金属材料与热处理（下篇共上中下3篇）560

第七单元金属的塑性变形与再结晶塑性是金属材料的重要特性；金属材料通过冶炼、铸造，获得铸锭后，可通过塑性加工的方法获得具有一定形状、尺寸和力学性能的型材、板材、管材或线材，以及零件毛坯或零件。塑性加工包括锻压、轧制、挤压、拉拔、冲压等方法。金属的塑性加工模块一金属的塑性变形金属在承受塑性加工时，产生塑性变形，宏观上改变了材料的形状和尺寸；微观上改变了金属的组织结构；金属的塑性变形对材料的性能也会产生重要的影响，是金属材料重要的强化手段。

金属的塑性变形：单晶体的塑性变形多晶体的塑性变形一、单晶体的塑性变形单晶体的塑性变形的基本方式有两种：

滑移和孪生

1.滑移滑移是晶体在切应力的作用下，,晶体的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相对于另一部分发生滑动。由于位错每移出晶体一次即造成一个原子间距的变形量,因此晶体发生的总变形量一定是这个方向上的原子间距的整数倍。

铜拉伸试样表面滑移带滑移只能在切应力作用下才会发生,不同金属产生滑移的最小切应力(称滑移临界切应力)大小不同。钨、钼、铁的滑移临界切应力比铜、铝的要大。2.滑移系滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面(密排面)和其上密度最大的晶向(密排方向)进行，这是由于密排面之间、密排方向之间的间距最大，结合力最弱。因此滑移面为该晶体的密排面，滑移方向为该面上的密排方向。一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。如体心立方晶格中，(110)面和[111]晶向即组成一个滑移系。滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性就越好。晶格类型体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格滑移面{110}6个{111}4个{0001}1个滑移方向<111>2个<110>3个<1120>3个滑移系数目6*2=124*3=121*3=3滑移方向对滑移所起的作用比滑移面大，所以面心立方晶格金属比体心立方晶格金属的塑性更好。金、银、铜、铝等金属的塑性高于铁、铬等金属；而铁的塑性又高于锌、镁等金属。

3.位错滑移机制滑移非刚性滑动，而是由位错的移动实现的（1934年提出）。

滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。滑移并非是晶体两部分沿滑移面作整体的相对滑动，而是通过位错的运动来实现的。在切应力作用下，一个多余半原子面从晶体一侧到另一侧运动，即位错自左向右移动时晶体产生滑移。

刃型位错运动使晶体滑移引起塑性变形的模型位错运动使塑性变形容易晶体的滑移塑性变形位错机制晶体的滑移塑性变形

未变形弹性变形弹塑性变形塑性变形

未变形弹性变形弹塑性变形塑性变形滑移面（面间结合力最小的晶面）位错运动引起塑性变形通过位错的移动实现滑移时：1、只有位错线附近的少数原子移动；2、原子移动的距离小于一个原子间距；所以通过位错实现滑移时，需要的力较小；金属的塑性变形是由滑移这种方式进行的，而滑移又是通过位错的移动实现的。所以，只要阻碍位错的移动就可以阻碍滑移的进行，从而提高了塑性变形的抗力，使强度提高。金属材料常用的五种强化手段（固溶强化、加工硬化、晶粒细化、弥散强化、淬火强化）都是通过这种机理实现的。二、多晶体的塑性变形工程上使用的金属绝大部分是多晶体。多晶体中每个晶粒的变形基本方式与单晶体相同。但由于多晶体材料中，各个晶粒位向不同，且存在许多晶界，因此变形要复杂得多。

多晶体中各个晶粒位向不一致。一些晶粒的滑移面和滑移方向接近于最大切应力方向(称晶粒处于软位向),另一些晶粒的滑移面和滑移方向与最大切应力方向相差较大(称晶粒处于硬位向)。在发生滑移时，软位向晶粒先开始。当位错在晶界受阻逐渐堆积时，其它晶粒发生滑移。因此多晶体变形时晶粒分批地逐步地变形，变形分散在材料各处。1.非同步性第二个要注意的问题是晶界的影响。晶界是原子排列不规则的地方，它对位错的移动有阻碍作用，要想使位错通过晶界，外界必须对它施加更大的力，所以晶界处的强度比晶内高。2.晶界的影响3.晶粒细化晶粒越细，单位体积内的晶界面积越多，对位错的阻碍作用越大，金属的强度越高。晶界与强度之间的关系有一个Hall—Petch公式。

具有细小晶粒的材料不仅强度高，而且塑性、韧性也较高，这是其他强化手段不能达到的。晶粒越细，金属的变形越分散，减少了应力集中，推迟裂纹的形成和发展，使金属在断裂之前可发生较大的塑性变形，因此使金属的塑性提高。由于细晶粒金属的强度较高，塑性较好，所以断裂时需要消耗较大的功，因而韧性也较好。我们一般将通过使材料的组织变细来改善其性能的方法称为细晶强化或晶粒细化，细晶强化是金属的一种很重要的强韧化手段。

温故知新单晶体塑性变形的方式什么是滑移系？滑移系的数目对金属的塑性有什么影响？金属的滑移是通过什么方式实现的？多晶体的塑性变形与单晶体有什么区别？单晶体塑性变形的方式单晶体的塑性变形的基本方式有两种：滑移和孪生。

滑移是晶体在切应力的作用下,晶体的一部分沿一定的晶面(滑移面)上的一定方向(滑移方向)相对于另一部分发生滑动。滑移系一个滑移面与其上的一个滑移方向组成一个滑移系。如体心立方晶格中，(110)面和[111]晶向即组成一个滑移系。滑移系越多，金属发生滑移的可能性越大，塑性就越好。我们已经学习了金属塑性变形的机理,那塑性变形后金属的组织和性能是否也发生了变化呢？是的，金属塑性变形后组织和性能发生了明显的变化，这正我们今天要学习的主要内容。学无止境

模块二塑性变形对金属组织和性能的影响

塑性变形对金属性能的影响塑性变形对金属组织结构的影响

残余内应力一、塑性变形对金属性能的影响演示试验取一段2.5mm2的导线，剥去一端的塑料绝缘皮，露出里面的铜线。然后用手锤将铜线的一部分砸扁，感觉一下，被砸扁处铜线的硬度发生了什么变化？1.加工硬化金属发生塑性变形时，随变形度的增大，金属的强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降，这种现象称为加工硬化，也叫形变强化或冷作硬化。冷塑性变形与力学性能关系加工硬化的原因金属发生塑性变形时,位错密度增加,位错间的交互作用增强,相互缠结,造成位错运动阻力的增大,引起塑性变形抗力提高。另一方面由于晶粒破碎细化,使强度得以提高。加工硬化的原因2.加工硬化的意义强化金属的重要途径；加工硬化是金属冷冲压成型的保证；提高构件在使用过程中的安全性。强化手段加工硬化是金属材料五大强化手段之一；在生产中可通过冷轧、冷拔提高钢板或钢丝的强度。特别是对于纯金属和不能热处理强化的材料，冷变形加工是强化它们的主要手段。链条板的轧制材料为Q345（16Mn)钢的自行车链条经过五次轧制，厚度由3.5mm压缩到1.2mm，总变形量为65%，硬度从150HBS提高到275HBS；抗拉强度从510MPa提高到980MPa；使承载能力提高了将近一倍。弹簧钢丝的强化65Mn弹簧钢丝经冷拉后，抗拉强度可达2000~3000MPa，比一般钢材的强度提高4~6倍。高锰钢的加工硬化高锰钢（ZGMn13)属于奥氏体钢，热处理不能强化，它的主要强化手段就是加工硬化。当高锰钢受到激烈摩擦或剧烈冲击时，其表面部分就会产生微量塑性变形，随之产生强烈的加工硬化，使其硬度和强度快速提高，从而能够作为耐磨钢使用。高锰钢的加工硬化

金属的冷成型加工的保证金属的冷成型正是利用了材料的加工硬化特性，使塑性变形均匀地分布于整个工件上，而不致于集中在某些局部而导致最终断裂。提高构件的安全性构件在使用过程中，往往不可避免地会某些部位出现应力集中和过载现象，在这种情况下，由于金属能加工硬化，使局部过载部位在产生少量塑性变形之后，提高了屈服强度并与所承受的应力达到平衡，变形就不会继续发展，从而在一定程度上提高了构件的安全性。加工硬化的不利影响加工硬化使金属在塑性变形过程中变形抗力逐渐增加，以致丧失继续变形的能力。为了消除加工硬化，使金属重新恢复变形的能力，必须对其进行中间退火，这样就增加了生产成本，而且延长了生产周期。

二、塑性变形对金属组织的影响

冷变形纤维组织的形成亚结构的细化形变织构产生1.冷变形纤维组织金属发生塑性变形后,晶粒发生变形,沿形变方向被拉长或压扁。当变形量很大时,晶粒变成细条状(拉伸时),金属中的夹杂物也被拉长,形成纤维组织。

2.形变织构产生金属塑性变形到很大程度(70%以上)时,由于晶粒发生转动,使各晶粒的位向趋近于一致,形成特殊的择优取向,这种有序化的结构叫做形变织构。形变织构一般分两种：一种是各晶粒的一定晶向平行于拉拔方向,称为丝织构,例如低碳钢经高度冷拔后,其<100>平行于拔丝方向;另一种是各晶粒的一定晶面和晶向平行于轧制方向,称为板织构,低碳钢的板织构为{001}<110>。形变织构制耳3.残余内应力由于金属在发生塑性变形时,金属内部变形不均匀,位错、空位等晶体缺陷增多，金属内部会产生残余内应力。即外力去除后，金属内部会残留下来应力。残余内应力会使金属的耐腐蚀性能降低，严重时可导致零件变形或开裂。齿轮等零件，如表面通过喷丸处理，可产生较大的残余压应力，则可提高疲劳强度。

第一类残余应力：宏观内应力，由整个物体变形不均匀引起。第二类残余应力：微观内应力，

由晶粒变形不均匀引起。第三类残余应力：点阵畸变内应力，由位错、空位等引起。80%-90%。

残余内应力

残余内应力的消除金属塑性变形后的残余内应力，可以通过去应力退火来消除；如经拉延成型的黄铜弹壳在280℃左右进行去应力退火，以避免变形和应力腐蚀。残余内应力的利用生产中有意控制残余内应力的分布，使其与工作应力方向相反，可以提高工件的力学性能。右图是钢板弹簧的例子。金属经塑性变形后，组织结构和性能发生很大的变化。如果对变形后的金属进行加热，金属的组织结构和性能又会发生变化。随着加热温度的提高，变形金属将相继发生回复、再结晶和晶粒长大过程。

加热温度℃模块三冷变形金属在加热时的

组织与性能变化

一、回复冷塑性变形后的金属在较低温度进行加热时，原子扩散能力不大，只是晶粒内部位错、空位、间隙原子等缺陷通过移动、复合消失而大大减少，内应力大为下降；但晶粒仍保持变形后的形态，变形金属的显微组织不发生明显的变化，材料的强度和硬度略有降低，塑性有增高，这种现象称为回复。在实际生产中常利用回复过程对冷塑性变形金属进行去应力退火，以降低残余内应力，防止工件变形、开裂，提高耐蚀性，保留加工硬化效果。如用冷拉钢丝卷制弹簧，在成形后进行250～300℃的低温处理，以消除内应力使其定型；经拉延制成的黄铜弹壳在260～280℃左右进行回复退火，以消除残余应力，避免变形和应力腐蚀开裂。二、再结晶冷变形金属被加热到适当温度时，在变形组织内部新的无畸变的等轴晶粒逐渐取代变形晶粒，而使形变强化效应完全消除的过程。1.组织与性能变化变形金属进行再结晶后，金属的强度和硬度明显降低，而塑性和韧性大大提高，加工硬化现象被消除，此时内应力全部消失，物理、化学性能基本上恢复到变形以前的水平。再结晶生成的新的晶粒的晶格类型与变形前、变形后的晶格类型均一样。黄铜再结晶和晶粒长大各个阶段的金相照片冷变形量为38％的组织580ºC保温3秒后的组织580ºC保温4秒后的组织580ºC保温8秒后的组织580ºC保温15分后的组织700ºC保温10分后的组织2.再结晶温度

变形后的金属发生再结晶的温度是一个温度范围，并非某一恒定温度。一般所说的再结晶温度指的是最低再结晶温度(T再),通常用经大变形量(70%以上)的冷塑性变形的金属,经一小时加热后能完全再结晶的最低温度来表示。最低再结晶温度与该金属的熔点有如下关系：

T再=(0.35～0.4)T熔点

式中的温度单位为绝对温度(K)。3.再结晶的应用由于塑性变形后的金属加热发生再结晶后，可消除加工硬化现象，恢复金属的塑性和韧性，因此生产中常用再结晶退火工艺来恢复金属塑性变形的能力，以便继续进行形变加工。例如生产铁铬铝电阻丝时，在冷拔到一定的变形度后，要进行氢气保护再结晶退火，以继续冷拔获得更细的丝材。

为了缩短处理时间，实际采用的再结晶退火温度比该金属的最低再结晶温度要高100～200℃。

模块四金属的热加工一、金属的热加工与冷加工

金属塑性变形的加工方法有热加工和冷加工两种。热加工和冷加工不是根据变形时是否加热来区分，而是根据变形时的温度处于再结晶温度以上还是以下来划分的。

从金属学的角度出发，冷、热变形加工是以再结晶温度为界限的，低于再结晶温度的变形称为冷变形加工；高于再结晶温度的变形就称为热变形加工。金属的热加工与冷加工不能凭直觉判断；如钨的再结晶温度为1200℃，其在1000℃的变形加工仍是冷加工；又如铅、锡等金属，在室温下的变形就是热变形加工；冷轧与热轧

2.金属的冷变形加工在金属的再结晶温度以下的塑性变形加工称为冷加工。如低碳钢的冷轧、冷拔、冷冲等。由于加工温度处于再结晶温度以下，金属材料发生塑性变形时不会伴随再结晶过程。因此冷加工对金属组织和性能的影响即是前面的所述塑性变形的影响规律。与冷加工前相比，金属材料的强度和硬度升高，塑性和韧性下降，即产生加工硬化的现象。性能变化是单向的：变形前变形后软硬加工硬化3.金属的热变形加工在金属的再结晶温度以上的塑性变形加工称为热加工，例如钢材的热锻和热轧。热加工温度：

T再<T热加工<T熔－100～200℃性能变化是双向的：变形前变形后软软加工硬化再结晶

1.消除铸态组织缺陷热加工能使铸态金属中的气孔、疏松、微裂纹焊合，提高金属的致密度；减轻甚至消除树枝晶偏析和改善夹杂物、第二相的分布等；提高金属的力学性能，特别是韧性和塑性。

二、金属热加工对组织与性能的变化热加工能打碎铸态金属中的粗大树枝晶和柱状晶，并通过再结晶获得等轴细晶粒，而使金属的力学性能全面提高。但这与热加工的变形量和加工终了温度关系很大，采用低的变形终止温度、大的最终变形量、快的冷却速度可获得细小晶粒。

热加工动态再结晶示意图2.热加工流线热加工能使金属中残存的枝晶偏析、可变形夹杂物和第二相沿金属流动方向被拉长，形成纤维组织(或称“流线”)，使金属的力学性能特别是塑性和韧性具有方向性，纵向上的性能显著大于横向上的。因此热加工时应力求工件流线分布合理。锻造曲轴的合理流线分布，可保证曲轴工作时所受的最大拉应力与流线一致，而外加剪切应力或冲击力与流线垂直，使曲轴不易断裂。切削加工制成的曲轴，其流线分布不合理，易沿轴肩发生断裂。

3.形成带状组织钢中的铁素体或渗碳体以伸长的杂质为核心形核，形成带状组织。带状组织能造成材料的各向异性，应加以注意。避免在两相区变形、减少夹杂元素含量、采用高温扩散退火或正火可以消除带状组织。正火组织带状组织三、热变形加工的优点由于热加工可使金属的组织和性能得到显著改善，所以受力复杂、载荷较大的重要工件，一般都采用热加工方法来制造。

第八单元低合金钢和合金钢

Q

235

—

A

·

F沸腾钢A等级235MPa屈服强度*

45---Wc=0.45%*

较高锰质量分数的优质碳素结构钢

45Mn---Wc=0.45%;WMn=0.7%～1.0%T

12

A高级优质Wc=1.2%碳素工具钢ZG

200-400Rm≥400MPaRel

≥200MPa铸钢碳钢在性能上的不足

淬透性低

一般情况下，碳钢水淬的最大淬透直径只有10mm-20mm。强度和屈强比较低

如普通碳钢Q235钢的Rel为235MPa，而低合金结构钢16Mn的Rel则为360MPa以上。40钢的Rel/Rm仅为0.43,而合金钢35CrNi3Mo的Rel/Rm

高达0.74。

碳钢在性能上的不足

回火稳定性差碳钢在进行调质处理时，为了保证较高的强度需采用较低的回火温度，这样钢的韧性就偏低；为了保证较好的韧性，采用高的回火温度时强度又偏低，所以碳钢的综合机械性能水平不高。不能满足特殊性能的要求碳钢在抗氧化、耐蚀、耐热、耐低温、耐磨损以及特殊电磁性等方面往往较差，不能满足特殊使用性能的需求。

碳钢不能完全满足科学技术和工业的发展要求。为了提高钢的性能，在铁碳合金中特意加入合金元素所获得的钢种，称为合金钢。合金钢有较好的性能，但也有不少缺点。最主要的是由于含有合金元素，其生产和加工工艺比碳钢差，也比较复杂，价格也较昂贵。因此，在应用碳钢能够满足要求时，一般不使用合金钢。模块一概述

为了提高钢的性能，在冶炼时特意加入一些合金元素（主要是过渡族元素）所得到的钢称为合金钢。合金元素的作用：提高强度，塑韧性；提高淬透性提高高温强度、热硬性提高抗氧化、耐腐蚀、耐热、耐磨、电磁等特殊性能碳钢的缺点：1.基本相(F、Fe3C)性能不够好；2.淬透性低；3.工具钢使用温度不能超过200℃；4.没有特殊性能，如耐腐蚀、抗氧化、高耐磨……。模块一概述钢中常用的合金元素Ni、Co、Si、Al、N、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Re。结合中国国情，树立具有中国特色的合金化思想。合金元素的存在形式合金元素在钢中可以两种形式存在：一是溶解于碳钢原有的相中，二是形成某些碳钢中所没有的新相，在高合金钢中还可能形成金属间化合物。

按合金元素含量多少，分为

低合金钢（合金元素总量低于5%）

中合金钢（合金元素总量为5%-10%）

高合金钢（合金元素总量高于10%）

按用途分类

合金结构钢

合金工具钢

特殊性能钢

按所含的主要合金元素，分为

铬钢（Cr-Fe-C)

铬镍钢（Cr-Ni-Fe-C)

锰钢（Mn-Fe-C)

硅锰钢（Si-Mn-Fe-C)按小试样正火或铸态组织，分为

珠光体钢

马氏体钢

铁素体钢

奥氏体钢

合金钢的性能比碳钢优良，原因是加入合金元素后，钢的基本组元铁和碳与加入的合金元素会发生交互作用，钢的合金化目的就是希望利用合金元素与改善钢的组织和性能。

模块二合金元素在钢中的作用

合金元素与铁、碳的作用

合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。

合金元素对钢的热处理的影响。一、合金元素与铁的作用几乎所有的合金元素（除Pb外）都可溶入铁中,形成合金铁素体或合金奥氏体；合金元素可溶于铁素体中，由于与铁的晶格类型和原子半径不同而造成晶格畸变；另外合金元素易分布于位错线附近，对位错线的移动起牵制作用，降低位错的易动性，从而提高塑变抗力，产生固溶强化效果。1.溶于基体中形成合金F或合金A1.溶于基体中形成合金F或合金A二、合金元素与碳的作用在一般的合金化理论中，按与碳亲合力的大小，可将合金元素分为碳化物形成元素与非碳化物形成元素两大类。

非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B；

碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti。

凡是在化学元素周期表中排在铁（第26号）右侧的合金元素，它们与碳的结合力小于铁，都是非碳化物形成元素，它们是Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。由于不能形成碳化物，除了在极少数高合金钢中可形成金属间化合物外，这些元素几乎都溶解在铁素体、奥氏体或马氏体中。凡是在化学元素周期表中排在铁左侧的合金元素，它们与碳的结合力大于铁，都是碳化物形成元素，与碳结合形成合金渗碳体或碳化物。而且离铁越远，越易形成比Fe3C更稳定的碳化物。按它们与碳结合的能力，由由强到弱为：Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti弱强

弱碳化物元素:Fe、Mn。

中强碳化物元素:Cr、Mo、W。

强碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。碳化物的影响

碳化物是钢中的重要相之一，碳化物的类型、数量、大小、形状及分布对钢的性能有很重要的影响。

熔点、硬度、耐磨性最高。细化晶粒。提高耐热性．

TiC、NbC、VC。圆、小、匀三、合金元素对Fe-Fe3C相图的影响扩大奥氏体区缩小奥氏体区改变Ｅ和共析点Ｓ的参数1.合金元素对A、F相区的影响加入合金元素，可使α与γ存在范围发生变化。按照对α或γ的作用，可将合金元素分为两大类。

（1）扩大奥氏体区的合金元素扩大奥氏体区域的元素有镍、锰、碳、氮等，这些元素使A1和A3温度降低，使S点、E点向左下方移动，从而使奥氏体区域扩大。其中与γ－Fe无限互溶的元素镍或锰的含量较多时，可使钢在室温下以奥氏体单相存在而成为一种奥氏体钢。如Ni%>9%的不锈钢和Mn%>13%的ZGMn13耐磨钢均属奥氏体钢。Mn元素对奥氏体区的影响缩小奥氏体区的元素有铬、钼、硅、钨等，使A1和A3温度升高，使S点、E点向左上方移动，从而使奥氏体区域缩小。由于A1和A3温度升高了，这类钢的淬火温度也相应地提高了。当加入的元素超过一定含量后，则奥氏体可能完全消失，此时，钢在包括室温在内的广大温度范围内获得单相铁素体，通常称之为铁素体钢。如含17%～28%Cr的Cr17、Cr25、Cr28不锈钢就是铁素体不锈钢。（2）缩小奥氏体区的元素Cr元素对奥氏体区的影响2.改变Ｅ和共析点参数的元素扩大奥氏体相区的元素使Fe-Fe3C相图中的共析转变温度(A1)下降，缩小奥氏体相区的元素则使其上升。合金元素对S点的影响对Fe-Fe3C相图临界点(S和E点)的影响由于共析温度降低或升高，直接地影响热处理加热的温度，所以锰钢、镍钢的淬火温度低于非合金钢，在热处理加热时容易出现过热现象；而含有缩小奥氏体相区元素的钢，其淬火温度就相应地提高了。由于S点的左移，使共析成分降低，与同样含碳量的亚共析钢相比，组织中的珠光体数量增加，而使钢得到强化。由于E点的左移，又会使发生共晶转变的含碳量降低，在C%较低时，使钢具有莱氏体组织。如在高速钢中，虽然含碳量只有0.7%~0.8%,但是由于E点的左移,在铸态下会得到莱氏体组织,成为莱氏体钢。三、合金元素对热处理的影响热处理有三个过程：加热、保温和冷却；合金元素对热处理的影响就是对上述三个过程的影响；

1．合金元素对加热转变的影响

对奥氏体形成速度的影响

1.大多数合金元素会迟缓奥氏体化过程，而Co、Ni等部分非碳化物使奥氏体的形成速度加快。

2、Al、Si、Mn等对奥氏体形成速度影响不大。

对奥氏体晶粒大小的影响

1.强碳化物形成元素Mo、W、V、Ti等抑制奥氏体晶粒长大；其中以钛的作用最强。

2.非碳化物形成元素Si、Co、Ni等阻止奥氏体晶粒长大的作用减弱。

3.Mn、P具有促进奥氏体晶粒长大的倾向。2．合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响

除Co外,几乎所有合金元素都增大过冷奥氏体的稳定性,推迟珠光体类型组织的转变,使C曲线右移,即提高钢的淬透性。常用提高淬透性的元素有：Mo、Mn、Cr、Ni、Si、B等。进入下一节必须指出,加入的合金元素,只有完全溶于奥氏体时,才能提高淬透性。如果未完全溶解,则碳化物会成为珠光体的核心,反而降低钢的淬透性。另外,两种或多种合金元素的同时加入(如,铬锰钢、铬镍钢等),比单个元素对淬透性的影响要强得多。除Co、Al外,多数合金元素都使Ms和Mf点下降。其作用大小的次序是：Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。其中Mn的作用最强,Si实际上无影响。Ms和Mf点的下降,使淬火后钢中残余奥氏体量增多。残余奥氏体量过多时,可进行冷处理(冷至Mf点以下),以使其转变为马氏体;或进行多次回火,这时残余奥氏体因析出合金碳化物会使Ms、Mf点上升,并在冷却过程中转变为马氏体或贝氏体(即发生所谓二次淬火)。3.合金元素对回火转变的影响

提高钢的回火稳定性

1.合金元素在回火过程中推迟了马氏体的分解和残余奥氏体的转变，提高了铁素体的再结晶温度，使碳化物难以聚集长大而保持较大的弥散度，从而提高了钢对回火软化的抗力，即提高了钢的回火稳定性。

2.Si可提高钢的低温回火稳定性，使相同回火温度下的合金钢的硬度高于碳钢。由于合金钢的回火稳定性比非合金钢高，在相同的回火温度下，合金钢的强度、硬度高于非合金钢。若要求得到同样的回火硬度时，则合金钢的回火温度就比同样碳质量分数的非合金钢高，回火的时间也长，内应力消除得好，钢的塑性和韧度指标就高。产生二次硬化

一些Mo、W、V含量较高的高合金钢回火时,硬度不是随回火温度升高而单调降低,而是到某一温度(约400℃)后反而开始增大,并在另一更高温度(一般为550℃左右)达到峰值。二次硬化现象与回火析出物的性质有关。当回火温度低于450℃时,钢中析出渗碳体;在450℃以上渗碳体溶解,钢中开始沉淀出弥散稳定的难熔碳化物Mo2C、W2C、VC等,使硬度重新升高,称为沉淀硬化。回火时冷却过程中残余奥氏体转变为马氏体的二次淬火所也可导致二次硬化。合金元素对第二类回火脆性的影响

Mn、Ni、Cr都会促进第二类回火脆性。细化A晶粒Ti、V、Nb、Zr、Al提高淬透性除Co以外，如Mn、Cr、W、Mo提高回火抗力Cr、W、Mo、V固溶强化Si、Mn、Cr、Mo、W第二相强化Mn、Cr、Mo、W扩大A相Ni、Mn、Co；C、Cu、N扩大F相Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al在普通碳素结构钢基础上加少量合金元素形成的钢；主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。模块三低合金钢

低碳：由于韧性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳质量分数不超过0.20%。加入以锰为主的合金元素，Mn1.8%以内。加入铌、钛或钒等辅加元素：少量的铌、钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮化物，有利于获得细小的铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性。一、低合金钢的分类

碳素构件用钢（普碳钢）低合金结构钢（普低钢）新型及微合金化低碳高强度钢输油管线根据国家标准GB/T13304.2-2008《钢分类》第二部分，低合金钢分类如下。（1）按主要质量等级分为普通质量低合金钢、优质低合金钢、特殊质量低合金钢三类。（2）按主要性能和使用特性分为一般用途的低合金高强度结构钢、桥梁用钢、船舶及海洋工程结构用钢、锅炉用钢、管线用钢、容器用钢、低合金耐候钢、低合金钢筋钢、低合金冲压钢、铁道用低合金钢、矿用低合金钢及低温用钢等。此外，在正火钢中，还有具有良好抗层状撕裂性能的Z向（沿厚度方向）钢，主要用于海上采油平台、核反应堆及潜艇等大型厚板结构。低合金钢高强度结构钢是在碳素工程结构钢的基础上，加入少量合金元素（主要是Mn、Si和微合金元素Nb、V、Ti等)而形成的钢。“低合金”和“高强度”是指相对于合金元素含量较高的合金钢和较低强度的普通碳素结构钢而言的。低合金钢高强度结构钢的名称几经变化，如低合金建筑钢、普通低合金钢、低合金钢等，至1994年叫做低合金高强度结构钢。二、低合金高强度结构钢

最新研究成果：如F晶粒尺寸细化到μ级，则F-P类低合金高强度钢的强度也可达到800MPa组织：10~25％片层状P+75~90％多边形F。P-F钢分类碳素工程结构钢（普通）低合金高强度钢微合金化低合金高强度钢1.低合金高强度结构钢的成分特点说明钢的化学成分应包括两个部分，一是碳的质量分数，二是合金化思想。低碳小于0.20％

保证钢的塑性和焊接性，以适应冷成型和焊接成型的需要。低合金小于3％主加元素为Mn，锰的作用是通过溶入铁素体，固溶强化，提高钢的强度。附加元素为Nb、V、TI等，通过细化晶粒等进一步强化钢材。2.低合金高强度结构钢的性能特点（1）强度高，一般屈服强度在350MPa以上，承载力高。相对于碳素结构钢，低合金高强度结构钢可以用于受力较大的构件，并可减轻构件。（2）塑性、韧性好，具有良好的焊接性能和冷成形性能，并且韧脆温度低，抗大气腐蚀性高。Q355ND

质量等级为D级交货状态为正火ReH≥355MPa屈服强度3.低合金高强度结构钢的牌号表示方法Q＋最小上屈服强度数值＋交货状态代号+质量等级代号交货状态为热轧时用AR表示，代号可省略。交货状态为正火或正火轧制时用N表示。交货状态为热机械轧制时用M表示。质量等级代号用B、C、D、E、F表示，字母排序越后，质量等级越高。交货代号质量等级代号Q355NDZ25

沿厚度方向的断面收缩率为25%当需方要求钢板具有厚度方向的性能时，则在上述规定的牌号后加上代表厚度方向(Z向)性能级别的符号。Q345响应一带一路，与国外接轨，与欧盟S355牌号对应Q355取代4.低合金高强度结构钢的工程应用在GB/T1591—2018中，低合金高强度结构钢分为Q355、Q390、Q420、Q460共4个主要牌号。Q355钢是我国低合金高强钢中用量最多、产量最大的钢种。使用状态的组织为细晶粒的铁素体—珠光体，强度比普通碳素结构钢Q235高约20%～30%，耐大气腐蚀性能高20%～38%，用于桥梁、车辆、压力容器等钢结构。Q355钢Q355钢Q390钢是中等级别强度钢中使用最多的钢种。钢中加入Nb、V、Ti等元素，使晶粒细化，提高强度，且韧度、焊接性及低温韧度也较好，被广泛用于制造桥梁、建筑构件和中等压力的容器。Q390钢Q390钢央视新大楼大量采用了Q390钢强度级别超过450MPa后，钢的显微组织为低碳贝氏体钢。Q460E钢含Mo、B元素，正火组织为贝氏体。通过控制碳的质量分数、微合金化和控制轧制，保证了钢的强度、低温韧性和焊接工艺性能。Q460钢Q460钢

机械制造结构用钢也称机器零件用钢，是用于制造各种机械零件的钢种。机械制造结构用钢是在优质碳素结构钢的基础上发展起来的，如各种齿轮零件、轴（杆）类零件、弹簧、轴承及高强度结构件等。广泛应用在汽车、拖拉机、机床、工程机械、电站设备、飞机及火箭等装置上。模块四机械结构用钢渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢机械结构用钢的分类其他合金结构钢按热处理强化工艺特点，整体强化态钢和表面强化态钢。拨叉变速齿轮变速箱齿轮曲轴汽车万向节连杆弹簧离合器弹簧蝶形弹簧板弹簧拉力弹簧滚珠轴承滚珠轴承调心球轴承履带铁轨分道叉破碎机颚板挖掘机斗齿一、牌号表示方法两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素符号+该元素百分含量数字+……当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量。当合金元素的平均含量为1.50%~2.49%、2.50%~3.49%、3.50%~4.49%、4.50%~5.49%、……时，在相应的合金元素符号后标2、3、4、5……等数字。如20CrNi3。高级优质钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。特级优质钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。

所有合金钢的合金元素量标法相同20Mn2Ti

A等级:高级优质含钛量WTi＜1.5%含锰量WMn

2%含碳量WC

0.20%专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明。如:滚珠轴承钢，在钢号前标以“G”。

GCr15表示碳质量分数约1.0%、铬质量分数约1.5%(这是一个特例,铬质量分数以千分之一为单位的数字表示)的滚珠轴承钢。

Y40Mn,表示碳质量分数为0.4%、锰质量分数少于1.5%的易切削钢等等。

二、合金渗碳钢性能要求成分特点常用钢号热处理及组织渗碳件高精密独立导柱1.成分特点

低碳：碳质量分数一般为0.10%～0.25%，使零件心部有足够的塑性和韧性。

加入提高淬透性的合金元素：常加入Cr、Ni、Mn、B等。

加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素：主要加入少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。

Wc≤0.25

%Wc=0.15～0.25%合金元素:Cr、Mn、Ni、B、V、W、Mo、Ti等。表层:M回+Fe3C+A残心部:F+P表层:M回+Cm+A残心部:低碳M回

+F碳素渗碳钢合金渗碳钢化学成分热处理后的组织

2.常用钢种

20Cr低淬透性合金渗碳钢。淬透性较低，心部强度较低。

20CrMnTi中淬透性合金渗碳钢。淬透性较高、过热敏感性较小，渗碳过渡层比较均匀，具有良好的机械性能和工艺性能。

18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A高淬透性合金渗碳钢。含有较多的Cr、Ni等元素，淬透性很高，且具有很好的韧性和低温冲击韧性。

低淬透性合金渗碳钢含合金元素总量＜3%，如15Cr、20Cr、20Mn2。用于力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴。活塞销(20Cr)中淬透性合金渗碳钢含合金元素总量在4%左右。如20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。高淬透性合金渗碳钢含合金元素总量在4%～6%。如18Cr2NiWA、

20Cr2Ni4A等。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。柴油机曲轴

20CrMnTi钢制造齿轮的热处理工艺曲线

三、合金调质钢性能要求成分特点常用钢号热处理及组织

调质件大多承受多种工作载荷，受力情况比较复杂，要求高的综合机械性能，即具有高的强度和良好的塑性、韧性。合金调质钢还要求有很好的淬透性。但不同零件受力情况不同，对淬透性的要求不一样。

合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。

1.成分特点

中碳：碳质量分数一般在0.25%～0.50%之间，以0.4%居多；

加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等：这些合金元素除了提高淬透性外，还能形成合金铁素体，提高钢的强度。如调质处理后的40Cr钢的性能比45钢的性能高很多；加入防止第二类回火脆性的元素：含Ni、Cr、Mn的合金调质钢，高温回火慢冷时易产生第二类回火脆性。在钢中加入Mo、W可以防止第二类回火脆性，其适宜含量：Mo的质量分数为0.15%～0.30%，或W的质量分数为0.8%～1.2%。

合金调质钢的最终热处理是淬火加高温回火。合金调质钢淬透性较高，一般都用油淬，淬透性特别大时甚至可以空冷，这能减少热处理缺陷。

合金调质钢的最终性能决定于回火温度。一般采用500℃～650℃回火。通过选择回火温度，可以获得所要求的性能。为防止第二类回火脆性，回火后快冷（水冷或油冷），有利于韧性的提高。2.热处理特点

合金调质钢常规热处理后的组织是回火索氏体。对于表面要求耐磨的零件（如齿轮、主轴），再进行感应加热表面淬火及低温回火，表面组织为回火马氏体。表面硬度可达55HRC～58HRC。合金调质钢淬透调质后的屈服强度约为800MPa,冲击韧性在800kJ/m2心部硬度可达22HRC～25HRC。若截面尺寸大而未淬透时，性能显著降低。3.常用的调质钢

在机械制造工业中，调质钢是按淬透性高低来分级的。DC为油淬临界直径

低淬透性合金钢:DC<30~40mm,有40Cr、40Mn2、42SiMn、42Mn2V等

中淬透性合金钢:DC:40~60mm,有35CrMo、40CrNi、42CrMo、40CrMn、30CrMnSi等高淬透性合金钢:DC≥60~100mm,有37CrNi3、40CrNiMo、40CrMnMo等

分析比较：40Cr→40CrNi→40CrNiMo淬透性回脆性回稳性塑韧性

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNiMo>40CrNi>40Cr

40CrNi>40Cr>40CrNiMo

四、合金弹簧钢性能要求成分特点常用钢号热处理及组织

合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。弹簧拉力弹簧离合器弹簧蝶形弹簧

1.性能要求高的弹性极限，尤其是高的屈强比以保证弹簧有足够高的弹性变形能力和较大的承载能力。高的疲劳强度，以防止在震动和交变应力作用下产生疲劳断裂。足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆断。

此外，弹簧钢还要求有较好的淬透性，不易脱碳和过热，容易绕卷成形等。一些特殊弹簧钢还要求耐热性、耐蚀性等。2.成分特点

中、高碳高的屈强比要求弹簧钢的碳含量比调质钢高，碳的质量分数一般为0.50%～0.70%。碳含量过高时，塑性、韧性降低，疲劳抗力也下降。

加入以Si、Mn为主的提高淬透性的元素，Si和Mn同时也提高了屈强比。重要用途的弹簧钢还必须加入Cr、V、W等元素。基本工艺方式热成形弹簧冷成形弹簧大型弹簧

热成形后+淬火、回火小型弹簧冷变形或热处理强化+冷成形+低温退火3.弹簧的成形方式大型热卷弹簧热处理工艺淬火和中温回火回火托氏体具有一定的冲击韧度，较高的弹性极限、屈强比和最高的疲劳强度关键问题:弹性参数和韧性参数之间的平衡或最佳配合。4.弹簧钢的热处理冷成型弹簧（强化后成型）：小型弹簧，先最终热处理+成型+低温退火（200-400℃）（冷拔弹簧钢丝）热成形弹簧：用热轧钢丝或钢板制成，然后淬火+中温（450℃～550℃）回火，获得回火托氏体组织，具有很高的屈服强度和弹性极限，并有一定的塑性和韧性，一般用来制作为较大型的弹簧。

5.常用弹簧钢

1.碳素弹簧钢代表钢种：65钢特点：淬透性差，适用制作小截面弹簧，冷成形制造。

2.合金弹簧钢代表钢种：65Mn，60Si2Mn，50CrVA，60CrMnBA

特点：较好的强度、硬度、淬透性，制造较尺寸的弹簧。

60Si2Mn:①Si、Mn复合,强化F,→↑σe，σs/σb可达到0.8~0.9；

②

Si

/Mn

↑淬透性，Ms不过分↓,开裂倾向小;

③

Si有效↑回稳性,但↑脱C倾向;

④

Si、Mn复合，脱碳和过热敏感性较硅钢、锰钢为小.主要用于汽车、拖拉机和机车上的板簧和螺旋弹簧等。常用硅锰板簧钢有65Mn，60Si2Mn等。常用螺旋弹簧钢有50CrVA等。

50CrVA:①Cr、V均↑回稳性,韧性好；

②

V细化晶粒,↓过热敏感性;

③

含Si少,脱C敏感性↓,热处理不易脱C;

常用于受应力高的螺旋弹簧及<300℃工作的阀门弹簧.

五、滚动轴承钢(bearingsteel)性能要求成分特点常用钢号热处理及组织

1.性能要求高的硬度强度和耐磨性;高的接触疲劳强度;足够的韧性和耐蚀性;高的纯净度;

2.成分特点1.Wc=0.9～1.1%，以保证其高硬度、高耐磨性和高强度；2.主加Cr,铬提高淬透性；形成合金渗碳体(Fe,Cr)3C呈细密、均匀分布，提高钢的耐磨性,特别是疲劳强度。适宜的铬质量分数为0.40%～1.65%。3.加入硅、锰、钒等Si、Mn进一步提高淬透性，便于制造大型轴承。V部分溶于奥氏体中，部分形成碳化物VC，提高钢的耐磨性并防止过热。4.高的冶金质量轴承钢中非金属夹杂和碳化物的不均匀性对钢的性能尤其是接触疲劳强度影响很大。因此，轴承钢一般采用电炉冶炼和真空去气处理。

3.常用的滚动轴承钢GCr15

含Cr量WCr≈1.5%

滚动轴承钢

4.热处理特点球化退火+淬火+低温回火极细回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体

工艺特点是简单而要求高。热处理特点

球化退火→为最终淬火作组织准备淬回火工艺参数对疲劳寿命有很大影响一般采用保护气氛加热或真空加热160℃保温3h或更长回火，硬度62~66HRC如要求消除AR→淬火后立即冷处理,而后立即低温回火。GCr15轴承钢的典型成形与热处理工艺为：球化退火机加工（840

C左右）加热淬火立即低温回火（150~160

C/2~3h）磨削加工附加低温回火

GCr15正常的淬火、回火组织：

80%左右的回火马氏体（隐晶马氏体）+5%~10%颗粒状碳化物+5%~10%残余奥氏体

黑区为:回火隐针马氏体亮区为:回火细小的针状马氏体＋少量残余奥氏体白色小颗粒为碳化物。GCr15850℃淬火，160℃回火

模块五合金工具钢

模具刃具量具合金工具钢碳素工具钢高速工具钢国家标准GB/T221—2008含碳量+合金元素符号+该元素百分含量当含碳量小于1.00%时，含碳量用一位数字标明，这一位数字表示平均含碳量的千分之几，如8MnSi.当含碳量大于1.00%时，不标含碳量。一、合金工具钢的牌号表示方法

5CrNi

MoWMo≤1.5%WNi≤1.5%WCr≤1.5%

含碳量WC0.5%

Cr12MoVWV≤1.5%含钼量WMo≤1.5%含铬量WCr=12%

含碳量WC>1.0%高速钢不标含碳量，如W6Mo5Cr4V2(含0.85%C).但当合金成分相同，仅碳质量分数不同时，对碳质量分数较高者牌号前冠以“C”字。如牌号W6Mo5Cr4V2和CW6Mo5Cr4V2，前者碳的质量分数为0.80%～0.90%，后者为0.95%～1.05%。含铬量小于1%时，在含铬量(以千分之一为单位)前加数字“0”，如Cr06。导入

T7～T13做低速切削的刃具和简单的冷冲模。淬透性低，断面尺寸小于15mm的、最高工作温度200℃以下的工具。

T7有较好塑韧性，宜做受冲击的刃具，如凿子等；

T8易过热，制造形状简单的木工工具等；

T10、T12耐磨性较好，强度高，但韧度低，制造不受冲击或冲击较小形状简单的工具，如车刀、铣刀等淬火冷却方式常用水-油双液淬火、分级淬火.

成本低、工艺性能好、用量大。碳素工具钢为了克服碳素工具钢淬透性差，淬火易变形和开裂及热硬性差等缺点，在碳素工具钢的基础上加入少量的合金元素，总量一般不超过3%～5%，就形成了低合金刃具钢。

最高工作温度300℃以下的工具二、低合金刃具钢

1.性能要求：高硬度（≥60HRC）高耐磨性；有的高热硬性；

含义:高温下保持高硬度的能力；表征：60HRC的温度或560℃下硬度。有较高的淬透性和较小的淬火变形倾向。碳质量分数含碳量一般为0.75%～1.50%，高的含碳量可保证钢在淬火后马氏体的高硬度及形成足够的合金碳化物，提高耐磨性。合金化

Cr、Si、W、Mo、Mn、V等元素，↑耐磨性和回稳性，↑淬透性→采用缓冷方式，↓变形开裂。2.化学成分

Cr:1%左右，细化K，均匀分布；

Mn:主要↑淬透性;Si:↑低温回稳性，Si强化F,↓切削加工性,↑脱碳敏感性，不单独加入；?W:0.5%~1.5%，W含量太多→K类型转变，且使K分布不均匀，恶化性能。

V:↓过热敏感性,细化晶粒,↑回稳性合金元素具体作用淬火工艺T淬为Ac1+30~50℃油冷，熔盐分级淬火，等温淬火(B等温淬火或M等温淬火)

一般组织含碳量0.5％~0.6％的M+未溶粒状K3.低合金刃具钢的热处理球化退火淬火+低温回火

4.常用的低合金刃具钢9SiCr：

①Si/Cr↑淬透性，D油<40mm；②Si/Cr↑回稳性，~250℃回火，>60HRC；③K细小、均匀→不容易崩刃；④分级淬火或等温淬火处理，变形较小；⑤Si使钢的脱碳倾向较大。

适于制作形状较复杂、变形要求小工件，特别是薄刃工具，如丝锥、扳牙、铰刀等。9SiCr钢板牙球化退火工艺曲线9SiCr钢板牙淬火-回火工艺曲线板牙三、高速钢(high–speedsteel)在600℃时仍保持高的硬度，可达60HRC以上，故可在较高温度条件下保持高速切削能力和高耐磨性；同时具有足够高的强度，并兼有适当的塑性和韧度。高速钢---锋钢、风钢。车刀铣刀钻头

W18Cr4V热硬性好，在600℃仍保持650HV(56HRC)的高硬度。

T12、9SiCr、W18Cr4V的硬度与温度的关系

W18Cr4V的热硬性1.高速钢的分类按用途不同高速钢可分为通用型和特殊用途型两种。通用型主要包括钨系和钨相系高速钢。钨系高速钢的典型牌号为W18Cr4V（简称18-4-1），是广泛应用的钢种。钨钼系高速钢高速钢的典型牌号为W6Mo5Cr4V2（简称6-5-4-2），应用最普遍。特殊用途高速钢也称高性能高速钢、超硬型高速钢，包括分别为高碳系高速钢、高钒系高速钢、含钴系高速钢和铝高速钢等四种。通用型高速钢：18-4-1、6-5-4-2特殊用途高速钢：高碳高钒型（C：1.2%-1.5%V：3%-5%65-67HRC，红硬性高于18-4-1W12Cr4V4Mo,W6Mo5Cr4V3）、含钴型（W7Mo4Cr4V2Co5W2Mo9Cr4VCo8）、超硬型（W6Mo5Cr4V2Co12(M44)和W6Mo5Cr4V2Al，68-70HRC）2.高速钢的化学成分C

定比碳经验规律设计→最大二次硬化效应

C%＝0.033%W+0.063%Mo+0.20%V+0.060%Cr→合金元素之间的相对控制法.必须解决成分-性能间数学模型,控制参数的数值范围。

一般高速钢含C量0.7%～1.65%。(质量分数)作用规律C↑:↑硬度，但↓熔点,易过热;↑K量,↑不均匀性;↑AR→↑回火次数;↓σ和KUWMo

钨是钢获得红硬性的主要元素。M6C型K，淬火加热（~1300℃）:约1/2溶入A→快冷M（高回火稳定性）→高温回火→回M（析出极高硬度、高弥散、与M共格的W2C）→二次硬化。（未溶的M6C细化A、↑耐磨性）W↓↓热导率→钢导热性差钼和钨相似，1％Mo可取代1.5%~2.0％WCr

Cr

加热时全溶，保证钢淬透性，4％Cr。改善抗氧化能力、切削能力。Co

Co可显著提高钢的红硬性，5%、8%和12％三个级别。但↓钢韧性、↑钢脱碳倾向。微量元素

微量氮增加硬度和热硬性，一般~0.10％。稀土可明显改善热塑性,↓硫在晶界的偏聚。V

V

显著↑红硬性、↑硬度和耐磨性，细化晶粒，↓过热敏感性。以VC存在。鱼骨状莱氏体（Ld）、黑色组织（δ共析体等）和白亮组织（M+AR）

W18Cr4V钢的铸态组织（400×）3.高速钢的铸态组织莱氏体δ共析体M+残余AW18Cr4V铸态组织420

锻造:鱼骨状碳化物不能用热处理来消除，只能依靠反复多次锻打来击碎。K不均匀性结果①各向异性；②形变时易应力集中开裂；③热处理工艺性变坏关键是必须经过正确的锻造控制终锻温度；用合适的锻压比；锻造时先轻锤快打，后重锤锻打；?

锻后要缓慢冷却；锻后进行退火。?W18Cr4V锻造组织210

4.高速钢的热处理高速钢的热处理工艺较复杂，其预备热处理为锻造后球化退火，最终热处理为1220～1280℃淬火＋三次550～570℃回火.（1）球化退火:消除应力,调整组织,降低硬度，便于机加工,为淬火作好组织准备。W18Cr4V钢的退火组织退火后组织：S+30%K，200～250HBW，易切削（2）淬火

淬火目的:获得高合金元素含量的马氏体。因此淬火温度高(>1200℃)。特点：预热，高速钢导热性差；

加热温度高：高速钢淬火温度是在不发生过热的前提下，淬火温度越高越好。预热:高速钢工具一般在高温盐浴炉中加热，速度较快，常采用一次或多次预热

为什么？

高速钢导热性差,加热温度又高,预热—

①↓淬火加热过程中的变形开裂倾向；②缩短高温保温时间，减少氧化脱碳；③准确地控制炉温稳定性。可采用一次预热和二次预热。思考题:

高速钢Ac1

在820~840℃范围，但其淬火加热温度必须在Ac1+400℃以上,

为什么？

为了在加热时获得高合金的奥氏体，淬火后获得高合金的马氏体，具有高的回火稳定性，在高温回火时析出弥散碳化物，产生二次硬化，使钢具有高的硬度和热硬性。高速钢中的合金碳化物比较稳定，必须在高温下才能使其溶入奥氏体，淬火温度一般较低合金刃具钢要高得多，必须在Ac1＋400℃，一般为1220～1280℃。淬火态加热时，K溶解顺序为：

M7C3\M23C6型在1000℃左右溶解完→

M6C型在1200℃时部分溶解→MC型比较稳定，在1200℃时开始少量溶解。过热过烧欠热

T淬过高，晶粒长大，K溶解过多，K发生角状化；奥氏体中合金度过高，冷却时易在晶界上析出网状K。

温度再高→晶界熔化→铸态组织特征，主要为鱼骨状共晶莱氏体及黑色组织。

淬火温度较低，大量K未溶,且晶粒特别细小。淬火温度：精确控制可以从金相组织上初步判断工艺因素金相组织

.正常淬火组织(400X)

欠热组织(400X)

过热组织(400X)

过烧组织(200X)淬火后组织：

M+未溶碳化物(~10%)+AR(~20%)W18Cr4V钢的淬火组织

目的：主要为减少AR。稳定组织,消除内应力。常用560℃三次回火。回火时的组织变化：①析出W、Mo、V的碳化物，产生二次硬化。②碳及合金元素含量下降，Ms点上升，回火冷却时，AR转变为M。

③每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。（3）回火在560℃回火时,产生二次硬化。高速钢硬度与回火温度关系高速钢一般需要在560℃左右三次回火淬火态

M+大约30%AR+K回火Ⅰ

M回

+M+>10%AR+K1回火Ⅱ回火Ⅲ

M回

+M+少量AR+K2

M回

+AR

（少量）+K3（K1

等以示区别）W18Cr4V钢淬火、回火后的组织

M回+颗粒状碳化物+AR（少量）

5.常用钢号及用途常用钢号为W18Cr4V(18-4-1)和W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)。用于高速切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀、钻头等。车刀铣刀高速钢铣刀钻头四、合金模具钢(alloydiesteel)根据工作条件的不同，模具钢又可分为冷作模具钢和热作模具钢两大类。使金属在冷状态下变形的冷模具钢，冷模具的工作温度小于250℃；使金属在热状态下变形的热模具钢，其模腔的表面温度高于600℃。1、冷作模具钢

金属在冷态下变形

拉延、冲压、冷鐓或冷挤成形等共同特点

工作温度不高，模具主要承受高压力或冲击力，有强烈的摩擦

主要技术要求为具有高硬度和耐磨性，有一定韧性技术要求制造冷冲模、冷镦模、冷挤压模和拉丝模等，工作温度不超过200℃～300℃。典型冲压模及产品（1）

冷作模具钢的性能要求

冷作模具工作时承受很大的压力、弯曲力、冲击载荷和摩擦。主要失效形式是磨损，也常出现崩刃、断裂和变形等失效现象。因此，冷模具钢应具有以下基本性能：

①高硬度（58～62HRC）、高耐磨性;

②足够的韧性和疲劳抗力;

③热处理变形小;④良好的工艺性能（锻、切、淬硬性、热处理变形小）。（2）成分特点①高碳碳质量分数多在1.0%以上，个别甚至达到2.0%，以保证高的硬度和高耐磨性。②加入Cr、Mo、W、V等合金元素形成难熔碳化物，提高耐磨性，尤其是Cr。典型钢种是Cr12型钢，铬的含量高达12%。铬与碳形成M7C3型碳化物，能极大提高钢的耐磨性，铬还显著提高钢的淬透性。（3）钢种及牌号T7A、T8A、T10A、T12A等用于尺寸小、形状简单、轻负荷的冷模具9Mn2V、9SiCr、CrWMn

要求不高的冷模具用低合金刃具钢制造。Cr12、Cr12Mo、Cr12MoV、Cr6WV、Cr4W2MoV大型冷模具用钢，热处理变形很小，制造重载和形状复杂的模具。冷挤压模工作时受力很大，条件苛刻，选用基体钢（成分与高速钢基体相同）或马氏体时效钢制造。高铬和中铬模具钢

1）高碳高铬模具钢主要有Cr12、Cr12MoV钢。

Cr12MoV钢具有高淬透性，截面200~300mm以下可以完全淬透。

Cr12MoV钢主要制造大尺寸、形状复杂、承受载荷较大的模具，曾经有“冷作模具王牌”之称。一次硬化法

低淬和低回→晶粒细小，强韧性好。980~1030℃淬火×150~170℃回火，硬度为61~63HRC，残奥量少。12％左右未溶（Cr，Fe）7C3碳化物。一次硬化法使用较普遍二次硬化法

1050~l100℃×500℃左右多次回火，硬度回升到60~62HRC。热硬性较好，强韧性较低。二次硬化法适合于工作温度比较高（400~500℃）且受载荷不大或淬火后表面需要氧化处理的模具。

用于制造热锻模、热压模、热挤压模和压铸模等，工作时型腔表面温度可达600℃以上。2、热作模具钢

使热或液态金属获得所需形状

模具是在反复受热和冷却条件下工作.模具受热时间越长，受热程度就越严重.

许多模具还受到较大冲击力。工作条件苛刻模具钢应具有高抗热塑性变形能力、高韧性、高抗热疲劳、良好的抗热烧蚀性服役条件技术要求（1）热作模具钢的性能要求（2）成分特点①中碳：0.3%～0.6%，以保证高强度、高韧性、较高的硬度（35HRC～52HRC）和较高的热疲劳抗力。②加入较多的提高淬透性的元素Cr、Ni、Mn、Si等。Cr是提高淬透性的主要元素，同时和Ni一起提高钢的回火稳定性。Ni在强化铁素体的同时还增加钢的韧性，并与Cr、Mo一起提高钢的淬透性和耐热疲劳性能。③加入产生二次硬化的Mo、W、V等元素，Mo还能防止第二类回火脆性，提高高温强度和回火稳定性。5Cr06NiMo——适合形状复杂，冲击负荷重，要求强度和韧性较高的大型模具。5Cr08MnMo——与5CrNiMo相比，韧性和淬透性、疲劳性能稍差，但成本低，适用于中小型锤锻模。

使用最广泛的是5Cr06NiMo和5Cr08MnMo钢。

模块六特殊性能钢不锈钢(stainlesssteel)耐热钢(heat–resistantsteel)耐磨钢(wear–resistantsteel)

一、不锈钢不锈钢在石油、化工、原子能、宇航、海洋开发、国防工业和一些尖端科学技术及日常生活中都得到广泛应用，例如化工装置中的各种管道、阀门和泵，热裂设备零件，医疗手术器械，防锈刃具和量具，等等。不锈钢——在空气和弱腐蚀介质中抵抗腐蚀的钢耐酸钢——在酸、盐溶液等强腐蚀介质中抵抗腐蚀的钢由于两者在化学成分上的差异，前者不一定耐化学介质腐蚀，而后者则一般均具有不锈性。统称不锈耐酸钢，简称不锈钢。性能要求（1）不锈钢具有较高的耐蚀性（2）不锈钢应具有一定的力学性能。很多构件是在腐蚀介质下承受一定的载荷（3）不锈钢应有良好的工艺性能。管材、板材、型材等要经过加工变形制成构件，如容器、管道、锅炉等。因此不锈钢的工艺性也很重要，主要有焊接性、冷变形性等。

不锈钢的性能要求合金元素

不锈钢中常见的合金元素：C、Cr、Ni、Mn、Si、N、Nb、Ti、Mo奥氏体形成元素：Ni、Mn、Co；C、N、Cu等铁素体形成元素：Cr、Si、Ti、Nb、Al、Mo等提高钢耐腐蚀性能的途径主要有：

（1）形成稳定保护膜，→