教学课件(合金钢)

2023/2/31合金钢AlloySteel《金属工艺学》多媒体课件2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu2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。

2、常用合金钢的性能、用途及热处理特点。这是本章的重点。

本章的内容：2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu3概述第一节Summary2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu4合金钢：为了改善钢的力学性能、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：合金结构钢→改善力学性能合金工具钢→特殊的力学性能特殊性能钢→特殊的理化性能材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,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、錾子优点材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu6不足：1.淬透性差例如：Φ30mm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Φ66Φ8740CrNiMoΦ20Φ3240Cr

Φ8Φ1845Do油(mm)Do水(mm)钢号材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu7钢种σb(MPa)σs(MPa)ψ(%)ak(J/mm2)30500300500.830CrNiMo9

屈强比：σs/σb碳钢0.5-0.6合金钢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、屈强比低材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu8

碳钢制作的刀具，刀刃处工作温度＜200℃，高速钢刀具600℃，硬质合金刀具达到1000℃。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，耐热性差三种钢耐热性比较.碳钢不适宜制作高温工作的零件。

材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu94.不能满足特殊性能的要求

耐低温

碳钢在韧脆转换温度以下变脆

耐腐蚀

碳钢不能抵御大气、酸碱盐的腐蚀

导磁性

碳钢的导磁率较低

无磁性

碳钢在磁场中不可避免会被磁化材料科学与工程学院2023/2/310

长江上的三座桥

武汉大桥

50年代

碳素结构钢

强度低

主跨128米

南京大桥

60年代

主跨160米

16Mn

较碳钢节约20％

九江大桥80年代

主跨216米

15MnVN

较16Mn节约20％

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2023/2/311武汉长江大桥材料科学与工程学院2023/2/312南京长江大桥材料科学与工程学院2023/2/313九江长江大桥材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu14各个国家都投入大量的人力、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2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,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

弱碳化物元素:Fe、Mn;

中强碳化物元素:Cr、Mo、W;

强碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。Fe的左边：

二、钢中的合金元素材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu16Fe的右边：B、N、Al、Si、Ni、Co、Cu另外：Re这些元素与碳的亲和力较弱，一般以固溶体形式存在材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu17

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F(α相）：非碳化物元素和部分弱碳化物元素；例如：Mn、Ni、Co、Si、Al、B

产生固溶强化2）溶入Fe3C：部分弱碳化物元素,置换出Fe3C

中的Fe；例如：Cr、Mn

形成合金渗碳体

（Fe.Cr)3C（Fe.Mn)3C

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2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu18合金元素对铁素体相性能的影响

材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,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。

常见有Cr23C6、Fe4W2C、WC、MoC、VC、TiC等;

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、形成新相：几种化合物的性能化合物NbCTiCZrCVCFe3C熔点℃37703410380530231227硬度(HV)2050285028402010800材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu20非碳化物形成元素溶入F固溶强化弱碳化物形成元素形成合金渗碳体较硬，耐磨，比Fe3C更稳定强碳化物形成元素形成特殊碳化物高熔点，硬，耐磨，最稳定材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,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:

使A3线温度下降,A4线温度上升。例如：ZGMn13含Mn≥13%，

1Cr18Ni9含Ni≥9%得到单相A组织与γ-Fe形成无限固溶体MnNiCo与γ-Fe形成有限固溶体NCu1、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2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu22扩大γ相区示意图材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu23Cr、Mo、W、V、Ti、Si等。作用:

使A3线温度上升,A4线温度下降。与α-Fe形成无限固溶体Cr、V与α-Fe形成有限固溶体Mo、W、

Ti、Al、Si例如：1Cr17

含Cr≥17%

得到单相F2、缩小奥氏体区：Cr

对奥氏体区的影响材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu24缩小γ相区示意图材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu25

几乎所有的合金元素。

作用:S点和E点的成分向左移。使A1线的温度变化。例如：3Cr2W8V0.3%C

出现二次渗碳体

W18Cr4V0.7-0.8%C

出现共晶莱氏体3、使S.E点左移：

元素对S点成分的影响材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu26Cr元素对S、E点的影响Mn元素对S、E点的影响材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu27合金元素对A1线的影响材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu28对奥氏体形成的影响；对过冷奥氏体转变的影响；对回火转变的影响。

加速A化过程，提高A的形成速度，CoNi

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A化过程，降低A的形成速度，CrMoWTiV

原因：降低了C的扩散系数，同时其碳化物溶解困难。1、对A形成的影响：

五、合金元素对热处理的影响1）对A形成速度的影响热处理过程？材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu29

大多数元素阻止晶粒的长大，特别是强碳化物元素。

例如：VTiZrNb

原因：C化物粒子稳定，阻止晶粒长大

例如：20CrMnTi

促进晶粒长大的元素。

MnP

原因：提高了C的扩散系数。

例如：锰钢热处理的过热倾向大。

2）对A晶粒长大的影响材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu30

除Co之外，大多数合金元素推迟P、B转变。原因：降低了C的扩散速度

提高了钢的淬透性

常用的合金元素：

NiMnCrSiB

注意：合金元素必须溶入A

2、对过冷A转变的影响：

（1）P、B类转变

（2）C曲线右移

材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,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：4540Cr

另一方面使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：28CrMoNiVB

重要意义：材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu32

除CoAl之外，其余合金元素均使MsMz点下移。

结果：增加A残量;

例如：W18Cr4V钢，淬火后A残量达25％。

消除A残的方法：冷处理；多次回火。

（3）对M转变的影响

6007005003004002001000-100-2000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.00温度℃Wc100MsMf材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu33

VSiMoWNiMnCo

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。

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：

（1）提高回火稳定性

53473422HRC5.02.00.50.0Mo%

Mo%对碳钢回火硬度的影响

（淬火硬度HRC57600℃回火）材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,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500－600℃中出现硬度的高峰值，这种现象称为“二次硬化”。

原因：①残余奥氏体发生马氏体转变;②弥散析出碳化物。例如：W18Cr4V钢淬火后25％A残，硬度60-63HRC，回火后63-65HRC。

（2）二次硬化

材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu35

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：

（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：（高温回火脆性）出现于Ni、Cr合金钢中

（3）回火脆性

材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu36

防止回火脆性的方法:在500～600℃快速冷却;加入合金元素W、Mo。避开在该温度回火;材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu37合金钢的分类：1、合金结构钢2、合金工具钢3、特殊性能钢材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu38合金结构钢第二节AlloyStructuralSteel材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu39合金结构钢

(AlloyConstructionalSteel)普通低合金钢合金渗碳钢

合金调质钢弹簧钢滚动轴承钢易切削钢材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu40数字+化学元素+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：

滚珠轴承钢，注明“G”，铬含量千分数为单位；易切削钢，钢号前加“Y”3、S、P量较低的高级优质钢，加A

结构钢编号原则材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu41一.普通低合金钢

(commonlow–alloyedsteel)又称“低合金高强度钢”用途：工程结构件，如车辆、船舶、压力容器、桥梁。1、用途及性能：材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu42性能要求：

1）高强度，300Mpa以上；省料和减少自重；

2）高的塑性和韧性，δ＞20％，－40℃时，ak≥24J；

3）好的焊接性和冷变形性，有利于成型。

1）低碳，WC＜0.20%Wt，以保证足够的韧性；

2）以Mn为主强化元素，价格较廉；

3）加入少量Nb、V强碳化物元素，达到细化晶粒的效果；

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：低碳＋细化晶粒、弥散强化元素材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu43质量等级345MPa屈服强度牌号:

Q

345

C

300MPa12Mn350MPa16Mn450MPa15MnVN供货状态：热轧＋空冷一般不单独热处理

3、热处理及典型钢种：材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu44二、渗碳钢

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：

1）心部足够的强度及优良的韧性；

2）良好的淬透性；

3）表面处理后，有高的硬度；

4）能适应高温渗碳工艺。

1、用途及性能：活塞销(20Cr)材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu45

1）低碳，0.10－0.20%C，保证足够塑性和韧性；

2）加入提高淬透性的元素，Cr、Mn、Ni、B等；

3）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：15Cr、20Cr、20Mn2中淬透性：20CrMnTi、20CrMnMo高淬透性：12CrNi4A、18Cr2Ni4WA

低碳＋提高淬透性元素＋强碳化物元素2、成分特点：

3、热处理及典型钢种：材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu46零件渗碳剂试棒盖泥封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2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu47渗碳后的组织:0.2%C

F+P少表面中心

1.0%CP+Fe3CⅡ零件PP+F渗层厚度：表层到1/2过渡层的厚度。材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu48渗碳后的热处理930℃850℃时间温度方案1方案2渗碳淬火加热工艺：渗碳淬火低温回火

材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu49方法：直接淬火、一次淬火、二次淬火材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu50热处理后的组织钢种表层组织心部组织低碳钢M回+Fe3C+A残F+P合金钢M回+Cm+A残M回+F材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu51三、调质钢

用途：齿轮、轴、连杆、高强度螺栓。

性能：1）高的强韧性配合；

2）好的淬透性。

1）中碳，0.3-0.50%C之间，强韧性的合理配合；

2）提高淬透性元素，Cr、Mn、Ni、Si、B等；

3）加入W、Mo，防止回火脆性。

2、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：材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu52

淬火＋高温回火（调质）低淬透性40MnMnB、40Cr中淬透性42CrMo、40CrNiMo高淬透性34CrNi3Mo

3、热处理及典型钢种：材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu53回火温度℃σb(MPa)δ％

ψ(%)ak(J/mm2)60085012550.92001500830-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：40CrNiMo850℃油淬后：

回火温度对40CrNiMo力学性能的影响2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu54材料科学与工程学院

4、调质钢与渗碳钢的比较：（1）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）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%0．35～0.5%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Ｃ保证0.1～0.25%c渗Ｃ高ＣHT得到高C的M回2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu55材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu56材料科学与工程学院（3）性能：钢号及热处理σb(MPa)σs(MPa)δ％

ψ(%)ak(J/mm2)表面HRC20CrMnTi渗C→淬火+2000C110085010450.758～6040Cr8500C淬火5000C回火10008009450.655

渗C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：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）用途：2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu57四、弹簧钢

用途：制造各类弹簧。弹簧的作用是吸收和释放能量。

性能：

1）高的比例极限，即σs/σb值（屈强比）高；

2）σ-1大，有较高的疲劳抗力；

3）足够的韧性，硬度适中，

39－50HRC。

热卷大弹簧1、用途及性能：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；2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu582023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu59

1）偏高的含碳量，0.45－0.70%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）热成型弹簧65Mn、60Si2Mn。

2）冷成型弹簧T10等大型热卷弹簧2、成分特点：

3、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2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu60材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu61五、滚动轴承钢

用途：制造滚动轴承

性能：

1）高强度和硬度，HRC60－62，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

0.95－1.15%CCr、Si、Mn2、成分特点：1、用途及性能：材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,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：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)高碳铬轴承钢:G---“滚”字汉语拼音字首，但不标明含碳量。铬含量以千分之几计，其他合金元素同合金结构钢的表示方法。如：平均含铬量为1.50%的轴承钢，其牌号表示为“GCr15”；（2）渗碳轴承钢：采用合金结构钢的牌号表示方法,另在牌号头部加符号“G”。2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu63例如：“G20CrNiMo”；高级优质渗碳轴承钢，在牌号尾部加“A”，如：“G20CrNiMoA”。（3）高碳铬不锈轴承钢和高温轴承钢：采用不锈钢和耐热钢的牌号表示方法，牌号头部不加符号“G”。例如：高碳铬不锈轴承钢“9Cr18”和高温轴承钢“10Cr14Mo”。2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu64六、其他合金结构钢

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。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：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2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu65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，可简称为易切削钢。编号：“Y”+两位数字+易切削元素符号

（1）“Y”---易切削钢；（2）两位数字---平均含碳量；（3）易切削元素符号：加硫易切削钢和加硫、磷易切削钢，在符号“Y”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2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu66七、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，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2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu67

国家973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。项目由国家冶金工业局统一组织，参加此项目的有五个大专院校（北京科技大学、清华大学、东北大学等），四个研究院所（钢铁研究总院、中科院沈阳金属所等），九个钢铁企业（宝钢、首钢、鞍钢、武钢、攀钢、唐钢、淮钢、珠江钢厂、大连钢厂）三个汽车厂。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2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu68

项目的设想是把占全国钢材总产量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200MPa提高到400MPa，低合金结构钢的屈服强度由目前的400MPa提高到800MPa，合金结构钢抗拉强度由800MPa提高到1500MPa。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2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu69本项目主要内容如下：

1.钢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.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.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.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.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2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu70经过五年研究，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个理论基础。建立相关技术的基础理论。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400Mpa级，低合金钢的屈服强度提高到800Mpa级，合金结构钢的抗拉强度提高到1500MPa，钢材的使用寿命提高一倍。3.培养出一批21世纪钢铁材料科学的学科带头人。材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,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80％，自重下降25％；用于铁路，铁轨自重减少10％～25％，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400MPa建筑用钢强度，如果少用合金元素可达到四级即500MPa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（1300MPa）合金结构钢。材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu72

我国超細晶粒、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15家钢铁企业生产了約200万吨。汽車和建筑是主要用戶。从2004年起，年使用量有望超过100万吨。日本材料科学国家研究所、钢铁研究中心仪表所研发的具有“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。南韩等开发的适用21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。意大利研发了高性能X100──X120管线钢。材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu73材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu74合金工具钢第三节AlloyToolSteel2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu75数字+化学元素+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：

高速钢，例如：W18Cr4V；

3、S、P量较低的高级优质钢，加A

工具钢编号原则材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu76一、合金刃具钢alloycuttingtoolsteel材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu77

什么是合金刃具钢？

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。

（alloycuttingtoolsteel）

低合金刃具钢

高合金刃具钢材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu78刃具钢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2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu79

目的与要求

学习两个知识

培养一种能力

合理设计合金刃具钢的成分；正确制定刃具的热处理工艺。

通过全面分析刃具的工作特点，合理确定合金刃具钢的性能要求。

材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu80

本节课的内容

1、刃具的工作特点分析

3、合金刃具钢的成分设计

2、刃具钢的性能要求

4、刃具钢的热处理工艺

材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu81γβ2β1γ弹性变形

塑性变形

挤裂γβ2金属的切削过程

1.刃具的工作特点材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu82材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu83

工作特点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

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

刃部有很高工作温度

要求刃具钢有高的耐热性三个特点材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu842.性能要求（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：刀具由开始切削到磨钝的时间。材料科学与工程学院2023/2/385

63

60HRC

降30％

大量VC70HRC

刃具的耐磨性

材料的硬度

碳化物性质成分VCWCFe3C硬度/HV20101730800三种碳化物的硬度材料科学与工程学院2023/2/386

(3)高的热硬性

（hothardness)

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和碳化物的性质。

意大利五轴数控铣床

德国数控铣床材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu87刃具材料的耐热性是影响机械切削速度的关键因素；国际生产工程学会的一份报告指出：“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”。

对刃具材料的热硬性提出了更高的要求

刃具温度升高

切削速度提升材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu88

1865低合金刃具钢≤300℃≤10m/min

英国罗伯特刃具材料与切削速度进展

1898高速钢(锋钢)≤600℃30m/min

美国泰勒怀特

现在Si3N4

≤1500℃2000m/min

1865前碳素刃具钢≤200℃≤8m/min

1926硬质合金≤1000℃100m/min材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu89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。

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，拓宽了可切削材料的范围；实现了制造技术的重大突破。

新一代航空发动机的研制材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu90

（4）足够的塑性和韧性

（plasticityandtoughness)

材料塑韧性低

刃具崩刃、断裂

高速钢刃具50％，硬质合金刃具45％，其它材料刃具5％。主要原因：高速钢的韧性好。材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu91

成分特点：

高碳+提高淬透性元素+提高回火稳定性元素

1)高碳，0.85－1.05%C之间；

2)提高淬透性的元素：CrMn；

3)提高回火稳定性的元素：VSi典型钢种及热处理：

9SiCrCrWMn

淬火＋低温回火

3、低合金刃具钢：材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu92

4.高合金刃具钢(high-alloycuttingtoolsteel)

“高速钢”

(highspeedtoolsteel)

W：17.5-19.0％保证热硬性以W18Cr4V为例(1)化学成分及元素作用

形成碳化物，约0.2％；保证M中的碳含量，约0.5-.-0.6％。

形成WC；提高回火稳定性。

C：0.7-0.8％保证高硬度材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu93

V：1.0－1.4％提高硬度和耐磨性

Cr：3.8－4.4％提高淬透性“风钢”

发展

减少W含量，增加MO、V例W6Mo5Cr4V2

趋势：提高硬度，发展超硬高速钢化学成分及元素作用

增加过冷A稳定性，增加残余A的量形成VC1％→3.5％V，60HRC→70HRC材料科学与工程学院2023/2/394塑性差；锻造温度间隔小

（2）锻造及热处理（forgingandheattreatment)

几种钢的锻造温度9501150W18Cr4V8001200457001250A3终锻温度/℃始锻温度/℃钢号

必须锻造

非常困难锻造退火组织

铸态组织材料科学与工程学院2023/2/395

热处理工艺

加热800-840℃预热

1270-1280℃A化

组织：A+C

冷却

组织:M+C+A残

油冷.580-620℃分级

回火

减A残.析出C

550-570℃三次

高速钢的热处理

（heattreatment)

热处理工艺曲线材料科学与工程学院2023/2/39660-63HRC原因：大量A残63-66HRC组织：M回+C+A残W18Cr4V回火温度与硬度回火与硬度淬火后回火后材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu97二、模具钢Diesteel材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu98用途：在室温下对金属进行变形的模具；

如冷冲模、冷挤压、拉丝、滚丝轮、搓丝板等。

性能：1）高硬度；

2）高的耐磨性；

3）足够的韧性和疲劳抗力。

汽车冲压模具

冷作模钢

(cold-workingdiesteel)1、用途及性能：材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu99

1）高碳，＞1.0%C，有的甚至可达到2％；

2）提高淬透性元素CrWMn;3）碳化物元素，Mo、W、V等。

淬火＋低温回火

尺寸较小、轻载的模具

T10A、9SiCr、9Mn2V；尺寸较大、重载、热处理变形小的模具Cr12、Cr12MoV。

成分特点：高碳＋提高淬透性元素＋碳化物元素

热处理及典型钢种：材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu100热作模钢

(hot-workingdiesteel)用途：

高温下对金属进行变形的模具；如热锻模、热挤压模等。

性能:

1）高强度和韧性的配合；

2）高的回火稳定性；

3）高的抗热疲劳能力；

4）好的淬透性。1、用途及性能：材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu101材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu102

1）中碳0.3-0.5%C；

2）提高淬透性元素CrMnNiSi;3）提高回火稳定性元素Mo、W4)防止第二类回火脆性元素WMo

成分特点：中碳＋提高淬透性元素＋提高回火稳定性元素＋防止第二类回火脆性元素材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu103

5CrMnMo一般模具

5CrNiMo各种模具，淬透性好

3Cr2W8V重载大型模具

热处理及典型钢种：淬火＋高温回火汽车锻模材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu104用途：制造卡尺，量规、塞规等；

三、量具钢1、用途及性能：卡尺量规千分尺材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu105高碳:0.9～1.5%;合金元素:Cr、Mn、W。淬火冷处理低温回火时效处理简单量具：T10A、T12A、65Mn等。形状复杂、高精度：CrWMn、GCr15。性能:

1）高硬度和耐磨性，HRC≥56；

2）热处理变形小，尺寸稳定；

3）好的加工工艺性。

4）良好的耐蚀性;

3、热处理及典型钢种：2、

成分特点：材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu106特殊性能钢第四节SpecialPropertySteel2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu107

一.不锈钢

(stainlesssteel)

在腐蚀介质中具有很高的抗腐蚀能力的钢。*在空气中的年腐蚀量为0.01mm以内；*在强酸、强碱介质中的年腐蚀量为0.1mm以内。2、

耐蚀的概念：1、

定义：材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu108金属腐蚀的种类:化学腐蚀:

金属与介质(干燥气体和非电解质溶液)发生化学反应而产生的腐蚀。例如:高温氧化、脱碳等。2)电化学腐蚀:金属与介质

(电解质溶液,即酸、碱、盐溶液)发生电化学反而产生的腐蚀。3、

腐蚀的机理：电化学腐蚀过程示意图材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu109

珠光体电化学腐蚀示意图材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu1101)防化学腐蚀：

形成保护膜:加入合金元素Cr、Al、Si等,

形成Cr2O3、SiO2、Al2O3氧化膜。

2)防电化学腐蚀：

尽可能得到单相组织；尽可能使两相的电位相等；提高基体的电极电位。4、

防腐蚀的途径：材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu111

尽可能得到单相组织*低碳:

耐蚀性要求愈高,碳含量愈低。*合金元素:

Ni、Mn得到单相ACr得到单相F

尽可能提高基体的电极电位Cr＞12％Cr含量与电位的关系5、成分特点：材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu1121)马氏体型不锈钢

---Cr13型钢化学成分特点:Wc=0.1～0.4%

WCr=13%热处理特点:淬火＋回火

组织：回火索氏体结构件回火马氏体刀具牌号:1Cr13～4Cr136、

常用不锈钢：材料科学与工程学院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu1132)铁素体型不锈钢化学成分特点:

Wc=0.1%左右W