合金钢的性能及热处理

合金钢的性能及热处理第一章金属材料结构与性能§1概述纯金属合金较高的强度、良好的塑性、高的导电性、导热性、金属光泽§2金属材料的结构一、金属的结晶晶界示意图二、金属的晶体结构面心立方晶格体心立方晶格密排六方晶格三、合金的晶体结构固溶体当溶质原子溶人溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体就称为置换固溶体。溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。完全无序偏聚部分有序完全有序金属化合物1).具有超导性质的金属间化合物，如Nb3Ge，Nb3Al，Nh3Sn，V3Si，NbN等；2).具有特殊电学性质的金属间化合物，如InTe-PbSe，GaAs-ZnSe等在半导体材料用；3).具有强磁性的金属间化合物，如稀土元素（Ce，La，Sm，Pr，Y等）和Co的化合物，具有特别优异的永磁性能；4).具有奇特吸释氢本领的金属间化合物（常称为贮氢材料），如LaNi5，FeTi，R2Mg17和R2Ni2Mg15。(R等仅代表稀土La，Ce，Pr，Nd或混合稀土）是一种很有前途的储能和换能材料；7).具有形状记忆效应、超弹性和消震性的金属间化合物，如TiNi，CuZn，CuSi，MnCu，Cu3Al等已在工业上得到应用。6).耐蚀的金属间化合物，如某些金属的碳化物，硼化物、氨化物和氧化物等在侵蚀介质中仍很耐蚀，若通过表面涂覆方法，可大大提高被涂覆件的耐蚀性能；5).具有耐热特性的金属间化合物，如Ni3Al，NiAl，TiAl，Ti3Al，FeAl，Fe3Al，MoSi2，NbBe12。ZrBe12等不仅具有很好的高温强度，并且，在高温下具有比较好的塑性；机械混合物由两种或两种以上的组元或固溶体组成，或者由固溶体与金属化合物组成的合金。其性能决定于各自组成部分的性能和相对数量，决定于它们的大小、形状、分布。§3金属材料的机械性能一、静载荷下的机械性能二、动载荷下的机械性能冲击功：冲击值：第二章铁碳合金§1概述含碳小于2.11%的铁碳合金为钢含碳大于2.11%的铁碳合金为铁特点：机械性能好、储存量大、冶炼方便§2铁碳合金基本组织和性能一、铁二、渗碳体（Fe3C）铁素体奥氏体硬度高、塑性低§3铁碳合金状态图的分析共晶反应液体4.3%C莱氏体4.3%C

（奥氏体2.11%C+渗碳体6.67%C

）1147ºC共析反应奥氏体0.77%C珠光体0.77%C

（铁素体0.02%C+渗碳体6.67%C

）723ºC含碳量〈0.77%含碳量=0.77%含碳量〉0.77%§4碳钢含碳小于2.11%的铁碳合金，还有少量的杂质（磷、硫、锰、硅）一、碳及杂质对钢性能的影响碳磷硫硅锰存在转折点0.77%C冷脆性热脆性影响不大良性影响二、碳素钢的分类1.按钢的含碳量分类低碳钢——含碳量小于0.25%中碳钢——含碳量在0.25%~0.60%之间高碳钢——含碳量大于0.60%2.按钢的质量分类普通碳素钢——钢中硫、磷含量教高优质碳素钢——钢中硫、磷含量教低3.按用途分类4.按冶炼时脱氧程度不同分类碳素结构钢——用于制造机械零件和工程结构件碳素工具钢——用于制造各种工具沸腾钢——不脱氧气的钢镇静钢——为完全脱氧钢半镇静钢——为半脱氧钢三、碳素结构钢普通碳素结构钢优质碳素结构钢其他专用碳素结构钢Q235-A·F60Mn易切削结构钢锅炉用钢四、碳素工具钢含碳量在0.65%~1.35%之间T+数字T10A五、铸钢含碳量在0.20%~0.60%之间ZG+两组数字ZG200-400§5铸铁灰铸铁铁素体灰铸铁珠光体灰铸铁可锻铸铁球墨铸铁蠕墨铸铁第三章钢的热处理§1概述热处理：将金属在固态下通过加热、保温和冷却的方式，改变合金的内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。§2钢的热处理基本原理一、钢在加热时的组织转变奥氏体的转变温度奥氏体的形成奥氏体长大奥氏体形核剩余渗碳体溶解奥氏体均匀化二、钢在冷却时的组织转变等温冷却连续冷却过冷奥氏体的等温转变C曲线影响C曲线的因素：奥氏体中含碳量的影响合金元素的影响加热温度和保温时间的影响§3钢的普通热处理一、退火目的降低钢的硬度，提高塑性消除钢中残余应力改善组织，细化晶粒将钢加热至适当温度，保温后缓慢冷却，以获得接近于平衡组织的热处理工艺。完全退火首先将亚共析碳钢加热到Ac3以上30~50，保温一段时间后，随炉缓慢冷却到600度以下，再出炉在空气中冷却，最后到Fe-Fe3C相图上的平衡组织铁素体+珠光体。上述退火方法由于奥氏体进行了全部的重结晶,故称全部退火。主要用于共析碳钢和合金钢的铸、锻件。目的是细化晶粒,消除应力，使钢软化以便于随后的切削加工。等温退火

如果在对应于某钢C曲线上的珠光体形成温度使温度使奥氏体进行等温转变，便可在等温处理的前后以较快的速度进行冷却，则退火所需要的时间便可大大地缩短。这种退火方法称为等温退火。球化退火为使钢中碳化物球状化的热处理工艺称为球化退火。目的是为了消除过共析钢中网状二次渗碳体，降低硬度，并为淬火作好组织准备。去应力退火去应力退火又称低温退火,它主要用于消除铸件,锻件,焊接件,冷冲压件以及机加工件中的残余应力。去应力退火工艺是将工件随炉缓慢加热至500~650度(<A1),保温一定时间后,随炉缓慢冷却至200度再出炉空冷。扩散退火

为了减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线或液相线的温度，长时间保温并进行缓慢冷却的热处理工艺，称为扩散退火或均匀化退火。二、正火目的作为普通结构零件的最终热处理改善低碳钢和低合金结构钢的切削加工性能过共析钢球化退火前进行正火，可消除网状二次渗碳体，保证退火得到良好的珠光体组织将钢加热至Ac3或Accm以上30~50ºC，保温适当时间，出炉后在空气中冷却的热处理工艺。三、钢的淬火1.单液淬火2.双液淬火3.分级淬火4.等温淬火将钢加热至Ac3或Ac1以上，保温一定时间，以适当速度冷却，以获得马氏体或下贝氏体组织的热处理工艺。1.单液淬火法：形状简单的工件。2.双液淬火法：技术要求高，可以防止裂纹产生3.分级淬火法：小截面零件。可以减少应力,减少变形与开裂4.等温淬火法：获得下贝氏体组织，用于要求有较高强韧性的工模具和弹簧等零件。5.局部淬火法：局部要求高硬度的零件。6.冷处理：马氏体转变彻底，残余奥氏体的含量减少，钢的耐磨性、硬度和尺寸稳定性提高。淬透性淬硬性钢的淬透性是指钢在淬火时获得马氏体的能力。

钢的淬硬性是指钢在淬火时的硬化能力，用淬火后马氏体所能达到的最高硬度表示，主要取决于马氏体的含碳量。

淬透性好的钢其淬硬性不一定高。单液淬火法双液淬火法等温淬火法分级淬火法四、淬水钢的回火目的消除或减少淬火应力稳定工件尺寸，防止工件变形与开裂获得工件所需的组织和性能将淬火后的钢加热至Ac1以下某一温度，保温一定时间，冷至室温的热处理工艺。根据回火温度可将钢的回火分为三类:1.低温回火（150~250℃）回火马氏体2.中温回火（350~500℃）回火屈氏体3.高温回火（500~650℃）回火索氏体4.淬火加高温回火又称调质处理§4钢的表面热处理一、表面淬火火焰加热表面淬火感应加热表面淬火二、钢的化学热处理将钢放入一定的活性介质中加热和保温，使介质中的活性原子渗入工件表面，以改变表面化学成分、组织和性能的热处理工艺。1.分解由介质中分解出所渗元素的活性原子2.吸收工件表面对活性原子进行吸收。形成固熔体或形成化合物。3.扩散在一定温度下，所吸附原子由表层往里迁移，形成一定厚度的渗层。渗碳渗碳是向低碳钢或低碳合金钢的表面层渗入碳原子的过程。常用的渗碳方法有气体渗碳和固体渗碳两种。低碳钢渗碳后，表面层含碳量以0.85-1.05％为最好。渗碳层厚度一般为0.5-2.5mm。太薄易引起表面疲劳剥落，太厚抗冲击能力差。工件经渗碳后的淬火方法有两种：

1.直接淬火2.一次淬火渗氮氮化的主要氮化是向钢的表面层渗入氮原子以提高表层的硬度、耐磨性、疲劳强度及耐蚀性的化学热处理工艺也称为渗氮。钢的氮化分为气体氮化、离子氮化、气体软氮化和气体碳氮共渗。应用最广泛的氮化用钢为38CrMoAl，这些元素易形成硬度极高且非常稳定的氮化物。氮化厚表层的硬度为72HRC(Hv1100-1200)。

渗氮后的缺点是生产周期长，0.3-0.5mm需要20-50小时。§5钢的热处理新技术一、可控气氛热处理二、真空热处理三、形变热处理四、表面处理和技术第四章合金钢§1概述合金钢是为了改善和提高碳素钢的性能，在碳素钢的基础上添加一定的合金元素所炼制的一类钢。碳素钢的主要缺点：综合机械性能差热稳定性差耐腐蚀性差淬透性差不能满足某些特殊性能一、合金钢的分类二、合金钢的编号不论结构钢或工具钢均采用：数字+化学元素+数字的方法表示。结构钢的含碳量用两位数字表示。如60Si2Mn;20CrMnTi工具钢用一位数字表示，含碳量大于1%时不标出。如5CrMnMo;Cr12§2合金元素在钢中的作用一、钢中的合金元素为了合金化的目的而加入并且其含量有一定范围的元素，称为合金元素。根据合金元素与碳的亲和力关系，将其分为:与碳亲和力较强的元素称为碳化物形成元素，如Zr、Nb、Ti、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe等;与碳亲和力较小的元素称为非碳化物形成元素，如Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。二、合金元素的作用合金元素固溶于铁素体，提高钢的强度，不降低塑性合金元素固溶于奥氏体，增加钢的稳定性合金元素形成碳化物、非金属化合物合金元素改变相变温度合金元素改变共析点的位置§3合金结构钢合金结构钢是用于制造各种机器零件和各类工程结构的钢。普低钢又称低合金高强度钢，英文缩写HSLA钢。从成分上看其为含低碳(<0.2%)低合金(<3%)元素钢种，是为了适应大型工程结构（如大型桥梁，压力容器及船舶锅炉等）以减轻结构重量，提高可靠性及节约材料的需要而发展起来的。我国列入冶金部标准的普低钢，按屈服强度高低分为300MPa级，350MPa级，400MPa级，450MPa级，500MPa级和650MPa级六个级。一、低合金结构钢二、机器制造用合金结构钢合金渗碳钢1.渗碳钢的工作条件及性能要求渗碳钢，及由其制作的零件在渗碳热处理后才使用。这种零件工作时，除要求较高强度可靠性外，还常常受到较大的表面磨擦和冲击作用，故其性能要求：

(1)有一定的强度和塑性，以抵抗拉伸，弯曲，扭转等变形破坏；

(2)要求表面有较高的硬度和耐磨性，以抵抗磨损及表面接触疲劳破坏；

(3)有较高的韧性以承受强烈的冲击作用；

(4)当外载是循环作用时，要求零件有好的抗疲劳破坏能力。2.渗碳钢主要钢种渗碳钢即需要渗碳表面强化的钢，根据上述的性能要求，这类钢成分上一般是低碳或低碳合金结构钢。常用的渗碳零件包括齿轮，凸轮，活塞销等表面易于受到磨损破坏的活动零件。如常用作汽车齿轮的20Cr、20CrMnTi等钢材。调质钢调质钢就是经过淬火加高温回火处理而使用的结构钢，其经调质处理后的组织为回火索氏体S回，这种组织有良好的综合机械性能，即高强韧性的统一。弹簧钢

1.弹簧的使用条件及性能要求用以制造弹簧或类似弹簧性能零件的钢种称为弹簧钢。在机器设备中这类零件的主要作用是：间断吸收冲击能量，缓和机械振动及冲击作用以及周期性贮存能量。常用零件如汽车叠板弹簧，仪表弹簧，汽阀弹簧等。

2.弹簧的主要失效形式为疲劳断裂和由于发生塑性变形而失去弹性。因此其性能要求为：

(1)高的屈服强度，疲劳强度和高的屈强比；

(2)一定的塑性和韧性；

(3)保证组织性能均匀，要求材料淬透性好；

(4)另外在高温或腐蚀介质下工作时，材料应有好的环境稳定性。滚动轴承钢1.轴承钢的工作条件及性能要求主要用于制造滚动轴承的钢称为轴承钢。滚动轴承由内套、外套、滚动体及保持架组成，除保持架常用低碳钢（08钢）板冲制成型外，均由轴承钢制成。

2.轴承钢及其合金化为满足轴承钢高性能的要求常用轴承钢成分一般如下：

(1)高碳：一般含碳量为0.95~1.15%，保证了马氏体中足够的碳含量及足够的弥散碳化物，满足了高硬度高耐磨要求；

(2)加入Cr、Mn、Si等合金元素：其中Cr为主加元素。Cr、Si、Mn的主要作用是提高淬透性，强化铁素体，提高碳化物稳定性；同时细化组织，提高回火稳定性。但合金含量过高会使残余奥氏体增多，导致钢硬度和零件的尺寸稳定性降低；§4合金工具钢一、刃具钢二、模具钢三、量具钢（高的硬度、耐磨性、红硬性、强度、韧性）（高尺寸稳定性、高硬度、高耐磨性、足够的韧性）（冷模具钢：高硬度、高耐磨性、高强度、足够的韧性、工艺性好）（热模具钢：高温硬度、高温强度、高温下的耐磨性、足够的韧性、抗氧化能力、热处理变形小）§5特殊性能钢特殊性能钢是指具有特殊物理化学性能并可在特殊环境下工作的钢，如不锈钢，耐热钢，耐磨钢及低温用钢等。一、不锈钢1.不锈钢的使用条件及材料设计原则在腐蚀性介质中能稳定不被腐蚀或腐蚀极慢的钢，一般被称为不锈钢。材料在一般的酸碱环境中，电化学作用是其腐蚀失效的主要原因。根据电化学腐蚀的基本原理，对不锈钢通常采取以下措施来提高其性能：

(1)尽量获得单相的均匀的金属组织，从而不会产生原电池作用。如在钢中加入大于9%的Ni可获得单相奥氏体组织，提高了钢的耐蚀性。(2)通过加入合金元素提高金属基体的电极电位。如加入一定量的铬会达到这一目的；钢中含铬量与其电极电位关系服从n/8规律，即铬原子含量为n/8时电位发生突变而升高，如当加入13%Cr时钢中铁素体电极电位由-0.56V提高到+0.2V，金属腐蚀速率大大减小，使金属抗蚀性大大提高。

(3)加入合金元素使金属表面在腐蚀过程中形成致密保护膜如氧化膜（又称钝化膜），使金属基材与介质隔离开，防止进一步腐蚀。如Cr、Al、Si等合金元素就易于在材料表面形成致密的氧化膜如Cr2O3、Al2O3、SiO2等。不锈钢中常加入的合金元素有Cr、Ni、Ti、Mo、V、Nb等。铬是最重要的必加元素，它不但提高铁素体电位，形成致密氧化膜，且在一定成分下也可获得单相铁素体组织；镍是扩大奥氏体区元素，用于形成单相固溶体，也可提高材料电极电位，但镍稀缺；而钢中镍与铬常配合使用则会大大提高其在氧化性及非氧化性介质中的耐蚀性。锰、氮也是奥氏体化元素，在钢中可部分代替镍的作用。钼则可增加钢钝化能力，提高钢在还原性介质中的耐蚀性和抗晶间腐蚀能力。2.不锈钢的分类及常用不锈钢

(1)不锈钢分类：按不锈钢正火（供应）