《 机械工程材料-4章 钢铁材料.ppt

1、为什么在卧式车床上使用这么多的钢铁材料呢？1 工业用钢的分类按用途分结构钢工具钢特殊性能钢不锈钢耐酸钢耐磨钢耐热钢刃具钢量具钢模具钢工程用钢：建筑、桥梁、船舶、车辆机器用钢：调质钢、弹簧钢、轴承钢4.1 工业用钢的基本知识4.1.1 工业用钢的分类及牌号表示按化学成分 低碳钢（WC0.25%）碳 钢 中碳钢（WC=0.250.6%）高碳钢（WC 0.6%）低合金钢（WM5%）合金钢 中合金钢（WM=510%）高合金钢（WM10%）普通质量钢（WP0.045%，WS 0.055%）优质钢 （WP 0.040%，WS 0.040%）高级优质钢（WP 0.035%，WS 0.030%）按冶金质量分2

2、.工业用钢的编号方法1）碳素钢 普通碳素结构钢 Q 235A F Q XXXX X脱氧方法符号：F、B、Z、TZ质量等级符号：A、B、C、D钢的屈服强度数值（MPa）屈服强度按炼钢脱氧方法分：按炼钢脱氧方法分：沸腾钢（沸腾钢（F F）：脱氧不完全）：脱氧不完全镇静钢（镇静钢（Z Z）：脱氧完全。默许状态，不标注。）：脱氧完全。默许状态，不标注。半镇静钢（半镇静钢（B B）：脱氧程度介于两者之间）：脱氧程度介于两者之间特殊镇静钢（特殊镇静钢（TZTZ）质量等级符号含义A：只保证力学性能，要求最低B：只保证化学成分；C：保证力学性能、化学成分；D：保证力学性能、化学成分、金相组织。例：Q235-A

3、F的含义 Q235-C的含义优质碳素结构钢45（两位数字）两们数字表示钢中平均含碳量，单位：万分之一，0.01%注：如是高级优质钢，在牌号后加“A”表示。沸腾钢、镇静钢及专门用途钢则在牌号后表示出来。如含Mn较高，后面加“Mn”。例如：45钢表示平均含碳量为0.45的优质碳素结构钢；40Mn表示含碳量0.40、含Mn较多的优质碳素结构钢；15g表示含碳量0.15的锅炉钢提问：08F的含义？45A的含义？T XX X 例如：T8、T10A若为高级优质碳素工具钢，加“A”钢中平均含碳量Wc，单位：千分之一，0.1。碳素工具钢标记 T碳素工具钢碳素铸钢ZG XXX-XXX最低抗拉强度(Rm)最低屈服

4、强度(Rel或R0.2)铸造碳钢牌号标记 ZG 例如：ZG230-450注：当合金元素含量小于1.5时，只标明元素符号，不标含量；当含量大于1.5%、2.5%、3.5%等，则相应地在元素符号后面标注2、3、4。合金结构钢若为高级优质钢，则在钢号后面加“A”。如38CrMoAlA。例60Si2Mn：平均含碳量为0.6、含硅量约为2，含锰量1.5。2）合金钢二位数字 +元素符号 +数字 合金元素含量，单位1%合金元素符号 平均含碳量，单位：万分之一，0.01%合金结构钢合金工具钢一位数字一位数字+元素符号元素符号+数字数字 合金元素含量，单位1%合金元素符号 平均含碳量，单位：0.1%；WcWc1

5、%1%时不标出时不标出注：当合金元素含量小于1.5时，只标明元素符号，不标含量；当含量在1.5%2.5%时标2，在2.5%3.5%时标3当Wc1%时，不标出含碳量，避免与合金结构钢混淆。高速钢（W18Cr4V，Wc=0.7%-0.8%）例外。例：9SiCr表示Wc=0.9，Si、Cr的含量都小于1.5。特殊用途合金钢前合金元素含量，单位：1%1.5%省略不写。含碳量，单位：0.1%。当Wc0.03%，用“00”表示；当Wc0.08%，用“0”表示 不锈钢数字数字+元素符号元素符号+数字数字+例：00Cr18Ni10表示Wc0.03%、含铬量为18，含镍量10的不锈钢。提问：1Cr18Ni10的

6、含义？3Cr13的含义？4.1.2 合金元素的作用1 钢中的元素基本元素：Fe、C；常存元素：Si、Mn、P、S、O、N、H；合金元素：为了改善合金组织和提高合金性能而加入的元素。钢中的主要元素是Fe和C，此外Si、Mn、P、S是任何钢中都有的基本元素。硅和锰在钢中能起到脱氧作用，锰还能与硫结合来生成MnS，减轻硫的有害作用。硫和磷是钢中的有害元素，应该严格控制其含量。合金元素在钢中的主要存在形式是：溶入基体中形成固溶体，对基体起固溶强化作用。与其它元素一起形成强化相，形成金属间化合物，或溶入碳化物中形成合金碳化物。合金元素溶入铁素体对合金性能的影响2 与铁的相互作用 奥氏体形成元素：即扩大奥

7、氏体相区的元素，包括Ni、Mn、Co、Cu、Zn、N等。如欲得到室温奥氏体钢时，需向钢中加入奥氏体形成元素。铁素体形成元素：即缩小奥氏体相区的元素，包括Cr、Mo、W、Ti、Si、Al、B等。如欲得到室温铁素体钢，需向钢中加入铁素体形成元素。3 与碳的相互作用 碳化物形成元素强碳化物形成元素形成简单而稳定的碳化物。这些碳化物熔点及硬度都很高。如VC、NbC、TiC等。某些碳化物形成元素可形成复杂碳化物，如Cr7C3、Cr23C6。非碳化物形成元素它们形成碳化物的能力低于铁，在钢中无法形成碳化物。如Ni、Al、Si、Co、Cu等。材料：高铬铸铁（C2.65%;Cr15.4%;Mo2.5%）工艺情

8、况：920正火，240回火浸蚀方法：4%硝酸酒精溶液浸蚀组织说明：基体为回火针状M和残余奥氏体，白色大块状为合金碳化物及共晶莱氏体。4 合金元素对钢热处理的影响Ni、Mn、Si等元素使C曲线右移合金元素使碳的析出和扩散速度减慢，减缓奥氏体转变速度，提高淬透性。增加过冷奥氏体转变的孕育期，使壁厚更大的零件能够淬透。常用来提高淬透性的合金元素是Cr、Mn、Ni、W、Mo、V、Ti等。除Co、Al外能溶入奥氏体中的合金元素，均可减慢奥氏体的分解速度，使C曲线向右下移，并降低Ms点。提高淬透性Cr、W、Mo等元素不仅使C曲线右移，还使C曲线的珠光体转变区域和贝氏体转变区域发生分离，形成各自独立的两个C

9、。大部分合金元素，能阻碍Fe原子和C原子的扩散，从而减缓奥氏体的形成过程。因此合金钢热处理时加热温度较高、保温时间较长。减缓奥氏体形成过程对回火转变的影响合金元素提高淬火钢的回火稳定性。合金元素能使铁原子和碳原子扩散速度减慢，淬火钢回火时马氏体分解减慢，析出的碳化物难于聚集长大，保持一种较细小、分散的状态。因此淬火回火后合金钢的硬度和强度高，这有利于提高结构钢的强度、韧性和工具钢的红硬性。合金元素使钢产生二次硬化现象。高合金钢在500600度范围回火时，其硬度并不降低，反而升高，这种现象称为二次硬化。合金钢与碳钢的临界淬火直径4.2 碳素钢碳素钢优点：冶炼工艺简单；强度、硬度取决于含碳量，可热

10、处理强化；压力加工和机械加工性能好；价格低廉；使用广泛。缺点：淬透性低，回火稳定性差；无特殊性能：耐热、耐低温、耐腐性差；强度不够高。上面零件材料：T10A；热处理要求：5660HRC，工艺路线？普通碳素结构钢简称普钢。普钢易于冶炼、成本低廉，能满足多数工程构件的性能要求。普钢用量很大，约占工程用钢总量的7080%，大部分用来制作钢结构，少量用来制作机器零件。普钢主要保证力学性能，对成分要求不严格，磷、硫含量较高。普钢通常以热轧状态供应，一般不经热处理强化。牌号：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。4.2.1 普通碳素结构钢优质碳素结构钢，简称优钢，产量仅次于普钢，广泛应用于较重

11、要的机械零件。优钢既要保证力学性能，又要保证化学成分，钢中的磷、硫含量较低。优钢使用前一般都需要进行热处理。常用牌号：08：冷冲压材料，如汽车外壳、仪器仪表外壳。1025：低碳、塑性好，作冲压件和焊接件。20钢可渗碳。3050：中碳，经调质后可获得良好的综合性能，常用于制作受力较大的重要零件：传动轴、连杆、机床齿轮等。5070：高碳，经淬火+中温回火后，高的强度、硬度、弹性极限及屈服强度，具有一定塑性、韧性；用于制作弹簧、钢丝绳、弹簧垫圈等。4.2.2 优质碳素结构钢碳素工具钢的含碳量在0.651.35，随着含碳量的增加，耐磨性增加，韧性下降。预备热处理为：“正火+球化退火”。正火用来消除锻造

12、组织中的网状碳化物；球化退火降低硬度，获得球状珠光体，为淬火作组织准备。最终热处理为：“淬火低温回火”（回火温度180200）。碳素工具钢的优点是成本低，冷热加工工艺性好，在手用工具和机用低速切削工具上有较广泛的应用。与合金工具钢相比，碳素工具钢的淬透性低、组织稳定性差且热硬性差、综合力学性能欠佳，故一般只用于尺寸不大、形状简单、要求不高的低速切削工具。4.2.3 碳素工具钢正火+球化退火后锻造组织淬火+低温回火后组织为：回火马氏体细粒状渗碳体少量残余奥氏体T7、T8 钢韧性较高，适于制造承受一定冲击的工具，随含碳量的增高，碳素工具钢耐冲击能力变差而耐磨性提高。碳素铸钢是以碳为主要合金元素的铸

13、钢。其含碳量为0.150.6%，含碳量过高会造成塑性不足，易产生裂纹；钢中磷和硫含量稍高。碳素铸钢具有较高的强度、塑性和韧性，且成本较低，用于制造重型机械中承受大负荷的零件，如轧钢机机架、液压机底座等；在铁路车辆上用于制造受力大且承受冲击的零件。常用的牌号：ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570、ZG340-640。4.2.4 碳素铸钢4.3 合金结构钢 合金钢具有碳钢所不具备的优良力学性能或其它特殊性能。合金钢具有较高的强度和韧性，良好的耐腐蚀性、耐热性等。此外，合金钢还具有较好的工艺性能，如冷变形性、淬透性、回火稳定性等。4.3.1 低合金高强度结构

14、钢 简称为普低钢，加入少量合金元素，具有较高强度的优质钢。普低钢广泛应用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等工程结构。1 性能要求普低钢强度高、塑性韧性好，可提高构件的可靠性，并能减轻重量，节约钢材。2 化学成分特点WC0.25，以提高韧性、满足焊接和冷塑性成形要求。加入Mn固溶强化铁素体和细化珠光体；加入铌、钛或钒等元素形成碳化物，起细化晶粒和弥散强化的作用。3 热处理与组织性能特点普低钢一般在热轧、空冷状态下使用，其组织为“铁素体+珠光体”。若为改善焊接区性能，也可进行正火。4 常用普低钢在较低强度级别的钢中，以Q345（16Mn）最具有代表性，其强度比碳素结

15、构钢高2030，耐大气腐蚀性比碳素结构钢高约2038。例如南京长江大桥、广州电视塔等都采用了Q345(16 Mn)钢来制造。Q420(15MnVN)是具有代表性的中等强度级别的钢种，广泛用于制造大型桥梁、锅炉、船舶和焊接结构。4.3.2 合金渗碳钢渗碳钢是使用前需要经过渗碳处理的钢种，应用于表面遭受强烈磨损的零件，同时零件又承受交变应力或冲击载荷作用的情况，如变速齿轮，内燃机凸轮轴、活塞销，气门顶杆等。1 性能要求要求表面硬度高，以保证零件优异的耐磨性和较高的接触疲劳抗力；要求心部韧性和强度足够高，以免零件在冲击或交变载荷作用下断裂；渗碳钢还需要具有良好的淬透性和热处理工艺性。2 成分特点WC

16、0.100.25%。含碳量过高零件心部韧性降低。加入合金元素来提高淬透性，提高心部的综合性能。常用的合金元素有Mn、Ni、Cr、B、Si等。3 热处理与组织性能特点热处理工艺为：在渗碳前采用正火作为预备热处理；进行渗碳；渗碳后直接淬火，再低温回火作为最终热处理。淬火回火后，表面渗碳层为“合金渗碳体+马氏体+少量残余奥氏体”组织，表面层硬度达5864HRC，具有相当高的耐磨性。心部组织在完全淬透时为“回火马氏体”，硬度为4048HRC；在未完全淬透时为“屈氏体+回火马氏体+少量铁素体”，硬度为2540HRC。心部断裂韧性一般都高于70J/cm2。4.3.3 合金调质钢1 性能要求为满足承受复杂载

17、荷的要求，尤其是承受较大动载荷或复合应力的要求，调质件需要具有优良的综合力学性能，即：具有高的强度和良好的塑性、韧性。为了能实现调质处理，调质钢还须具有足够的淬透性。2 成分特点调质钢的含碳量范围为0.350.55(碳素钢)或0.250.50(合金钢)。如含碳量偏低马氏体强度不足，含碳量过高则塑性韧性降低。在调质钢中加入Cr、Mo、Mn、Ni、Si、B等合金元素提高淬透性。3 热处理与性能特点生产工艺过程：毛坯正火或退火粗加工调质处理精加工。毛坯粗加工前进行正火或退火作为预备热处理，以调整组织并降低硬度，便于切削加工。进行调质处理作为最终热处理，以获得回火索氏体组织，使零件具有高强度、高韧性相

18、结合的综合力学性能。40CrNiMo钢淬火后硬度在44HRC以上，经高温回火后硬度降低到1823HRC，能满足综合力学性能要求。回火索氏体碳素调质钢:45钢钢，用于载荷低、小尺寸的重要零件合金调质钢 低淬透性：40Cr，用于一般尺寸的重要零件；中淬透性：35CrMo，用于截面较大、受较大载荷的重要零件；高淬透性：38CrMoAl，用于截面大、受大载荷的重要零件4.3.4 弹簧钢1 使用性能要求弹簧应用在冲击、振动、周期性扭转、反复弯曲等交变应力为主的工况下。弹簧利用材料的弹性变形来吸收和释放能量，以达到传递能量、减轻振动、减轻冲击的效果。在弹性范围内弹性元件的形状能够恢复，元件的力学性能没有受

19、到损害。因此，弹簧材料需要具有高的弹性极限；为防止弹簧在复杂应力下疲劳破坏和断裂，弹簧材料还需要具有高的疲劳强度和适度的塑性和韧性。2 成分特点碳素弹簧钢WC0.600.90，以保证热处理后具有高的弹性极限和疲劳极限。碳素弹簧钢淬透性较差，只能应用于小型弹簧。合金弹簧钢中加入Si、Mn、Cr、V、Mo、W等合金元素提高淬透性和耐回火性，含碳量降低到0.500.70%。3 热处理与组织性能特点弹簧钢的热处理采用淬火加中温回火，以获得回火屈氏体组织。对于钢丝直径为1015mm的弹簧，冷成形困难：热轧成形+淬火加中温回火。对于钢丝直径小于10mm的弹簧：冷绕成形+淬火加中温回火。索氏体化处理+多次冷

20、拔+冷绕+去应力退火。对于不重要零件，淬火和中温回火+冷绕+去应力退火。数控弹簧热绕机回火屈氏体4.3.5 滚动轴承钢1 使用性能要求轴承工作时，内外套圈、滚动体和保持架承受周期性交变载荷，循环受力次数每分钟可达数万次，使零件发生疲劳破坏；零件接触表面承受极高的接触应力，并产生强烈的磨损。为了减少零件磨损，保持轴承精度和稳定性，延长使用寿命，轴承钢应具有高的硬度和耐磨性。轴承钢还须具有高的接触疲劳强度，以免表面龟裂剥落。轴承钢还要求具有对大气和润滑油的耐腐蚀能力；具备良好的加工性能，如冷热成型性能，切削性能，淬透性等。在使用状态下轴承钢的硬度须达到6165HRC，才能使轴承获得足够的耐磨性能和

21、较高的接触疲劳强度。2 化学成分特点滚动轴承钢一般含有0.951.15%的碳，0.401.65%的铬。高碳为了获得高的强度、硬度和耐磨性，铬提高淬透性，增加回火稳定性。为进一步提高淬透性，还可以加入Si、Mn等元素，以适于制造大型轴承。3 热处理与性能特点球化退火为预备热处理，使钢的组织转变为球状珠光体；淬火加低温回火可使钢获得极细的回火马氏体组织，硬度为6165HRC。对于精密轴承，为了稳定组织，在淬火后进行深冷处理(80 60)，以减少残余奥氏体含量，然后再进行低温回火和磨削加工。轴承钢的加工工艺路线为：轧制、锻造球化退火粗加工淬火+低温回火磨削加工低温时效成品。GCr15用于制造中小型轴

22、承；GCr15SiMn用于大型轴承。GCr15钢淬火+低温回火（150160）后组织为：细小的回火马氏体+细小的粒状碳化物+少量残余奥氏体。球化退火球状珠光体GCr15GCr15具有高而均匀的硬度、良好的耐磨性、高的接触疲劳性能，广泛应用于制作内燃机、电动机车、汽车、拖拉机、机床、轧钢机、钻探机、矿山机械，以及高速旋转的中高载荷传动轴承。淬火回火组织4.3.6 易切削钢1 性能要求 用于自动机床大批大量加工，对易切削钢要求：要求材料加工性能好，切削加工非常容易、可钻深孔、铣深槽等、切削流畅，加工稳定、刀具使用寿命高，生产效率高等特点；尺寸精度高，表面光洁度高；产品的电镀性能好，大大降低产品成本

23、；易切削钢中不含有对环境有害的物质。2 化学成分特点WC0.150.25%为宜；含有提高铁素体强度并降低韧性的元素P、N、硫、铅、碲、铋、硒等。3 组织性能特点 组织为 铁素体+1520%珠光体。切削时硬度在152223HBS之间。切削后可进行热处理来改善性能。自动车床Y40Mn4.4 合金工具钢工具钢用于制造各种刃具、模具、量具和其它加工工具。刃具、模具、量具是对其它材料进行成形加工时的常用工具，工具在使用过程中需要具有高的硬度和高的耐磨性。如不具备高的硬度和高的耐磨性，工具使用寿命降低，并且不能保证所加工零件的尺寸精度。量具钢刃具钢模具钢工具钢用于制造切削加工切削加工工具工具用于制造材料成

24、形材料成形模具模具用于制造测量工具测量工具硬度高强度和韧性中等耐热性高硬度高强度和韧性高（耐热性）硬度高强度和韧性中等尺寸稳定性高4.4.1 刃具钢1 性能要求为了保证刀刃能犁入零件，刃具硬度必须远高于零件硬度。刃具的硬度一般在在HRC60以上以上，以高碳马氏体为基体。为了保证刃具的使用寿命，要求材料具有足够的耐磨性具有足够的耐磨性。在马氏体基体上弥散分布着合金碳化物。在各种切削加工过程中，刃具承受着冲击、振动等载荷，要求刃具钢具有足够的塑性和韧性足够的塑性和韧性，以防止在使用过程中崩刃或折断。为防止刃具高温下硬度下降，刃具须具有红硬性红硬性。要求刃具钢在600硬度仍然保持HRC60以上。须具

25、有一定的工艺性能工艺性能。钢的红硬性是指钢在发红状态下，仍能保持足够高的硬度和切削加工能力的性能。红硬性反映钢抵抗多次高温退火软化的能力，可以用多次高温处理后在室温条件下测得的硬度值来表示。铣刀铣刀钻头钻头切削切削2 低合金刃具钢其含碳量为0.91.2，以保证能形成足够数量的合金碳化物。并加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素来提高淬透性、强化铁素体、形成合金渗碳体。低合金刃具钢能解决工具钢淬透性低、耐磨性不足的缺点，但高速切削时不能满足红硬性要求。低合金刃具钢的生产工艺路线为：下料球化退火粗加工淬火+低温回火精加工成品。热处理包括：加工前的球化退火；成形后的淬火加低温回火。低合金刃具钢为过共

26、析钢，采用不完全淬火。淬火加热温度要根据零件形状、尺寸及性能要求等选定，回火温度一般为130200。9SiCr用于制造各种低速切削的刃具，如板牙、丝锥等。合金刃具钢分为低合金刃具钢合金刃具钢分为低合金刃具钢和高速钢。低合金刃具钢用于低速和高速钢。低合金刃具钢用于低速切削，刀刃工作温度小于切削，刀刃工作温度小于300；高速钢用于高速切削，刀刃工作温高速钢用于高速切削，刀刃工作温度能达到度能达到600。3 高速钢高速钢的含碳量为0.71.6，以保证马氏体硬度和形成碳化物。并且含有大量W、Mo、Cr、V、Co等合金元素，这些元素中，Cr提高淬透性，W、Mo、V的提高红硬性。高速钢不但保证了淬透性和耐

27、磨性，而且红硬性显著提高。同碳素刃具钢和低合金刃具钢相比，高速钢的切削速度可提高24倍，刃具寿命提高815倍。高速钢用于制造尺寸大、切削速度快、负荷重及工作温度高的各种机加工工具。如车刀、刨刀、拉刀、钻头等，此外还可应用在模具及特殊轴承上。在工具材料中高速钢大约占刃具材料总量的65%。车刀车刀锯条锯条铣齿轮铣齿轮齿轮铣刀生产工艺流程为：下料锻造等温退火机械加工淬火+高温回火两次喷砂磨削加工成品。锻造 W18Cr4V高速钢共晶点在Wc=0.77%处，其铸态组织中会出现莱氏体，在晶界处存在大量鱼骨状共晶碳化物。这些粗大的脆性相只能通过锻造的方法将其击碎，以避免刀具在使用过程中崩刃。高速钢的锻造具有

28、零件成形同时改善碳化物形态和分布的双重作用。锻造前锻造前锻造并退火后锻造并退火后齿轮铣刀齿轮铣刀退火 采用等温退火，退火后的组织为索氏体基体上均匀分布着细小的粒状碳化物。其目的是降低硬度到207255HB，以提高切削性能，为淬火作组织准备。高速钢热处理工艺曲线高速钢热处理工艺曲线淬火高速钢淬火回火特点：A、高速钢导热性很差，淬火温度高，为减小热应力，淬火加热时要进行预热；B、淬火温度高且应分级冷却。W18Cr4V中的W、Mo、Cr、V等元素形成的碳化物只能在1200以上才能溶入到奥氏体中，以提高淬透性，获得高的热硬性。淬火后组织淬火后组织M+粒状碳化物粒状碳化物+A较多较多回火 高速钢通常在二

29、次硬化峰值温度或稍高一些的温度(550570)下，回火三次。W18Cr4V淬火后约有30A，经一次回火后约剩1518，二次回火后降到35，第三次回火后仅剩12。多次回火A含量减少，硬度升高到6366HRC。回火组织回火组织M回回+碳化物碳化物+A少量少量碳素工具钢低合金刃具钢高速钢淬透性差、耐磨性不足无红硬性，用于低速工具淬透性较好、耐磨性足够无红硬性，用于低速工具淬透性好，耐磨性很好有红硬性，用于高速工具 高速钢价格昂贵，为节约材料，通常刀具上只有刀头采用高速钢，刀柄采用普通材料，通过焊接或镶嵌刀头的办法来制备刀具。4.4.2 模具钢模具钢是用来制造各种模具的钢种。模模具具钢钢冷冷作作模模具

30、具钢钢工作温度：工作温度：600用于制造：用于制造：热锻模热锻模 热挤压模热挤压模 压铸模等压铸模等冷作模具热作模具冷作模具工作时，承受很大压应力、弯曲应力、冲击载荷、摩擦。主要损坏形式是磨损，也常出现崩刃、断裂、变形等失效现象。因此冷作模具钢应具有高硬度、高耐磨性、足够的韧性与疲劳抗力、热处理变形小等性能。热作模具钢工作时，承受强烈的冲击载荷和剧烈的摩擦，与炽热的金属接触，且模腔反复加热和冷却，因而产生较大的热应力并产生高温氧化，常出现崩裂、磨损、龟裂等失效现象。因此热作模具钢的主要性能要求是：高的热硬性和高温耐磨性；高的抗氧化能力；高的热强性；足够的韧性；高的热疲劳抗力。此外，由于热模具一

31、般较大，还要求具有较高的淬透性和导热性。热作模具钢承力较小，但经受高低温热循环，更需要热硬性和组织稳定性。1 性能要求 2 化学成分特点冷作模具钢的含碳量为1.02.0；加入Cr、Mo、W、V等合金元素，强化基体，提高淬透性或形成碳化物，从而提高强度和耐磨性。热作模具钢的含碳量为0.30.6；加入Cr、Ni、Mn等元素，提高钢的淬透性和强度；加入W、Mo、V等元素，防止回火脆性，提高热稳定性及红硬性。3 热处理及组织特点冷作模具钢的最终热处理一般为淬火后低温回火，以获得均匀的回火马氏体+二次碳化物+残余奥氏体组织，使钢获得最高的力学性能。热作模具钢的最终热处理一般为淬火后高温（或中温）回火，以

32、获得均匀的回火索氏体组织，硬度在40HRC左右，并具有较高的韧性。常用钢号：T10，T8A 尺寸小、形状简单的模具CrWMn 形状复杂模具。Cr12,Cr12MoV 大型复杂模具工艺路线下料球化退火锻造粗、半精加工精加工淬火+低温回火冷作模具钢3 常用模具钢常用钢号5CrNiMo 中小型热锻模 5CrMnMo 中大型热锻模3Cr2W8V、H13 压铸模下料锻造球化退火粗加工半精加工淬火+中温回火精加工表面氮化调质工艺路线：热作模具钢量具钢是用来制造各种测量工具的钢种，如千分尺、卡尺、块规和塞规、样板、螺旋测微仪等。1 性能要求在存放和使用过程中，各种测量工具必须保持自身尺寸的稳定性。这要求各种

33、量具组织稳定，内应力小，以确保尺寸不发生变化。量具也须具备高耐磨性，以保证量具在与被测量零件接触时不造成过大磨损。此外量具还须具有良好的耐腐蚀性，以防生锈和化学腐蚀。2 化学成分特点量具钢含碳量较高，Wc=0.91.5，并且常加入Cr、W、Mn等元素，提高淬透性和回火稳定性。4.4.3 量具钢3 热处理及组织特点为保证量具的尺寸稳定性，在量具钢热处理时常采用下列措施：通过适当降低淬火温度来减少残余奥氏体含量，防止残余奥氏体转变影响尺寸；在量具钢淬火后，立即进行温度为7080的深冷处理，尽可能地使残余奥氏体转变为马氏体，然后再进行低温回火；对精度要求高的量具，在淬火、冷处理、低温回火后，还需要进

34、行时效处理，然后进行精加工。工艺路线：下料锻造球化退火粗加工调质半精加工淬火冷处理冷处理 低温回火粗磨人工时效人工时效精磨去应力退火去应力退火研磨尺寸小、形状简单、精度较低的量具：T10；精度要求较高，形状复杂的量规及块规：CrWMn；高精度块规、螺旋塞头、千分尺：GCr15；腐蚀介质中使用的：不锈钢9Cr18、4Cr13。4 常用量具钢5 CrWMo块规生产过程低温回火：得到M回，进一步稳定残余奥氏体和消除残余应力；人工时效：消除磨削时表面产生的很薄硬化层和内应力，稳定组织、尺寸；去应力退火：消除精磨内应力，保持尺寸长期稳定。球化退火：得到球状组织，方便切削加工；调 质：获得S回，其与M体积

35、差别小，减小淬火应力和变形；淬 火：得到M；深冷处理：量具淬火后应立即在-70-80进行深冷，目的是尽可能减少钢中的残余奥氏体，稳定量具尺寸；CrWMo钢块规的热处理工艺曲线 4.5.1 不锈钢4.5 特殊性能钢不锈钢：抵抗弱腐蚀介质水、空气、蒸汽腐蚀；耐酸钢：抵抗强腐蚀介质酸、碱、盐腐蚀。不锈钢 要求要求耐腐蚀性，合适的力学性能、良好的焊接性能。绝大多数材料在大气中工作。大气中氧、水蒸汽、二氧化碳参与材料的腐蚀过程。在工业大气中还含有SO2、SO3、Cl2、HCl、NO、NO2、NH3、H2S等组分。这些组分对材料有较强的腐蚀作用。淡水指含盐量低的天然水，它对工程材料有一定的腐蚀作用。海水中

36、含有约3.5%的盐，其中大部分是NaCl。海水对材料有较强的腐蚀作用。酸碱盐溶液中使用的材料，必须考虑材料的耐腐蚀性。土壤的水中常溶有H+、Cl-、SO42-等物质，对材料有腐蚀作用。1 金属腐蚀的概念材料与环境组分之间发生化学或电化学反应而引起的材料表面破坏过程，称为腐蚀。通常将金属腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两类。化学腐蚀是指金属与其接触到的物质直接发生氧化还原反应而被氧化损耗的过程，例如钢在燃气中腐蚀、高温氧化等；电化学腐蚀是指金属在酸碱盐等溶液中，产生原电池作用而引起的金属腐蚀。金属材料的电化学腐蚀出现最多、破坏力最大。电化学腐蚀使阳极不断被腐蚀，而阴极电位较高而受到保护。不幸的是，组

37、成合金的各种组元中，金属的电极电位低，总会作为阳极而被优先腐蚀掉。不同组元间的电极电位相差越大，尤其是阳极的电极电位越低，合金的腐蚀速度越大。电化学腐蚀2 不锈钢的成分组织特点（1）铬）铬在钢中的作用见右在氧化性介质中（如硝酸、浓硫酸、空气等），铬使钢表面形成致密的富铬氧化膜，具有非常有效的保护作用。氧原子不能通过富铬氧化物扩散；并且富铬氧化物层具有自我修复能力。在非氧化性酸（如盐酸、稀硫酸等）中，铬的钝化能力很差。在钢中添加Mo、Cu等元素，提高钢的耐腐蚀能力。添加Ti、Nd等强碳化物形成元素，它们优先同碳形成更稳定的碳化物，使更多的铬保留在基体中，从而大大减轻合金的晶间腐蚀。铬提高铁基固溶

38、体的电极电位。铬大于11.6%时，F的电极电位由0.56V开始急剧增高，铬量达13%时变为+0.12V，使耐腐蚀性能大大提高。当基体铬含量12.7时，钢转变为单一的铁素体基体。2)镍的作用镍的作用镍是奥氏体形成元素，在含镍量大于24时，低碳镍钢才能获得单相奥氏体组织；在含镍量大于27时，才使钢的耐腐蚀性能显著提高。由于镍价格昂贵，在不锈钢中镍往往与铬搭配使用，才具有较合适的性价比。镍在不锈钢中使高铬钢的组织发生变化，从而使不锈钢的耐腐蚀性能及工艺性能获得难能可贵的改善。3)碳的作用碳的作用碳强烈影响钢的组织与性能，在不锈钢中碳的作用有：能够提高钢的强度；碳是奥氏体形成元素；碳和铬的亲和力很大，

39、与铬构成一系列复杂的碳化物，会使基体的含铬量降低，对耐腐蚀性不利。从强度与耐腐蚀性能两方面来看，碳在不锈钢中的作用是不能兼顾的。不锈钢多数工况下以耐腐蚀为主要目标，一般要求具有较低的含碳量。低碳钢同时还具有易于焊接、易于变形等工艺上的优势。根据铬镍不锈钢的成分来判断合金组织 NbSiMoCrCreq5.05.1MnCNiNieq5.030铬当量是将各种铁素体形成元素的作用折合成铬的作用；镍当量是将各种奥氏体形成元素的作用折合成镍的作用。根据镍当量和铬当量，从图中查不锈钢的组织。3 常用不锈钢马氏体型不锈钢马氏体型不锈钢成分：Wc0.11.0%，WCr1218%特点：淬透性好，空冷可得到马氏体.

40、牌号：1Cr13,2Cr13,3Cr13,4Cr13用于：结构件（汽轮机叶片）,医疗器械热处理：淬火+高温回火;淬火+低温回火组织：回火S或回火M奥氏体型不锈钢成分：Wc 0.12%W Cr 18%；W Ni 8%；称为18-8不锈钢组织：单相A。性能：高塑性、高的低温韧性、高的加工硬化能力、焊接性能好、无磁性及高的耐腐蚀性。常用钢号：1Cr18Ni9Ti应用：化工行业居多，如耐酸容器、餐具、楼梯扶手铁素体型不锈钢成分：Wc 0.12%WCr=1618%组织：单相 F。性能：较好的耐蚀性，塑性好、强度低。不能通过热处理改变性能。常用钢号：1Cr17应用：硝酸输送管道、厨具 （电磁炉用不锈钢锅）

41、热交换器 内燃机 加热炉锅炉4.5.2 耐热钢耐热钢是指能满足高温使用要求合金钢。在高温下使用的耐热钢，应该具有稳定的成分和组织，具有需要的力学性能。耐热钢用于锅炉、汽轮机、高温反应设备、加热炉、喷气发动机、内燃机、热交换器等设备。1 提高钢耐热性的途径提高高温化学稳定性的途径碳钢表面生成疏松多孔的氧化亚铁(FeO)，氧原子能通过FeO扩散。在碳钢中加入Cr、Si、Al等合金元素，氧化后表面迅速形成了一层氧原子不能通过的致密钝化膜，为Cr O、SiO、Al O 等氧化膜，使氧化过程难以继续进行。例如，在钢中加入质量分数为15%的Cr，其抗氧化温度可达900；在钢中加入质量分数为2025%的Cr

42、，其抗氧化温度可达1100。保持高温强度的途径钢中加入合金元素Cr、Ni、Mo、W、V、Nb、Ti等合金元素，通过固溶强化，能增强原子间的结合力，提高再结晶温度，从而提高热强性。基本要求：组织稳定基本要求：组织稳定 高温强度高高温强度高 抗氧化抗氧化基本合金化：基本合金化：Cr：抗氧化主要元素，抗氧化主要元素，Cr2O3致致密稳定密稳定Mo、W：热强性重要元素，热强性重要元素，结合力结合力Ti、V：热强性碳化物弥散稳定热强性碳化物弥散稳定，促进，促进CrMo的作用。的作用。强化途径：强化途径：基体强化：基体强化：原子结合力，原子结合力，熔点熔点晶界强化：净化杂质，填充空位晶界强化：净化杂质，填

43、充空位弥散强化：第弥散强化：第2相细小、弥散、均布相细小、弥散、均布工艺措施：热处理工艺措施：热处理P型型热强钢热强钢抗氧抗氧化钢化钢M型型热强钢热强钢A型型热强钢热强钢12CrMoV25Cr2MoV35CrMoV1Cr11MoV1Cr12W1MoV4Cr9Si20Cr18Ni10Ti5Cr21Mn9Ni4N3Cr18Mn12Si2NF型：Cr13基 Cr17基A型：Cr28Ni25Si等特点：P+F组织。制造锅炉管子、坚固件、转子等。解决的问题：避免P球化、P石墨化；减缓Me扩散重新分布；减缓了松弛问题；具有高热强性。工作温度600。特点：主要制造汽轮机叶片。具有高淬透性和回火稳定性。工作温

44、度450600，4Cr9Si2 700。特点：高热强性和抗氧化性能，塑性和可焊性好，导热性差，热膨胀系数大，热疲劳性稍差。工作温度600850 特点：耐热构件、抗氧化性能要满足，F型适宜作退火炉罩、热交换器等，工作温度约1150。A型宜作各种加热炉渗碳炉风扇轴、炉底板等，工作温度10001200 4.5.3 耐磨钢用于制造承受磨损的零件的合金钢，称为耐磨钢。车辆履带板、挖掘机铲斗、破碎机颚板、铁轨分道叉、球磨机衬板等零件，在工作中承受剧烈的磨损。ZGMn13为高锰钢，锰含量为1114，含碳量为1.01.3。锰是奥氏体形成元素，室温下高锰钢为单相奥氏体组织。铸态高锰钢的晶界上析出大量的碳化物。为

45、使碳化物溶解到基体中从而提高韧性，将高锰钢加热到10001100保温，在碳化物完全溶解后，迅速水淬，从而获得单相奥氏体组织的热处理工艺，称为水韧处理。水韧处理后高锰钢韧性提高而硬度较低，硬度为180220HBS。在使用时，如果高锰钢零件受到强烈冲击，发生剧烈变形，零件表层迅速产生加工硬化层。加工硬化促使零件表层由奥氏体转变为马氏体，使钢硬度大幅度升高，耐磨性能显著提高，而零件心部仍然保持为高韧性状态。1 铸铁中碳的存在形式以碳化物形式存在。铸铁中的碳全部以碳化物形式存在时，其断口呈亮白色，称为白口铸铁。以石墨形式存在。如果铸铁中碳主要以游离状态的石墨（用G来表示）形式存在，则断口呈暗灰色，当石

46、墨形状为片状时，称为灰口铸铁。碳一部分以石墨形式存在，一部分以碳化物形式存在，断口呈灰白交错的麻点，称为麻口铸铁。石墨为六方晶格，其原子呈层状排列，同一层间原子呈正六边形排列，以共价键结合；层与层之间以范德华力结合，结合力很弱。石墨原子的层与层之间容易被破坏，使石墨的强度、硬度、塑性和韧性等力学性能都相当低，在承力时一般把石墨当成空洞看待。石墨的抗拉强度约为20MPa，硬度为35HB，延伸率接近0%。4.6 铸铁 4.6.1 铸铁的石墨化铸铁是以铁、碳、硅为主要成分，且凝固时发生共晶转变的铁碳合金。2 铁碳双重相图由铁碳相图可知，铸铁中含碳量一定大于2.11%。通常铸铁的含碳量为2.54.0。

47、为了说明铁碳合金中石墨的析出规律，一般用FeG相图。习惯上把FeG相图与FeFe3C相图叠加在一起，称为铁碳双重相图。在FeG相图上，横坐标仍表示含碳量，纵坐标表示温度。在FeG相图上，共晶点C含碳量为4.03，共晶温度为1154；共析点为S含碳量为0.77，共析温度为738。铁碳双重相图在铁碳双重相图上，FeG相图的特征线用虚线表示，特征点符号采取在FeFe3C相图的对应特征点符号上加撇号表示。当铸铁全部按FeG相图结晶时，其析出石墨的过程如下：过共晶合金在CDF区域内，析出一次石墨GI。液态合金在1154发生共晶反应，析出奥氏体和共晶石墨G共晶。上述两过程称为第一阶段石墨化。在共晶温度和共

48、析温度之间（1154738），随着温度降低，从奥氏体中不断析出二次石墨(GII)，称为第二阶段石墨化。奥氏体在738发生共析反应，同时析出铁素体和共析石墨G共析，称为第三阶段石墨化。通常共析阶段的石墨化难以进行。共晶GALECc1154）（共析G PC738s FA共析共晶3 铸铁石墨化的影响因素化学成分生产中，常用硅促使碳以石墨状态存在。冷却速度铸铁中石墨比渗碳体稳定，如果原子能充分地扩散，石墨存在的倾向就增大。一般来说，铸件冷却速度越缓慢，越有利于石墨化过程的进行。BVCSMMnWd0PNiCuTiSiCAl、阻碍石墨化元素、促进石墨化元素roN 碳硅总含量和壁厚对铸铁组织的影响 3/)(

49、PSicWWWCE碳当量4 铸铁的分类碳主要以石墨状态存在的铸铁，按照石墨形态的不同分为：铸铁中石墨的形态 片状石墨和球状石墨的空间形态 4.6.2 常用铸铁1 灰铸铁石墨为片状C：2.54.0%，Si：1.02.5%，少量Mn、S、P等。F+G：F灰铸铁F+P+G：F+P灰铸铁P+G：P灰铸铁F+P灰铸铁P灰铸铁F灰铸铁叶轮 发动机飞轮 机床床身 灰铸铁与碳钢力学性能的比较由于石墨片对基体产生的割裂作用，使其抗拉强度低于钢、而塑性和韧性近于零，属于脆性材料，但其抗压强度与钢相近。石墨的抗拉强度约为20MPa,硬度为3-5HB,延伸率接近0%。除了承力能力稍差之外，铸铁中的石墨具有钢所不能及的

50、优良性能。石墨本身有润滑作用，石墨脱落后形成的空洞能够吸附和贮存润滑油，使灰口铸铁具有良好的减摩和耐磨性能；石墨可以阻止振动波的传播，具有减振作用；大量片状石墨极大的降低了灰铁的缺口敏感性。此外灰铸铁机械加工性能好，成本低廉。性能指标性能指标抗拉强度抗拉强度 Rm(N/mm2)延伸率延伸率 A(%)冲击韧性冲击韧性k(J/cm2)硬度硬度 (HBS)铸造碳钢铸造碳钢灰铸铁灰铸铁400650100350102500.5206005160230148298 浇注前向铁水中加入少量的孕育剂（75%硅铁），可以细化组织，促进石墨化。变质可提高Rm和HB，降低冷却速度对组织、性能的影响。适用静载荷下要求