金属学及热处理课件：钢

钢[目标]1.了解合金元素在钢中的作用及其对相图的影响；2.掌握常用钢的类别和牌号；常用钢热处理、性能及应用；3.了解典型零件选材及热处理路线安排；

[重点]1.常用钢的类别和牌号；2.常用结构钢、工具钢、特殊性能钢的热处理、最终组织、性能及应用；[难点]1.特殊性能钢；2.典型零件选材及热处理路线安排。钢工业用钢分为非合金钢与合金钢。

合金钢是指为改善钢的性能，在碳素钢基础上专门加入某些合金元素所形成的多元合金。钢非合金钢（碳素钢）是指Ⱳc在0.02%～2.06%，并含有少量Si、Mn、S、P及非金属夹杂物的铁碳合金。

合金钢的性能优于碳钢，能满足较高性能或较大尺寸零件的使用要求。

1.具有更好的强韧性合金钢与碳钢相比的性能优点钢Rm/MPaReL/MPa20≥490≥29420Gr83554020CrMnTi1080 835 低碳钢应力应变曲线

2.具有更高的耐磨性和热硬性Mo对钢(wC=0.35%)回火硬度的影响

9SiCr与T10硬度与回火温度的关系

3.具有更好的热处理工艺性能υk2υk1冷却速度碳钢合金钢马氏体区表面心部表面合金元素提高钢的淬透性示意图7.1钢中常存杂质元素的影响1.Si、Mn的影响

①可消除夹杂或有害元素的不良影响②固溶强化铁素体，强度、硬度↑2.

S、P的影响①S：形成FeS，FeS与Fe生成低熔点共

晶体，产生热脆性②P：易生成脆性磷化物，产生冷脆性。

S和P在钢中的含量应严加控制。钢7.2合金元素在钢中的作用常加入元素及其与碳的结合力Ti、V、W、Mo∕Cr、Mn

∥Ni、Si

1.固溶强化铁素体

Si、Mn、

Cr、Ni强Mo对钢回火硬度影响

2.形成合金碳化物

合金碳化物→完全溶入A→M→合金碳化物

弥散析出→硬度/耐磨↑（硬度高）Ti、V、W、Mo

加热淬火回火w

↓

未完全溶入A

↓

阻碍A晶粒长大（分散在晶界上）

↓细化A晶粒：强、韧↑加热热硬性二次硬化溶入难析出也难A的稳定性↑→

C曲线右移→

υk↓→淬透性↑→应力↓性能一致↑非碳化物形成元素

Co和Al除外3.使A的稳定性↑

HRC↓

Me↑——Ms、Mf↓——Ar↑

稳定性↓

总结：Cr、Mn、Ni、Si元素：

强度↑

淬透性↑Ti、V、W、Mo元素：回火稳定性，热硬性↑、HRC

↑、耐磨性↑

冷处理、回火：

Ar

↓4.淬火得M

时，Ar↑扩大A区

缩小A区(MnNi)(CrMo)Mn

13%或Ni

9%A3

˂0℃

→室温:

单相ACr

13%A区消失→室温:单相F5.对铁碳相图的影响a）Mn—扩大奥氏体相区元素b）Cr—缩小奥氏体相区元素7.3

钢的分类和牌号低＜0.25％碳钢中0.3～0.6％高＞0.6％1)成分低＜5％合金钢中5～10％高＞10％

结构钢：机器零件、工程构件3）用途工具钢：刀、量、模具特殊钢：耐腐蚀、耐热、耐磨

镇静钢(Z)

4）脱氧程度特镇静钢TZ

沸腾钢（F）2）质量普通

（P、S）优质高级优质（A）

特高级优质（E）7.3.1钢的分类Ⱳc用途－成分－质量－脱氧

普通①

碳素优质②结构钢高级优质③

合金④优质以上

钢碳素⑤工具钢合金⑥

特殊钢7.3.2钢的牌号Q215：Q－屈服极限

215—ReL

≥215MPaQ115F—沸腾钢Q115AF：A—质量等级

工程构件一般不需热处理①普通碳素结构钢主要用途：工程构件及受力小的零件

2045Ⱳc≈0.2%

Ⱳc≈0.45%08F：08FⱲc≈0.08％沸腾钢65Mn：

65Mn

Ⱳc≈0.65％ⱲMn≈

0.8～1.2％

②优质碳素结构钢③高级优质碳素结构钢

牌号后+“A”—高级优质

20Cr20Cr2Ni4

Ⱳc：Ⱳc≈0.2％Ⱳc≈0.2％

Me：ⱲCr≈1%ⱲCr≈2%ⱲNi≈4%

1％－不标2％－23％－3……例60Si2Mn：

60

2

Mn

Ⱳc≈0.6％Ⱳsi≈2％ⱲMn

≈1％④合金结构钢T8A

T10

T12Ⱳc≈0.8%

Ⱳc≈1%

Ⱳc≈1.2%

T——碳素工具钢

⑥名称：合金工具钢＜1％：一位数9SiCrⱲc≈0.9%

Ⱳc

≥1％：不标数字Cr12MoVⱲc

≥1％Me：

1％－不标2％－23％－3……⑤名称：碳素工具钢（非合金工具钢）2、合金钢（WMe）5.2.1钢的分类1）碳素：结构or工具：有“T”——工具钢无“T”——结构钢2）合金：结构or工具：两位数——结构钢（万分数）无或一位数——工具钢（千分数）如：W6Mo5Cr4V2:合金工具钢

9CrMn：合金工具钢

38CrMoAlA：高级优质合金结构钢总结钢的分类主线：成分－用途－质量－脱氧钢碳素合金结构钢工具钢结构钢工具钢特殊钢:不锈钢耐磨钢耐热钢普通碳素结构钢优质高级优质Q

215

A20Ⱳc≈0.2%（万分数）质量等级T

10

A高级优质60Si2MnⱲc

≈0.6%（万分数）ⱲSi

≈2%（百分数）9SiCrCrWMnⱲc

≈0.9%（千分数）Ⱳc

≥1%，不标最低屈服极限AⱲc≈1.0%（千分数）7.3.2钢的牌号（另一种表达，供选择）

结构钢钢工具钢：刃、模、量具特殊钢：耐腐蚀、耐热、耐磨

7.4结构钢工程构件用钢（塑性\焊接性能）机器零件用钢（力学性能）用途7.4.1渗碳钢表面淬火渗氮表硬心韧精密：如磨床渗碳淬火重载：如汽车低中载：如车床典型零件——齿轮1.成分：低碳Ⱳc：0.1～0.2％

2.热处理：渗碳＋淬火＋低回心部：低碳M′韧性↑

表面：高碳M′硬度↑3.常用钢：152020Cr20CrMnTi4.一般工艺路线：下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火+低温回火→精加工7.4.1渗碳钢汽车变速箱齿轮18Cr2Ni4WA坦克齿轮20CrMnTi

20链条链轮渗碳钢应用实例活塞销(20Cr)下料锻造正火粗加工渗碳+淬火+低温回火精磨喷丸成品正火：消除锻造应力、硬度↑渗碳：表面Ⱳc↑（0.85～1.05%）淬火：表面--高碳M,心部--低碳M低温回火：消除淬火应力、降低脆性、稳定组织例：20CrMnTi汽车变速齿轮热处理工艺及作用典型零件——轴主体：抗弯、扭、断

抗冲击配合面：抗挤压、耐磨损→高硬度7.4.2调质钢综合性能1.成分：中碳Ⱳc：0.3～0.5％2.热处理：

①调质＝淬火＋高温回火②调质＋表淬＋低回（如：轴颈配合处//机床齿轮)③调质＋渗N（精密件如：磨床主轴//精密齿轮)3.常用钢:4540Cr38CrMoAl4.典型工艺路线（机床轴/齿轮）锻→正火→粗加工→调质→精加工→表淬+低回→磨

7.4.2调质钢（1）连杆（或螺栓）：40Cr

锻→正火（退火→粗车→调质→精车→装配（2）小型车床的主轴:45（3）汽车半轴：40Cr（4）航空发动机轴:40CrNiMo调质钢应用实例抗塑性变形：抗冲击：抗疲劳（交变力）：高强度→弹性极限RA↑足够韧性↑喷丸处理T’7.4.3弹簧钢7.4.3弹簧钢1.成分：中碳Ⱳc：0.5～0.7％

MnSi：淬透性↑固溶强化↑

2.热处理：淬火＋中温回火3.常用钢：65Mn

70

60Si2Mn大截面：加热成型小截面（D＜15mm）：冷成型下料

冷拔

退火-冷卷

淬火+中回

成品下料等温S

冷拔

冷卷去应力退火

成品

下料轧制热卷淬火+中回喷丸成品下料冷拔淬火+中回冷卷去应力退火成品4.一般工艺路线大型热卷弹簧（1）坐垫弹簧、发条：7065Mn（2）螺旋弹簧、汽车板簧：60Si2Mn

（3）内燃机气阀弹簧：50CrVA

（300℃工作）（Ø<15mm）（Ø>15mm）弹簧钢应用实例

抗挤压（点、线接触）

抗磨损

抗冲击力：一定韧性

定位：高精度HRC↑耐磨性↑→Ⱳc≈1%→冷处理、去应力退火7.4.4滚动轴承钢1.成分：中碳Ⱳc：0.9～1.0％Cr：耐磨性↑淬透性↑

GCr15

G

15

ⱲCr≈1.5％2.热处理：

淬火＋低回M＇

≥60HRC3.常用钢:GCr15

GCr94.典型工艺路线（精密轴承）锻→正火→球化退火→机加工→淬火（+冷）＋

低温回火→磨（+稳定性处理）

7.4.4滚动轴承钢滚动轴承钢1.其他机器零件用钢（1）易切削钢Y12

:Y12易切削钢ⱲC≈0.12％（2）冷冲压钢08F

1020ⱲC≈0.08％ⱲC≈0.1％ⱲC≈0.2％（3）铸钢ZG200-400200400ReL≈200MpaRm≈400Mpa7.4.5其他常用结构钢1.碳素结构钢Q235(老牌号A3)（ReL＜300Mpa）

常用于：建筑、桥梁、车辆工程构件铁丝、铁钉、螺栓、销子等小件

2.工程构件用钢

低碳（0.06%～0.38%）；杂质较多

静载荷为主；要求有良好的塑性和焊接性能

一般不需要热处理Q345(老牌号16Mn)（

ReL

＞295Mpa）

常用于：建筑、桥梁、车辆铁道、船舶、化工、锅炉等大型钢结构

2.低合金高强度结构钢

低碳（<小于0.25%），保证良好塑性、焊接性能

加入少量Si、Mn、Ti、V、Nb，强、韧↑耐蚀性↑

一般不需要热处理7.5工具钢工具钢模具钢量具钢

HRC

↑一定韧性热硬性↑精度韧性↑精度稳定性↑刃具钢出版社7.5.1刃具钢

性能要求：一般≥60HRC一定韧性热硬性常用的刃具材料：非合金工具钢低合金刃具钢高速钢硬质合金1.非合金（碳素）工具钢（1）成分含碳量高（ⱲC=0.65%～1.35%）（2）热处理及性能

①淬火＋低温回火M′

②高硬度（58～60HRC）③热硬性≈200℃（3）用途切削软材料：如木材、有色金属等速度很低的刃具：如手工刀具（4）常用钢

锉刀T7、T8：冲击力↑

—榔头、冲子、凿子、钳子、刨刀等T9～

T11：一般冲击—锯条、丝锥、车刀等T12、T13：冲击力↓—锉刀、刮刀、量具等2.

低合金刃具钢k（1）成分含碳量高：ⱲC=0.75%～1.45%合金元素Cr、Si、Mn；W、V（2）热处理及性能

①淬火＋低温回火M′②高硬度（≥60～65HRC）③热硬性≈300℃（3）用途切削较硬材料：铝、铜、软钢等低速机用刃具：铰刀、铣刀、钻头、丝锥、板牙等k9SiCr：韧性↑

CrWMn：耐磨性↑淬透性↑

锻→正火→球化退火→机加工→淬火＋低温回火→磨（4）常用钢（5）典型工艺路线9SiCr钢制板牙的热处理工艺

3.高速工具钢k（1）成分碳含量高：ⱲC=0.7%～1.65%合金含量高（ⱲMe>10%）：W、Mo、V、Cr高速钢热处理工艺曲线

（2）热处理及性能

①淬火＋多次高温回火：M′②高硬度≈65HRC③热硬性≈600℃W18Cr4V钢硬度与回火温度关系k切削硬材料：高强度钢、特种合金钢等高速刃具：铣刀、插齿刀、麻花钻等（4）常用钢

W18Cr4V：热硬性、耐磨性↑W6Mo5Cr4V2：韧性↑（5）典型工艺路线锻→等温退火→粗加工→高温淬火＋多次高温回火→磨（3）用途W18Cr4V钢的铸态组织出版社7.5.2模具钢

常用模具：冷作模、热作模、塑料模1.冷作模具钢用于冷态下（低于再结晶温度）金属进行塑性变形加工的模具。

汽车外板冷冲模冷作模具成形零件

冲裁模引深模冲裁模、引深模、拔丝模、冷挤模、压弯模、冷镦模等常用冷作模具拔丝模冷挤模出版社性能要求（相比刃具钢）：

主要承受强烈摩擦、挤压，其次还受弯曲、冲击力、疲劳等作用。

硬度≈60HRC一定韧性精度↑、尺寸↑：淬透性↑常用的冷作模具钢：碳素工具钢低合金刃具钢高速钢基体钢和中碳高速钢硬质合金1.冷作模具钢（1）非合金（碳素）工具钢

①

热处理：淬火＋低温回火

M′②应用：简单、小型模具加工软材料：如纸、铝、塑料③常用钢：T7A、T10A、T11A等（2）低合金模具钢

①

热处理：淬火＋低温回火M′②应用：形状较复杂的中、小型模具加工较硬材料：如铜、铝及其合金③常用钢：GCr15、Cr2、9Mn2V、CrWMn、9SiCr等。CrWMn耐磨性高、淬透性好、淬火变形小，应用广泛。（3）高合金模具钢Cr12型

①

热处理：低温淬火＋低温回火M′

高温淬火＋高温回火

M′②应用：复杂、大型模具加工硬材料：如钢、硅钢等③常用钢：Cr12、Cr12MoV等（4）基体钢和中碳高速钢

①

热处理：高温淬火＋高温(560℃)多次回火

M′②应用：高强度和韧性的冷挤模、冷冲模等③常用钢：65Cr4W3Mo2VNb、6W6Mo5Cr4V2等用于热态金属（高于再结晶温度）成形的模具用钢。常用热作模具：热锻模、热挤模、压铸模。热锻模2.热作模具钢压铸模汽车四缸压铸模性能要求（相比冷作模具）：同样承受：强烈摩擦、挤压、弯曲、冲击力等作用硬度/耐磨性↓：37～52HRC尺寸大的模具：韧性↑淬透性↑热导性↑高温（400～1000℃）温度循环→热疲劳→表面裂纹→内腔脱落2.热作模具钢Ⱳc↑：耐磨性↑

热疲劳抗力↓因此选择：中碳钢

出版社（1）成分：中碳钢（ⱲC=0.50%～0.6%）主加合金元素：Cr、Ni、Mn、Si淬透性↑辅加合金元素：Mo、W、V耐磨性↑热稳定性↑（2）热处理：淬火＋中温回火T′淬火＋高温回火

S′（3）常用钢：

5CrMnMo：中、小型锤锻模（边长400mm以下）等

5CrNiMo、4CrMnSiMoV：大型锤锻模

4Cr5MoSiV、4Cr5W2Si：铝合金、铜合金热挤模和压铸模等

3Cr2W8V、4Cr3Mo3W2V：低碳钢的热挤压模等（4）典型工艺路线5CrNiMo

锻→完全退火→粗加工→淬火＋高回→磨出版社7.4.2量具钢

常用量具：游标卡尺、千分尺、量块、块规、塞规等。

性能要求：常受到摩擦与碰撞；具备非常高的尺寸精度、稳定性；具有一定耐腐蚀性。

高耐磨性：高硬度少许冲击：一定韧性尺寸稳定性↑：应力↓Ar↓7.4.2量具钢

高含碳量：ⱲC=0.9%～1.5%

合金元素：Cr、W、V2.热处理

常用：淬火＋低温回火

精度高的量具：淬火＋冷处理＋低温回火＋时效处理1.成分GCr15量块热处理工艺曲线

3.常用量具钢钢的类别常用牌号应用碳素工具钢T1OA、T11A、T12A尺寸小、精度不高、形状简单的直尺、卡尺、样板、量规等渗碳钢15、20、15Cr精度不高、耐冲击及大型的卡板、样板、直尺等合金刃具钢9CrWMn、9SiCr、CrMn、Cr2、CrWMn高精度块规、塞规、环规、样套、样柱等滚动轴承钢GCr15高精度块规、塞规、样柱等不锈钢4Cr13、9Cr18耐腐蚀的量具出版社7.6特殊性能钢

特殊性能钢：

具有特殊物理性能、化学性能的钢。

不锈钢、耐热钢及耐磨钢等。

7.6.1不锈钢在大气或酸碱盐等化学介质中耐腐蚀的钢。用于：化工、医疗、食品等化学腐蚀：金属—介质，化学作用电化学腐蚀：金属—电介质溶液

化学作用、

产生电流

电化学腐蚀速度快，大部分金属的腐蚀都属于此类。如金属在大气、海水及酸、碱、盐类溶液中所产生的腐蚀。1.金属的腐蚀2.电化学腐蚀原因Fe电极电位高Cu电极电位低被腐蚀电介质溶液两种不同的金属电流

电化学腐蚀不仅发生在两种金属之间，而且还发生在同一种金属材料的两种相之间。片状珠光体的电化学腐蚀Fe+2Fe2O3·nH2O2e

Fe3C电极电位高F电极电位低3.提高钢耐腐蚀的途径（2）提高基体电极电位：CrⱲCr＞12.7%基体电极电位↑（3）形成钝化膜：Cr、Al、SiCr2O3、

Al2O、SiO2（1）组织单相化:

NiCrⱲCr＞17%单相FⱲCr

≈18%ⱲNi＞8%单相A4.常用不锈钢（1）马氏体不锈钢（铬不锈钢）1）成分

ⱲC

≈0.1～1.0％

ⱲCr

≈13～17％

铬对Fe-Cr合金电极电位的影响（大气条件）

Ⱳcr

↑

→

空冷获得M

故称M不锈钢①12Cr13（1Cr13）20Cr13（2Cr13）

淬火+高温回火：

S′良好韧性

汽轮机叶片、水压机阀、蒸汽管附件等2）常用钢号②30Cr13（3Cr13）40Cr13（4Cr13）淬火+低温回火：M′≈50HRC菜刀、手术刀；仪表弹簧、阀门等汽轮机叶片手术刀③95Cr18（9Cr18）Cr18MoV淬火+低温回火：M′高硬度、高耐磨性刀具、滚动轴承等3）其他说明：

①Ⱳc↑→Rm、HRC↑

→耐腐蚀↓②焊接性差，不做焊接件③在氧化性介质中（如大气、水蒸气、海水、氧化性酸）具有良好耐蚀性，但在非氧化性介质中（如盐酸、碱溶液等）不能达到良好的钝化，耐蚀性较低。1）成分

Ⱳc＜0.15％

Ⱳcr≈12％～30％Cr作用：基体电极电位↑形成单相F2）常用钢号10Cr17（1Cr17）、10Cr17Mo（1Cr17Mo）3）热处理：在退火或正火状态下使用（2）铁素体不锈钢①其耐蚀性、塑性、焊接性均比马氏体不锈钢更好

②强度偏低、韧性低、脆性大③主要用作耐蚀性要求很高而强度要求不高的构件。如硝酸吸收塔、磷酸槽等化工设备、容器和食品加工设备、管道，以及建筑和生活用品等。4）其他说明1）成分

Ⱳc≈0.1％

Ⱳcr≈17％～25％WNi

≈8％～29％Cr作用：基体电极电位↑形成钝化膜Ni作用：单相A2）常用钢号

12Cr18Ni9（1Cr18Ni9）

06Cr18Ni11Ti（1Cr18Ni9Ti）3）热处理：

固溶处理：加热至1100℃，水冷获单相A去应力退火（3）奥氏体不锈钢（铬镍不锈钢）①比马氏体不锈钢更具优良的耐腐蚀性

②良好焊接性③容易发生晶间腐蚀。防止措施：控制Ⱳc≤0.15％；加入Ti、Nb；去应力退火④强化方法：加工硬化

奥氏体不锈钢晶界的Cr23C6析出晶间腐蚀：450-850℃4）其他说明⑤广泛应用于接触硝酸、有机酸、盐、碱等机械零件及构件。如：化工设备及管道、医疗器械、餐具、城市雕塑等。

指在300℃以上（有时高达1200℃）具有高的热化学稳定性和较高强度的特殊钢。

主要用于制造加热炉、锅炉、汽轮机、内燃机、热交换器等高温装置中的零部件。7.6.2耐热钢（2）高温强度（热强性）

高于再结晶温度时，原子扩散加强，发生再结晶和软化现象；且晶界强度降低，晶粒容易滑动变形。

合金化（固溶强化、第二相强化）、晶界强化。（1）高温抗氧化性

取决于金属与氧的化学反应能力Cr、Si、Al→

形成Cr2O3、Al2O、SiO21.耐热性能要求及提高耐热途径（1）珠光体型耐热钢1）常用钢号：

12CrMo、12CrMoV、15CrMo、25Cr2MoVA2）热处理：正火，高于使用温度100℃的回火3）使用温度低于600℃4）用于：制作负荷小的锅炉炉管；耐热紧固件、热交换器、气阀等。2.

常用耐热钢1）常用钢号：

06Cr18Ni11Ti（006Cr18Ni10Ti）20Cr25Ni20（2Cr25Ni20）2）热处理：固溶处理→A

3）热化学稳定性、热强性高于F型和M型耐热钢，温度可达800℃；高塑性、韧性；4）用于：较重要的零件，如燃气轮机轮盘和叶片、发动机排气阀、高压锅炉过热器等。（2）奥氏体型耐热钢1）常用钢号：

06Cr13Al（0Cr13Al）10Cr17（1Cr17）16Cr25N（2Cr25N）2）热处理：退火→F3）抗氧化性强，温度可达800℃，高温强度不高；4）用于：油喷嘴、炉用部件、燃烧室等。（3）铁素体型耐热钢1）常用钢号：