工程材料教学课件.ppt

1、大连交通大学工程材料课程大连交通大学工程材料课程工程训练中心工程训练中心工程材料工程材料 金属材料金属材料 非金属材料非金属材料黑色金属材料：黑色金属材料：钢和铸铁钢和铸铁 有色金属材料有色金属材料高分子材料高分子材料铜及铜合金铜及铜合金滑动轴承合金滑动轴承合金陶瓷材料陶瓷材料复合材料复合材料铝及铝合金铝及铝合金工程材料的分类工程材料的分类当今社会科学技术突飞猛进，新材料层出不穷，但到目前为止，在机械工业中使用最多的材料仍然是金属材料，其主要原因是因为它具优良的使用性能和加工工艺性能。金属材料金属材料的性能的性能 使用性能使用性能 加工工艺性能加工工艺性能机械性能：强度、硬度、塑性、韧性等机械

2、性能：强度、硬度、塑性、韧性等 铸造性能：流动性、收缩性等铸造性能：流动性、收缩性等 锻造性能：压力加工成型性等锻造性能：压力加工成型性等切削加工性能：车、铣、刨、磨的切削加工性能：车、铣、刨、磨的切削量，光洁度等切削量，光洁度等 物理性能：导电、导热、电磁、膨胀等物理性能：导电、导热、电磁、膨胀等 化学性能：抗氧化性、耐腐蚀性等化学性能：抗氧化性、耐腐蚀性等 焊接性能：熔焊性、焊缝强度、偏析等焊接性能：熔焊性、焊缝强度、偏析等 热处理性能：淬透性、回火稳定性等热处理性能：淬透性、回火稳定性等 第第1 1章章 钢的热处理钢的热处理热处理的概念热处理的概念1.1钢在加热时的转变钢在加热时的转变1

3、.2钢在冷却时的转变钢在冷却时的转变1.3钢的普通热处理钢的普通热处理1.4钢的表面热处理钢的表面热处理1.5钢的化学热处理钢的化学热处理钢的热处理钢的热处理把固态金属材料在一定介质中的加热、保温和把固态金属材料在一定介质中的加热、保温和冷却，以改变其组织和性能的一种工艺。冷却，以改变其组织和性能的一种工艺。1 1.1.1钢在加热时的转变钢在加热时的转变临界温度临界温度 平衡时：平衡时：A1、 A3、Acm加热时：加热时：Ac1、 Ac3、Accm 冷却时：冷却时：Ar1、Ar3、ArcmA1A3Acm1奥氏体的形成奥氏体的形成 Fe，C原子扩散和晶格改变的过程。原子扩散和晶格改变的过程。共析

4、钢加热到共析钢加热到AcAc1 1 以上时，以上时， P A P A 共析钢共析钢A A化过程化过程 形核形核 、长大、长大、 FeFe3 3 C C 完全溶解、完全溶解、C C 的均匀化。的均匀化。亚（过）析钢的亚（过）析钢的A A化化 P P A A ，首先是，首先是先共析先共析 F F 或或 FeFe3 3C C 溶解溶解。影响影响A转变速度的因素转变速度的因素加热温度和速度加热温度和速度 转变快转变快C%C%或或 FeFe3 3 C C片间距片间距 界面多，形核多界面多，形核多 转变快转变快合金元素合金元素 A A化速度化速度或或A 晶粒度：起始晶粒度晶粒度：起始晶粒度 实际晶粒度实际

5、晶粒度 本质晶粒度本质晶粒度加热温度，保温时间加热温度，保温时间 晶粒尺寸晶粒尺寸合金碳化物合金碳化物，C% C% 晶粒尺寸晶粒尺寸1 1.2.2钢在冷却时的转变：钢在冷却时的转变：1 1过冷过冷A A的等温转变的等温转变2 2过冷过冷A A的连续冷却的连续冷却转变转变1. 1. 过冷过冷A A的等温转变的等温转变过冷过冷A :T S T珠光体珠光体 P ，3800索氏索氏体体 S 8000屈氏体屈氏体 T 8000中温转变（中温转变（550 MS） C原子扩散，原子扩散， Fe原子不扩散原子不扩散过冷过冷A A 贝氏体贝氏体 B B（碳化物碳化物 + + 含过饱和含过饱和C C的的F F ）

6、：上：上B B，550 350550 350产产物物 羽毛状，小片状羽毛状，小片状FeFe3 3C C分布在分布在F F间。上间。上B B 强度和韧性差强度和韧性差光学显微照片光学显微照片 1300 电子显微照片电子显微照片 500045钢，上钢，上B+下下B，400 下下B， 350 MS 产物：下产物：下B 韧性高，综合机械性能好。韧性高，综合机械性能好。 F F 针内定向分布着细小针内定向分布着细小FeFe2.42.4C C颗粒颗粒电子显微照片电子显微照片 12000 12000T8T8钢，下钢，下B B，黑色针状黑色针状光学显微照片光学显微照片 400400 马氏体（马氏体（M）转变特

7、点转变特点 1) 无扩散无扩散Fe Fe 和和 C C 原子都不进行扩散，原子都不进行扩散，M M是是体心正方体心正方的的C C过饱和的过饱和的F F，固溶强化显著。固溶强化显著。2) 瞬瞬时性时性M M 的形成速度很快，的形成速度很快，温度温度则则 转变量转变量3) 不彻底不彻底M M 转变转变总要残留少量总要残留少量 A A，A A中的中的C%C% 则则 M MS S、M Mf f ，残余，残余A A含量含量4) M M形成时体积形成时体积，造成很大内应力。造成很大内应力。M 的形态的形态C% 1.0 % 时，为时，为针状针状M 。C% = 0.251.0 % 时，为时，为混合混合M 。F

8、e-1.8C，冷至，冷至-100Fe-1.8C，冷至，冷至-60M 的性能的性能C % M 硬度硬度针状针状M 硬度高，塑韧性差。硬度高，塑韧性差。板条板条M 强度高，塑韧性较好。强度高，塑韧性较好。亚亚（过）（过）共析钢共析钢过冷过冷A A的等温转变的等温转变01时间/sT/A1100200300400500600700800-100100101010102345AABAPBPM+AMfMs01时间/sT/100200300400500600700800-100100101010234AABAPBP+FM+AA3AFA+FMfMsA101时间/sT/A11002003004005006007

9、00800-100100101010235AMsMfABAPBP+Fe3CM+AAcmAFe3CA+Fe3C104与共析钢相比，与共析钢相比，C曲线左移，曲线左移，多一条过冷多一条过冷AF （Fe3C）的转变开始线，且的转变开始线，且Ms、Mf 线上线上（下）（下）移。移。2. 2. 过冷过冷A A的连续冷却转变的连续冷却转变连续冷却连续冷却 转变转变(CCT)曲线曲线Ps AP 开始线开始线Pf AP 终止线终止线KK P型转变终止线型转变终止线Vk 上临界冷却速度上临界冷却速度Vk 下临界冷却速度下临界冷却速度 MS A M 开始温度开始温度 Mf A M 终止温度终止温度连续冷却连续冷却

10、 转变产物转变产物CCT 和和 TTT曲线的比较曲线的比较CCT 位于位于 TTT曲线曲线 右下方右下方CCT中没有中没有 AB 转变转变炉冷炉冷 P (V )空冷空冷 S (V Vk)油冷油冷 T+M+A (Vk Vk) 水冷水冷 M+A (VVk)亚共析钢亚共析钢 连续冷却转变连续冷却转变炉冷炉冷 F + P空冷空冷 F + S油冷油冷 T + M水冷水冷 M过共析钢过共析钢 连续冷却转变连续冷却转变炉冷炉冷 P + Fe3C空冷空冷 S + Fe3C油冷油冷 T + M + A水冷水冷 M + A转变温度转变温度 对共析钢对共析钢 硬度硬度 和和 韧性韧性 的影响的影响按转变温度的高低，

11、按转变温度的高低，转变产物分别是：转变产物分别是：P、S、T，上上B、下下B、M，其硬度依次增加。其硬度依次增加。钢的普通热处理钢的普通热处理1 1退火退火2 2正火正火3 3淬火淬火4 4回火回火1 1退退火火加热、保温后，缓冷加热、保温后，缓冷( (炉冷炉冷) ) 近平衡组近平衡组织织 P（ + F 或或 Fe3CII ）完全退火完全退火（亚共析钢）（亚共析钢）加热温度加热温度 AcAc3 3 + + 20203030缓冷缓冷 F + P目的：目的：细化晶粒，均匀化组织细化晶粒，均匀化组织降低硬度降低硬度 切削性切削性等温退火：等温退火：等温转变等温转变F + P，再缓冷再缓冷球化退火球化

12、退火（过共析钢）（过共析钢）在在AcAc+ + 20203030等温，等温， 使使Fe3C球化，球化，再缓冷再缓冷 球状球状P（F +球状球状Cm）目的：目的：硬度硬度, ,切削性切削性, ,韧性韧性扩散退火扩散退火 加热至略低于固相线加热至略低于固相线 目的：使成分、组织均匀目的：使成分、组织均匀再结晶退火：再结晶退火： 加热温度加热温度 TR + 3050目的：消除加工硬化目的：消除加工硬化去应力退火去应力退火 加热温度加热温度 Ac1 ， 一般为一般为 500650目的：目的：消除冷热加工后的内应力消除冷热加工后的内应力正火正火 应用：应用： 1) 钢的最终热处理钢的最终热处理 细化晶粒

13、，组织均匀化，增加亚共析钢中细化晶粒，组织均匀化，增加亚共析钢中P(S)% 强度、韧性、硬度强度、韧性、硬度 2) 预先热处理预先热处理 淬火、球化退火前改善组织。淬火、球化退火前改善组织。 3) 增加低碳钢的硬度，以改善切削加工性能。增加低碳钢的硬度，以改善切削加工性能。加热温度加热温度 Ac3 ( Accm ) + 3050，空冷空冷 S （ + F 或或 Fe3CII ）3 3淬火淬火（蘸火）（蘸火）加热到加热到Ac3、Ac1以上，保温，快速冷却以上，保温，快速冷却 M 。淬火温度淬火温度1) 亚共析钢亚共析钢 Ac3 + 3050 2) 过共析钢过共析钢 Ac1 + 3050 ， M

14、+ Fe3CII + A ，硬度大。硬度大。 A中中C% M 脆性脆性 ，残余，残余A% 淬火温度低淬火温度低 M细小，淬火应力小。细小，淬火应力小。冷却介质冷却介质冷却速度：冷却速度： 盐水盐水 水水 盐浴盐浴 油油淬火方法淬火方法单介质淬火：水、油冷单介质淬火：水、油冷双介质淬火：水冷双介质淬火：水冷 + 油冷油冷分级淬火：分级淬火： Ms盐浴中均温空冷盐浴中均温空冷等温淬火（等温淬火（ 在盐、碱浴中）在盐、碱浴中） 下下B 钢的淬透性钢的淬透性淬火时得到淬火时得到M的能力，取决的能力，取决于临界冷却速度于临界冷却速度VK 。淬透性的应用淬透性的应用 按负载，选择不同淬透性的材料。按负载，

15、选择不同淬透性的材料。淬硬性淬硬性：淬火后获得的最高硬度，：淬火后获得的最高硬度，C%淬硬性淬硬性影响淬透性的因素影响淬透性的因素 除除Co外，合金使外，合金使VK , 淬透性淬透性(a)完全淬透完全淬透 (b)淬透较大厚度淬透较大厚度 (c)淬透较小厚度淬透较小厚度 淬透性不同的钢调质后机械性能的比较淬透性不同的钢调质后机械性能的比较 4 4回火回火淬火后，加热到淬火后，加热到Ac1以下，保温，冷却。以下，保温，冷却。目的：消除淬火应力，调整性能。目的：消除淬火应力，调整性能。低温回火（低温回火（150250） 回火回火M ( 过饱和过饱和F +薄片状薄片状Fe2.4C ) + A 淬火应力

16、淬火应力 ，韧性，韧性 ，保持淬火后的高硬度。，保持淬火后的高硬度。用于高用于高C工具钢等。工具钢等。中温回火（中温回火（350500） 回火回火T (F +细粒状细粒状Cm ) 弹性极限和屈服强度弹性极限和屈服强度，韧性和硬度中等，韧性和硬度中等。用于用于弹簧等。弹簧等。高温回火（高温回火（500650） 回火回火S (等轴状等轴状F +粒状粒状Cm ) 综合机械性能最好综合机械性能最好, 即强度、塑性和韧性都较好即强度、塑性和韧性都较好。用于用于重要零件。重要零件。 调质处理调质处理 淬火淬火 + 高温回火高温回火回火产物的组织形态比较回火产物的组织形态比较 回火回火M 400 回火回火T

17、 7500回火回火S 7500M低倍低倍 T 1000 S 1000 回火时性能的变化回火时性能的变化 回火温度回火温度 硬度、强度硬度、强度 ， 塑性塑性 钢的表面热处理钢的表面热处理表面淬火表面淬火 不改变心部组织，利用快速加热将表层不改变心部组织，利用快速加热将表层A化后进行淬火。化后进行淬火。目的目的 ： 提高表面硬度，保持心部良好的塑韧性。提高表面硬度，保持心部良好的塑韧性。感应加热表面淬火感应加热表面淬火交变磁场交变磁场 感应表面电流感应表面电流 表面加热表面加热特点特点1) 加热速度快，晶粒度小，硬度加热速度快，晶粒度小，硬度，脆性，脆性2) 表层残余压应力表层残余压应力 提高疲

18、劳强度提高疲劳强度3) 不易氧化、脱碳、变形小。不易氧化、脱碳、变形小。4) 加热温度和淬硬层厚度容易控制。加热温度和淬硬层厚度容易控制。火焰加热表面淬火火焰加热表面淬火（乙炔氧等火焰）（乙炔氧等火焰）设备简单，但生产率低。设备简单，但生产率低。钢的化学热处理钢的化学热处理将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入工件表层将工件置于特定的介质中加热、保温，使介质中的活性原子渗入工件表层，以改变表层的化学成分、组织和性能。，以改变表层的化学成分、组织和性能。分类分类 渗渗 C C、N N化、化、C C N N共渗、渗硼、渗铬、渗共渗、渗硼、渗铬、渗AlAl等等。钢的渗钢的渗 C C

19、 气体、固体渗气体、固体渗 C C低低C钢在高钢在高C介质中加热到介质中加热到900950、保温、保温 高碳表层（约高碳表层（约1.0%） 目的：表面硬度，耐磨性目的：表面硬度，耐磨性 ，心部保持一定的强，心部保持一定的强度和塑韧性。度和塑韧性。渗碳后的的热处理渗碳后的的热处理 淬火淬火直接淬火直接淬火 晶粒粗大，残余晶粒粗大，残余A多，耐磨性低，变形大。多，耐磨性低，变形大。一次淬火一次淬火 加热温度加热温度Ac3以上（心部性能以上（心部性能 ）或）或 Ac1以上（表面性能以上（表面性能 ）二次淬火二次淬火 Ac3以上（心部性能以上（心部性能 ）+ Ac1以上（表面性能以上（表面性能 ）低温

20、回火低温回火, 150200，消除淬火应力，提高消除淬火应力，提高韧性。韧性。钢的氮化钢的氮化工件表面渗入工件表面渗入N原子，以提高硬度、耐磨性，疲劳强度和耐蚀性。原子，以提高硬度、耐磨性，疲劳强度和耐蚀性。氮化温度低氮化温度低(500600)，时间长（，时间长（2050h），），渗层薄。渗层薄。氮化前调质处理、氮化后无须淬火。氮化前调质处理、氮化后无须淬火。小结小结重点要求重点要求1. 1. A A等温冷却曲线，转变温度与转变产物的组等温冷却曲线，转变温度与转变产物的组织形态织形态 、性能间的关系。、性能间的关系。2. A2. A连续冷却转变曲线的特点，冷却速度对组连续冷却转变曲线的特点，冷

21、却速度对组织和性能的影响。织和性能的影响。3. 3. 四种常规热处理的目的、工艺特点及应用。四种常规热处理的目的、工艺特点及应用。一般要求一般要求1. 1. A A晶粒长大的影响因素及控制方法。晶粒长大的影响因素及控制方法。 2. 2. 非共析钢非共析钢C C曲线的特点；淬透性的概念。曲线的特点；淬透性的概念。 3. 3. 钢的表面淬火；化学热处理。钢的表面淬火；化学热处理。第第3 3章章 合金钢合金钢3.1概述概述3.2合金钢的分类和编号合金钢的分类和编号3.3合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的作用3.4合金结构钢合金结构钢3.5合金工具钢合金工具钢合金钢合金钢碳素钢品种齐全，冶炼、加工成

22、型比较简单，价格低廉碳素钢品种齐全，冶炼、加工成型比较简单，价格低廉。经过一定的热处理后，其力学性能得到不同程度的改。经过一定的热处理后，其力学性能得到不同程度的改善和提高，可满足工农业生产中许多场合的需求。但是善和提高，可满足工农业生产中许多场合的需求。但是碳素钢的淬透性比较差，强度、屈强比、高温强度、耐碳素钢的淬透性比较差，强度、屈强比、高温强度、耐磨性、耐腐蚀性、导电性和磁性等也都比较低，它的应磨性、耐腐蚀性、导电性和磁性等也都比较低，它的应用受到了限制。因此，为了提高钢的某些性能，满足现用受到了限制。因此，为了提高钢的某些性能，满足现代工业和科学技术迅猛发展的需要，人们在碳素钢的基代工

23、业和科学技术迅猛发展的需要，人们在碳素钢的基础上，有目的地加人了锰、硅、镍、钒、钨、钼、铬、础上，有目的地加人了锰、硅、镍、钒、钨、钼、铬、钛、硼、铝、铜、氮和稀土等合金元素，形成了合金钢钛、硼、铝、铜、氮和稀土等合金元素，形成了合金钢。合金元素的加入，不但会对钢中的基本相、。合金元素的加入，不但会对钢中的基本相、FeFeFeFe，C C相图和钢的热处理相变过程产生较大的影响，同时还相图和钢的热处理相变过程产生较大的影响，同时还改变了钢的组织结构和性能，合金元素在钢中的作用是改变了钢的组织结构和性能，合金元素在钢中的作用是一个非常复杂的物理、化学过程。一个非常复杂的物理、化学过程。 3.2 合

24、金钢的分类和编号合金钢的分类和编号3.2.1 合金钢的分类合金钢的分类3.2.1.1按合金钢的用途分类按合金钢的用途分类 (1)合金结构钢合金结构钢 主要用于制造重要的机械零部件和工程结构件的钢。包主要用于制造重要的机械零部件和工程结构件的钢。包括普通低合金钢、易切削钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、括普通低合金钢、易切削钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。滚动轴承钢等。 (2)合金工具钢合金工具钢 主要用于制造重要工具的钢，包括刃具钢、模具钢、量主要用于制造重要工具的钢，包括刃具钢、模具钢、量具钢等。具钢等。 (3)特殊性能钢特殊性能钢 主要用于制造有特殊物理、化学、力学性能要求的钢主要用于

25、制造有特殊物理、化学、力学性能要求的钢，包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。，包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。3.2.1.2 按合金元素的含量分类按合金元素的含量分类碳钢：碳钢： (1)(1)低碳钢低碳钢: 0.25: 0.25c c (2) (2)中碳钢中碳钢: 0.25-0.6: 0.25-0.6c c (3) (3)高碳钢高碳钢: 0.6: 0.6c c合金钢：合金钢： (1)(1)低合金钢：钢中合金元素总的质量分数低合金钢：钢中合金元素总的质量分数WMe5WMe5。 (2)(2)中合金钢：钢中合金元素总的质量分数中合金钢：钢中合金元素总的质量分数WmeWme：5 51010。 (3) (3)高

26、合金钢：钢中合金元素总的质量分数高合金钢：钢中合金元素总的质量分数WMe10WMe10。3.2.1.3 按平衡状态或退火组织分类按平衡状态或退火组织分类可以分为可以分为: 亚共析钢亚共析钢 共析钢共析钢 过共析钢和莱氏体钢过共析钢和莱氏体钢 3.2.2合金合金钢的牌号表示方法钢的牌号表示方法3.2.2.1 合金结构钢的牌号表示方法合金结构钢的牌号表示方法 根据国家标准的规定，合金结构钢的牌号用根据国家标准的规定，合金结构钢的牌号用“两位数字两位数字+ +元素符元素符号十数字号十数字”表示。元素符号前两位数字表示钢的平均碳质量分表示。元素符号前两位数字表示钢的平均碳质量分数数wCwC，以万分之一

27、为单位计。元素符号用合金元素的符号表，以万分之一为单位计。元素符号用合金元素的符号表示，其后面的数字表示该合金元素的质量分数，以百分之一为示，其后面的数字表示该合金元素的质量分数，以百分之一为单位计。当单位计。当wMe1.5wMe1.5时，只标明元素名称，不标明质量分数；时，只标明元素名称，不标明质量分数；当当wMewMe(1.5(1.52.42.4) )，(2.5(2.53.43.4) )，时，则在元素时，则在元素符号后相应地标上符号后相应地标上2 2、3 3、4 4。如。如15MnV15MnV，表示碳的平均质量，表示碳的平均质量分数为分数为0.150.15C C，锰、钒的平均质量分数均小于

28、，锰、钒的平均质量分数均小于1.51.5的合金结的合金结构钢。若为高级优质钢，则在钢的牌号末尾加上构钢。若为高级优质钢，则在钢的牌号末尾加上“A”A”，如，如18Cr2Ni4WA18Cr2Ni4WA。对属于合金结构钢的滚动轴承钢，则采用另外的方法来表示对属于合金结构钢的滚动轴承钢，则采用另外的方法来表示其牌号。滚动轴承钢牌号的首位用其牌号。滚动轴承钢牌号的首位用“滚滚”或滚字的汉语拼音字或滚字的汉语拼音字首首“G”G”来表示其用途，后面紧跟的是滚动轴承的常用元素来表示其用途，后面紧跟的是滚动轴承的常用元素“Cr”“Cr”，其后数字则表示铬的质分数，以千分之一为单位计。，其后数字则表示铬的质分数

29、，以千分之一为单位计。如如GCrl5GCrl5，表示钢中铬的平均质量分数为，表示钢中铬的平均质量分数为1515。易切削钢牌号。易切削钢牌号的表示方法与相似，用的表示方法与相似，用“易易”或或“易易”字的汉语拼音宇首字的汉语拼音宇首“Y”Y”开头开头，后面和合金结构钢牌号表示方法无异，如，后面和合金结构钢牌号表示方法无异，如( (易易4040锰或锰或40Mn)40Mn)，表示，表示wCwC0.400.40，wMn15wMn15的易切削钢的易切削钢。3.2.2.2 合金工具钢的牌号表示方法合金工具钢的牌号表示方法与合金结构钢的牌号表示方法相比，合金工具钢中合金元与合金结构钢的牌号表示方法相比，合金

30、工具钢中合金元素的表示方法未变，如素的表示方法未变，如CrWMnCrWMn表示合金元素平均质量分数表示合金元素平均质量分数wCrwCr、wWwW、wMnwMn均小于均小于1.51.5，合金工具钢的碳含量表示方，合金工具钢的碳含量表示方法则有所不同，当法则有所不同，当C%1.0C%1.0，不标出碳质量分数，如，不标出碳质量分数，如CrWMnCrWMn钢。当钢。当wC1.0wC1.0时，用一位数字在最前面表示碳质时，用一位数字在最前面表示碳质量分数，以千分之一为单位计，其后紧随合金元素，如量分数，以千分之一为单位计，其后紧随合金元素，如9SiCr9SiCr表示碳质量分数平均为表示碳质量分数平均为0

31、.90.9C C，wSiwSi、wCrwCr皆小于皆小于1.51.5。高速工具钢的碳的平均质量分数无论是多少，都不标。高速工具钢的碳的平均质量分数无论是多少，都不标出。如出。如W18Cr4VW18Cr4V钢碳的平均质量分数在钢碳的平均质量分数在(0.7(0.7一一0.80.8)C)C之之间。间。3.2.2.3 特殊性能钢的牌号表示方法特殊性能钢的牌号表示方法特殊性能钢牌号的表示方法与合金工具钢基本相同，如特殊性能钢牌号的表示方法与合金工具钢基本相同，如9Crl89Crl8钢表示钢中碳的平均质量分数为钢表示钢中碳的平均质量分数为0.90.9C C，铬的平均质量分数为，铬的平均质量分数为1818C

32、rCr。但是不锈钢、耐热钢在碳质量分数很低时，表示方法。但是不锈钢、耐热钢在碳质量分数很低时，表示方法有所不同，当碳平均质量分数有所不同，当碳平均质量分数C0.03C0.03或或C0.08C0.08时，分别时，分别在第一个合金元素符号前冠在第一个合金元素符号前冠“00”00”或或“0”0”表示其碳平均质量表示其碳平均质量分数，如分数，如00Crl7Nil4M0200Crl7Nil4M02、0Crl8Ni90Crl8Ni9钢等。钢等。由于耐磨钢零件经常是铸造成型后就使用，其牌号最前面是由于耐磨钢零件经常是铸造成型后就使用，其牌号最前面是“ZG”“ZG”，表示铸钢，紧随其后是元素符号，然后是该元素

33、的平，表示铸钢，紧随其后是元素符号，然后是该元素的平均质量分数，以百分之一计，横杠后数字表示序号。如均质量分数，以百分之一计，横杠后数字表示序号。如ZGMnl3ZGMnl31 1表示铸造高锰钢，含锰平均为表示铸造高锰钢，含锰平均为1313MnMn，序号为，序号为1 1。3.3 合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的作用 3.3.1 合金元素在钢中存在的形式合金元素在钢中存在的形式（1 1）一部分合金元素可溶于铁素体中形成合金铁素体）一部分合金元素可溶于铁素体中形成合金铁素体（2 2）一部分合金元素则会溶于渗碳体中形成合金渗碳体）一部分合金元素则会溶于渗碳体中形成合金渗碳体（3 3）与碳相互作用形

34、成碳化物）与碳相互作用形成碳化物 一般将合金元素分为非碳化物形成元素和碳化物形成元素两类：一般将合金元素分为非碳化物形成元素和碳化物形成元素两类： 碳化物形成元素有（按强弱次序排列）：钛、锆、铌、钒、钨、碳化物形成元素有（按强弱次序排列）：钛、锆、铌、钒、钨、钼、铬、锰、铁。钼、铬、锰、铁。 非碳化物形成元素有：镍、硅、铝、钴等，非碳化物形成元素有：镍、硅、铝、钴等， （4 4）以游离形式存在（）以游离形式存在（CuCu、PbPb等）等）3.3.1.1 合金元素对铁素体的影响合金元素对铁素体的影响由于合金元素与铁在原子尺寸和晶格类型等方面存在由于合金元素与铁在原子尺寸和晶格类型等方面存在着一定

35、的差异，所以当合金元素溶人时，会使铁素体着一定的差异，所以当合金元素溶人时，会使铁素体的晶格发生不同程度的畸变，使其塑性变形抗力明显的晶格发生不同程度的畸变，使其塑性变形抗力明显增加，强度和硬度提高。合金元素与铁的原子尺寸和增加，强度和硬度提高。合金元素与铁的原子尺寸和晶格类型相差愈大，引起的晶格畸变愈大，产生的固晶格类型相差愈大，引起的晶格畸变愈大，产生的固溶强化效应愈大。此外，合金元素常常分布在位错附溶强化效应愈大。此外，合金元素常常分布在位错附近，降低了位错的可动性，增大了位错的滑移抗力，近，降低了位错的可动性，增大了位错的滑移抗力，也提高了强度和硬度也提高了强度和硬度。 两图反映了合金

36、元素对铁素体硬度和冲击韧性的影响两图反映了合金元素对铁素体硬度和冲击韧性的影响3.3.1.2 合金元素对渗碳体和特殊碳化物的影响合金元素对渗碳体和特殊碳化物的影响 合金元素是溶人渗碳体，还是形成特殊碳化物，是由它们与碳亲和合金元素是溶人渗碳体，还是形成特殊碳化物，是由它们与碳亲和能力的强弱程度所决定的。能力的强弱程度所决定的。 （1 1）强碳化物形成元素钛、锆、铌、钒）强碳化物形成元素钛、锆、铌、钒等，倾向于形成特殊碳化等，倾向于形成特殊碳化物。物。 （2 2）中强碳化物形成元素钨、钼、铬等，可形成渗碳体类型碳化）中强碳化物形成元素钨、钼、铬等，可形成渗碳体类型碳化物，又可形成特殊碳化物。物，

37、又可形成特殊碳化物。 （3 3）弱碳化物形成元素锰，一般形成合金渗碳体）弱碳化物形成元素锰，一般形成合金渗碳体 3.3.2 合金元素对合金元素对FeFe3C相图的影晌相图的影晌3.3.2.1 合金元素对合金元素对r相区的影响相区的影响 合金元素对合金元素对r相区的影响相区的影响 (a)扩大扩大r相区；相区；(b)缩小缩小r相区相区 扩大扩大r r相区元素相区元素( (能使能使r r相区扩大相区扩大):):镍、锰、钴、碳、氮、铜镍、锰、钴、碳、氮、铜等等, ,使使A3A3，点下降，点下降，A4A4点上升。点上升。缩小缩小r r相区元素相区元素( (能使能使r r相区缩小相区缩小):):铬、钒、钼

38、、钨、钛、铝铬、钒、钼、钨、钛、铝、硅、硼、铌、锆等、硅、硼、铌、锆等, ,使使A3A3点上升，点上升，A4A4点下降。点下降。 3.3.2.2 合金元素对合金元素对S点和点和E点的影响点的影响 扩大扩大r r区元素锰、镍等会使区元素锰、镍等会使S S点和点和E E点向左下方移动；点向左下方移动；缩缩r r区元素铬、硅等会使区元素铬、硅等会使S S点和点和E E点向左上方移动，点向左上方移动， 3.3.3 合金元素对钢在加热和冷却时转变的影响合金元素对钢在加热和冷却时转变的影响 3.3.3.1 合金元素对钢在加热转变时的影响合金元素对钢在加热转变时的影响(1)对奥氏体化的影响对奥氏体化的影响强

39、碳化物形成元素钛、铌、锆强碳化物形成元素钛、铌、锆延缓奥氏体化过程。延缓奥氏体化过程。非碳化物形成元素镍、钴等促进奥氏体转变。非碳化物形成元素镍、钴等促进奥氏体转变。(2)对奥氏体晶粒尺寸的影响对奥氏体晶粒尺寸的影响 除锰以外的大多数合金元素都有阻碍奥氏体晶粒长大的趋势除锰以外的大多数合金元素都有阻碍奥氏体晶粒长大的趋势强碳化物形成元素钛、锆、铌、钒的作用尤为明显强碳化物形成元素钛、锆、铌、钒的作用尤为明显 非碳化物形成元素硅、镍、铜等对奥氏体晶粒长大影响不大非碳化物形成元素硅、镍、铜等对奥氏体晶粒长大影响不大 3 3.3.3.2 含金元素对过冷奥氏体转变的影响含金元素对过冷奥氏体转变的影响

40、（1）对）对“C”曲线的影响：曲线的影响： 除钴以外的大多数合金元素都不同程度地使除钴以外的大多数合金元素都不同程度地使C C曲线右移，增大过冷曲线右移，增大过冷奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性（奥氏体的稳定性，提高钢的淬透性（只有当合金元素完全溶人奥只有当合金元素完全溶人奥氏体中才会产生以上的作用）。氏体中才会产生以上的作用）。（2）对）对Ms点的影响：点的影响： 除钴、铝以外，大多数合金元素溶人奥氏体中会降低钢的除钴、铝以外，大多数合金元素溶人奥氏体中会降低钢的Ms点，点，增加了钢中的残余奥氏体的数量增加了钢中的残余奥氏体的数量 3.4 合金结构钢合金结构钢 3.4.1 普通低合金结构钢普通

41、低合金结构钢 3.4.2 易切削钢易切削钢 3.4.3 渗碳钢渗碳钢 3.4.4 调质钢调质钢 3.4.5 弹簧钢弹簧钢 3.4.6 滚动轴承钢滚动轴承钢 3.4.1 普通低合金结构钢普通低合金结构钢普通低合金结构钢普通低合金结构钢(简称普低钢简称普低钢) : 在低碳碳素结构钢的基在低碳碳素结构钢的基础上加入少量合金元素础上加入少量合金元素( (总总wMe3wMe3) )得到的钢。得到的钢。 化学成分化学成分：普低钢中碳的平均质量分数一般不大于普低钢中碳的平均质量分数一般不大于0.20.2C C 主加合金元素为主加合金元素为MnMn热处理特点：热处理特点：普低钢通常是在热轧或正火状态下使用，一

42、般普低钢通常是在热轧或正火状态下使用，一般 不再进行热处理。不再进行热处理。 3.4.2 易切削钢易切削钢为了提高钢的切削加工性能，常常在钢中加入一种或数为了提高钢的切削加工性能，常常在钢中加入一种或数种合金元素，形成了易切削钢，常用的合金元素有硫、种合金元素，形成了易切削钢，常用的合金元素有硫、铅、钙、磷等。铅、钙、磷等。 3.4.3 渗碳钢渗碳钢用来制造渗碳零件的钢称为渗碳钢用来制造渗碳零件的钢称为渗碳钢化学成分化学成分 ：C:0.10C:0.100.250.25 加入合金元素加入合金元素NiNi、CrCr、MnMn、B B、TiTi、V V等等 . .典型钢号：典型钢号：20Cr20Cr

43、、20CrMnTi20CrMnTi、20CrNiW 20CrNiW 热处理特点热处理特点: 预先热处理一般采用正火工艺，渗碳后热处理一般是预先热处理一般采用正火工艺，渗碳后热处理一般是 淬火淬火+ +低温回火低温回火，或是渗碳后直接淬火。，或是渗碳后直接淬火。性能要求：性能要求：内软外硬内软外硬应用：应用：齿轮、模具、轴类齿轮、模具、轴类工艺流程：工艺流程：下料下料锻造锻造正火正火粗加工粗加工淬火淬火+ +低温回火低温回火精加工精加工3.4.4 调质钢调质钢调质钢调质钢: 经调质处理后使用的钢称为调质钢，根据是否含合经调质处理后使用的钢称为调质钢，根据是否含合金元素分为碳素调质钢和合金调质钢金

44、元素分为碳素调质钢和合金调质钢。化学成分化学成分 ： 调质钢一般是中碳钢，钢中碳的质量分数在调质钢一般是中碳钢，钢中碳的质量分数在(0.30(0.300.500.50)C)C之间。合金调质钢的主加元素是之间。合金调质钢的主加元素是CrCr、NiNi、SiSi、MnMn、B B、V V、TiTi、Nb.Nb.典型钢号：典型钢号：40Cr40Cr、35CrMo35CrMo、30CrMnSi30CrMnSi热处理特点热处理特点: 预先热处理采用退火或正火工艺预先热处理采用退火或正火工艺 ，最终热处，最终热处理是理是淬火十高温回火淬火十高温回火 性能特点：性能特点：整体综合机械性能好整体综合机械性能好

45、应用：应用：轴、螺栓、传动件等轴、螺栓、传动件等工艺流程：工艺流程：下料下料锻造锻造完全退火完全退火粗加工粗加工调质处理调质处理精精加工加工3.4.5 弹簧钢弹簧钢 弹簧钢弹簧钢: 用来制造各种弹性零件如板簧、螺旋弹簧、钟表发用来制造各种弹性零件如板簧、螺旋弹簧、钟表发条等的钢称为弹簧钢。条等的钢称为弹簧钢。化学成分化学成分：弹簧钢的碳质量分数在弹簧钢的碳质量分数在(0.40 0.70)C之间之间，合金弹簧钢中的主加合金元素是，合金弹簧钢中的主加合金元素是Si、Mn、Cr。典型钢号。典型钢号：60Si2Mn、65Mn、热处理特点热处理特点: 热处理是热处理是淬火十中温回火淬火十中温回火 性能特

46、点：性能特点：弹性好弹性好应用：应用：弹性元件弹性元件工艺流程：工艺流程：下料下料成型成型热处理热处理成品成品3.4.6 滚动轴承钢滚动轴承钢滚动轴承钢滚动轴承钢 用来制作各种滚动轴承零件如轴承内外套圈，滚动用来制作各种滚动轴承零件如轴承内外套圈，滚动体体( (滚珠、滚柱、滚针等滚珠、滚柱、滚针等) )的专用钢称为滚动轴承钢。的专用钢称为滚动轴承钢。化学成分化学成分 ：滚动轴承钢碳的质量分数较高，一般在滚动轴承钢碳的质量分数较高，一般在(0.95(0.95 1.101.10)C)C之间之间 。铬是滚动轴承钢的基本合金元素，其质量分数。铬是滚动轴承钢的基本合金元素，其质量分数为为(0.4(0.4

47、1.051.05)Cr)Cr。典型钢号：。典型钢号：GCr15GCr15、GCr9GCr9热处理特点热处理特点 ：滚动轴承的预先热处理采用球化退火，最终热处滚动轴承的预先热处理采用球化退火，最终热处理一般是理一般是淬火淬火+ +低温回火低温回火。性能特点：性能特点：高硬度、高耐磨性能高硬度、高耐磨性能应用：应用：滚动轴承、工模具等滚动轴承、工模具等工艺流程：工艺流程：下料下料锻造锻造球化退火球化退火粗加工粗加工最终热处理最终热处理精精加工加工冷处理冷处理3.5 合金工具钢合金工具钢在碳素工具钢基础上加人一定种类和数量的合金元素，用在碳素工具钢基础上加人一定种类和数量的合金元素，用来制来制 造各

48、种刃具、模具、量具等用钢就称为合金工具钢造各种刃具、模具、量具等用钢就称为合金工具钢。与碳素工具钢相比，合金工具钢的硬度和耐磨性更高，。与碳素工具钢相比，合金工具钢的硬度和耐磨性更高，而且还具有更好的淬透性、红硬性和回火稳定性。因此常而且还具有更好的淬透性、红硬性和回火稳定性。因此常被用来制作截面尺寸较大、几何形状较复杂、性能要求更被用来制作截面尺寸较大、几何形状较复杂、性能要求更高的工具。高的工具。分类：分类： 刃具钢刃具钢 模具钢模具钢 量具钢量具钢3.5.1 刃具钢刃具钢用来制造车刀、铣刀、锉刀、丝锥、钻头、板牙等刃具的用来制造车刀、铣刀、锉刀、丝锥、钻头、板牙等刃具的钢统称为刃具钢。钢

49、统称为刃具钢。 低合金刃具钢低合金刃具钢 ：低合金刃具钢碳的平均质量分数大都在低合金刃具钢碳的平均质量分数大都在(0.75(0.75-1.5-1.5)C)C之间，合金元素：之间，合金元素：CrCr、SiSi、MnMn、W W 。典。典型钢号：型钢号：9SiCr9SiCr、9Mn2V9Mn2V、CrWMnCrWMn热处理特点热处理特点 ：预先热处理采用球化退火，最终热处理一预先热处理采用球化退火，最终热处理一般是淬火般是淬火+ +低温回火。低温回火。性能特点：性能特点：高硬度高锋利度、高耐磨性能高硬度高锋利度、高耐磨性能应用应用：制造车刀、铣刀、锉刀、丝锥、钻头、板牙等刃具：制造车刀、铣刀、锉刀

50、、丝锥、钻头、板牙等刃具工艺流程：工艺流程：下料下料锻造锻造球化退火球化退火粗加工粗加工最终热处理最终热处理精加工精加工高合金工具钢高合金工具钢 （高速钢）（高速钢） 高速钢的碳含量较高，一般为高速钢的碳含量较高，一般为(0.70(0.70-1.50-1.50)C)C。合金含。合金含量超过量超过15%15%。典型钢号：。典型钢号：W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2W18Cr4V,W6Mo5Cr4V2 热处理特点热处理特点 ：高速钢高速钢淬火后要在淬火后要在560560回火三次。回火三次。淬火温淬火温度接近熔点度接近熔点 性能特点：性能特点：高硬度高红硬性、高耐磨性能高硬度高红硬性、高耐磨性能