教学课件(合金钢)

1、2022-4-261Alloy Steel金属工艺学多媒体课件2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu2材料科学与工程学院材料科学与工程学院 1、合金钢中加入什么元素？起什么作用？ 怎样起作用？即合金化原理，这是本章的难点。即合金化原理，这是本章的难点。 2、常用合金钢的性能、用途及热处理特点。这是本章的重点。这是本章的重点。 本本 章章 的的 内内 容：容：2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu3概 述第 一 节Summary2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu4合金钢：合金钢：为了改善钢的力学性

2、能、工艺性能或 理化性能，有意往钢中加入一些合金元素，这种 钢称为合金钢。分类：分类：合金结构钢合金结构钢改善力学性能合金工具钢合金工具钢特殊的力学性能特殊性能钢特殊性能钢特殊的理化性能材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu5 一、碳钢的优点和不足 1、价格低、容易冶炼 2、加工工艺性好碳钢3-4千元/吨，一般合金钢5-6千元/吨例如：锻、焊、切削加工性 3、改善性能（C% 、热处理）例如：绑扎的铁丝、錾子优优点点材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu6不

3、足：不足： 1. 淬透性差淬透性差例如：30mm拉杆，调质状态使用。选45钢，心部不能 得到S回，要选用40Cr钢。汽车、拖拉机发动机的连杆螺栓 几 种 钢 的 淬 透 性 比 较668740CrNiMo203240Cr81845Do 油(mm)Do水(mm)钢号材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu7钢种b(MPa)s(MPa)(%)ak(J/mm2)30500300500.830CrNiMo9 屈强比：屈强比：s/b s/b 碳钢碳钢 0.5-0.6 0.5-0.6 合金钢合金钢 0.8-0.9

4、0.8-0.9 强度级别低，限制了碳钢的使用范围， 例如：航空、航天等。 2. 强度级别低、屈强比低强度级别低、屈强比低材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu8 碳钢制作的刀具，刀刃处工碳钢制作的刀具，刀刃处工作温度作温度200200，高速钢刀具，高速钢刀具600600，硬质合金刀具达到，硬质合金刀具达到10001000。 高速钢的出现，带来高速切削的诞生，给机械加工行业带来了革命性的变化 3. 回火稳定性差，耐热性差回火稳定性差，耐热性差三种钢耐热性比较.碳钢不适宜制作高温工作的零件。碳钢不适宜制作高温工作的零件。 材料科

5、学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu9 4. 不能满足特殊性能的要求不能满足特殊性能的要求 耐低温耐低温 碳钢在韧脆转换温度以下变脆碳钢在韧脆转换温度以下变脆 耐腐蚀耐腐蚀 碳钢不能抵御大气、酸碱盐的腐蚀碳钢不能抵御大气、酸碱盐的腐蚀 导磁性导磁性 碳钢的导磁率较低碳钢的导磁率较低 无磁性无磁性 碳钢在磁场中不可避免会被磁化碳钢在磁场中不可避免会被磁化材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-2610 长长 江江 上上 的的 三三 座座 桥桥 武汉大桥 50年代 碳素结构钢 强度低强度低 主跨128米 南京大桥 60年

6、代 主跨160米 16Mn 较碳钢节约较碳钢节约2020 九江大桥九江大桥 8080年代年代 主跨216米 15MnVN 较较16Mn16Mn节约节约2020 正是碳钢的不足，促进了合金钢的发展正是碳钢的不足，促进了合金钢的发展 合金钢的发展，促进了工业技术的进步材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-2611武汉长江大桥材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-2612南京长江大桥材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-2613九江长江大桥材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu14各个国家

7、都投入大量的人力、物力，用于高性能材料的研究开发，抢占材料研究的制高点。我国的863、973科研计划，材料学科都占据了重要的位置。 合金钢用量占钢铁材料的比例，反映 了 一个国家工业技术的水平。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu15这些元素与碳作用形成合金碳化物 Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱强v 弱碳化物元素弱碳化物元素: Fe: Fe、Mn;Mn;v 中强碳化物元素中强碳化物元素: Cr: Cr、MoMo、W;W;v 强碳化物元素强碳化物元素: V: V、TiTi、NbNb、ZrZr。FeFe的左边：的

8、左边： 二、钢 中 的 合 金 元 素材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu16FeFe的右边：的右边：B、 N、 Al 、Si 、Ni 、Co、 Cu另外：另外：Re这些元素与碳的亲和力较弱，一般以固溶体这些元素与碳的亲和力较弱，一般以固溶体形式存在形式存在材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu17 一是溶解碳钢原有相中；二是形成新相。一是溶解碳钢原有相中；二是形成新相。 存在形式决定于元素与碳的亲和力、数量和性质。1）溶入）溶入F(相）相）：非碳化物元

9、素和部分弱碳化物非碳化物元素和部分弱碳化物元素；元素；例如：例如：Mn Mn 、NiNi、CoCo、SiSi、AlAl、B B 产生固溶强化2）溶入）溶入Fe3C：部分弱碳化物元素部分弱碳化物元素, ,置换出置换出FeFe3 3C C 中的中的FeFe；例如：例如：Cr 、Mn 形成合金渗碳体 （Fe.Cr)Fe.Cr)3 3C C （Fe.Mn)Fe.Mn)3 3C C 1、溶入原有相： 三、合金元素对钢基本相的影响材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu18合金元素对铁素体相性能的影响 材料科学与工程学院材料科学与工程学院

10、 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu19 多是碳化物形成元素，与碳的亲合力比较强，形成合金碳化物。多是碳化物形成元素，与碳的亲合力比较强，形成合金碳化物。 常见有常见有CrCr2323C C6 6、FeFe4 4W W2 2C C、WCWC、MoCMoC、VCVC、TiCTiC等等; ; 它们具有比渗碳体更高的熔点和更高的硬度。它们具有比渗碳体更高的熔点和更高的硬度。 这些元素提高钢的强硬度、耐磨性，降低塑、韧性。 2、形、形 成成 新新 相：相：几种化合物的性能化合物化合物NbCTiCZrCVCFe3C熔点37703410380530231227硬度(HV

11、)2050285028402010800材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu20非碳化物形成元素非碳化物形成元素溶入溶入F固溶强化固溶强化弱碳化物形成元素弱碳化物形成元素形成合金渗形成合金渗碳体碳体较硬，耐磨，比较硬，耐磨，比Fe3C更稳定更稳定强碳化物形成元素强碳化物形成元素形成特殊碳形成特殊碳化物化物高熔点，硬，耐磨，高熔点，硬，耐磨，最稳定最稳定材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu21扩大奥氏体区缩小奥氏体区改变共晶点和共析点的参数作用作用: :

12、 使A3线温度下降, A4线温度上升。例如：例如：ZGMn13 ZGMn13 含含 Mn 13% Mn 13% ， 1Cr18Ni9 1Cr18Ni9 含含 NiNi9% 9% 得到单相得到单相A A组织组织与与-Fe-Fe形成无限固溶体形成无限固溶体 Mn Ni CoMn Ni Co与与-Fe-Fe形成有限固溶体形成有限固溶体 N CuN Cu 1、扩大奥氏体区：、扩大奥氏体区：Mn 元素对奥氏体区的影响 四、合金元素对铁碳相图的影响材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu22扩大相区示意图材料科学与工程学院材料科学与工程学

13、院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu23Cr、Mo、W、V、Ti、Si 等。作用作用: : 使使A A3 3线温度上升线温度上升, , A A4 4线温度下降。线温度下降。与-Fe形成无限固溶体 Cr、V与-Fe形成有限固溶体 Mo、W、 Ti、Al、Si例如例如：1Cr1Cr1717 含含 CrCr17% 17% 得到单相得到单相F F 2、缩小奥氏体区：、缩小奥氏体区： Cr Cr 对奥氏体区的影响对奥氏体区的影响材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu24缩小缩小相区示意图相区示意图

14、材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu25v 几乎所有的合金元素。几乎所有的合金元素。v 作用作用: : S S点和点和E E点的成分向左移。点的成分向左移。 使使A A1 1线的温度变化。线的温度变化。例如：例如：3Cr3Cr2 2W8V 0.3%C W8V 0.3%C 出现二次渗碳体出现二次渗碳体 WW1818CrCr4 4V 0.7-0.8%C V 0.7-0.8%C 出现共晶莱氏体出现共晶莱氏体 3、使、使 S. E 点点 左左 移：移： 元素对元素对 S S 点成分的影响点成分的影响材料科学与工程学院材料科学与工程

15、学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu26 Cr Cr 元素对元素对S S、E E点的影响点的影响 Mn Mn 元素对元素对S S、E E点的影响点的影响材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu27合金元素对合金元素对A A1 1线的影响线的影响材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu28对奥氏体形成的影响；对奥氏体形成的影响；对过冷奥氏体转变的影响；对过冷奥氏体转变的影响；对回火转变的影响对回火转变的影响。 加速加速A

16、A化过程，提高化过程，提高A A的形成速度，的形成速度， Co NiCo Ni 原因：原因：降低了C在A中扩散的激活能，提高了C的扩散系数 减慢减慢A A化过程，降低化过程，降低A A的形成速度，的形成速度， Cr Mo W Ti VCr Mo W Ti V 原因：原因：降低了C的扩散系数，同时其碳化物溶解困难。 1、对、对A形成的影响：形成的影响： 五、合金元素对热处理的影响 1 1）对对A形成速度的影响形成速度的影响热处理 过程？材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu29 大多数元素阻止晶粒的长大，特别是强碳化物元素。大

17、多数元素阻止晶粒的长大，特别是强碳化物元素。 例如：例如：V Ti Zr NbV Ti Zr Nb 原因：原因：C化物粒子稳定，阻止晶粒长大 例如：例如：20CrMnTi 促进晶粒长大的元素。促进晶粒长大的元素。 Mn PMn P 原因：原因：提高了C的扩散系数。 例如：例如：锰钢热处理的过热倾向大。锰钢热处理的过热倾向大。 2 2）对对A晶粒长大的影响晶粒长大的影响材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu30 除除CoCo之外，大多数合之外，大多数合 金元素推迟金元素推迟P P、B B转变。转变。原因：原因：降低了C的扩散速

18、度 提高了钢的淬透性提高了钢的淬透性 常用的合金元素：常用的合金元素： Ni Mn Cr Si BNi Mn Cr Si B 注意：合金元素必须溶入注意：合金元素必须溶入A A 2、对过冷、对过冷A转变的影响：转变的影响： （1 1）P P 、B B类转变类转变 （2 2）C C曲线右移曲线右移 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu31 一是降低淬火的临界冷却速度，提高了钢的淬透性。可采用较小的冷却速度，甚至在空冷就能得到马氏体，避免由于冷却速度过大而引起的变形和开裂. 例如：例如：45 40Cr45 40Cr 另一方面使

19、某些钢采取空冷便得贝氏体组织，具有良好的综合机械性能。 例如：例如： 28CrMoNiVB28CrMoNiVB 重重 要要 意意 义：义：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu32 除除Co AlCo Al之外，其余合金元素均使之外，其余合金元素均使Ms MzMs Mz点下移。点下移。 结果：增加结果：增加A A残残量量; ; 例如：W18Cr4V钢，淬火后 A残量达25。 消除消除A A残残的方法：冷处理；的方法：冷处理； 多次回火。多次回火。 （3 3）对）对MM转变的影响转变的影响 600700500300400200

20、1000-100-2000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.00温度 Wc 100MsMf材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu33 V Si Mo W Ni Mn CoV Si Mo W Ni Mn Co 同样回火效果，更高的回火温度，提高了韧性同样回火效果，更高的回火温度，提高了韧性; ; 同样的回火温度，硬度较高。同样的回火温度，硬度较高。 原因：原因：减缓碳的扩散和碳化物的长大，推迟马氏体分解。 3、对回火转变的影响：、对回火转变的影响： （1 1）提高回火稳定性）提高回火稳定性 5347342

21、2HRC5.02.00.50.0Mo% Mo%Mo%对碳钢回火硬度的影响对碳钢回火硬度的影响 （淬火硬度（淬火硬度HRC57 600HRC57 600回火）回火）材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu34 含W、Mo、V较高的钢，回火温度升高到一定程度后，出现硬度上升，一般在500600中出现硬度的高峰值，这种现象称为这种现象称为“二次硬化二次硬化”。 原因：原因：残余奥氏体发生马氏残余奥氏体发生马氏 体转变体转变; ; 弥散析出碳化物。弥散析出碳化物。例如：例如：W W1818CrCr4 4V V 钢淬火后钢淬火后2525

22、A A残，硬，硬 度度60-63HRC 60-63HRC ，回火后，回火后63-65 HRC63-65 HRC。 （2 2）二次硬化）二次硬化 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu35 回火脆性：回火脆性：钢回火时，在一定的温度范围内，韧性降低， 表现出明显的脆化现象。 第一类回火脆性：第一类回火脆性： （低温回火脆性）（低温回火脆性）碳钢和合金钢回火都出现，不可逆。第二类回火脆性：第二类回火脆性：（高温回火脆性）（高温回火脆性）出现于Ni、Cr合金钢中 （3 3）回火脆性）回火脆性 材料科学与工程学院材料科学与工程学院

23、2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu36 防止回火脆性的方法防止回火脆性的方法: :v在在500600 快速冷却快速冷却;v加入合金元素加入合金元素W、Mo。v避开在该温度回火避开在该温度回火;材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu37合金钢的分类：合金钢的分类：1、合金结构钢、合金结构钢2、合金工具钢、合金工具钢3、特殊性能钢、特殊性能钢材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu38合金结构钢第 二 节Alloy Struc

24、tural Steel材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu39合金结构钢合金结构钢( Alloy Constructional Steel ) 普普 通通 低低 合合 金金 钢钢 合合 金金 渗渗 碳碳 钢钢 合合 金金 调调 质质 钢钢 弹弹 簧簧 钢钢 滚滚 动动 轴轴 承承 钢钢 易易 切切 削削 钢钢材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu40数字数字+化学元素化学元素+数字数字1、前面(两位）数字表示钢平均含碳量的万分数；2、后面的数字表示合金元

25、素含量。 合金元素含量小于1.5%时，不标含量； 等于或大于1.5%、2.5%时，以2、3表示。4、特殊标注：特殊标注： 滚珠轴承钢，滚珠轴承钢，注明“G”，铬含量千分数为单位； 易切削钢，易切削钢，钢号前加 “Y”3、S、P量较低的高级优质钢，加A 结结 构构 钢钢 编编 号号 原原 则则材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu41一一. .普通低合金钢普通低合金钢( common low alloyed steel )又称又称“低合金高强度钢低合金高强度钢”用途：用途：工程结构件，如车辆、 船舶、压力容器、桥梁。 1、用途

26、及性能：、用途及性能：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu42性能要求：性能要求： 1 1）高强度，）高强度，300Mpa300Mpa以上；省料和减少自重以上；省料和减少自重； 2 2）高的塑性和韧性，）高的塑性和韧性， 2020，4040时，时，a ak k24J24J； 3 3）好的焊接性和冷变形性，有利于成型。 1 1）低碳，低碳，WWC C0.20%Wt0.20%Wt，以保证足够的韧性；，以保证足够的韧性； 2 2）以Mn为主强化元素，价格较廉； 3 3）加入少量加入少量NbNb、V V强碳化物元素，达到细化晶粒的

27、效果；强碳化物元素，达到细化晶粒的效果； 4 4）针对特殊用途，可加入Cu、P，提高钢的抗腐蚀能力。 2、成分特点：、成分特点：低碳细化晶粒、弥散强化元素材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu43质量等级质量等级345 MPa345 MPa屈服强度屈服强度牌号牌号: Q 345 C 300MPa 12Mn350MPa 16Mn450MPa 15MnVN供货状态：热轧空冷供货状态：热轧空冷 一般不单独热处理一般不单独热处理 3、热处理及典型钢种：、热处理及典型钢种：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anm

28、ing Li, Dept of MSE,hpu44二、渗碳钢二、渗碳钢 用途：用途：承受强的磨擦、磨损及交变应 力，一定冲击载荷。 例如：汽车中传递动力的齿轮。 性能：性能： 1 1）心部足够的强度及优良的韧性； 2 2）良好的淬透性；良好的淬透性； 3 3）表面处理后，有高的硬度；表面处理后，有高的硬度； 4 4）能适应高温渗碳工艺。 1、用途及性能：、用途及性能：活塞销活塞销( 20Cr )( 20Cr )材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu45 1 1）低碳，0.100.20%C，保证足够塑性和韧性； 2 2）加入提

29、高淬透性的元素，加入提高淬透性的元素，Cr、Mn、Ni、B 等； 3 3）加入少量强碳化物形成元素，加入少量强碳化物形成元素，如Ti、V、Mo等， 阻止奥氏体的晶粒长大。 渗碳淬火低温回火 低淬透性：低淬透性：15Cr15Cr、20Cr20Cr、20Mn20Mn2 2中淬透性：20CrMnTi、20CrMnMo高淬透性：高淬透性：12CrNi12CrNi4 4A A、18Cr2Ni18Cr2Ni4 4WAWA 低碳提高淬透性元素强碳化物元素 2、成分特点：、成分特点： 3、热处理及典型钢种：、热处理及典型钢种：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dep

30、t of MSE,hpu46零件零件渗碳剂渗碳剂试棒试棒盖盖泥封泥封渗碳箱渗碳箱气体渗碳示意图固体渗碳示意图材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu47渗碳后的组织渗碳后的组织: :0.2%C F + P少少表面表面中心中心 1.0%CP+Fe3C零零 件件PP+F渗层厚度：渗层厚度：表层到1/2过渡层的厚度。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu48渗碳后的热处理渗碳后的热处理930850时间温度方案方案1方案方案2渗渗 碳碳淬火淬火加热加热工艺：工艺：渗

31、碳渗碳 淬火淬火 低温回火低温回火 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu49方法：方法：直接淬火、一次淬火、二次淬火直接淬火、一次淬火、二次淬火材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu50热处理后的组织热处理后的组织钢种钢种表层组织表层组织心部组织心部组织低碳钢低碳钢M回回+Fe3C+A残残F+P合金钢合金钢M回回+Cm+A残残M回回+F材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu51三、调质

32、钢三、调质钢 用途：用途：齿轮、轴、连杆、高强度螺栓。 性能：性能：1）高的强韧性配合； 2）好的淬透性。 1 1）中碳，0.3-0.50%C之间，强韧性的合理配合； 2 2）提高淬透性元素，提高淬透性元素，CrCr、MnMn、NiNi、Si Si、B B等；等； 3 3）加入W、Mo，防止回火脆性。 2、成分特点：、成分特点：中碳提高淬透性元素防止回火脆性元素 1、用途及性能：、用途及性能：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu52 淬火高温回火（调质）低淬透性 40MnMnB、40Cr中淬透性 42CrMo、40CrNi

33、Mo高淬透性 34CrNi3Mo 3、热处理及典型钢种：、热处理及典型钢种：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu53回火温度b(MPa) (%)ak(J/mm2)60085012550.92001500830-材料科学与工程学院材料科学与工程学院 根据强韧要求不同，采用不同的回火温度。 例： 40CrNiMo 850油淬后： 回火温度对40CrNiMo力学性能的影响2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu54材料科学与工程学院材料科学与工程学院 4、调质钢与渗碳钢的比较：、调质钢与渗碳钢的比较

34、：（1 1）合金化原则：）合金化原则： 渗C钢：低C+提高淬透性元素+防止A晶粒长大元素。 调质钢：中C+提高淬透性元素+防止第二类回火脆性元素 （2 2）获得优良综合性能的途径：）获得优良综合性能的途径：组织获得高强度途径获得好的塑.韧性的途径提高表面硬度途径表心调质钢S回S回提高C%0350.5%CHT 高温回火表面淬火渗N渗C钢M回M回或F+P淬火+低温回火低保证0.10.25%c渗高HT得到高C的M回2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu55材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu56材

35、料科学与工程学院材料科学与工程学院 （3 3）性能：）性能： 钢号及热处理b(MPa)s(MPa) (%)ak(J/mm2)表面HRC20CrMnTi 渗C淬火+200 0C110085010450.7586040Cr 8500C淬火 5000C回火10008009450.655 渗渗C C钢：钢： 用于承受冲击载荷，且耐磨的零件。 例：汽车后桥主动轮齿轮。 调质钢：调质钢：用于运转平稳，要求好的综合性能的零件。 例： 一般的齿轮、轴、连杆等。（4 4）用途：）用途： 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu57四、弹簧钢四、弹簧钢 用途：用途：制造各类弹簧。 弹

36、簧的作用是吸收和释放能量。 性能：性能： 1 1）高的比例极限， 即s/b值（屈强比）高； 2 2） -1 -1大，有较高的疲劳抗力；大，有较高的疲劳抗力； 3 3）足够的韧性，硬度适中， 3950HRC。 热卷大弹簧热卷大弹簧 1、用途及性能：、用途及性能：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 编号： 两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素符号+该元素百分含量数字+ 当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量；2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu582022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu59 1）偏高

37、的含碳量，0.450.70%C之间； 2）Si可以有效提高钢的比例极限 Cr、Si、Mn 可提高淬透性； 3）Si、V的使用可以提高 回火稳定性。淬火中温回火1 1）热成型弹簧 65Mn、60Si2Mn。 2 2）冷成型弹簧 T10等大型热卷弹簧大型热卷弹簧 2、成分特点：、成分特点： 3、热处理及典型钢种：、热处理及典型钢种：高碳提高淬透性元素提高回火稳定性元素材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu60材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu61五、滚动轴

38、承钢五、滚动轴承钢 用途：用途：制造滚动轴承制造滚动轴承 性能：性能： 1）高强度和硬度，HRC6062，承受高的压应力 ； 2）高的接触疲劳抗力，接触应力可达3000-3500MPa； 3）高的耐磨损能力。 高碳提高淬透性元素 0.951.15%C Cr、 Si、Mn 2、成分特点：、成分特点： 1、用途及性能：、用途及性能：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu62球化退火淬火低温回火GCr9 小轴承GCr15 多数轴承GCr15SiMn 壁厚14的大轴承极细回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体 3、热处理及典型钢种

39、：、热处理及典型钢种：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 分为高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、高碳铬不锈轴承钢和高 温轴承钢等四大类 。 (1)(1)高碳铬轴承钢高碳铬轴承钢:G-“:G-“滚滚”字汉语拼音字首，但不字汉语拼音字首，但不标明含碳量。铬含量以千分标明含碳量。铬含量以千分之几计，其他之几计，其他 合金元素合金元素同合金结构钢的表示方法。同合金结构钢的表示方法。如：平均含铬量为如：平均含铬量为1.50%1.50%的轴承钢，其牌号表示为的轴承钢，其牌号表示为“GCr15”GCr15”；（2）渗碳轴承钢：采用合金）渗碳轴承钢：采用合金结构钢的牌号表示方法结构钢的牌号表示方法,另在牌号头部加符

40、号另在牌号头部加符号“G”。2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu63例如：例如：“G20CrNiMo”； 高级优质渗碳轴承钢，在高级优质渗碳轴承钢，在牌号尾部加牌号尾部加“A”，如：，如：“G20CrNiMoA”。（3）高碳铬不锈轴承钢和高）高碳铬不锈轴承钢和高温轴承钢：采用不锈钢和耐温轴承钢：采用不锈钢和耐热钢的牌号表示方法，牌号热钢的牌号表示方法，牌号头部不加符头部不加符 号号“G”。例如：。例如：高碳铬不锈轴承钢高碳铬不锈轴承钢“9Cr18”和高温轴承钢和高温轴承钢“10Cr14Mo”。2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hp

41、u64六、其他合金结构钢六、其他合金结构钢 微合金非调质钢：微合金非调质钢：在碳素结构钢或低合金钢中加入微量合金元素使之无须经调质处理便可达到性能要求的专用结构钢，简称非调质钢非调质钢。一般在热锻后直接使用，应用对象范围同调质钢。低淬透性钢：低淬透性钢：含Ti优质碳素结构钢，碳量中偏高，如55Ti、60Ti、70Ti等。用于感应加热达到表面高硬度，心部不能淬透而保持强韧状态。部分代替渗碳钢。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu65易切削钢：易切削钢：在钢中加入某些合金元素，使其切削加工性能得到明显改善的结构钢，可简称为易切

42、削钢易切削钢。编号：编号：“Y”+Y”+两位数字两位数字+ +易切削元素符号易切削元素符号 （1 1）“Y”-Y”-易切削钢易切削钢 ； （2 2）两位数字）两位数字-平均含碳量；平均含碳量；（3 3）易切削元素符号：加硫易切削钢和加硫、磷易切削）易切削元素符号：加硫易切削钢和加硫、磷易切削钢，在符号钢，在符号“Y”Y”和阿拉伯数字后不加易切削元素符号。和阿拉伯数字后不加易切削元素符号。 常用的合金元素有Pb、S、Ca等，切削摩擦力小，易断屑，但力学性能并不高，用于用于受力不大、批量生产、精密构件。 例如：Y40Mn、 Y20Cr等。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26An

43、ming Li, Dept of MSE,hpu66七、超级钢七、超级钢 新一代钢铁材料 “新一代钢铁材料”，就是使用现有的设备（或略加改造），用一种便宜的办法（不是加入合金元素，增加成本的办法），也不是大变形量，低温扎制的办法，在比较高的温度下轧制钢材，在轧制过程钢材产生相变，“形变诱导铁素体相变”，通过改变钢材物理性能和显微组织，得到超细显微组织，提高钢材的力学性能，在性能价格比提高和经济性优良的情况下，保持钢材韧性和塑性的同时，把现在钢材的强度提高一倍，使用寿命提高一倍，现在钢材的强度提高一倍，使用寿命提高一倍，从而得到良好的经济效益和社会效益材料科学与工程学院材料科学与工程学院 202

44、2-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu67 国家973973项目“新一代钢铁材料”重大基础研究首席科学家翁宇庆教授。项目由国家家金工业业局一组织，参加加项目的有有五大专院校（北京科技大学、 清华大学、东北大学等），四五研究院所 （钢铁研究总院、中科院沈阳金属所等）， 九五钢铁企业（宝钢、首钢、鞍钢、武钢、 攀钢、唐钢、淮钢、珠江钢厂、大连钢厂） 三五汽车厂。涉及的品种有：螺纹钢、薄 板、中厚板、薄板坯、特殊钢等（还未见 钢管品种的报导）。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu68 项目的设想是把占

45、全国钢材总产量 70%70%的三类钢，即碳素、低合金、合金结构钢的强度或使用寿命提高一倍。在前期研究的基础上，研究人员提出了碳素结构钢的屈服强度由目前的200200MPa提高到400400MPa，低合金结构钢的屈服强度由目前的400400MPa提高到800800MPa，合金结构钢抗拉强度由800800MPa提高到15001500MPa。新一代钢铁材料性能的提高，还有望降低目前约占全国总能耗十分之一的钢铁工业对能源、资源的消耗。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu69本项目主要内容如下： 1.1.钢的高洁净度基础理论研究。钢

46、的高洁净度基础理论研究。研究低浓度杂质条件 组元的行为、杂质去除反应的动力学限制性环节。研究高 洁净钢的凝固规律； 2.2.微米、亚微米组织的形成理论。微米、亚微米组织的形成理论。研究获得超细相组织 的变形机理、变形控制技术和性能特征； 3.3.非平衡态的物理金属学问题。非平衡态的物理金属学问题。研究非平衡态转变规 律、元素的溶解和析出规律； 4. 4. 高洁净度钢的微合金化基础理论。高洁净度钢的微合金化基础理论。研究凝固、热加 工和相变过程中微合金化元素的溶解和析出规律； 5. 5. 相关技术的基础理论。相关技术的基础理论。用计算机技术模拟组织形成和 性能变化过程。材料科学与工程学院材料科学

47、与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu70经过有年研究，预期实现下列目标： 提供钢的高洁净度基础理论、微米亚微米组织的形成理论、非平衡态的物理金属学问题、高洁净度钢的微合金化理论等四五理论基础。建立相关技术的基础理论。2.2.产生出新一代钢铁材料的原型。碳素结构钢的屈服强度提高到400Mpa400Mpa级，低合金钢的屈服强度提高到800MpaMpa级，合金结构钢的抗拉强度提高到1500MPa1500MPa，钢材的使用寿命提高一倍。3.3.培养出一批2121世纪钢铁材料科学的学科带头人。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anmin

48、g Li, Dept of MSE,hpu71 新一代钢铁材料具有超细晶、高洁净、高均匀性的特征。 该材料用于汽车钢板，使车身超轻，强度提高8080，自重下降2525；用于铁路，铁轨自重减少10102525，称为瘦身工程；用于建筑，在不使用合金元素的情况下达到三级即400MPa400MPa建筑用钢强度，如果少用合金元素可达到四级即500M Pa500M Pa建筑用钢强度；用于机械制造，具有抗延迟断裂、高疲劳寿命的特点，是高强（1300MPa1300MPa）合金结构钢。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu72 我国超細晶粒、

49、质地純凈均勻、強度翻番的 “新一代钢铁材料”已由宝钢、鞍钢、攀钢、首钢、本钢等1515家钢铁企业生产了約200200万吨。汽車和建筑是主要用戶。从20042004年起，年使用量有望超过100100万吨。本材料科学国家研究所、钢铁研究中心心表所研 发的具有 “双倍強度”和“双倍寿命”，又具有“易回收性”的“超級钢”，目标是建筑和城市工程。南南等开发的适用 2121世紀新环境的 “新概念钢”。這种钢具有更高的韧性、良好的焊接性，更好的耐海洋气候性能，以及回收简便等特点。意大大研发了高性能 X100X100X120X120管线钢。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming

50、Li, Dept of MSE,hpu73材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu74合金工具钢第 三 节Alloy Tool Steel2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu75数字数字+ +化学元素化学元素+ +数字数字1、前面(一位）数字表示钢平均含碳量的千分数； 含碳量1时，不写数字。2、后面的数字表示合金元素含量。 合金元素含量小于1.5%时，不标含量； 等于或大于1.5%、2.5%时，以2、3表示。4、特殊标注：特殊标注： 高速钢，例如：高速钢，例如：W W1818CrCr4 4V

51、V； 3、S、P量较低的高级优质钢，加A 工工 具具 钢钢 编编 号号 原原 则则材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu76一、合金刃具钢一、合金刃具钢alloy cutting tool steel材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu77 什么是合金刃具钢？什么是合金刃具钢？ 用途：车刀、刨刀、铣刀、钻头等。用途：车刀、刨刀、铣刀、钻头等。 用于制造各类切削刀具的合金钢。用于制造各类切削刀具的合金钢。 （alloy cutting tool steel

52、） 低合金低合金 刃具钢刃具钢 高合金高合金 刃具钢刃具钢材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu78刃具钢刃具钢 主要用途主要用途 车刀端面铣刀钻头丝锥板牙盘型铣刀齿轮滚刀材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu79 目的与要求目的与要求 学习两个知识 培养一种能力 合理合理设计合金刃具钢的成分；正确正确制定刃具的热处理工艺。 通过全面全面分析刃具的工作特点，合理合理确定合金刃具钢的性能要求。 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anmi

53、ng Li, Dept of MSE,hpu80 本节课的内容本节课的内容 1 1、刃具的工作特点分析、刃具的工作特点分析 3 3、合金刃具钢的成分设计、合金刃具钢的成分设计 2 2、刃具钢的性能要求刃具钢的性能要求 4 4、刃具钢的热处理工艺、刃具钢的热处理工艺 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu8121弹性变形弹性变形 塑性变形塑性变形 挤裂挤裂2金金 属属 的的 切切 削削 过过 程程 1. 刃具的工作特点刃具的工作特点材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of M

54、SE,hpu82材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu83 工工 作作 特特 点点与工件发生剧烈的摩擦与工件发生剧烈的摩擦 要求刃具钢有高的硬度、高的耐磨性要求刃具钢有高的硬度、高的耐磨性 承受一定的冲击和弯曲应力承受一定的冲击和弯曲应力 要求刃具钢有足够的塑性、韧性要求刃具钢有足够的塑性、韧性 刃部有很高工作温度刃部有很高工作温度 要求刃具钢有高的耐热性要求刃具钢有高的耐热性三三个个特特点点材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu84 2. 2.性能要求性

55、能要求（properties) （1）高硬度 (hardness) 一般刃具钢60HRC，部分刃具钢70HRC （2）高的耐磨性（wearability) 决定了刀具的耐用度； 耐用度：耐用度：刀具由开始切削到磨钝的时间。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-2685 63 60 HRC 降降30 大量大量VC VC 70 70 HRC 刃具的耐磨性刃具的耐磨性 材料的硬度材料的硬度 碳化物性质碳化物性质 成分VCWCFe3C硬度/HV20101730800三种碳化三种碳化物的硬度物的硬度材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-2686 (3)高的热硬性 （hot h

56、ardness) 热硬性热硬性： 材料在高温下保持高硬度的性能， 取决于钢的回火稳定性回火稳定性和碳化物的性质碳化物的性质。 意大大有轴数控铣床意大大有轴数控铣床 德国数控铣床德国数控铣床 材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu87刃具材料的耐热性是影响机械切削速度刃具材料的耐热性是影响机械切削速度的关键因素；的关键因素；国际生产工程学会国际生产工程学会的一份的一份报告指出：报告指出：“正是由于刃具材料的进步，正是由于刃具材料的进步，允许切削速度每隔十年几乎提高一倍允许切削速度每隔十年几乎提高一倍”。 对刃具材料的热硬性提出

57、了更高的要求对刃具材料的热硬性提出了更高的要求 刃具温度升高刃具温度升高 切削速度提升切削速度提升材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu88 1865 低合金刃具钢低合金刃具钢 300 10 m/min 英国英国 罗伯特罗伯特刃具材料与切削速度进展刃具材料与切削速度进展 1898 高速钢高速钢 (锋钢锋钢) 600 30 m/min 美国美国 泰勒泰勒 怀特怀特 现在现在 Si3N4 1500 2000 m/min 1865 前前 碳素刃具钢碳素刃具钢 200 8 m/min 1926 硬质合金硬质合金 1000 100 m

58、/min材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu89各个国家对高性能刃具材料的研究都投各个国家对高性能刃具材料的研究都投入极大的热情，解放后，我国研制了几入极大的热情，解放后，我国研制了几十种高速钢，建设了株洲和自贡硬质合十种高速钢，建设了株洲和自贡硬质合金厂，提升了我国刀具材料的水平。金厂，提升了我国刀具材料的水平。 切削技术的发展史，就是刃具材料的进步史切削技术的发展史，就是刃具材料的进步史 刃具材料的进步，刃具材料的进步，拓宽了可切削材料的范围；拓宽了可切削材料的范围； 实现了制造技术的重大突破实现了制造技术的重大突破

59、。 新一代航空发动机的研制新一代航空发动机的研制材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu90 （4）足够的塑性和韧性 （plasticity and toughness) 材料塑韧性低材料塑韧性低 刃具崩刃、断裂刃具崩刃、断裂 高速钢刃具高速钢刃具5050，硬质合金刃具，硬质合金刃具4545，其它材料刃具，其它材料刃具5 5。 主要原因：高速钢的韧性好。主要原因：高速钢的韧性好。材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu91 成分特点：成分特点： 高碳高碳+ +

60、提高淬透性元素提高淬透性元素+ +提高回火稳定性元素提高回火稳定性元素 1)高碳，0.851.05%C之间； 2)提高淬透性的元素：Cr Mn； 3)提高回火稳定性的元素：V Si典型钢种及热处理典型钢种及热处理： 9SiCr CrWMn9SiCr CrWMn 淬火低温回火淬火低温回火 3 3、低合金刃具钢：、低合金刃具钢：材料科学与工程学院材料科学与工程学院 2022-4-26Anming Li, Dept of MSE,hpu92 4.4.高合金刃具钢高合金刃具钢(high-alloy cutting tool steel) “高速钢高速钢 ” (high speed tool steel