材料科学第三章金属材料(1)

1、1第三章第三章 金属材料金属材料(1)材料学概论材料学概论2钢的热处理钢的热处理合金钢合金钢本章本章主要内容主要内容 金属材料概论金属材料概论铁及铁基合金铁及铁基合金3金属材料是重要的工程材料金属材料是重要的工程材料金属的金属的主要特性主要特性：（1）具有金属光泽、良好的反射能力和不透明性）具有金属光泽、良好的反射能力和不透明性（2）具有很高的强度和良好的延展性（塑性变形能力）具有很高的强度和良好的延展性（塑性变形能力）（3）具有比一般非金属材料大得多的导电能力）具有比一般非金属材料大得多的导电能力（4）具有磁、热、光等许多物理特性。作为电、磁、热、光）具有磁、热、光等许多物理特性。作为电、磁

2、、热、光等方面的功能材料，金属可以在很多领域里发挥作用等方面的功能材料，金属可以在很多领域里发挥作用（5）表面工艺性能优良，在金属表面可进行各种装饰工艺以）表面工艺性能优良，在金属表面可进行各种装饰工艺以获得理想的质感。获得理想的质感。 金属之所以具有上述优良性能是因为金属所特有的原子结金属之所以具有上述优良性能是因为金属所特有的原子结合形式合形式金属键金属键。引言引言- -金属材料概论金属材料概论4金属材料是最重要的工程材料，工业上将金属及其合金分为两大类：铁及铁基合金铁及铁基合金：铁和以铁为基的合金（纯铁、钢、铸铁）非铁金属及其合金非铁金属及其合金：铁和铁基合金以外的所有金属及其合金。金属

3、材料类型金属材料类型5熔点:1538 ，密度(20 )：7.87103 kg/m3；存在、三种同素异形体。以铁和碳元素为主，含有少量锰、硅、硫、磷、氧、氮等非特意加入元素非特意加入元素的钢。碳的质量分数大于2.11的铁碳合金。纯铁纯铁碳钢碳钢铸铁铸铁3.1 铁及铁基合金铁及铁基合金分类分类63.1.1 纯铁纯铁 工业纯铁强度和硬度低，一般不作为工业纯铁强度和硬度低，一般不作为结构材料使用，主要用作深冲材料和电磁结构材料使用，主要用作深冲材料和电磁材料。材料。 铁铁-常温，体心立方结构常温，体心立方结构 铁-910-1390 ，面心立方结构，面心立方结构 铁铁- 1390 ，体心立方结构，体心立

4、方结构71、按碳的质量分数分：、按碳的质量分数分： 低碳钢（低碳钢（C：0.25） 中碳钢（中碳钢（C：0.25 C 0.6） 高碳钢（高碳钢（C：0.6）2、按钢的质量分、按钢的质量分（主要是杂质硫、磷的含量）：（主要是杂质硫、磷的含量）： 普通碳素钢（普通碳素钢（S 0.055，P 0.045) 优质碳素钢（优质碳素钢（S 0.040，P 0.040) 高级优质碳素钢（高级优质碳素钢（S 0.030，P 0.035)3、按用途分：、按用途分：碳素结构钢：主要用于桥梁、船舶、建筑构件、机器零件等碳素结构钢：主要用于桥梁、船舶、建筑构件、机器零件等碳素工具钢：主要用于刀具、模具、量具等碳素工具

5、钢：主要用于刀具、模具、量具等含碳量越含碳量越高，硬度、强度越大，但塑性降低高，硬度、强度越大，但塑性降低3.1.2 碳钢碳钢-碳钢的分类碳钢的分类8碳钢的应用示例碳钢的应用示例9齿轮螺栓曲轴弹簧碳钢的应用示例碳钢的应用示例103.1.2 碳钢碳钢-碳钢的牌号与用途碳钢的牌号与用途1.普通碳素结构钢：普通碳素结构钢：Q195、 Q215、 Q235、 Q255、 Q275等。数字表等。数字表示最低屈服强度。若牌号后面标注字母示最低屈服强度。若牌号后面标注字母A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同，即硫、磷含量不同。其中则表示钢材质量等级不同，即硫、磷含量不同。其中A级钢含硫、磷量最高，级钢含硫

6、、磷量最高，D级钢含硫、磷量最低，即级钢含硫、磷量最低，即A、B、C、D表示钢材质量依次提高。表示钢材质量依次提高。 Q195、 Q215、 Q235塑性好，可轧制成钢板、塑性好，可轧制成钢板、钢筋、钢管、螺钉、螺帽等。钢筋、钢管、螺钉、螺帽等。 Q255、 Q275可可轧制成型钢、钢板等。轧制成型钢、钢板等。 我国钢材的编号是我国钢材的编号是按碳含量、（合金元素的按碳含量、（合金元素的种类和数量）种类和数量）以及以及质量级别质量级别来编号的。来编号的。 112. 2.优质碳素结构钢：优质碳素结构钢：钢号以碳的平均质量万分数表示钢号以碳的平均质量万分数表示。如。如2020钢、钢、4545钢等。

7、钢等。 2020钢表示含钢表示含C C：0.20%0.20%（万分之（万分之2020）。主要用于制造各种机器主要用于制造各种机器零件。零件。常用优质碳素结构钢：常用优质碳素结构钢：（1 1）0808塑性好，可制造冷冲压零件；塑性好，可制造冷冲压零件；（2 2）1010、2020钢，冷冲压性与焊接性能良好，可钢，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）也可用作冲压件及焊接件，经过热处理（如渗碳）也可以制造轴、销等零件；以制造轴、销等零件；（3 3）3535、4040、4545、5050钢。经热处理后，可获得钢。经热处理后，可获得良好的综合机械性能，用来制造齿轮、轴类、套

8、筒良好的综合机械性能，用来制造齿轮、轴类、套筒等零件；等零件；（4 4）6060、6565钢。主要用来制造弹簧。钢。主要用来制造弹簧。 123.碳素碳素工具钢工具钢：钢号以碳的平均质量千分数表示以碳的平均质量千分数表示，并在前冠以T。如T9、T12等。 T9表示含C：0.9%（千分之9）。用途用途主要用于制造各种刀具、量具、模具等主要用于制造各种刀具、量具、模具等锉刀 量规钻头134.铸钢铸钢：铸钢牌号是在数字前冠以ZG，数字代表钢中碳平均质量分数（以万分数表示）。如ZG25，表示含C：0.25%。主要用于制造形状复杂并需主要用于制造形状复杂并需要一定强度、塑性和韧性的零件，如齿轮、联要一定强

9、度、塑性和韧性的零件，如齿轮、联轴器等。轴器等。14重型机械齿轮外壳轧辊 铸铸 钢钢 应用示例应用示例15 热处理热处理是将固态金属或合金在一定介质中加热、是将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需性能的一种热加工工艺。需性能的一种热加工工艺。 常用热处理工艺可分为常用热处理工艺可分为普通热处理普通热处理（退火、正火、（退火、正火、淬火和回火）和淬火和回火）和表面热处理表面热处理（表面淬火和化学热处理）。（表面淬火和化学热处理）。3.2 3.2 钢的热处理钢的热处理16 钢在加热时，实际转变温度往往要偏

10、离平衡的临界温度，冷钢在加热时，实际转变温度往往要偏离平衡的临界温度，冷却时也是如此。随着加热和冷却速度的增加，滞后现象将越加严重。却时也是如此。随着加热和冷却速度的增加，滞后现象将越加严重。通常把通常把加热时的临界温度标以字母加热时的临界温度标以字母“C”C”，如，如A AC1C1、A AC3C3、A ACmCm等；把等；把冷冷却时的临界温度标以字母却时的临界温度标以字母“r”r”，如，如A Ar1r1、A Ar3r3、A Armrm等。等。 3.2.1 3.2.1 钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变17基本名词：基本名词：1.铁素体：铁素体：-Fe固溶体固溶体2.奥氏体：奥氏体： -

11、Fe固溶体固溶体3.固溶体：固溶体：-Fe固溶体固溶体4.渗碳体：渗碳体：C与与Fe形成的形成的Fe3C表示的化合物表示的化合物5.珠光体组织：铁素体与渗碳体片层相间的机械混合珠光体组织：铁素体与渗碳体片层相间的机械混合物物6. 贝氏体组织：渗碳体分布在碳过饱和的铁素体基体上贝氏体组织：渗碳体分布在碳过饱和的铁素体基体上或铁素体之间的两相混合物或铁素体之间的两相混合物7. 马氏体：碳过饱和铁素体马氏体：碳过饱和铁素体18热处理时常用的冷却方式有两种：热处理时常用的冷却方式有两种： 一是等温冷却；一是等温冷却； 二是连续冷却。二是连续冷却。 3.2.2 3.2.2 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时

12、的组织转变19 （一）珠光体转变（一）珠光体转变 共析成分的奥氏体在共析成分的奥氏体在723723550550温度范围内等温停留时，将发温度范围内等温停留时，将发生生珠光体转变珠光体转变，形成铁素体和渗碳体两相组成的机械混合物，形成铁素体和渗碳体两相组成的机械混合物-珠光珠光体体。因转变的温度较高，也称高温转变。因转变的温度较高，也称高温转变。 珠光体的组织有两种形态：一种是珠光体的组织有两种形态：一种是片状珠光体片状珠光体；另一种是；另一种是球状球状或粒状珠光体或粒状珠光体。 片状珠光体组织 粒状珠光体组织3.2.2 3.2.2 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变20片状珠光体中，按片

13、间距的大小可将其分为三类：片状珠光体中，按片间距的大小可将其分为三类：723723650650之间形成的片层较粗的珠光体，称为之间形成的片层较粗的珠光体，称为珠光体珠光体，以符号以符号“P P”表示；表示；650650600600之间形成的片层较细的珠光体，称为之间形成的片层较细的珠光体，称为索氏体索氏体，以符号以符号“S S”表示；表示；600600550550之间形成的片层极细的珠光体，称为之间形成的片层极细的珠光体，称为托氏体托氏体，以符号以符号“T T”表示。表示。 3.2.2 3.2.2 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变21 （二）贝氏体转变（二）贝氏体转变 贝氏体转变是过冷

14、奥氏体在贝氏体转变是过冷奥氏体在230-550230-550范围内进行的转变，又范围内进行的转变，又称为中温转变。贝氏体是碳化物（渗碳体）分布在碳过饱和的铁素称为中温转变。贝氏体是碳化物（渗碳体）分布在碳过饱和的铁素体基体上的两相混合物。体基体上的两相混合物。 上贝氏体上贝氏体 共析钢上贝氏体大约在共析钢上贝氏体大约在550550（“鼻子鼻子”温度）温度）至至350350之间形成。光学显微镜观察，典型上贝氏体组织形态呈羽之间形成。光学显微镜观察，典型上贝氏体组织形态呈羽毛状。毛状。3.2.2 3.2.2 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变22 下贝氏体下贝氏体 共析钢下贝氏体大约在共析钢

15、下贝氏体大约在350350至至230230之间形成。之间形成。光学显微镜观察，下贝氏体呈黑色针状或竹叶状。光学显微镜观察，下贝氏体呈黑色针状或竹叶状。 3.2.2 3.2.2 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变23 （三）马氏体转变（三）马氏体转变 马氏体转变是低于马氏体转变是低于230时进行的转变，时进行的转变，马氏体转变是典型的无扩散性相变。马氏马氏体转变是典型的无扩散性相变。马氏体是碳在体是碳在-Fe中的过饱和固溶体，具有非中的过饱和固溶体，具有非常高的强度和硬度。所以，马氏体转变是常高的强度和硬度。所以，马氏体转变是强化金属的重要途径之一。强化金属的重要途径之一。 3.2.2 3

16、.2.2 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变24马氏体的组织形态马氏体的组织形态 钢中马氏体有两种基本形态：钢中马氏体有两种基本形态：板条马氏体板条马氏体和和片状马氏体片状马氏体。当当w wc c0.25%1.0%1.0%时，奥氏体几乎只形成时，奥氏体几乎只形成片状马氏体片状马氏体（针状马氏体）。（针状马氏体）。板条状马氏体板条状马氏体片状马氏体片状马氏体 w wc c在在0.25%0.25%1.0%1.0%之间的奥氏体则形成上述两种马氏体的混合之间的奥氏体则形成上述两种马氏体的混合组织，含碳量越高，条状马氏体量越少而片状马氏体量越多。组织，含碳量越高，条状马氏体量越少而片状马氏体量越多

17、。 3.2.2 3.2.2 钢在冷却时的组织转变钢在冷却时的组织转变25碳钢的常规热处理碳钢的常规热处理退火退火正火正火淬火淬火回火回火3.3 3.3 钢的热处理钢的热处理常规热处理常规热处理表面热处理表面热处理形变热处理形变热处理26合金钢合金钢合金钢的类型合金钢的类型3.4 3.4 合金钢合金钢在碳钢中在碳钢中加入一种或多种合金元素，形成的加入一种或多种合金元素，形成的钢称之为合金钢。钢称之为合金钢。按按所含合金元素的多少分所含合金元素的多少分：低合金钢（总质量分数低于低合金钢（总质量分数低于5）、中合金钢（总质量分数）、中合金钢（总质量分数510）、高合金钢（总质量分数高于）、高合金钢（

18、总质量分数高于10）。）。按主要合金元素种类分按主要合金元素种类分：铬钢、铬镍钢、锰钢、硅：铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢等。锰钢等。按用途分按用途分：结构钢、工具钢、特殊性能钢。：结构钢、工具钢、特殊性能钢。27合金钢合金钢281.合金结构钢合金结构钢 该类钢的牌号是由该类钢的牌号是由“数字数字(万分之一万分之一)+元素元素+数字数字”三三部分组成。如部分组成。如36Mn2Si 和和18Cr2Ni4WA，A表示高级优表示高级优质。质。2.合金工具钢合金工具钢 如如9Mn2V和和CrMn，特殊：，特殊：W18Cr4V（含碳量（含碳量0.7%0.8%）。）。合金钢的编号合金钢的编号 我国合金钢是按碳

19、的质量分数、合金元素种类和数量、我国合金钢是按碳的质量分数、合金元素种类和数量、质量级别来编号的。质量级别来编号的。合金元素质量分数标法：合金元素质量分数标法：1.5% 不标出；不标出；1.5%-2.49% 标标2； 2.5%-3.49% 标标3；293.滚动轴承钢滚动轴承钢 该类钢在钢号前冠以该类钢在钢号前冠以“滚滚”或或“G”，其后为铬（，其后为铬（Cr）+数字来表示，数字表示铬含量平均值的千分之几。如数字来表示，数字表示铬含量平均值的千分之几。如GCr15。4.不锈钢及耐热钢不锈钢及耐热钢 这两类钢钢号前面的数字表示含碳量的千分之几，如这两类钢钢号前面的数字表示含碳量的千分之几，如9Cr

20、18和和Cr18Ni9。5.铸钢铸钢 如如“ZG200-400”表示其屈服点为表示其屈服点为200MPa,其抗拉其抗拉强度为强度为400 MPa。 “ZG25”表示含碳量为表示含碳量为0.25%。 合金钢的编号合金钢的编号30合金元素的作用合金元素的作用合金钢合金钢1、合金元素与铁的作用：合金元素与铁的作用：合金元素加入钢中，首先溶于合金元素加入钢中，首先溶于铁形成固溶体，超过溶解度极限时与碳形成化合物。合铁形成固溶体，超过溶解度极限时与碳形成化合物。合金元素溶于铁，形成合金铁素体或合金奥氏体。合金元金元素溶于铁，形成合金铁素体或合金奥氏体。合金元素溶于铁素体会使钢的室温强度提高，这种作用称为

21、素溶于铁素体会使钢的室温强度提高，这种作用称为固固溶强化。溶强化。2、合金元素与碳的作用：合金元素与碳的作用：对于与碳的亲和力较弱的合金对于与碳的亲和力较弱的合金元素，不与碳发生作用，只溶于铁素体或奥氏体中；对元素，不与碳发生作用，只溶于铁素体或奥氏体中；对于与碳的亲和力较强的合金元素，当质量分数较低时，于与碳的亲和力较强的合金元素，当质量分数较低时，与铁一起形成合金渗碳体，当质量分数较高时，形成合与铁一起形成合金渗碳体，当质量分数较高时，形成合金碳化物。金碳化物。311.1.对工程构件用钢的性能要求对工程构件用钢的性能要求 （1 1）高强度高强度 屈服点在屈服点在300MPa300MPa以上

22、。在保证塑性和韧性的条件下，以上。在保证塑性和韧性的条件下，应尽量提高其强度。应尽量提高其强度。 （2 2）高韧性。高韧性。 （3 3）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 要求有较高的抗腐蚀能力要求有较高的抗腐蚀能力。 2.2.化学成分特点化学成分特点 碳含量较低（碳含量较低（w wc c0.20%0.20%），），合金元素含量较少（合金元素含量较少（w wMeMe3%3%），），其主加元素其主加元素为为MnMn，辅加元素为辅加元素为NbNb、TiTi、V V、RERE（稀土元素）。（稀土元素）。 碳会使焊接性和冷成型性下降，使韧性明显下降，韧脆转变温度升高，钢碳会使焊接性和

23、冷成型性下降，使韧性明显下降，韧脆转变温度升高，钢的碳质量分数不超过的碳质量分数不超过0.2%0.2%。 元素元素MnMn的主要作用是固溶强化铁素体，降低奥氏体晶粒的长大，获得细小的主要作用是固溶强化铁素体，降低奥氏体晶粒的长大，获得细小的铁素体晶粒；热轧时固溶在奥氏体内，冷却时弥散析出，起到析出沉淀的作的铁素体晶粒；热轧时固溶在奥氏体内，冷却时弥散析出，起到析出沉淀的作用。用。 少量的稀土元素可改善韧性和工艺性能。少量的稀土元素可改善韧性和工艺性能。 （一）工程构件用钢（一）工程构件用钢 32 3.3.热处理特点热处理特点 热轧空冷状态下使用，不需要进行专门的热处理。在有特殊需热轧空冷状态下

24、使用，不需要进行专门的热处理。在有特殊需要时，如为了改善焊接接头性能，可进行一次正火处理。要时，如为了改善焊接接头性能，可进行一次正火处理。 4.4.钢种、牌号与用途钢种、牌号与用途 屈服点从屈服点从300300650MPa650MPa分为六级。分为六级。16Mn16Mn是我国低合金高强钢中发展是我国低合金高强钢中发展最早、使用最多、产量最大的钢种。例如南京长江大桥、广州电视塔等。最早、使用最多、产量最大的钢种。例如南京长江大桥、广州电视塔等。15MnVN15MnVN是具有代表性的中等强度级别的钢种。较广泛用于制造大型桥梁、是具有代表性的中等强度级别的钢种。较广泛用于制造大型桥梁、锅炉、船舶和

25、焊接结构。锅炉、船舶和焊接结构。 工程构件用钢工程构件用钢 33工程构件用钢工程构件用钢341.1.对调质钢的性能要求对调质钢的性能要求高强度，尤其是高的疲劳强度、高硬度，高耐磨性及良高强度，尤其是高的疲劳强度、高硬度，高耐磨性及良好的塑韧性。好的塑韧性。 2.2.化学成分特点化学成分特点 碳含量为碳含量为w wc c 0.25%0.25%0.5%0.5%。主加元素为主加元素为MnMn、CrCr、SiSi、NiNi，辅加辅加元素为元素为V V、MoMo、W W、TiTi。合金元素的主要作用是提高淬透性（合金元素的主要作用是提高淬透性（MnMn、CrCr、SiSi、NiNi），），降低第二类回火

26、脆性倾向（降低第二类回火脆性倾向（MoMo、W W），），细化奥氏体晶粒细化奥氏体晶粒（V V、TiTi），），提高钢的回火稳定性。提高钢的回火稳定性。 3.3.热处理特点热处理特点 最终热处理通常采用淬火最终热处理通常采用淬火+ +高温回火，回火温度为高温回火，回火温度为500500650650，得，得到回火索氏体组织，在具有良好的塑性的情况下保证足够的强度。到回火索氏体组织，在具有良好的塑性的情况下保证足够的强度。 ( (二二) ) 调质钢调质钢354.4.钢种、牌号与用途钢种、牌号与用途 （1 1）低淬透性调质钢）低淬透性调质钢 制造一般尺寸的重要零件，如制造一般尺寸的重要零件，如40M

27、nB40MnB、40MnVB40MnVB。 （2 2）中淬透性调质钢中淬透性调质钢 制造截面较大的零件，例如曲轴、制造截面较大的零件，例如曲轴、连杆等，典型牌号有连杆等，典型牌号有35CrMo35CrMo。 （3 3）高淬透性调质钢高淬透性调质钢 制造大截面、重载荷的零件，如制造大截面、重载荷的零件，如汽轮机主轴、叶轮、航空发动机轴等，典型牌号有汽轮机主轴、叶轮、航空发动机轴等，典型牌号有40CrNiMo40CrNiMo。 调质钢主要是采用调质处理得到回火索氏体组织，综调质钢主要是采用调质处理得到回火索氏体组织，综合力学性能好，用来做轴、杆类零件、连杆、螺栓等合力学性能好，用来做轴、杆类零件、

28、连杆、螺栓等 。调质钢调质钢36齿轮齿轮 曲轴曲轴 汽车万向节汽车万向节 连杆连杆 调质钢调质钢372.2.化学成分特点化学成分特点 合金弹簧钢的合金弹簧钢的w wc c为为0.45%0.45%0.7%0.7%。主加元素为主加元素为MnMn、SiSi、CrCr，辅加元素为辅加元素为MoMo、V V、NbNb、W W。 合金元素的主要作用合金元素的主要作用是提高淬透性（是提高淬透性（MnMn、SiSi、CrCr），），提提高回火稳定性（高回火稳定性（CrCr、SiSi、MoMo、W W、V V、NbNb），），细化晶粒、防止细化晶粒、防止脱碳（脱碳（MoMo、V V、NbNb、W W），），提高

29、弹性极限（提高弹性极限（SiSi、MnMn）等。等。 ( (三三) ) 弹簧钢弹簧钢1.1.典型弹簧钢的性能要求典型弹簧钢的性能要求具有高的弹性极限与屈服点，高的屈强比，高的疲劳极具有高的弹性极限与屈服点，高的屈强比，高的疲劳极限及足够的冲击韧性和塑性。限及足够的冲击韧性和塑性。 384.4.钢种、牌号与用途钢种、牌号与用途 （1 1）以）以SiSi、MnMn元素合金化的弹簧钢元素合金化的弹簧钢 淬透性显著优于淬透性显著优于碳素弹簧钢，例如：碳素弹簧钢，例如：65Mn65Mn、60Si2Mn60Si2Mn。 （2 2）含）含CrCr、V V、W W等元素的弹簧钢等元素的弹簧钢 可制作在可制作在

30、350350400400下承受重载的较大型弹簧，例如阀门弹簧、汽车弹下承受重载的较大型弹簧，例如阀门弹簧、汽车弹簧等。典型钢种是簧等。典型钢种是50CrVA50CrVA。 3.3.热处理特点热处理特点 按弹簧的加工工艺不同，可分为按弹簧的加工工艺不同，可分为冷成形弹簧冷成形弹簧和和热成形热成形弹簧弹簧两种。大型弹簧或复杂形状的弹簧，采用热轧成形后两种。大型弹簧或复杂形状的弹簧，采用热轧成形后淬火淬火+ +中温回火（中温回火（450450550550），获得回火托氏体组织，），获得回火托氏体组织，保证高的弹性极限、疲劳极限及一定的塑韧性。保证高的弹性极限、疲劳极限及一定的塑韧性。弹簧钢弹簧钢39

31、弹簧弹簧 拉力弹簧拉力弹簧 离合器弹簧离合器弹簧 蝶形弹簧蝶形弹簧 弹簧钢弹簧钢402.2.化学成分特点化学成分特点 碳含量为碳含量为w wc c 0.95%0.95%1.10%1.10%，以保证高硬度、高耐磨以保证高硬度、高耐磨性和高强度。主加元素为性和高强度。主加元素为CrCr，辅加元素为辅加元素为SiSi、MnMn、V V、MoMo。 CrCr的作用是提高淬透性，为了进一步提高淬透性，的作用是提高淬透性，为了进一步提高淬透性，补加补加MnMn、SiSi，通过加入通过加入V V、MoMo可阻止奥氏体晶粒长大。可阻止奥氏体晶粒长大。 (四四) 滚动轴承钢滚动轴承钢1.1.典型零件的性能要求典

32、型零件的性能要求具有高的接触疲劳强度，高硬度、高耐磨性，以及良好具有高的接触疲劳强度，高硬度、高耐磨性，以及良好的耐蚀性。的耐蚀性。 413.3.热处理特点热处理特点 最终热处理为淬火（最终热处理为淬火（820820840840）+ +低温回火（低温回火（150150160160），得到回火马氏体），得到回火马氏体+ +细小均匀分布的碳化物细小均匀分布的碳化物+ +少量少量残余奥氏体。残余奥氏体。 4.4.钢种、牌号与用途钢种、牌号与用途 （1 1）铬轴承钢）铬轴承钢 最具代表性的是最具代表性的是GCr15GCr15。 （2 2）无铬轴承钢无铬轴承钢 最具代表性的是最具代表性的是GSiMnMo

33、VGSiMnMoV、GSiMnMoVREGSiMnMoVRE。 滚动轴承钢滚动轴承钢42滚珠滚珠 滚珠轴承滚珠轴承 主要用来制造滚动轴承的滚动体滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等，属专用结构钢。从化学成分上看它属于工具钢，所以也用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。滚动轴承钢滚动轴承钢43 工具钢工具钢是用来制造刃具、模具和量具的钢。是用来制造刃具、模具和量具的钢。分为分为碳素工具、低合金工具钢、高合金工具碳素工具、低合金工具钢、高合金工具钢钢。按用途分为。按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢。刃具钢、模具钢和量具钢。 基本要求：基本要求：1. 高硬度高硬度2. 高耐磨性高耐磨性3. 高

34、的红硬性高的红硬性4. 足够的塑性和韧性足够的塑性和韧性 （五）工具钢（五）工具钢441.1.碳素工具钢碳素工具钢 （1 1）化学成分特点化学成分特点 含碳量含碳量w wc c 0.65%0.65%1.35%1.35%，保证保证淬火后有足够高的硬度。淬火后有足够高的硬度。 （2 2）热处理特点热处理特点 预备热处理为球化退火，目的是降预备热处理为球化退火，目的是降低硬度，改善切削加工性，为后面淬火做组织准备。最低硬度，改善切削加工性，为后面淬火做组织准备。最终热处理是淬火终热处理是淬火+ +低温回火。淬火温度为低温回火。淬火温度为780780，回火温，回火温度为度为180180，组织为回火马氏

35、体，组织为回火马氏体+ +粒状渗碳体粒状渗碳体+ +少量残余奥少量残余奥氏体。氏体。 （3 3）性能特点性能特点 碳素工具钢的锻造及切削加工性好，碳素工具钢的锻造及切削加工性好，缺点是淬透性低。缺点是淬透性低。 （4 4）钢种、牌号与用途钢种、牌号与用途 （T8T8、T9T9、T12T12）工具钢工具钢452.2.低合金工具钢低合金工具钢 （1 1）化学成分特点化学成分特点：含碳量为：含碳量为w wc c 0.9%0.9%1.1%1.1%，合金元合金元素为素为CrCr、MnMn、SiSi、W W、V V。 合金元素的作用是提高淬透性，提高回火稳定性，提合金元素的作用是提高淬透性，提高回火稳定性

36、，提高硬度和耐磨性，细化晶粒、降低过热敏感性。高硬度和耐磨性，细化晶粒、降低过热敏感性。 （2 2）热处理特点：热处理特点：预备热处理为球化退火。最终热处预备热处理为球化退火。最终热处理为淬火理为淬火+ +低温回火，其组织为回火马氏体低温回火，其组织为回火马氏体+ +未溶碳化物未溶碳化物+ +残余奥氏体。残余奥氏体。 （3 3）性能特点性能特点：提高了淬透性、回火稳定性及降低了：提高了淬透性、回火稳定性及降低了过热热倾向。采用油淬，使用温度范围可达到过热热倾向。采用油淬，使用温度范围可达到250250。 （4 4）钢种、牌号与用途钢种、牌号与用途 ：典型的钢种为：典型的钢种为9SiCr9SiC

37、r、CrWMnCrWMn。 工具钢工具钢463.3.高速钢高速钢 （1 1）化学成分特点化学成分特点 碳含量为碳含量为w wc c 0.7%0.7%1.6%1.6%，加入的合金元素加入的合金元素为为W W、MoMo、CrCr、V V。 含铬含铬量均为量均为W Wcrcr4%4%左右，铬的碳化物（左右，铬的碳化物（CrCr2323C C6 6）在淬火加热时几在淬火加热时几乎全部溶于奥氏体中乎全部溶于奥氏体中, ,提高了钢的淬透性。提高了钢的淬透性。 钨和钼的作用钨和钼的作用相似，造成二次硬化，从而使钢具有良好的红相似，造成二次硬化，从而使钢具有良好的红硬性。淬火加热时未溶入奥氏体的碳化物，可阻止

38、奥氏体晶粒长硬性。淬火加热时未溶入奥氏体的碳化物，可阻止奥氏体晶粒长大并提高耐磨性。大并提高耐磨性。 钒主要的作用是细化奥氏体晶粒，提高钢的耐磨性的作用。钒主要的作用是细化奥氏体晶粒，提高钢的耐磨性的作用。 （2 2）锻造及热处理特点锻造及热处理特点：莱氏体钢呈鱼骨状分布的粗大共晶碳：莱氏体钢呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物化物M M6 6C C。碳化物只能依靠锻打来击碎，通过反复多次的镦拔，使碳化物只能依靠锻打来击碎，通过反复多次的镦拔，使其尽可能均匀分布。锻造后进行球化退火，显微组织为索氏体和其其尽可能均匀分布。锻造后进行球化退火，显微组织为索氏体和其上均匀分布的碳化物。上均匀分布的碳化物。

39、（3 3）性能特点性能特点 热硬性较低。热硬性较低。 （4 4）钢种、牌号与用途钢种、牌号与用途 钨系钨系W18Cr4VW18Cr4V和钨钼系和钨钼系W6Mo5Cr4V2 W6Mo5Cr4V2 工具钢工具钢47按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢 （一）刃具钢（一）刃具钢典型刃具的性能要求典型刃具的性能要求 刃具钢的性能要求为：刃具钢的性能要求为：高硬度高硬度；高的耐磨性高的耐磨性；高的切断抗力高的切断抗力；高的热硬性高的热硬性 在高温下保持高硬度的在高温下保持高硬度的能力（随温度升高出现硬度下降，是由马氏体的分解、能力（随温度升高出现硬度下降，是由马氏体的分解、碳

40、化物聚集长大及基体的再结晶引起的）；碳化物聚集长大及基体的再结晶引起的）；足够的塑足够的塑性和韧性性和韧性。 工具钢工具钢48（二）模具钢（二）模具钢 分为冷模具钢和热模具钢。分为冷模具钢和热模具钢。 1.1.冷模具钢冷模具钢 （1 1）冷模具钢的性能要求冷模具钢的性能要求 具有高硬度、高耐磨性、足够的韧性和疲劳抗力。具有高硬度、高耐磨性、足够的韧性和疲劳抗力。 （2 2）化学成分特点化学成分特点 w wc c为为1.3%1.3%2.3%2.3%，主加元素为主加元素为CrCr，辅加元素为辅加元素为MoMo、V V。 铬的主要作用是提高淬透性和回火稳定性，形成铬铬的主要作用是提高淬透性和回火稳定

41、性，形成铬的碳化物，提高耐磨性。钼和钒的作用是细化奥氏体晶的碳化物，提高耐磨性。钼和钒的作用是细化奥氏体晶粒，提高耐磨性。粒，提高耐磨性。 工具钢工具钢491.冷模具钢冷模具钢（3 3）锻造及热处理的特点：锻造及热处理的特点： 热处理方案有两种：热处理方案有两种： 1 1）一次硬化法：在较低温度（）一次硬化法：在较低温度（95095010001000）下淬）下淬火，再经低温回火（火，再经低温回火（150150180180）。）。 2 2）二次硬化法）二次硬化法 ：在较高温度（：在较高温度（1100110011501150）下）下淬火，随后进行多次高温回火（淬火，随后进行多次高温回火（51051

42、0520520）中，产生）中，产生二次硬化，热硬性高，但其强度、韧性稍低，工艺较复二次硬化，热硬性高，但其强度、韧性稍低，工艺较复杂。杂。（4 4）钢种、牌号与用途：钢种、牌号与用途： 典型的钢种典型的钢种Cr12Cr12、Cr12MoVCr12MoV。 工具钢工具钢502.2.热模具钢热模具钢 （1 1）热模具的性能要求热模具的性能要求 1 1）高的热硬性和高温耐磨性。）高的热硬性和高温耐磨性。 2 2）高的抗氧化能力，高的热强性和足够高的韧性。）高的抗氧化能力，高的热强性和足够高的韧性。 3 3）高的热疲劳抗力。）高的热疲劳抗力。（2 2）化学成分特点：化学成分特点： 碳含量碳含量wcwc

43、 0.3% 0.3%0.6%0.6%，保证足够的强，保证足够的强度和韧性。主加元素为度和韧性。主加元素为CrCr、NiNi、MnMn、SiSi等，辅加元素为等，辅加元素为MoMo、W W、V V。 合金元素的作用是提高淬透性，提高回火稳定性；防止第二类合金元素的作用是提高淬透性，提高回火稳定性；防止第二类回火脆性，产生二次硬化，阻止奥氏体晶粒的长大。回火脆性，产生二次硬化，阻止奥氏体晶粒的长大。（3 3）热处理的特点热处理的特点 ：采用淬火采用淬火+ +高温回火，得到回火索氏体高温回火，得到回火索氏体组织，获得良好的综合力学性能。组织，获得良好的综合力学性能。（4 4）钢种、牌号与用途：钢种、

44、牌号与用途： 典型的钢号典型的钢号5CrMnMo5CrMnMo、5CrNiMo5CrNiMo、3CrW8V3CrW8V。工具钢工具钢51（三）量具钢（三）量具钢1.1.量具钢的性能要求量具钢的性能要求 高的硬度和耐磨性；高的尺寸稳定性，热处理高的硬度和耐磨性；高的尺寸稳定性，热处理变形要小。变形要小。 2.化学成分特点化学成分特点 高碳（高碳（ wc 0.9%1.5%）提高淬透性的元素（）提高淬透性的元素（Cr、W、Mn）等。）等。 工具钢工具钢52螺纹规螺纹规 游标卡尺游标卡尺 千分尺千分尺 工具钢工具钢53 用于制造在特殊工作条件或特殊环境（腐用于制造在特殊工作条件或特殊环境（腐蚀、高温等

45、）下具有特殊性能要求的构件和零蚀、高温等）下具有特殊性能要求的构件和零件的钢材，称特殊性能钢。件的钢材，称特殊性能钢。 （六）特殊性能钢（六）特殊性能钢不锈钢不锈钢耐热钢耐热钢耐磨钢耐磨钢 54不锈钢不锈钢是不锈耐酸钢的简称。在自然环境中具有高度化是不锈耐酸钢的简称。在自然环境中具有高度化学稳定性、抵抗腐蚀的一类钢。有时，仅把能够抵抗大学稳定性、抵抗腐蚀的一类钢。有时，仅把能够抵抗大气腐蚀的钢称不锈钢。气腐蚀的钢称不锈钢。 1.1.金属腐蚀的基本概念金属腐蚀的基本概念 （1 1）化学腐蚀）化学腐蚀 金属与化学介质直接产生化学反应而造成金属与化学介质直接产生化学反应而造成的腐蚀。提高金属抗化学腐

46、蚀的主要措施之一是加入的腐蚀。提高金属抗化学腐蚀的主要措施之一是加入SiSi、CrCr、AlAl等能形成致密保护膜的合金元素进行合金化。等能形成致密保护膜的合金元素进行合金化。 （2 2）电化学腐蚀）电化学腐蚀 是指金属在腐蚀介质中由于形成原电池，是指金属在腐蚀介质中由于形成原电池，阳极失去电子。提高材料的抗电化学腐蚀的能力可以采用以下阳极失去电子。提高材料的抗电化学腐蚀的能力可以采用以下方法：方法：减少原电池形成的可能性，使金属具有均匀的单相组减少原电池形成的可能性，使金属具有均匀的单相组织；形成原电池时，减少两极的电极电位差，提高阳极的电织；形成原电池时，减少两极的电极电位差，提高阳极的电

47、极电位；减少甚至阻断腐蚀电流，使金属极电位；减少甚至阻断腐蚀电流，使金属“钝化钝化”，在表面，在表面形成致密的、稳定的保护膜。形成致密的、稳定的保护膜。 不锈钢不锈钢552.2.不锈钢的工作条件、失效方式及性能要求不锈钢的工作条件、失效方式及性能要求 性能要求：性能要求：1 1）良好的耐蚀性。）良好的耐蚀性。2 2）良好的力学性能。）良好的力学性能。3 3）良好的工艺性能。）良好的工艺性能。4 4）价格低廉。）价格低廉。5 5）化学成分特点）化学成分特点 不锈钢的不锈钢的W Wc c为为0.08%0.08%0.95%0.95%，主加元素主加元素为为CrCr、CrCrNiNi，辅加元素辅加元素为

48、为TiTi、NbNb、MoMo、CuCu、MnMn、N N。 碳的变化范围很大，一方面从耐蚀性的角度来看，碳含碳的变化范围很大，一方面从耐蚀性的角度来看，碳含量越低越好。因为碳会与铬形成碳化物量越低越好。因为碳会与铬形成碳化物CrCr2323C C6 6，沿晶界析出，沿晶界析出，使晶界周围基体严重贫铬，造成沿晶界发展的晶间腐蚀。大使晶界周围基体严重贫铬，造成沿晶界发展的晶间腐蚀。大多数的不锈钢的多数的不锈钢的w wc c为为0.1%0.1%0.2%0.2%。另一方面从力学性能的角另一方面从力学性能的角度来看，碳含量越高，钢的强度、硬度、耐磨性会相应地提度来看，碳含量越高，钢的强度、硬度、耐磨性

49、会相应地提高。同时要相应提高铬含量，以保证形成碳化物后基体含铬高。同时要相应提高铬含量，以保证形成碳化物后基体含铬量仍量仍W Wcrcr12%12%。 不锈钢不锈钢563.3.合金元素的作用合金元素的作用 铬是不锈钢中最重要的合金元素。铬是不锈钢中最重要的合金元素。它能按它能按n/8n/8规律显著提高规律显著提高基体的电极电位，铬在氧化性介质中极易钝化，生成致密基体的电极电位，铬在氧化性介质中极易钝化，生成致密的氧化膜，使钢的耐蚀性大大提高。的氧化膜，使钢的耐蚀性大大提高。镍为扩大奥氏体区元素，配合铬调整组织形式镍为扩大奥氏体区元素，配合铬调整组织形式，当，当W Wcrcr18%18%，W W

50、NiNi8%8%时，获得单相奥氏体不锈钢，称时，获得单相奥氏体不锈钢，称18188 8型。型。钛、铌优先与碳形成碳化物，避免晶界贫铬，钛、铌优先与碳形成碳化物，避免晶界贫铬，从而减轻钢从而减轻钢的晶间腐蚀倾向。的晶间腐蚀倾向。钼、铜的加入，可提高钢在非氧化性酸中的耐蚀性钼、铜的加入，可提高钢在非氧化性酸中的耐蚀性。锰、氮的加入为了部分取代镍，以降低成本锰、氮的加入为了部分取代镍，以降低成本。 不锈钢不锈钢57 4. 4.常用不锈钢常用不锈钢（1）奥氏体型奥氏体型 wc 0.1%，Wcr18%， WNi8% ，热处理方式为固溶处，热处理方式为固溶处理（理（850950加热，水冷），得单相奥氏体组

51、织。再加一个稳定化退火加热，水冷），得单相奥氏体组织。再加一个稳定化退火（ 850950加热，空冷），以避免晶间腐蚀的产生。加热，空冷），以避免晶间腐蚀的产生。Cr18Ni9型。型。 耐蚀性很好，优良的塑性、韧性和焊接性，缺点是强度很低。耐蚀性很好，优良的塑性、韧性和焊接性，缺点是强度很低。 （2）铁素体型铁素体型 wc 0.15% , Wcr17% ,具有较好的塑性，强度不高，对硝具有较好的塑性，强度不高，对硝酸、磷酸有较高的耐蚀性。酸、磷酸有较高的耐蚀性。Cr17型型 。（3）马氏体型马氏体型 wc 为为0.1%0.4%的的Cr13型、型、 wc 为为0.8%1.0%的的Cr18型型和和1

52、Cr17Ni2型。热处理方式：型。热处理方式：1Cr13、2Cr13 为淬火为淬火+高温回火，作为结构高温回火，作为结构件使用；件使用；3Cr13、4Cr13、9Cr18 为淬火为淬火+低温回火，具有高硬度、高耐磨性。低温回火，具有高硬度、高耐磨性。（4）奥氏体奥氏体-马氏体沉淀硬化型马氏体沉淀硬化型 wc 为为0.04%0.13%，含，含Wcr15%17%,含含WNi4%8%。超低碳的目的是为了保证高的耐蚀性。超低碳的目的是为了保证高的耐蚀性。Al、Mo、Ti、Nb的加入，产生沉淀硬化。的加入，产生沉淀硬化。Cr、Ni及其它元素的配合为获得钢的及其它元素的配合为获得钢的Ms点在室温点在室温至

53、至-78之间。热处理方式为固溶处理（之间。热处理方式为固溶处理（9501050）得到奥氏体，再经冷）得到奥氏体，再经冷处理、塑性变形或调整处理（处理、塑性变形或调整处理（750加热，空冷或加热，空冷或950加热，空冷），再加热，空冷），再经时效处理（经时效处理（400500），析出金属间化合物沉淀强化。），析出金属间化合物沉淀强化。 不锈钢不锈钢58不锈钢船用螺旋桨不锈钢船用螺旋桨 1Cr18Ni9Ti不锈钢表带不锈钢表带 不锈钢剪刀不锈钢剪刀 不锈钢容器不锈钢容器 不锈钢不锈钢591.1.耐热钢的工作条件和性能要求耐热钢的工作条件和性能要求 在在300300以上的温度下长期工作。以上的温度下

54、长期工作。性能要求性能要求：高的抗氧化性；高的高温力学性能；组织稳：高的抗氧化性；高的高温力学性能；组织稳定性高；膨胀系数小，导热性好；工艺性及经济性好。定性高；膨胀系数小，导热性好；工艺性及经济性好。 2.2.提高钢的抗氧化性提高钢的抗氧化性 氧化过程是化学腐蚀过程，提高钢的抗氧化性途径是氧化过程是化学腐蚀过程，提高钢的抗氧化性途径是合合金化金化，加入，加入CrCr、SiSi、AlAl，通过形成致密稳定的合金氧化膜层，通过形成致密稳定的合金氧化膜层，降低甚至阻止氧化膜的扩散。降低甚至阻止氧化膜的扩散。 金属在高温下所表现的力学性能金属在高温下所表现的力学性能：工作应力超过金属在：工作应力超过

55、金属在该温度下的弹性极限时，随着时间的延长金属发生极其缓慢该温度下的弹性极限时，随着时间的延长金属发生极其缓慢的变形，这种现象称为的变形，这种现象称为“蠕变蠕变”。 耐热钢耐热钢603.3.提高金属的热强性，可采取以下途径：提高金属的热强性，可采取以下途径： （1）固溶强化固溶强化 高温时奥氏体的强度高于铁素体。合金元高温时奥氏体的强度高于铁素体。合金元素素Mo、W、Co因增大了原子间的结合力，减慢了固溶体中因增大了原子间的结合力，减慢了固溶体中的扩散过程，使热强性提高。的扩散过程，使热强性提高。 （2）第二相强化第二相强化 提高热强性最有效的方法之一。耐热钢提高热强性最有效的方法之一。耐热钢采用难熔碳化物采用难熔碳化物MC、M6C、M23C6等作强化相；耐热合金等作强化相；耐热合金则多利用金属间化合物如则多利用金属间化合物如Ni3(Ti、Al)来强化。来强化。 （3）晶界强化晶界强化 高温下晶界为薄弱部位，为了提高热强性，高温下晶界为薄弱部位，为了提高热强性，应当减少晶界，采用粗晶金属。进一步提高热强性的办法有：应当减少晶界，采用粗晶金属。进一步提高热强性的办法有：定向结晶，消除与外力垂直的晶界，甚至采用没有晶界的单定向结晶，消除与外力垂直的晶