青滨院金属学与热处理课件第11章 钢

第十一章钢钢的分类-（1）按用途分工程用钢建筑、桥梁、船舶、车辆渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢耐磨钢机器用钢结构钢刃具钢模具钢量具钢工具钢不锈钢耐热钢特殊性能钢钢的分类-（2）按冶金质量分钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢。根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：

P（%）S（%）普通质量钢≤0.035-0.045≤0.035-0.050优质钢≤0.035≤0.035高级优质钢A≤0.025≤0.025钢的分类-（3）按化学成分分中碳钢0.25%~0.6%C高碳钢

0.6%C低碳钢

0.25%C低合金钢合金元素总量

5%中合金钢合金元素总量5~10%高合金钢

合金元素总量

10%碳素钢合金钢第一节常存元素和杂质对钢性能的影响常存元素：Si、Mn、S、P杂质元素：非金属杂质及N、O、H一、Mn的影响Mn：有益元素（1）Mn能溶于铁素体，产生固溶强化作用（2）Mn能溶于渗碳体，形成合金渗碳体（Fe，Mn）3C（3）Mn少量（<1%）存在时对钢的性能影响不显著二、Si的影响Si：有益元素（1）Si能溶于铁素体，产生固溶强化作用（3）Si少量（<0.5%）存在时对钢的性能影响不显著三、S的影响Si：通常情况下是有害元素（1）不利的一面：在固态下主要以FeS的形式存在。FeS塑性差、脆性大，且FeS与Fe可以形成低熔点（985℃）的共晶体，分布在A晶界上。当钢加热至1200℃进行压力加工时，晶界上的共晶体熔化，晶粒间的结合被破坏，产生热脆性。消除热脆性措施：增加钢的锰含量。（2）有利的一面：含硫多的钢，形成较多的MnS，在切削加工中，MnS起到断屑作用，改善钢的切削加工性四、P的影响P：通常情况下是有害元素不利的一面：（1）P能全部溶于铁素体，产生强烈的固溶强化作用，使钢的强度、硬度增加，但塑韧性显著降低。这种脆化现象在低温时更显著，称为冷脆性。（2）P在结晶过程中容易产生晶内偏析，使得局部磷含量偏高，导致韧脆转变温度升高，发生冷脆（3）P的偏析使钢材热轧后形成带状组织有利的一面：含P较多时，脆性较大，对制造炮弹用钢及改善钢的切削加工性方面是有利的。五、非金属夹杂物的影响冶炼过程中会形成氧化物、硫化物、硅酸盐和氮化物，它们会降低钢的力学性能，特别是降低塑韧性及疲劳强度。非金属夹杂使钢在热加工时形成纤维组织和带状组织，产生各向异性。六、H的影响

1）使钢变脆，称为氢脆

2）使钢产生微裂纹，称为白点钢中白点第二节合金元素在钢中的作用常用的合金元素：Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Zr、Co、Al、B、RE、S、P、N等我国的富产元素：Si、Mn、W、Mo、V、B、RE一、合金元素在钢中的存在形式1、形成合金铁素体几乎所有合金元素都可或多或少地溶入铁素体中，形成合金铁素体（间隙固溶体、置换固溶体）。作用：固溶强化2、形成合金碳化物

形成碳化物的元素：1）强碳化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V2）中强碳化物形成元素：Cr、Mo、W3）弱碳化物形成元素：Mn

钢中形成的合金碳化物的类型：（1）合金渗碳体它是合金元素溶入渗碳体所形成的化合物，合金元素置换了渗碳体中的铁原子。合金渗碳体仍具有渗碳体的复杂晶格，铁与合金元素比例可变，但两者的总和与碳的比例固定不变。例如（Fe，Mn）3C（2）特殊碳化物它是与渗碳体晶格完全不同的碳化物，主要是中强和强碳化物形成元素形成的。1）具有简单晶格的间隙碳化物：MC、M2C型2）具有复杂晶格的碳化物：M3C、M7C3、M23C6型特殊碳化物比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度计耐磨性，并且更为稳定，不易分解。（3）形成非金属夹杂物合金元素与O、S、N等形成非金属夹杂物。非金属夹杂物可降低钢的质量二、合金元素对铁-渗碳体相图的影响1、改变了奥氏体区的范围1）Ni、Co、Mn等元素的加入使奥氏体区扩大，GS线向左下方移动，A3及A1温度下降。Mn

13%或Ni

9%时,室温下为单相奥氏体组织,称奥氏体钢。2）Cr、W、Mo、V、Ti、Al、Si等元素缩小奥氏体区，GS线向左上方移动，A3及A1温度升高。Cr

13%时，室温下为单相铁素体组织，称铁素体钢。锰对奥氏体相区的影响铬对奥氏体相区的影响2、改变S、E点位置1）扩大奥氏体区的元素，均使S、E点向左下方移动2）缩小奥氏体区的元素，均使S、E点向左上方移动

S、E点向左移动，意味着减低了共析点和发生共晶反应的碳含量，使得含碳量相同的碳钢和合金钢具有不同的组织。三、合金元素对钢热处理的影响合金元素对扩散速度的影响：1）形成碳化物的合金元素使碳的扩散速度减慢，碳化物不易析出，析出后也较难聚集长大；非碳化物形成元素（除Si外）则增加碳的扩散速度2）合金元素均能增加Fe原子间结合力，使Fe的自扩散速度下降3）合金元素自身在固溶体中的扩散速度比碳的扩散速度低得多1、合金元素对钢加热转变的影响1）大多数元素（除Ni、Co外）减缓奥氏体化过程2）合金元素（除Mn外）阻止奥氏体晶粒长大强碳化物形成元素能强烈的阻止奥氏体晶粒长大(Ti、V、Zr、Nb

等)。非碳化物形成元素能轻微的阻止奥氏体晶粒长大(Si、Ni、Cu、Co

等)。2、合金元素对钢冷却转变的影响1）合金元素对过冷奥氏体等温转变的影响：除Co外均降低院子扩散速度，使过冷奥氏体稳定性增加，使C曲线右移。

C曲线右移，降低了钢的Vc，增加了淬透性：①可采用冷速小的淬火介质，以减小变形和开裂；②增加淬硬深度，以获得高而均匀的力学性能；③某些钢甚至空冷即可得到马氏体。2）合金元素对过冷奥氏体向马氏体转变的影响：除Co、Al外，合金元素溶入奥氏体后，使马氏体转变的Ms及Mf降低，Mn、Cr、Ni作用较强。Ms越低，淬火后残留的奥氏体数量越多。3、合金元素对淬火钢回火转变的影响1）提高淬火钢的耐回火性耐回火性：淬火钢在回火时，抵抗软化的能力原因：合金元素溶入马氏体中，使原子扩散速度减慢，在回火过程中马氏体不易分解，碳化物不易析出，析出后也难长大。2）回火时产生二次硬化现象二次硬化：钢在回火时出现硬度回升的现象2）回火时产生二次硬化现象二次硬化：钢在回火时出现硬度回升的现象原因：回火时析出特殊碳化物，并弥散分布在马氏体基体上，并与马氏体保持共格关系，阻碍位错运动，使钢的硬度有所提高；特殊碳化物析出，使残余奥氏体合金元素浓度降低，Ms温度升高，此时会有部分残余奥氏体转变为马氏体，使钢的硬度提高。3）回火时产生第二类回火脆性第二类回火脆性：合金淬火钢在450-650℃回火时出现的回火脆性特点：可逆性产生原因：杂质及某些合金元素向晶界偏聚消除措施：提高钢的纯净度，减少杂质元素的含量；快冷；大截面工件采用含W或Mo的合金钢第三节结构钢结构钢：用于制造各种机器零件及各种工程结构的钢结构钢：1）工程结构钢：用作工程结构的钢，大多为普通质量的钢，适于制造承受静载荷作用的工程结构件2）机械结构用钢：用作机械零件的钢，大都为优质或高级优质的结构钢，可承受动载荷一、碳素结构钢成分：碳含量在0.06%-0.38%之间，有害元素和非金属夹杂物较多。牌号：Q+屈服强度值+质量等级+脱氧方法，共包含Q195、Q215、Q235、Q275五个牌号质量等级：A、B、C、D脱氧方法：F、Z、TZ碳素结构钢：Q195：不分质量等级，含碳量很低，强度不高，但有良好的焊接性、塑性和韧性，常用作铁钉、铁丝及各种薄板Q275：含碳量较高，强度较高，可以替代30钢、40钢制造稍重要的某些零件二、低合金高强度结构钢（HSLA钢）低合金高强度结构钢：在碳素结构钢的基础上加入少量的合金元素而制成的。牌号：Q+屈服强度值+质量等级，共包含Q295、Q345、Q390、Q420、Q460五个牌号质量等级：A、B、C、D、E1、化学成分低碳：碳含量在0.1%~0.2%合金元素：主加元素-Mn（0.8%~1.7）其他元素：Si、V、Nb、Ti、Mo、RE等2、性能特点（1）高的屈服强度与良好的塑韧性：合金元素强化铁素体；细化铁素体晶粒；增加珠光体数量（使S点左移）；形成碳化物、氮化物，从固溶体中析出，产生弥散强化作用。（2）良好的焊接性：碳含量低，合金元素少，塑性好，不易在焊缝区产生淬火组织及裂纹，且V、Nb、Ti等可抑制焊缝区晶粒的长大，因而具有良好的焊接性。（3）良好的耐蚀性：Cu、P可提高抗大气的腐蚀性。3、热处理：热轧空冷后使用

4、使用状态下组织：F+PQ460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(16Mn)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。压力容器南京长江大桥三、优质碳素结构钢及合金结构钢1、优质碳素结构钢牌号：两位数字表示，例如08钢，45钢牌号含义：表示含碳量的万倍，如45钢，碳含量为0.45%，08钢，碳含量为0.08%种类：1）普通含锰钢（锰含量0.25%-0.8%）

2）较高含锰钢（0.7%-1.2%），牌号后加“Mn”，例如16Mn2、合金结构钢合金结构钢：在优质碳素结构钢的基础上加入一些合金元素而形成的钢种。属于低、中合金钢。合金结构钢的牌号三部分组成“数字+元素符号+数字”两位数字

元素符号数字合金元素的含量的百倍添加合金元素的种类含碳量的万倍例如：20Mn2、20MnVB、12Cr2Ni4合金元素的质量分数≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%…

时，标注2、3、4…合金结构钢的合金化元素主加元素：Mn、Si、Cr、B等，提高淬透性和力学性能辅加元素：W、Mo、V、Ti、Nb等合金结构钢的质量都是优质钢、高级优质钢（A）或特级优质钢（E）合金结构钢的种类1、渗碳用钢经淬火、低温回火后使用的钢性能要求：表面高硬度、心部较高的韧性和足够的强度（1）化学成分：含碳量0.1%-0.2%

主加元素Cr、Mn、Ni、B，提高淬透性，使淬火后心部能够得到低碳马氏体，以提高强度同时保持良好的韧性。辅加元素W、Mo、V、Ti，细化晶粒，形成特殊碳化物。（2）常用的渗碳钢：1）碳素渗碳钢：15、20钢。淬透性低，渗碳后心部强度低，表层强度和耐磨性也不高，淬火时变形开裂倾向大，一般用于制造承受低载、形状简单、不太重要、但要耐磨的小零件。2）合金渗碳钢：按淬透性分为三类①低淬透性渗碳钢

例如20Mn2、20Cr、20MnV等，油淬临界淬透直径为20-35mm，制作受力不大，不需要高强的耐磨零件②中淬透性渗碳钢

例如20CrMnTi、12CrNi3等，油淬临界淬透直径为25-60mm，制作承受中等载荷的耐磨零件③高淬透性渗碳钢

如12Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA等，油淬临界淬透直径为100mm以上，空冷也可获得马氏体。制作承受重载与强烈磨损的重要大型零件（3）热处理：1）预备热处理：低、中淬透性钢采用正火以改善切削加工性。高淬透性钢需空冷淬火后高温回火得到回火索氏体以改善切削加工性。2）最终热处理：渗碳后淬火加低温回火2、调质用钢经调质处理后使用的钢性能要求：较高的综合力学性能（1）化学成分：含碳量0.25%-0.5%

主加元素Cr、Mn、Ni、B，提高淬透性，以获得均匀的综合力学性能。辅加元素W、Mo、V、Ti，细化晶粒，提高耐回火性。（2）常用的调质钢：1）碳素调质钢：35~45、40Mn、50Mn钢。淬透性低，淬火时变形开裂倾向大，用于制造承受低载、形状简单、尺寸较小的调质工件。2）合金调质钢：按淬透性分为三类①低淬透性调质钢

例如40Cr、40MnB等，油淬临界淬透直径为20-40mm，制作中等截面受变动载荷的调质工件②中淬透性调质钢

例如35CrMo、38CrMoAl等，油淬临界淬透直径为40-60mm，制作截面较大、承受重载的调质零件③高淬透性调质钢

如40CrMnMo、25Cr2Ni4WA等，油淬临界淬透直径为60mm以上，用作大截面、承受更大载荷的重要的调质件（3）热处理：1）预备热处理：珠光体钢采用正火。马氏体钢采用淬火后高温回火得到回火索氏体。2）最终热处理：淬火加高温回火以获得回火索氏体四、弹簧钢弹簧的作用：缓冲、吸振、储能性能要求：高的弹性极限、弹性比功和疲劳强度、一定的塑韧性1、化学成分：含碳量：碳素弹簧钢-0.6%~0.9%，合金弹簧钢-0.45%~0.70%，使得在热处理前具有接近共析成分的组织，以保证高的弹性极限与疲劳强度。合金元素：Mn、Si、Cr、V、Mo，增加淬透性和耐回火性2、常用的弹簧钢：（1）碳素弹簧钢：优质碳素结构钢中的高碳钢，价格便宜，热处理后具有一定的强度，但淬透性差。制作不太重要的弹簧。（2）合金弹簧钢：较高的淬透性，弹性极限高，屈强比较高，疲劳强度较高。主要用于车辆上的板簧和螺旋弹簧。典型的合金弹簧钢：60Si2Mn、50CrVA3、热处理：（1）热成形弹簧的热处理：淬火+中温回火（2）冷成形弹簧的热处理：1）索氏体化处理冷拉钢丝：只需进行去应力回火，不需要进行淬火与回火2）油淬回火钢丝：只需进行去应力回火，不需要进行淬火与回火3）退火状态工艺的合金弹簧钢丝：进行淬火与回火处理五、滚动轴承钢滚动轴承钢：制造各种滚动轴承内外圈及滚动体的专用钢种工作特点：转动时滚动体与内外圈在滚道面上均受变动载荷作用，套圈与滚动体之间是点接触或者线接触，接触应力很大失效形式：接触疲劳破坏与磨损性能要求：高的接触疲劳抗力，高的硬度和耐磨性及一定的韧性1、化学成分：含碳量：高碳，0.95%~1.15%，以保证高的强度和硬度，形成足够的碳化物以提高耐磨性合金元素：主加元素Cr-提高淬透性，并形成合金渗碳体，提高接触疲劳抗力与耐磨性S、P：限制极严，轴承钢属于高级优质钢2、常用的滚动轴承钢：牌号：G+Cr+Cr元素含量的千倍。例如GCr15，表示Cr含量为1.5%的滚动轴承钢常用的滚动轴承钢：GCr15、GCr15SiMn3、热处理：预备热处理：球化退火，降低硬度以有利于切削加工，并为淬火做好组织上的准备最终热处理：淬火+低温回火精密轴承零件：淬火+冷处理+低温回火六、低淬透性含钛优质碳素结构钢应用：专供感应淬火用的淬透性特别低的钢含碳量：0.5%~0.7%降低淬透性的措施：①降低增加淬透性元素的含量；②加入少量的强碳化物形成元素常用的钢：55Ti、60Ti、70Ti第四节工具钢工具钢：用于制造各种刃具、模具、量具的钢量具刃具模具碳含量：0.9%-1.3%合金元素：提高淬透性，并形成碳化物以提高硬度和耐磨性热处理：预备热处理-球化退火最终热处理-回火+低温回火一、刃具钢服役条件：受到复杂的切削力，刃部与切屑之间有强烈的摩擦，还承受冲击与振动锉刀性能要求：1）高的硬度与耐磨性2）高的热硬性3）足够的强度与韧性1、碳素工具钢：牌号：T+数字（表示碳含量的千倍），T7-T13例如，T7A表示含碳量为0.7%的高级优质碳素工具钢T7表示含碳量为0.7%的优质碳素工具钢T8Mn含碳量：0.65%~1.35%，保证淬火后有足够高的硬度。2、合金刃具钢：在碳素工具钢的基础上加入少量的合金元素。牌号：一位数字+合金元素+数字，例如，Cr2，9SiCr，W一位数字

元素符号数字合金元素的含量的百倍添加合金元素的种类含碳量的千倍，当碳含量>1%时不标出（1）化学成分：含碳量：高碳，0.75%~1.5%，以保证高的硬度，并可与合金元素形成适当数量的合金碳化物，以增加耐磨性合金元素：Cr、Si、Mn、W（2）常用的合金刃具钢：1）W钢：硬度和耐磨性好，韧性较好，热处理变形小，但耐回火性不高，淬透性较低2）Cr2钢：淬透性较高，变形与开裂倾向小，碳化物细小均布，提高钢的强度与耐磨性，可制造形状复杂、尺寸较大、切削用量大的刃具。3）9SiCr钢：高的淬透性和耐回火性，适于制造薄刃刀具3、高速工具钢：高速工具钢是热硬性、耐磨性较高的高合金工具钢。（1）高速工具钢的牌号与化学成分1）牌号：含碳量不标出，用合金元素+含量表示，高碳者牌号前冠以“C”。例如：W18Cr4V，W6Mo5Cr4V2，CW6Mo5Cr4V22）化学成分：高碳0.75%-1.60%：获得高碳马氏体和足够的合金碳化物，保证高的硬度和耐磨性W：提高热硬性的主要元素，形成Fe4W2C。但当含量>18%，热硬性增加不明显，且碳化物不均匀性增加，塑性降低，加工困难。Mo：作用与W相似，1%的Mo取代1.8%的WCr：均为4%，主要存在与M6C中V：强碳化物形成元素，提高钢的硬度、耐磨性与热硬性，回火时产生二次硬化3）常用的高速工具钢：1）W18Cr4V（18-4-1）：使用最广的钨系高速钢2）W6Mo5Cr4V2（6-5-4-2）：钨钼系高速钢（2）高速工具钢的铸态组织与锻造铸态组织：鱼骨状消除措施：锻造（锻打）W18Cr4V锻造组织W18Cr4V铸态组织（3）高速工具钢的退火球化退火：改善可加工性，消除残余应力（4）高速工具钢的退火加热：预热淬火温度：<1300℃回火：三次回火*淬火后A残约20～25%。*第一次回火后A残约剩15～18%。*第二次回火后A残约剩3～5%。*第三次回火后A残约剩1～2%。二、模具钢1、冷作模具钢冷作模具钢：冷冲模、冷挤压模性能要求：高硬度、高耐磨性及足够的强度和韧性汽车冲压模具常用的冷作模具钢：（1）碳素工具钢：T10A；（2）低合金冷作模具钢：9Mn2V、CrWMn；（3）Cr12型钢：Cr12MoV（4）高碳中铬钢：Cr4W2MoV（5）其他：降碳高速钢等Cr12型钢的硬化方法：1）一次硬化法：低淬+低回2）二次硬化法：高淬+多次回火2、热作模具钢热作模具钢：制造使加热的固态或液态金属在压力下成形的模具热作模具：热锻模、压铸模热锻模：模膛制成与所需锻件凹凸相反的相应形状。将锻件坯料加热到金属的再结晶温度上的锻造温度范围内，放在锻模上，再利用锻造设备的压力将坯料锻造成锻件。

挤压模：用于将金属挤压成形的模具。挤压模的挤压筒为凹模，冲头为凸模。由于金属需要在很大的压强下才能从凹模挤出成形，因此，挤压筒和反挤压的凹模需要有很高的强度。压铸模：将熔融合金在高压、高速条件下充型，并在高压下冷却凝固成形的精密铸造方法。（1）热锻模用钢：热锻模的工作条件：高温、冲击力、时冷时热、磨损性能要求：足够的强度、韧性与耐磨性；好的热疲劳抗力；高的淬透性以获得好的整体性能化学成分：中碳（0.3%~0.6%）、Cr、Mn、Ni、Si常用的热锻模用钢：5CrNiMo、5CrMnMo（2）压铸模用钢：工作条件：高温、长时间与高温液体接触性能要求：高的热疲劳抗力，抗高温金属液的腐蚀、冲刷常用的压铸模用钢：3Cr2W8V（3）塑料模具用钢：工作条件：持续受热、受压，并受一定程度的摩擦和有害气体的腐蚀性能要求：足够的强度、韧性，较高的耐磨性和耐蚀性常用钢：3Cr2Mo三、量具钢卡尺量规千分尺性能要求：高硬度、高耐磨性、高的尺寸稳定性，良好的磨削加工性常用钢：8MnSi、9SiCr、Cr2、W钢等尺寸稳定性：不稳定的原因：残余奥氏体的转变；马氏体在室温下的分解；热处理及机械加工过程中的残余应力导致的变形解决方法：淬火后立即进行低温回火，精密零件还需要进行一次稳定化处理第五节特殊性能钢一、不锈钢不锈钢：抵抗大气腐蚀的钢耐酸钢：抵抗化学介质腐蚀的钢1、金属的腐蚀（1）腐蚀的概念：金属表面与外界介质作用而逐渐破坏的现象种类：化学腐蚀和电化学腐蚀（2）提高耐蚀性的途径1）形成钝化膜2）提高电极电位3）形成单相组织2、常用不锈钢（1）按化学成分分：铬不锈钢、镍铬不锈钢、铬锰不锈钢（2）按金相组织分：马氏体型不锈钢、铁素体型不锈钢、奥氏体型不锈钢、奥氏体-铁素体型不锈钢及沉淀硬化型不锈钢（3）典型牌号：Cr13型：12Cr13、30Cr13，06Cr13Al等Cr17型：10