合金钢与铸铁材料介绍.ppt

1、第六章 合金钢,重要的金属材料: 碳素钢:价格低、易加工、可热处理、可塑变。 合金钢：为了改善钢的性能，在碳钢的基础上特意地加入一种或几种合金元素所形成的钢。它具有较好机械性能（如强度、塑性、淬透性、冲击韧性等）和特殊性能（耐磨性、耐腐蚀性、耐高温性、电磁性等），但价格高。,一、合金元素的存在形式 非碳化物形成元素: 不能和碳化合的元素称为非碳化物形成元素， 如Ni、Si、Co、Al、Cu等，它们只能溶于铁素体形成合金铁素体。 2. 碳化物形成元素（次d电子层不满） 凡能与碳化合的元素叫做碳化物形成元素. 按照碳化物形成元素所形成的碳化物的稳定程度由强弱的排列顺序为：Ti、Zr、Nb、V、W、

2、Mo、Cr、Mn、Fe； 强碳化物形成元素：Ti、Zr、Nb、V 中强碳化物形成元素：W、Mo、Cr 弱碳化物形成元素：Mn、Fe；,碳化物形成元素在周期表中都是 位于铁元素的左边的过渡族金属元素, 它们都有一个未填满的d电子亚层,当 形成碳化物时,碳原子首先将其价电子 填入金属原子未填满的d电子亚层,使 形成的碳化物具有金属键结合的性质, 金属原子的d电子亚层愈不满(周期表 中,在铁左边离铁愈远),则其与碳的亲 和力愈强,形成碳化物的能力愈大,愈 稳定,而且不易分解。,二、合金元素的主要作用 （一）合金元素对钢中基本相的影响 溶于碳钢中原有的相中；形成新类型的特殊碳化物 1.溶于基体中形成合

3、金 F 或合金 渗碳体 。 2.与碳作用形成合金碳化物。 3.单独形成特殊碳化物 。 非碳化物形成元素几乎都溶解在铁素体中 合金铁素体。 碳化物形成元素中： 与碳亲和力较弱的元素可部分溶于渗碳体中 合金渗碳体，大部分仍溶于铁素体中。与碳亲和力较强的一些元素含量小时， 合金渗碳体，如: (Fe、Cr)3C、(Fe、Mo)3C、 (Fe、W)3C 含量多时， 新的特殊的合金碳化物； Cr7C3、MoC、WC、 与碳亲和力很强的元素 特殊的碳化物如NbC、TiC、ZrC等，,合金元素溶入铁素体 以固溶体的溶质形式存在： 主要是非碳化物形成元素Si、Co、Al、Cu等以此种形式存在； 产生固溶强化作用

4、； 如图所示； Ni、Cr特殊， 含量少时，铁素体韧性升高； 含量多时，铁素体韧性下降,合金元素溶入渗碳体中 置换Fe3C中的Fe原子 合金渗碳体；(Cr、W、Mo、V、Nb);硬度增，提高耐磨性，加热时难溶于奥氏体 单独形成特殊碳化物 合金元素与碳化合 特殊碳化物，结构简单、熔点高、硬度高、稳定性高，当以细小的质点分布在固溶体基体上时，可以起到弥散强化作用。 NbC、TiC、VC,（二）合金元素对Fe-C相图的影响,扩大或缩小A区 改变共晶点和共析点的参数 1. 奥氏体相区的变化 扩大或缩小A区 如，室温下，1Cr18Ni 9 为单相A，1Cr17Ti 为单相F 使共析转变点S左移 钢中P%

5、，强度增加 。 使共晶转变点E 左移 钢中出现Le Mn、 Ni、 Co、C、N、Cu均使S、E点向下、向左移、A3、A1 （点）线向下移，A4点上升，故可扩大奥氏体相区；如P125图7-4所示； Cr、 Mo、 W、V、Ti、Si使S、E点向上、向左移，A3、A1点 （线）上升，A4点下降，故可缩小奥氏体相区；如P125图7-4所示；,3.2总结：,当含Mn、Ni较高的钢，因扩大奥氏体相区有可能将A3降至室温以下，此时钢在室温下保持奥氏体组织，叫做奥氏体钢； 例如：Mn13(耐磨钢)、1Cr18Ni9（不锈钢）；如P122图7-1； 当含Cr较高的钢，因缩小奥氏体相区有可能在室温下只有铁素体

6、存在而成为铁素体钢； 例如：Cr17（铁素体型不锈钢）；如P122图7-2； 由于所有的合金元素均使S点左移，这就意味着钢中的含碳量不足0.77%时，钢就变为过共析钢而析出Fe3C； 例如：4Cr13（马氏体型不锈钢）就是过共析钢；,合金元素的存在将改变钢的共析温度，扩大奥氏体相区的合金元素将使A1下降，缩小奥氏体相区的合金元素将使A1上升；如图7-5所示； 大多数合金元素均使E点左移，这就意味着当钢中的含碳量小于2.11%时就会出现共晶莱氏体； 例如：W18Cr4V的铸态组织中已出现了莱氏体；,合金元素对 S 点成分的影响,（三）合金元素对热处理过程的影响,合金元素对加热时奥氏体形成过程的影

7、响 大多数合金元素（除少数Ni、Co，主要是碳化物形成元素）会减慢奥氏体的形成过程。 所有合金元素（除Mn、P、C、N外）均阻碍奥氏体晶粒的长大，获得晶粒细小的奥氏体组织，但作用的强弱不同，强碳化物形成元素的作用大。 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)。 因此，一般合金钢的热处理加热温度较碳钢的高，但晶粒细小，尤其是存在强碳化物形成元素的合金钢。,2. 合金元素对过冷奥氏体转变过程的影响：,除Co以外，大多数合金元素的加入（溶入奥氏体中）均使C曲线右移，提高过冷奥氏体的稳定性，

8、Vk从而提高了钢的淬透性； 一些碳化物形成元素还使C曲线的形状发生改变，如图7-6所示； 除Co，Al外，所有的合金元素都使 Ms、Mf 点下降，淬火后残余A量, 硬度 提高钢的淬透性。最常采用的是：Cr，Mn，Si，Ni，B,合金元素对珠光体转变的影响 除了Co、Al外均推迟奥氏体向珠光体的转变。 合金元素溶入奥氏体中，就或多或少地推迟珠光体转变，提高淬透性。多种元素的共同作用比单一元素的作用大的多。 合金元素对马氏体转变的影响 除Co、Al以外，溶入奥氏体中的合金元素均使Ms点下降，碳的作用最大，其次是Mn、Cr、Ni、Mo、W、Si。多种元素共存时，作用更大。,3、合金元素对回火转变的影

9、响：,1. 提高钢的回火稳定性： 回火稳定性：表示钢对于回火时发生软化过程的抵抗能力； M 分解、碳化物长大、残余A转变、F再结晶被推迟到较高的温度才发生。 回火温度相同时，合金钢中析出的碳化物更细小，其强度更高。 合金钢在相同的回火温度下比含碳量相同的碳钢具有更高硬度， 回火稳定性越高的钢，在较高温度下的强度或硬度也越高如图7-7所示； 在达到相同强度条件下，回火稳定性高的钢，可在更高温度下回火。-合金钢综合力学性能比碳钢好。 提高钢的回火稳定性作用较强的合金元素有：V，Si，Mo，W，Cr，Ni，Mn,Co,（2）二次硬化和二次淬火 当钢中含Cr、W、Mo、V、Ti等超过一定量时，回火后的

10、硬度随回火温度的升高不是单调的降低，而是在某一温度范围回火后硬度反而增加，并在一定温度（500600）达到峰值。如图7-7C)所示； 二次硬化：在一定回火温度下硬度出现峰值的现象。 回火温度较高时析出细小、高硬度的合金碳化物，如Mo2C，使硬度反而提高。（韧性也大大 ） 二次淬火 500600回火时析出合金碳化物残余A中Me% Ms、Mf ，随后冷却时残余A M硬度升高 二次淬火：在高合金钢中回火冷却时残余奥氏体转变为马氏体，而导致硬度升高的现象。,（3）对回火脆性的影响： 回火脆性：淬火钢在回火时的冲击韧性并不是随回火温度的升高单调的增大，有些钢在一定温度范围内回火时，其冲击韧性显著下降，这

11、种现象叫做钢的回火脆性；如图7-8所示； 第一类回火脆性：钢在250400 温度范围内出现的回火脆性叫做第一类回火脆性，也叫低温回火脆性； 第一类回火脆性产生的原因与防止方法:避免在此温度范围内回火，或加入一些合金元素，如：；,第二类回火脆性：钢在500650 范围内回火时出现的回火脆性叫做第二类回火脆性，也叫高温回火脆性； 第二类回火脆性产生的原因与防止方法： 防止方法： 回火后快冷可避免，重新加热后快冷可消除之，故此类回脆又叫做可逆回火脆性； 加入适量的W、Mo；（当钢中含有Cr、Ni、Mn、Si、P等元素时，高温回火的脆性增大，在含有Cr时，还有Ni和Mn则回火脆性更大）。,三、合金钢的

12、分类与编号,1、钢的分类 按用途分类 （1）合金结构钢：低合金结构钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、易切削钢等； （2）合金工具钢： 刃具钢、模具钢、量具钢。 （3）特殊钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。,2.合金钢的编号： 合金钢编号的一般形式： 字母+数字+化学元素符号+数字+字母 G-滚 Y-易 含碳量 合金结构钢 两位数字（含碳量万分之几） 例如：20MnVBA、36Mn2Si、40CrNiMo等。 滚动轴承钢 滚或G+Cr+数字（Cr含量的千分之几）,例如：GCr15 合金工具钢 一位数字 含碳量1.0%时不标，1.0%时用千分之几表示,例如CrMn、9Mn2V等。高速钢中不标含

13、碳量，如W18Cr4v，W6Mo5Cr4V2等。主要合金元素种类和名义百分含量1.5%略 1.52.5%标2 2.53.5%标3 钢的冶金质量A-高级优质钢 E-特级优质钢,合金钢的分类（按用途分类） 合金结构钢 低合金结构钢、渗C钢 、调质钢 、弹簧钢 、轴承钢等。 合金工具钢 刃具 、模具、量具钢。 特殊性能钢 不锈钢、耐热钢、耐磨钢。 合金钢的编号 结构钢 如 60Si2Mn ，w(C)=0.6% ， w(Si)=2% ，w(Mn)1.5% 工具钢、特殊性能钢 如 9SiCr ，w(C)=0.9% ，w(Si)、w(Cr) 均1.5% 而 CrWMn 中，w(C)1.0% 专用钢 如，滚

14、动轴承钢 GCr15， w(C)=1.0% ， w(Cr)=1.5% 高级优质钢 如，20Cr2Ni4A,合金钢的编号： 合金结构钢 数字（含碳量万分之几）+元素（化学元素符号）+数字（合金元素的百分之几）。 例如：20MnVBA、36Mn2Si、40CrNiMo等。 滚动轴承钢 滚或G+Cr+数字（Cr含量的千分之几）,例如：GCr15 合金工具钢 含碳量+元素+数字，含碳量1.0%时不标，1.0%时用千分之几表示,例如CrMn、9Mn2V等。高速钢中不标含碳量，如W18Cr4v，W6Mo5Cr4V2等。,特殊性能钢： 不锈钢与耐热钢 数字+元素+数字 第一个数字表示含碳量的千分之几, 第二

15、个数字表示合金元素的百分之几。起重要作用的微量元素也要标出。 例如：9Cr18，00Cr18Ni10（ 平均含碳量 0.03%)，0Cr18(平均含碳量 0.08%) 等。,特殊性能钢： 不锈钢与耐热钢 数字+元素+数字 第一个数字表示含碳量的千分之几, 第二个数字表示合金元素的百分之几。起重要作用的微量元素也要标出。 例如：9Cr18，00Cr18Ni10（ 平均含碳量 0.03%)，0Cr18(平均含碳量 0.08%) 等。,第二节合金结构钢,合金结构钢：在工业上凡是用于制造各种机器零件和用于建筑工程结构的钢叫做合金结构钢； 1、低合金结构钢： (一）性能：高强度，显著高于相同含碳量的普通

16、碳钢，故又称为低合金高强钢（可以显著的降低构件的重量，节约钢材）， 高的塑性、韧性 良好的焊接性与冷成型性能、 良好的耐蚀性， 故具有良好的综合机械性能，特别是具有较高的屈服极限；,学习思路：用途 工作条件 性能要求 成分特点 热处理特点 典型钢种应用,2. 合金元素,含合金量小于3%，主加Mn，1.8%以内(Cr、Ni)固溶强化 辅加Ti、V、Nb、Mo、B 细化晶粒，弥散强化， 强化铁素体，细化铁素体晶粒，使强度、韧性改善;细化珠光体晶粒，同时在钢中形成微细的碳化物，起到弥散强化的作用，从而提高钢的强度及韧性； 少量Cu、P等； Cu、P：提高钢对大气的抗蚀能力；,（二）成分及作用 1.碳

17、含量：含碳量一般小于0.2%，保证好的韧性、焊接性和冷成形性，,1低合金结构钢,2.牌号: Q 345,（三）常用低合金结构钢及其组织形态通常在热轧状态或退火、正火状态下使用组织：铁素体+珠光体不需最终热处理,Q460钢含Mo、B，强度高，用于石化中温 高压容器。,压力容器,南京长江大桥,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。,应用：工程结构 桥梁，船舶，车辆外壳、支架、压力容器,高压容器,船舶,车辆,桥梁,二、渗碳钢 用途：受冲击和强烈磨损、摩擦的零件（各类齿轮、凸轮） （一） 性能要求 表硬心韧

18、性能 心部韧性高、强度大。 渗层硬度高，耐磨，抗接触疲劳； 合金渗碳钢应具有良好的工艺性能，特别是热处理工艺性能，在渗碳温度（900950）下，奥氏体晶粒不易明显 长大，并且有良好的淬透性。,成分 低碳钢 0.10.25%C, 韧性好。 合金元素-提高淬透性、耐磨性, 细化晶粒。 主加元素：Cr,Ni,Mn,B 淬透性（心部得M板条） 辅加元素：W,Mo,V,Ti 细化晶粒（VC,TiC,耐磨性）,二、渗碳钢,热处理,渗碳后缓冷组织： 表面：过共析组织 P+Fe3C 心部：亚共析组织 F+P 渗碳 淬火 低温回火的组织： 表层回火M +碳化物+ A 心部低C的回火M（+S + F）,渗碳 淬火

19、 低温回火 渗碳（加热至900-950 ，渗碳6-8h） 淬火预冷直接淬火，一次淬火，二次淬火 低温回火180-200，保温1-2h,4.合金渗碳钢的牌号,20 Mn2 Ti A,典型合金渗碳钢种介绍,低淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量3 % 15Cr、20Cr、 15Mn2 20Mn2。 淬透性小，心部强度低，强韧性 配合差 用于受力小的耐磨件，如柴 油机的活塞销、小轴（凸轮轴）、等。 小齿轮（机床齿轮）。,中淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在4 %左右。 20 CrMnMo、20CrMnTi、 20MnVB。 淬透性和力学性能均较高 用于中等载荷 的耐磨件， 如汽车变速齿轮。,柴油机凸

20、轮轴,活塞销( 20Cr ),典型合金渗碳钢种介绍,高淬透性合金渗碳钢 钢含合金元素总量在 4 % 6 %。18Cr2Ni4W、 20Cr2Ni4A等。 淬透性大，心部强度高，强度与韧性 配合很好 用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴、连杆。 。 飞机齿轮,柴油机曲轴,20 CrMnTi 钢制造齿轮的热处理工艺曲线,用途：受冲击和强烈磨损、摩擦的零件（各类齿轮、凸轮） 性能：表面高的硬度、耐磨性 心部强而韧 成分：0.10.25%C 低碳钢 主加元素：Cr,Ni,Mn,B 淬透性（心部得M板条） 辅加元素：W,Mo,V,Ti 细化晶粒（VC,TiC,耐磨性）， 最终热处理：渗碳 + 淬火 + 低温

21、回火 组织：表层：高碳回火M + Fe3C或碳化物 + 残A 心部：淬透：低碳回火M 未淬透：F+S 常用钢号：20, 20Cr, 20CrMnTi, 18Cr2Ni4W 淬透性： 低 中 高 适用： 机床齿轮 汽车变速齿轮 飞机齿轮,渗碳钢小结,三、调质钢 经过淬火和高温回火（调质处理）处理后的结构钢叫做调质钢； （一）性能要求： 用途：受复合应力的重要结构件（齿轮、连杆、机床主轴） 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轮、柴油发动机舱轴、连杆、高强度螺栓等，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机械性能很高的强度，良好的塑性和韧性，即良好的综合

22、机械性能。,（二）成分和作用 1.碳含量：025050中碳钢 含碳量过低，不易淬硬，钢的强度较低 含碳量过高，钢的塑、韧性较差； 碳素调质钢：40、45、50； 合金调质钢：25Cr2Ni4WA、30CrMnSi,2.合金元素 主加元素： Ni、Cr、 Mn、 Si 强化铁素体基体，提高韧性淬透性， 辅加元素：W,Mo,V,Ti 细化晶粒, 回火稳定性,加入防止第二类回火脆性的元素 调质钢的回大温度正好处于第二类回火脆性温度范围内，钢中含有Mn、Cr、Ni、B元素时，会增大回火脆性的敏感性，除回火快速冷却外，可加入抑制回火脆性的元素Mo和W。 加入细化奥氏体晶粒的元素 回火索氏体中的铁素体晶粒

23、越细小，则钢的强韧性越好，为了细化铁索体晶粒，首先必须先细化奥氏体晶粒，常用的元素有W、Mo、V、Ti等。,（三）调质钢的热处理特点 预备：正火S改善组织，消除锻造应力，便于切削加工 最终：调质回火S获得良好的综合机械性能 表面要求高硬度,耐磨,-1，表面淬火+ 低温回火（回火M） 1. 预备热处理 正火或退火处理 热加工后，预备热处理可以降低硬度，便于切削加工，消除热加工时的组织缺陷（如带状组织）、细化晶粒、改善组织，为最终热处理做好准备。,最终热处理 最终热处理是淬火加高温回火。 淬火： 淬火温度：加热到850左右，AC3以上3050; 淬火介质：合金钢的淬透性比较高，可以采用较慢的冷却速

24、度淬火，一般都用油淬，以避免出现热处理缺陷； 高温回火：一般为500650。 某些零件除了要求有良好的综合机械性能外，还要求工件（局部）表面有较高的耐磨性，这时零件经调质处理后，还应对零件（局部）表面进行感应加热淬火，最后低温回火，表层硬度可达HRC5658。 调质处理后获得回火索氏体,具有良好的综合机械性能的原因，调质处理后的组织为回火索氏体，这种组织状态有以下几个特点： （1）在铁素体基体上均匀分布的粒状碳化物起弥散强化作用，溶于铁素体中的合金元素起固溶强化作用，从而保证钢有较高的屈服强度和疲劳强度。 （2）组织均匀性好，减少了裂纹在局部薄弱地区形成的可能性，可以保证有良好的塑性和韧性。

25、（3）作为基体组织的铁素体是从淬火马氏 体转变而成的，晶粒细小，使钢的冷脆倾向性大大减小。,（四）常用的调质钢 1.低淬透性调质钢 40Cr 在机械制造中应用十分广泛，淬透性小，用于要求不高的零件，40C r钢有较高的机械性能和工艺性能，应用广泛， 2.中淬透性调质钢 含有较多合金元素，因而淬透性较高，可用于制造截面尺寸较大的中型、大型零件，如大截面曲轴、拖拉机上的连杆加钼防第二类回火脆性40MnMoB 3.高淬透性调质钢 多半是Ni-Cr钢，并含钼，少数钢不含钼。用于制造大截面、重载荷的重要零件。如大型轴和齿轮等40CrNiMo,应用 40Cr，一般尺寸重要零件，如齿轮、主轴。 35CrMo

26、，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。,汽车曲轴,40Cr钢制作拖拉机连杆螺栓为例说明其热处理工艺方法的选定和工艺路线的安排 连杆螺栓是发动机中的一个重要的连接零件，在工作时，它承受冲击性的周期变化的拉应力和装配时的预应力，在发动机运转中，连杆螺栓如果破断，就会引起事故。因此，要求它应具有足够的强度、冲击韧性和抗疲劳能力。为了满足上述综合机械性能的要求，确定选用40Cr钢制作连杆螺栓。连杆螺栓生产工艺路线如下： 下料锻造退火（或正火） 机加工调质机加工装配 退火（或正火）是为了改善切削加工，并为随后调质处理做好组织准备。调质工艺如图，经840加热

27、油冷后得马氏体组织，540 回火后， 其组织为回火索氏体。,调质钢小结 1、用途：受复合应力的重要结构件（齿轮、连杆、机床主轴） 2、性能：良好的综合机械性能 3、成分：0.30.5%C 中碳钢 主加元素：Cr,Ni,Mn,Si 淬透性，强化基体 辅加元素：W,Mo,V,Ti 细化晶粒, 回火稳定性 4、热处理： 预备：正火S改善组织，消除锻造应力，便于切削加工 最终：调质回火S获得良好的综合机械性能 表面要求高硬度,耐磨,-1，表面淬火+ 低温回火（回火M） 5、常用钢号：45，40Cr，40CrMnMo,四、弹簧钢 定义：弹簧钢是指用于制造各种弹簧的钢种。 （一）弹簧钢的性能特点： 高的e

28、 、 s 、b 、-1 ，一定的塑韧性 弹簧的作用：通过弹性变形所储存的能量缓和机械所承受的震动和冲击。 （1）高的弹性极限或屈服极限和高的屈强比，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抗蚀性。,（二）弹簧钢的化学成分及作用 碳含量 中、高碳提高弹性极限和屈服极限。碳素弹簧钢的含碳量=0.600.90，合金弹簧钢0.450.70。 2.合金元素 加入Si、Mn Si

29、和Mn是常用合金元素，淬透性；强化铁素体（固溶强化）, 回火稳定性，相同回火温度下具有较高的硬度和强度，其中Si的作用最大。含硅量高时易石墨化，加热时易脱碳，Mn增大钢的过热倾向。 加入Cr、V、W 克服SiMn钢的缺点，防止过热和脱碳，提高淬透性（主要是Cr）， V、W可以细化晶粒，保证钢在高温下仍具有较高的弹性极限和屈服极限。保证e,（三）弹簧钢的热处理 弹簧的加工处理方法有两种类型：热成形弹簧和冷成形弹簧 1.热成形弹簧：尺寸大，60Si2Mn 现以汽车板簧为例，其热成形制造弹簧的工艺路线大致如下： 扁钢剪断加热压弯成形淬火+中温回火喷丸装配 组织为回火托氏体：用T表示（F+粒状碳化物）

30、 HRC4348； 淬火温度：AC3以上3050, 在淬火加热时，防止氧化和脱碳，应采用快速加热（盐炉或带有保护性气氛的炉），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400450oC。,（四）常用的弹簧钢： 如表7-6 碳素弹簧钢65钢用于制造小截面（直径1215mm）弹簧，缺点是淬透性差. 合金弹簧钢一般以SiMn钢为基本类型，65Mn钢的价格低廉，淬透性优于碳素弹簧钢，可以制造尺寸为815mm的小型弹簧，如各种小尺寸的扁簧和座垫弹簧、弹簧发条等。小尺寸的沙发弹簧 60Si2Mn钢中由于同时加入了Si和Mn，制造厚度为1012mm的板簧和直径为2530mm的螺旋

31、弹簧，油冷即可淬透，性能优于65Mn，制造汽车、拖拉机等的减震板簧和螺旋弹簧；大尺寸的汽车板簧,2.冷成型弹簧（尺寸小，65Mn）： 冷拉钢丝 冷绕成型 去应力退火（200300）,弹簧钢小结 1、用途：弹性元件 2、性能：高的e 、b 、-1 ，一定的塑韧性 3、成分： 0.450.7%C （碳钢0.60.9%C）保证e 主加元素：Mn, Si, Cr 淬透性，强化基体, 回火稳定性 辅加元素：Mo, W, V 防脱碳，细化,e ， 4、热处理： 热成型弹簧（尺寸大，60Si2Mn）： 加热成型淬火+中温回火喷丸（回火T ）3850HRc 冷成型弹簧（尺寸小，65Mn）： 冷拉钢丝 冷绕成型

32、 去内应力退火（200300） 5、常用钢号：65，65Mn， 小尺寸的沙发弹簧 60Si2Mn 大尺寸的汽车板簧,五、滚动轴承钢 用途：滚动轴承元件，冷冲模，量具 （滚珠、滚柱、轴承套） （一）滚动轴承的工作条件及对性能的要求 制造滚动轴承套圈和滚动体钢。还用于制造各类工具和耐磨零件。主要有以下几个方面： （1）很高的强度与硬度：点接触或线接触下工作，承受极大的压应力，可达1500000MNmm2。高的抗压屈服强度和硬度，一般硬度应在HRC6264之间。 （2）很高的接触疲劳强度-1 。高速运转，应力变变次数每分钟可达数万次甚至更高，易接触疲劳破坏，如产生麻点剥落等。 （3）很高的耐磨性：有

33、滚动摩擦且有滑动摩擦，因此要有很高的耐磨性。 还应有一定的韧性，抗腐蚀性、尺寸稳定性等。,（二）轴承钢的成分及作用 1. 碳含量高碳0.951.15%C 硬、耐磨 含碳量0.951.15，保证有高的硬度及耐磨性。决定钢硬度的主要是马氏体的含碳量，碳还形成一部分高硬度的碳化物，提高钢的硬度和耐磨性。 2.主加元素：Cr 淬透性，硬，耐磨 Cr为主要合金化元素，Cr提高淬透性，形成合金渗碳体，细小均匀，提高耐磨性和接触疲劳强度。提高耐蚀性。含量不能太多，如果1.65，增加残余奥氏体，降低硬度及尺寸稳定性,还增加碳化物的不均匀性，降低钢的韧性和疲劳强度。在165以下。 3.其它合金元素Si、 Mn、

34、Mo、V 制造大型轴承时，加入Si和Mn以提高钢的淬透性。,高的冶金质量 接触疲劳性能对非金属夹杂物有要求。危害最大的是氧化物，其次为硫化物和硅酸盐，必须严格控制S、P；S002，P0027。 常用的滚动轴承钢GCr9、GCr15 （三）轴承钢的热处理 预备：球化退火球状P（180270HBS），改善切削加工性 最终：淬火+低温回火回火M+细碳化物+残A 1.球化退火： 目的：降低硬度：GCr15钢的硬度降至(179207HB)，以利于切削加; 获得均匀分布的细粒状珠光体，为最终热处理作组织准备。,GCr15钢球化退火温度：780810oC，保温时间为26 h，然后以1030oCh的速度冷却至

35、600oCC出炉空冷。冷速应严格控制。 2.淬火工艺： 加热温度在Ac1Acm之间，对GCr15钢来说，淬火温度应严格控制在840士10，淬火组织为马氏体及细小均匀分布的碳化物和少量的残余奥氏体 3. 回火工艺： 回火目的：消除内应力，提高韧性，稳定组织; GCr15钢的回火温度为150160，回火时间为 23 h，回火组织力回火马氏体、均匀细小的碳化物及少量的残余奥氏体。 HRC：6266,为消除磨削应力，进一步稳定组织及尺寸，在磨削加工后再进行一次附加回火，回火温度为120150 ，回火时间为 23 h。,应用 GCr15：中小型轴承，冷冲模，量具，丝锥。,轴承钢小结 1、用途：滚动轴承元

36、件，冷冲模，量具 （滚珠、滚柱、轴承套） 2、性能：硬、耐磨， -1 ，一定的韧性 3、成分：0.951.15%C 硬、耐磨 主加元素：Cr 淬透性，硬，耐磨 4、热处理： 预备：球化退火球状P（180270HBS），改善切削加工性 最终：淬火+低温回火回火M+合金碳化物+残A 5、常用钢号：GCr15,六、易切削结构钢 牌号：Y12，Y12Pb，Y30，Y 40Mn 性能：良好的切削加工性（170240HBS，塑性低） 切削抗力小，刀具不易磨损，加工表面粗糙度低 应用： 成批、大量生产时，制作性能要求不高的紧固件和小型零件,第三节合金工具钢,用于制造各种刃具、模具、量具的钢叫做工具钢；它可分

37、为刃具钢、模具钢、量具钢； 一、刃具钢： （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，例如：车刀、刨刀、钻头等。 （）性能要求 受力情况: 刀刃承受弯曲、扭转、剪切应力和冲击、震动负荷，同时还要受到工件和切屑的强烈摩擦作用。产生大量切削热，使刃具温度升高达600左右。刃具的失效形式:卷刃、崩刃、折断和磨损.,组织: 回火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. （二）碳素刃具钢：是含碳量WC=0.651.35的高碳钢；例如：T8A、TIOA、T12A等；,高硬度 机加工刀具HRC60 高耐磨性 刀具寿命和生产率 高的热硬性（红硬性） 高温下保持高硬

38、度的能力，与回火稳定性有关。 足够的塑性与韧性 以承受冲击载荷,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 % 。,(摘自GB/T1298-1986),用途,冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。,热处理：淬火 + 低温回火 组织：回火M 粒状Fe3C + A,硬度,拟用T10制造形状简单的车刀，工艺路线为： 锻造热处理机加工热处理磨加工； 试问试写出各热处理的名称并指出各热处理工序的作用？ 制订最终热处理的工艺规范（温度、冷却介质）？ 指出最终热处理后的组织和大致硬度？ （1）工艺路线为：锻造退火机加工

39、淬火后低温回火磨加工。退火处理可细化组织，调整硬度，改善切削加工性；淬火及低温回火可获得高硬度和耐磨性以及去除内应力。 （2）最终热处理后的显微组织为回火马氏体 ，大致的硬度60HRC。 （3）T10车刀的淬火温度为780左右，冷却介质为水；回火温度为150250。,（三）低合金刃具钢 常用的有：9SiCr、9Mn2V、CrWMn；见表7-9; 定义：在碳素刃具钢的基础上加入合金元素Cr、Mn、Si、W、V等， 成分 w(C) 0.751.5%,合金元素5 % 。 性能 HRC60，使用温度200 300 。,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

40、物 + 少量A 应用 如9SiCr ，做板牙、丝锥等。,以9SiCr为例介绍低合金刃具钢： 含碳量：Wc0.850.95，保证高硬度和高耐磨性； 合金元素的作用：提高淬透性及钢的强度，提高回火稳定性，使之具有一定的红热性； 应用：板牙、丝锥 热处理工艺： 球化退火：球化温度：800810； 淬火低温回火：淬火温度：850870, 回火温度：190200;HRC60;,（四）高速钢 定义： 高速钢是由大量W、Mo、Cr、V等 元素组成的高碳、高合金钢。 它是适应高速切削的刃具钢。,0.03,主要性能特点： 1）很高的红硬性（高温下保持高硬度的能力），淬火、回火后的硬度高于63HRC，高的可达HR

41、C6870（为超硬型），一般高速钢在高速切削时，刃口温度至600左右，硬度仍保持在HRC60以上。 2）具有足够高的强度； 3）兼有适当的塑性和韧性； 4）还具有很高的淬透性，尺寸不大时可空冷淬火中、小型刃具在空气中也能淬透。 主要用途：制造尺寸大、切削速度高、负荷重、工作温度高的各种刃具，如车刀、铣刀、刨刀、拉刀、钻头等，也可制造要求一定耐磨性的冷、热模具。主要性能特点：,1.高速钢的成分特点 以W18Cr4V为例： 高碳 保证淬后得到强硬的马氏体基体以提高钢的硬度;与Cr、W、Mo、V等形成合金碳化物，增大耐磨性。Wc0.71.0； 加入Cr提高钢的淬透性 铬的碳化物在淬火加热时容易溶解，

42、铬几乎全部溶入奥氏体中，增加奥氏体的稳定性，使钢的淬透性大大提高，以致截面尺寸很大的高速钢零件，在空冷条件下都可完全淬透。,W、Mo造成二次硬化,以保证钢的热硬性 在退火状态下形成碳化物，硬度很高，在淬火加热时极难溶解。溶入奥氏体的部分在回火时W2C、Mo2C形式弥散析出，产生二次硬化效应，显著提高钢的红硬性、硬度，未溶的残余碳化物提高钢的耐磨性。 加入V 提高钢的耐磨性 V在高速钢中生成硬度极高的VC，非常稳定，很难溶入奥氏体中，大部分以残余碳化物的形式保留下来。且残余碳化物颗粒细小，分布均匀，提高钢的耐磨性。,2.热处理： 以W18Cr4V为例，制造一把盘型齿轮铣刀，应保证高硬度、高耐磨性

43、、热硬性； 锻造： 高速钢的铸态组织中含有莱氏体，如图所示： 锻造的目的：莱氏体这些粗大的组织不能用热处理的方法消除，只能通过锻造的方法将其击碎，使之分布均匀； 锻造后应缓冷（常采用在砂中冷却）；,退火： 目的：降低硬度，消除应力，以利切削加工，同时也使碳化物形成均匀分布的颗粒，改善钢淬、回火后的性能； 退火方法：等温退火T加=860880保温4h，（Ac1为820840 ）打开炉门冷至720760保温3h，出炉空冷如图所示；,W18Cr4V钢退火后硬度为207255HB，组织为索氏体上分布着细小颗粒状的碳化物。如P149图7-15所示；,（3）淬火： A）淬火加热温度：温度很高T加=1280

44、5（W18Cr4V钢AC1约为820）。 原因： 温度愈高，合金元素溶入奥氏体的数量愈多，淬火后马氏体的合金浓度愈高。而只有合金元素含量高的马氏体才具有高的红硬性。对高速钢热硬性影响最大的合金元素W、Mo、V只有在1000以上时，其在奥氏体中的溶解量才急剧增加。温度超过1300，各元素的溶解量虽有增加，但奥氏体晶粒则急剧长大，甚至发生晶界熔化。因而，致使钢的韧性大大下降。所以在不发生过热的前提下，高速钢的淬火温度愈高，其红硬性则愈好。,B)淬火组织： 马氏体（6065）+残余奥氏体（2530）+合金碳化物（约=10），如图所示。硬度为HRC6264。,回火： 回火温度：560;三次回火； 56

45、0原因： 在此温度区，一部分碳和合金元素从残余奥氏体中析出，合金元素与碳形成碳化物，起到弥散强化的作用；由于碳和合金元素的析出，使残余奥氏体的稳定性下降，在随后的冷却中可转变为M，从而使硬度增高；即二次硬化作用；,三次回火的原因： 高速钢淬火后的残余奥氏体量达25-30%，一回火后难以全部消除，经三次回火即可使残余奥氏体减至最低量（一次回火后约剩10%，二次回火约剩3-5%，三次回火约剩1%-2%）。后一次回火还可以消除前一次回火由于奥氏体转变为马氏体所产生的内应力。 回火组织为: 回火马氏体碳化物少量的残余奥氏体。 W18Cr4V的淬火回火工艺见图,热处理,（锻造 +）球化退火（+ 机加工）

46、 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中合金含量、淬后得高硬度M ，提高回火后热硬性。,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 ,退火便于机加工 回火，560 ，三次 消除大量A（二次淬火基本消除A ），后次回火消除前次回火内应力 。,应用 高速车刀、钻头、铣刀等。,二、模具钢,（一）冷模具钢 冷冲、冷镦、冷挤压模等。 性能 高硬度、耐磨性，足够韧性。 应用 小型模具 9Mn2V、9SiCr、CrWMn 等低合金刃具钢制作。 大型模具 Cr12、Cr12MoV 等，热处理变形小。

47、最终热处理 淬火 + 低温回火 最终组织 回火M + 碳化物 + 少量 A Cr12MoV冲孔落料模 含碳量1.45%-1.70%C,合金元素：11%-12.5%Cr,0.4%- 0.6%Mo,0.15-0.3%V Cr淬透性，并形成Cr7C3合金碳化物，具有极高硬度和耐磨性; Mo、V淬透性回火稳定性，细化晶粒、 强度和韧性， 锻造等温退火机加工淬火回火精磨或电火花加工成品,（）热模具钢 热锻、热挤压、压铸模等。,性能 强、硬、耐磨、韧、 耐热性、热疲劳抗力高。 含碳量0.3%-0.6%C 合金元素Cr、Mn、 Ni、Mo、W等。 淬透性回火稳定性，强化铁素体;Mo、W高温回火脆性;Cr 、

48、Mo、W 耐热疲劳性能 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,三、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：120130，保温几几十小时，使M、 A 稳定，消除内应力。 最终组织 回火M + 碳化物 + 少量A ,第五节 特殊性能钢,1、不锈钢： “不锈钢”是指能抵抗大气及弱腐蚀介质的钢；而

49、“耐酸钢”是指在各种强腐蚀介质中耐蚀的钢。没有绝对不锈、不受腐蚀的钢种。 1.1金属腐蚀的概念： 金属腐蚀的形式有两种，一种是化学腐蚀，一种是电化学腐蚀。化学腐蚀是金属直接与周围介质发生纯化学作用。例如钢在氧化性气氛中加热发生氧化反应形成氧化铁皮。电化学腐蚀是金属在酸、碱、盐等电介质溶液中由于原电池的作用而引起的腐蚀。,1.2电化学腐蚀：,例如：珠光体组织在硝酸酒精中的腐蚀； 珠光体,铁素体：电极电位较低，成为阳极，不断的被腐蚀；,渗碳体：电极电位较高，成为阴极，不易被腐蚀；,这样，原先被抛光的磨面变得凹凸不平，凸出的部分为渗碳体，凹陷的部分为铁素体，故可观察珠光体组织； 所以，电极电位较高的

50、具有较高的耐蚀性；两相组织越细，所形成的原电池就越多，耐蚀性就越差；,总结：,提高钢的耐蚀性的方法：,尽量在室温下获得相组织；,提高合金本身的电极电位，为此常加入少量地Cr、Ni等； 形成氧化膜,常用不锈钢 铬不锈钢：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。 铬镍不锈钢： A 型 如 1Cr18Ni9Ti 用于化工、食 品、医疗行业。,不锈钢的成分、热处理、性能,. 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,. 耐磨钢ZGMn13,热处理：10001100，

51、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,奥氏体型不锈钢：,是工业上应用最广泛的一类不锈钢，最常见的是含Cr量为18%，含Ni量为9%的18-8型不锈钢；最典型的是1Cr18Ni9Ti； 以1Cr18Ni9Ti为例，介绍奥氏体型不锈钢： 化学成分： 含碳量：小于0.1%，含碳量较低，若含碳量过多，在奥氏体冷却时易发生分解形成(CrFe)23C6，不能保持单相奥氏体状态； 含18%Cr：产生钝化作用，阻碍阳极反应，增加耐蚀性；,钝化：,如果基体含铬量WCr11.7%时，能在阳极区域基体表面上

52、形成一层富Cr的氧化物保护膜，这层膜会阻碍阳极区域的反应，并增加电极电位，致使基体的电化学腐蚀过程减缓，从而获得一定的耐蚀性。这种由于金属中的阳极区域的反应受到阻碍而使金属耐蚀性（抗电化学腐蚀）提高的现象叫做钝化； 含9%Ni：扩大奥氏体区，降低钢的MS点，使钢在室温下具有单相奥氏体组织； TI：为了抑制(CrFe)23C6在晶界上析出，消除钢的晶间腐蚀倾向；,问题：,Cr-Ni不锈钢在400850保温或缓冷时会发生严重的晶间腐蚀破坏。这是由于在晶界上析出了富Cr的(CrFe)23C6，而使其周围基体形成贫Cr区造成的； 解决方法： 降低含碳量，使Cr的碳化物不能析出； 加入Ti、Nb等碳化物

53、形成元素，形成稳定的碳化物（TiC、NbC），避免在晶界上沉淀析出Cr的碳化物；,热处理方法： 固溶处理：将钢加热到10501150，让所有的碳化物全部溶入A中，然后水淬快冷，在室温下得到单相的奥氏体组织，这种处理叫做固溶处理；处理后强度较低但塑性较高，并且具有耐蚀性； 稳定处理：是将含Ti、Nb的奥氏体不锈钢经固溶处理后，再经850900保温14h空冷的处理。其目的是使大部分Cr碳化物溶解，而使TiC、NbC部分保留，不会在晶间沉淀出Cr23C6 。达到防止晶间腐蚀的效果。,去应力处理：是消除钢在冷加工或焊接后的残余内应力的热处理工艺。一般加热至300350回火。 不含稳定化元素Ti、Nb的

54、钢，加热温度不超过450，以免析出Cr碳化物而引起晶间腐蚀； 对于超低碳和含Ti、Nb不锈钢的冷加工件和焊接件，需在500950加热，然后缓冷消除应力，可以减轻晶间腐蚀倾向，并提高钢的应力腐蚀抗力。 应用：,习题： 1、合金元素Mn、Cr、W、Mo、V、Nb、Ni、Si、Al、Co在室温的退火钢中如何分布？它们对钢中基本相有何影响？ 2、合金元素Mn、Cr、W、Mo、V、Ti、Zr、Ni、Co、Al对钢的C曲线和MS点有何影响？ 3、解释下列现象： 在相同含碳量情况下，除了含Ni和Mn的合金钢外，大多数合金钢的热处理加热温度都比碳钢高； 含碳量0.40%，含铬12%的铬钢属于过共析钢，而含碳1

55、.5%、含铬12%的钢属于莱氏体钢； 高速钢在热锻或热轧后，经空冷获得马氏体组织；,4、什么是调质钢？为什么调质钢的含碳量均为中碳？合金调质钢常含哪些合金元素？它们在调质钢中起什么作用？ 5、分析比较9SiCr合金工具钢与T9碳素工具钢： 为什么9SiCr钢的热处理加热温度比T9钢高？ 为什么碳素工具钢制造的刀具的刃部受热至200250其硬度和耐磨性已迅速下降，以至于失效；而9SiCr钢刀具的刃部在230250条件下工作，硬度仍不低于HRC60，且耐磨性良好，可维持正常工作？ 试分析9SiCr热处理工艺？,6、指出下列合金钢的类别、碳和合金元素的作用及热处理特点： 16Mn、40CrNiMo、

56、65Mn、GCr15、9SiCr、W18Cr4V、1Cr18Ni9Ti 7、W18Cr4V钢的AC1为820，若以一般工具钢AC1+3050常规方法来确定其淬火加热温度，在最终热处理后能否达到高速切削刃具所要求的性能？为什么？W18Cr4V淬火后在560三次回火的目的是什么？ 8、什么是红硬性？钢的红硬性与“二次硬化”有何关系？ 9、18-8型不锈钢中各合金元素起什么作用？为了提高其抗蚀性能可采用什么工艺方法？,第七章铸铁,铸铁是含碳量大于2.11%的铁、碳合金，与钢相比：铸铁熔炼简单，成本低廉，虽然强度、塑性、韧性较低，但具有良好的铸造性能，很高的减磨、减震性能和切削加工性能，因此在机械制造业上得到了广范的应用： 铸铁之所以具有以上一系列优良的性能，一是因为它的含碳量高，二是因为碳大部分以游离的石墨状态存在； 成分 w(C) = 2