成分工艺组织课件

材料改性实验4.1钢的基本知识一、钢的合金化

碳钢→铁碳合金

合金钢→含有合金元素的钢

第四章材料成分、工艺、组织与性能材料改性实验4.1钢的基本知识第四章材料成分、常用的合金元素有：

硅(Si)、锰(Mn)、铬(Cr)、镍(Ni)、钼(Mo)、钨(W)钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、锆(Zr)、铝(Al)、铜(Cu)、钴(Co)、氮(N)、硼(B)、稀土等合金相碳钢的五大元素：C

S

P

Mn

Si固溶体金属化合物

(中间相)间隙固溶体置换固溶体间隙化合物电子化合物正常化合物常用的合金元素有：硅(Si)、锰(Mn)、铬(Cr)、镍2金属化合物(中间相)金属化合物的组成一般可用化学式表示金属化合物的晶格类型不同于任一组元具有复杂的晶格结构熔点高、硬度高、脆性大。能提高合金的硬度和耐磨性，塑性和韧性降低。金属化合物(中间相)3过渡族金属元素间隙化合物碳、氮、氢、硼等非金属元素原子半径较小过渡族金属元素间隙化合物碳、氮、氢、硼等非金属元素原子半径较4间隙化合物r非金属/r金属＜0.59

单晶格间隙相

复杂间隙化合物

r非金属/r金属＞0.59极高的熔点、硬、脆，如Fe3C

非常高的熔点、硬度和脆性，如TiN

间r非金属/r金属＜0.59单晶格间隙相复杂间隙化合物5电子化合物第二至第四元素第一族或过渡族金属元素不遵守化合价规律，但满足一定的电子浓度，虽然电子化合物可用化学式表示，但实际成分可在一定的范围变动，可溶解一定量的固溶体

如Cu5Zn8(γ-黄铜）电子化合物第二至第四元素第一族或过渡族金属元素不遵守化合价规6二、钢的分类1．

按成分分

碳钢：低、中（0.3~0.6%）、高合金钢：结构钢、工具钢、特殊性能钢2．

按用途分

（1）结构钢(建筑工程构件用钢，多为型钢；机器零件用钢)

（2）工具钢(刃具、量具、冷热模具、耐冲击工具等)

（3）特殊性能钢(不锈耐酸、耐磨、耐热等)二、钢的分类1．

按成分分7性能要求高硬度——机加工刀具HRC＞60高耐磨性——刀具寿命和生产率↑组织要求：硬而细小的碳化物，均匀分布在强而韧的钢基体中高的热硬性（红硬性）——高温下保持高硬度的能力，与回火稳定性有关足够的韧性——以承受冲击载荷合金工具钢（合金刃具钢、合金模具钢、合金量具钢）1、合金刃具钢性能要求合金工具钢（合金刃具钢、合金模具钢、合金量具钢）1、81）低合金刃具钢成分——w(C)=0.9~1.5%，合金元素＜5%。性能——HRC＞60，使用温度200~300℃。钢号主要化学成分，w/%热处理及性能CMnSiCr淬火℃回火℃回火后HRC9SiCr0.85~0.950.30~0.601.20~1.600.95~1.25860~880油180~20060~62CrWMn0.90~1.050.80~1.10W1.2~1.600.90~1.20820~840油140~16062~65（摘自GB/T1299－2000）1）低合金刃具钢成分——w(C)=0.9~1.592）高速钢成分——w(C)=0.7~1.2%，合金元素＞10%。性能

高硬度、耐磨性——VC等弥散硬化

高热硬性——600℃时HRC≈62，W2C等提高热硬性。

高淬透性——尺寸不大时可空冷淬火，Cr等元素提高淬透性。

钢号主要化学成分，w，%热处理及性能CWVCrMo淬火℃回火℃回火后HRCW18Cr4V0.70~0.8017.5~19.01.00~1.403.80~4.401270~1285油550~570

三次≥63W6Mo5Cr4V20.80~0.905.50~6.751.75~2.203.80~4.404.75~5.501210~1230油540~560

三次≥632）高速钢成分——w(C)=0.7~1.2%102、合金模具钢１）冷模具钢——冷冲、冷镦、冷挤压模等。性能——高硬度、耐磨性，足够的韧性和疲劳抗力。应用小型模具——9Mn2V、9SiCr、CrWMn等。

大型模具——Cr12、Cr12MoV等，热处理变形小。最终热处理——淬火+低温回火最终组织——回火M+碳化物+少量A'2、合金模具钢１）冷模具钢——冷冲、冷镦、冷挤压模等。性11２）热模具钢——热锻、热挤压、压铸模等。性能——耐热性、热疲劳抗力高。应用

中小型模具——5CrMnMo等。

大型模具——3Cr2W8V等，淬透性好。最终热处理——淬火+高温回火最终组织——回火T

或回火S２）热模具钢——热锻、热挤压、压铸模等。性能——耐热123、量具用钢——卡尺、千分尺、塞规等性能——高的硬度和耐磨性、良好的尺寸稳定性。应用

简单量具——T10A、T12A等。

高精度量具——GCr15、CrWMn等。最终热处理——淬火+（-70～-80℃）冷处理+低温回火+时效处理

时效处理：120～130℃，保温几～几十小时，使M、A'稳定，消除内应力。最终组织——回火M+碳化物+少量A'3、量具用钢——卡尺、千分尺、塞规等性能——高的硬度和耐134.1.不锈钢1）钢的抗腐蚀措施油漆与电镀，以隔离保护；加入Ni，形成单相奥氏体组织；加入Cr，提高电极电位，降低两相的电极电位差；加入Cr、Al等，生成致密的表面氧化膜。4、特殊性能钢2）不锈钢的成分特点含碳量：0.03～1.0％含合金总量：＞10％（主加元素：Cr、Ni、Mo、Cu、Mn、Ti、Nb等）

Cr—提高电极电位（＞12.5％，Fe电极电位突然升高）；形成钝化膜。

Ni—稳定奥氏体。

Mo—提高耐蚀性和抗晶间腐蚀的能力。

Cu—提高耐酸腐蚀的能力。

4.1.不锈钢1）钢的抗腐蚀措施4、特殊性能钢2）不锈钢143）常用不锈钢（1）

M型不锈钢（热处理后获得M）成分：C%:0.1~1.0％、Cr＞12.5％性能:高强度、硬度、耐磨性。应用：汽轮机叶片、手术器械、量具等。如1Cr13，2Cr13性能类似于调质钢，用于汽轮机叶片；3Cr13，4Cr13性能类似于工具钢，做手术器具及刀具（2）

A不锈钢(室温下呈单相奥氏体组织)

成分:低碳（0.1％左右)、高铬镍。性能：高耐蚀性，良好的塑性、韧性、耐热性和焊接性，无磁性。应用：抗磁仪表、耐热零件和管道等。0Cr18Ni9,1Cr18Ni9（3）

F型不锈钢（高温和低温均保持单相铁素体组织）成分：低碳（＜0.15％）、高铬。性能：塑性较好，耐酸、抗氧化，抗应力腐蚀性能好，机械性能和工艺性能较差。应用：受力不大的耐酸结构和抗氧化零件。如0Cr13用作耐热钢，1Cr28耐强腐蚀介质3）常用不锈钢（1）M型不锈钢（热处理后获得M）如1Cr15不锈钢的成分、热处理、性能钢号主

要

化

学

成

分,%淬火

℃回火

℃CCrNiTi类别机械性能

bMPa

sMPa

5

%HRC

HB1Cr13

0.1512~

14950~

1000水,油700~

7504Cr130.36~

0.4512~

141050~

1100油200~

300M型540345680400254159501Cr17

0.1216~

18780~

850正火0Cr18Ni9

0.0717~

198~

121010~

1150水F型A型A-F型45020552020522401831871Cr18Ni9Ti

0.1217~

199~

12

0.5

~0.8920~

1150水520205401871Cr21Ni5Ti0.09~

0.1420~

224.8~

5.8

0.35

~0.8950~

1100水,空60035020不锈钢的成分、热处理、性能钢号主要化学成分,%164.2.耐热钢抗氧化性：金属在高温下的抗氧化能力热强性：热强性是指钢在高温下的强度用途：锅炉、燃气轮机，排气阀等珠光体耐热钢：15CrMo，用于锅炉构件马氏体耐热钢：1Cr13、2Cr13，用于涡轮叶片

4Cr9Si2气阀钢奥氏体耐热钢：1Cr18Ni9Ti4.2.耐热钢抗氧化性：金属在高温下的抗氧化能力用途：锅17类别钢号主

要

化

学

成

分,%淬火

℃回火

℃CCrNiTiM型1Cr13

0.1512~

14950~

1000油700~

7501Cr11MoV0.11~

0.1810~

11.5Mo0.5

~0.71050~

1100空720~

740A型1Cr18Ni9Ti

0.1217~

198~

11

0.5

~0.8920~

1150水机械性能

bMPa

sMPa540345490685520205

5

%2040HB

159159187类钢号主要化学成分,%淬火

℃回火

℃CC184.3.耐磨钢ZGMn13热处理：1000℃～1100℃，保温，水冷→A，硬度低，韧性高。性能：工件在工作中受到冲击变形时，表层产生加工硬化，及M转变，硬度显著提高，心部保持高韧性。用途：履带、铁道岔道4.3.耐磨钢ZGMn13热处理：1000℃～110019三、钢的编号方法1．优质碳素结构钢（万分之一）

20钢—0.2%C

45钢—0.45%C“20锅”或“20g”

2．碳素工具钢

(千分之一)

以“碳”字或字母“T”代表后为含碳量如T8—0.8%C,T12—1.2%C3．合金钢

（1）含碳量

（2）合金元素含量

20CrMnTi

9SiCr

GCr15W18Cr4V三、钢的编号方法1．优质碳素结构钢（万分之一）201、优质碳素结构钢牌号——如45钢，含C量为45/10000=0.45%。优质碳素钢的化学成分和性能钢号化学成分，%

s

，MPa≥CMnSiSP08F10203540455060650.05-0.110.07-0.130.17-0.230.32-0.390.37-0.440.42-0.500.47-0.550.57-0.650.62-0.700.25-0.500.35-0.650.35-0.650.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.80

0.030.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.37<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035175205245315335355375400420(摘自GB/T699-1999)1、优质碳素结构钢牌号——如45钢，含C量为45212．碳素工具钢

牌号——如T12A钢，含C量为12/1000=1.2%，

A表示高级优质，w(S)

0.020%，w(P)

0.030%。钢号C,%Mn,%Si,%S,%

P,%

退火后HBS,

水冷淬火温度，℃T7T8T8MnT9T10MnT10T12T130.65-0.740.75-0.840.80-0.900.85-0.940.95-1.040.95-1.041.15-1.241.25-1.35

0.40

0.400.40-0.60

0.400.40-0.60

0.40

0.40

0.40

0.35

0.35

0.35

0.35

0.35

0.35

0.35

0.350.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.035187187187192192207207217800-820780-800780-800760-780760-780760-780760-780760-780碳素工具钢的化学成分和性能（淬火后HRC≥62)(摘自GB/T1298-1986)2．碳素工具钢牌号——如T12A钢，含C量为12221）．低合金结构钢钢号旧钢号主要化学成分，%机械性能CMnSi，

s

，MPa

b

，MPa

5，%Q29509MnNb

12Mn

0.160.80

~1.500.5529557023Q34516Mn

16MnRe0.18

~0.201.00

~1.600.5534563021~22Q39016MnNb

15MnTi

0.201.00

~1.600.5539065019~20Q42014MnVTiRe

15MnVN

0.201.00

~1.700.5542068018~19Q46014MnMoV

18MnMoNb

0.201.00

~1.700.5546072017常用低合金结构钢的牌号、成分、性能（厚度(直径)16mm，AKV≥34J）成分——w(C)＜0.2%，主加元素Mn，附加V、Ti、Nb。性能——强度、韧性高，焊接、冷成形性能好。3、合金结构钢1）．低合金结构钢钢号旧钢号主要化学成分，%机械性232)．渗碳钢成分

:w(C)=0.1～0.25%,韧性好。合金元素提高淬透性、耐磨性,细化晶粒。性能

:渗层硬度高，耐磨，抗接触疲劳；心部韧性高、强度大。渗C钢的牌号（摘自GB/T3077-1999）（渗C:930℃，回火：200℃）

主要化学成分,%预备处理／淬火,℃CMnCr，Ni0.17~0.24

0.17~0.240.50~0.80

1.30~1.600.70~1.00

880／800水,油880水,油0.17~0.230.17~0.23

0.90~1.200.80~1.10

0.90~1.201.00~1.30

850油880

／870油钢号20Cr

20MnV20CrMn20CrMnTi

淬透性低中高18Cr2Ni4WA

20Cr2Ni4A0.13~0.19

0.17~0.23W0.8~1.2

0.30~0.601.35~1.65

4.0~4.51.25~1.65

3.25~3.75950

／850空

880／780

油机械性能

bMPa

sMPa835

785540

5909301080

735835

1180

1180835

1080aKU2J47

554755

78

632)．渗碳钢成分:w(C)=0.1～0.25%,韧性好243)．调质钢成分——w(C)=0.25～0.50%，合金元素消除回火脆性,提高回火抗力,强化F。性能——综合机械性能高调质钢的牌号（摘自GB/T3077－1999）淬透性钢号主

要

成

分,%淬火

℃回火

℃CMnSi

Cr低450.42~

0.500.50~

0.800.17~

0.37830~

840水580~

640空40Cr0.37~

0.450.50~

0.80Cr0.8

~1.10850油500

水，油中高35CrMo0.32~

0.400.40~

0.70Cr0.8

~1.10850油550

水，油38CrMoAlA0.35~

0.42Al0.7

~1.1Cr1.35

~1.65940

水，油640

水，油40CrMnMo0.37~

0.450.90~

1.20Cr0.9

~1.20850油600

水，油机械性能

bMPa

sMPaaKU2J

600

3553940MnB0.37~

0.441.10~

1.400.20~

0.40850油500

水，油98078547980785479808356398083571980785633)．调质钢成分——w(C)=0.25～0.50%，合金254)．弹簧钢成分——w(C)=0.45～0.70%，Si,Mn为主要元素，提高屈强比。性能——σe

、σs、屈强比和疲劳抗力高，塑性大，耐震动、冲击。钢号主

要

成

分,%淬火

油

℃回火

℃机械性能

CMnSi,Cr

bMPa

sMPa

10

%akkJ/m2650.62~

0.700.50~

0.800.17~

0.37840

油50010008009450850.82~

0.900.50~

0.800.17~

0.37820

油48011501000660065Mn0.62~

0.700.90~

1.200.17~

0.37830

油5401000800880060Si2Mn0.56~

0.640.60~

0.901.50~

2.00870

油48013001200580050CrVA0.46~

0.540.50~

0.80Cr0.8

~1.10850

油50013001150

59800（摘自GB/T1222－1985）4)．弹簧钢成分——w(C)=0.45～0.70%，266)．滚动轴承钢成分——w(C)=0.95～1.10%，主加元素是Cr，形成细小的碳化物。性能——高接触疲劳强度、高硬度和耐磨性，韧性、淬透性好。钢号主要化学成分，w/%热处理规范及性能CCrSiMn淬火℃回火℃回火后HRCGCr40.95~1.050.35~0.00.15~0.300.15~0.30800~820150~17062~66GCr150.95~1.051.40~1.650.15~0.350.25~0.45820~840150~16062~66GCr15SiMn0.95~1.051.40~1.650.45~0.750.95~1.25820~840170~200>62GMnMoVRE0.95~1.050.15~0.401.10~1.40770~810170

5

62GSiMoMnV0.95~1.100.45~0.650.75~1.05780~820175~200

626)．滚动轴承钢成分——w(C)=0.95～1.10%，27四、合金元素对钢的影响1．

对铁碳状态图的影响2．

合金元素对C曲线的影响3．

合金元素与钢的特性（1）钢的淬透性

（2）淬透性与淬硬性

（3）钢的回火稳定性四、合金元素对钢的影响1．

对铁碳状态图的影响284．2几种常用合金钢简介一、

合金结构钢1．合金渗碳钢

20CrMnTi20Cr18Cr2Ni4W2．合金调质钢

40Cr40CrMn3．合金弹簧钢

65Mn60Si2Mn二、

合金工具钢1．合金刃具钢

W18Cr4VW6