1、12 2、冷却时的转变、冷却时的转变n 等温转变曲线及产物等温转变曲线及产物 （共析钢为例）（共析钢为例）650600550350A1MSMf时间时间PSTB上上B下下MM+AAPASATAB上上AB下下AM过冷过冷A过冷过冷A过冷过冷A过冷过冷A过冷过冷AA2 用用C曲线定性说明连续冷却转变产物曲线定性说明连续冷却转变产物 n根据与根据与C曲线交点位置判断转变产物曲线交点位置判断转变产物 P均匀均匀A细细AA1MSMf时间时间等温退火等温退火PP退火退火(炉冷炉冷)正火正火(空冷空冷)S淬火淬火(油冷油冷)T+M+A等温淬火等温淬火B下下M+A分级淬火分级淬火M+A淬火淬火(水冷水冷)M回回
2、150-250T回回350-500S回回500-650?PT+S回回ST+B下下+M+A3第三章第三章 金属材料金属材料3.1 碳钢碳钢3.2 合金钢合金钢3.3 铸钢与铸铁铸钢与铸铁3.4 有色金属及其合金有色金属及其合金黑色金属黑色金属有色金属有色金属43.1 3.1 碳钢碳钢3.1.1 3.1.1 碳钢的成分和分类碳钢的成分和分类1 1、碳钢的成分（、碳钢的成分（2.11%C2.11%C）主要元素：主要元素：FeFe、C C杂质元素：杂质元素：MnMn、SiSi、S S、P P、H H、O O、N N2 2、碳钢的分类、碳钢的分类（1 1）按碳质量分数）按碳质量分数中碳钢中碳钢 0.25
3、0.6%C高碳钢高碳钢 0.6%C低碳钢低碳钢 0.25%C碳素钢碳素钢5（2 2）按质量）按质量碳素钢碳素钢PS普通碳素钢普通碳素钢0.0450.055优质碳素钢优质碳素钢0.0400.040高级优质碳素钢高级优质碳素钢0.0350.030工程用钢工程用钢 建筑、桥梁、船舶、车辆等建筑、桥梁、船舶、车辆等机器零件机器零件 齿轮、轴、连杆等齿轮、轴、连杆等结结 构构 钢钢刃具、模具、量具等刃具、模具、量具等工工 具具 钢钢（3 3）按用途）按用途6（4 4）按冶炼方法）按冶炼方法平炉钢平炉钢 按按 炉炉 别别沸腾钢沸腾钢镇静钢镇静钢半镇静钢半镇静钢按脱氧程度按脱氧程度特殊镇静钢特殊镇静钢转炉钢
4、转炉钢电炉钢电炉钢碱性转炉钢碱性转炉钢酸性转炉钢酸性转炉钢顶吹转炉钢顶吹转炉钢7n牌号：牌号：用用“Q+数字数字”表示，表示，Q275、Q235AF、Q235Cu“Q”为屈服点为屈服点，数字表示屈服强度数字表示屈服强度的数值。的数值。u质量等级符号为质量等级符号为A、B、C、D、E。由。由A到到E，其，其P、S含含量依次下降，量依次下降，质量提高质量提高。u脱氧方法符号脱氧方法符号:沸腾钢沸腾钢F；镇静钢；镇静钢Z；半镇静钢；半镇静钢b；特殊镇静钢特殊镇静钢TZ。3.1.2 碳钢的牌号和用途碳钢的牌号和用途1碳素结构钢碳素结构钢n热轧状态使用，不进行热处理；热轧状态使用，不进行热处理；可焊性、
5、塑性好；可焊性、塑性好；用于制造各种用于制造各种工程构件（如桥梁、船舶、建筑工程构件（如桥梁、船舶、建筑构件等）构件等）8n钢号：用平均碳质量分数的钢号：用平均碳质量分数的万分数的数字万分数的数字表示，例如：表示，例如：2020 钢表示碳质量分数为钢表示碳质量分数为0.20.2(万分之二十万分之二十)n若钢中锰含量较高，则在这类钢号后附加符号若钢中锰含量较高，则在这类钢号后附加符号“Mn”Mn”，如如15Mn15Mn、45Mn45Mn等。等。n优质碳素结构钢使用前一般都要经过热处理。主要用优质碳素结构钢使用前一般都要经过热处理。主要用来制造各种来制造各种机器零件（齿轮、轴、连杆等）。机器零件（
6、齿轮、轴、连杆等）。2 2、优质碳素结构钢、优质碳素结构钢08F08F：冷冲压零件；：冷冲压零件；1010、2020钢：冷冲压性与焊接性能良好，可用作冲压钢：冷冲压性与焊接性能良好，可用作冲压件及焊接件，经过热处理（如渗碳）也可以制造轴、件及焊接件，经过热处理（如渗碳）也可以制造轴、销等零件；销等零件；曲轴螺栓3535、4040、4545、5050钢，良好的综合机械性钢，良好的综合机械性能，用来制造齿轮、轴类、套筒等能，用来制造齿轮、轴类、套筒等60、65钢主要用来制造弹簧钢主要用来制造弹簧10n碳质量分数在碳质量分数在0.65%1.35%之间之间 n钢号：用钢号：用“T+数字数字”表示。表示
7、。“T”(“碳碳”的汉语拼音字的汉语拼音字头头)；数字表示平均碳质量分数的；数字表示平均碳质量分数的千分数千分数。例如，例如，T9表示碳质量分数为表示碳质量分数为0.9(即千分之九即千分之九)的碳素工具钢。的碳素工具钢。n碳素工具钢均为优质钢碳素工具钢均为优质钢，若含硫、磷更低，则为高级，若含硫、磷更低，则为高级优质钢，则在钢号后标注优质钢，则在钢号后标注“A”字。例如，字。例如，T12A表示碳表示碳质量分数为质量分数为1.2%的高级优质碳素工具钢。的高级优质碳素工具钢。n制造各种制造各种工具（刃具、量具、模具等工具（刃具、量具、模具等）。）。3碳素工具钢碳素工具钢11量规量规钻头钻头锉刀锉刀
8、 T7T7、T8 T8 硬度较高、韧性较高，可制造承受冲击的硬度较高、韧性较高，可制造承受冲击的工具如冲头、凿子、锤子等。工具如冲头、凿子、锤子等。T9T9、T10T10、T11T11硬度高，韧性适中，可制造钻头、硬度高，韧性适中，可制造钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具等。刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具等。T12T12、T13 T13 硬度很高，韧性较低，可制作耐磨工具硬度很高，韧性较低，可制作耐磨工具如锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。如锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。木工凿木工凿123.2 合金钢合金钢3.2.1 概论概论合金钢合金钢?n碳钢的不足：碳钢的不足：淬透性低淬
9、透性低 15mm20mm 强度和屈强度比较低强度和屈强度比较低 Q235与与16Mn 回火稳定性差回火稳定性差 不能满足特殊性能的要求不能满足特殊性能的要求 n为了提高钢的性能，在铁碳合金中特意加入合金元素为了提高钢的性能，在铁碳合金中特意加入合金元素所获得的钢，称为合金钢。所获得的钢，称为合金钢。131.1.改善钢的热处理工艺性能改善钢的热处理工艺性能1)1)细化奥氏体晶粒细化奥氏体晶粒 加入加入TiTi、V V、NbNb、ZrZr、Al Al 等，形成细小的碳化物颗粒等，形成细小的碳化物颗粒2)2)提高钢的淬透性提高钢的淬透性 除除Co Co 以外，其他合金元素都能使钢以外，其他合金元素都
10、能使钢”C”C”曲线向右移动曲线向右移动3)3)提高钢的回火抗力，产生二次硬化提高钢的回火抗力，产生二次硬化 合金元素固溶于马氏体中，使马氏体回火时分解的难度合金元素固溶于马氏体中，使马氏体回火时分解的难度增大，延缓硬度下降增大，延缓硬度下降 W W、CrCr、V V、Mo Mo 等，回火时会形成特殊碳化物，使硬度重等，回火时会形成特殊碳化物，使硬度重新升高新升高二次硬化二次硬化4)4)防止第二类回火脆性防止第二类回火脆性(W W、Mo)Mo)合金元素在钢中的有益作用合金元素在钢中的有益作用142.2.提高钢的力学性能提高钢的力学性能1)1)产生固溶强化产生固溶强化 Cr,Ni,Mn,Si C
11、r,Ni,Mn,Si 等合金元素固溶于铁素体中，形成合等合金元素固溶于铁素体中，形成合金铁素体，提高钢的强度金铁素体，提高钢的强度2)2)产生第二相强化产生第二相强化 Mn,Cr,Mo,W,V Mn,Cr,Mo,W,V 等合金元素形成合金渗碳体或特殊等合金元素形成合金渗碳体或特殊碳化物碳化物,提高钢的强度提高钢的强度3)3)产生细晶强化产生细晶强化 Ti,V,Nb,Zr,Al Ti,V,Nb,Zr,Al 等合金元素形成等合金元素形成C C化物、化物、N N化物，阻化物，阻止奥氏体晶粒长大，从而细化热处理后的组织，提高钢的止奥氏体晶粒长大，从而细化热处理后的组织，提高钢的强度、韧性强度、韧性15
12、3.3.使钢具有特殊性能使钢具有特殊性能 提高钢的抗腐蚀性能提高钢的抗腐蚀性能 提高钢的抗高温氧化性能提高钢的抗高温氧化性能 提高钢的高温强度提高钢的高温强度 提高钢的抗冲击磨损性能提高钢的抗冲击磨损性能 提高钢的耐低温性能提高钢的耐低温性能16u按合金元素质量分数多少按合金元素质量分数多少：低合金钢低合金钢(10)u按所含的主要合金元素：按所含的主要合金元素：铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢u按显微组织按显微组织：珠光体、马氏体、铁素体、奥氏体、莱氏体钢：珠光体、马氏体、铁素体、奥氏体、莱氏体钢u按用途：按用途：结构钢、工具钢和特殊性能钢结构钢、工具钢和特殊性能钢1合金钢
13、的分类合金钢的分类17结结 构构 钢钢工工 具具 钢钢特殊性能钢特殊性能钢低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢合金渗碳钢合金渗碳钢合金调质钢合金调质钢合金弹簧钢合金弹簧钢滚珠轴承钢滚珠轴承钢合金钢合金钢合金刃具钢合金刃具钢合金模具钢合金模具钢量具钢量具钢不锈钢不锈钢耐热钢耐热钢耐磨钢耐磨钢18编号原则：编号原则：数字数字+元素符号元素符号+数字数字2合金钢的编号合金钢的编号例：例：16Mn 40Cr 60Si2Mn 9SiCr 碳质量分数碳质量分数：结构钢以万分之一为单位的两位数子结构钢以万分之一为单位的两位数子；工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的一位数子
14、一位数子；工具钢的碳含量大于工具钢的碳含量大于1时不标出时不标出。钢中主要合金元素钢中主要合金元素 合金元素的质量分数合金元素的质量分数，百分之几百分之几；1.5，只标出元素，不标出含量；，只标出元素，不标出含量；1.5含量含量2.49%，标，标2；2.5 含量含量3.49，标，标3；3.5%含量含量4.49，标，标4；19u滚珠轴承钢滚珠轴承钢在钢号前标以在钢号前标以“G”，如如GCr15，1C，1.5Cr(注意：注意：铬含量以千分之一为单位铬含量以千分之一为单位)u 易切削钢易切削钢(Y),Y40Mn专用钢专用钢，以用途的汉语拼音字首来标明，以用途的汉语拼音字首来标明 n高级优质钢高级优质
15、钢，钢的末尾加，钢的末尾加“A”字表明：字表明：如如20Cr2Ni4A等。等。203.2.2 合金结构钢合金结构钢 制造制造重要工程结构重要工程结构和和机器零件，机器零件，是合金钢中用途是合金钢中用途最广，用量最大的一类钢。最广，用量最大的一类钢。结结 构构 钢钢低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢合金渗碳钢合金渗碳钢合金调质钢合金调质钢合金弹簧钢合金弹簧钢滚珠轴承钢滚珠轴承钢21汽车汽车桥梁桥梁储气罐储气罐1低合金高强度结构钢（低合金高强度结构钢（HSLA）High Strength Low Alloyed(1)用途用途容器容器船舶船舶22 高强度高强度 s300MPa 高韧性高韧性 =15
16、%20%,kv600800kJ/m2，高的断裂韧性，高的断裂韧性 良好的焊接性能和冷成型性能良好的焊接性能和冷成型性能 低的冷脆转变温度低的冷脆转变温度 良好的耐蚀性良好的耐蚀性(2)(2)性能要求性能要求比利时阿尔伯特运河钢桥因磷比利时阿尔伯特运河钢桥因磷高产生冷脆性于高产生冷脆性于1938年冬发生年冬发生断裂坠入河中断裂坠入河中 23低碳低碳 0.20，韧性、焊接性和冷成形要求，韧性、焊接性和冷成形要求加入以加入以Mn为主的合金元素为主的合金元素 Mn：固溶强化固溶强化，细化晶粒，细化晶粒加入铌、钛或钒等辅加元素加入铌、钛或钒等辅加元素 细晶强化细晶强化及及第二相强化第二相强化 少量铜和磷
17、等，可提高抗腐蚀性少量铜和磷等，可提高抗腐蚀性 少量稀土元素，脱硫、去气，净化，韧性和工艺性能少量稀土元素，脱硫、去气，净化，韧性和工艺性能(3)(3)成分特点成分特点24l较低强度：较低强度：16Mn（Q345）l中等强度：中等强度：15MnVN（Q420）l高等级管线钢高等级管线钢，X70、X80 热轧热轧 空冷空冷 正火正火 F+S(5)(5)热处理及组织热处理及组织(4)(4)代表性钢种代表性钢种九江长江大桥九江长江大桥南京长江大桥南京长江大桥25芜湖长江大桥14MnNb 武汉长江大桥 262 2合金渗碳钢合金渗碳钢(1)(1)用途用途变速齿轮、凸轮轴、活塞销等机器零件变速齿轮、凸轮轴
18、、活塞销等机器零件摩擦磨损摩擦磨损、冲击载荷冲击载荷变速齿轮变速齿轮增压柴油机曲轴增压柴油机曲轴27表面硬度高表面硬度高 耐磨性和接触疲劳抗力耐磨性和接触疲劳抗力心部高韧性和足够高的强度心部高韧性和足够高的强度 避免断裂和碎裂、剥落避免断裂和碎裂、剥落良好的热处理工艺性能良好的热处理工艺性能 高的渗碳温度高的渗碳温度(900950)下，奥氏体晶粒不易长大下，奥氏体晶粒不易长大 有良好的淬透性有良好的淬透性(2)(2)性能要求性能要求28低碳低碳 0.100.25，保证心部有足够的塑性和韧性。，保证心部有足够的塑性和韧性。加入提高淬透性的合金元素加入提高淬透性的合金元素Cr、Ni、Mn、B等，提
19、高心部的强度和韧性。等，提高心部的强度和韧性。加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素Ti、V、W、Mo等，等，合金碳化物。阻止渗碳时奥氏体合金碳化物。阻止渗碳时奥氏体晶粒长大，提高耐磨性。晶粒长大，提高耐磨性。(3)(3)成分特点成分特点29低淬透性：低淬透性：20Cr中淬透性：中淬透性：20CrMnTi中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮高淬透性：高淬透性：18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A飞机坦克曲轴飞机坦克曲轴热处理工艺：热处理工艺：渗碳渗碳+直接淬火低温回火。直接淬火低温回火。表面组织：表面组织：合金渗碳体合金渗碳体M回火回火少量少量A；
20、心部组织：心部组织：完全淬透时，低碳完全淬透时，低碳M回火回火 多数情况下，多数情况下，T+M回火回火+少量少量F。(5)(5)热处理及组织热处理及组织(4)(4)代表性钢种代表性钢种渗碳淬火后的表层组织30例：例：20CrMnTi20CrMnTi钢制汽车变速齿轮工艺路线钢制汽车变速齿轮工艺路线下料下料锻造锻造正火正火机加工机加工渗碳渗碳淬火淬火低温回火低温回火精磨精磨喷丸喷丸成品成品313合金调质钢合金调质钢(1)用途用途重要零件：如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。重要零件：如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。连杆连杆齿轮齿轮曲轴曲轴汽车万向节汽车万向节高的综合机械性能高的综合机械性能高的强度和良好的
21、高的强度和良好的塑性、韧性塑性、韧性。很好的淬透性。很好的淬透性。(2)(2)性能要求性能要求32加入提高淬透性的元素加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si 除了提高淬透性外，还能形成合金铁除了提高淬透性外，还能形成合金铁素体，提高钢的强度。素体，提高钢的强度。中碳中碳0.250.50，以，以0.4居多。居多。加人防止第二类回火脆性的元素加人防止第二类回火脆性的元素Mo、W(3)(3)成分特点成分特点33低淬透性：低淬透性：40Cr，广泛用于一般尺寸的，广泛用于一般尺寸的重要零件重要零件中淬透性：中淬透性：35CrMo，截面较大零件如曲轴、连杆，截面较大零件如曲轴、连杆高淬透性：高淬透性：
22、40CrNiMo，大截面重载荷零件如汽轮机主轴大截面重载荷零件如汽轮机主轴淬火淬火+高温回火高温回火，回火后快冷回火后快冷(水冷水冷或油冷或油冷)组织：组织：S回回要求耐磨性，调质后要求耐磨性，调质后表面淬火表面淬火+低低温回火温回火或进行专门的或进行专门的化学热处理化学热处理。(5)(5)热处理及组织热处理及组织(4)(4)代表性钢种代表性钢种回火索氏体回火索氏体3440Cr钢经不同温度回火后的机械性能钢经不同温度回火后的机械性能(直径直径D=12mm,油淬油淬)35例例1 1：40Cr 40Cr 钢制汽车连杆螺栓工艺路线钢制汽车连杆螺栓工艺路线下料下料锻造锻造退火退火机加工机加工调质调质精
23、加工精加工成品成品例例2 2：40Cr 40Cr 钢制内燃机曲轴工艺路线钢制内燃机曲轴工艺路线下料下料锻造锻造退火退火机加工机加工调质调质半精加工半精加工轴颈轴颈处感应淬火低温回火处感应淬火低温回火精磨精磨成品成品最终组织最终组织 表层：中碳表层：中碳M M回回A A残残 心部：心部：S S回回性能：表硬，心韧性能：表硬，心韧364、合金弹簧钢、合金弹簧钢(1)(1)用途用途制造各种弹簧和弹性元件。制造各种弹簧和弹性元件。弹簧弹簧蝶形弹簧蝶形弹簧离合器弹簧离合器弹簧拉力弹簧拉力弹簧37高的弹性极限高的弹性极限e，高的屈强比，高的屈强比s b 高的疲劳强度高的疲劳强度r，高的表面质量，高的表面质
24、量足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆断足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆断较好的淬透性，不易脱碳和过热，容易绕卷成型。较好的淬透性，不易脱碳和过热，容易绕卷成型。(2)(2)性能要求性能要求汽车板簧汽车板簧38加入以加入以Si、Mn为主的提高淬透性的元素为主的提高淬透性的元素同时也提高了屈强比，同时也提高了屈强比，其中其中Si作用大。但作用大。但Si在加热时促在加热时促进表面脱碳，进表面脱碳，Mn则使钢易于过热。因此，重要用途的则使钢易于过热。因此，重要用途的合金弹簧钢须合金弹簧钢须加入加入Cr、V、W等元素。等元素。合金弹簧钢均为合金弹簧钢均为优质钢或高级优质钢优质钢或高级优质钢中、高碳中、高碳
25、 0.5%0.7%(3)(3)成分特点成分特点39以以Si、Mn为主要合金元素为主要合金元素 60Si2Mn 汽车、拖拉机上的汽车、拖拉机上的板簧板簧和和螺旋弹簧螺旋弹簧。含含Cr、V、W等元素等元素 50CrVA 350 400 承受重载的较大弹簧承受重载的较大弹簧热成型弹簧：热成型弹簧：热轧钢丝或钢板制成，热轧钢丝或钢板制成，淬火淬火+中温回火中温回火(450550)组织：组织：回火回火T回回(4)(4)代表性钢种代表性钢种(5)(5)加工、热处理及性能加工、热处理及性能大型热卷弹簧大型热卷弹簧40(1)(1)用途用途制造滚动轴承的制造滚动轴承的滚动体滚动体(滚珠、滚柱、滚针滚珠、滚柱、滚
26、针)、内外套圈、内外套圈5滚珠轴承钢滚珠轴承钢滚珠滚珠滚珠轴承滚珠轴承41 轴承元件的工况复杂苛刻，性能要求很严，主要有：轴承元件的工况复杂苛刻，性能要求很严，主要有：高的接触疲劳强度高的接触疲劳强度高的硬度和耐磨性高的硬度和耐磨性 62HRC64HRC足够的韧性和淬透性足够的韧性和淬透性要求在大气和润滑介质中有一定的耐蚀能力和良好的要求在大气和润滑介质中有一定的耐蚀能力和良好的尺寸稳定性尺寸稳定性(2)(2)性能要求性能要求圆柱滚圆柱滚子轴承子轴承自动调自动调心球轴承心球轴承滚针滚针轴承轴承42高碳高碳 0.95%1.10%，保证高硬度、高耐磨性和高强度保证高硬度、高耐磨性和高强度铬为基本合
27、金元素铬为基本合金元素 0.401.65，铬提高淬透性铬提高淬透性；形成合金渗碳体，；形成合金渗碳体，提高耐磨性和疲劳强度提高耐磨性和疲劳强度加入硅、锰、钒等加入硅、锰、钒等 Si、Mn进一步提高淬透性，便于制造大型轴承；进一步提高淬透性，便于制造大型轴承；V部部分溶于奥氏体中，部分形成碳化物分溶于奥氏体中，部分形成碳化物VC，提高钢的耐磨，提高钢的耐磨性并防止过热。性并防止过热。高的冶金质量高的冶金质量 夹杂物往往是接触疲劳破坏的发源点夹杂物往往是接触疲劳破坏的发源点(3)(3)成分特点成分特点43过共析钢，过共析钢，球化退火球化退火+淬火低温回火淬火低温回火球化退火球化退火目的：降低钢的硬
28、度，以利于切削加工目的：降低钢的硬度，以利于切削加工 组织准备，获得细的球状组织准备，获得细的球状P和细粒状碳化物和细粒状碳化物 GCrl5 除轴承外也常制造冷冲模、量具、丝锥等。除轴承外也常制造冷冲模、量具、丝锥等。(4)(4)代表性钢种代表性钢种(5)(5)热处理及组织热处理及组织44淬火和低温回火淬火和低温回火 820840，150160。组织：组织：极细的极细的M回回+均匀分布的粒状碳化物均匀分布的粒状碳化物+少量少量A残残。稳定尺寸，淬火后可立即稳定尺寸，淬火后可立即“冷处理冷处理”(-60 -50)，并在回，并在回火和磨削加工后，进行火和磨削加工后，进行低温时效处理低温时效处理。4
29、5思考：选择制造下列零件的材料：思考：选择制造下列零件的材料：汽车齿轮、机床主轴汽车齿轮、机床主轴 、汽车板簧、汽车板簧 、滚珠。、滚珠。请选择请选择:20CrMnTi60Si2Mn GCr1545Q390(15MnV)463.2 合金钢合金钢3.2.1 3.2.1 概论概论3.2.2 3.2.2 合金结构钢合金结构钢3.2.3 3.2.3 合金工具钢合金工具钢3.2.4 3.2.4 特殊性能钢及合金特殊性能钢及合金低合金结构钢低合金结构钢渗碳钢渗碳钢调质钢调质钢弹簧钢弹簧钢滚珠轴承钢滚珠轴承钢不锈钢不锈钢耐热钢耐热钢耐磨钢耐磨钢刃具钢刃具钢模具钢模具钢量具钢量具钢16Mn（Q345）、）、1
30、5MnVN（Q420）20CrMnTi40Cr60Si2MnGCr15473.2.3 合金工具钢合金工具钢按用途分为按用途分为合金刃具钢合金刃具钢、模具钢模具钢、量具钢量具钢1.合金刃具钢合金刃具钢(1)(1)用途用途制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、钻头等制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、钻头等铣刀铣刀48n刃具的服役条件：刃具的服役条件：弯曲或扭转应力弯曲或扭转应力;摩擦；摩擦；发热发热;冲击冲击 震动震动n刃具的常见失效方式：刃具的常见失效方式：卷刃；崩刃；刀刃磨损；刀体折断卷刃；崩刃；刀刃磨损；刀体折断n对刃具的性能要求：对刃具的性能要求：高硬度高硬度（60HRC）高耐磨性高耐磨性
31、（与硬度、硬质相的性质、数量、大小、分布）（与硬度、硬质相的性质、数量、大小、分布）高热硬性高热硬性 热硬性热硬性是指钢在高温下保持高硬度的能力是指钢在高温下保持高硬度的能力(亦称红硬性亦称红硬性)，与回火稳定性和特殊碳化物的弥散析出有关。与回火稳定性和特殊碳化物的弥散析出有关。足够的塑性和韧性足够的塑性和韧性(2)(2)性能要求性能要求49低合金刃具钢低合金刃具钢u 典型钢种：典型钢种：9SiCru 成分特点：成分特点：a)高碳高碳，0.91.1，保证高硬度和高耐磨性保证高硬度和高耐磨性b)合金元素：合金元素：Cr、Mn、Si、W、V。(3)(3)典型合金刃具钢及其热处理典型合金刃具钢及其热
32、处理淬透性淬透性回火稳定性回火稳定性强化强化M硬度、耐磨性硬度、耐磨性 防过热、细化组织防过热、细化组织50u加工过程：加工过程：球化退火、机加工，然后淬火球化退火、机加工，然后淬火和低温回火和低温回火u组织：组织：M回回+粒状碳化物粒状碳化物+少量少量A残残。u用途：用途：低速切削刃具，如丝锥、板牙、绞低速切削刃具，如丝锥、板牙、绞刀、刮刀、拉刀、铣刀、车刀、钻头刀、刮刀、拉刀、铣刀、车刀、钻头T10、Cr、9SiCr钢的硬度与回火温度的关系钢的硬度与回火温度的关系丝锥丝锥板牙板牙51u典型钢种：典型钢种：钨钨 系系 W18Cr4V(18-4-1)W18Cr4V(18-4-1)钨钨-钼系钼系
33、W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)u成分特点：成分特点：a)高碳，高碳，0.71.5%b)合金元素：合金元素：Cr、W、Mo、V。高速钢（高碳高合金刃具钢高速钢（高碳高合金刃具钢,俗称风钢）俗称风钢）Cr23C6淬透性淬透性抗氧化、脱碳抗氧化、脱碳VC硬度和耐磨性硬度和耐磨性细化晶粒细化晶粒热硬性热硬性回火抗力回火抗力M6CW2C或或Mo2C二次硬化二次硬化高速钢冷轧钢带高速钢冷轧钢带52反复锻造反复锻造:成型和改善碳化物成型和改善碳化物莱氏体钢，铸态组织为亚共晶组织，莱氏体钢，铸态组织为亚共晶组织，由鱼骨状莱氏体与树枝状由鱼骨状莱氏体与树枝状M+T组成，组成，脆性大且无法热处理改善。脆性
34、大且无法热处理改善。打碎粗大打碎粗大M6C碳化物，并使其均匀碳化物，并使其均匀分布分布u高速钢的加工、热处理特点：高速钢的加工、热处理特点：制造工艺路线（制造工艺路线（W18Cr4V）下料下料锻造锻造球化退火球化退火机加工机加工淬火高温回火淬火高温回火精磨精磨成品成品W18Cr4V钢的铸态组织钢的铸态组织53球化退火：球化退火：降低硬度，便于机加工，降低硬度，便于机加工，为淬火做组织准备为淬火做组织准备组织：组织：S S基体和细小粒状基体和细小粒状碳化物碳化物W18Cr4V钢的退火组织钢的退火组织54淬火加热温度非常高，淬火加热温度非常高，1220 1280，获得高合金元素获得高合金元素含量的
35、马氏体。含量的马氏体。W18Cr4VW18Cr4V钢的淬火组织钢的淬火组织Fe77W18Cr4V1C相图相图淬火组织：淬火淬火组织：淬火M、碳化物和大量、碳化物和大量A。淬火：淬火：55多次高温回火：多次高温回火：常用常用550570三次回火三次回火AA残残，消除内应力、稳定组织。二次硬化，消除内应力、稳定组织。二次硬化，红硬性红硬性高速钢硬度与回火温度关系高速钢硬度与回火温度关系回火时的组织变化：回火时的组织变化：M M中析出中析出W W、MoMo、V V的碳化物，的碳化物，产生二次硬化。产生二次硬化。碳及合金元素含量下降，碳及合金元素含量下降，MsMs点上升，回火冷却时，点上升，回火冷却时
36、，A残残转变转变为为M M。二次硬化。二次硬化每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火，每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火，A残残量由量由30%1%30%1%56W18Cr4V钢淬火、回火后的组织钢淬火、回火后的组织回火组织：回火组织：M回回+细粒状碳化物细粒状碳化物+少量少量AW18Cr4V钢的热处理工艺过程示意图钢的热处理工艺过程示意图 57不同状态下不同状态下W18Cr4VW18Cr4V的组织的组织铸态铸态淬火回火态淬火回火态淬火态淬火态退火态退火态5859常用钢号及用途常用钢号及用途n常用钢号：常用钢号：W18Cr4V(18-4-1)W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)。n用于高速
37、切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀、钻头等。用于高速切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀、钻头等。车刀车刀铣刀铣刀高速钢铣刀高速钢铣刀60（1）冷模具钢）冷模具钢用途用途 冷冲模、冷镦模、冷挤压模冷冲模、冷镦模、冷挤压模和拉丝模等。和拉丝模等。工作温度不超过工作温度不超过300。2合金模具钢合金模具钢冷模具钢冷模具钢和和热作模具钢热作模具钢汽车冲压模具汽车冲压模具61u服役条件：服役条件：压力、弯曲力、冲击和摩擦。压力、弯曲力、冲击和摩擦。u常见失效方式：常见失效方式：磨损、崩刃、断裂和变形磨损、崩刃、断裂和变形u性能要求：性能要求：a.高硬度，高硬度，5862HRC;b高耐磨性；高耐磨性；c.足够的韧性和
38、疲劳抗力；足够的韧性和疲劳抗力；d.热处理变形小。热处理变形小。性能要求性能要求62a）高碳）高碳 1.0%,个别达个别达2.0%b）合金元素：高）合金元素：高Cr(11.513%Cr)、Mo、W、V成分特点成分特点钢种和牌号钢种和牌号Crl2型钢热处理变形很小，适合于制造重载和形状复型钢热处理变形很小，适合于制造重载和形状复杂的大型模具杂的大型模具Crl2MoV用于制造用于制造冷冲模、冷镦模、冷挤压模冷冲模、冷镦模、冷挤压模等。等。淬透性淬透性回火稳定性回火稳定性VC硬度和耐磨性硬度和耐磨性细化晶粒细化晶粒淬透性淬透性M7C3耐磨性耐磨性63b二次硬化法二次硬化法较高温度较高温度(1l00一
39、一1150)淬火，淬火，510520 回火三次，产回火三次，产生二次硬化红硬性和耐磨性都较高。但韧性较差生二次硬化红硬性和耐磨性都较高。但韧性较差适用于在适用于在400 450 温度下工作的模具。温度下工作的模具。a.一次硬化法一次硬化法较高温度较高温度(9501000)淬火，低温淬火，低温(150180)回火回火适用于重载模具。适用于重载模具。Crl2型钢热处理后组织：型钢热处理后组织：M回回+碳化物碳化物+A残残。热处理特点热处理特点64 用途用途 热锻模、热压模、热挤压模和压铸模等热锻模、热压模、热挤压模和压铸模等（2 2）热作模具钢）热作模具钢热模锻曲轴毛坯热模锻曲轴毛坯65 性能要求
40、性能要求 n 服役条件服役条件挤压；摩擦；交变温度；冲击；震动等挤压；摩擦；交变温度；冲击；震动等n 常见失效方式常见失效方式磨损；断裂；热疲劳（龟裂）等磨损；断裂；热疲劳（龟裂）等n 性能要求性能要求 a.a.高的热硬性和高温耐磨性；高的热硬性和高温耐磨性；b b高的抗氧化性能；高的抗氧化性能；c c高的热强性和足够的韧性；高的热强性和足够的韧性；d d高的热疲劳抗力，以防止龟裂破坏高的热疲劳抗力，以防止龟裂破坏 e.e.高的淬透性和导热性。高的淬透性和导热性。66a中碳中碳，0.30.6%，保证高强度和较高的热疲劳抗力保证高强度和较高的热疲劳抗力b较多的较多的提高淬透性提高淬透性的元素的元
41、素Cr、Ni、Mn、Si等，等，Cr又和又和Ni一起提高钢的回火稳定性。一起提高钢的回火稳定性。Ni在在强强化铁素体的同化铁素体的同时还增加钢的时还增加钢的韧性韧性，并与，并与Cr、Mo一起提高钢的淬透性一起提高钢的淬透性和耐热疲劳性能。和耐热疲劳性能。c产生二次硬化的产生二次硬化的Mo、W、V等等元素，元素，Mo还能还能防止防止第二类回火脆性第二类回火脆性，提高高温强度和回火稳定性。，提高高温强度和回火稳定性。成分特点成分特点67热锻模钢热锻模钢5CrMnMo、5CrNiMo热处理：热处理：淬火淬火+高温回火高温回火，组织：组织：回火索氏体或回火屈氏体回火索氏体或回火屈氏体。典型钢种典型钢种
42、热处理特点同调质钢热处理特点同调质钢683合金量具钢合金量具钢各种量测工具各种量测工具 性能要求性能要求 高硬度、高尺寸稳定性高硬度、高尺寸稳定性 成分特点成分特点 高高C，淬透，淬透Cr、W、Mn等等 量具用钢量具用钢 CrWMn（低变形钢）（低变形钢）热处理特点热处理特点 减少变形和提高尺寸稳定性减少变形和提高尺寸稳定性卡尺卡尺千分尺千分尺69分类：分类：化学腐蚀化学腐蚀，化学反应而破坏，不产生电流。，化学反应而破坏，不产生电流。电化学腐蚀电化学腐蚀，在电解质溶液中发生原电池作用而破坏的，在电解质溶液中发生原电池作用而破坏的过程，腐蚀过程中有电流产生。过程，腐蚀过程中有电流产生。物理溶解腐
43、蚀物理溶解腐蚀3.2.4 特殊性能钢及合金特殊性能钢及合金不锈钢不锈钢、耐热钢耐热钢、耐磨钢耐磨钢1不锈钢不锈钢（1）金属材料腐蚀的概念）金属材料腐蚀的概念70提高金属材料的耐蚀能力，三种方法：提高金属材料的耐蚀能力，三种方法：均匀的单相组织，均匀的单相组织，减少原电池形成的可能性减少原电池形成的可能性减小两极之间的电极电位差减小两极之间的电极电位差，并提高阳极电极电位。，并提高阳极电极电位。使金属使金属“钝化钝化”，减小甚至阻断腐蚀电流减小甚至阻断腐蚀电流，ZnZnZn-Cu原电池示意图原电池示意图珠光体腐蚀示意图珠光体腐蚀示意图电解液电解液71用途：制造在各种腐蚀介质中工作的零件或结构用途
44、：制造在各种腐蚀介质中工作的零件或结构性能要求：性能要求：耐蚀性；耐蚀性；工具工具高硬度、高耐磨性；重要高硬度、高耐磨性；重要结构零件结构零件高强度。高强度。（2）用途及性能要求）用途及性能要求（3）成分特点：）成分特点：低低C高高Cr碳含量碳含量耐蚀性要求愈高，碳质量分数应愈低；耐蚀性要求愈高，碳质量分数应愈低；0.1 0.2；C，Cr72加入最主要的合金元素加入最主要的合金元素铬铬 铬能铬能提高电极电位提高电极电位，12，电极电位急剧升高，电极电位急剧升高 铬是铬是F形成元素形成元素，12.7时，可使钢形成单一的时，可使钢形成单一的F组织组织 铬在氧化性介质中极易钝化，生成致密的铬在氧化性
45、介质中极易钝化，生成致密的氧化膜氧化膜73加入加入钛、铌钛、铌等等 Ti、Nb能优先同碳形成稳定能优先同碳形成稳定碳化物，使碳化物，使Cr保留在基体中，保留在基体中，避免晶界贫铬，从而减轻钢的避免晶界贫铬，从而减轻钢的晶界腐蚀倾向。晶界腐蚀倾向。晶间腐蚀晶间腐蚀304不锈不锈钢钢74加入加入镍镍 可获得单相可获得单相A组织，显著提高耐蚀性。组织，显著提高耐蚀性。加入加入钼、铜钼、铜等等 可提高钢在非氧化性酸中的耐蚀能力。可提高钢在非氧化性酸中的耐蚀能力。加入加入锰、氮锰、氮等等 部分代镍获得部分代镍获得A，并提高铬不锈钢在有机酸中的耐，并提高铬不锈钢在有机酸中的耐蚀性蚀性75（4）常用不锈钢）
46、常用不锈钢按按空冷空冷状态的组织分：状态的组织分：马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、奥氏体和铁素体双相不锈钢奥氏体不锈钢、奥氏体和铁素体双相不锈钢马氏体不锈钢（马氏体不锈钢（热轧空冷后基本上是热轧空冷后基本上是M）1Crl3、2Crl3、3Crl3、4Crl3随含碳量提高，强度、硬度提高，耐蚀性下降随含碳量提高，强度、硬度提高，耐蚀性下降.性能特点：满意的力学性能，中等耐蚀性性能特点：满意的力学性能，中等耐蚀性76n1Cr13、2Cr13n热处理热处理:淬火淬火+高温回火（调质）高温回火（调质）n使用状态下的组织使用状态下的组织:S回回n耐蚀性较好，且有较好
47、的综合力学性能。耐蚀性较好，且有较好的综合力学性能。n用途：用途：叶片、水压机阀、结构架、螺栓、螺帽等叶片、水压机阀、结构架、螺栓、螺帽等 汽轮机叶片汽轮机叶片透平转轮透平转轮77n3Cr13、4Cr13热处理：淬火热处理：淬火+低温回火。低温回火。使用状态下的组织：使用状态下的组织：M回回具有较高强度、硬度。具有较高强度、硬度。用途：制作耐蚀及具有较用途：制作耐蚀及具有较高硬度和耐磨性的医疗工高硬度和耐磨性的医疗工具、量具、滚珠轴承等。具、量具、滚珠轴承等。医疗器械医疗器械78铁素体不锈钢铁素体不锈钢(正火后基本上是正火后基本上是F)1Cr17、1Cr17Ti，成分特点：成分特点：高铬高铬1
48、730%，低碳低碳0.15%组织：组织：F，耐蚀性，耐蚀性Cr13型型热处理：退火或正火态下使用热处理：退火或正火态下使用可形变强化可形变强化性能特点：满意的耐蚀性性能特点：满意的耐蚀性,较低的力学性能较低的力学性能用途：硝酸、磷酸工业用零构件用途：硝酸、磷酸工业用零构件硝酸生产装置硝酸生产装置1Cr1779奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢(奥氏体状态下使用奥氏体状态下使用)1Cr18Ni9,1Crl8Ni9Ti，（，（18-8）成分：成分：C0.1%，耐蚀性很好，耐蚀性很好，加入，加入Ti或或Nb防止晶间腐蚀防止晶间腐蚀形变强化能力形变强化能力F型型性能特点：耐蚀性、塑性和韧性均较性能特点：耐蚀性、
49、塑性和韧性均较Cr13型好，无磁性型好，无磁性热处理：热处理：固溶处理：即加热到固溶处理：即加热到1100使碳化物溶解后水冷使碳化物溶解后水冷A。稳定化处理（含稳定化处理（含Ti或或Nb）：防止晶间腐蚀）：防止晶间腐蚀消除应力退火消除应力退火组织：单相奥氏体。组织：单相奥氏体。80应用最为广泛，如制作化工设备零件、输送管道、抗应用最为广泛，如制作化工设备零件、输送管道、抗磁仪表、医疗器械等磁仪表、医疗器械等反应釜反应釜(316L)大型化工储罐大型化工储罐(304)热交换器热交换器(316L)81n比较1Cr13、1Cr17、1Cr18Ni9 三种钢耐蚀性和强度的高低。n 最高 较高 较低n耐蚀
50、性：n强 度：1Cr18Ni91Cr171Cr131Cr18Ni91Cr171Cr1382（1）用途及性能要求）用途及性能要求高温装置：高温装置：加热炉、锅炉、燃气轮机等加热炉、锅炉、燃气轮机等抗氧化性抗氧化性 金属氧化膜的结构与性能金属氧化膜的结构与性能热强性热强性 热强性热强性是指钢在高温下的强度是指钢在高温下的强度。在高温下钢的强度较低，当受一定的应力作用时，在高温下钢的强度较低，当受一定的应力作用时，发生变形量随时间而逐渐增大的过程，这种过程叫发生变形量随时间而逐渐增大的过程，这种过程叫蠕变蠕变。原因：扩散加快和晶界强度下降原因：扩散加快和晶界强度下降2耐热钢耐热钢高温下具有高的高温下
