金属学与热处理第2版第十一章课件

第一节钢的分类和编号第二节合金元素在钢中的作用第三节工程结构用钢第四节机器零件用钢第十一章工业用钢第五节工具钢第六节特殊性能钢第一节钢的分类和编号第二节合金元素在钢中的作用第三节第一节钢的分类和编号

（一）按用途分类这是主要的分类方法，我国合金钢的部颁标准一般都是按用途分类编制的。根据钢材的用途可以分为三类。（1）结构钢（2）工具钢（3）特殊性能钢一、钢的分类第一节钢的分类和编号（一）按用途分类一、钢的分钢的分类

按钢的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大类。碳素钢又分为：①低碳钢，wC≤0.25%；②中碳钢，wC=0.25%～0.6%；③高碳钢，wC＞0.6%。合金钢也可分为：①低合金钢，合金元素总含量w≤5%；②中合金钢，合金元素总含量w=5%～10%；③高合金钢，合金元素总含量w＞10%。另外，根据钢中所含主要合金元素种类的不同，也可分为锰钢、铬钢、铬镍钢、硼钢等。（二）按化学成分分类钢的分类按钢的化学成分可分为碳素钢和合金钢两大钢的分类

（1）按平衡状态或退火状态的组织分类可以分为亚共析钢、共析钢、过共析钢和莱氏体钢。（2）按正火组织分类可分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢。（3）按室温时的显微组织分类可分为铁素体钢、奥氏体钢和双相钢。（三）按显微组织分类钢的分类（1）按平衡状态或退火状态的组织分类可以钢的分类

主要以钢中有害杂质P、S的含量来分类，可分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。例如，优质碳素结构钢的优质钢等级wP、wS均≤0.035%，高级优质钢等级wP、wS均≤0.030%；合金结构钢的优质钢等级wP、wS均≤0.035%，高级优质钢等级wP、wS均≤0.025%。（四）按品质分类钢的分类主要以钢中有害杂质P、S的含量来分类，

（一）碳素结构钢和低合金高强度结构钢这两类钢采用表示屈服点的拼音首位字母“Q”+屈服点数值（单位为MPa）+质量等级+脱氧方法等符号表示，按顺序组成牌号。例如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ等；低合金高强度结构钢牌号表示为Q345C、Q345D等。质量等级由A到E，磷、硫含量降低，钢的质量提高。碳素结构钢牌号中表示镇静钢的符号“Z”和表示特殊镇静钢的符号“TZ”可以省略；低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱氧方法的符号。二、钢的编号（一）碳素结构钢和低合金高强度结构钢二、钢的编号钢的编号

牌号用两位数字表示。这两位数字表示平均含碳量的万分之几，如45钢表示钢中平均含碳量为wC=0.45%，08钢表示平均含碳量为wC=0.08%。含锰量较高的钢，须将锰元素标出，如平均wC=0.50%、wMn=0.70%～1.00%的钢，其牌号为“50Mn”。沸腾钢、半镇静钢以及专门用途的优质碳素结构钢，应在牌号后特别标出，如“20g”，即平均含碳量为wC=0.20%的锅炉钢。（二）优质碳素结构钢钢的编号牌号用两位数字表示。这两位数字表示平均钢的编号

在牌号前加“T”以表示碳素工具钢，其后跟以表示含碳量的千分之几的数字，如平均含碳量wC=0.8%的钢，其钢号为“T8”。含锰量较高者，在牌号后标以“Mn”，如“T8Mn”。高级优质碳素工具钢在牌号后加“A”，如“T10A”。（三）碳素工具钢钢的编号在牌号前加“T”以表示碳素工具钢，其后钢的编号

合金结构钢的牌号由三部分组成，即“数字+合金元素符号+数字”。前面的两位数字表示平均含碳量的万分之几，合金元素后面的数字表示合金元素的平均含量，一般以百分之几表示，当其平均值w＜1.5%时，牌号中一般只标明元素符号而不标明其含量。若其平均值w≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%……时，则在元素后面相应地标出2、3、4……。如为高级优质钢，则在牌号后面加“A”。如含碳量为wC=0.35%、wSi=1.1%～1.4%、wMn=1.1%～1.4%的钢，其牌号为“35SiMn”。（四）合金结构钢钢的编号合金结构钢的牌号由三部分组成，即“数字钢的编号

合金工具钢的编号原则与合金结构钢大体相同，所不同的只是含碳量的表示方法不同，如平均含碳量wC≥1.0%，则不标出含碳量；如平均含碳量wC＜1.0%时，则在牌号前以千分之几表示。如“CrMn”中的wC=1.3%～1.5%；“9Mn2V”中的wC=0.85%～0.95%。（五）合金工具钢钢的编号合金工具钢的编号原则与合金结构钢大体相钢的编号

铬滚动轴承钢牌号由GCr+数字组成，数字表示铬含量平均值的千分之几，如“GCr15”，就是铬的平均含量为wCr=1.5%的滚动轴承钢。（六）铬滚动轴承钢钢的编号铬滚动轴承钢牌号由GCr+数字组成，数钢的编号

不锈钢与耐热钢（珠光体型耐热钢除外）的牌号由“数字+合金元素符号+数字”组成。前面的数字表示平均含碳量的千分之几。如“9Cr18”表示含碳量为wC=0.9%。但当wC≤0.08%时，以“0”表示，如0Cr18Ni9；当wC≤0.03%时，以“00”表示，如00Cr19Ni10。（七）不锈钢与耐热钢钢的编号不锈钢与耐热钢（珠光体型耐热钢除外）的第二节合金元素在钢中的作用

它们有以下四种存在形式。（1）溶入铁素体、奥氏体和马氏体中，以固溶体的溶质形式存在。（2）形成强化相，如形成合金渗碳体、形成元素本身的碳化物或形成金属化合物。（3）形成非金属夹杂物，如合金元素与O、N、S作用形成氧化物、氮化物和硫化物等。（4）有些元素如Pb等既不溶于铁，也不形成化合物，而是在钢中以游离状态存在。在高碳钢中碳有时也以自由状态（石墨）存在。一、合金元素在钢中的分布第二节合金元素在钢中的作用它们有以下四种存在形式

（一）合金元素与铁的相互作用合金元素对铁的同素异构转变有很大影响，主要通过合金元素在α-Fe和γ-Fe中的固溶度及其对γ相区的影响表现出来，体现为合金元素与铁构成的二元合金相图的不同类型。

1.无限扩大γ相区型（图11-1a）

2.有限扩大γ相区型（图11-1b）

3.封闭γ相区、无限扩大α相区型（图11-1c）

4.封闭γ相区、有限扩大α相区型（图11-1d）

5.缩小γ相区型（图11-1e）二、合金元素与铁和碳的相互作用（一）合金元素与铁的相互作用二、合金元素与铁和碳的相互合金元素与铁和碳的相互作用（一）合金元素与铁的相互作用图11-1铁及其他合金元素平衡相图的类型

L—液相α、γ、δ—固溶体相合金元素与铁和碳的相互作用（一）合金元素与铁的相互作用图11合金元素与铁和碳的相互作用1.非碳化物形成元素这一类元素有Ni、Si、Co、Al、Cu等，通常固溶于铁素体或奥氏体中，起固溶强化作用，有的可形成非金属夹杂物和金属间化合物，如Al2O3、AlN、SiO2、FeSi、Ni3Al等。另外，Si的含量高时，可能使渗碳体分解，使碳游离呈石墨状态存在，即有所谓石墨化作用。（二）合金元素与碳的相互作用合金元素与铁和碳的相互作用1.非碳化物形成元素（二）合金元素与铁和碳的相互作用2.碳化物形成元素这一类元素按与碳的亲和力从大到小的次序排列有Zr、Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe等过渡族元素。合金元素与碳的亲和力越大，所形成碳化物的稳定性越大。其中，Zr、Ti、Nb、V为强碳化物形成元素，与碳有极强的亲和力，只要有足够的碳，就能形成碳化物，仅在缺少碳的情况下，才以原子状态溶入固溶体中；Mn为弱碳化物形成元素，除少量可溶于渗碳体中形成合金渗碳体外，几乎都溶解于铁素体和奥氏体中；中强碳化物形成元素为W、Mo、Cr，当其含量较少时，多溶于渗碳体中形成合金渗碳体，当其含量较高时，则可能形成新的碳化物。（二）合金元素与碳的相互作用合金元素与铁和碳的相互作用2.碳化物形成元素（二）合

（一）合金元素对Fe-C相图的影响

1.对奥氏体相区的影响加入到钢中的合金元素，依其对奥氏体相区的作用可分为两类。一类是扩大奥氏体相区的元素钢在室温下为单相奥氏体组织，称为奥氏体钢。另一类是缩小奥氏体相区的元素，奥氏体相区消失，钢在室温下为单相铁素体组织，称为铁素体钢。三、合金元素对相变的影响（一）合金元素对Fe-C相图的影响三、合金元素对相变的合金元素对相变的影响（一）合金元素对Fe-C相图的影响图11-4合金元素对共析温度的影响合金元素对相变的影响（一）合金元素对Fe-C相图的影响图11合金元素对相变的影响（一）合金元素对Fe-C相图的影响2.对S点和E点位置的影响几乎所有的合金元素都使S点和E点左移，即这两点的含碳量下降。由于S点的左移，使含碳量wC低于0.77%的合金钢出现过共析组织而析出碳化物。另外，在退火状态下，相同含碳量的合金钢组织中的珠光体量比碳钢多，从而使钢的强度和硬度提高。合金元素对相变的影响（一）合金元素对Fe-C相图的影响合金元素对相变的影响（二）合金元素对钢加热转变的影响

合金元素对钢奥氏体化过程的影响表现在两方面。一方面，为了获得成分均匀的奥氏体，希望有尽可能多的合金元素溶解于奥氏体中，发挥其提高淬透性的作用，必须将合金钢加热到更高的温度和保温更长的时间。另一方面，所有的合金元素（Mn、P、C、N除外）都有阻碍奥氏体晶粒长大的作用，但作用的强弱程度有所不同。合金元素对相变的影响（二）合金元素对钢加热转变的影响合金元素对相变的影响（三）合金元素对冷却时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主要体现为对过冷奥氏体等温转变图的影响。除Co之外，所有溶入奥氏体中的合金元素均使C曲线右移，其中碳化物形成元素还使C曲线的形状发生变化，提高过冷奥氏体的稳定性，从而提高了钢的淬透性，这往往是合金化的主要目的之一。合金元素对相变的影响（三）合金元素对冷却时过冷奥氏体转变的影合金元素对相变的影响（四）合金元素对淬火钢回火转变的影响

回火过程是使钢获得预期性能的关键工序，合金元素的主要作用是提高了钢的耐回火性（即钢对回火时发生软化过程的抵抗能力），使回火过程各个阶段的转变速度大大减慢，将其推向更高的温度。合金元素对相变的影响（四）合金元素对淬火钢回火转变的影响第三节工程结构用钢

工程结构用钢用于制作各种大型金属结构，如桥梁、船舶、屋架、车辆、锅炉、容器等工程构件，通常简称为工程用钢。一般说来，这些构件的工作特点是不作相对运动，承受长期静载荷；有一定使用温度要求，如有的（锅炉）使用温度可到250℃以上，而有的则在寒带条件下工作，长期承受低温作用；通常在野外（如桥梁）或海水中（如船舶）使用，承受大气和海水的浸蚀。一、概述第三节工程结构用钢工程结构用钢用于制作各种大型金概述

工程用钢必须具有良好的工艺性能。为了制成各种构件，需要将钢厂供应的棒材、板材、型材、管材、带材等钢材先进行必要的冷变形，制成各种部件，然后用焊接或铆接的方法连接起来，因而要求钢材必须具有良好的冷变形性和焊接性，构件用钢的化学成分的设计和选择，首先必须满足这两方面的要求，其使用性能的要求往往退居第二位。这一点与其他钢种的情况有所不同。概述工程用钢必须具有良好的工艺性能。为了制成各种

（一）屈服现象屈服现象是低碳钢所具有的力学性能特点，表现为在其工程应力-应变曲线上存在上、下屈服点和屈服平台。屈服现象出现的原因是由于间隙原子C、N所形成的柯氏气团对位错有很强的钉扎作用，必须在较大的外加应力下才能使位错挣脱气团的钉扎而移动，这一应力值就是应力-应变曲线上的上屈服点，位错一旦挣脱了气团的钉扎，就可以在较低的应力下运动，这就是下屈服点，此时试样继续延伸而应力保持定值或作微小波动，这就是应力-应变曲线上的屈服齿或屈服平台。二、工程结构用钢的力学性能特点（一）屈服现象二、工程结构用钢的力学性能特点工程结构用钢的力学性能特点

构件用钢经冷塑性变形后，在室温放置较长时间或稍经加热后，其强度、硬度升高，塑性、韧性下降，这种现象称为应变时效。前已指出，低碳钢在开始塑性变形时位错挣脱柯氏气团的钉扎而运动，当多数位错都挣脱柯氏气团后，流变应力开始增高，产生加工硬化现象。（二）应变时效和淬火时效工程结构用钢的力学性能特点构件用钢经冷塑性变形后，在工程结构用钢的力学性能特点

用低碳钢材制造的各种工程构件，室温下的强度不高，塑性韧性良好，但是当温度降低时，可能由微孔聚集型的塑性断裂转变为脆性的解理断裂，这一现象称为冷脆。（三）冷脆倾向性工程结构用钢的力学性能特点用低碳钢材制造的各种工程构

（一）对力学性能的影响三、合金元素对工程结构用钢性能的影响图11-9合金元素对铁素体的固溶强化作用图11-10合金元素对铁素体抗拉强度的影响（一）对力学性能的影响三、合金元素对工程结构用钢性能合金元素对工程结构用钢性能的影响（一）对力学性能的影响图11-11合金元素对铁素体屈服强度的影响图11-12合金元素对铁素体断面收缩率的影响图11-13合金元素对铁素体冲击韧度的影响合金元素对工程结构用钢性能的影响（一）对力学性能的影响图11

（一）碳素结构钢碳素结构钢易于冶炼，价格低廉，性能基本满足一般工程结构的要求，用量约占钢材总产量的70%～80%。碳素结构钢含碳量低（wC=0.06%～0.38%），硫、磷含量较高。通常以热轧空冷状态供应，其塑性高，焊接性好，使用状态下的组织为铁素体加珠光体。碳素结构钢常以热轧板、带、棒及型钢使用，适于焊接、铆接、栓接等。四、常用的工程结构用钢（一）碳素结构钢四、常用的工程结构用钢常用的工程结构用钢（二）低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢是在含碳量wC≤0.20%的碳素结构钢基础上，加入少量的合金元素发展起来的，强度高于碳素结构钢。由于强度高，就可以1t此类钢抵1.2～2.0t碳素结构钢使用，从而可减轻构件重量，提高使用可靠性并节约钢材。低合金高强度结构钢还具有足够的塑性、低的冷脆转变温度以及良好的焊接性能和耐蚀性，目前已广泛应用于建筑、石油、化工、铁道、船舶、机车车辆、锅炉容器、农机农具等许多部门。常用的工程结构用钢（二）低合金高强度结构钢低合金高强

在实际生产中，有许多形状复杂的零件或大型部件难以用压力加工的方法成形，此时通常用铸钢制造。特别是近年来铸造技术的进步，精密铸造的发展，铸钢件在组织、性能、精度和表面光洁程度等方面都已接近锻钢件，可在不经切削加工或只需少量切削加工后使用，能大量节约钢材和成本，因此铸钢得到了更加广泛的应用。五、铸钢在实际生产中，有许多形状复杂的零件或大型部件难以用压铸钢

为了进一步改善铸钢的力学性能，常在碳素铸钢基础上加入少量Mn、Si、Cr、Ni、Mo、Ti、V等合金元素，制成低合金铸钢。当要求特殊物理化学性能时可采用特殊铸钢，如不锈铸钢、耐磨铸钢及耐热铸钢等。铸钢晶粒粗大，偏析严重，铸造内应力大及易形成魏氏组织，使塑性和韧性显著下降。为了消除或减轻这些铸钢组织中的缺陷，应进行完全退火或正火，以消除魏氏组织、细化晶粒，消除铸造内应力，改善铸钢的力学性能。此外，对某些局部表面要求耐磨的中碳钢铸件，可采用局部表面淬火，如铸钢大齿轮，可逐齿进行火焰淬火。较小的中碳铸钢件，可采用调质以改善其力学性能。铸钢为了进一步改善铸钢的力学性能，常在碳素铸钢基第四节机器零件用钢

机器零件用钢是指用于制造各种机器零件，如轴类零件、齿轮、弹簧和轴承等所用的钢种，也称为机械结构用钢。机器零件在工作时承受拉伸、压缩、剪切、扭转、冲击、振动、摩擦等一种力的作用，或几种力的同时作用，在零件的截面上产生拉、压、切等应力。这些应力值可以是恒定的或变化的；在方向上可以是单向的或反复的；在加载方式上可以是逐渐的或骤然的。机器零件工作环境也很复杂，有的在高温，有的在低温，有的还受腐蚀介质的作用。一、概述第四节机器零件用钢机器零件用钢是指用于制造各种机概述

机器零件损伤及失效方式也各不相同。一般说来，根据机器零件的工作条件，对力学性能提出以下要求：

1）要求机器零件用钢有较高的疲劳强度。

2）要求机器零件用钢要具有高的屈服强度、抗拉强度以及较高的断裂抗力。

3）要求机器零件用钢具有良好的耐磨性及接触疲劳强度。

4）要求机器零件用钢应具有较高的韧性，以降低缺口敏感性。概述机器零件损伤及失效方式也各不相同。一般说来，

机器零件用钢中加入的合金元素主要有Cr、Mn、Si、Ni、Mo、W、V、Ti、B和Al等数种，或者是单独加入，或者是几种同时加入。它们在钢中的主要作用是：提高钢的淬透性；降低钢的过热敏感性；提高耐回火性；抑制第二类回火脆性；改善钢中非金属夹杂物的形态和提高钢的工艺性能等。其中有些内容前面已经作过介绍，现只就以下几个方面进行分析。二、机器零件用钢的合金化特点机器零件用钢中加入的合金元素主要有Cr、Mn、Si、机器零件用钢的合金化特点

淬透性虽是一种热处理工艺性能，但是，合金元素可以通过提高钢的淬透性而影响钢的力学性能。如前所述，马氏体相变及其随后的回火是综合利用了固溶强化、晶界强化、位错强化和第二相强化，获得马氏体已成为钢的最重要强化手段。在相同硬度的条件下，淬火回火钢的σ0.2、δ、ψ远高于未淬透（或未淬火）的钢，前者的冲击韧度（图11-14）和疲劳强度（图11-15）也显著优于后者。（一）提高钢的淬透性机器零件用钢的合金化特点淬透性虽是一种热处理工艺性能机器零件用钢的合金化特点（一）提高钢的淬透性图11-14钢的组织对冲击韧度的影响（35CrNiMo钢淬火回火到σb=880MPa）图11-15钢的组织对淬火回火后钢的疲劳强度的影响（全部试样都热处理到36HRC）机器零件用钢的合金化特点（一）提高钢的淬透性图11-14机器零件用钢的合金化特点

碳是机器零件用钢中的最重要的元素，它不但直接决定了马氏体的硬度，而且对马氏体的形态及其回火后的性能都有很大影响。回火是热处理的最后一道工序，回火温度的确定就决定了钢的最后组织状态，因此从这一意义上来说，回火工艺在某种程度上决定了零件的使用性能和寿命。（二）含碳量的选择和回火温度的确定机器零件用钢的合金化特点碳是机器零件用钢中的最重要的机器零件用钢的合金化特点

钢的切削加工性能是一种重要的工艺性能，对于大生产显得尤为重要，有时为了提高切削速度，发挥自动机床的加工能力，延长刀具使用寿命，常常不得不牺牲一部分使用性能而保证钢材的切削加工性能。（三）提高钢的切削加工性机器零件用钢的合金化特点钢的切削加工性能是一种重要的

（一）渗碳钢的工作条件及对性能的要求现以齿轮为例分析其工作条件及对使用性能的要求

1）齿轮工作时，从啮合点到齿根的整个齿面上均受脉动的弯曲应力作用，而在齿根危险断面上造成最大的弯曲应力。在脉动弯曲应力作用下，可使齿轮产生弯曲疲劳破坏。破坏形式是断齿。三、渗碳钢（一）渗碳钢的工作条件及对性能的要求三、渗碳钢渗碳钢2）齿轮工作时，通过齿面接触传递动力。在接触应力的反复作用下，会使工作齿面产生接触疲劳破坏。破坏形式主要有麻点剥落与硬化层剥落两种。

3）齿轮工作时，两齿面相对运动（包括滚动与滑动），产生摩擦力，因而要求齿面有较高的耐磨性。

4）齿轮工作时，有时还会承受强烈的冲击载荷，要求齿轮有较高的强韧性。（一）渗碳钢的工作条件及对性能的要求渗碳钢2）齿轮工作时，通过齿面接触传递动力。渗碳钢1.低碳含碳量一般为wC=0.10%～0.25％。渗碳钢的含碳量实际上是渗碳零件心部的含碳量，这对于保证心部有足够的塑性和韧性是十分必要的。若含碳量过低，表面的渗碳层易于剥落；含碳量过高，则心部的塑性和韧性下降，并使表层的压应力减少，从而降低弯曲疲劳强度。（二）渗碳钢的化学成分渗碳钢1.低碳（二）渗碳钢的化学成分渗碳钢2.加入提高淬透性的合金元素提高心部的强度将提高齿轮的承载能力，并防止渗层剥落。而心部的强度则取决于钢中含碳量及淬透性。当淬透性足够时，心部得到全部位错马氏体组织；如淬透性不足，则出现非马氏体组织。常加入的合金元素有Cr、Mn、Ni、B、Mo、W和Si等。Ni对渗层和心部的韧性和强度都十分有利，因而高级渗碳钢中都含有较多的Ni。（二）渗碳钢的化学成分渗碳钢2.加入提高淬透性的合金元素（二）渗碳渗碳钢3.加入阻止奥氏体晶粒长大的元素渗碳工艺是在910～930℃高温下进行的，为了阻止奥氏体晶粒长大，渗碳钢用以铝脱氧的本质细晶粒钢。Mn在钢中有促进奥氏体晶粒长大的倾向，所以在含Mn渗碳钢中常加入少量的V、Ti等阻止奥氏体晶粒长大的元素。（二）渗碳钢的化学成分渗碳钢3.加入阻止奥氏体晶粒长大的元素（二）渗碳钢

1.低淬透性渗碳钢

其强度级别σb在800MPa以下，又称为低强度渗碳钢。常用的有15、20、20Mn2、20MnV、15Cr等。由于这类钢的淬透性低，因此只适用于对心部强度要求不高的小型渗碳件，如套筒、链条、活塞销等。（三）常用的渗碳钢渗碳钢1.低淬透性渗碳钢（三）常用的渗碳钢渗碳钢

2.中淬透性渗碳钢

其强度级别σb在800～1200MPa范围内，又称为中强度渗碳钢。常用的有20CrMnTi、20MnVB、20MnTiB等。这类钢的淬透性与心部的强度均较高，可用于制造一般机器中较为重要的渗碳件，如汽车、拖拉机的齿轮及活塞销等。（三）常用的渗碳钢渗碳钢2.中淬透性渗碳钢（三）常用的渗碳钢渗碳钢

3.高淬透性渗碳钢其强度级别σb在1200MPa以上，又称高强度渗碳钢。常用的有20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA等。由于具有很高的淬透性，心部强度很高，因此这类钢可用于制造截面较大的重负荷渗碳件，如航空发动机齿轮、曲轴、坦克齿轮等。（三）常用的渗碳钢渗碳钢3.高淬透性渗碳钢（三）常用的渗碳钢渗碳钢

渗碳钢的热处理一般是渗碳后进行淬火及低温回火，以获得高硬度的表层及强而韧的心部。根据钢的成分的差异，常用的热处理方法有以下几种。

1.渗碳后预冷直接淬火及低温回火

2.一次淬火

3.两次淬火（四）渗碳钢的热处理渗碳钢渗碳钢的热处理一般是渗碳后进行淬火及低

（一）调质钢的工作条件及对性能的要求经调质处理后使用的结构钢称为调质钢。许多机器设备上的重要零件如机床主轴、汽车拖拉机的后桥半轴、柴油发动机曲轴、连杆、高强度螺栓等，都是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力学性能——不但要有很高的强度，而且要求有良好的塑性和韧性，即要求良好的综合力学性能，才能承受较大的工作应力，防止由于突然过载等偶然原因造成的破坏。四、调质钢（一）调质钢的工作条件及对性能的要求四、调质钢调质钢

1.中碳含碳量一般为wC=0.25%～0.45%，以保证有足够的碳化物起弥散强化作用。但是碳是不利于调质钢冲击韧度的元素，故在选择钢中含碳量时，在满足强度要求的前提下，应将其限制在较低的范围内，从而提高钢的韧性，增加零件工作时的安全可靠性。（二）调质钢的化学成分调质钢1.中碳（二）调质钢的化学成分调质钢

2.加入提高淬透性的合金元素对调质钢而言，合金化的主要着眼点是提高钢的淬透性。在设计钢的成分时，必须保证钢有足够的淬透性，只有淬火得到马氏体，才能使钢具有良好的综合力学性能。如果淬透性不足，淬火后得到了非马氏体组织，则钢的σ0.2、δ、ψ、aK等性能将显著下降。调质钢中常用的提高淬透性的元素有Mn、Si、Cr、Ni、B等。（二）调质钢的化学成分调质钢2.加入提高淬透性的合金元素（二）调调质钢

3.加入防止第二类回火脆性的元素

调质钢的回火温度正好处于第二类回火脆温度范围内，钢中含有Mn、Cr、Ni、B元素时，会增大回火脆性的敏感性，除了回火后快速冷却外，可加入抑制回火脆性的元素Mo和W。

4.加入细化奥氏体晶粒的元素回火索氏体中的铁素体晶粒越细小，则钢的强韧性越好，为了细化铁素体晶粒，首先必须先细化奥氏体晶粒，常用的元素有W、Mo、V、Al等。（二）调质钢的化学成分调质钢3.加入防止第二类回火脆性的元素（二调质钢1.低淬透性调质钢这类钢的油淬临界直径最大为30～40mm，典型钢种有45、40Cr等。45钢是比较便宜的钢种，淬透性低，用于对力学性能要求不高的零件，40Cr钢有较高的力学性能和工艺性能，应用十分广泛，可用于制造汽车、拖拉机上的连杆、螺栓、传动轴及机床主轴等零件。

2.中淬透性调质钢这类钢的油淬临界直径为40～60mm，典型钢种有40CrMn、35CrMo等。由于淬透性较好，可用以制造截面尺寸较大的中型甚至大型零件，如曲轴、齿轮、连杆等。（三）常用调质钢调质钢1.低淬透性调质钢（三）常用调质钢调质钢3.高淬透性调质钢这类钢的油淬临界直径在60mm以上，大多含有Ni、Cr等元素。为了防止回火脆性，钢中还含有Mo，如40CrNiMo等，用于制造大截面承受重载荷的重要零件，如航空发动机轴等。（三）常用调质钢调质钢3.高淬透性调质钢（三）常用调质钢调质钢1.预备热处理调质钢经热加工之后，必须经过预备热处理以降低硬度，便于切削加工，消除热加工时造成的组织缺陷（如带状组织）、细化晶粒、改善组织，为最终热处理做好准备。对于合金元素含量较低的钢，可进行正火或退火处理；对于合金元素含量较高的钢，正火处理后可能得到马氏体组织，尚需再在Ac1以下进行高温回火，使其组织转变为粒状珠光体，降低硬度，便于切削加工。（四）调质钢的热处理调质钢1.预备热处理（四）调质钢的热处理调质钢2.最终热处理调质钢的最终热处理是淬火加高温回火。合金钢的淬透性比较高，可以采用较慢的冷却速度淬火，一般都用油淬，以避免出现热处理缺陷，调质钢的最终性能取决于回火温度，当要求强度较高时，采用较低的回火温度，反之选用较高的回火温度。回火温度范围一般为500～650℃。（四）调质钢的热处理调质钢2.最终热处理（四）调质钢的热处理调质钢

如前所述，低碳马氏体分布着大量的位错，它不但强度高，塑性、韧性也好，缺口敏感性小，如将常用的渗碳钢和低合金高强度钢经淬火获得低碳马氏体并低温回火后，其力学性能在许多方面优于调质钢，可满足不少机器零件的使用性能要求。（五）低碳马氏体钢调质钢如前所述，低碳马氏体分布着大量的位错，

（一）弹簧的工作条件及对性能要求弹簧钢是指用于制造各种弹簧的钢种。在各种机器设备中，弹簧的主要作用是吸收冲击能量，缓和机械振动和冲击。例如用于汽车拖拉机和机车上的板弹簧，它们除了承受车厢及载物的巨大重量外，还要承受因地面不平所引起的冲击载荷和振动，使汽车、火车等车辆运转平稳，以免某些零件因受冲击而过早地破坏。此外，弹簧还可储存能量使其他机件完成事先规定的动作，如气阀弹簧、高压油泵上的柱塞簧及喷嘴簧等，可以保证机器和仪表的正常工作。五、弹簧钢（一）弹簧的工作条件及对性能要求五、弹簧钢弹簧钢

根据以上的工作条件，弹簧钢应具有以下性能：

1）高的弹性极限或屈服极限和高的屈强比（σ0.2/σb），以保证弹簧有足够高的弹性变形能力，并能承受大的载荷。

2）高的疲劳极限，以保证弹簧在长期的振动和交变应力作用下不产生疲劳破坏。

3）为了满足成形的需要和可能承受的冲击载荷，弹簧钢应具有一定的塑性和韧性。此外，一些在高温及易蚀条件下工作的弹簧，还应具有良好的耐热性和耐蚀性。（一）弹簧的工作条件及对性能要求弹簧钢根据以上的工作条件，弹簧钢应具有以下性弹簧钢

由于弹簧钢的性能要求以强度为主，因此它的化学成分有以下特点。

1.中、高碳目的是提高弹性极限和屈服极限。通常碳素弹簧钢的含碳量wC=0.60%～0.90%，合金弹簧钢wC=0.50%～0.60%。（二）弹簧钢的化学成分弹簧钢由于弹簧钢的性能要求以强度为主，因此它弹簧钢2.加入Si、MnSi和Mn是弹簧钢中经常应用的合金元素，目的是提高淬透性，强化铁素体（固溶强化），提高钢的耐回火性。Si还可提高屈强比，但含硅量高时有石墨化倾向，加热时使钢易于脱碳；Mn增大钢的过热倾向。

3.加入Cr、V、W

为了克服Si-Mn钢的缺点，加入这些碳化物形成元素，它们可以防止钢的过热和脱碳，提高淬透性（主要是Cr），V和W可以细化晶粒，并可保证钢在高温下仍具有较高的弹性极限和屈服极限。（二）弹簧钢的化学成分弹簧钢2.加入Si、Mn（二）弹簧钢的化学成弹簧钢

碳素弹簧钢用于制造小截面（直径＜12～15mm）弹簧，用冷拔钢丝和冷成形法制成。合金弹簧钢一般以Si-Mn钢为基本类型，其中的65Mn钢的价格低廉，淬透性显著优于碳素弹簧钢，可以制造尺寸为8～15mm的小型弹簧，如各种小尺寸的扁簧和座垫弹簧、弹簧发条等；60Si2Mn钢用于制造厚度为10～12mm的板簧和直径为25～30mm的螺旋弹簧，油冷即可淬透，力学性能显著优于65Mn，常用于制造汽车、拖拉机和机车上的减振板簧和螺旋弹簧、汽车安全阀簧以及要求承受高应力的弹簧，但其工作温度不能超过250℃。当工作温度在250℃以上时，可以采用50CrV钢，它具有良好的力学性能，于300℃以下工作时弹性不减，内燃机的气阀弹簧就用这种钢制造。（三）常用的弹簧钢弹簧钢碳素弹簧钢用于制造小截面（直径＜12～弹簧钢1.热成形弹簧扁钢剪断→热卷成形后淬火并中温回火→喷丸→装配。在淬火加热时，为了防止氧化和脱碳，应尽量采用快速加热，最好是在盐炉或带有保护性气氛的炉中进行，淬火后尽量快回火，以防延迟断裂。对于含Si弹簧钢来说，回火温度一般为400--450℃，其组织为回火托氏体。此时的马氏体已充分分解，分解出的渗碳体以细小颗粒状分布在α相基体上；α相的回复过程也已充分进行，开始多边化，但亚结构尚未长大；钢中的残留奥氏体已经分解，内应力已大幅度下降。钢的弹性极限达到了最高值。（四）弹簧的成形及热处理弹簧钢1.热成形弹簧（四）弹簧的成形及热处理弹簧钢2.冷成形弹簧对于直径较细或厚度较薄的弹簧，可以先进行强化处理（冷变形强化或热处理强化），然后卷制成形，最后进行回火和稳定尺寸。根据强化方式的不同，可以分为以下三种情况。（1）铅淬冷拔钢丝（2）冷拔钢丝（3）淬火回火钢（四）弹簧的成形及热处理弹簧钢2.冷成形弹簧（四）弹簧的成形及热处理

（一）滚动轴承的工作条件及对性能的要求用于制造滚动轴承套圈和滚动体的专用钢称为滚动轴承钢，分为高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、不锈轴承钢及高温轴承钢。其中高碳铬轴承钢属于高碳钢，除了制作滚动轴承外，还广泛用于制造各类工具和耐磨零件。轴承元件的工作条件非常复杂和苛刻，因此对轴承钢的性能要求非常严格，主要有以下几个方面：六、滚动轴承钢（一）滚动轴承的工作条件及对性能的要求六、滚动轴承钢滚动轴承钢

轴承元件的工作条件非常复杂和苛刻，因此对轴承钢的性能要求非常严格，主要有以下几个方面：（1）很高的强度与硬度

（2）很高的接触疲劳强度

（3）很高的耐磨性（一）滚动轴承的工作条件及对性能的要求滚动轴承钢轴承元件的工作条件非常复杂和苛刻，因此对轴滚动轴承钢1.高碳轴承钢中含碳量为wC=0.95%～1.10%，以保证钢有高的硬度及耐磨性。决定钢硬度的主要因素是马氏体中的含碳量，只有含碳量足够高时，才能保证马氏体的高硬度，此外，碳还要形成一部分高硬度的碳化物，进一步提高钢的硬度和耐磨性。（二）高碳铬轴承钢的化学成分滚动轴承钢1.高碳（二）高碳铬轴承钢的化学成分滚动轴承钢

2.Cr、Si、Mn、Mo

常用的轴承钢以Cr为主要合金化元素，Cr一方面可以提高淬透性，另一方面还可以形成合金渗碳体，使钢中的碳化物非常细小均匀，从而大大提高钢的耐磨性和接触疲劳强度。Cr还可提高钢的耐蚀性。钢中Cr的含量不能太多，如若wCr＞1.65%，则将增加残留奥氏体的数量，降低硬度及尺寸稳定性。另外，Cr的含量过高，还会增加碳化物的不均匀性，降低钢的韧性和疲劳强度。因此，Cr的含量一般控制在wCr=1.65%以下。制造大型轴承时，可进一步加入Si、Mn、Mo，以提高钢的淬透性和强度。（二）高碳铬轴承钢的化学成分滚动轴承钢2.Cr、Si、Mn、Mo（二）高碳铬轴承滚动轴承钢

3.高的冶金质量

由于轴承的接触疲劳性能对钢材的微小缺陷十分敏感，所以非金属夹杂物对钢的使用寿命有很大影响。非金属夹杂物的种类、尺寸大小及形状不同，则影响的大小也不同。危害最大的是氧化物，其次为硫化物和硅酸盐，它们的多少主要取决于冶炼质量及铸锭操作，因此在冶炼和浇注时必须严格控制其数量。通常使wS＜0.02%、wP＜0.027%。近年来广泛应用真空高频熔炼、自耗电极真空电弧熔炼以及真空脱氧处理，取得了显著效果。（二）高碳铬轴承钢的化学成分滚动轴承钢3.高的冶金质量（二）高碳铬轴承钢的化学成滚动轴承钢

高碳铬轴承钢常用的是GCr15。轴承钢的热处理包括两个环节，首先是进行球化退火处理。球化退火的目的：一是降低硬度（GCr15钢的硬度降至179～207HBW），以利于切削加工；二是获得均匀分布的细粒状珠光体，为最终热处理作好组织准备。然后以10～30℃/h的速度冷却至600℃出炉空冷。若冷速太快，碳化物比较细小弥散，硬度较高，太慢则碳化物聚集长大，硬度较低。（三）高碳铬轴承钢的牌号及热处理滚动轴承钢高碳铬轴承钢常用的是GCr15。轴承钢的热第五节工具钢

工具钢是用以制造各种加工工具的钢种。根据用途不同，分为刃具钢、模具钢和量具钢三大类。按照化学成分不同，工具钢可分为碳素工具钢、合金工具钢和高速钢三类。一、概述第五节工具钢工具钢是用以制造各种加工工具

（一）刃具钢的工作条件及性能要求刃具钢是用来制造各种切削加工工具的钢种。车刀、铣刀、刨刀、钻头、丝锥、板牙等刃具在切削过程中，刀刃与工件表面金属相互作用使切屑产生变形与断裂，并从整体上剥离下来。故刀刃本身承受弯曲、扭转、剪切应力和冲击、振动负荷，同时还要受到工件和切屑的强烈摩擦作用。由于切屑层金属变形以及刃具与工件、切屑的摩擦产生大量切削热，使刃具温度升高，有时高达600℃左右。刃具的失效形式有卷刃、崩刃和折断等，但最普遍的失效形式是磨损。二、刃具钢（一）刃具钢的工作条件及性能要求二、刃具钢刃具钢

为了防止刃具卷刃，刃具钢必须具有很高的硬度，为此刃具钢应具备以高碳马氏体为基的组织。为了延长刃具的使用寿命，刃具钢应有足够的耐磨性。为了防止刃具在切削过程中因温度升高而使硬度下降，刃具钢必须具有高的热硬性。若在马氏体基体上分布着稳定性高、弥散度大的特殊碳化物颗粒，则既能显著提高刃具钢的耐磨性，又能保证刃具钢具有足够的热硬性。为了防止刃具由于冲击、振动负荷的作用而发生崩刃或折断，刃具钢还必须具有足够的塑性和韧性。（一）刃具钢的工作条件及性能要求刃具钢为了防止刃具卷刃，刃具钢必须具有很高的刃具钢

碳素工具钢是wC=0.65%～1.35％的高碳钢。因其生产成本低，冷、热加工性能好，热处理工艺简单，热处理后有相当高的硬度，切削热不大时亦具有较好的耐磨性。因此碳素工具钢在生产上获得广泛的应用。（二）碳素工具钢刃具钢碳素工具钢是wC=0.65%～1.35刃具钢

低合金刃具钢是在碳素工具钢基础上加入Cr、Mn、Si、W、V等元素形成的合金工具钢。低合金刃具钢的含碳量wC=0.75%～1.45%，以保证形成适量的碳化物，使钢在淬火加低温回火后获得高硬度和高耐磨性。（三）低合金刃具钢刃具钢低合金刃具钢是在碳素工具钢基础上加入C刃具钢

高速钢是由大量W、Mo、Cr、Co、V等元素组成的高碳、高合金钢。它是适应高速切削的需要而发展起来的一类刃具钢。

高速钢的主要性能特点是具有很高的热硬性，钢在淬火并回火后的硬度一般高于63HRC，高的可达68～70HRC，后者通常称为超硬型高速钢。（四）高速钢刃具钢高速钢是由大量W、Mo、Cr、Co、V刃具钢

1.高速钢的化学成分

常用高速钢是含有大量多种合金元素的高碳钢。各种高速钢的化学成分均在C、W、Mo、Cr、V、Co等多种元素中变动。（四）高速钢刃具钢1.高速钢的化学成分（四）高速钢刃具钢

2.高速钢的铸态组织及其压力加工

（四）高速钢图11-22W18Cr4V钢铸态组织刃具钢2.高速钢的铸态组织及其压力加工（四）刃具钢

高速钢铸态组织和化学成分是极不均匀的，尤其是处于晶界处的鱼骨状的共晶莱氏体硬度很高（约65～67HRC），脆性很大。因此，高速钢通常不能直接在铸态下使用。铸态组织的这种不均匀性不能用热处理方法改变，只有经热压力加工（锻造或轧制）才能打碎粗大的共晶碳化物并使之在钢中均匀分布。

（四）高速钢刃具钢高速钢铸态组织和化学成分是极不均匀的，刃具钢

3.高速钢的热处理（1）高速钢的退火高速钢锻、轧后应进行退火，其目的是降低硬度，以利切削加工；同时也使碳化物形成均匀分布的颗粒，为淬火作组织准备。退火工艺分普通退火和等温退火两种。（四）高速钢刃具钢3.高速钢的热处理（四）高速钢刃具钢

（2）高速钢的淬火高速钢淬火加热的最大特点是奥氏体化温度很高。如果加热温度不够高，虽然珠光体转变为奥氏体，但此时奥氏体中碳和合金元素的含量很低。（3）高速钢的回火高速钢淬火加热后的奥氏体中含有大量碳和合金元素，Ms和Mf点显著降低，淬火后钢中保留着大量残留奥氏体，影响尺寸稳定性。（四）高速钢刃具钢（2）高速钢的淬火高速钢淬火加热的最

（一）冷作模具钢

1.冷作模具钢的工作条件及性能要求冷作模具钢是指在常温下使金属变形的模具用钢，例如切边模、冷冲模、冷镦模、拉丝模、挤压模、搓丝模、弯曲模等。冷作模具的工作条件和刃具有些相似，但因被加工材料在冷态下变形，故变形抗力很大，例如冲裁模在工作时承受很大的冲压力；冷镦模和冷挤压模在工作时承受巨大的挤压力；凹模则承受巨大的张力。三、模具钢（一）冷作模具钢三、模具钢模具钢

金属在变形时，模具工作面与工件之间产生强烈的摩擦作用，这就要求模具必须具有高的强度、高的硬度、高的耐磨性以及足够的韧性。此外，模具钢还应具备良好的工艺性能，最重要的是淬透性要高，淬火变形和开裂倾向要小。与刃具钢相比，冷作模具钢应当要求更高的淬透性、耐磨性和韧性，而热硬性的要求可低些，一般冷作模具工作时温度不会超过200～300℃。（一）冷作模具钢模具钢金属在变形时，模具工作面与工件之间产生模具钢2.冷作模具钢合金化及其钢种选择冷作模具钢的基本性能要求是高硬度和高耐磨性，故一般应是高碳钢。在冲击条件下工作的高强韧模具钢要求wC为0.55%～0.70%，而要求高硬度、高耐磨性的冷作模具钢的wC为0.85%～2.3%，都属于过共析钢。冷模具钢中加入W、Mo、V等元素能形成弥散的特殊碳化物，产生二次硬化效应，并能阻止奥氏体晶粒长大，起细化晶粒作用。因此能显著提高冷模具钢的耐磨性、强韧性并减小钢的过热倾向。Cr和Mn的主要作用是提高钢的淬透性，减小工件的淬火变形。Si可强烈提高钢的变形抗力和冲击疲劳抗力。（一）冷作模具钢模具钢2.冷作模具钢合金化及其钢种选择（一）模具钢

对于工作中承受很重冲击载荷的冷冲、冷挤压模具，需要很高的强度和韧性，通常采用降碳高速钢和基体钢。尺寸小、形状简单、负荷轻的冷作模具可选用T7A、T8A、T10A、T12A等碳素工具钢制造。有些大型简单切边模，也可选用T8A、T10A、T12A等碳素工具钢制造。这类钢淬透性低，其中以T10A钢应用最普遍。尺寸较大、形状复杂、淬透性要求较高的冷作模具，一般选用9SiCr、9Mn2V、CrWMn等高碳低合金刃具钢或GCr15轴承钢。尺寸大、形状复杂、负荷重、变形要求严的冷作模具，须采用中合金或高合金模具钢。（一）冷作模具钢模具钢对于工作中承受很重冲击载荷的冷冲、冷挤模具钢3.典型冷作模具钢及其热处理用作冷作模具的碳素工具钢、低合金刃具钢及轴承钢，其典型钢种及热处理已在前面介绍过，这里不作重复。下面仅就Cr12型冷作模具钢及其代用钢种进行讨论。

Cr12型冷作模具钢属于高碳高铬钢，代表钢种为Cr12、Cr12MoV、Cr12Mo1V1，也包括Cr4W2MoV、Cr5Mo1V等钢。这类钢的共同特点是具有高的淬透性、耐磨性、热硬性和抗压强度。由于淬火钢中高硬度的碳化物热膨胀系数小，残留奥氏体数量多，故Cr12型钢热处理变形很小。因此，Cr12型钢属于高耐磨、微变形的冷作模具钢，它是冷冲裁模、冷镦模的主要材料。（一）冷作模具钢模具钢3.典型冷作模具钢及其热处理（一）冷作模具钢

1.热作模具钢的工作条件及性能要求热作模具工作时与热金属相接触，模膛表面会受热升温至300～400℃、500～800℃，甚至高达千度以上。因此，热作模具钢应具有足够的高温硬度和高温强度，即要求钢具有高的耐回火性。热作模具在工作时还承受很大的冲击力和较大的摩擦、磨损，因此热作模具钢必须具备良好的耐磨性和一定的韧性。热作模具在每次使热金属成形之后需用水、油或空气冷却，模腔表面金属由于反复急冷急热产生交变热应力作用而引起的龟裂现象称为热疲劳。因此，热作模具钢应当具有高的抗热疲劳性能和抗氧化能力。对于尺寸较大的热作模具，为使整个截面性能均匀，热作模具钢还应具有高的淬透性和较小的热处理变形。（二）热作模具钢模具钢1.热作模具钢的工作条件及性能要求（二模具钢2.典型热作模具钢及其热处理热锻模是在高温下通过冲击压力迫使金属成形的热作模具，在工作过程中承受较大的冲击负荷和较高的单位压力。5CrNiMo和5CrMnMo是常用的热锻模用钢，属于中碳低合金钢。（二）热作模具钢模具钢2.典型热作模具钢及其热处理（二）热作模具钢

含碳量wC为0.5%～0.6%既保证淬火后获得一定的硬度，同时也具有良好的淬透性和导热性。加入Cr（wC=1%）可提高钢的淬透性、冲击韧度和耐回火性。Ni能显著提高钢的强度、韧性和淬透性。Mo能细化晶粒，提高韧性、耐回火性，减小过热倾向和回火脆性。（二）热作模具钢模具钢含碳量wC为0.5%～0.6%既保证淬

（一）量具钢的工作条件及性能要求量具钢是用以制造卡尺、千分尺、块规等各种度量工具的钢种。量具在使用和存放过程中保持其尺寸精度是量具钢最基本的性能要求。为此，量具钢必须具有高的尺寸稳定性。四、量具钢（一）量具钢的工作条件及性能要求四、量具钢量具钢

形状简单、精度要求不高的量具可选用碳素工具钢。精度要求较高的量具（如块规、塞规等），通常选用高碳低合金工具钢。对于形状简单、精度不高