金属学与热处理课件

本章目的：1介绍合金钢的概念及其分类、编号的方法；2揭示合金元素在钢中的作用，即合金化原理；3分别介绍各种主要类型的合金钢。第十章工业用钢本章目的：第十章工业用钢1本章重点:(1)合金元素对钢的组织与性能影响规律；(2)各类钢主要的性能要求、成分及合金化特点，合金元素的主要作用，主要的热处理方法、应用;(3)各类钢的典型钢种。本章重点:2§10-1概述一多钢种原因

碳钢优点：价廉、实用；力性随碳含量显著变化。碳钢的性能缺点：（1）淬透性低；水淬，D临=10~20mm（2）强度、屈强比较低；20钢与16Mn的σs：240、360MN/m2；40钢与35CrNi3Mo的σs/σb：0.43、0.74§10-1概述3(3)回火稳定性差，综合机性不高；碳素工具钢T使<200℃,V切<5m/min;(4)不能满足特殊性能要求---合金钢的产生(3)回火稳定性差，4二钢分类及编号1钢分类（1）按化学成分：

①碳钢高、中、低碳钢：0.25%；0.6%

②合金钢高、中、低合金钢：5%；10%）┗为改善钢的性能，冶炼时在碳钢的基础上特意加入一定的合金元素所获得的钢。二钢分类及编号1钢分类5（2）按用途：①结构钢：工程构件、机器零件

②工具钢：刃、量、模

③特殊性能钢：耐热、耐蚀、磁性（3）按质量等级：优质、高级优质、普通；实际中往往采取综合法：

——高级优质合金工具钢（2）按用途：62钢编号反映：成分、用途（1）碳钢（碳素结构钢、碳素工具钢）①普通碳素结构钢（0.06%~0.4%）——力性要求Q195、Q215、Q235-A·F、Q255、Q275；Q295、Q345、Q345、Q390、Q420、Q460与旧标准的对比：Q235≈A3-----为构件用钢:建筑、桥梁、船舶、压力容器、管道等2钢编号反映：成分、用途7②优质碳素结构钢(0.06%~0.70%)——成分08F、10、20:塑韧性、焊接性好冷冲、焊接、渗碳件调质后综合机性好调质件强度高、弹性极限高弹性元件

25、30、35、40、45:

50、60、65:②优质碳素结构钢(0.06%~0.70%)——成分8③碳素工具钢（0.65%~1.35%）

T7、T8：一定韧性冲头、锤子、凿子T9、T10：硬度高、韧性适中；钻头、手锯条、刨刀T12(A)、T13：硬度高、韧性低锉、刮刀、量具

——低速运转的工具③碳素工具钢（0.65%~1.35%）T9、T10：硬度9（2）合金钢

C%Me%合金结构钢：1/万1/百合金工具钢：1/千~特殊性能钢：1/千~例：40Cr—合金结构钢；9CrSi—合金工具钢CrWMo—合金工具钢；1Cr18Ni9—不锈钢特殊：GCr15——1.5%Cr

0Cr18Ni9——<0.08%

00Cr18Ni9——<0.03%（2）合金钢10§10-2合金元素在钢中的作用一合金元素对钢中基本相的影响1形成合金铁素体绝大多数合金元素可或多或少固溶于铁素体中，形成α-Fe的间隙或置换固溶体——合金铁素体

——合金元素有固溶强化作用§10-2合金元素在钢中的作用一合金元素对钢中基本相11

对强硬度影响

对韧性影响对强硬度影响对韧性影响12

但过多则降低韧性例如：Si、Mn显著提高强硬度，但当Si>0.6%;Mn>1.5%;Cr>2%;Ni>5%时韧性明显下降——限量使用但过多则降低韧性132形成合金碳化物根据与碳的亲和力，合金元素分为两类：非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Al、Si、N、B碳化物形成元素：

Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti

以上由弱至强2形成合金碳化物根据与碳的亲和力，合金元素分为两类：14弱碳化物形成元素、中强碳化物形成元素可置换渗碳体中的铁原子→(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C（1）形成合金渗碳体意义：合金渗碳体较渗碳体稳定，熔点和硬度更高——低合金钢中的主要强化相弱碳化物形成元素、中强碳化物形成元素可15

（2）形成特殊碳化物强碳化物形成元素、或较高含量的中强碳化物形成元素（>5%）：

VC、TiC、WC、Mo2C、Cr23C6、Cr7C3

——形成特殊碳化物特殊碳化物较合金渗碳体稳定性更高，熔点与硬度也更高——耐较高温度的强化相——高合金钢中的主要强化相

（2）形成特殊碳化物强碳化物形成元16

小结：碳在钢中的存在形式及作用：(1)固溶于铁基体中；(2)形成各类碳化物——固溶强化、——第二相强化，提高耐磨性

小结：——固溶强化、——第二相强化，提高耐磨性17二合金元素对铁碳相图的影响1影响奥氏体、铁素体存在范围LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGC%6.69FeT

JNA1二合金元素对铁碳相图的影响LL+γγα+γγ+Fe3C18意义：在室温下可能获得单相奥氏体组织或单相铁素体组织┗奥氏体钢扩大α相区，使A3

↑，A4↓：

Cr、W、Mo、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr扩大γ相区，使A3↓，A4↑：

Ni、Mn、Cu、Co、C、N意义：在室温下可能获得单相奥氏体组织或单相铁素体组织扩大α192影响相图临界点（S、E)）

**所有合金元素均使S、E点左移4Cr13——过共析钢；W18Cr4V——莱氏体钢2影响相图临界点（S、E)）20三对钢热处理的影响1对加热时相转变的影响：大多数合金元素都使奥氏体的长大减慢，成分均匀化难度加大——大多数合金钢比碳钢加热温度高，保温时间长；

——但须考虑合金元素对A3的影响，例含Mn钢三对钢热处理的影响1对加热时相转变的影响：212对冷却转变（C曲线）的影响：实质为对C曲线的影响：(1)使C曲线位置和形状改变：典型应用：含Mo的贝氏体钢的设计原理非碳化物形成元素——改变位置，不改变形状碳化物形成元素——改变位置与形状，使P、B转变分离2对冷却转变（C曲线）的影响：典型应用：含Mo的贝氏体钢22金属学与热处理课件23(2)大部分合金元素使C曲线右移；

意义：提高淬透性合金元素提高淬透性的顺序(由强至弱)：

Mo、Mn、W、Cr、Ni、Cu、Si、V另B元素：添加0.0005%~0.0035%量┗显著提高淬透性(2)大部分合金元素使C曲线右移；24(3)大部分合金元素↓Ms、Mf,,↑AR%;高碳、高合金钢的多次回火工艺，目的之一是减少AR%。注：①合金元素需溶入奥氏体中；

②含较多提高淬透性元素的钢可能在空冷条件下获马氏体——例如：W18Cr4V(3)大部分合金元素↓Ms、Mf,,↑AR%;注：253合金元素对回火过程的影响(1)提高钢的回火稳定性回火稳定性定义：

钢在回火过程中抵抗软化的能力~。原因：合金元素推迟回火各个阶段，增强钢抵抗软化能力——提高钢的回火稳定性。

——合金碳化物稳定性高3合金元素对回火过程的影响(1)提高钢的回火稳定性26意义：

（1）在相同温度下回火，合金钢比碳钢有更高的强硬度；（2）相同强度下合金钢比碳钢可在更高温度下回火，有更好韧性。

意义：（1）在相同温度下回火，合金钢比碳钢有更高的强硬度；27（2）产生二次硬化二次硬化：含较多W、Mo、V、Ti及较高C%的钢回火时，硬度不是随回火温度升高单调下降，而是到某一温度后反而开始增大（400℃），并在另一更高温度（550℃）达到峰值。回火温度，℃HRC200400600604020+5%Mo+2%Mo0.35C%（2）产生二次硬化二次硬化：含较多W、Mo、V、Ti及较高C28原因：①马氏体中析出→Mo2C、VC、TiC

即特殊碳化物在α相的位错区沉淀析出，与α相共格——

共格强化与弥散强化②

二次淬火：

回火中未分解的AR在随后冷却到T<MS时转变为M。

二次淬火原因：碳化物析出，Me、C%↓，

MS↑；

比容↓，压应力↓；原因：①马氏体中析出→Mo2C、VC、TiC29（3）促进回火脆性100200300400500600700回火温度，℃510152025

ak快冷慢冷0.3%C-1.7%Cr-3.4Ni碳钢不产生高温回火脆性,合金钢尤含Mn、Cr的合金钢易产生回火脆性.原因：

Mn、Cr促进杂质元素偏聚（3）促进回火脆性1002003004005030小结：合金元素作用提高淬透性：Mn、Cr、B、Ni、W、Mo固溶强化：Si、Mn、Ni细化晶粒：Al、V、Ti、W、Mo、Nb、Zr提高回火稳定性：W、Mo、V、Si、Cr消除高温回火脆性：W、Mo特殊耐蚀、耐热性小结：合金元素作用提高淬透性：Mn、Cr、B、Ni、W、Mo31§10-3合金结构钢合金结构钢包括：低合金高强度结构钢、易切钢、调质钢、渗碳钢、弹簧钢、滚动轴承钢等一、低合金高强度结构钢1用途：压力容器、桥梁、机车车辆、输油管道、锅炉等2性能要求：强度高、塑韧性好；冷热压力加工性能好；焊接性能好抗环境作用：大气、海水、低温§10-3合金结构钢合金结构钢包括：低合金高强度结构钢、323成分特点：（1）C＜0.2%——满足成型、焊接性要求焊接性：指一般焊接条件下，钢材焊接后不产生裂纹，获得良好焊接区的性能。3成分特点：33成分对焊接性能的影响：钢中碳含量愈高，淬硬性愈高；钢中合金含量愈高，淬透性愈好，则焊接中愈容易产生裂纹，焊接性愈差。——引入“碳当量”：（见P334）碳当量>0.4%时，焊接性差

碳当量＜0.2%焊接性较好——构件用钢只能微合金化、低合金化

成分对焊接性能的影响：——引入“碳当量”34(2)Me(＜3%)——微合金化或低合金化

Mn（0.8~1.7%）元素作用：固溶强化、增加珠光体量、细化珠光体V、Ti、Nb：弥散强化、细化晶粒Cu、P：耐蚀(2)Me(＜3%)——微合金化或低合金化354典型钢种：Q295、Q345、Q345、Q390、Q420、Q460┗新标准GB/T1591-94┏旧标准GB/1591-8816Mn、15MnV、14MnNb等

—A－E：代表质量等级（由低到高），主要是S、P含量的差异4典型钢种：36新旧标准低合金结构钢牌号对照新旧标准低合金结构钢牌号对照37Al>0.015Al>0.015Al>0.015Al>0.015Al>0.015Al>0.01538C<MnSi<P<S<VNbTiAl>Cr<Ni<Q420(C、D、E)————————————————————0.70.7C<MnSi<P<S<395热处理：正火使用状态：热轧（组织：细铁素体＋索氏体）与相同碳含量碳钢相比，低合金高强度钢综合性能更佳：

强度更高：↑25～150％

塑韧性更好：δ↑15～25％，ak

↑60~80%;

脆性转变温度(TK)更低；TaKTK5热处理：正火TaKTK40二渗碳钢

渗碳定义：在增碳的活性介质中，钢的表面为碳所饱和而获得高碳的渗层组织，称为渗碳。目的：提高零件表面硬度、耐磨性和疲劳强度。渗碳钢——用作整体受冲击或交变应力，表面受磨损的零件，这些零件要求表面硬、心部韧，如机床、汽车、拖拉机的变速齿轮等。二渗碳钢渗碳定义：在增碳的活性介质中，钢411成分特点：

Me：Cr、Ni、Mn、B；V、Ti、Nb↑淬透性，↑强韧性阻碍A晶粒长大

低C（0.1%~0.25%）1成分特点：Me：↑淬透性，↑强韧性422典型渗碳钢种

(1)低淬透性20Cr、20Mn2、20MnV、20CrV合金总量<2％，D水淬临界大约20～35mm——小载荷件（2）中淬透性20CrMn、20CrMnTi、20MnTiB合金总量2～5％，D水淬临界大约25～60mm（3）高淬透性20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA合金总量5～7.5％，D水淬临界>100mm——高载荷、重要耐磨件——中等载荷件2典型渗碳钢种(1)低淬透性——小载荷件（2）中淬433热处理及使用状态的组织：热处理前渗层组织：（1）热处理工艺：渗碳+淬火+低温回火（2）组织：表面：高碳回火马氏体心部：低碳回火马氏体4性能：表面硬——耐磨；心部韧——抗冲击。3热处理及使用状态的组织：44二、渗碳后缓冷的组织>1％C～0.2％C心部亚共析区共析区过共析区二、渗碳后缓冷的组织>1％C～0.2％C心部亚共析区共析区45金属学与热处理课件46三调质钢

调质工艺：淬火+高温回火，1用途：汽车、拖拉机、机床等的重要零件如：轴类、连杆、齿轮、螺栓等2性能要求受力复杂：较大的循环载荷、复合应力——高强度、良好塑韧性、高的疲劳强度——要求高的综合机械性能。三调质钢调质工艺：淬火+高温回火，47（1）中C（0.25%~0.5%）C过低：淬硬性不够——回火后强度不够C过高：韧性不够（2）加入提高淬透性合金元素Cr、Ni、Mn、Si；3成分特点：（3）加入防第二类回火脆性元素W、Mo等（1）中C（0.25%~0.5%）（2）加入提高淬透性合48

4典型钢种：(1)低淬透性40Cr、40MnB、40MnVB

D水淬临界大约20～40mm,（2）中淬透性40CrMn、40CrNi、40CrMnTi、35CrMo

D水淬临界大约40～60mm,（3）高淬透性40CrNiMo、30CrNi3

D水淬临界>60~100mm,5热处理工艺：淬火+高温回火使用态组织：回火索氏体4典型钢种：5热处理工艺：49金属学与热处理课件50金属学与热处理课件51金属学与热处理课件52四弹簧钢1用途：制作各种弹性元件——以产生较大弹性变形，起缓和冲击、吸收振动等作用。2性能要求：高的弹性极限，屈强比、疲劳强度四弹簧钢1用途：533成分特点(1)中高碳:合金弹簧钢:0.4%~0.7%C;

碳素弹簧钢：0.6~0.9%C(2)Me：Mn、Cr、Si：↑淬透性，固溶强化

Si：↑σS/σb

(屈强比)W、Mo：防第二类回火脆性~1%~2%3成分特点(1)中高碳:(2)Me：544典型钢种：65、60Si2Mn、60Si2MnWA钢号CSiMn其它65Mn0.62~0.700.17~0.370.9~1.255Si2Mn0.52~0.601.5~2.00.6~0.960Si2Mn0.56~0.641.5~2.00.6~0.960Si2CrVA0.56~0.641.4~1.80.4~0.7Cr:0.7~1.060Si2MnWA0.61~0.691.50~2.000.70~1.00W:0.8~1.24典型钢种：65、60Si2Mn、60Si2MnWA钢555成型与热处理工艺：（1）冷成型弹簧——小型(d<8～18mm)b.油淬强化钢丝：冷拔——淬火＋中温回火——绕成型——性能均匀但强度较低a.退火钢丝：退火态——冷成型——淬火＋中温回火5成型与热处理工艺：b.油淬强化钢丝：56(2)热成型弹簧——大型弹簧(d>10~15mm)热轧钢丝或钢板——淬火+中温回火弹簧钢使用态组织：

回火屈氏体或屈氏体c.铅浴淬火冷拉钢丝铅浴等温淬火获屈氏体——冷拔、成卷

——1600MPa，强度高但不均匀(2)热成型弹簧——大型弹簧(d>10~15mm57五滚动轴承钢1用途：滚动轴承的滚动体、内外套圈等。2性能要求：点、线接触——高的压应力：1500～5000MPa交变应力——高的接触疲劳摩擦——高硬度与耐磨性：HRC62～64大气、润滑油介质——耐蚀性五滚动轴承钢1用途：583成分特点：(1)高碳:0.95~1.15%C(2)低铬(0.4~1.65%Cr):提高淬透性；形成碳化物(3)其它元素：Mn、Si：↑淬透性

(4)高的冶金质量：

***——夹杂物与碳化物的控制3成分特点：(1)高碳:0.95~1.15%C594典型钢种

5热处理及使用态组织：热处理工艺：球化退火+淬火+低温回火

使用态组织：高碳回火马氏体+弥散细小碳化物可用作工具钢4典型钢种5热处理及使用态组织：可用作工具钢60金属学与热处理课件61金属学与热处理课件62金属学与热处理课件63§10-4工具钢工具钢分类：

刃具钢、模具钢、量具钢。一、刃具钢(一)用途：切削刀具：车刀、铣刀、钻头、锯、丝锥、板牙等受力：弯曲、扭转、剪切、冲击、震动、擦失效形式：磨损、崩刃、卷刃、折断等§10-4工具钢工具钢分类：一、刃具钢64(二)性能要求：（1）高硬度(HRC>60)（2）高耐磨性

（3）高的热稳定性或红硬性热稳定性：钢在使用变热过程中保持其原金相组织与性能的能力。红硬性：钢在高温条件下保持足够高硬度的能力。可用多次高温回火后在室温条件下测得的硬度表示。

(4)一定的韧性：抗拉压弯扭，抗冲击刃具钢共性要求——不同刃具的性能要求有一定差异基体组织：高碳马氏体(二)性能要求：刃具钢共性要求——不同刃具的性能要求有一65(三)典型刃具钢种及成分、组织、热处理特点刃具钢按成分分为：碳素刃具钢、低合金刃具钢、高合金刃具钢——高速钢1碳素工具钢(1)成分特点：高碳（0.65%~1.35%C）碳的作用：提高硬度与耐磨性作用机理：Ⅰ、固溶于基体；

Ⅱ、形成Fe3C(三)典型刃具钢种及成分、组织、热处理特点碳的作用：提高硬度66(2)热处理及使用态组织：a.预备热处理：球化退火目的：Ⅰ、软化组织；Ⅱ、细化、均匀化组织b.最终热处理：淬火＋低温回火使用态组织：细针状高碳回火马氏体＋粒状Fe3C＋AR(2)热处理及使用态组织：a.预备热处理：球化退67T12钢淬火态组织T12钢铸态组织T12钢球化退火组织T12钢淬火态组织T12钢铸态组织T12钢球68(3)典型钢种T7、T8：

T9、T10：T12、T13：一定韧性的冲头、锤子、凿子硬度高、韧性适中的钻头、手锯条、刨刀硬度高、韧性低的锉、刮刀等(3)典型钢种一定韧性的冲头、锤子、凿子硬度高、韧性适中69(4)碳素刃具钢的应用优点：加工工艺简单；成本低；常温下硬度足够。(4)碳素刃具钢的应用优点：70缺点：

热稳定性较差：T>200℃,HRC<60——使用温度或运转速度受限淬透性差：D>15mm时：水淬下仅表面淬硬——工件尺寸受限，内应力及变形大

应用：手动工具或低速运转的工具；尺寸较小、对变形要求不高的工具——切削软金属或木工工具缺点：应用：手动工具或低速运转的工具；712低合金刃具钢(1)化学成分特点

a.高碳：0.9%~1.5%C;进一步提高硬度与耐磨性b.加入↑淬透性元素:Cr、Mn、Si；

c.加入↑硬度与耐磨性元素:W、V

d.加入↑回火稳定性元素：Si注意：合金元素的综合作用——合金总量<5%2低合金刃具钢72(3)热处理及使用态组织：预备热处理、最终热处理及使用态组织与碳素刃具钢相同。(2)典型钢种：

9SiCr、9Mn2V、CrWMn等(3)热处理及使用态组织：(2)典型钢种：73金属学与热处理课件74金属学与热处理课件75(4)性能及用途：以9SiCr为例,回火稳定性提高：300℃，HRC60

淬透性提高：油淬直径可达25～40mm应用：形状复杂、要求变形小、切削速度中等、加工精度较高的板牙、丝锥、铰刀等(4)性能及用途：应用：形状复杂、要求变形小、切削速度中76金属学与热处理课件773高速钢用作高速切削的车刀、铣刀、高速钻头等(1)化学成分特点：a.高碳：0.7%~1.65%C;b.Me>15%,添加了大量碳化物形成元素W、Mo、Cr、

V等Cr:淬透性；回火后形成细小碳化物

W、Mo：高的红硬性；二次硬化V：红硬性；细化晶粒3高速钢用作高速切削的车刀、铣刀、高速钻头等78(3)热处理特点：莱氏体钢——粗大的共晶碳化物

a.反复锻造；打碎粗大的鱼骨状共晶碳化物(2)典型钢种：W18Cr4V；Mo8Cr4V2;W6Mo5Cr4V2(3)热处理特点：(2)典型钢种：79金属学与热处理课件80b.分级预热（600℃、800℃）；

c.高温淬火（1250℃～1300℃）；

d.分级淬火（600℃、400℃）；

e.多次回火（550℃，三次以上）目的：①产生二次硬化；

②消除残余奥氏体淬火：20~30％AR一次回火：15％AR二次回火：5～7％AR三次回火：1～2％AR。b.分级预热（600℃、800℃）；81金属学与热处理课件82金属学与热处理课件83(4)高速钢组织

淬火组织：隐晶马氏体+粒状碳化物+20~30％AR回火组织：极细回火马氏体+大量粒状碳化物+少量（<1~2%）AR性能：HRC63～65600℃：HRC60；(4)高速钢组织84铸态组织锻造态组织淬回火态组织铸态组织锻造态组织淬回火态组织85高速钢的发展：(1)合金化：加Co：W6Mo5Cr4V2Co12加Al：W6Mo5Cr4V2Al┗硬度可达HRC68~70(2)粉末冶金法：消除莱氏体共晶组织(3)表面处理工艺：蒸汽处理等(4)低碳高速钢：0.2%C＋含Co超硬高速钢成分——渗碳处理高速钢的发展：86金属学与热处理课件87二、模具钢包括：

1热作模具钢：要求高温下的硬度和强度，抗热疲劳和良好的韧性。

——如锤锻模，挤压模，压铸模。

2冷作模具钢：高硬度，耐磨性和一定的韧性。

——如冲切模、搓丝模、拉丝模、剪刀片。

3量具钢：要求高硬度，高耐磨性和尺寸稳定性。

——如量规、样板、卡尺。二、模具钢包括：88二、模具钢包括：热作模具钢、

冷作模具钢、

量具钢。（一）冷作模具钢

1用途：用来制作使金属冷变形的模具，如冷冲、冷镦、冷挤压、冲裁拉丝等模具。

2工作状况：变形抗力大；冲击较大；工作温度低于200～300℃

3性能要求：高硬度和耐磨性，一定韧性。二、模具钢包括：热作模具钢、冷894常用冷作模具钢（1）中小型模具高碳、低合金如T12、Mn2V、Cr2、CrWMn等。

——尺寸小、形状简单、负荷小模具可用低合金刃具钢代替；4常用冷作模具钢（1）中小型模具90（2）大型模具主要包括高淬透性、高耐磨的高碳高铬钢、高碳中铬钢、低C高速钢或基体钢。如：Cr12,Cr12MoV——高碳高铬钢Cr6WV,Cr4W2MoV,Cr5Mo1V——高碳中铬钢6W6Mo5Cr4V2;5Cr4W3Mo2VNb——低C高速钢

50Cr4Mo3W2V,60Cr4Mo3Ni2WV——基体钢（2）大型模具主要包括高淬透性、高耐磨的高碳高铬钢、高91其中：高铬模具钢Cr12及Cr12MoV——属于高C亚共晶莱氏体钢，——含Cr7C3型化合物（HV2100）

——具有高淬透性。

——可用两种热处理工艺：

1）低温淬火和低温回火,M+Ar(少)HRC61-63；2）高温淬火与高温回火，M+Ar(多)多次回火，提高硬度。其中：高铬模具钢Cr12及Cr12MoV——属于高92（3）

新型冷作模具钢

材质上：高韧性、高耐磨性模具钢

如：8Cr8Mo2VSi、Cr8Mo2V2WSi等

加工工艺上：粉末冶金冷作模具钢用水雾化法将钢水雾化成细小钢粉末，通过快速凝固，每颗粉末中的高合金莱氏体得到细化，显著改善烧结后钢的韧性。可以生产用传统冶金方法难以生产的高碳高合金冷作模具钢。使钢中含有更多的硬质碳化物VC，具有更高的耐磨性。

（3）新型冷作模具钢材质上：高韧性、高耐磨性模具钢93（二）热作模具金属的热成型有两种途径：

——锤锻、挤压压铸

热作模具钢的特殊要求：

工作温度可达600℃；韧性、热稳定性要求高

具体：高温硬度、高温强度、高抗热塑性变形能力、高韧性、高抗热疲劳、良好的抗热烧蚀性。（二）热作模具金属的热成型有两种途径：941锤锻模钢中碳

：<或=0.5%C

典型钢种：

5CrMnMo，5CrNiMo，5CrSiMnMoV,5SiMnMoV，3Cr2MoWVNi，45Cr2NiMoSiV热处理工艺：

830-850℃淬火，520-580℃回火

使用态组织：中碳回火索氏体1锤锻模钢中碳：<或=0.5%C952挤压及压铸模具钢

中碳：0.3%C~0.5%C,中铬中加入Mo,W,V,Si等典型钢种：3Cr2W84Cr5Mo2VSi

3Cr3Mo3VNb,4Cr5MoVSi热处理工艺：1020-1050℃淬火，620-650℃回火时：HRC45；580-600℃回火时：HRC48-50。

使用态组织：回火M+K2挤压及压铸模具钢中碳：0.3%C~0.5%C,96§10－5特殊性能钢不锈钢、耐热钢、耐磨钢——主要介绍不锈钢1腐蚀概念与分类：

概念：材料与环境介质产生有害反应，导致材料的变质或破坏。

分类：

化学腐蚀：金属－介质，纯化学反应；

电化学腐蚀：金属－电介质溶液，原电池└条件：存在电极电位差；液态介质钢中组织不均匀、成分不均匀→电极电位差§10－5特殊性能钢不锈钢、耐热钢、耐磨钢97具体：（1）提高基体电极电位；（2）形成单相、均匀组织；（3）形成致密钝化薄膜(4)减少钢中各种不均匀现象

减少原电池形成的可能；

减小内部电极电位差；将金属与电介质隔离。2提高耐电化学腐蚀途径：具体：减少原电池形成的可能；2提高耐电化学腐蚀途径：983不锈钢的合金化原理(1)添加提高基体电极电位元素

Cr、Ni、SiCr加入铁中形成的固溶体，电极电位与Cr含量之间符合n/8规律12.5%,→11.6%,→Cr>13%1/82/83/8n/8腐蚀速度3不锈钢的合金化原理1/82/83/899金属学与热处理课件100（2）添加形成单相固溶体元素

Ni、Mn、Cu;——单相奥氏体Cr>12.7%——单相铁素体（2）添加形成单相固溶体元素101（3）可形成致密氧化物元素：要求：结构致密、不溶于腐介、高电阻Cr–Cr2O3;Al–Al2O3;Si–SiO2；MoO3;不锈钢中不可缺的元素：Cr>13%Cr的作用：提高基体电极电位；形成致密氧化膜；一定条件下形成单相铁素体（3）可形成致密氧化物元素：不锈钢中不可缺的元素：Cr102碳对钢耐腐蚀性的影响总体不利：形成碳化物，增加微电池数；形成Cr的碳化物，降低Cr%,降低基体电极电位；造成晶间腐蚀故不锈钢中通常C%<0.1~0.25,

不锈工具钢中0.4～0.7C%：但须↑Cr%——固溶态C则影响小碳对钢耐腐蚀性的影响总体不利：故不锈钢中通常C%<0.103不锈钢成分特点:

低碳主加Cr,>13%添加Ni:n/8；单相奥氏体加Mo、Cu——抗非氧化性酸Ti、Nb——抗晶间腐蚀Mn、N——替代Ni不锈钢成分特点:低碳1044典型不锈钢Cr17型：C<0.15%;Cr>15%

铁素体型(低碳高铬)1Cr17、1Cr17Mo2Ti

按正火态组织分为：M、F、A

Cr13型：0.1%~0.4%C;13～18％Cr

马氏体型(较高碳；较低Cr)1Cr13、2Cr13、3Cr13、9Cr1818-8型：C<0.1%;18%Cr,9%Ni

奥氏体型（低碳高铬高镍）1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9(Ti)4典型不锈钢Cr17型：C<0.15%;Cr>15105第十章习题与思考题1

钢分类的方法有哪几种？钢中常用合金元素有哪些是强碳化物形成元素？中强碳化物形成元素2

合金钢的主要优点是什么？常用以提高钢淬透性的元素有哪些？强烈阻碍奥氏体晶粒长大的元素有哪些？提高回火稳定性的元素有哪些？3解释下列现象：（1）大多数合金钢的热处理温度比相同含碳量的碳素钢高；（2）大多数合金钢比相同含碳量的碳素钢具有较高的回火稳定性；（3）含碳量为0.4%、含铬量为12%的铬钢属于过共析钢，而含碳量为1.5%、含铬量为12%的铬钢属于莱氏体钢；（4）高速钢在热锻或热轧后经空冷获得马氏体钢。第十章习题与思考题1

钢分类的方法有哪几种？钢中常用合金1064有资料表明，南京长江大桥采用16Mn钢比普通碳素钢节约钢材15％，简要解释原因。5试比较45钢与40Cr钢的应用范围，以此说明合金元素Cr在调质钢中的作用。6说明渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢的化学成分、最终热处理及组织、性能特点。7

说明下列牌号钢的大致化学成分、合金元素的主要作用、用途及最终热处理工艺：20CrMnTi40CrNiMo60Si2MnGCr154有资料表明，南京长江大桥采用16Mn钢比普通碳素钢节约钢1078工具钢分几类？低合金工具钢与碳素工具钢相比有何优点？何谓二次硬化？何谓红硬性？提高红硬性的主要元素是什么？各举出1～2个碳素工具钢、低合金工具钢、高速钢的典型钢种，简要说明合金元素的作用。9高速工具钢淬火后为什么需要进行三次以上回火？在560℃回火是否是调质处理？10

为什么Cr能提高金属的腐蚀抗力？常用的含Cr量是多少？C对钢的耐腐蚀性能有何影响？111Cr13钢和Cr12钢中的含铬量都大于11.7%，现1Cr13属于不锈钢，而Cr12钢不属于不锈钢，说明原因。12讨论题：C及合金元素Mn、Cr、Si、Ni、W、Mo、V、Ti、B等在钢中一般主要有哪些作用？8工具钢分几类？低合金工具钢与碳素工具钢相比有何优点108本章目的：1介绍合金钢的概念及其分类、编号的方法；2揭示合金元素在钢中的作用，即合金化原理；3分别介绍各种主要类型的合金钢。第十章工业用钢本章目的：第十章工业用钢109本章重点:(1)合金元素对钢的组织与性能影响规律；(2)各类钢主要的性能要求、成分及合金化特点，合金元素的主要作用，主要的热处理方法、应用;(3)各类钢的典型钢种。本章重点:110§10-1概述一多钢种原因

碳钢优点：价廉、实用；力性随碳含量显著变化。碳钢的性能缺点：（1）淬透性低；水淬，D临=10~20mm（2）强度、屈强比较低；20钢与16Mn的σs：240、360MN/m2；40钢与35CrNi3Mo的σs/σb：0.43、0.74§10-1概述111(3)回火稳定性差，综合机性不高；碳素工具钢T使<200℃,V切<5m/min;(4)不能满足特殊性能要求---合金钢的产生(3)回火稳定性差，112二钢分类及编号1钢分类（1）按化学成分：

①碳钢高、中、低碳钢：0.25%；0.6%

②合金钢高、中、低合金钢：5%；10%）┗为改善钢的性能，冶炼时在碳钢的基础上特意加入一定的合金元素所获得的钢。二钢分类及编号1钢分类113（2）按用途：①结构钢：工程构件、机器零件

②工具钢：刃、量、模

③特殊性能钢：耐热、耐蚀、磁性（3）按质量等级：优质、高级优质、普通；实际中往往采取综合法：

——高级优质合金工具钢（2）按用途：1142钢编号反映：成分、用途（1）碳钢（碳素结构钢、碳素工具钢）①普通碳素结构钢（0.06%~0.4%）——力性要求Q195、Q215、Q235-A·F、Q255、Q275；Q295、Q345、Q345、Q390、Q420、Q460与旧标准的对比：Q235≈A3-----为构件用钢:建筑、桥梁、船舶、压力容器、管道等2钢编号反映：成分、用途115②优质碳素结构钢(0.06%~0.70%)——成分08F、10、20:塑韧性、焊接性好冷冲、焊接、渗碳件调质后综合机性好调质件强度高、弹性极限高弹性元件

25、30、35、40、45:

50、60、65:②优质碳素结构钢(0.06%~0.70%)——成分116③碳素工具钢（0.65%~1.35%）

T7、T8：一定韧性冲头、锤子、凿子T9、T10：硬度高、韧性适中；钻头、手锯条、刨刀T12(A)、T13：硬度高、韧性低锉、刮刀、量具

——低速运转的工具③碳素工具钢（0.65%~1.35%）T9、T10：硬度117（2）合金钢

C%Me%合金结构钢：1/万1/百合金工具钢：1/千~特殊性能钢：1/千~例：40Cr—合金结构钢；9CrSi—合金工具钢CrWMo—合金工具钢；1Cr18Ni9—不锈钢特殊：GCr15——1.5%Cr

0Cr18Ni9——<0.08%

00Cr18Ni9——<0.03%（2）合金钢118§10-2合金元素在钢中的作用一合金元素对钢中基本相的影响1形成合金铁素体绝大多数合金元素可或多或少固溶于铁素体中，形成α-Fe的间隙或置换固溶体——合金铁素体

——合金元素有固溶强化作用§10-2合金元素在钢中的作用一合金元素对钢中基本相119

对强硬度影响

对韧性影响对强硬度影响对韧性影响120

但过多则降低韧性例如：Si、Mn显著提高强硬度，但当Si>0.6%;Mn>1.5%;Cr>2%;Ni>5%时韧性明显下降——限量使用但过多则降低韧性1212形成合金碳化物根据与碳的亲和力，合金元素分为两类：非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Al、Si、N、B碳化物形成元素：

Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti

以上由弱至强2形成合金碳化物根据与碳的亲和力，合金元素分为两类：122弱碳化物形成元素、中强碳化物形成元素可置换渗碳体中的铁原子→(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C（1）形成合金渗碳体意义：合金渗碳体较渗碳体稳定，熔点和硬度更高——低合金钢中的主要强化相弱碳化物形成元素、中强碳化物形成元素可123

（2）形成特殊碳化物强碳化物形成元素、或较高含量的中强碳化物形成元素（>5%）：

VC、TiC、WC、Mo2C、Cr23C6、Cr7C3

——形成特殊碳化物特殊碳化物较合金渗碳体稳定性更高，熔点与硬度也更高——耐较高温度的强化相——高合金钢中的主要强化相

（2）形成特殊碳化物强碳化物形成元124

小结：碳在钢中的存在形式及作用：(1)固溶于铁基体中；(2)形成各类碳化物——固溶强化、——第二相强化，提高耐磨性

小结：——固溶强化、——第二相强化，提高耐磨性125二合金元素对铁碳相图的影响1影响奥氏体、铁素体存在范围LL+γγα+γγ+Fe3Cα+Fe3CαδL+Fe3CCESPQGC%6.69FeT

JNA1二合金元素对铁碳相图的影响LL+γγα+γγ+Fe3C126意义：在室温下可能获得单相奥氏体组织或单相铁素体组织┗奥氏体钢扩大α相区，使A3

↑，A4↓：

Cr、W、Mo、V、Ti、Al、Si、B、Nb、Zr扩大γ相区，使A3↓，A4↑：

Ni、Mn、Cu、Co、C、N意义：在室温下可能获得单相奥氏体组织或单相铁素体组织扩大α1272影响相图临界点（S、E)）

**所有合金元素均使S、E点左移4Cr13——过共析钢；W18Cr4V——莱氏体钢2影响相图临界点（S、E)）128三对钢热处理的影响1对加热时相转变的影响：大多数合金元素都使奥氏体的长大减慢，成分均匀化难度加大——大多数合金钢比碳钢加热温度高，保温时间长；

——但须考虑合金元素对A3的影响，例含Mn钢三对钢热处理的影响1对加热时相转变的影响：1292对冷却转变（C曲线）的影响：实质为对C曲线的影响：(1)使C曲线位置和形状改变：典型应用：含Mo的贝氏体钢的设计原理非碳化物形成元素——改变位置，不改变形状碳化物形成元素——改变位置与形状，使P、B转变分离2对冷却转变（C曲线）的影响：典型应用：含Mo的贝氏体钢130金属学与热处理课件131(2)大部分合金元素使C曲线右移；

意义：提高淬透性合金元素提高淬透性的顺序(由强至弱)：

Mo、Mn、W、Cr、Ni、Cu、Si、V另B元素：添加0.0005%~0.0035%量┗显著提高淬透性(2)大部分合金元素使C曲线右移；132(3)大部分合金元素↓Ms、Mf,,↑AR%;高碳、高合金钢的多次回火工艺，目的之一是减少AR%。注：①合金元素需溶入奥氏体中；

②含较多提高淬透性元素的钢可能在空冷条件下获马氏体——例如：W18Cr4V(3)大部分合金元素↓Ms、Mf,,↑AR%;注：1333合金元素对回火过程的影响(1)提高钢的回火稳定性回火稳定性定义：

钢在回火过程中抵抗软化的能力~。原因：合金元素推迟回火各个阶段，增强钢抵抗软化能力——提高钢的回火稳定性。

——合金碳化物稳定性高3合金元素对回火过程的影响(1)提高钢的回火稳定性134意义：

（1）在相同温度下回火，合金钢比碳钢有更高的强硬度；（2）相同强度下合金钢比碳钢可在更高温度下回火，有更好韧性。

意义：（1）在相同温度下回火，合金钢比碳钢有更高的强硬度；135（2）产生二次硬化二次硬化：含较多W、Mo、V、Ti及较高C%的钢回火时，硬度不是随回火温度升高单调下降，而是到某一温度后反而开始增大（400℃），并在另一更高温度（550℃）达到峰值。回火温度，℃HRC200400600604020+5%Mo+2%Mo0.35C%（2）产生二次硬化二次硬化：含较多W、Mo、V、Ti及较高C136原因：①马氏体中析出→Mo2C、VC、TiC

即特殊碳化物在α相的位错区沉淀析出，与α相共格——

共格强化与弥散强化②

二次淬火：

回火中未分解的AR在随后冷却到T<MS时转变为M。

二次淬火原因：碳化物析出，Me、C%↓，

MS↑；

比容↓，压应力↓；原因：①马氏体中析出→Mo2C、VC、TiC137（3）促进回火脆性100200300400500600700回火温度，℃510152025

ak快冷慢冷0.3%C-1.7%Cr-3.4Ni碳钢不产生高温回火脆性,合金钢尤含Mn、Cr的合金钢易产生回火脆性.原因：

Mn、Cr促进杂质元素偏聚（3）促进回火脆性10020030040050138小结：合金元素作用提高淬透性：Mn、Cr、B、Ni、W、Mo固溶强化：Si、Mn、Ni细化晶粒：Al、V、Ti、W、Mo、Nb、Zr提高回火稳定性：W、Mo、V、Si、Cr消除高温回火脆性：W、Mo特殊耐蚀、耐热性小结：合金元素作用提高淬透性：Mn、Cr、B、Ni、W、Mo139§10-3合金结构钢合金结构钢包括：低合金高强度结构钢、易切钢、调质钢、渗碳钢、弹簧钢、滚动轴承钢等一、低合金高强度结构钢1用途：压力容器、桥梁、机车车辆、输油管道、锅炉等2性能要求：强度高、塑韧性好；冷热压力加工性能好；焊接性能好抗环境作用：大气、海水、低温§10-3合金结构钢合金结构钢包括：低合金高强度结构钢、1403成分特点：（1）C＜0.2%——满足成型、焊接性要求焊接性：指一般焊接条件下，钢材焊接后不产生裂纹，获得良好焊接区的性能。3成分特点：141成分对焊接性能的影响：钢中碳含量愈高，淬硬性愈高；钢中合金含量愈高，淬透性愈好，则焊接中愈容易产生裂纹，焊接性愈差。——引入“碳当量”：（见P334）碳当量>0.4%时，焊接性差

碳当量＜0.2%焊接性较好——构件用钢只能微合金化、低合金化

成分对焊接性能的影响：——引入“碳当量”142(2)Me(＜3%)——微合金化或低合金化

Mn（0.8~1.7%）元素作用：固溶强化、增加珠光体量、细化珠光体V、Ti、Nb：弥散强化、细化晶粒Cu、P：耐蚀(2)Me(＜3%)——微合金化或低合金化1434典型钢种：Q295、Q345、Q345、Q390、Q420、Q460┗新标准GB/T1591-94┏旧标准GB/1591-8816Mn、15MnV、14MnNb等

—A－E：代表质量等级（由低到高），主要是S、P含量的差异4典型钢种：144新旧标准低合金结构钢牌号对照新旧标准低合金结构钢牌号对照145Al>0.015Al>0.015Al>0.015Al>0.015Al>0.015Al>0.015146C<MnSi<P<S<VNbTiAl>Cr<Ni<Q420(C、D、E)————————————————————0.70.7C<MnSi<P<S<1475热处理：正火使用状态：热轧（组织：细铁素体＋索氏体）与相同碳含量碳钢相比，低合金高强度钢综合性能更佳：

强度更高：↑25～150％

塑韧性更好：δ↑15～25％，ak

↑60~80%;

脆性转变温度(TK)更低；TaKTK5热处理：正火TaKTK148二渗碳钢

渗碳定义：在增碳的活性介质中，钢的表面为碳所饱和而获得高碳的渗层组织，称为渗碳。目的：提高零件表面硬度、耐磨性和疲劳强度。渗碳钢——用作整体受冲击或交变应力，表面受磨损的零件，这些零件要求表面硬、心部韧，如机床、汽车、拖拉机的变速齿轮等。二渗碳钢渗碳定义：在增碳的活性介质中，钢1491成分特点：

Me：Cr、Ni、Mn、B；V、Ti、Nb↑淬透性，↑强韧性阻碍A晶粒长大

低C（0.1%~0.25%）1成分特点：Me：↑淬透性，↑强韧性1502典型渗碳钢种

(1)低淬透性20Cr、20Mn2、20MnV、20CrV合金总量<2％，D水淬临界大约20～35mm——小载荷件（2）中淬透性20CrMn、20CrMnTi、20MnTiB合金总量2～5％，D水淬临界大约25～60mm（3）高淬透性20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA合金总量5～7.5％，D水淬临界>100mm——高载荷、重要耐磨件——中等载荷件2典型渗碳钢种(1)低淬透性——小载荷件（2）中淬1513热处理及使用状态的组织：热处理前渗层组织：（1）热处理工艺：渗碳+淬火+低温回火（2）组织：表面：高碳回火马氏体心部：低碳回火马氏体4性能：表面硬——耐磨；心部韧——抗冲击。3热处理及使用状态的组织：152二、渗碳后缓冷的组织>1％C～0.2％C心部亚共析区共析区过共析区二、渗碳后缓冷的组织>1％C～0.2％C心部亚共析区共析区153金属学与热处理课件154三调质钢

调质工艺：淬火+高温回火，1用途：汽车、拖拉机、机床等的重要零件如：轴类、连杆、齿轮、螺栓等2性能要求受力复杂：较大的循环载荷、复合应力——高强度、良好塑韧性、高的疲劳强度——要求高的综合机械性能。三调质钢调质工艺：淬火+高温回火，155（1）中C（0.25%~0.5%）C过低：淬硬性不够——回火后强度不够C过高：韧性不够（2）加入提高淬透性合金元素Cr、Ni、Mn、Si；3成分特点：（3）加入防第二类回火脆性元素W、Mo等（1）中C（0.25%~0.5%）（2）加入提高淬透性合156

4典型钢种：(1)低淬透性40Cr、40MnB、40MnVB

D水淬临界大约20～40mm,（2）中淬透性40CrMn、40CrNi、40CrMnTi、35CrMo

D水淬临界大约40～60mm,（3）高淬透性40CrNiMo、30CrNi3

D水淬临界>60~100mm,5热处理工艺：淬火+高温回火使用态组织：回火索氏体4典型钢种：5热处理工艺：157金属学与热处理课件158金属学与热处理课件159金属学与热处理课件160四弹簧钢1用途：制作各种弹性元件——以产生较大弹性变形，起缓和冲击、吸收振动等作用。2性能要求：高的弹性极限，屈强比、疲劳强度四弹簧钢1用途：1613成分特点(1)中高碳:合金弹簧钢:0.4%~0.7%C;

碳素弹簧钢：0.6~0.9%C(2)Me：Mn、Cr、Si：↑淬透性，固溶强化

Si：↑σS/σb

(屈强比)W、Mo：防第二类回火脆性~1%~2%3成分特点(1)中高碳:(2)Me：1624典型钢种：65、60Si2Mn、60Si2MnWA钢号CSiMn其它65Mn0.62~0.700.17~0.370.9~1.255Si2Mn0.52~0.601.5~2.00.6~0.960Si2Mn0.56~0.641.5~2.00.6~0.960Si2CrVA0.56~0.641.4~1.80.4~0.7Cr:0.7~1.060Si2M