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第七章 工业用钢 金工教研室
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一、杂质和气体的影响 1.有益元素 Si — 有很强的固溶强化作用,能脱氧。 Mn — 脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。
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P — 有很强的固溶强化作用,低温 韧性差 ( 冷脆 )。
2.有害元素: P — 有很强的固溶强化作用,低温 韧性差 ( 冷脆 )。 S — 能引起钢在热加工时或高温工作下开裂 ( 热裂 )。
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N：钢中过饱和N在常温放置过程中会发生时
3.气体元素: N：钢中过饱和N在常温放置过程中会发生时 效脆化。加Ti、V、Al等元素可消除时效 倾向。 O：钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源。 H：原子态的过饱和氢时将降低韧性, 引起氢 脆。当氢在缺陷处以 分子态析出时，会产 生很高内压，形成微 裂纹，其内壁为白色， 称白点或发裂。 钢中白点
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三、碳素钢的编号及用途 1.碳素结构钢: Q 235 — A · F 屈服强度 235 MPa A等级 沸腾钢
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* 45 --- Wc = 45%00 * 较高锰质量分数的优质碳素结构钢 2.优质碳素结构钢 45Mn --- Wc = 45%00 ;
WMn = 0.7%～1.0%
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3.碳素工具钢 T 12 A 碳素工具钢 Wc = 12%0 高级优质
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4.铸造碳钢 ZG 铸钢 σs≥ 200MPa σb ≥ 400MPa
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由于碳钢具有较好的机械性能和工艺性能，并且产量大、价格较低，因此它是机械工程上应用十分广泛的金属材料。
随着科学技术和工业的发展，对材料提出了更高的要求，如更高的强度，抗高温、高压、低温，耐腐蚀、磨损以及其它特殊物理、化学性能的要求，碳钢已不能完全满足要求。
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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σs为235MPa，而低合金结构钢16Mn的σs则为360MPa以上。40钢的σs /σb仅为0.43, 而合金钢35CrNi3Mo的σs /σb高达0.74。
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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。
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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。
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合金钢的分类 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%）
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%）
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合金钢的分类 按用途分类 合金结构钢 合金工具钢 特殊性能钢
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合金钢的分类 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)
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)
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合金钢的分类 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 莱氏体
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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。
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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。
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第一节 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。
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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，另一种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 。
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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。
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1.溶于基体中形成合金F或合金A
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1.溶于基体中形成合金F或合金A
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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。 1、非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B； 2、碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr。
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Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr
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。
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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。
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碳化物形成元素中，有些元素（如Mn）与碳的亲合力较弱，除少量可溶于渗碳体中形成合金渗碳体外，大部分仍溶于铁素体或奥氏体中。
而与碳亲和力较强的一些碳化物形成元素（如Cr、Mo、W等），当其含量较少时，多半溶于渗碳体中，形成合金渗碳体；当含量较高时，则可能形成新的特殊的合金碳化物。 与碳亲合力很强的碳化物形成元素（如Nb、Ti、Zr等），几乎总是与碳形成特殊的碳化物。
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3.单独形成特殊碳化物 熔点、硬度、耐磨性最高。 稳定性最高。 TiC、NbC、VC。
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合金元素与碳的作用 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。
当钢中合金元素含量超过一定限度时，可以生成一些碳钢中没有的新相。其中最重要的是由强碳化物形成元素生成的各种合金碳化物（如W2C、VC、TiC等）。它们熔点高、硬度高，加热时很难溶于奥氏体中，因此对钢的机械性能及工艺性能有很大影响。
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合金元素与碳的作用 合金渗碳体是渗碳体中一部分铁被碳化物形成元素置换后所得到的产物，其晶体结构与渗碳体相同，可表达为(Fe，Me)3C（Me代表合金元素）。 渗碳体中溶入碳化物形成元素后，硬度有明显增加，因而可提高钢的耐磨性。同时它们在加热时也较难溶于奥氏体中，因此热处理时加热温度应该高一些。
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合金元素与碳的作用 所有与碳亲和力弱的非碳化物形成元素，如镍、硅、铝、钴等，由于不能形成碳化物，除了极少数高合金钢中可形成金属间化合物外，几乎都溶解在铁素体或奥氏体中。
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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 改变共晶点和共析点的参数
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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。
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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。
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。
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Mn 元素对奥氏体区的影响
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合金元素对A、F相区的影响 缩小奥氏体区的元素 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。
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Cr 元素对奥氏体区的影响
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合金元素对A、F相区的影响 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。
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3.改变共晶点和共析点参数的元素 几乎所有的合金元素。 作用: 使S点和E点的成分向左移。 使A1线的温度变化。
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合金元素对 S 点成分的影响
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合金元素对A1线的影响
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对Fe-Fe3C相图临界点(S和E点)的影响
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。
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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；
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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、大多数合金元素会减缓奥氏体化过程，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。
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1 ．合金元素对加热转变的影响 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。
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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。
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进入下一节
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2．合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响 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。
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2．合金元素对过冷奥氏体分解转变的影响 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)。
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3.合金元素对回火转变的影响 回火抗力的增加 二次硬化的产生 产生回火脆性
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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。
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3．合金元素对回火转变的影响 合金元素一般均使残余奥氏体分解温度升高，其中Cr、Mn、Si的作用显著。
合金元素还可提高铁素体的再结晶温度，能使马氏体形态保持到很高温度，其中W、Mo、Cr、V、Co作用显著。
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3．合金元素对回火转变的影响 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。
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W、Mo、V 等碳化物在550℃时,使钢达到最高硬度, 产生二次硬化。
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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。
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3．合金元素对回火转变的影响 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。
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Cr-Ni 钢的回火脆性示意图
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防止第二类回火脆性的产生的方法: 在500～600 ℃快速冷却。 加入合金元素W、Mo。
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硅在钢中的作用 提高钢中固溶体的强度和冷加工硬化程度使钢的韧性和塑性降低。 硅能显著地提高钢的弹性极限、屈服极限和屈强比。这是一般弹簧钢。
耐腐蚀性。硅的质量分数为15％一20％的高硅铸铁，是很好的耐酸材料。含有硅的钢在氧化气氛中加热时，表面也将形成一层SiO2薄膜，从而提高钢在高温时的抗氧化性。 缺点：使钢的焊接性能恶化。
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锰在钢中的作用 锰提高钢的淬透性。 锰对提高低碳和中碳珠光体钢的强度有显著的作用。 锰对钢的高温瞬时强度有所提高。
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锰在钢中的作用 锰钢的主要缺点是，①含锰较高时，有较明显的回火脆性现象；②锰有促进晶粒长大的作用，因此锰钢对过热较敏感t在热处理工艺上必须注意。这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服：⑧当锰的质量分数超过1％时，会使钢的焊接性能变坏，④锰会使钢的耐锈蚀性能降低。
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铬在钢中的作用 铬可提高钢的强度和硬度。 铬可提高钢的高温机械性能。 使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性 阻止石墨化 提高淬透性。
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铬在钢中的作用 缺点：①铬是显著提高钢的脆性转变温度 ； ②铬能促进钢的回火脆性
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镍在钢中的作用 可提高钢的强度而不显著降低其韧性。 镍可降低钢的脆性转变温度，即可提高钢的低温韧性。 改善钢的加工性和可焊性。
镍可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。
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钼在钢中的作用 钼对铁素体有固溶强化作用。 提高钢热强性 抗氢侵蚀的作用。 提高钢的淬透性。
缺点：钼的主要不良作用是它能使低合金钼钢发生石墨化的倾向
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钨在钢中的作用 提高强度 提高钢的高温强度。 提高钢的抗氢性能。 使钢具有热硬性，因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。
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钒在钢中的作用 细化晶粒； 热强性。 钒能显著地改善普通低碳低合金钢的焊接性能。
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钛在钢中的作用 细化晶粒； 钛能改善钢的热强性，提高钢的抗蠕变性能及高温持久强度；
能提高钢在高温高压氢气中的稳定性。使钢在高压下对氢的稳定性高达600℃以上，在珠光体低合金钢中，钛可阻止钼钢在高温下的石墨化现象。因此，钛是锅炉高温元件所用的热强钢中的重要合金元素之一。
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铌在钢中的作用 铌和碳、氮、氧都有极强的结合力，并与之形成相应的极为稳定的化合物，因而能细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性。
有极好的抗氢性能。 铌能提高钢的热强性
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硼在钢中的作用 提高钢的淬透性。 提高钢的高温强度。强化晶界的作用。
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铝在钢中的作用 用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，抑制低碳钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别是降低了钢的脆性转变温度；
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铝在钢中的作用 提高钢的抗氧化性能。曾对铁铝合金的抗氧化性进行了较多的研究；4％AI即可改变氧化皮的结构，加入6％A1可使钢在980C以下具有抗氧化性。当铝和铬配合并用时，其抗氧化性能有更大的提高。例如，含铁50％一55％、铬30％一35％、铝10％一15％的合金，在1 400C高温时，仍具有相当好的抗氧化性。由于铝的这一作用，近年来，常把铝作为合金元素加入耐热钢中。 此外，铝还能提高对硫化氢和V2O5，的抗腐蚀性。
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铝在钢中的作用 缺点： ①脱氧时如用铝量过多，将促进钢的石墨化倾向。 ②当含铝较高时．其高温强度和韧性较低。
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第二节 合金结构钢 ( Alloy Constructional Steel )
低合金高强度钢 合金渗碳钢 合金调质钢 弹簧钢 滚动轴承钢 易切削钢
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低合金高强度钢( HSLA ) 1、在普通碳素结构钢基础上加少量合金元素形成的钢；
2、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。
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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，Mn 1.8 %以内。
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，Mn 1.8 %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。
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成分特点 此外，加入少量铜（≤0.4%）和磷（0.1%左右）等，可提高抗腐蚀性能。
加入少量稀土元素，可以脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能。
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性能要求 (1) 高强度：一般屈服强度在300MPa以上。 (2) 高韧性：要求延伸率为15%～20%，室温冲击韧性大于600kJ/m2～800kJ/m2。对于大型焊接构件，还要求有较高的断裂韧性。 (3) 良好的焊接性能和冷成型性能。 (4) 低的冷脆转变温度。 (5) 良好的耐蚀性。
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编 号 方 法 1.牌号: Q C 屈服强度 345 MPa 质量等级
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热处理特点 这类钢一般在热轧空冷状态下使用，不需要进行专门的热处理。 使用状态下的显微组织一般为铁素体+珠光体(索氏体)。
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常用的钢种 Q345钢16Mn 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%，用于船舶、桥梁、车辆等大 型钢结构。
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常用的钢种 1、Q390钢（15MnVN ）含V、Ti、Nb， 中等级别强度钢中使用最多的钢种。
2、强度较高，且韧性、焊接性及低温韧性也较好，被广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶、中等压力的容器。
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常用的钢种 强度级别超过400MPa后，铁素体和珠光体组织难以满足要求，于是发展了低碳贝氏体钢。
加入Cr、Mo、Mn、B等元素，有利于空冷条件下得到贝氏体组织，使强度更高，塑性、焊接性能也较好，多用于高压锅炉、高压容器等，如Q460钢。
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压力容器
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合金钢的编号方法 牌号首部用数字标明碳质量分数。 规定结构钢以万分之一为单位的数字（两 位数）、工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字（一位数）来表示碳质量分数，而工具钢的碳质量分数超过1%时，碳质量分数不标出。
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合金钢的编号方法 在表明碳质量分数数字之后，用元素的化学符号表明钢中主要合金元素，质量分数由其后面的数字标明，平均质量分数少于1.5%时不标数, 平均质量分数为1.5%～2.49%、2.5%～3.49%……时,相应地标以2、3……
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20 Mn2 Ti A 含碳量WC 20 %00 含锰量WMn 2 % 含钛量WTi≤1.5 % 等级:高级优质
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5 Cr Ni Mo 含碳量WC 0.5 % WCr≤1.5 % WNi≤1.5 % WMo≤1.5 %
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Cr 12 Mo V 含碳量WC>1.0 % 含铬量WCr=12 % 含钼量WMo≤1.5 % WV≤1.5 %
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合金钢的编号方法 合金结构钢40Cr，平均碳质量分数为0.40%，主要合金元素Cr的质量分数在1.5%以下；
合金工具钢5CrMnMo, 平均碳质量分数为0.5%, 主要合金元素Cr、Mn、Mo的质量分数均在1.5%以下； 合金工具钢 Cr12MoV表示 平均碳质量分数为大于1.0%, 主要合金元素Cr、Mo、V的质量分数分别为12%、在1.5%以下；
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合金钢的编号方法 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。
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合金钢的编号方法 对于高级优质钢，则在钢的末尾加“A”字表明，例如20Cr2Ni4A等。
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合金渗碳钢 性能要求 成分特点 常用钢号 热处理及组织
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性能要求 心部具有高的韧性和足够高的强度。心部韧性不足时，在冲击载荷或过载作用下容易断裂；强度不足时，则较脆的渗碳层易碎裂、剥落。
性能要求 表面渗碳层硬度高，以保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力，同时具有适当的塑性和韧性。 心部具有高的韧性和足够高的强度。心部韧性不足时，在冲击载荷或过载作用下容易断裂；强度不足时，则较脆的渗碳层易碎裂、剥落。 有良好的热处理工艺性能 在高的渗碳温度（900 ℃～950 ℃）下，奥氏体晶粒不易长大，并有良好的淬透性。
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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。
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。
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碳素渗碳钢 合金渗碳钢 化学成分 热处理后的组织 Wc = 0.15～0.25 % Wc ≤ 0.25 % 合金元素:Cr、Mn、 Ni、B、V、W、 Mo、Ti等。 表层:M回+Fe3C+A残 表层:M回+Cm+A残 心部:F+P 心部:低碳M回 +F
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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。
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。
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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。
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中淬透性合金渗碳钢含合金元素总量在4 %左右。如20 CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。
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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
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20 CrMnTi 钢制造齿轮的热处理工艺曲线
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合金调质钢 性能要求 成分特点 常用钢号 热处理及组织
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性能要求 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。
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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；
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%。
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表层: S回 表层: S回 心部: P + F 心部: S回 合金调质钢 碳素调质钢 化学成分 Wc = 0.25～0.5 %
热处理后的组织 Wc = 0.25～0.5 % Wc = 0.25～0.6 % 合金元素: Cr、Mn、 Ni、B、Si、V、 W、Mo、Ti等。 表层: S回 表层: S回 心部: P + F 心部: S回
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40Cr 低淬透性合金调质钢，油淬临界直径为30 mm～40 mm，用于制造一般尺寸的重要零件。
35CrMo 中淬透性合金调质钢，油淬临界直径为40 mm～60 mm,加入钼不仅可提高淬透性，而且可防止第二类回火脆性。 40CrNiMo 高淬透性合金调质钢，油淬临界直径为60 mm～100 mm，铬镍钢中加入适当的钼，不但具有好的淬透性，还可消除第二类回火脆性。
112
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。
113
低淬透性调质钢 钢含合金元素总量＜3 %。 40Cr、40MnB等。 中淬透性调质钢 钢含合金元素总量在4 % 左右。
38 CrSi、35 CrMo 等。 常用于制造较小的齿轮、 轴、螺栓等零件。
114
高淬透性调质钢 钢含合金元素总量在4 %～ 10 %。 制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的零件等 。
38 Cr Mo Al A、40 Cr Mn Mo、 25 Cr2 Ni4 W A等。
115
40Cr钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线
116
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。
117
40Cr钢经不同温度回火后的机械性能 （直径Ｄ＝12ｍｍ，油淬）
118
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55 HRC～58 HRC。 合金调质钢淬透调质后的屈服强度约为800 MPa, 冲击韧性在800 kJ/m2心部硬度可达22 HRC～25 HRC。若截面尺寸大而未淬透时，性能显著降低。
119
合金弹簧钢 性能要求 成分特点 常用钢号 热处理及组织
120
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。
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
121
性能要求 高的弹性极限σe，尤其是高的屈强比σs /σb以保证弹簧有足够高的弹性变形能力和较大的承载能力。
性能要求 高的弹性极限σe，尤其是高的屈强比σs /σb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σr，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。
122
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。
123
成分特点 此外，弹簧的冶金质量对疲劳强度有很大的影响，所以弹簧钢均为优质钢或高级优质钢。
124
碳素弹簧钢 合金弹簧钢 T回 T回 Wc = 0.6～0.9 % 化学成分 Wc = 0.5～0.7 % 合金元素: Si、Mn、
Cr、V、W、Mo等。 热处理后的组织 T回 T回 制造尺寸小于 Φ8～15mm的 小型弹簧。 制造尺寸在Φ20～25 mm左右的弹簧。
125
常用钢号 65Mn和60Si2Mn 以Si、Mn为主要合金元素的弹簧钢。这类钢的价格便宜，淬透性明显优于碳素弹簧钢，Si、Mn的复合合金化，性能比只用Mn的好得多。这类钢主要用于汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧。
126
常用钢号 50CrVA 含Cr、V、W等元素的弹簧钢。Cr、V复合合金化，不仅大大提高钢的淬透性，而且还提高钢的高温强度、韧性和热处理工艺性能。这类钢可制作在350 ℃～400 ℃温度下承受重载的较大弹簧。
127
弹簧的加工工艺 热成形弹簧用热轧钢丝或钢板制成，然后淬火和中温（450 ℃～550 ℃）回火，获得回火屈氏体组织，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。
129
弹簧的加工工艺 冷成形弹簧用于生产尺寸小于Φ8～15mm的小型弹簧,常用弹簧钢丝(片)冷绕成形,其制造方法有:
弹簧的加工工艺 冷成形弹簧用于生产尺寸小于Φ8～15mm的小型弹簧,常用弹簧钢丝(片)冷绕成形,其制造方法有: 1、T组织冷成型+200～300℃去应力 退火，如60、75、85、65 Mn。 2、T回组织冷成型+去应力退火。 3、退火组织冷成型+淬火+中温回火，如 Si2Mn、60Si2MnA、50CrVA。
130
弹簧的加工工艺 为了提高弹簧的疲劳寿命，目前还广泛采用喷丸强化处理。
131
滚动轴承钢 ( bearing steel ) 性能要求 成分特点 常用钢号 热处理及组织
132
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;
133
成分特点 高碳, Wc = 0.9～1.1%，以保证其高硬 度、高耐磨性和高强度；
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%。
134
成分特点 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。
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。
135
常用的滚动轴承钢 G Cr15 滚动轴承钢 含Cr量WCr ≈ 1.5 %
136
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
137
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 )
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 )
138
易切削钢( free – cutting steel )
适用于高速切削和在自动加工机 床上加工的材料。 1.用途: 2.性能要求: 降低切削力和切削热,减少刀具磨损,延长刀具寿命,改屑性能,提高切削速度。 S:Ws = 0.08～0.3% Pb:WPb=0.15～0.25% Ca:微量 3.化学成分特点:
139
易切削钢的牌号 Y 40 Mn 易切削钢 含碳量WC 0.4 % 含锰量WMn ≤ 1.5 %
140
低碳易切削钢 ( Y12、Y15、Y20 ) 中碳易切削钢 ( Y40 ) 渗碳或淬火成低碳马氏体。 调质及表面淬火。
易切削钢的热处理工艺特点 低碳易切削钢 ( Y12、Y15、Y20 ) 渗碳或淬火成低碳马氏体。 中碳易切削钢 ( Y40 ) 调质及表面淬火。
141
第三节 合金工具钢 合金刃具钢 ( alloy cutting steel ) 合金模具钢 ( alloy die steel )
合金量具钢( alloy measuring steel )
142
刃 具 量 具 模 具
143
一.碳素刃具钢 1.性能要求: 高硬度、高耐磨性,有一 定的强度和韧性。 2.化学成分特点: 高碳。 3.热处理特点: 淬火 + 低温回火
4.组织: M回 + Fe3C + A残
144
一.碳素刃具钢 5.用途:用于低速、低温(＜200℃）、 低冲击、硬度在HRC62左右的 刃具。 锉 刀 手 锤
145
二.合金刃具钢 种类 : 低合金刃具钢 ; 高速钢。 牌号 : 9 Si Cr W18 Cr4 V 千分之几的含碳量 合金元素及含量
146
球化退火 淬火 + 低温回火 1.低合金刃具钢 1.性能要求: 高硬度、高耐磨性、有一 定的红硬性、强度和韧性, 工作温度不超过300℃。
2.化学成分特点: *高碳 *加入Cr、Mn、Si、 W、V 等合金元素。 3.热处理特点: 球化退火 淬火 + 低温回火
147
9 SiCr 钢板牙热处理工艺曲线 板牙
148
2.高速钢 ( high – speed steel )
高速钢 --- 锋钢、风钢 ; 18 – 4 – 1 钢 高硬度、高耐磨性、高的红硬性(600℃时,HRC63以上) 、有一定的强度和韧性。 (1) 性能要求: 车刀 铣刀 钻头
149
(2) 化学成分特点: 高碳 0.7～1.5%: 保证高硬度 钨 18%: 退火状态下形成M6C碳化物, 在560℃左右回火时, 弥散析 出W2C, 造成二次硬化, 提高 钢的红硬性。 钼 5%: 1%Mo的作用等同于2%W。 铬 4%: 形成Cr23C6碳化物;提高钢的 淬透性。 钒1.5%: 形成VC, 硬度极高, 提高钢的 硬度和耐磨性, 产生二次硬化。
150
铸造:高速钢属于莱氏体钢,铸态组织 (3) W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点 铸造 锻造 球化退火 机加工
铸造 锻造 球化退火 机加工 淬火+三次570℃回火 磨削加工 铸造:高速钢属于莱氏体钢,铸态组织 中含有大量呈鱼骨状分布的粗 大共晶碳化物M6C,钢的韧性大 幅下降。
151
W18Cr4V钢的铸态组织 W18Cr4V铸造组织
152
W18Cr4V钢的铸态组织 W18Cr4V铸态组织
153
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。
W18Cr4V锻造组织
154
球化退火:消除应力,调整组织,便于机加工, 为淬火作好组织准备。 球化退火后的组织 : S + 粒状 Cm W18Cr4V球化退火组织
155
W18Cr4V钢的热处理过程示意图
156
淬火 : 1280℃; 淬火后的组织:M+Cm+A残(20～25%)
157
W18Cr4V钢淬火组织 W18Cr4V淬火组织
158
三次570℃回火 在570℃回火时 , 产生二次硬化。
159
*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 %。
三次570℃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 %。 回火后的组织: M回 + Cm + A残 ( 1～ 2 % ) 组织硬度为65HRC以上。
160
W18Cr4V淬火+ 一次回火组织 W18Cr4V淬火+一次回火组织105
161
W18Cr4V淬火+ 三次回火组织 W18Cr4V淬火+ 三次回火组织 420
162
三.合金模具钢( alloy die steel )
热作模钢:工作温度为600℃以上。 冷作模钢:工作温度为200～300℃。
163
一) 热作模钢 ( hot die steel ) 1.性能要求: 高的热硬性、高温耐磨性; 高的抗氧化能力; 高的热强性和足够高的韧性;
曲轴模具 1.性能要求: 高的热硬性、高温耐磨性; 高的抗氧化能力; 高的热强性和足够高的韧性; 高的热疲劳抗力( 防止龟裂 ); 高的淬透性和导热性; 中碳 0.3～0.6 %; 合金元素:Cr、Ni、Mn、 Si、Mo、W、V。 2.化学成分特点:
164
3.热处理特点: *热锻模钢: 5 CrMnMo 热处理工艺: 淬火 + 550℃回火 热处理后的组织: S回或T回 温度 时间 820～850℃ 预冷 530～550℃ 回火 油冷 ～500℃
165
3.热处理特点: *热压模钢: 3 Cr2W8V 热处理工艺: 淬火 + 600℃三次回火 热处理后的组织: M回 + Cm粒状 汽车四缸压铸模
166
二) 冷作模钢 ( cold die steel )
汽车冲压模具 1.性能要求: 高的硬度,HRC62; 高的耐磨性; 足够高的韧性与疲劳抗力; 热处理变形小; 2.化学成分特点: 高碳 1～2 %; 合金元素:Cr, Mo、W、V。
167
3.热处理特点: *一次硬化法: 淬火 低温回火 ( 950～1000℃ ) ( 150～180℃ ) *二次硬化法: 淬火 三次回火 ( 1100～1000℃ ) ( 510～520℃ ) 热处理后的组织: M回 + Cm + A残 牌号: Cr12、Cr12MoV
168
四.合金量具钢 1.性能要求: 高的硬度, HRC62; 高的耐磨性; 高的尺寸稳定性; 足够高的心部韧性; 热处理变形小; 尺寸稳定; 良好的耐蚀性; 卡 尺 量 规 千分尺
169
高碳 0.9～1.5 %; 合金元素:Cr, Mn、W。 2.化学成分特点: 3.热处理特点: 淬火 冷处理 ( - 70～ - 80℃ ) 低温回火 时效处理 ( 120～130℃, 几十小时 ) 4.热处理后的组织: M回 + Cm 5.牌号: CrWMn、4Cr13、GCr15、 9SiCr、T12A、60等。
170
CrWMn钢制造块规退火后的热处理工艺 温度 时间 820～840℃ 油冷 ～650℃ 110～120℃ 36h 时效处理 精磨
140～160℃ 3h 3h 研磨 3h -70～-80℃ 冷处理
171
第四节 特殊性能钢 不锈钢 ( stainless steel ) 耐热钢 ( heat – resistant steel )
耐磨钢 ( wear – resistant steel )
172
一.不锈钢 ( stainless steel )
1.定义: 在腐蚀介质中具有很高的抗腐 蚀能力的钢。 2.概念:*在空气中的年腐蚀量为0.01mm 以内的钢, 称为在空气中使用的 不锈钢。 *在强酸、强碱介质中的年腐蚀 量为0.1mm以内的钢,称为在强 酸、强碱介质中使用的不锈钢。
173
3金属腐蚀的机理. 金属腐蚀的种类: 1)化学腐蚀: 金属与介质 ( 干燥气体和 非电解质溶液 ) 发生化学 反应而产生的腐蚀。 例如:高温氧化、脱碳等。 2)电化学腐蚀:金属与介质 ( 电解质溶 液,即酸、碱、盐溶液 ) 发生电化学反应而产生 的腐蚀。
174
电化学腐蚀过程示意图
175
珠光体电化学腐蚀示意图
176
4.金属的防腐措施: 1)覆盖层保护: 涂漆、电镀、发蓝、磷化等工艺。 2)形成氧化层: 加入合金元素Cr、Al、Si 等,形成Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜。 3)提高金属的电极电位: 加入合金元素Cr、Ni、Si等,提高金属基体的电极电位。
177
4)使钢在室温下呈单相组织: 加入合金元素 Mn、Ni、Co等能扩大 γ区,可在室温获得奥氏体钢。 加入合金元素 Cr、Mo、W、V、Ti、 Si 等能扩大α区,可在室温获得铁素体 钢。 5)减少与消除钢中的各种不均匀现象: 偏析、应力、组织等。 6)牺牲阳极保护阴极 : 镶嵌一些比金属 或合金基体电极电位更低的金属块。
178
* 低碳:耐蚀性要求愈高,碳含量愈低。 5.化学成分特点: * 合金元素:主加Cr。 辅加Ni、Mo、Cu、Ti、 Nb、Mn 等。
6.常用的不锈钢: *马氏体型不锈钢 *铁素体型不锈钢 *奥氏体型不锈钢
179
1)马氏体型不锈钢 --- Cr13型钢 化学成分特点: Wc = 0.1 ～ 0.4 % WCr = 13 % 热处理特点:正火后的组体是马氏体。 医用镊子 牌号: 1Cr13～4Cr13 用途: 医疗器械
180
1Cr13金相组织图 1Cr13供货状态组织 ( 化染 ) 580
181
2)铁素体型不锈钢 化学成分特点: Wc = 0.1 %左右 WCr = 17 % 热处理特点: 不能进行热处理强化。
牌号: 1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等。 用途:化工设备中要求耐蚀性高、塑 性好、强度低的容器、管道等。
182
铁素体型不锈钢的用途 合成氨生产装置 硝酸生产装置
183
3)奥氏体型不锈钢---18 – 8型钢 化学成分特点: Wc = 0.08 ～ 0.14 % WCr = 17～19 %
WNi = 8～11 % Cu、Ti、Mo等。 加工特点:不能进行热处理强化,只能 冷塑性变形强化。
184
热处理特点:固溶处理;稳定化处理; 消除应力退火。 牌号: 0Cr18Ni9、1Cr18Ni9、 0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti
用途: 化工容器、管道等。 大型化工储罐(304) 管板换热器 ( 304 )
185
1Cr18Ni9Ti固溶处理组织金相图 1Cr18Ni9Ti固溶处理组织
186
二.耐热钢 1.定义:在高温下具有抗氧化性和高温 强度的特殊钢。 抗氧化性 ( 热稳定性 ) 蠕变强度 2.性能要求 高温强度
( 热强性 ) 持久强度
187
1)固溶强化:加入W、Mo、 Nb、Ti、 3.提高钢的耐热性的途径: 加入合金元素Cr、Si、Al等,在 钢的表面形成稳定、致密的氧化膜。
4.提高钢的耐热性的途径: 1)固溶强化:加入W、Mo、 Nb、Ti、 V等元素强化基体;提高再结晶温度。 2)弥散强化:加入Nb、V、Ti等元素形 成碳化物,在晶内弥散析出,阻碍位错 的滑移,提高塑变抗力。
188
抗氧化钢 ( 不起皮钢 ) : 奥氏体型钢1Cr18Ni9Ti等, 工作温度 850℃。 5.钢种及 用途 珠光体型 16Mo，
工作温度 600℃。 马氏体型1Cr13， 工作温度 600℃。 热强钢 奥氏体型18-8型， 工作温度 850℃。
189
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
190
三.耐磨钢( wear-resistant steel )
1.定义:在强烈冲击载荷作用下发生冲击形变硬化的高锰钢。 球磨机 挖掘机 颚式破碎机
191
水韧处理。 三.耐磨钢 2.性能要求:高硬度、耐磨性、韧性。 高碳 Wc = 1～1.3 % 高锰 WMn = 11～14 %
3.化学成分特点: 水韧处理。 4.热处理特点: 5.室温组织:过饱和单相奥氏体。
192
A A A + Cm 铸态组织高锰钢 表层M HB500 心部A HB220 水韧处理的工艺特征 加热到1050～1100℃ 水淬
受到剧烈冲击或较大压力 A 心部A HB220
193
高锰钢铸态组织 高锰钢铸态组织 ( 化染 )
194
高锰钢水韧淬火组织金相图 高锰钢水韧淬火组织 ( 化染 )
195
高锰钢水韧淬火+回火组织金相图 高锰钢水韧淬火+回火组织 ( 化染 )
196
5.牌号 ZG Mn 铸钢 锰含量WMn 13 % 一号铸造高锰钢
197
高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件。如拖拉机的履带板、球磨机的衬板、破碎机的牙板、挖掘机的铲齿和铁路的道岔等。
铁路道岔 履带 球磨机衬板 挖掘机铲齿
198
Q345 65Mn ZGMn13 20Cr 40Cr 9SiCr GCr15 1Cr13 钢 号 钢 种 合金元素的主要作用 热处理特点
钢 号 钢 种 合金元素的主要作用 热处理特点 使用状态下组织 Q345 低合金高强度结构钢 Mn:强化F，增加P量，降低冷脆转变温度 热轧空冷 F+P 65Mn 弹簧钢 Mn:提高淬透性，强化F 淬火+中温回火 T回 ZGMn13 耐磨钢 Mn:获得单相A组织 水韧处理 表:M+碳化物 心:A 20Cr 渗碳钢 Cr:提高淬透性，强化F 渗碳+淬火+低温回火 表: M回+颗粒状碳化物+A’心: M回+F 40Cr 调质钢 调质处理 S回 9SiCr 低合金工具钢 Cr:提高淬透性 淬火+低温回火 M回+颗粒状碳化物+A’ (少量) GCr15 滚动轴承钢 Cr:提高淬透性，耐磨性、耐蚀性 1Cr13 马氏体不锈钢 Cr:提高耐蚀性 淬火+高温回火 5CrNiMo 热作模具钢 Cr、Ni:提高淬透性，强化F Mo:防止高温回火脆性 Cr12MoV 冷作模具钢 Mo:细化晶粒，提高耐磨性 W18Cr4V 高速钢 V:提高耐磨性、热硬性 1Cr18Ni9Ti 不锈钢 Ti:防止晶间腐蚀 固溶处理 A
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