金属学与热处理第6章-工业用钢

第一节钢的基础知识一.合金元素对钢的组织和性能的影响杂质及合金元素与铁和碳的作用。

合金元素对Fe-Fe3C相图的影响。

合金元素对钢的热处理的影响。第一页，共一百一十四页。一）杂质和气体的影响

Mn—脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。

Si

—有很强的固溶强化作用,能脱氧。1.有益元素第二页，共一百一十四页。2.有害元素:

P

—有很强的固溶强化作用,低温韧性差(冷脆

)。

S

—能引起钢在热加工时或高温工作下开裂(热裂

)。第三页，共一百一十四页。3.气体元素:

N：钢中过饱和N在常温放置过程中会发生时效脆化。加Ti、V、Al等元素可消除时效倾向。

O：钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源。

H：原子态的过饱和氢时将降低韧性,引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，

称白点或发裂。钢中白点第四页，共一百一十四页。二)合金元素与铁和碳的作用1.溶于基体中形成合金F或合金A。2.与碳作用形成合金碳化物(Fe,Cr)3C。3.单独形成特殊碳化物

TiC、VC。第五页，共一百一十四页。1.溶于基体中形成合金F或合金A第六页，共一百一十四页。1.溶于基体中形成合金F或合金A第七页，共一百一十四页。2.与碳作用形成合金碳化物Fe、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。第八页，共一百一十四页。

碳化物形成元素在周期表中都是位于铁元素的左边的过渡族金属元素,它们都有一个未填满的d电子亚层,当形成碳化物时,碳原子首先将其价电子填入金属原子未填满的d电子亚层,使形成的碳化物具有金属键结合的性质,金属原子的d电子亚层愈不满(周期表中,在铁左边离铁愈远),则其与碳的亲和力愈强,形成碳化物的能力愈大,愈稳定,而且不易分解。第九页，共一百一十四页。3.单独形成特殊碳化物

熔点、硬度、耐磨性最高。

稳定性最高。TiC、NbC、VC。第十页，共一百一十四页。三)合金元素对Fe-Fe3C相图的影响扩大奥氏体区缩小奥氏体区改变共晶点和共析点的参数第十一页，共一百一十四页。1.扩大奥氏体区的合金元素Mn、Ni、Co等元素。作用:

使A3线温度下降,A4线温度上升。第十二页，共一百一十四页。

Mn元素对奥氏体区的影响第十三页，共一百一十四页。2.缩小奥氏体区的合金元素Cr、Mo、W、V、Ti、Si等元素。作用:

使A3线温度上升,A4线温度下降。第十四页，共一百一十四页。

Cr

元素对奥氏体区的影响第十五页，共一百一十四页。3.改变共晶点和共析点参数的元素几乎所有的合金元素。作用:使S点和E点的成分向左移。

使A1线的温度变化。第十六页，共一百一十四页。

合金元素对S点成分的影响第十七页，共一百一十四页。合金元素对A1线的影响第十八页，共一百一十四页。四)合金元素对钢的热处理的影响加热时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第十九页，共一百一十四页。1.合金元素对加热时奥氏体形成的影响除Mn

元素外,所有合金元素的加入,均使奥氏体的形成速度减慢。强碳化物形成元素能强烈的阻止奥氏体晶粒长大(

Ti、V、Zr、Nb

等)。非碳化物形成元素能轻微的阻止奥氏体晶粒长大(

Si、Ni、Cu、Co

等)。第二十页，共一百一十四页。2.合金元素对过冷奥氏体转变的影响

除

Co元素外,所有的合金元素均使钢的

TTT曲线向右移。

除

Co、Al元素外,所有的合金元素都使马氏体转变温度下降。

提高钢的淬透性,常用的元素有:

Cr、Mn、Mo、Si、Ni、B等。第二十一页，共一百一十四页。3.合金元素对回火转变的影响回火抗力的增加

二次硬化的产生

产生回火脆性

第二十二页，共一百一十四页。

W、Mo、V等碳化物在550℃时,使钢达到最高硬度,产生二次硬化。第二十三页，共一百一十四页。

Cr-Ni钢的回火脆性示意图第二十四页，共一百一十四页。

防止第二类回火脆性的产生的方法:在500～600℃快速冷却。加入合金元素W、Mo。第二十五页，共一百一十四页。二.合金元素在钢中的作用1.主加元素:对提高钢的性能起主要作用。

Si、Mn、Cr、Ni、B。2.辅加元素:配合主加元素进一步提高钢的性能,弥补主加元素的不足与缺陷。

W、Mo、V、Ti、Nb。第二十六页，共一百一十四页。三、碳素钢的编号及用途

1.碳素结构钢:

Q

235—A·F沸腾钢A等级235MPa屈服强度第二十七页，共一百一十四页。2.优质碳素结构钢*

45---Wc=45%00*

较高锰质量分数的优质碳素结构钢

45Mn---Wc=45%00;WMn=0.7%～1.0%第二十八页，共一百一十四页。3.碳素工具钢T

12

A高级优质

Wc=12%0碳素工具钢第二十九页，共一百一十四页。4.铸造碳钢ZG

200-400σb

≥400MPaσs≥200MPa铸钢第三十页，共一百一十四页。第二节合金结构钢

(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第三十一页，共一百一十四页。一.普通低合金钢

(commonlow–alloyedsteel)1.化学成分:碳素结构钢+

合金元素主加合金元素:Mn1.8%以内。辅加合金元素:V、Ti、Nb、B。第三十二页，共一百一十四页。一.普通低合金钢2.牌号:

Q

345

C

质量等级345MPa屈服强度第三十三页，共一百一十四页。一.普通低合金钢Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度高，用于石化中温高压容器。压力容器南京长江大桥

Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。

Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的容器。万吨远洋轮第三十四页，共一百一十四页。二.碳素渗碳钢及合金渗碳钢1.对渗碳钢的性能要求:2.对渗碳钢的含碳量的要求:低碳3.渗碳钢的热处理特点:渗碳

淬火

+

低温回火(180～200℃)表硬里韧第三十五页，共一百一十四页。Wc≤0.25%Wc=0.15～0.25%合金元素:Cr、Mn、

Ni、B、V、W、

Mo、Ti等。表层:M回+Fe3C+A残心部:F+P表层:M回+Cm+A残心部:低碳M回

+F碳素渗碳钢合金渗碳钢化学成分热处理后的组织第三十六页，共一百一十四页。4.合金渗碳钢的牌号20

Mn2

Ti

A等级:高级优质含钛量WTi≤1.5%含锰量WMn2%含碳量WC20%00第三十七页，共一百一十四页。5.典型合金渗碳钢种介绍

低淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量＜3%15Cr、20Cr、20Mn2。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。中淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在4%左右。20CrMn、20CrMnTi、

20Mn2TiB。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。柴油机凸轮轴活塞销(20Cr)第三十八页，共一百一十四页。5.典型合金渗碳钢种介绍高淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量在

4%～6%。18Cr2NiWA、

20Cr2Ni4A等。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。

柴油机曲轴第三十九页，共一百一十四页。

20CrMnTi钢制造齿轮的热处理工艺曲线第四十页，共一百一十四页。三.碳素调质钢及合金调质钢1.对调质钢的性能要求:既强又韧2.对调质钢的含碳量的要求:中碳3.调质钢的热处理特点:淬火+

高温回火(500～650℃)第四十一页，共一百一十四页。Wc=0.25～0.6%Wc=0.25～0.5%合金元素:

Cr、Mn、

Ni、B、Si、V、

W、Mo、Ti等。表层:S回碳素调质钢合金调质钢化学成分热处理后的组织心部:P+F表层:S回心部:S回第四十二页，共一百一十四页。4.合金调质钢的牌号40Cr40Mn40MnB35CrMo38CrMoAlA25Cr2Ni4WA第四十三页，共一百一十四页。5.典型合金调质钢种介绍

低淬透性调质钢钢含合金元素总量＜3%。40Cr、40MnB等。

中淬透性调质钢钢含合金元素总量在4%左右。38CrSi、35CrMo等。圆锥齿轮柴油机凸轮轴常用于制造较小的齿轮、轴、螺栓等零件。第四十四页，共一百一十四页。5.典型合金调质钢种介绍

高淬透性调质钢钢含合金元素总量在4%～10%。

制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的零件等。38CrMoAlA、40CrMnMo、25Cr2Ni4WA等。第四十五页，共一百一十四页。

40Cr钢制造连杆螺栓的热处理工艺曲线第四十六页，共一百一十四页。四.碳素弹簧钢及合金弹簧钢1.对弹簧钢的性能要求:高的σe、高的σs/σb、高的σ-1、良好的韧。2.对弹簧钢含碳量的要求:中、高碳。3.热成型弹簧钢的热处理特点:淬火+

中温回火(450～550℃)第四十七页，共一百一十四页。碳素弹簧钢合金弹簧钢化学成分热处理后的组织Wc=0.6～0.9

%Wc=0.5～0.7%合金元素:

Si、Mn、Cr、V、W、Mo等。T回制造尺寸小于Φ8～15mm的小型弹簧。T回制造尺寸在Φ20～25mm左右的弹簧。第四十八页，共一百一十四页。4.合金弹簧钢的牌号6565Mn55Si2Mn60Si2Mn50CrVA50CrMnA55SiMnMoVNb第四十九页，共一百一十四页。5.冷成形弹簧生产工艺特点

用于生产尺寸小于Φ8～15mm的小型弹簧,常用弹簧钢丝(片)冷绕成形,其制造方法有:T组织冷成型+200～300℃去应力退火。60、75、85、65Mn。

T回组织冷成型+去应力退火。退火组织冷成型+淬火+中温回火。

55Si2Mn、60Si2MnA、50CrVA。第五十页，共一百一十四页。汽车板簧大型热卷弹簧热卷大弹簧簧弹丝第五十一页，共一百一十四页。五.滚动轴承钢(bearingsteel)1.性能要求:高的硬度强度和耐磨性;高的接触疲劳强度;足够的韧性和耐蚀性;高的纯净度;滚珠轴承滚针轴承滚柱轴承第五十二页，共一百一十四页。五.滚动轴承钢(bearingsteel)2.化学成分特点:高碳,Wc=0.9～1.1%。主加Cr,0.4～1.65%

辅加Si、Mn。优质钢材。第五十三页，共一百一十四页。五.滚动轴承钢(bearingsteel)3.热处理特点:球化退火+淬火+低温回火极细回火马氏体+细粒状碳化物+少量残余奥氏体第五十四页，共一百一十四页。4.滚动轴承钢的牌号G

Cr9

Si

Mn

含Mn量WMn≤1.5

%

含Si量WSi≤1.5%

含Cr量WCr≈0.9%

滚动轴承钢第五十五页，共一百一十四页。5.铬轴承钢制造轴承的工艺路线锻造球化退火机加工淬火+冷处理(–60～–80℃;1h)

低温回火磨削加工稳定化处理(120～130℃；5～10h)第五十六页，共一百一十四页。

六.易切削钢(fee–cuttingsteel)2.性能要求:降低切削力和切削热,减少刀具磨损,延长刀具寿命,改屑性能,提高切削速度。3.化学成分特点:1.用途:适用于高速切削和在自动加工机床上加工的材料。S:Ws=0.08～0.3%Pb:WPb=0.15～0.25%Ca:微量第五十七页，共一百一十四页。4.易切削钢的牌号Y

40

Mn

含锰量WMn≤1.5

%

含碳量WC0.4

%

易切削钢第五十八页，共一百一十四页。5.易切削钢的热处理工艺特点

低碳易切削钢(Y12、Y15、Y20)

渗碳或淬火成低碳马氏体。

中碳易切削钢(Y40)

调质及表面淬火。第五十九页，共一百一十四页。第三节合金工具钢

合金刃具钢(alloycuttingsteel)合金模具钢(alloydiesteel)合金量具钢(alloymeasuringsteel)第六十页，共一百一十四页。量具刃具模具第六十一页，共一百一十四页。一.碳素刃具钢1.性能要求:高硬度、高耐磨性,有一定的强度和韧性。2.化学成分特点:高碳。3.热处理特点:淬火+低温回火4.组织:

M回

+Fe3C+A残第六十二页，共一百一十四页。5.用途:用于低速、低温(＜200℃）、低冲击、硬度在HRC62左右的刃具。一.碳素刃具钢锉刀手锤第六十三页，共一百一十四页。二.合金刃具钢种类:低合金刃具钢;高速钢。牌号:合金元素及含量千分之几的含碳量

9

SiCrW18Cr4V第六十四页，共一百一十四页。1.低合金刃具钢1.性能要求:高硬度、高耐磨性、有一定的红硬性、强度和韧性,工作温度不超过300℃。2.化学成分特点:*高碳*加入Cr、Mn、Si、

W、V

等合金元素。3.热处理特点:球化退火淬火+低温回火

第六十五页，共一百一十四页。

9SiCr钢板牙热处理工艺曲线板牙第六十六页，共一百一十四页。2.高速钢(high–speedsteel)(1)性能要求:高硬度、高耐磨性、高的红硬性(600℃时,HRC63以上)、有一定的强度和韧性。高速钢---锋钢、风钢;18–4–1

钢车刀铣刀钻头第六十七页，共一百一十四页。(2)化学成分特点:高碳0.7～1.5%:钨18%:钼5%:铬4%:钒1.5%:

保证高硬度退火状态下形成M6C碳化物,在560℃左右回火时,弥散析出W2C,造成二次硬化,提高钢的红硬性。1%Mo的作用等同于2%W。形成Cr23C6碳化物;提高钢的淬透性。形成VC,硬度极高,提高钢的硬度和耐磨性,产生二次硬化。第六十八页，共一百一十四页。(3)W18Cr4V钢的生产工艺及热处理特点铸造锻造球化退火机加工淬火+三次570℃回火磨削加工

铸造:高速钢属于莱氏体钢,铸态组织中含有大量呈鱼骨状分布的粗大共晶碳化物M6C,钢的韧性大幅下降。第六十九页，共一百一十四页。

W18Cr4V钢的铸态组织W18Cr4V铸造组织130第七十页，共一百一十四页。

W18Cr4V钢的铸态组织W18Cr4V铸态组织420第七十一页，共一百一十四页。锻造:鱼骨状碳化物不能用热处理来消除,只能依靠反复多次锻打来击碎。W18Cr4V锻造组织210第七十二页，共一百一十四页。球化退火:消除应力,调整组织,便于机加工,

为淬火作好组织准备。球化退火后的组织:

S+粒状

Cm

W18Cr4V球化退火组织420第七十三页，共一百一十四页。

W18Cr4V钢的热处理过程示意图第七十四页，共一百一十四页。淬火:1280℃;

淬火后的组织:M+Cm+A残(20～25%)第七十五页，共一百一十四页。

W18Cr4V钢淬火组织

W18Cr4V淬火组织300第七十六页，共一百一十四页。三次570℃回火在570℃回火时,产生二次硬化。第七十七页，共一百一十四页。三次570℃回火*淬火后A残约20～25%。*第一次回火后A残约剩15～18

%。*第二次回火后A残约剩3～5

%。*第三次回火后A残约剩1～2

%。回火后的组织:

M回+Cm+A残(1～2%)组织硬度为65HRC以上。第七十八页，共一百一十四页。

W18Cr4V淬火+一次回火组织W18Cr4V淬火+一次回火组织105第七十九页，共一百一十四页。

W18Cr4V淬火+三次回火组织W18Cr4V淬火+三次回火组织420

第八十页，共一百一十四页。三.合金模具钢(alloydiesteel)热作模钢:工作温度为600℃以上。冷作模钢:工作温度为200～300℃。第八十一页，共一百一十四页。一)热作模钢(hotdiesteel)1.性能要求:高的热硬性、高温耐磨性;高的抗氧化能力;高的热强性和足够高的韧性;高的热疲劳抗力(防止龟裂);高的淬透性和导热性;2.化学成分特点:中碳0.3～0.6%;合金元素:Cr、Ni、Mn、

Si、Mo、W、V。曲轴模具第八十二页，共一百一十四页。3.热处理特点:

*热锻模钢:5CrMnMo

热处理工艺:淬火+550℃回火热处理后的组织:S回或T回

温度时间～500℃820～850℃预冷油冷530～550℃回火第八十三页，共一百一十四页。3.热处理特点:

*热压模钢:3Cr2W8V

热处理工艺:淬火+600℃三次回火热处理后的组织:M回+Cm粒状汽车四缸压铸模第八十四页，共一百一十四页。二)冷作模钢(colddiesteel)1.性能要求:高的硬度,HRC62;高的耐磨性;足够高的韧性与疲劳抗力;热处理变形小;2.化学成分特点:高碳1～2%;合金元素:Cr,Mo、W、V。汽车冲压模具第八十五页，共一百一十四页。3.热处理特点:

*一次硬化法:

淬火+低温回火

(950～1000℃)(150～180℃)

*二次硬化法:

淬火+三次回火

(1100～1000℃)(510～520℃)热处理后的组织:

M回+Cm+A残牌号:

Cr12、Cr12MoV第八十六页，共一百一十四页。四.合金量具钢1.性能要求:高的硬度,HRC62;高的耐磨性;高的尺寸稳定性;足够高的心部韧性;热处理变形小;尺寸稳定;良好的耐蚀性;卡尺量规千分尺第八十七页，共一百一十四页。3.热处理特点:4.热处理后的组织:M回+

Cm淬火冷处理(-70～-80℃)低温回火时效处理(120～130℃,几十小时)5.牌号:

CrWMn、4Cr13、GCr15、

9SiCr、T12A、60等。2.化学成分特点:高碳0.9～1.5%;合金元素:Cr,Mn、W。第八十八页，共一百一十四页。

CrWMn钢制造块规退火后的热处理工艺～650℃820～840℃油冷3h-70～-80℃

冷处理140～160℃3h110～120℃36h时效处理精磨3h研磨温度时间第八十九页，共一百一十四页。第四节特殊性能钢

不锈钢(stainlesssteel)耐热钢(heat–resistantsteel)耐磨钢(wear–resistantsteel)第九十页，共一百一十四页。

一.不锈钢(stainlesssteel)1.定义:

在腐蚀介质中具有很高的抗腐蚀能力的钢。2.概念:*在空气中的年腐蚀量为0.01mm

以内的钢,称为在空气中使用的不锈钢。

*在强酸、强碱介质中的年腐蚀量为0.1mm以内的钢,称为在强酸、强碱介质中使用的不锈钢。第九十一页，共一百一十四页。3金属腐蚀的机理.金属腐蚀的种类:1)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)发生电化学反应而产生的腐蚀。第九十二页，共一百一十四页。

电化学腐蚀过程示意图第九十三页，共一百一十四页。

珠光体电化学腐蚀示意图第九十四页，共一百一十四页。4.金属的防腐措施:1)覆盖层保护:涂漆、电镀、发蓝、磷化等工艺。2)形成氧化层:加入合金元素Cr、Al、Si等,形成Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜。3)提高金属的电极电位:加入合金元素Cr、Ni、Si等,提高金属基体的电极电位。第九十五页，共一百一十四页。4)使钢在室温下呈单相组织:加入合金元素Mn、Ni、Co等能扩大

γ区,可在室温获得奥氏体钢。加入合金元素Cr、Mo、W、V、Ti、

Si等能扩大α区,可在室温获得铁素体钢。5)减少与消除钢中的各种不均匀现象:

偏析、应力、组织等。6)牺牲阳极保护阴极:

镶嵌一些比金属或合金基体电极电位更低的金属块。第九十六页，共一百一十四页。5.化学成分特点:

*

低碳:耐蚀性要求愈高,碳含量愈低。

*合金元素:主加Cr。

辅加Ni、Mo、Cu、Ti、

Nb、Mn等。6.常用的不锈钢:

*马氏体型不锈钢

*铁素体型不锈钢

*奥氏体型不锈钢第九十七页，共一百一十四页。1)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:正火后的组体是马氏体。牌号:1Cr13～4Cr13用途:医疗器械医用镊子第九十八页，共一百一十四页。

1Cr13金相组织图1Cr13供货状态组织(化染)580

第九十九页，共一百一十四页。2)铁素体型不锈钢化学成分特点:

Wc=0.1%左右

WCr=17%热处理特点:不能进行热处理强化。牌号:1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等。用途:化工设备中要求耐蚀性高、塑性好、强度低的容器、管道等。第一百页，共一百一十四页。铁素体型不锈钢的用途硝酸生产装置合成氨生产装置第一百零一页，共一百一十四页。3)奥氏体型不锈钢---18–8型钢化学成分特点:

Wc=0.08～0.14%

WCr=17～19%

WNi=8～11%Cu、Ti、Mo等。加工特点:不能进行热处理强化,只能冷塑性变形强化。第一百零二页，共一百一十