《工程材料与成形技术基础》课件-第2章 钢铁材料

第2章钢铁材料本章导入

1.金属材料是现代汽车制造业应用最为广泛的材料。金属材料分为黑色金属（钢铁材料）和有色金属。汽车上各种结构零件，钢铁材料约占80%。2.汽车工程材料不断向轻量化发展，各种新的汽车工程材料相继被推出并应用于汽车工业之中。3.本章重点介绍钢铁材料的性能、结构、牌号。金属材料的基本知识钢铁材料钢（含碳量小于等于2.11%的铁碳合金）铸铁（含碳量大于2.11%的铁碳合金）根据含碳量的不同分为钢铁材料的生产方式炼钢炼铁钢材生产钢材种类型材：圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、槽钢、螺纹钢等板材：中厚钢板、薄钢板、钢带和硅钢片管材：无缝钢管和焊接钢管（又称有缝钢管）线材：直径为6～9mm的圆钢和直径在10mm以下的螺纹钢

金属材料在不同的使用场合下，所要求的力学性能、物理性能、化学性能以及工艺性能各不相同。虽然都是金属材料，不同成分和不同状态下的性能差异也非常大。造成金属材料性能差异的主要原因是由于金属材料内部结构的不同。金属材料的基本知识按照物质原子在三维空间排列方式的不同，材料可分为晶体材料与非晶体材料两大类。2.1金属材料的基础知识

晶体

——

内部质点（原子、离子或分子）在三维空间呈有规则的、周期性的、重复排列的材料。如纯铝、纯铁、纯铜等。

非晶体

——

内部质点（原子、离子或分子）在三维空间呈无规则排列的材料，也称为“过冷液体”，如玻璃、沥青、松香、石蜡等。非晶体：蜂蜡、玻璃等。晶体:固态金属金刚石、NaCl、冰等。液体纯金属是指仅由同一种金属元素组成的金属。

汽车中的各种导电体、传热器等大多由纯铜、纯铝等纯金属材料制成。纯金属是典型的晶体材料。2.1.1纯金属的晶体结构与结晶

1.纯金属的晶体结构与结晶

晶体中原子（离子或分子）的空间排列方式称为晶体结构。为了便于描述晶体结构，通常将每一个原子抽象为一个点，再把这些点用假想的直线连接起来，构成有一定规律、按一定几何规则排列的空间格架，称为晶格。原子（离子）的刚球模型原子中心位置●

晶体结构

晶胞：由晶格中取出的，能完整反映出晶格排列特征的最小几何单元称为晶胞。

晶胞的基本特征可以反映出晶体结构的特点。人们研究金属的晶格结构，一般都是取出晶胞来研究的。晶格常数：

晶胞的大小和形状可用晶胞的棱边长度a、b、c和三条棱边之间的夹角α、β、γ等六个参数来表示和度量。

各种金属元素的主要差别就在于晶格类型和晶格常数的不同。

1)体心立方晶格（BCC晶格）

特点是金属原子占据着立方体的八个顶角和中心。此类晶格金属有铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)、钒(V)和α-Fe(温度小于912℃纯铁)。这类金属有相当大的强度和较好的塑性。（1）常见金属材料的晶格类型

金属原子除占据立方体的八个顶角外，立方体的六个面的中心也各有一个金属原子。此类晶格金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅(Pb)和γ-Fe等（温度在1394℃～912℃纯铁)。

2)面心立方晶格（FCC晶格）

密排六方晶格的晶胞呈正六棱柱体，柱体的12个顶角及上下表面中心各有1个原子，晶体内部还有按等边三角形分布的3个原子。此类晶格金属有铍(Be)、镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)等。3)密排六方晶格（HCP晶格）

在理想状态下，金属的晶体结构是原子排列的位向或方式完全一致的晶格，这种晶体称为单晶体。

单晶体需要通过特殊的方法才能获得，例如生产半导体元件的单晶硅、单晶锗等。

单晶体在不同方向上具有不同性能的现象称为各向异性。（2）金属的实际晶体结构多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。晶粒：多晶体是由许多微小的单晶体构成的，这单晶体称为晶粒。工程上采用的金属材料绝大多数是多晶体。晶界：晶粒与晶粒之间的交界区称为晶界。晶粒晶界由于晶界上原子的排列是不同位向的晶粒的过渡状态，因而晶界上原子排列较不规则。试验证明，每一个晶粒内的晶格位向也并非完全一致，但这些位向相差很小，形成亚晶界。在实际金属结晶过程中，由于原子的热振动、杂质原子的掺入以及其他外界因素的影响，原子排列不可避免的或多或少存在着偏离规则排列的区域，这就是晶体缺陷。

1）点缺陷：空位、间隙原子、异类原子2）线缺陷：位错3）面缺陷：晶界与亚晶界晶体缺陷类型：

晶体中的原子总是在某一位置上作热振动。温度升高时，动能特别高的原子就要脱离周围原子的束缚，可能进入别的晶格间隙处成为“间隙原子”或跑到金属表面上去。而原来的位置成为没有原子的“空位”。

空位和间隙原子的出现，使它们失去平衡而造成晶格畸变(歪扭)。

点缺陷将会使金属材料产生物理、化学和力学性能上的变化，如使材料的密度发生变化，电阻率增大，强度、硬度提高等。1)点缺陷

线缺陷主要指由晶体中原子平面间的相互错动（位错）而引起的晶体缺陷，其具体形式是各种类型的位错。晶体中有一列或若干列原子发生有规则的错排现象，这就是位错。刃型位错是最常见的一种。位错造成的晶格的线状畸变，极大地影响着金属材料的力学性能，对于金属材料的塑性变形、强度、疲劳、腐蚀等性能均有重要的影响。2)线缺陷

面缺陷是指晶体中有一维空间方向上尺寸很小，另外两维方向上尺寸较大的缺陷。这类缺陷主要是指晶界和亚晶界。

晶界和亚晶界处区域内的原子排列不整齐，偏离其平衡位置，产生晶格畸变。

面缺陷对金属的塑性变形起着阻碍的作用，强度、硬度较晶内高。因此金属内部的晶粒越细小，晶界就越多，强度和硬度就越高。3）面缺陷（3）晶体的特征1）晶体具有固定的熔点和凝点2）晶体具有各向异性由于实际金属是由多个位向各异的晶粒所组成的多晶体，尽管每个晶粒本身具有各向异性特性，但是由于各个晶粒的位向都是散乱无序分布的，对于整个多晶体来说，晶粒间的性能在各个方向上相互影响，再加上晶界的作用，则各向异性表现不明显，这种现象称为多晶体的伪各向同性。

（1）纯金属的结晶过程

2.纯金属的结晶

纯金属的结晶过程基本是在恒定的温度下进行的，其结晶过程的冷却曲线如图所示。

T0为纯金属的凝（熔）点，又称为理论结晶温度。当液态金属缓慢冷却到T0时，纯金属开始发生结晶。在实际生产中，液态金属的冷却速度相对较快，其实际开始结晶的温度Tn略低于T0。液态金属在冷却到理论结晶温度T0以下还未结晶的现象，称为过冷现象。理论结晶温度T0与开始结晶温度Tn之差叫做过冷度，用△T表示，即△T=Tn–T0，过冷度△T与冷却速度是密切相关的，冷却速度越大，△T越大，冷却速度越小，△T越小。

液态金属的结晶过程分为两个阶段，即晶核形成与核长大的过程。当液态金属结晶时，首先在液体中形成一些极微小的晶体（称为晶核），然后再以它们为核心不断以树枝状方式长大。在这些晶核长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，直至液体金属消失，全部凝固为固态金属。汽车材料第一章

金属结晶时，由于表面和中心的结晶条件不同，铸件的结构是不均匀的。从铸锭的剖面来看，明显地分为三个各具特征的晶区：表面细晶粒区、中间的柱状晶粒区和中心粗大等轴晶粒区。

（2）金属铸锭的结构

（3）结晶晶粒大小及控制

金属结晶后，一般是晶粒愈细，强度、硬度愈高，塑性、韧性也愈好。铸造生产中为了得到细晶粒的铸件，常采取控制过冷度、变质处理、振动处理等几种方法。

工程上，晶粒的大小通常用晶粒度来表示。结晶时每个晶粒都是由一个晶核长大而成，其晶粒度取决于形核率N和长大速度G的相对大小

。2.1.2合金的晶体结构及结晶

基本概念合金由两种或两种以上的金属或金属与非金属，经熔炼、烧结或其他方法结合成具有金属特性的物质。如黄铜是由铜和锌组成。组元

简称元，是指组成合金的最基本独立物质。组元通常是纯元素或者稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可分为二元合金、三元合金或多元合金等。合金系是指由两个或两个以上组元按照不同比例配制成一系列不同成分的合金。相是指合金中具有同一的聚集状态、同一的结构和性质的均匀组成部分。按照相的形态划分，分为液相和固相。固态合金中的相结构，分为固溶体和金属化合物。组织是指用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征的部分。组织反映材料的相组成、相形态、大小和分布状况，它是决定材料最终性能的关键。

合金之所以比纯金属性能优越主要是由于合金的内部结构不同于纯金属。合金的内部结构比较复杂，但根据各元素在结晶时相互作用的不同可以把它们归纳为三种：1.合金的晶体结构

（1）固溶体（2）金属化合物（3）机械混合物

固溶体就是在固态下两种或两种以上的物质互相溶解构成的单一均匀的物质。例如，铜镍合金就是以铜(溶剂)和镍(溶质)形成的固溶体，固溶体具有与溶剂金属同样的晶体结构。

固溶体是指组成合金的组元在固态下相互溶解，形成均匀一致且晶体结构与组元之一相同的固态合金。

组成固溶体的组元分为溶剂与溶质两种。通常把形成固溶体后其晶格类型依旧保持不变的组元称为溶剂，而溶入溶剂中、其晶格消失的组元称为溶质。

（1）固溶体

根据固溶体晶格中溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，分为置换固溶体和间隙固溶体两种。如下图所示。

固溶体置换固溶体间隙固溶体ZXY间隙原子间隙固溶体置换固溶体置换原子YXZ晶格畸变小原子置换引起的晶格畸变间隙原子引起的晶格畸变固溶强化

这种通过加入溶质元素形成固溶体，使合金强度和硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强化是提高合金机械性能的重要途径之一。正常晶格晶格畸变（2）金属化合物

金属化合物是指由合金组元之间相互化合而成的、其晶格类型和特性完全不同于原来任一组元的固态物质，也称为中间相。

其晶体结构不同于组成元素的晶体结构，而且其晶格一般都比较复杂。其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大。例如铁碳合金中的Fe3C。

金属化合物是许多合金的重要组成相，可提高其合金的强度、硬度、耐磨性，而降低塑性和韧性。所以常用金属化合物来强化合金，这种强化方式称为第二相强化或弥散强化，是金属材料的重要强化方法之一。（3）机械混合物及组织

当组成合金的各组元在固态下既互不溶解，又不形成化合物，而是按一定的重量比例以混合方式存在着，就形成各组元晶体的机械混合物。组成机械混合物的物质可能是纯组元、固溶体或者是化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。

由两种以上组元、固溶体或金属化合物机械混合在一起形成的多相组织称机械混合物。

绝大多数工业用合金都是混合物，它们的性能决定于组成混合物各部分的性能，以及它们的形态、大小和分布。表示平衡条件下给定合金系中的合金的成份、温度与其相和组织状态之间关系的坐标图形，称为合金相图。

相图（状态图）是以温度为纵坐标，以成份为横坐标，表明不同成份合金的结晶过程的简明图形。2.合金的结晶

1．匀晶相图2．共晶相图

3．共析相图碳钢和铸铁是现代汽车工业极为重要的金属材料，实际上，它们都属于以铁和碳两个组元组成的合金，称为铁碳合金。反映平衡条件下铁碳合金的组织随含碳量和温度变化的一般规律的相图称为铁碳相图（或铁碳状态图、Fe-Fe3C相图）。2.1.3铁碳合金相图

纯铁纯铁强度低，硬度低，塑性好，很少做结构材料。由于有高的磁导率，可作为电工材料用于各种铁芯。同素异构转变：金属在温度（压力）改变时发生晶体结构变化的现象。1．铁碳合金的组成-Feγ-Feα-Fe液相体心立方体心立方温度\℃时间/s室温面心立方铁与碳形成具有复杂晶格的稳定间隙化合物Fe3C硬度很高脆性大，塑性和韧性极低

碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体----铁素体强度、硬度低塑性、韧性好

碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体----奥氏体有一定的强度和硬度，塑性也很好

铁素体和渗碳体组成的机械混合物----珠光体综合力学性能较好

以渗碳体为基体上分布着奥氏体----莱氏体硬度很高，塑性很差2．铁碳相图(Fe-Fe3C相图)中的

特性点和特性线(1)Fe-Fe3

C相图的组元

●Fe——α–Fe和γ-Fe 强度、硬度低，韧性、塑性好。

●Fe3

C——熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。(2)Fe-Fe3

C相图的相

●莱氏体相Ld（Fe3

C+A）

●液相L

●奥氏体相（A，γ）

●铁素体相（F，α）

●珠光体相P（Fe3C+F

）

●石墨相（G）基本组织符号温度（℃）含碳量（%）说明A15380纯铁的熔点C11484.30共晶点D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69渗碳体的成分点G9120Α-Fe与γ-Fe同素异构转变点K7276.69Fe3C的成分点P7270.0218碳在α-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点Q600（室温）0.0057（0.0008）600℃（或室温）时碳在α-Fe中的溶解度(3)相图中重要的点和线(3)相图中重要的点和线液相线ACD固相线AECF共晶转变线ECF，共晶点C共析线PSK，共析点SA0.77(F0.02+Fe3C)珠光体,PES线：C在A中的固溶线PQ线：C在F中的固溶线L4.3(A2.11+Fe3C)高温莱氏体,Le或Ld

相图中的三个重要点相图中的五个单相(区)相图中的三条水平线相图中的四条垂直线

J为包晶点:

1495℃时,B点成分的L与H点成分的δ发生包晶反应,生成J点成分的γ。C点为共晶点

1148℃时,C点成分的L发生共晶反应,生成E点成分的γ和Fe3C（莱氏体）。S点为共析点

727℃时,S点成分的γ发生共析反应,生成P点成分的α和Fe3C（P）。3.2Fe-Fe3C相图过共析钢共析钢共晶白口铁亚共晶白口铁过共晶白口铁碳素钢白口铸铁亚共析钢工业纯铁Fe-C合金分类工业纯铁——C%≤0.0218%铁素体F钢——0.0218%＜C%≤2.11%

亚共析钢＜0.77%

共析钢＝0.77%

过共析钢＞0.77%白口铸铁——2.11%＜C%≤6.69%

亚共晶白口铁＜4.3%共晶白口铁＝4.3%过共晶白口铁＞4.3%3．铁碳合金的分类及室温平衡组织铁素体+珠光体F+P珠光体P珠光体+二次渗碳体P+Fe3CⅡ珠光体+二次渗碳体+莱氏体

莱氏体Ld’莱氏体+一次渗碳体Ld’+Fe3CⅠ亚共析钢用途实例45钢碳含量0.45％60钢碳含量0.60％共析钢的应用举例T8钢碳含量0.80％过共析钢应用举例T12钢碳含量1.2％类型亚共析钢共析钢过共析钢钢号204560T8T10T12碳质量分数／％0.200.450.600.801.001.20几种常见碳钢标注组织组成物的相图4.碳含量对铁碳合金组织及性能的影响含碳量与相的相对量关系：C%↑→F%↓，Fe3C%↑含碳量与组织关系：

图（a）和（b）含碳量与性能关系：HB：取决于相及相对量强度：C%=0.9%时最大塑性、韧性：随C%↑而↓5．铁碳相图的应用钢铁选材：相图性能用途局限性：

相图反映的是平衡状态，与实际情况有较大差异。

铸件选材和确定浇注温度确定锻造温度(

在

A

区）制定热处理工艺小结:1.晶体结构的基本概念：晶体，晶格，晶胞，三种常见的金属晶格。单晶体，晶粒，多晶体。固溶体、化合物的晶体结构及性能特点。固溶强化及其实际应用。3.相和组织的概念。4.铁碳合金成分、组织与性能之间的关系。本节重点要求第2章钢铁材料

1.钢的普通热处理

2.金属材料的表面技术

3.热处理新技术简介2.2钢的热处理

热处理的概念：

将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，改变材料整体或表面的组织，从而获得所需性能的工艺。

1.热处理原理

2.1.1钢的普通热处理图2-17

钢的热处理基本工艺曲线钢在加热时的转变临界温度平衡时：A1、

A3、Acm加热时：Ac1、Ac3、Accm

冷却时：Ar1、Ar3、Arcm奥氏体的形成

——Fe，C原子扩散和晶格改变的过程。共析钢加热到Ac1以上时，P→A共析钢A化过程——形核、长大、Fe3C完全溶解、A

的均匀化。亚（过）析钢的A化——

P→A后，先共析F或Fe3CⅡ溶解。影响晶粒大小的因素：加热温度、保温时间、化学成分。

细晶化控制：

a、采用Al作最终脫氧，加入Ti、V、Nb。b、加热速度、保温时间控制。M的性能：C%↑→M硬度↑针状M

硬度高，塑韧性差。板条M

强度高，塑韧性较好。2.热处理工艺（1）退火（2）正火（3）淬火（4）回火

（1）退火目的：1）降低硬度以利于切削加工；

2）提高塑性以利于塑性加工成型；

3）细化晶粒以提高力学性能；

4）消除应力以防工件变形或开裂。退火一般作为改善工艺性能的预备热处理。

加热、保温后，缓冷(炉冷)→近平衡组织P（+F或Fe3CII

）1．退火完全退火（亚共析钢）

加热温度Ac3

+

20～30℃

缓冷→F

+P

目的：

细化晶粒，均匀化组织

降低硬度→切削性↑

等温退火：等温转变→F

+P，再缓冷球化退火（过共析钢）

在Ac１+

20～30℃等温，使Fe3CⅡ球化，再缓冷→球状P（F

+球状Cm）目的：硬度↓,切削性↑,韧性↑扩散退火

加热至略低于固相线

目的：使成分、组织均匀

再结晶退火：

加热温度

TR

+

30～50℃目的：消除加工硬化去应力退火

加热温度＜

Ac1，

一般为

500～650℃目的：消除冷热加工后的内应力

（２）正火加热温度

Ac3(Accm)

+30～50℃，空冷→S常作最终热处理应用：1)钢的最终热处理细化晶粒，组织均匀化，增加亚共析钢中P(S)%→强度、韧性、硬度↑2)预备热处理——淬火、球化退火前改善组织。3)增加低碳钢的硬度，以改善切削加工性能。（3）淬火（蘸火）加热到Ac3、Ac1以上，保温，快速冷却→M。淬火温度1)亚共析钢Ac3+30～50℃2)过共析钢Ac1+30～50℃，→M+Fe3CII+A'，硬度大。

A中C%↓→M脆性↓，残余A%↓淬火温度低→M细小，淬火应力小。目的：获得马氏体组织，使钢具有高硬度和高耐磨性。淬火是强化钢材的重要方法。冷却介质

冷却速度：盐水＞水＞盐浴＞油淬火方法：单介质淬火：水、油冷双介质淬火：水冷+油冷分级淬火：＞Ms盐浴中均温＋空冷等温淬火（在盐、碱浴中）→下B钢的淬透性和淬硬性

淬透性：淬火时得到M的能力，取决于临界冷却速度VK。

淬硬性：淬火后获得的最高硬度，C%↑→淬硬性↑影响淬透性的因素：除Co外，合金使VK↓,淬透性↑。(a)完全淬透(b)淬透较大厚度(c)淬透较小厚度

淬透性不同的钢调质后机械性能的比较

回火工艺是将淬火后的钢加热到A1线以下某一温度，保温一定时间后出炉空冷到室温的一种热处理工艺。回火是淬火的后续工序。

目的:是为了减少或消除淬火应力，防止工件变形与开裂，稳定工件尺寸及获得必需的力学性能。

（4）回火低温回火（150～250℃）→回火M(过饱和F+薄片状Fe2.4C)+A'淬火应力↓，韧性↑，保持淬火后的高硬度。用于高碳工具钢等。中温回火（350～500℃）→回火T(F+细粒状Cm)

弹性极限和屈服强度↑，韧性和硬度中等。用于弹簧等。高温回火（500～650℃）→回火S(等轴状F+粒状Cm)

综合机械性能最好,即强度、塑性和韧性都较好。用于重要零件。调质处理——淬火+高温回火常见回火工艺

回火脆性：钢在回火时会产生回火脆性现象。淬火钢在250～350℃和450～600℃两个温度范围内回火时，其冲击韧度明显下降。前者称为低温回火脆性或第一类回火脆性，是由于马氏体中析出薄片状的ε碳化物引起的，属于不可逆脆性。

后者为高温回火脆性或第二类回火脆性，多见于合金钢，主要是由于某些杂质元素及合金元素在晶界上严重偏聚引起的，为可逆脆性，可以通过重新加热或在钢中将加入适量的W、Mo来有效的防止这种脆性。1.表面热处理

不改变心部组织，利用快速加热将表层奥氏体化后进行淬火。目的：提高表面硬度，保持心部良好的塑韧性。(1)表面淬火1）感应加热表面淬火交变磁场→感应表面电流→表面加热特点：1)加热速度快，晶粒度小，硬度↑，脆性↓。2)表层残余压应力→提高疲劳强度。3)不易氧化、脱碳、变形小。4)加热温度和淬硬层厚度容易控制。2.2.2金属材料的表面技术

2）火焰加热表面淬火

（乙炔－氧等火焰）特点:设备简单，但生产率低。应用：大型工件。原理：（2）钢的化学热处理

将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组织和性能。分类——渗C、N化、CN共渗、渗硼、渗铬、渗Al等。渗碳1）钢的渗C——

气体、固体渗C

低C钢在高C介质中加热到900～950℃、保温→高碳表层（约1.0%）。目的：表面硬度，耐磨性↑，心部保持一定的强度和塑韧性。渗碳后的的热处理

淬火直接淬火——晶粒粗大，残余A多，耐磨性低，变形大。一次淬火——加热温度Ac3以上（心部性能↑）或Ac1以上（表面性能↑）二次淬火——

Ac3以上（心部性能↑）+Ac1以上（表面性能↑）低温回火,150～200℃，消除淬火应力，提高韧性。2）渗氮

工件表面渗入N原子，以提高硬度、耐磨性，疲劳强度和耐蚀性。氮化温度低(500～600℃)，时间长（20～50h），渗层薄。氮化前调质处理、氮化后无须淬火。2.热喷涂技术

原理：指以某种热源，将粉末或线状材料加热到熔化或熔融状态后，用高压高速气流将其雾化成细小的颗粒喷射到零件表面上，形成一层覆盖层的过程。

常用的热喷涂主要方法如下：1)火焰喷涂2)电弧喷涂3)等离子喷涂(气体导电或放电所产生的等离子电弧作为高温热源)图2-22氧乙炔焰粉末喷涂原理图1—气体出口2—进料口3—气体通道4—喷涂层5—工件6—喷嘴7—氧气、乙炔入口3.汽车主要零件的热处理规范（1）汽车变速器变速齿轮热处理1）材料：20CrMnTi（低碳合金钢）2）热处理技术要求：

a.渗碳层表面碳的质量分数为0.8%--1.05%；

b.渗碳层深度：0.8--1.3mm；

c.淬火、回火后齿面硬度为58--62HRC，心部硬度33--48HRC。3）齿轮的加工工艺路线：

备料→锻造→正火→机械加工→渗碳→淬火+低温回火→喷丸→校正花键孔→磨齿。

4）热处理工艺说明a）正火消除毛坯的锻造应力，降低硬度以改善切削加工性。同时也均匀组织，细化晶粒，为以后的热处理作组织上的准备。采用高温正火，加热温度950--970°C。金相组织是均匀分布的细片珠光体和铁素体。

b）渗碳为保证齿轮表面的含碳量及渗碳层深度的要求，渗碳在机械加工之后进行，采用气体渗碳。

c）淬火及低温回火渗碳后要获得所要求的硬度，必须进行淬火及低温回火。低温回火后表面硬度可达58--62HRC。钢中Cr、Mn等元素可提高淬透性，心部硬度可达33--48HRC。低温回火的作用主要是消除淬火时产生的内应力及减少脆性。

（2）汽车后桥半轴热处理

1）材料：40MnB（或40Cr）2）热处理技术要求：

法兰盘外圆硬度为29--34HRC；杆部和花键硬度为37--44HRC；金相组织为回火索氏体和回火屈氏体。3）半轴加工工艺路线：

下料→锻造→正火（预先热处理）→机械加工→调质（最终热处理）→喷丸、校直、探伤→装配。4）热处理工艺说明

a）正火消除组织不均匀（带状组织）、晶粒粗大和锻造应力及改善切削加工性。其工艺是：加热温度为900--950°C，保温后空冷。获得均匀的珠光体组织，正火后硬度为HBS197~207，宜于切削加工。

b）调质

淬火工艺是：淬火温度为860±10℃，保温80min，在40--55°C热水中冷却。

调质后再经喷丸处理，使半轴表面由于局部塑性变形而增加了压应力，提高半轴疲劳寿命。（3）汽车活塞销热处理

1）材料：15Cr2）热处理技术要求：

活塞销外表面渗碳层深度为0.5--0.9mm，淬火后渗碳层的显微组织应为细密的马氏体组织，不容许针状的或连续网状的自由渗碳体存在；心部组织为低碳马氏体及铁素体。外表面硬度58--63HRC；内表面不渗碳，其硬度不大于38HRC。3）活塞销加工工艺路线：

下料→粗磨外圆→渗碳→钻孔→淬火+低温回火→磨端面及外圆、抛光外圆→装配。4）热处理工艺说明

a）渗碳工序安排在粗磨之后、钻孔之前，一方面可以防止渗碳层在切削加工时过多地被磨掉而需要增加渗碳层深度，另一方面可保证内表面不渗碳。

b）采用气体渗碳，渗碳温度为940°C，保温3.5h，降温至890°C出炉空冷。c）15Cr钢是本质粗晶粒钢，为了细化表面层组织，选用一次淬火。淬火温度应选在Ac1--Ac3之间，即840°C加热，为了保证淬火后心部硬度不大于38HRC，选择在油中冷却。

d）回火：淬火后在200°C进行低温回火，以消除淬火应力。回火后进行喷丸处理，去掉零件表面油污、氧化皮，同时在表面产生压应力，提高疲劳强度。形变热处理是将塑性变形和热处理结合，以提高工件力学性能的一种复合工艺。工件经形变热处理后，可以获得形变强化和相变强化的综合效果，既可提高钢的强度，改善其塑性和韧性，还具有节能效果，因而在生产中得到了广泛的应用。2.2.3热处理新技术简介1．真空热处理2．形变热处理

在低于一个大气压的环境中加热的热处理工艺称为真空热处理。真空加热就是在稀薄空气中加热，空气中氧的分压很低，钢件表面氧化很轻，可以避免氧化和脱碳，达到光亮处理目的。3.激光热处理

激光热处理是以激光作为能源，以极快的速度加热工件的自冷淬火，其热处理质量高，表面光洁，变形极小，且无工业污染，易实现自动化。激光淬火适用于各种复杂工件的表面淬火，还可以进行工件局部表面的合金化处理等。4.电子束淬火

电子束淬火是以电子束作为热源，以极快的速度加热工件的自冷淬火。电子束的能量远高于激光，而且其能量利用率也高于激光热处理。电子束淬火质量高，淬火过程中工件的基体性能几乎不受影响。5.电刷镀

电刷镀又称涂镀、刷镀。是近十几年发展起来的零件修复工艺。它是利用电化学原理，在金属工件表面局部有选择地快速沉积金属镀层，达到恢复零件尺寸和改变零件表面性能的目的。特点：低温下进行，基体金属的性能几乎不受影响；镀层均匀、致密，力学、化学性能好；设备简单，成本低。

6.气相沉积技术

气相沉积是利用气相中发生的物理、化学过程，改变零件表面成分，在表面形成具有特殊性能的金属或化合物涂层。可将气相沉积技术分为化学气相沉积和物理气相沉积两大类。

化学气相沉积技术是指利用气态物质，在一定温度下在固体表面上进行化学反应，并生成固态沉积膜的工艺过程。（1）化学气相沉积（CVD）

常用化学气相沉积涂层材料为碳化物、氮化物、氧化物，如TiC、TiN、Al2O3等。涂层具有很高的硬度2000～4000HV，较低的摩擦系数、优异的耐磨性、良好的抗粘着能力和优越的耐蚀性。应用对象一般是硬质合金刀具、高碳高铬冷作钢、热作模具钢等。

物理气相沉积是通过真空蒸发，电离或溅射等过程，产生金属粒子，并与反应气体形成化合物涂层沉积在工件表面，从而强化工件表面。物理气相沉积方法有真空镀、真空溅射和离子镀等，目前应用较广的是离子镀。

（2）物理气相沉积(PVD)

物理气相沉积主要特点是涂覆材料选择余地大，钢铁材料、非铁金属材料、陶瓷等均可；沉积温度低于600℃，沉积速度较快，涂层纯度高、密合性好，可以得到与加工表面同等精度的表面，可不必再加工涂层；无公害。

可应用于材料的表面装饰和硬化工件表面等。用于表面装饰方面的物理气相沉积可以获得表面光泽度极好的镀层。

对汽车玻璃采用适当的物理气相沉积处理，便可得到不同颜色的表面。例如：Al--仿银色，Al2O3--无色透明，VC--灰色，NbC--亮褐色，TaC--金褐色，TiN--金黄色，WN--褐色，Al2O3+Cr--红色。用于硬化工件表面的TiC、TiN涂层，对刃具、模具使用寿命的提高收到良好的效果。例如，TiC可在硬质合金的基体上沉积，涂层硬度高达3200—3400HV，耐磨性好，摩擦系数为0.08—0.10；TiN涂层的硬度可达2500HV，但抗氧化性、抗耐磨性、抗热咬合性都好于TiC，适用于钢质和硬质合金基体。金属表面装饰处理涂装工艺

大多数汽车工业产品所获得的五彩缤纷的色彩主要是采用涂装工艺来实现的，经过涂饰的表面效果好，涂膜有一定的光泽、组织细密、覆盖力强，视觉质感和触觉质感好，能给人以体现工艺美的人为质感效果。1)保护作用可减轻产品表面受摩擦和冲击的程度，起一定的机械防护作用，这对延长使用寿命具有很重要的意义。同时起到了防腐蚀的保护作用。2)装饰作用可使表面粗糙的设备既具有漂亮美观的花纹，又便于擦洗、保持清洁卫生，工业使用的各种不同设备也常利用涂料的颜色作为标志。涂料主要起保护、装饰和特殊作用。3)特殊作用防毒气材料、吸收雷达波涂料、导电涂料、夜光涂料、伪装涂料、阻尼涂料等能提供多种不同的特殊功能，来改善材料表面的力学、物理、化学和微生物等方面的性能。

金属材料是现代机械制造应用的最主要材料，种类很多，应用广泛，分为钢铁材料（如碳素钢、合金钢、铸铁）及有色金属及其合金等。2.3钢的分类及应用金属材料的分类金属钢铁铸铁——钢白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁非合金钢——（碳钢）碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、铸钢合金钢合金结构钢低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、滚动轴承钢、合金弹簧钢、超高强度钢合金工具钢量具刃具钢合金模具钢高速钢冷作模具钢热作模具钢特殊性能钢——不锈钢、易切削钢、耐热钢、耐磨钢非铁金属——铜、铝、钛、锌、…，轴承合金，硬质合金2.3.1碳素钢1.常见杂质元素对碳素钢性能的影响

成分——w(C)≤2.11%

Mn→脱氧,固溶强化，提高强度和硬度。w(Mn)=0.25%~0.8%

Si→脱氧,固溶强化，提高强度和硬度。

镇静钢w(Si)=0.1%~0.4%

沸腾钢w(Si)=0.03%~0.07%S→热脆(有害)P→冷脆(有害)

钢中元素的作用基本元素：Fe、C合金元素：为改善钢的性能而有意加入杂质元素：无法去除的有害元素残留元素：为去除杂质元素而加入的元素非合金钢中的常存元素

冷脆性——有害矿石中P

热脆性——有害矿石中S

溶入F→

固溶强化——有益炼钢时残留Mn

溶入F→

固溶强化——有益炼钢时残留Si作用来源

（1）按碳质量分数分

低碳钢w(C)≤0.25%中碳钢0.25%＜w(C)≤0.60%高碳钢w(C)＞0.60%

（2）按品质分（S、P含量）——普通碳素钢；优质碳素钢；高级优质碳素钢，特级优质碳素钢。

（3）按用途分——碳素结构钢、碳素工具钢。２.碳素钢的分类

3.碳素钢的牌号、性能和用途（1）普通碳素结构钢（2）优质碳素结构钢（3）碳素工具钢（4）铸钢（1）普通碳素结构钢

牌号——如Q215B，表示

s

≥215MPa（厚度≤16mm），B级质量。

用途：

钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。用途：

钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。热处理：热轧空冷组织：S＋F多边型角钢螺钉、铆钉钢筋、螺纹钢建筑构件钢桥梁（2）优质碳素结构钢

牌号——如45，含C量为45/10000=0.45%。牌号化学成分（%）力学性能CSiMnPSσs/MPaσb/MPaδ5(%)ψ(%)ɑK/J·cm-2硬度HBW≤不小于热轧钢退火钢08F0.05~0.11≤0.030.25~0.50≤0.040≤0.0401803003560--131--10F0.07~0.14≤0.070.25~0.50≤0.040≤0.0401903203355--137--100.07~0.140.17~0.370.35~0.65≤0.035≤0.0402103403155--137--200.17~0.240.17~0.370.35~0.65≤0.040≤0.0402504202555--156--300.27~0.350.17~0.370.50~0.80≤0.040≤0.040300500215080179--350.32~0.400.17~0.370.50~0.80≤0.040≤0.040320540204570187--400.37~0.450.17~0.370.50~0.80≤0.040≤0.040340580194560217187450.42~0.500.17~0.370.50~0.80≤0.040≤0.040360610164050241197500.47~0.550.17~0.370.50~0.80≤0.040≤0.040380640144040241207600.57~0.650.17~0.370.50~0.80≤0.040≤0.0404106901235--255229650.62~0.700.17~0.370.50~0.80≤0.040≤0.0404207101030--255229用途：

较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。

热处理：

渗碳、淬火、回火等。

上海桑塔纳轿车发动机曲轴就是采用优质50号中碳钢锻制而成，先正火后半精加工，最后经中频淬火后再精加工。汽车曲轴常用钢号及其应用08、10钢:强度低,塑性好,具有良好的冲压、拉深及焊接性能,用于制造冷冲压件,如汽车和拖拉机油箱、仪表板、气缸盖衬垫、连杆轴瓦的钢背、曲轴止推片等。15、20钢:渗碳,表硬内韧,作凸轮、小齿轮、摩擦片、活塞销、摇臂等。30~55钢:调质,综合机械性能好,制齿轮连杆轴类等。60~70钢,淬火,中温回火,制造弹性元件,如汽车气门弹簧。（3）碳素工具钢

牌号——如T12A钢，含C量为12/1000=1.2%，

A表示高级优质，w(S)

0.020%，w(P)

0.030%。钢号C,%Mn,%Si,%S,%

P,%

退火后HBS,

水冷淬火温度，℃T7T8T8MnT9T10MnT10T12T130.65-0.740.75-0.840.80-0.900.85-0.940.95-1.040.95-1.041.15-1.241.25-1.35

0.40

0.400.40-0.60

0.400.40-0.60

0.40

0.40

0.40

0.35

0.35

0.35

0.35

0.35

0.35

0.35

0.350.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.03518718718719219207207217800-820780-800780-800760-780760-780760-780760-780760-780

碳素工具钢的化学成分和性能（淬火后HRC≥62)用途：

冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。螺纹量规热处理：淬火+低温回火组织：回火M＋粒状Fe3C

+A'（4）铸钢W(c)=0.15~0.6%应用:结构复杂零件,如曲轴、箱体轴承座。牌号:如ZG340-640

两组数字分别表示屈服强度和抗拉强度。几种常用铸钢的性能和用途牌号主要性能用途ZG200—400良好的韧性、塑性和焊接性能用于受力不大，韧性好的机械零件，如机座、变速器壳、减速器壳体等ZG230—450较高的强度和较好的塑性、韧性和焊接性能用于受力不大，韧性好的机械零件，如砧座、外壳、轴承座、底板、箱体等ZG270—500较高的强度和较好的塑性，铸造性能好，焊接性能和切削性能好用途广泛，用于轧钢机机架、轴承座、连杆、箱体、曲轴、缸体、飞轮等1.

合金元素在钢中的作用

2.

合金结构钢

3.

合金工具钢

4.

特殊性能钢2.3.2合金钢碳钢：价格低，力学性能低，淬透性低，回火抗力差，耐热、耐低温、耐蚀等特殊性能差。合金钢：在碳钢中加入某些合金元素,改善组织与性能。(硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、硼、铝、锆)与C的亲和力：强

弱常见的合金元素及作用TiZrNbVWMo

CrMn

Fe

CoNiCuSiAl弱碳化物形成元素强碳化物形成元素非碳化物形成元素合金元素对基本相的影响：非碳化物形成元素溶入F固溶强化弱碳化物形成元素形成合金渗碳体较硬，耐磨，比Fe3C更稳定强碳化物形成元素形成特殊碳化物高熔点，硬，耐磨，最稳定1.合金元素在钢中的作用（1）合金元素可以提高钢的力学性能（2）合金元素对钢的热处理产生影响（3）合金元素对钢的工艺性能产生影响合金钢的强化机制：

合金F的固溶强化

第二相（弥散）强化细晶强化（F、M晶粒度，P片间距↓）

（1）合金元素可以提高钢的力学性能（2）合金元素对钢的热处理产生影响

合金元素对淬火、回火状态下钢的强化作用最显著。合金元素除CO外都能使C曲线右移，提高奥氏体的稳定，降低钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性，降低淬火应力，减少了工件的变形和开裂。

（3）合金元素对钢的工艺性能产生影响

合金元素的加入使钢的铸造、锻造性能、焊接、切削加工性能都不同程度的降低；但可以明显的改善热处理的工艺性能。（1）合金钢的分类（按用途分类）

合金结构钢——低合金结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚动轴承钢、超高强度钢等。合金工具钢——刃具、模具、量具钢。特殊性能钢——易切削钢、不锈钢、耐热钢、耐磨钢。2.合金钢的分类及编号（２）合金钢的编号合金结构钢——如60Si2Mn，w(C)=0.6%，w(Si)=2%，w(Mn)＜1.5%。合金工具钢、特殊性能钢——如9SiCr，w(C)=0.9%，w(Si)、w(Cr)均＜1.5%。

专用钢——如滚动轴承钢GCr15，w(C)=1.0%，w(Cr)=1.5%。高级优质钢——如20Cr2Ni4A。3.合金结构钢（1）低合金高强度结构钢（2）合金渗碳钢（3）合金调质钢（4）合金弹簧钢（5）滚动轴承钢（6）超高强度钢（1）低合金高强度结构钢成分——w(C)＜0.2%，主加元素Mn，附加V、Ti、Nb。性能——强度、韧性高，焊接、冷成形性能好。普通低合金结构钢牌号

Q

345C

屈服强度345MPa质量等级热处理、组织

——

热轧空冷，S＋F高压容器桥梁船舶车辆应用：典型普通低合金钢应用：Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度高，用于石化中温高压容器。

Q345钢综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。

Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的容器。（2）合金渗碳钢成分——w(C)=0.1～0.25%,韧性好。合金元素提高淬透性、耐磨性,细化晶粒。Cr、Ni、Mo、W、Mn、Si和B提高淬透性，Ti细化晶粒。性能——渗层硬度高，耐磨，抗接触疲劳；心部韧性高、强度大。合金渗碳钢的牌号（渗碳:930℃，回火：200℃）

主要化学成分,%预备处理／淬火,℃CMnCr，Ni0.17~0.24

0.17~0.240.50~0.80

1.30~1.600.70~1.00

880／800水,油880水,油0.17~0.230.17~0.23

0.90~1.200.80~1.10

0.90~1.201.00~1.30

850油880／870油钢号20Cr

20MnV20CrMn20CrMnTi

淬透性低中高18Cr2Ni4WA

20Cr2Ni4A0.13~0.19

0.17~0.23W0.8~1.2

0.30~0.601.35~1.65

4.0~4.51.25~1.65

3.25~3.75950／850空

880／780

油机械性能

bMPa

sMPa835

785540

5909301080

735835

1180

1180835

1080aKU2J47

554755

78

63热处理：组织——表层：回火M+碳化物+

A′；心部：低C的回火M（+T+F）。应用——耐磨件 20Cr，小轴、活塞销、小齿轮。 20CrMnTi，汽车齿轮。 18Cr2Ni4WA，如曲轴、连杆。

渗碳→淬火→低温回火合金渗碳钢的牌号20

Mn2

Ti

A等级:高级优质含钛量WTi≤1.5%含锰量WMn

2%含碳量WC0.2%典型合金渗碳钢应用：

低淬透性合金渗碳钢：钢含合金元素总量＜3%。15Cr、20Cr、20Mn2。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。中淬透性合金渗碳钢：钢含合金元素总量在4%左右。20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。柴油机凸轮轴活塞销(20Cr)

20CrMnTi钢制造齿轮的热处理工艺曲线

现有φ35x20mm的两根轴。一根为20钢，经920℃渗碳后直接淬火(水冷)及180℃回火，表层硬度为58～62HRC；另一根为20CrMnTi钢，经920℃渗碳后直接淬火(油冷)，-80℃冷处理及180℃回火后表层硬度为60～64HRC。问这两根轴的表层和心部的组织(包括晶粒粗细)与性能有何区别?为什么?钢种表面组织心部组织晶粒大小性能20钢回火马氏体＋渗碳体F+P较细小外硬内韧20CrMnTi回火马氏体＋合金碳化物F+P（细）＋低碳回火马氏体更细小表面强度、硬度更高，心部不仅强、硬度较高，同时韧性好。（3）合金调质钢成分——w(C)=0.25～0.50%，合金元素消除回火脆性,提高回火抗力,强化F。Mn、Cr、Ni、B、Si用来提高淬透性，Mo、W可抑制第二类回火脆性，Ti、V细化晶粒。性能——综合机械性能高。热处理：组织——表层：回火S应用:轴类、连杆、齿轮。 40Cr，一般尺寸重要零件，如齿轮、主轴。 35CrMo，较大截面零件，如曲轴、连杆。 40CrNiMo，大截面重载零件，如汽轮机主轴和叶轮。

调质，可附加表面淬火或氮化(38CrMoAl)。应用:汽车曲轴圆锥齿轮（4）合金弹簧钢成分——w(C)=0.45～0.70%，Si,Mn为主要元素，提高屈强比。性能——σe

、σs、屈强比和疲劳抗力高，塑性大，耐振动、冲击。

弹簧钢的热处理取决于弹簧的加工成形方法，按照加工方法的不同，弹簧一般可分为热成形弹簧和冷成形弹簧两类。

（a）热成形弹簧对截面尺寸大于10mm各种大型和形状复杂的弹簧均采用热成形（如热轧、热卷），如汽车、拖拉机、火车的板簧和螺旋弹簧。扁钢或圆钢下料→加热压弯或卷绕→淬火+中温回火→表面喷丸处理，使用状态组织为回火托氏体，以获得高的弹性极限和疲劳极限。喷丸可强化表面并提高弹簧表面质量，显著改善疲劳性能。

（b）冷成形弹簧截面尺寸小于10mm的各种小型弹簧可采用冷成形（如冷卷、冷轧），如仪表中的螺旋弹簧、发条及弹簧片等。这类弹簧在成形前先进行冷拉（冷轧）、淬火+中温回火或铅浴等温淬火后冷拉（轧）强化；然后再进行冷成形加工，此过程中将进一步强化金属，由于冷成形过程会产生加工硬化，冷成形弹簧屈服点和弹性极限都很高，产生了较大的内应力和脆性，故在其后应进行低温去应力退火（200~300°C）。

汽车板簧火车螺旋弹簧应用：

65Mn、60Si2Mn：汽车，拖拉机，机车的板簧和螺旋弹簧。热处理：

热轧弹簧：热成型→淬火+中温回火→喷丸冷轧弹簧：淬火+中温回火→冷成型→去应力→喷丸组织——回火T汽车板簧大型热卷弹簧热卷大弹簧弹簧丝（5）滚动轴承钢

滚动轴承在交变应力作用下工作，各部分之间有强烈摩擦，还受到润滑剂的化学浸蚀。因此，滚动轴承钢必须具有高的硬度和耐磨性，高的弹性极限和接触疲劳强度，足够的韧性和抗蚀性。成分——w(C)=0.95～1.10%，主加元素是Cr，形成细小的碳化物。性能——高接触疲劳强度、高硬度和耐磨性，韧性、淬透性好。钢号主要化学成分，w/%热处理规范及性能CCrSiMn淬火℃回火℃回火后HRCGCr40.95~1.050.35~0.00.15~0.300.15~0.30800~820150~17062~66GCr150.95~1.051.40~1.650.15~0.350.25~0.45820~840150~16062~66GCr15SiMn0.95~1.051.40~1.650.45~0.750.95~1.25820~840170~200>62GMnMoVRE0.95~1.050.15~0.401.10~1.40770~810170

5

62GSiMoMnV0.95~1.100.45~0.650.75~1.05780~820175~200

62滚动轴承钢的牌号：G

Cr9

SiMn

含Mn量WMn≤1.5%含Si量WSi≤1.5%

含Cr量WCr≈0.9%

滚动轴承钢应用：

GCr15：中小型轴承，冷冲模，量具，丝锥。热处理：

球化退火+淬火+低温回火冷处理，时效（120～140℃,10～20h）：稳定尺寸，去应力。组织——回火M＋细碳化物＋少量A'铬轴承钢制造轴承的工艺路线：锻造球化退火机加工淬火+冷处理(–60～–80℃;1h)

低温回火磨削加工稳定化处理(120～130℃；5～10h)（6）超高强度钢

指屈服极限大于1400MPa，强度极限大于1500MPa，兼有适当韧性的合金钢，它是在合金调质钢的基础上加入多种合金元素而形成和发展起来的。我国常用的超高强度钢有30CrMnTiNi2A、4Cr5MoVSi（碳的平均质量分数为千分数）等。主要用作航空、航天工业的结构材料。如飞机主梁、起落架、发动机结构零件等。合金工具钢具有更高硬度、耐磨性，更好的淬透性、热硬性和回火稳定性等。因而可以制造刃具、模具、量具和其它工具。4.合金工具钢（1）合金刃具钢（2）合金模具钢（3）合金量具钢量具刃具模具（1）合金刃具钢（a）性能要求：高硬度——机加工刀具HRC＞60高耐磨性——刀具寿命和生产率↑ 组织要求——硬而细小的碳化物，均匀分布在强而韧的钢基体中。高的热硬性（红硬性）——高温下保持高硬度的能力，与回火稳定性有关。足够的韧性——以承受冲击载荷。（b）低合金刃具钢成分——w(C)=0.9~1.5%，合金元素＜5%。性能——HRC＞60，使用温度200~300℃。钢号主要化学成分，w/%热处理及性能CMnSiCr淬火℃回火℃回火后HRC9SiCr0.85~0.950.30~0.601.20~1.600.95~1.25860~880油180~20060~62CrWMn0.90~1.050.80~1.10W1.2~1.600.90~1.20820~840油140~16062~65热处理——球化退火（+机加工）+淬火+低温回火最终组织——回火M+合金碳化物+少量A'应用——如9SiCr，做板牙、丝锥等。板牙丝锥（c）高速钢

成分——w(C)=0.7~1.2%，合金元素＞10%。性能： 高硬度、耐磨性——VC等弥散硬化 高热硬性——600℃时HRC≈62。 高淬透性——尺寸不大时可空冷淬火，Cr等元素提高淬透性。钢号主要化学成分，w，%热处理及性能CWVCrMo淬火℃回火℃回火后HRCW18Cr4V0.70~0.8017.5~19.01.00~1.403.80~4.401270~1285油550~570

三次≥63W6Mo5Cr4V20.80~0.905.50~6.751.75~2.203.80~4.404.75~5.501210~1230油540~560

三次≥63热处理

（锻造+）球化退火（+机加工）→淬火+回火锻造目的——成型；使铸态粗大碳化物破碎、细化、分布均匀。淬火：1280℃——增加A、M中合金含量，提高热硬性。淬火组织（左图）：M+碳化物+A'最终组织（右图）：回火M+粒状碳化物+少量A'回火：560℃，三次——W2C、VC弥散硬化，二次淬火基本消除A'。应用——高速车刀、钻头、铣刀等。（2）合金模具钢（a）冷模具钢——冷冲、冷镦、冷挤压模等。性能——高硬度、耐磨性，足够的韧性和疲劳抗力。应用：小型模具——9Mn2V、9SiCr、CrWMn等。大型模具——Cr12、Cr12MoV等，热处理变形小。最终热处理——淬火+低温回火最终组织——回火M+碳化物+少量A'（b）热模具钢——

热锻、热挤压、压铸模等。性能——耐热性、热疲劳抗力高。应用：中小型模具——5CrMnMo等。大型模具——3Cr2W8V等，淬透性好。最终热处理——淬火+高温回火最终组织——回火T或回火S（3）量具用钢——卡尺、千分尺、塞规等性能——高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性。应用:简单量具——T10A、T12A等。高精度量具——GCr15、CrWMn等。最终热处理——淬火+（-70～-80℃）冷处理+低温回火+时效处理时效处理：120～130℃，保温几个～几十个小时，使M、A'稳定，消除内应力。最终组织——回火M+碳化物+少量A'（1）易切削钢

（2）不锈钢

（3）耐热钢

（4）耐磨钢5.特殊性能钢

特殊性能钢是一种含有较多合金元素，在特殊工作条件或腐蚀、高温等特殊工作环境下具有某些特殊物理、化学或其他性能的钢。其类型很多，在机械行业常用的特殊性能钢主要有易切削钢、不锈钢、耐热钢和耐磨钢。（1）易切削钢

易切削钢是具有优良可加工性的专用钢种。它是在钢中加入一种或几种合金元素改善钢材的可加工性。加入元素本身或与其他元素形成一种对切削加工有利的夹杂物，使切削抗力下降，切屑易断易排，零件表面质量改善且刀具寿命提高。目前使用最广泛的元素是硫、铅、磷、钙等。（2）不锈钢钢的抗腐蚀措施：形成单相组织。加入Cr，降低两相的电极电位差。加入Cr、Al等，生成致密的表面氧化膜。

不锈钢是指在腐蚀介质中具有抗腐蚀性能的钢。其通常是不锈钢（耐大气、蒸汽和水等弱腐蚀介质腐蚀的钢）和耐酸钢（耐酸、碱、盐等强腐蚀介质腐蚀的钢）的统称，全称不锈耐酸钢，广泛用于化工、石油、卫生、食品、建筑、航空、原子能等行业。常用不锈钢：F型——如1Cr17，化工设备、食品工业。M型——如1Cr13用于汽轮机叶片；3Cr13做手术器具及刀具。A型——如1Cr18Ni9Ti用于化工、食品、医疗行业。以奥氏体型不锈钢应用最广泛，它约占不锈钢总产量的70％左右。

不锈钢的碳含量很宽，wC=0.03％～0.95％汽车用不锈钢主要有用于制造消声器外壳的耐热不锈钢和装饰用的耐蚀不锈钢。（2）不锈钢不锈钢的成分、热处理、性能：钢号主

要

化

学

成

分,%淬火

℃回火

℃CCrNiTi类别机械性能

bMPa

sMPa

5

%HRC

HB1Cr13

0.1512~

14950~

1000水,油700~

7504Cr130.36~

0.4512~

141050~

1100油200~

300M型540345680400254159501Cr17

0.1216~

18780~

850正火0Cr18Ni9

0.0717~

198~

121010~

1150水F型A型A-F型45020552020522401831871Cr18Ni9Ti

0.1217~

199~

12

0.5

~0.8920~

1150水520205401871Cr21Ni5Ti0.09~

0.1420~

224.8~

5.8

0.35

~0.8950~

1100水,空60035020（3）耐热钢抗氧化性：金属在高温下的抗氧化能力。热强性：热强性是指钢在高温下的强度。用途：锅炉、燃气轮机等,燃烧室\排气系。类别钢号主

要

化

学

成

分,%淬火

℃回火

℃CCrNiTiM型1Cr13

0.1512~

14950~

1000油700~

7501Cr11MoV0.11~

0.1810~

11.5Mo0.5

~0.71050~

1100空720~

740A型1Cr18Ni9Ti

0.1217~

198~

11

0.5

~0.8920~

1150水机械性能

bMPa

sMPa540345490685520205

5

%2040HB159159187耐热钢的用途发动机叶片航空发动机汽轮机叶片汽车阀门（4）耐磨钢ZGMn13热处理：1000℃～1100℃，保温，水冷→A，硬度低，韧性高。性能：工件在工作中受到冲击变形时，表层产生加工硬化，及M转变，硬度显著提高，心部保持高韧性。用途：履带、铁道岔道、挖掘机、拖拉机、坦克的履带板等。代表牌号Mn13耐磨钢的用途球磨机挖掘机颚式破碎机2.4铸铁一.碳钢二.合金钢三.铸铁四.有色金属及其合金五.金属材料在工程上的应用金属材料的分类金属钢铁铸铁——钢白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁非合金钢——（碳钢）普通碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、铸钢合金钢合金结构钢低合金结构钢、渗碳钢、调质钢、滚动轴承钢、弹簧钢、超高强度钢合金工具钢量具刃具钢合金模具钢高速钢冷作模具钢热作模具钢特殊性能钢——不锈钢、耐热钢、易切削钢、耐磨钢非铁金属——铜、铝、钛、锌、…，轴承合金，硬质合金耐磨钢的用途球磨机挖掘机颚式破碎机铸铁的性能特点常用铸铁成分——w(C)=2.11~6.69%（１）铸铁的石墨化C的同素异构体：石墨G（简单六方晶格）组织——钢基体+石墨（G）

石墨的形态(形状\数目\大小\及分布)决定铸铁组织与性能1.铸铁的石墨化过程及影响因素2.4.1铸铁的石墨化、分类及性能