2Mn等。用于制造截面尺寸较大的弹簧。Si、Mn的复合合金化，其性能又高于单用Mn的好，这类钢主要用于汽车、拖拉机和机车上的板簧和螺旋弹簧等。 另一类是含Cr、W、V等合金元素的弹簧钢，如50CrVA。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艺性能。这类钢可用于制造350-400下承受重载的大型弹簧，如阀门弹簧、高速

22、柴油机的汽门弹簧等。表3-3 表3-4为常用弹簧钢的化学成分、热处理、力学性能和主要用途。 用来制作入种滚动轴承零件如轴承内外套圈，滚动体（滚珠、滚柱、滚针等）的专用钢称为滚动轴承钢 滚动轴承的作用是支撑轴。滚动轴承通常由内套、外套、滚动体（如滚珠、滚轮、滚针）和保持架四部分组成。其中除保持架用低碳钢（08钢）薄板冲制而成，其余三个部分均由轴承钢制造。滚动轴承内外套圈与滚动体之呈点或线接触，承受很大的压应力（高达1800MPa-5000MPa）和交变载荷。 滚动体与套圈之不但有滚动摩擦，而且有滑动摩擦，有时在强大的冲击载荷作用下，轴承也可能产生破碎；对在特殊条件条件下工作的轴承，常与大气、水蒸

23、气及腐蚀介质相接触，进而产生腐蚀。轴承钢的性能要求：高的弹性极限和高的接触疲劳强度，高的硬度和耐磨性，一定的冲击韧性和抵抗大气、润滑油化学腐蚀的能力。 1.高碳。为了保证轴承钢有高的硬度和耐磨性，轴承钢的碳含量很高，一般为0.95%-1.15%，属于过共析钢。 2.主加合金元素Cr。Cr的作用是提高钢的淬透性，形成合金渗碳体，提高轴承钢的耐腐蚀性能。 3.加入硅、锰、钒等以进一步提高淬透性 大型轴承用钢中还需加入更多的合金元素以提高淬透性，通常加入Mn、Si提高淬透性，适量的Si（0.40%-0.60%）还能明显地提高钢的强度和弹性极限； 4.降低S、P含量，减少氧化物、硅酸盐夹杂物的数量，提

24、高冶金质量 1. 由于轴承钢是过共析钢，并且对碳化物的形状和分布要求较高，因此其预先热处理通常采用球化退火。球化退火的目的一方面是降低钢的硬度，退火后硬度一般为207-229HB，这样可改善切削加工性能，更重要的是获得细球状珠光体和均匀分布的细粒状碳化物，为最终热处理作组织准备。球化退火工艺一般为将钢材加热到790-800，在710-720保温3-4h。 2.轴承钢的最终热处理-淬火+低温回火。淬火温度要求十分严格，对GCr15钢，淬火加热温度为820-840。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。

25、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。 常用的轴承钢通常根据其合金元素的种类分为两类： 1、铬轴承钢 添加Mn、Si、Mo、V的轴承钢 铬轴承钢的典型代表是GCr15，使用量占轴承钢的绝大部分。由于淬透性不是很高，因此多用于制造中小型轴承。 2、其他轴承钢 添加Mn、Si、Mo、V的轴承钢。在铬轴承钢中加入Mn、Si可提高淬透性，如GCr15SiMn钢等，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，其性能和用途与GCr15相近。 在碳素工具钢基础上加入一

26、定种类和数量的合金元素，用来制造入种刃具、模具、量具等用钢就称为合金工具钢。 用来制造车刀、铣刀、锉刀、丝锥、钻头、板牙等刃具的钢统称为刃具钢。 刃具钢的基本要求是： 高的耐磨性； 高硬度； 高的弯曲强度和足够的韧性； 高的热稳定性。 例如车刀：车刀工作时主要是承受压 应力和弯曲应力，并受很大的机械摩擦， 很少受冲击作用。正常破坏形式是刃部磨 钝。因此使用中要求钢材具有高的硬度、 高的耐磨性和适当的弯曲强度。在高速切 削时，还要求在高温度下保持高的硬度 （热稳定性）。 例如钻头：钻头为长杆状刀具，刃部长而 薄，它在致密的金属中进行钻削。工作时承受 很高的轴向压应力、扭转应力以及径向力引起 的弯

27、曲应力。钢材应具有足够高的弯曲强度和 韧性。钻头在连续钻削时，其刃部与工件和切 屑的摩擦很厉害，产生热量不易散失，故对 钻头用钢要求高的耐磨性和热稳定性。 低合金刃具钢是在碳素刃具钢的基础上添加合金元素而成的。 1、合金元素的作用： 铬: Cr是碳化物形成元素，提高过冷奥氏体的稳定性，增加淬透性。既能阻止渗碳体型碳化物的聚集、长大，又提高了马氏体的分解温度，从而有效地提高了钢的回火抗力。Cr还能防止Si的石墨化倾向。 硅: Si增加钢的淬透性，提高钢的回火稳定性。但Si是石墨化元素，在高碳钢中，高温加热时引起脱碳和促进石墨化，必须同时添加W、Cr、Mn等，减少钢的脱碳倾向。 锰: 提高钢的淬透

28、性，但Mn增加钢的过热倾向。 钨： 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。 钒： 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。 (一)高速钢的化学成分、铸态组织和碳化物 类型 在高速切削，刀具的刃部温度可达 600以上，低合金钢刃具已不能满足要求。 因此，必须选用高速钢（这是一种合金元素 含量很高的刃具钢），它在600时，仍能 使硬度保持HRC60以上，从而保证其切削性 能和耐磨性。 高速钢刀具的切削速度可比碳素工具钢和低合金工具钢刀具增加13倍，而耐用性增加714倍，因此，高速钢在机械制造工业中被广泛地采用。 冷变形模具（又称冷作模具

29、）包括拉延模、拔丝模、压弯模、冲裁模(落料、冲孔、修边模、冲头、剪刀模等)、冷镦模和冷挤压模等。 (一)拉延、拔丝和压弯模工作条件：模承受强烈的摩擦和径向应力，凸模除受摩擦外，还承受压缩应力。高速拉延时，工作表面温度可达400500。失效方式：经常因为尺寸磨磨和表面产生生槽而报废。性能要求：高硬度和耐磨性以及一定的热稳定性。 （二）冲裁模工作条件：刃口经受受复冲击摩擦和弯曲应力。失效方式：正常失效主要为磨磨。但常因结构或热处理不当而产生刃口剥落、折断等现象，造成模具早期失效。性能要求：要求高的弯曲和抗压强度，高的耐磨性与足够的韧性。 (三)冷镦模工作条件：冲头承受受复冲击压缩、冲击疲劳和冲击磨

30、磨。：模承受受复冲击磨磨。失效方式：冲头磨磨、镦粗、下陷、裂、折断或断裂。：模模腔内壁拉毛(擦伤后磨磨)和冲击疲劳失效。性能要求：必须有足够的抗压屈服强度、弯曲疲劳强度和耐磨性，工作表面必须具有高的硬度(HRC60)和耐磨性；心部必须具有足够的韧性。 (四)冷挤压模工作条件：承受很高的压缩应力(可达25003000MPa左右)。脱模时冲头还要承受拉应力。由于挤压一个工件是在一刹那完成的，所以冲头也承受着冲击负荷。冲头工作过程中，其刃口部分由于与强烈流动的金属之摩擦，引起擦伤和磨磨。失效方式：常见失效方式是疲劳破坏和擦伤磨磨。性能要求：模具材料应具有有可能高的弯曲疲劳强度，有可能高的抗压屈服强度

31、和剪切抗力。此外，材料还应具备良好的耐磨性和韧性。 共同的特点：工作温度不高，模具主要承受高的压力或冲击力，金属之有强烈的摩擦。性能要求：高硬度、高耐磨性、一定的韧性。 根据工作条件，热变形模具（又称热作模具）可以分为锤锻模、热挤压模、热镦模、精锻模和压铸模 1、锤锻模工作条件： 在高温下通过冲击加压，强制金属成形。模具在工作中经受巨大的冲击负荷，同时经受压应力、拉应力和附加弯曲应力，被锻金属在模具型腔内流动又产生强烈的摩擦力，型腔表面经常与高温金属(黑色金属为11001150,有色金属温度稍低)接触，被加热至300400，局部高达500600。此外用于经常受到受复加热和冷却，极易产生热疲劳磨

32、伤。 失效方式： 型腔尺寸被磨磨和产生纵向、横向裂纹，以及网状裂纹(龟裂)，即所谓热疲劳裂纹。 性能要求： 在工作温度下保持高的强度、良好的冲击韧性、高的热疲劳抗力、良好的抗氧化性、抗热冲刷能力、良好的导热性。 2、热挤压模工作条件： 热挤压模的受力情况与冷挤压模有相似的一面，热挤压冲头在整个工作过程中的受力状况是承受带弯曲应力的拉压(大压、小压)交变应力(拉压疲劳),也承受一定的多次冲击压缩负荷。另一方面在冷、热应力作用下，冲头又经受热疲劳和冲刷(又称热磨磨)。 失效方式： 热疲劳(龟裂)裂纹和表面磨磨 性能要求： 要求模具材料在工作温度下有高的强度(拉压疲劳强度和弯曲疲劳强度)、高的硬度和

33、高的耐磨性，高的热疲劳抗力、抗氧化性、抗热冲刷能力和良好的导热性。 3、压铸模 工作条件： 在高压下使熔融金属压铸成形，故模具在工作时经受高的压力，受复与炽热金属(有色合金600左右；黑色金属压铸温度更高)接触，被受复加热与冷却、工作型腔易产生热疲劳和磨磨，且型腔与炽热的金属相接触，易发生化学作用。 失效发生： 在机械、热和化学介质作用下，模具型腔变得粗糙，产生裂纹、磨伤、磨磨与腐蚀等。 性能要求： 高的淬透性，优良的抗热烧蚀性(包括高的热疲劳抗力。抗氧化性和热强性)。 热作模具的共同特点： 用于制造加热的金属或液态金属获得所需要的形状，模具在受复受热条件下工作，有时还要承受冲击。 性能要求：

34、 高的抗热塑性变形能力、高韧性、高抗热疲劳性、良好的抗热烧蚀性。 2.化学成分 这类钢要求有一定的硬度，又要求有高的冲击韧性，成分与调质钢相似。 碳：碳含量不宜过高，一般在0.45-0.6%之。 铬：铬可以提高钢的强度，含量在1左右，能较明显地提高钢的冲击韧性，同时增加钢的淬透性和回火稳定性。 镍：镍显著地提高钢的强度和韧性，对于同时含铬、钼的钢来说，镍能大大提高钢的淬透性。 锰：锰主要用来代替镍，能显著地提高钢的淬透性，锰增加钢的过热敏感性并引起回火脆性。 硅：硅能增加钢的淬透性，提高钢的强度。回火稳定性和耐热疲劳性，但硅含量较高(1%)时，会增加钢的回火脆性，降低冲击韧性。 钼、钒：钼和钒

35、的都能细化晶粒，减少过热倾向，提高钢的回火稳定性，钼还能削弱回火脆性。 锤锻模用钢由于在工作过程中承受很高的应力和冲击载荷，所以必须具有均匀的组织和性能，这对于大型或形状复杂的模具尤为重要。因此，对于制造承受高负荷或大型模具的坯料，要经过入向锻造的过程，并进行镦粗和拔长，其交替进行的次数应不少于23次。 5CrNiMo、5CrMnMo等钢的锻造加热温度为11501180，终锻温度为850880。为减轻脱碳现象，加热温度不宜过高，加热时不宜过长。锻造后应进行缓冷。锻坯可进行不完全退火或高温回火。 5CrNiMo钢的退火工艺如下: （Ac1=710,Ac3=770)退火后硬度为19724lHB。

36、小型锻模： 由于小型模锻件冷却比较快，强度较高，故锻模需具有较高的耐磨性，硬度应在HRC4044范围内。中型锻模： 中型锻模加工较大的锻件，允许有较低的硬度HRC3641。大型锻模： 大型锻模由于锻模尺寸很大，淬火时的应力和变形比较大，需要有较高的韧性，硬度以在HRC3538范围内为宜。 锻模燕尾部分的回火温度应比工作部位回火温度高6080以保持较高的韧性。亦可在淬、回火后对燕尾再进行一次600650高温回火，得到均匀回火索氏体组织。为了减小锻模内应力，回火加热应缓慢升温或预热。回火后应油冷，以防止第二类回大脆性。 许多热挤压模、压铸模需较长时与高温的金属接触，受热的温度比较高，还要承受较高的

37、应力。 1、铬系热变形模具钢铬系热变形模具钢含有大约5Cr,并加入W、Mo、V、Si。由于含Cr较高，因而有较高的淬透性。加入1Mo时，淬透性更高，故尺寸很大的模具淬火时也可以空冷。图4-21为淬火温度对4Cr5MoSiV钢硬度的影响。 这类钢具有高的强度和韧性，抗氧化性较好(由于含Cr和Si)，Si、Cr还提高钢的临界点，有利于提高其抗热疲劳性能，加入V（0.30.5%或0.81.10%）可加强钢的二次硬化现象，增加热稳定性。 钨系热变形模具钢主要用于制作尺寸不大的热锻模、铝及铜合金的压铸模、铜及铜合金的热挤压模等。钨系热变形模具钢的主要特点是具有高的热稳定性，W提高热稳定性和耐磨性，含W量

38、越高，热稳定性越高。Cr增加钢的淬透性，使模具有较好的抗氧化性。 3Cr2W8V钢由于大量合金元素的加入，使共析点大大左移，因此含碳量不高，但已属于过共析钢。碳化物形成元素W和Cr提高钢的临界点，因而提高抗热疲劳性能，同时在高温下比低合金热变形模具钢具有更高的强度和硬度。 以3Cr2W8V钢为例：锻造：锻温度为10801120，终锻温度为900850。退火：不完全退火，在830850，保温34h后，以40/h速度炉冷至400，出炉空冷。退火状态组织为铁素体基体上分布着M2C和M23C6，硬度为207255HB。 一般采用10501150淬火加热。冲击负荷较大、尺寸较大的模具，要求有较好韧性的模

39、具(如热锻模)，其淬火温度10501100OC。冲击负荷较小的模具，要求高温机械性能时(如作压铸模),则提高加热温度，使合金碳化物充分溶解，以保证高硬度和高的热硬性，淬火温度提高到11401150OC。钢淬透性很好，一般采用油冷即可，但对形状复杂的模具必须采用分级或等温淬火。淬火后组织为马氏体和过过碳化物(6%左右)以及残余奥氏体，硬度为HRC50-55。 回火温度一般采用560600，回火组织为回火马氏体体过过碳化物，硬度HRC4048。在550左右，析出弥散合金碳化物，产生明显二次硬化。回火温度升高到600650时硬度显著下降。回火硬度处于峰值时，冲击韧性最低。通常回火温度的选择应根据性能

40、要求和淬火温度高低决定，回火次数23次为宜。多次回火不仅能保证模具的红硬性，也能大大减少模具裂纹的形成。 主要用于制造高温下承受高应力，但不承受冲击负荷的压铸模、热挤压模和顶锻模等。钢的主要缺点是脆性较大，室温下抗冲击能力较差。 用于制作卡尺、千分尺、样板、塞规等测量工具的钢称为量具钢 一、量具用钢的性能要求 1.量具在使用和存放中要保持其尺寸精度。为此，必须具有高的尺寸稳定性。因此，精密量具必须减少不稳定组织和降低内应力。 2.量具在使用中常与被测工件接触，易于发生磨磨和碰撞。因而要求量具有高的硬度和耐磨性，并有一定的韧性。 3.对千块规等量具，为保证彼此紧密接触和贴合，要求有很高的表面光洁

41、程度。 为此除要求高硬度外，还应要求钢材纯净，组织致密，不允许有粗大碳化物或大块非金属夹杂物。此外，量具钢还应具有一定的淬透性，较小的淬火变形和良好的耐蚀性。 二、成分特点： 为了满足性能要求，量具钢的含碳量较高（0.91.5），以保证耐磨性。 钢中加入Cr、Mn、W等合金元素能形成大量合金碳化物，从而进一步提高钢的耐磨性，同时这些元素也提高钢的淬透性，从而允许采用较缓慢的介质淬火，有利于减少淬火应力和变形。这些元素还能提高钢的回火稳定性，使马氏体或残余奥氏体稳定性增加，使其在常温使用时不发生转变，以保证量具的尺寸稳定性。 制造量具的过共析钢，例如，低合金工具钢等，通过正常的淬火和低温回火可以

42、获得高硬度和高耐磨性。但在热处理工艺上应采取一些附加措施，以保证量具的尺寸精度。量具淬火时，在保证高硬度、高耐磨性条件下要有量降低淬火加热温度，淬火加热时量具要进行预热，这样可以减小加热和冷却过程中的温差及淬火应力。淬火冷却采用油冷而不进行分级或等温淬火，否则残余奥氏体量增加过多影响量具的尺寸稳定性。 低温回火时一般较长，以提高钢的组织稳定性，保证量具的尺寸精度。 精度要求较高的量具淬火后要进行冷处理，使残余奥氏体继续转变为马氏体，减少残余奥氏体数量可增大钢的尺寸稳定性。淬火冷却至室温应立即在-70-80oC进行冷处理，以免残余奥氏体发生稳定化。 精度要求特别高的量具在低温回火后有时还要再进行

43、一次冷处理，以进一步消除残余奥氏体，并相应再增加一次低温回火。 或在淬、回火后进行120130、几小时至几十小时的人工时效处理，使马氏体析出碳化物、降低其正方度，使残余奥氏体稳定并消除残余内应力，从而使量具尺寸进一步趋于稳定。 5.4.2 不锈钢 不锈钢是指某些在大气和一般介质中具有较高化学稳定性而不被腐蚀的钢。 化学腐蚀金属和化学介质直接产生化学受应造成的腐蚀称化学腐蚀。如铁在高温下的氧化： 4Fe+3O22Fe2O3 Fe+2H2OFe(OH)2+H2这种受应不产生腐蚀电流,在受应表面形成一层化学生成物。 电化学腐蚀电化学腐蚀是金属腐蚀更重要、更普遍的形式。 双电层 电化学腐蚀是由于不同金

44、属或金属的不同相之，电极电位不同，构成原电池而产生的。 Fe3C的电极电位较高，-Fe的电极电位较低，当有导线连通时即构成原电池，导线中有电流通过。这时在阳极上-Fe的原子变成离子进入溶液：Fe Fe+3e电子则通过导线到达阴极Fe3C。在阴极上Fe3C将电子传导给酸性介质中的H+离子，变成氢气逸出：3H+体3e=1.5H2 原电池不断进行的结果，是-Fe被腐蚀，H+离子被还原，Fe3C不被腐蚀。这种原电池腐蚀由于是在显微组织之产生的，故称为微电池腐蚀。 电化学腐蚀的特点是： 有液体介质、金属或相之有电位差、并 连通或接触、有电流产生，阳极金属溶解。在腐蚀开：后，由于在阳极形成钝化膜，在阴极产

45、生电子堆积。阳极电位向正方向变化,产生阳极极化; 阴极电位向负的方向变化，产生阴极极化，这种电极电位的变化称为极化。 铁在自然界存在的状态是Fe2O3和Fe3O4，即在自然条件下，氧化铁比纯铁自由能低。腐蚀是自发的趋趋。因此，即使在大气中一般碳钢和低合金钢也要产生腐蚀。不仅如此，现代工业设备还要在含酸、盐的介质中工作，即在入种腐蚀性的溶液或腐蚀性的气氛中工作，腐蚀则更为严重。 对具体使用环境，应有有可能高的耐蚀性 这里“耐蚀”的含义是针对具体介质而言的，在某种介质中耐蚀，在另一介质中不一定耐蚀，耐蚀也是相对的，没有完全不腐蚀的钢。 现在工业上常将耐大气腐蚀、耐弱腐蚀介质腐蚀的一类钢称为不锈钢；

46、而把耐酸和耐一切强腐蚀介质腐蚀的钢称为耐酸钢。 良好的机械性能 不锈钢不仅要耐蚀，还要承受或传递载荷，需要有较好的机械性能。机械性能好还可减轻结构重量，节约成本。钢的屈服强度愈高也有利于抗应力腐蚀。 良好的工艺性能 不锈钢材料有板、管、型材等入种类型，需要有很好的热加工成型性以及冲压、弯曲，拔丝、拔管等冷成型性；许多构件还要经过切削加工, 故要求有有量好的切削加工性能;还有大量构件要经过焊接成型，因此，要求这类不锈钢要有良好的焊接性。 好的经济性 要求有可能使用价格较廉、资源较丰富的元素，且冶炼成本低，以适应不锈钢用量增加的需要。 不锈钢按化学成分可分为： 铬不锈钢、铬镍不锈钢、铬锰不锈钢等。

47、 不锈钢按金相组织可分为: 马氏体、铁素体、奥氏体、奥氏体-铁素体不锈钢。 常用不锈钢根据室温组织状态大致分为：马氏体不锈钢、铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢等 这类钢具有高的强度和耐磨性，可以用于制造机械零件、医用手术工具、测量工具、不锈轴承、弹簧等。 马氏体不锈钢含1218Cr, 和铁素体不锈钢相比，其成分特点是： 除铬的上限含量较低外；还含有一定量的碳和镍等相稳定化元素。这类高铬钢在加热时有较多或完全的相出现； 又因稳定化元素含量不多，Ms点在室温以上，故淬火冷却能产生马氏体, 因此称为马氏体类不锈钢。 这类钢具有高的强度和耐磨性，可制造机械零件、医用手术工具、测量工具、不锈轴承、弹簧等。这类

48、钢的耐蚀性、塑性、焊接性较奥氏体、铁素体不锈钢要差，但有较好的机械性能和耐蚀性的结合，是机械工业中广泛使用的一类钢。 主要有三类： 中、低碳的13Cr钢；如1Cr13、2Cr13等，可用于制造机械结构件。 高碳的18Cr钢；如9Cr18等，用于制造手术工具。 低碳的17Cr-2%Ni钢；如1Cr17Ni2等，用于制造高强度耐蚀件。耐蚀性最好的。 可加入Mo、V以提高硬度而形成了3Cr13Mo、9Cr18MoV钢；加Ni提高耐蚀性的同时，还提高钢的强、韧性；加S、Se可以改善其切削加工性能，如1Cr13S、4Cr13Se。 由于铬稳定相的作用，在铬含量到达13时，铁铬合金将无相变，从高温到低温一

49、直保持铁素体。 又由于铬量到达12.5能耐蚀，故这类铁素体钢就成为铁素体不锈钢。 在铬铁素体不锈钢中，铬从1330，随着铬含量的增加，钢的耐蚀性增加,所以铁素体不锈钢是含1330Cr的钢。铁素体不锈钢的耐蚀性(对硝酸、氨水等)和抗氧化性均较好，特别是抗应力腐蚀性能较好，但机械性能及工艺性能较差，多用于受力不大的耐酸结构和作抗氧化钢使用。 奥氏体不锈钢是含有铬和较多的稳定奥氏体元素镍、锰、氮，使用状态为奥氏体组织的一种不锈钢。 奥氏体不锈钢耐蚀性高，而且有高的塑性，易于加工成形为入种形状的钢材，具有良好的焊接性能、韧性和低温韧性，无磁性等。是应用最广泛的耐酸钢，约占不锈钢总产量的2/3。 钢种和

50、成分：奥氏体不锈钢是以18Cr-8%Ni典型成分而发展起来的。18Cr-8%Ni含量正好处于奥氏体形成的成分范围。同时，Cr、Ni总量达26时，不锈钢的耐蚀性电位接近n/8规律中n=2的电位值，这样既得到了单相奥氏体,又得到好的钝化性能，使耐蚀性达到了较高的水平。 为了获得均匀的单相奥氏体组织，需要进行淬火处理；为了消除由于焊接、热加工和其他工业业作中造成的应力和晶腐蚀倾向，通常采用淬火，再退火处理。淬火处理时淬火温度必须高于碳化铬的溶解温度(Tp)一定温度。因此钢中碳量愈高，淬火温度应愈高。淬火后的钢，具有优越的强度性能和耐蚀性的配合。 淬火的缺点是必须加热到高的温度和快速冷却，这在工艺上常

51、常很难实现。对于不含钛、稳定化元素的钢进行退火，可以提高奥氏体-碳化物晶界铬的浓度，使钢具有高的抗晶界腐蚀性。对于用钛、合金化的钢进行退火，能够将碳化铬转变成特殊碳化物TiC或NbC,这样也就消除了晶腐蚀倾向。 1)固溶处理-是将含C0.25的188型钢加热至10001150，碳化物全部溶解到奥氏体中，然后快速冷却获得单相奥氏体组织。 含碳量偏高取上限温度，含碳量偏低时取下限温度。固溶处理后的冷却方式，对于薄壁件可采用空冷，一般情况多采用水冷。 2)稳定化处理-是将含Ti、Nb的奥氏体不锈钢经固溶处理后，再经850900保温14h空冷的处理。其目的是使大部分Cr碳化物溶解，而使TiC、NbC部

52、分保留，不会在晶沉淀出Cr23C6。达到防止晶腐蚀的效果。 3）去应力处理-是消除钢在冷加工或焊接后的残余内应力的热处理工艺。一般加热至300350回火。不含稳定化元素Ti、Nb的钢，加热温度不超过450，以免析出Cr碳化物而引起晶腐蚀。对于超低碳和含Ti、Nb不锈钢的冷加工件和焊接件，需在500950加热，然后缓冷消除应力，可以减轻晶腐蚀倾向，并提高钢的应力腐蚀抗力。 在高温下工作的钢称为耐热钢, 它主要有抗氧化钢和热强钢两类。 耐热钢是指在高温下工作并具有一定强度和抗氧化、耐腐蚀能力的钢种。包括热稳定钢（抗氧化钢）和热强钢。 热稳定钢是指在高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀而不破坏的钢。 热强钢

53、是指在高温下有一定抗氧化能力并具有足够强度而不产生大量变形或断裂的钢。 制造蒸汽锅炉、蒸汽轮机、燃气涡轮、喷气发动机以及火箭、原子能装置等构件或零件。 是指钢在高温下抗氧化或抗高温介质腐蚀的能力。用单位时、单位面积上氧化后重量增加或减少的数值表示。 钢在高温下与氧发生化学受应，若能在表面形成一层致密的、并能牢固地与金属表面结合的氧化膜，那么钢将不再被氧化。 有较强抗高温氧化性能, 而不承受较大载荷的一类钢。 1、钢的抗氧化性能 要求氧化膜比较致密, 不利于铁原子在氧化膜中的扩散; 要求氧化膜与金属基体有较好的结合, 不容易破坏和脱落。 2、提高钢抗氧化性能的途径 添加Cr, Al, Si合金元素； 提高钢氧化膜的稳定性, 使FeO的形成温度高; 形成致密的氧化膜. 热强性表示金