材料家族之一：工业材料的“脊梁”—钢铁

1、第七章：材料家族之一：工业材料的第七章：材料家族之一：工业材料的“脊梁脊梁” 钢铁钢铁 第一节第一节 ：钢铁的应用特征和组成：钢铁的应用特征和组成第二节第二节 ： 钢铁的生产钢铁的生产钢铁是怎样炼成的钢铁是怎样炼成的第三节第三节 ： 工程材料的主力工程材料的主力钢铁钢铁第四节第四节 ：强中更有强中手：强中更有强中手超高强度钢超高强度钢第五节第五节 ：不锈钢及其他特殊钢：不锈钢及其他特殊钢第一节：钢铁的应用特征和组成第一节：钢铁的应用特征和组成一、钢铁的应用特征一、钢铁的应用特征 人们常把钢铁生产及使用的数量和质量作为一个国人们常把钢铁生产及使用的数量和质量作为一个国家经济发展水平及实力大小的评

2、价标志。家经济发展水平及实力大小的评价标志。u 钢铁材料有塑性很好、强度较低的低碳钢钢铁材料有塑性很好、强度较低的低碳钢;u 有强韧性很高的中碳钢，有硬而耐磨的高碳钢有强韧性很高的中碳钢，有硬而耐磨的高碳钢;u 也有塑性很差，但消震性、铸造性却很好的铸铁。也有塑性很差，但消震性、铸造性却很好的铸铁。 从成分上看从成分上看: : 从形状及工艺方面看从形状及工艺方面看: : u 钢铁材料可轧制成很薄的板材以便制钢铁材料可轧制成很薄的板材以便制造各种产品壳体，拉成很细的钢丝作钢丝绳，造各种产品壳体，拉成很细的钢丝作钢丝绳，轧制各种槽钢、角钢、钢管等作各种工程结构；轧制各种槽钢、角钢、钢管等作各种工程

3、结构；u可用铸造成形生产各种复杂机器零件，如机可用铸造成形生产各种复杂机器零件，如机床及汽车箱体等；床及汽车箱体等；u可用焊接成形方法拼焊成各种大型工程结可用焊接成形方法拼焊成各种大型工程结构及零件制造，并且大多都易于切削加工。构及零件制造，并且大多都易于切削加工。二、钢铁中的基本相及组织二、钢铁中的基本相及组织 钢铁材料的基本组元是铁和碳，故又称为铁碳合钢铁材料的基本组元是铁和碳，故又称为铁碳合金。其中铁是基本成分，而碳是影响铁碳合金性能的主要金。其中铁是基本成分，而碳是影响铁碳合金性能的主要成分。钢铁材料中常见的相及组织如下成分。钢铁材料中常见的相及组织如下: : 铁素体（铁素体（F F）

4、: : 是碳溶于是碳溶于-Fe-Fe中形成的间隙固溶体，最大中形成的间隙固溶体，最大溶解溶解 度度 为为0.0218%0.0218%。强度、硬度低，塑性好。强度、硬度低，塑性好. .2.2.奥氏体（奥氏体（A A）: : 是碳溶于是碳溶于-Fe-Fe中形成的间隙固溶体，中形成的间隙固溶体，最大溶解度最大溶解度2.11%2.11%，强度低，塑性特好，强度低，塑性特好. .3.3.渗碳体（渗碳体（Fe3CFe3C）: : 渗碳体渗碳体Fe3CFe3C为铁与碳形成的金属化合物，为铁与碳形成的金属化合物，晶格复杂，硬而脆晶格复杂，硬而脆 n奥氏体（Austenite，符号A表示）碳溶解在-Fe中的间隙

5、固溶体仍保持 -Fe的面心立方晶格，晶界比较直，呈规则多边形727时溶碳为c 0.77，1148时可溶碳2.11具有较高塑性5 n马氏体（Martensite，符号M表示）碳在-Fe中的过饱和固溶体马氏体的晶体结构为体心四方结构（BCT），中高碳钢中加速冷却通常能够获得这种组织普遍具有较高强度和硬度6高碳马氏体高碳马氏体低碳马氏体低碳马氏体 n铁素体（Ferrite，符号F表示）碳溶解于-Fe的体心立方晶格中形成的间隙固溶体碳原子含量很少(仅0.02%)强度和硬度低，塑性和韧性好。7 n渗碳体（cementite，符号C表示）碳与铁形成的一种化合物Fe3C，一般含碳6.67复杂的正交晶格熔点1

6、227。极高硬度的脆性化合物，塑性、韧性几乎为零。8 n珠光体（pearlite，符号P表示）奥氏体冷却时，在727发生共析转变的产物碳质量分数平均为Wc=0.77%显微组织为由铁素体片与渗碳体片交替排列的片状组织9104.4.珠光体（珠光体（P P）: : 由层片状渗碳体分布在铁素体基体上组成由层片状渗碳体分布在铁素体基体上组成的机械混合物的机械混合物. .5.5.莱氏体（莱氏体（LdLd）: : 渗碳体基体上分布一定形态、数量的奥渗碳体基体上分布一定形态、数量的奥氏体或珠光体而组成的机械混合物，其性能硬而脆氏体或珠光体而组成的机械混合物，其性能硬而脆. .6.6.马氏体（马氏体（M M）:

7、 : 马氏体马氏体M M为碳在为碳在-Fe-Fe中的中的“超过饱和超过饱和”固溶体固溶体 . .7.7.贝氏体（贝氏体（B B）: : 稍过饱和的极细铁素体上分布弥散的碳稍过饱和的极细铁素体上分布弥散的碳化物而组成的机械混合物化物而组成的机械混合物. . 第二节第二节 : : 钢钢 铁铁 的的 生生 产产 钢铁是怎样炼成的钢铁是怎样炼成的钢铁生产的基本流程如右图所示钢铁生产的基本流程如右图所示 : :钢铁是这样炼钢铁是这样炼成的！成的！ 一、钢铁生产的历程：一、钢铁生产的历程： 早在早在26002600年前的春秋战国时代后期，我们的祖先年前的春秋战国时代后期，我们的祖先就发明了生铁冶炼技术，成

8、为最早使用铁器的民族之一。就发明了生铁冶炼技术，成为最早使用铁器的民族之一。 近代炼钢技术可追溯到近代炼钢技术可追溯到17401740年霍茨曼的坩埚炼钢年霍茨曼的坩埚炼钢法，即法，即“炒钢炒钢”法法13Iron AgeIron Age 1856 1856年英国人贝塞曼的年英国人贝塞曼的酸性（炉衬）转炉法酸性（炉衬）转炉法及及18641864年法国人马丁发明的年法国人马丁发明的平炉炼钢法平炉炼钢法是作为有价值的工业是作为有价值的工业技术技术 20 20世纪初，法国冶金专家埃鲁针对平炉和转炉难世纪初，法国冶金专家埃鲁针对平炉和转炉难以炼出高级合金钢的缺点，发明了以炼出高级合金钢的缺点，发明了电弧炉

9、炼钢法电弧炉炼钢法，他避免，他避免了空气烧毁合金元素的缺点，被专门用来冶炼高级合金钢。了空气烧毁合金元素的缺点，被专门用来冶炼高级合金钢。二、炼铁二、炼铁1 1炼铁的炉料和高炉：炼铁的炉料和高炉： 炼铁的主要炉料是炼铁的主要炉料是铁矿石、焦炭铁矿石、焦炭和和石灰石石灰石。炼铁所。炼铁所用的主要设备是高炉。用的主要设备是高炉。Equations 炼铁过程的化学炼铁过程的化学9COC2Fe11CO3Fe332 3CO2Fe3COFe32 CO4FeFeOCFe3 15铸铁铸铁锻铁锻铁钢铁钢铁依含碳量依含碳量和杂质多少和杂质多少铁和碳的合金铁和碳的合金Alloys of iron & car

10、bon16第八世纪的第八世纪的 Carolingian剑剑东方曲剑东方曲剑 Persian 土耳其的土耳其的 Damascus 剑剑日本剑的锋口部份日本剑的锋口部份SwordsChapter1 Introduction17三、炼钢：三、炼钢：炼钢的目的炼钢的目的： 就是去除生铁中多余的碳和大量杂质，使成分达到钢的就是去除生铁中多余的碳和大量杂质，使成分达到钢的要求的过程。要求的过程。 1 1现代炼钢法的基本过程现代炼钢法的基本过程 炼钢过程中首先把生铁熔化成液体。炼钢的炼钢过程中首先把生铁熔化成液体。炼钢的基本过程是氧化（炼铁主要为还原）。基本过程是氧化（炼铁主要为还原）。2 2高炉产品：高炉

11、产品： （1 1）生铁生铁 高炉可冶炼出炼钢生铁和铸造生铁。高炉可冶炼出炼钢生铁和铸造生铁。 （2 2）高炉煤气高炉煤气 高炉排出的炉气中，含有大量的高炉排出的炉气中，含有大量的COCO、CH4CH4和和H2H2等，是可燃性煤气等，是可燃性煤气 （3 3）炉渣炉渣 可以用来制造水泥和渣砖等建筑材料。可以用来制造水泥和渣砖等建筑材料。2 2典型的现代炼钢法典型的现代炼钢法（1 1）氧气顶吹转炉炼钢：氧气顶吹转炉炼钢：如图如图7 73 3（2 2）电弧炉炼钢电弧炉炼钢：如图：如图7 74 4四、型材生产：四、型材生产： 炼出的钢水先浇铸成钢锭，再将钢锭经塑性加工炼出的钢水先浇铸成钢锭，再将钢锭经塑

12、性加工成各种型材；也可由炼出的钢水立即经连铸连轧工艺设备成各种型材；也可由炼出的钢水立即经连铸连轧工艺设备直接轧制成各种型材，这样能耗更低。直接轧制成各种型材，这样能耗更低。 1 1轧钢轧钢 ： 轧钢是钢料在轧辊间受压变形的加工方法，能生产各轧钢是钢料在轧辊间受压变形的加工方法，能生产各种规格的型钢、钢板、钢管等钢材，如图种规格的型钢、钢板、钢管等钢材，如图7-57-5和和7 76 6所示。所示。2 2拉拔拉拔 拉拔的坯料是轧制的棒料、盘条和管子。拉拔的坯料是轧制的棒料、盘条和管子。 第三节第三节 : : 工工 程程 材材 料料 的的 主主 力力 钢铁钢铁一、钢的分类：一、钢的分类：1 1：按

13、钢的含碳量分类：按钢的含碳量分类低碳钢、中碳钢、高碳钢低碳钢、中碳钢、高碳钢2 2：按冶金特点分类结构钢可分为：按冶金特点分类结构钢可分为：普通钢、优质钢、高级普通钢、优质钢、高级优质钢（在钢号后加优质钢（在钢号后加A A）和特级优质钢）和特级优质钢； 按钢材冶炼时的脱氧程度可分为：按钢材冶炼时的脱氧程度可分为：沸腾钢、半镇静钢、沸腾钢、半镇静钢、镇静钢、特殊镇静钢镇静钢、特殊镇静钢。3 3：按用途和性能可分为：按用途和性能可分为结构钢、工具钢、轴承钢、不锈钢、结构钢、工具钢、轴承钢、不锈钢、耐蚀钢和耐热钢耐蚀钢和耐热钢等；等； 按成分可分为按成分可分为非合金钢（即碳素钢）、低合金钢及合非合金

14、钢（即碳素钢）、低合金钢及合金钢。金钢。钢钢 类类碳碳 素素 钢钢合合 金金 钢钢PSPS普通质量钢普通质量钢0.0450.0450.0450.045优优 质质 钢钢0.0350.0350.0350.035高级优质钢高级优质钢0.0300.0300.0250.025特级优质钢特级优质钢0.0250.0200.0250.015 按质量分按质量分 钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。 分为分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢. 根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：

15、 3、按冶炼方法分、按冶炼方法分转炉炼钢转炉炼钢平炉炼钢平炉炼钢平炉钢平炉钢转炉钢转炉钢电炉钢电炉钢 按按 炉炉 别别 分分沸腾钢：沸腾钢：脱氧不充分，浇注时脱氧不充分，浇注时C C与与OO反应发反应发镇静钢：镇静钢：脱氧充分，组织致密，成材率低。脱氧充分，组织致密，成材率低。半镇静钢：半镇静钢：介于前两者之间。介于前两者之间。生生沸腾。这种钢成材率高，但不致密。沸腾。这种钢成材率高，但不致密。按脱氧程度分按脱氧程度分特殊镇静钢特殊镇静钢4、按金相组织分、按金相组织分珠光体钢珠光体钢贝氏体钢贝氏体钢马氏体钢马氏体钢铁素体钢铁素体钢奥氏体钢奥氏体钢莱氏体钢莱氏体钢 按正火组织分按正火组织分亚共析

16、钢亚共析钢共共 析析 钢钢过共析钢过共析钢 按退火组织分按退火组织分电弧炉炼钢电弧炉炼钢5、按用途分、按用途分 工程用钢工程用钢 建筑、桥梁、船舶、车辆建筑、桥梁、船舶、车辆渗渗 碳碳 钢钢调调 质质 钢钢弹弹 簧簧 钢钢滚动轴承钢滚动轴承钢耐耐 磨磨 钢钢机器用钢机器用钢结结 构构 钢钢刃具钢刃具钢模具钢模具钢量具钢量具钢工工 具具 钢钢不锈钢不锈钢耐热钢耐热钢特特 殊殊 性性能能 钢钢挤压模具挤压模具 二、常见钢铁材料：二、常见钢铁材料：1 1碳素钢：碳素钢： （1 1）普通碳素结构钢：）普通碳素结构钢： 常用于一般工程结构及机器零常用于一般工程结构及机器零件。主要钢号为：件。主要钢号为：

17、Q195Q195、Q215Q215、Q235AQ235A、Q235CQ235C、Q255Q255等。等。 （2 2）优质碳素结构钢：）优质碳素结构钢： 主要钢号为含碳稍多的低碳钢主要钢号为含碳稍多的低碳钢（如（如1515、2020号钢）；含碳量较高的中碳钢（如号钢）；含碳量较高的中碳钢（如4040、4545、5050号钢）；含碳量接近高碳的号钢）；含碳量接近高碳的6060、6565号钢号钢 。 （3 3）碳素工具钢）碳素工具钢 ： 碳素工具钢的平均含碳量为碳素工具钢的平均含碳量为0.7%0.7%1.3%1.3%， 主要牌号为主要牌号为T12T12、T10T10、 T7T7、T8T8。 丝丝锥锥

18、l工业用钢工业用钢按化学成分分为按化学成分分为碳素钢和合金钢碳素钢和合金钢两大类两大类。l碳素钢碳素钢是指含碳量低于是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。的铁碳合金。l合金钢合金钢是指为了提高钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。素所获得的铁基合金。 2 2合金钢：合金钢： 为克服碳钢性能上的不足，人们通过在优质碳素钢为克服碳钢性能上的不足，人们通过在优质碳素钢基础上加入锰、镍、铬、钨基础上加入锰、镍、铬、钨 、钼、铌、钒、钛、硼等合金、钼、铌、钒、钛、硼等合金元素来改善碳钢的性能，从而形成了合金钢。元素来改善碳钢的性

19、能，从而形成了合金钢。 （1 1）低合金结构钢）低合金结构钢 是在低碳的碳素结构钢基础是在低碳的碳素结构钢基础上，加入少量合金元素（总量小于上，加入少量合金元素（总量小于3%3%）而发展起来的。）而发展起来的。 （2 2） 合金工具钢合金工具钢 是在前述碳素工具钢的是在前述碳素工具钢的基础上加入基础上加入CrCr、W W、MoMo、V V、MnMn、SiSi等合金元素而制得。等合金元素而制得。按化学成分分按化学成分分 : 中碳钢中碳钢 0.250.6%C高碳钢高碳钢 0.6%C低碳钢低碳钢 0.25%C低合金钢低合金钢 合金元素总量合金元素总量 5%中合金钢中合金钢 合金元素总量合金元素总量

20、510%高合金钢高合金钢 合金元素总量合金元素总量 10%碳素钢碳素钢合金钢合金钢常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号法表示符号（GB/T 2212000）名称名称符号符号位置位置名称名称符号符号位置位置碳素结构钢碳素结构钢Q头头桥梁用钢桥梁用钢q尾尾低合金高强度钢低合金高强度钢Q头头锅炉用钢锅炉用钢g尾尾易切削钢易切削钢Y头头焊接气瓶用钢焊接气瓶用钢HP尾尾碳素工具钢碳素工具钢T头头车辆车轴用钢车辆车轴用钢LZ头头(滚珠滚珠)轴承钢轴承钢G头头机车车轴用钢机车车轴用钢JZ头头焊接用钢焊接用钢H头头沸腾钢沸腾钢F尾尾铆螺钢铆螺钢ML头头半镇静钢半镇

21、静钢b尾尾船用钢船用钢国际符号国际符号镇静钢镇静钢Z尾尾汽车大梁用钢汽车大梁用钢L尾尾特殊镇静钢特殊镇静钢TZ尾尾压力容器用钢压力容器用钢R尾尾质量等级质量等级A.B.C.D.E尾尾 结构钢结构钢n对结构钢的性能要求为：对结构钢的性能要求为：n使用性能使用性能以强韧性为主。以强韧性为主。n工艺性能工艺性能以可焊性、淬以可焊性、淬透性为主。透性为主。n合金结构钢除少量为中合金结构钢除少量为中高合金钢外，都是低合高合金钢外，都是低合金钢金钢. .铜陵长江公路大桥铜陵长江公路大桥n1、成分：、成分：0.4%C, P、S量及非金属夹杂较多量及非金属夹杂较多.n2、性能：、性能：可焊性、塑性好。可焊性、

22、塑性好。n3、热处理：、热处理：不进行专门热不进行专门热处理，热轧空冷态下使用。处理，热轧空冷态下使用。n4、使用状态下组织：、使用状态下组织：F+P一、碳素结构钢一、碳素结构钢n5、用途、用途n常以热轧板、带、棒及型钢使常以热轧板、带、棒及型钢使用，用量约占钢材总量的用，用量约占钢材总量的70%。n用于建筑结构，适合焊接、铆用于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。接、栓接等。螺纹钢螺纹钢黄河小浪底枢纽工程黄河小浪底枢纽工程n1、性能要求、性能要求n 高强度及足够韧性。高强度及足够韧性。n 良好的焊接性能。良好的焊接性能。 n 良好的耐蚀性及低良好的耐蚀性及低 的韧脆转变温度。的韧脆转变温度。n

23、2、成分特点、成分特点n 低碳：低碳：0.2%C.n 合金元素：主要是合金元素：主要是Mn，还有少量，还有少量V、Ti、Nb等。等。二、低合金高强度结构钢二、低合金高强度结构钢n3、热处理、热处理：大多数热轧空冷后使用。少数可用正火大多数热轧空冷后使用。少数可用正火+高温回火处理。高温回火处理。n4、使用状态下组织、使用状态下组织：F+Pl Mn的作用的作用是强化铁素体；增加珠光体的量。是强化铁素体；增加珠光体的量。l V、Ti、Nb等等起细化晶粒和弥散强化作用。起细化晶粒和弥散强化作用。 l 另外加另外加Cu、P可提高耐蚀性；加可提高耐蚀性；加RE可提高韧性、疲劳极可提高韧性、疲劳极限，降低

24、冷脆转变温度。限，降低冷脆转变温度。n5、用途：、用途：nQ345钢钢(16Mn)综合性能好，综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。型钢结构。nQ390钢含钢含V、Ti、Nb，强度，强度高，用于中等压力的压力容高，用于中等压力的压力容器。器。nQ460钢含钢含Mo、B，正火组正火组织为贝氏体，强度高织为贝氏体，强度高,用于石用于石化中温高压容器化中温高压容器.南京长江大桥南京长江大桥n制造弹簧或类似性能零件的制造弹簧或类似性能零件的钢种。钢种。n1、性能要求、性能要求n弹簧是利用弹性变形储存能弹簧是利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件。量或缓和冲击的零件。n 高

25、的高的s，s/b； 高的高的-1；足够的韧性；足够的韧性n 高的淬透性。高的淬透性。五、弹簧钢五、弹簧钢n2、成分特点、成分特点n 中高碳：中高碳：n碳素弹簧钢为碳素弹簧钢为0.60.9%Cn合金弹簧钢为合金弹簧钢为0.450.7%C n 合金元素作用：合金元素作用： n 提高淬透性、强化铁素体：提高淬透性、强化铁素体：Mn、Si、Crn 提高提高 s/ b：Sin 细化晶粒：细化晶粒：V汽车弹簧汽车弹簧n3、热处理及组织特点、热处理及组织特点n 冷成型弹簧：冷拔冷成型弹簧：冷拔 冷成型冷成型定定型处理型处理(250300)。n用于用于10mm)汽车板簧淬火线汽车板簧淬火线冷卷螺旋压缩弹簧冷卷

26、螺旋压缩弹簧n5、常用钢号及用途、常用钢号及用途nSi、Mn弹簧钢，如弹簧钢，如65Mn、60Si2Mn，用于制造较大截面弹，用于制造较大截面弹簧。簧。 nCr、V弹簧钢，如弹簧钢，如50CrV，用于大截面、大载荷、耐热的弹，用于大截面、大载荷、耐热的弹簧。簧。 大型热卷弹簧大型热卷弹簧汽车板簧汽车板簧 载荷载荷(频率达数万次频率达数万次/分分)和摩擦。和摩擦。 n 高而均匀的硬度和耐磨性。高而均匀的硬度和耐磨性。 n 高的高的 b和接触疲劳强度。和接触疲劳强度。n 足够的韧性、淬透性和耐蚀性足够的韧性、淬透性和耐蚀性.l用于制造轴承套和滚动体的专用钢用于制造轴承套和滚动体的专用钢种。种。l1

27、、性能要求、性能要求l轴承工作时轴承工作时, 承受接触应力承受接触应力(达达30003500MPa)、周期性交变、周期性交变圆柱圆柱滚子滚子轴承轴承自动调自动调心球轴承心球轴承n2、成分特点、成分特点n 高碳：高碳：0.951.10%C n 合金元素：以合金元素：以Cr为主为主,加入加入Mn、Si。nCr、Mn、Si的主要作用是提的主要作用是提高淬透性高淬透性推力球轴推力球轴承承滚滚针针轴轴承承lCr还提高耐磨性还提高耐磨性（形成合金渗碳体）形成合金渗碳体）和耐蚀性。和耐蚀性。l当当1.65%Cr时时,会因会因A增加而使硬增加而使硬度和稳定性下降。度和稳定性下降。滚针轴承滚针轴承滚柱轴承滚柱轴

28、承滚珠轴承滚珠轴承大型轴承大型轴承n4、常用钢号及用途、常用钢号及用途n应用最广的是应用最广的是GCr15，大量用于大中型，大量用于大中型轴承；轴承；n大型轴承用大型轴承用GCr15SiMn。n这类钢还可用于制造模具、量具等这类钢还可用于制造模具、量具等. 工具钢按用途分为按用途分为:刃具钢刃具钢模具钢模具钢量具钢量具钢模具模具n用来制造各用来制造各种切削刀具种切削刀具的钢种。的钢种。一、刃具钢一、刃具钢切削加工切削加工n 性能要求性能要求n1、高硬度、高硬度 (HRC60),主要主要取决于含碳量。取决于含碳量。 n2、高耐磨性、高耐磨性 靠高硬度和析靠高硬度和析出细小均匀硬碳化物来达到。出细

29、小均匀硬碳化物来达到。n3、高热硬性高热硬性 即高温下保持即高温下保持高硬度的能力。高硬度的能力。n4、足够的韧性、足够的韧性 以防止脆断以防止脆断和崩刃。和崩刃。切削加工的基本形式切削加工的基本形式n 碳素工具钢碳素工具钢n共有七个牌号：共有七个牌号：T7T13 n1、成分特点：、成分特点：l高碳高碳(0.651.35%C) 随含碳量提高，碳化物随含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，量增加，耐磨性提高，但韧性下降。但韧性下降。 碳素工具钢带碳素工具钢带碳素工具钢材料碳素工具钢材料n2、热处理及组织、热处理及组织n 热处理：正火热处理：正火+球化退火球化退火+淬火淬火+低温回火低温回火n球化

30、退火目的：球化退火目的：n 降低硬度降低硬度, 便于加工便于加工;n 为淬火作组织准备。为淬火作组织准备。 n 使用状态下的组织：使用状态下的组织： M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A(少量少量) 球状珠光体球状珠光体T12钢正常淬火组织钢正常淬火组织n3、用途、用途n由于碳工钢热硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的手工工由于碳工钢热硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。具和低速刃具。 nT7T9：制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、：制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、锤子等。锤子等。木工凿木工凿木工钻木工钻nT10T11：制造低速切削工具，如钻头、丝锥、制造

31、低速切削工具，如钻头、丝锥、车刀等。车刀等。nT12T13：制造耐磨工具，如锉刀、锯条等。：制造耐磨工具，如锉刀、锯条等。丝锥丝锥锉刀锉刀手锯条手锯条钻头钻头n1、成分特点：、成分特点：n 高碳：高碳：0.751.5%Cn 合金元素作用合金元素作用n 提高淬透性提高淬透性: Cr、Mn、Si n 提高耐回火性：提高耐回火性：Sin 提高耐磨性、细化晶粒提高耐磨性、细化晶粒: W、V l 低合金工具钢低合金工具钢l由碳素工具钢基础上加入少量合金元素由碳素工具钢基础上加入少量合金元素(35)形成。形成。 低合金工具钢制品低合金工具钢制品n2、热处理及组织、热处理及组织n同碳素工具钢，只是淬火介质为

32、同碳素工具钢，只是淬火介质为油油(碳素工具钢为水碳素工具钢为水)。n使用状态下的组织为：使用状态下的组织为： M回回+颗粒状碳化物颗粒状碳化物+A(少量少量) n3、常用钢号及用途、常用钢号及用途n应用最多的是应用最多的是9SiCr。用于制造形用于制造形状复杂、要求变形小的低速刃具，状复杂、要求变形小的低速刃具，如丝锥、板牙等如丝锥、板牙等. 丝锥丝锥板牙板牙低合金工具钢扳手低合金工具钢扳手n1、性能特点、性能特点: 高热硬性高热硬性(600)、高淬透性、高淬透性 n2、成分特点、成分特点n 高碳高碳: 0.701.5%C n 合金元素作用合金元素作用n 提高淬透性：提高淬透性：Crn 提高热

33、硬性、耐磨性提高热硬性、耐磨性: W、Mo、V l 高速钢高速钢（俗称风钢）（俗称风钢） l制造高速切削刃具用钢。制造高速切削刃具用钢。高速钢冷轧钢带高速钢冷轧钢带高速钢形材高速钢形材n5、常用钢号及用途、常用钢号及用途n常用钢号为常用钢号为W18Cr4V(18-4-1)和和W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)。n用于高速切削刃具，如车刀、用于高速切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀、钻头等。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钻头铣刀钻头铣刀三、 铸铁铸铁n铸铁是含碳量大于铸铁是含碳量大于2.11%并并含有较多硅、锰、硫、磷等含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。元素的多

34、元铁基合金。n铸铁具有许多优良的性能及铸铁具有许多优良的性能及生产简便、成本低廉等优点，生产简便、成本低廉等优点，因而是应用最广泛的材料之因而是应用最广泛的材料之一。一。 n例如，机床床例如，机床床身、内燃机的身、内燃机的汽缸体、缸套、汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、活塞环及轴瓦、曲轴等都可用曲轴等都可用铸铁制造铸铁制造.铸铁曲轴铸铁曲轴内燃机汽缸内燃机汽缸三、铸铁：三、铸铁： 铸铁铸铁是是含碳量大于含碳量大于2.11%2.11%（一般为（一般为2.5%2.5%4.3%4.3%）的铁碳合金，受原料及冶炼工艺的限制，其中还含少量硅、的铁碳合金，受原料及冶炼工艺的限制，其中还含少量硅、锰、硫、磷等杂质

35、。锰、硫、磷等杂质。白口铸铁：白口铸铁：以渗碳体形式存在，断口呈银白色；以渗碳体形式存在，断口呈银白色；灰灰 铸铸 铁：以片状石墨形式存在，断口呈灰黑色；铁：以片状石墨形式存在，断口呈灰黑色；蠕墨铸铁：以蠕虫状石墨形式存在蠕墨铸铁：以蠕虫状石墨形式存在球墨铸铁球墨铸铁：以球墨状石墨形式存在：以球墨状石墨形式存在可锻铸铁：以絮状石墨形式存在可锻铸铁：以絮状石墨形式存在合金铸铁：加入各种合金元素合金铸铁：加入各种合金元素n 耐磨性能好。耐磨性能好。由于石墨本身有润滑作用。由于石墨本身有润滑作用。n 消振性能好消振性能好。由于石墨可以吸收振动能量。由于石墨可以吸收振动能量。n 铸造性能好。铸造性能好

36、。由于铸铁硅含量高由于铸铁硅含量高, 成分接近于共晶成分接近于共晶.n 切削性能好。切削性能好。由于石墨使车屑容易脆断，不粘刀。由于石墨使车屑容易脆断，不粘刀。l2、铸铁的性能特点、铸铁的性能特点l 力学性能低。力学性能低。由于石墨由于石墨相当于钢基体中的裂纹或空相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基体的连续性，洞，破坏了基体的连续性，且易导致应力集中。且易导致应力集中。铸铁与铸钢的强度比较铸铁与铸钢的强度比较灰灰 铸铁铸铁 的显的显 微微组组 织织 铁素体灰铸铁铁素体灰铸铁珠光体灰铸铁珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁石墨片的三维形貌石墨片的三维形貌n3、用途、用途n制造承受

37、压力和震动的零制造承受压力和震动的零件件,如机床床身、各种箱体、如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体。壳体、泵体、缸体。大型船用柴油机汽缸体大型船用柴油机汽缸体(HT-300)重型机床床身重型机床床身(HT-250)变速箱体变速箱体 可锻铸铁的显微可锻铸铁的显微组织组织 黑心可锻铸铁黑心可锻铸铁 珠光体可锻铸铁珠光体可锻铸铁 可锻铸铁的石墨化退火可锻铸铁的石墨化退火n可锻铸铁可锻铸铁用途用途n用于制造形状复杂且承受用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，振动载荷的薄壁小型件，如如汽车、拖拉机的前后轮汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门壳、管接头、低压阀门等。等。可锻铸铁管件可锻铸铁管

38、件球墨铸铁的显微组织球墨铸铁的显微组织 铁素体加珠光体球墨铸铁素体加珠光体球墨铸铁铁 铁素体球墨铸铁铁素体球墨铸铁 珠光体球墨铸铁珠光体球墨铸铁 球墨铸铁中的石墨球墨铸铁中的石墨球球 n球墨铸铁球墨铸铁用途用途n承受震动、载承受震动、载荷大的零件，荷大的零件，如如曲轴、传动曲轴、传动齿轮齿轮等。等。核燃料贮存运输核燃料贮存运输容器容器(QT350-22)铸铁曲轴铸铁曲轴蠕墨铸铁的蠕墨铸铁的显微组织显微组织蠕墨铸铁中的蠕墨铸铁中的石墨石墨珠光体基体珠光体基体铁素体基体铁素体基体n蠕墨铸铁的强度、塑性和抗疲劳性能优于灰铸铁，其力学性能介于灰铸蠕墨铸铁的强度、塑性和抗疲劳性能优于灰铸铁，其力学性能介

39、于灰铸铁与球墨铸铁之间。铁与球墨铸铁之间。灰铸铁灰铸铁灰铸铁灰铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁球墨铸铁球墨铸铁球墨铸铁球墨铸铁灰铸铁灰铸铁蠕墨铸铁蠕墨铸铁球墨铸铁球墨铸铁n蠕墨铸铁常用于制造承受热循环载荷的零件和蠕墨铸铁常用于制造承受热循环载荷的零件和结构复杂、强度要求高的铸件。结构复杂、强度要求高的铸件。如钢锭模、玻如钢锭模、玻璃模具、柴油机汽缸、汽缸盖、排气阀、液压璃模具、柴油机汽缸、汽缸盖、排气阀、液压阀的阀体、耐压泵的泵体等。阀的阀体、耐压泵的泵体等。 玻璃模具玻璃模具制动鼓制动鼓第四节第四节 ：强中更有强中手：强中更有强中手 超高强度钢超高强度钢、超高强度钢的分类、超高强度钢的分

40、类 超高强度钢的高强度是由马氏体相变强化、细晶强化、超高强度钢的高强度是由马氏体相变强化、细晶强化、化合物弥散强化与溶质固溶强化等多种机制的复合强化作化合物弥散强化与溶质固溶强化等多种机制的复合强化作用而获得。用而获得。 常用超高强度钢有以下四类：常用超高强度钢有以下四类： 1 1：低合金超高强度钢：低合金超高强度钢 典型牌号有典型牌号有30CrMnSiNi2A30CrMnSiNi2A、45CrNiMo1VA45CrNiMo1VA等。等。 2 2：二次硬化型超高强度钢：二次硬化型超高强度钢 ： 典型钢种如典型钢种如4Cr5MoVSi,4Cr5MoV1Si4Cr5MoVSi,4Cr5MoV1Si

41、（H13H13）、）、 30Ni9Co4CrMoA30Ni9Co4CrMoA、16Ni10Co14Cr2Mo116Ni10Co14Cr2Mo1等等3 3：马氏体时效钢：马氏体时效钢： 典型钢种如典型钢种如0Ni18Co9Mo5TiAl 0Ni18Co9Mo5TiAl 4 4：超高强度不锈钢：超高强度不锈钢： 典型钢号如马氏体时效不锈钢典型钢号如马氏体时效不锈钢0Cr17Ni4Cu4Nb0Cr17Ni4Cu4Nb等。等。 二、超高强度钢的应用：二、超高强度钢的应用： 超高强度钢主要用于航空、航天、兵器、舰船、机械、超高强度钢主要用于航空、航天、兵器、舰船、机械、电子、核工业和石油化工等领域。电子

42、、核工业和石油化工等领域。化工化工管道管道的腐的腐蚀蚀裂解裂解管内管内壁的壁的高温高温腐蚀腐蚀减薄减薄n化学腐蚀化学腐蚀是指金属在非电解质中的腐蚀。是指金属在非电解质中的腐蚀。n电化学腐蚀电化学腐蚀是指金属在电解质溶液中的腐蚀，是有电流参与是指金属在电解质溶液中的腐蚀，是有电流参与作用的腐蚀。作用的腐蚀。第五节第五节 ：不锈钢不锈钢l在腐蚀介质中具有耐蚀在腐蚀介质中具有耐蚀性能的钢。性能的钢。l 金属的腐蚀金属的腐蚀l金属的腐蚀分金属的腐蚀分化学腐蚀化学腐蚀和电化学腐蚀。和电化学腐蚀。 n防止电化学腐蚀的措施：防止电化学腐蚀的措施：n 获得均匀的单相组织。获得均匀的单相组织。n 提高合金的电极

43、电位。提高合金的电极电位。n 使表面形成致密的钝化膜使表面形成致密的钝化膜。l工业发达国家每年金属腐蚀工业发达国家每年金属腐蚀造成的直接经济损失占造成的直接经济损失占GNP的的4%左右。中国每年腐蚀左右。中国每年腐蚀的损失至少到的损失至少到400亿元以上亿元以上.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 特殊性能钢主要包括不锈钢、耐热钢、低特殊性能钢主要包括不锈钢、耐热钢、低温钢、耐磨钢和磁钢等温钢、耐磨钢和磁钢等 。一、不锈钢：一、不锈钢：1 1不锈钢为何耐腐蚀：不锈钢为何耐腐蚀： 在碳钢中加入在碳钢中加入铬元素达到铬元素达到12%12%时，钢基

44、体的电极时，钢基体的电极电位会明显突升，电位会明显突升，化学稳定性明显升高化学稳定性明显升高，不易腐蚀；同时，不易腐蚀；同时，钢中铬含量达到钢中铬含量达到12%12%时，钢基体就象金属铝、铬那样，与氧时，钢基体就象金属铝、铬那样，与氧接触的瞬间就能形成覆盖整个表面的牢固、致密、稳定的接触的瞬间就能形成覆盖整个表面的牢固、致密、稳定的三氧化二铬三氧化二铬（Cr2O3Cr2O3）保护膜）保护膜，而使其更耐腐蚀，而使其更耐腐蚀 。 常用不锈钢常用不锈钢 1、马氏体不锈钢、马氏体不锈钢 主要是主要是Cr13型不锈钢型不锈钢 钢号为钢号为1Cr134Cr13 随含碳量提高，强度、随含碳量提高，强度、硬度

45、提高，耐蚀性下降硬度提高，耐蚀性下降. 1Cr13、2Cr13 热处理热处理: 淬火淬火+高温回火高温回火 使用状态下的组织使用状态下的组织: S回回不锈钢棒不锈钢棒 1Cr13、2Cr13具有具有耐大气耐大气、蒸汽腐蚀蒸汽腐蚀能力及良好的综合能力及良好的综合力学性能。力学性能。用于要求塑韧性用于要求塑韧性较高的耐蚀件，较高的耐蚀件，如汽轮机叶片等如汽轮机叶片等.汽轮机叶片汽轮机叶片透平转轮透平转轮 3Cr13、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。 用于要求耐蚀、耐磨件，用于要求耐蚀、

46、耐磨件，医疗器械、量具等。医疗器械、量具等。医疗器械医疗器械不锈不锈钢刀钢刀1Cr17削片刀削片刀 2、铁素体不锈钢、铁素体不锈钢 典型钢号如典型钢号如0Cr13、1Cr17等。等。 成分：成分：高铬低碳高铬低碳l 无无相变相变，不能，不能进行热处理强化。进行热处理强化。l 组织组织：单相铁素体单相铁素体 用途用途 广泛用于硝酸和氮肥工广泛用于硝酸和氮肥工业的耐蚀件。业的耐蚀件。硝酸生产装置硝酸生产装置铁素铁素体不体不锈钢锈钢制品制品 3、奥氏体不锈钢、奥氏体不锈钢 主要是主要是18-8（18Cr-8Ni）型不锈钢。）型不锈钢。 性能特点：性能特点：具有良好的耐蚀性，冷热加工性及具有良好的耐蚀

47、性，冷热加工性及l可焊性。高的塑韧性可焊性。高的塑韧性,无磁性。无磁性。 l 热处理：热处理：采用采用固固溶处理溶处理。即加热到。即加热到1100使碳化物溶解使碳化物溶解后水冷。后水冷。l组织为组织为单相奥氏体。单相奥氏体。不锈钢带不锈钢带 常用钢种常用钢种 为为1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti 广泛用于化工设备及管道广泛用于化工设备及管道.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)2 2常用不锈钢：常用不锈钢： （1 1）马氏体不锈钢：）马氏体不锈钢： 其强度、硬度较高，典型牌号有其强度、硬度较高，典型牌号有1Cr131Cr13、2Cr132Cr13、3Cr133Cr13、4Cr134Cr13、9Cr189Cr18等；等； （2 2）铁素体不锈钢）铁素体不锈钢 ： 其耐蚀性优于马氏体不锈钢，并且易成形易焊接，其耐蚀性优于马氏体不锈钢，并且易成形易焊接， 典型牌号如典型牌号如0Cr130Cr13、1Cr171Cr17、1Cr281Cr28、1Cr17Mo2Ti1Cr17Mo2Ti等；等； （3 3）奥氏体不锈钢：耐蚀性最好，并且易成形易）奥氏体不锈钢：耐蚀性最好，并且易成形易焊接，无磁性。焊接，无磁性。 典型钢号有典型钢号有0Cr18Ni90Cr18Ni9、1Cr18