教學(xué)課件(合金鋼)

2023/2/31合金鋼AlloySteel《金屬工藝學(xué)》多媒體課件2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu2材料科學(xué)與工程學(xué)院1、合金鋼中加入什么元素？起什么作用？怎樣起作用？即合金化原理，這是本章的難點(diǎn)。

2、常用合金鋼的性能、用途及熱處理特點(diǎn)。這是本章的重點(diǎn)。

本章的內(nèi)容：2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu3概述第一節(jié)Summary2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu4合金鋼：為了改善鋼的力學(xué)性能、工藝性能或理化性能，有意往鋼中加入一些合金元素，這種鋼稱(chēng)為合金鋼。分類(lèi)：合金結(jié)構(gòu)鋼→改善力學(xué)性能合金工具鋼→特殊的力學(xué)性能特殊性能鋼→特殊的理化性能材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu5

一、碳鋼的優(yōu)點(diǎn)和不足

1、價(jià)格低、容易冶煉

2、加工工藝性好碳鋼3-4千元/噸，一般合金鋼5-6千元/噸例如：鍛、焊、切削加工性

3、改善性能（C%

、熱處理）例如：綁扎的鐵絲、鏨子優(yōu)點(diǎn)材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu6不足：1.淬透性差例如：Φ30mm拉桿，調(diào)質(zhì)狀態(tài)使用。選45鋼，心部不能得到S回，要選用40Cr鋼。汽車(chē)、拖拉機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的連桿螺栓

幾種鋼的淬透性比較Φ66Φ8740CrNiMoΦ20Φ3240Cr

Φ8Φ1845Do油(mm)Do水(mm)鋼號(hào)材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu7鋼種σb(MPa)σs(MPa)ψ(%)ak(J/mm2)30500300500.830CrNiMo9

屈強(qiáng)比：σs/σb碳鋼0.5-0.6合金鋼0.8-0.9

強(qiáng)度級(jí)別低，限制了碳鋼的使用范圍，例如：航空、航天等。2.強(qiáng)度級(jí)別低、屈強(qiáng)比低材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu8

碳鋼制作的刀具，刀刃處工作溫度＜200℃，高速鋼刀具600℃，硬質(zhì)合金刀具達(dá)到1000℃。高速鋼的出現(xiàn)，帶來(lái)高速切削的誕生，給機(jī)械加工行業(yè)帶來(lái)了革命性的變化3.回火穩(wěn)定性差，耐熱性差三種鋼耐熱性比較.碳鋼不適宜制作高溫工作的零件。

材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu94.不能滿足特殊性能的要求

耐低溫

碳鋼在韌脆轉(zhuǎn)換溫度以下變脆

耐腐蝕

碳鋼不能抵御大氣、酸堿鹽的腐蝕

導(dǎo)磁性

碳鋼的導(dǎo)磁率較低

無(wú)磁性

碳鋼在磁場(chǎng)中不可避免會(huì)被磁化材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/310

長(zhǎng)江上的三座橋

武漢大橋

50年代

碳素結(jié)構(gòu)鋼

強(qiáng)度低

主跨128米

南京大橋

60年代

主跨160米

16Mn

較碳鋼節(jié)約20％

九江大橋80年代

主跨216米

15MnVN

較16Mn節(jié)約20％

正是碳鋼的不足，促進(jìn)了合金鋼的發(fā)展

合金鋼的發(fā)展，促進(jìn)了工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/311武漢長(zhǎng)江大橋材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/312南京長(zhǎng)江大橋材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/313九江長(zhǎng)江大橋材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu14各個(gè)國(guó)家都投入大量的人力、物力，用于高性能材料的研究開(kāi)發(fā)，搶占材料研究的制高點(diǎn)。我國(guó)的863、973科研計(jì)劃，材料學(xué)科都占據(jù)了重要的位置。

合金鋼用量占鋼鐵材料的比例，反映了一個(gè)國(guó)家工業(yè)技術(shù)的水平。材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu15這些元素與碳作用形成合金碳化物

Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱強(qiáng)

弱碳化物元素:Fe、Mn;

中強(qiáng)碳化物元素:Cr、Mo、W;

強(qiáng)碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。Fe的左邊：

二、鋼中的合金元素材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu16Fe的右邊：B、N、Al、Si、Ni、Co、Cu另外：Re這些元素與碳的親和力較弱，一般以固溶體形式存在材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu17

一是溶解碳鋼原有相中；二是形成新相。

存在形式?jīng)Q定于元素與碳的親和力、數(shù)量和性質(zhì)。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

產(chǎn)生固溶強(qiáng)化2）溶入Fe3C：部分弱碳化物元素,置換出Fe3C

中的Fe；例如：Cr、Mn

形成合金滲碳體

（Fe.Cr)3C（Fe.Mn)3C

1、溶入原有相：

三、合金元素對(duì)鋼基本相的影響材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu18合金元素對(duì)鐵素體相性能的影響

材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu19

多是碳化物形成元素，與碳的親合力比較強(qiáng)，形成合金碳化物。

常見(jiàn)有Cr23C6、Fe4W2C、WC、MoC、VC、TiC等;

它們具有比滲碳體更高的熔點(diǎn)和更高的硬度。

這些元素提高鋼的強(qiáng)硬度、耐磨性，降低塑、韌性。2、形成新相：幾種化合物的性能化合物NbCTiCZrCVCFe3C熔點(diǎn)℃37703410380530231227硬度(HV)2050285028402010800材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu20非碳化物形成元素溶入F固溶強(qiáng)化弱碳化物形成元素形成合金滲碳體較硬，耐磨，比Fe3C更穩(wěn)定強(qiáng)碳化物形成元素形成特殊碳化物高熔點(diǎn)，硬，耐磨，最穩(wěn)定材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu21擴(kuò)大奧氏體區(qū)縮小奧氏體區(qū)改變共晶點(diǎn)和共析點(diǎn)的參數(shù)作用:

使A3線溫度下降,A4線溫度上升。例如：ZGMn13含Mn≥13%，

1Cr18Ni9含Ni≥9%得到單相A組織與γ-Fe形成無(wú)限固溶體MnNiCo與γ-Fe形成有限固溶體NCu1、擴(kuò)大奧氏體區(qū)：Mn元素對(duì)奧氏

體區(qū)的影響

四、合金元素對(duì)鐵碳相圖的影響材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu22擴(kuò)大γ相區(qū)示意圖材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu23Cr、Mo、W、V、Ti、Si等。作用:

使A3線溫度上升,A4線溫度下降。與α-Fe形成無(wú)限固溶體Cr、V與α-Fe形成有限固溶體Mo、W、

Ti、Al、Si例如：1Cr17

含Cr≥17%

得到單相F2、縮小奧氏體區(qū)：Cr

對(duì)奧氏體區(qū)的影響材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu24縮小γ相區(qū)示意圖材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu25

幾乎所有的合金元素。

作用:S點(diǎn)和E點(diǎn)的成分向左移。使A1線的溫度變化。例如：3Cr2W8V0.3%C

出現(xiàn)二次滲碳體

W18Cr4V0.7-0.8%C

出現(xiàn)共晶萊氏體3、使S.E點(diǎn)左移：

元素對(duì)S點(diǎn)成分的影響材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu26Cr元素對(duì)S、E點(diǎn)的影響Mn元素對(duì)S、E點(diǎn)的影響材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu27合金元素對(duì)A1線的影響材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu28對(duì)奧氏體形成的影響；對(duì)過(guò)冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響；對(duì)回火轉(zhuǎn)變的影響。

加速A化過(guò)程，提高A的形成速度，CoNi

原因：降低了C在A中擴(kuò)散的激活能，提高了C的擴(kuò)散系數(shù)

減慢A化過(guò)程，降低A的形成速度，CrMoWTiV

原因：降低了C的擴(kuò)散系數(shù)，同時(shí)其碳化物溶解困難。1、對(duì)A形成的影響：

五、合金元素對(duì)熱處理的影響1）對(duì)A形成速度的影響熱處理過(guò)程？材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu29

大多數(shù)元素阻止晶粒的長(zhǎng)大，特別是強(qiáng)碳化物元素。

例如：VTiZrNb

原因：C化物粒子穩(wěn)定，阻止晶粒長(zhǎng)大

例如：20CrMnTi

促進(jìn)晶粒長(zhǎng)大的元素。

MnP

原因：提高了C的擴(kuò)散系數(shù)。

例如：錳鋼熱處理的過(guò)熱傾向大。

2）對(duì)A晶粒長(zhǎng)大的影響材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu30

除Co之外，大多數(shù)合金元素推遲P、B轉(zhuǎn)變。原因：降低了C的擴(kuò)散速度

提高了鋼的淬透性

常用的合金元素：

NiMnCrSiB

注意：合金元素必須溶入A

2、對(duì)過(guò)冷A轉(zhuǎn)變的影響：

（1）P、B類(lèi)轉(zhuǎn)變

（2）C曲線右移

材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu31

一是降低淬火的臨界冷卻速度，提高了鋼的淬透性。可采用較小的冷卻速度，甚至在空冷就能得到馬氏體，避免由于冷卻速度過(guò)大而引起的變形和開(kāi)裂.

例如：4540Cr

另一方面使某些鋼采取空冷便得貝氏體組織，具有良好的綜合機(jī)械性能。

例如：28CrMoNiVB

重要意義：材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu32

除CoAl之外，其余合金元素均使MsMz點(diǎn)下移。

結(jié)果：增加A殘量;

例如：W18Cr4V鋼，淬火后A殘量達(dá)25％。

消除A殘的方法：冷處理；多次回火。

（3）對(duì)M轉(zhuǎn)變的影響

6007005003004002001000-100-2000.20.40.60.81.01.21.41.61.82.00溫度℃Wc100MsMf材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu33

VSiMoWNiMnCo

同樣回火效果，更高的回火溫度，提高了韌性;

同樣的回火溫度，硬度較高。

原因：減緩碳的擴(kuò)散和碳化物的長(zhǎng)大，推遲馬氏體分解。3、對(duì)回火轉(zhuǎn)變的影響：

（1）提高回火穩(wěn)定性

53473422HRC5.02.00.50.0Mo%

Mo%對(duì)碳鋼回火硬度的影響

（淬火硬度HRC57600℃回火）材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu34

含W、Mo、V較高的鋼，回火溫度升高到一定程度后，出現(xiàn)硬度上升，一般在500－600℃中出現(xiàn)硬度的高峰值，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“二次硬化”。

原因：①殘余奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變;②彌散析出碳化物。例如：W18Cr4V鋼淬火后25％A殘，硬度60-63HRC，回火后63-65HRC。

（2）二次硬化

材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu35

回火脆性：鋼回火時(shí)，在一定的溫度范圍內(nèi)，韌性降低，表現(xiàn)出明顯的脆化現(xiàn)象。

第一類(lèi)回火脆性：

（低溫回火脆性）碳鋼和合金鋼回火都出現(xiàn)，不可逆。第二類(lèi)回火脆性：（高溫回火脆性）出現(xiàn)于Ni、Cr合金鋼中

（3）回火脆性

材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu36

防止回火脆性的方法:在500～600℃快速冷卻;加入合金元素W、Mo。避開(kāi)在該溫度回火;材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu37合金鋼的分類(lèi)：1、合金結(jié)構(gòu)鋼2、合金工具鋼3、特殊性能鋼材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu38合金結(jié)構(gòu)鋼第二節(jié)AlloyStructuralSteel材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu39合金結(jié)構(gòu)鋼

(AlloyConstructionalSteel)普通低合金鋼合金滲碳鋼

合金調(diào)質(zhì)鋼彈簧鋼滾動(dòng)軸承鋼易切削鋼材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu40數(shù)字+化學(xué)元素+數(shù)字1、前面(兩位）數(shù)字表示鋼平均含碳量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)；2、后面的數(shù)字表示合金元素含量。合金元素含量小于1.5%時(shí)，不標(biāo)含量；等于或大于1.5%、2.5%……時(shí)，以2、3表示。4、特殊標(biāo)注：

滾珠軸承鋼，注明“G”，鉻含量千分?jǐn)?shù)為單位；易切削鋼，鋼號(hào)前加“Y”3、S、P量較低的高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，加A

結(jié)構(gòu)鋼編號(hào)原則材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu41一.普通低合金鋼

(commonlow–alloyedsteel)又稱(chēng)“低合金高強(qiáng)度鋼”用途：工程結(jié)構(gòu)件，如車(chē)輛、船舶、壓力容器、橋梁。1、用途及性能：材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu42性能要求：

1）高強(qiáng)度，300Mpa以上；省料和減少自重；

2）高的塑性和韌性，δ＞20％，－40℃時(shí)，ak≥24J；

3）好的焊接性和冷變形性，有利于成型。

1）低碳，WC＜0.20%Wt，以保證足夠的韌性；

2）以Mn為主強(qiáng)化元素，價(jià)格較廉；

3）加入少量Nb、V強(qiáng)碳化物元素，達(dá)到細(xì)化晶粒的效果；

4）針對(duì)特殊用途，可加入Cu、P，提高鋼的抗腐蝕能力。

2、成分特點(diǎn)：低碳＋細(xì)化晶粒、彌散強(qiáng)化元素材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu43質(zhì)量等級(jí)345MPa屈服強(qiáng)度牌號(hào):

Q

345

C

300MPa12Mn350MPa16Mn450MPa15MnVN供貨狀態(tài)：熱軋＋空冷一般不單獨(dú)熱處理

3、熱處理及典型鋼種：材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu44二、滲碳鋼

用途：承受強(qiáng)的磨擦、磨損及交變應(yīng)力，一定沖擊載荷。例如：汽車(chē)中傳遞動(dòng)力的齒輪。

性能：

1）心部足夠的強(qiáng)度及優(yōu)良的韌性；

2）良好的淬透性；

3）表面處理后，有高的硬度；

4）能適應(yīng)高溫滲碳工藝。

1、用途及性能：活塞銷(xiāo)(20Cr)材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu45

1）低碳，0.10－0.20%C，保證足夠塑性和韌性；

2）加入提高淬透性的元素，Cr、Mn、Ni、B等；

3）加入少量強(qiáng)碳化物形成元素，如Ti、V、Mo等，阻止奧氏體的晶粒長(zhǎng)大。滲碳＋淬火＋低溫回火

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＋強(qiáng)碳化物元素2、成分特點(diǎn)：

3、熱處理及典型鋼種：材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu46零件滲碳劑試棒蓋泥封滲碳箱氣體滲碳示意圖固體滲碳示意圖材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu47滲碳后的組織:0.2%C

F+P少表面中心

1.0%CP+Fe3CⅡ零件PP+F滲層厚度：表層到1/2過(guò)渡層的厚度。材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu48滲碳后的熱處理930℃850℃時(shí)間溫度方案1方案2滲碳淬火加熱工藝：滲碳淬火低溫回火

材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu49方法：直接淬火、一次淬火、二次淬火材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu50熱處理后的組織鋼種表層組織心部組織低碳鋼M回+Fe3C+A殘F(tuán)+P合金鋼M回+Cm+A殘M回+F材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu51三、調(diào)質(zhì)鋼

用途：齒輪、軸、連桿、高強(qiáng)度螺栓。

性能：1）高的強(qiáng)韌性配合；

2）好的淬透性。

1）中碳，0.3-0.50%C之間，強(qiáng)韌性的合理配合；

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、成分特點(diǎn)：中碳＋提高淬透性元素＋防止回火脆性元素1、用途及性能：材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu52

淬火＋高溫回火（調(diào)質(zhì)）低淬透性40MnMnB、40Cr中淬透性42CrMo、40CrNiMo高淬透性34CrNi3Mo

3、熱處理及典型鋼種：材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu53回火溫度℃σb(MPa)δ％

ψ(%)ak(J/mm2)60085012550.92001500830-材料科學(xué)與工程學(xué)院根據(jù)強(qiáng)韌要求不同，采用不同的回火溫度。例：40CrNiMo850℃油淬后：

回火溫度對(duì)40CrNiMo力學(xué)性能的影響2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu54材料科學(xué)與工程學(xué)院

4、調(diào)質(zhì)鋼與滲碳鋼的比較：（1）合金化原則：

滲C鋼：低C+提高淬透性元素+防止A晶粒長(zhǎng)大元素。調(diào)質(zhì)鋼：中C+提高淬透性元素+防止第二類(lèi)回火脆性元素

（2）獲得優(yōu)良綜合性能的途徑：組織獲得高強(qiáng)度途徑獲得好的塑.韌性的途徑提高表面硬度途徑表心調(diào)質(zhì)鋼S回S回提高C%0．35～0.5%CHT高溫回火表面淬火滲N滲C鋼M回M回或F+P淬火+低溫回火低Ｃ保證0.1～0.25%c滲Ｃ高ＣHT得到高C的M回2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu55材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu56材料科學(xué)與工程學(xué)院（3）性能：鋼號(hào)及熱處理σb(MPa)σs(MPa)δ％

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

滲C鋼：

用于承受沖擊載荷，且耐磨的零件。例：汽車(chē)后橋主動(dòng)輪齒輪。調(diào)質(zhì)鋼：用于運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，要求好的綜合性能的零件。例：一般的齒輪、軸、連桿等。（4）用途：2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu57四、彈簧鋼

用途：制造各類(lèi)彈簧。彈簧的作用是吸收和釋放能量。

性能：

1）高的比例極限，即σs/σb值（屈強(qiáng)比）高；

2）σ-1大，有較高的疲勞抗力；

3）足夠的韌性，硬度適中，

39－50HRC。

熱卷大彈簧1、用途及性能：材料科學(xué)與工程學(xué)院編號(hào)：兩位數(shù)字（表示平均含碳量的萬(wàn)分之幾）+合金元素符號(hào)+該元素百分含量數(shù)字+……當(dāng)合金元素的平均含量小于1.50%時(shí)，只標(biāo)元素符號(hào)，不標(biāo)含量；2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu582023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu59

1）偏高的含碳量，0.45－0.70%C之間；

2）Si可以有效提高鋼的比例極限

Cr、Si、Mn可提高淬透性；

3）Si、V的使用可以提高回火穩(wěn)定性。淬火＋中溫回火1）熱成型彈簧65Mn、60Si2Mn。

2）冷成型彈簧T10等大型熱卷彈簧2、成分特點(diǎn)：

3、熱處理及典型鋼種：高碳＋提高淬透性元素＋提高回火穩(wěn)定性元素材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu60材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu61五、滾動(dòng)軸承鋼

用途：制造滾動(dòng)軸承

性能：

1）高強(qiáng)度和硬度，HRC60－62，承受高的壓應(yīng)力；

2）高的接觸疲勞抗力，接觸應(yīng)力可達(dá)3000-3500MPa；

3）高的耐磨損能力。

高碳＋提高淬透性元素

0.95－1.15%CCr、Si、Mn2、成分特點(diǎn)：1、用途及性能：材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu62球化退火＋淬火＋低溫回火GCr9小軸承GCr15多數(shù)軸承GCr15SiMn壁厚＞14的大軸承極細(xì)回火馬氏體+細(xì)粒狀碳化物+少量殘余奧氏體

3、熱處理及典型鋼種：材料科學(xué)與工程學(xué)院分為高碳鉻軸承鋼、滲碳軸承鋼、高碳鉻不銹軸承

鋼和高溫軸承鋼等四大類(lèi)。

(1)高碳鉻軸承鋼:G---“滾”字漢語(yǔ)拼音字首，但不標(biāo)明含碳量。鉻含量以千分之幾計(jì)，其他合金元素同合金結(jié)構(gòu)鋼的表示方法。如：平均含鉻量為1.50%的軸承鋼，其牌號(hào)表示為“GCr15”；（2）滲碳軸承鋼：采用合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)表示方法,另在牌號(hào)頭部加符號(hào)“G”。2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu63例如：“G20CrNiMo”；高級(jí)優(yōu)質(zhì)滲碳軸承鋼，在牌號(hào)尾部加“A”，如：“G20CrNiMoA”。（3）高碳鉻不銹軸承鋼和高溫軸承鋼：采用不銹鋼和耐熱鋼的牌號(hào)表示方法，牌號(hào)頭部不加符號(hào)“G”。例如：高碳鉻不銹軸承鋼“9Cr18”和高溫軸承鋼“10Cr14Mo”。2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu64六、其他合金結(jié)構(gòu)鋼

微合金非調(diào)質(zhì)鋼：在碳素結(jié)構(gòu)鋼或低合金鋼中加入微量合金元素使之無(wú)須經(jīng)調(diào)質(zhì)處理便可達(dá)到性能要求的專(zhuān)用結(jié)構(gòu)鋼，簡(jiǎn)稱(chēng)非調(diào)質(zhì)鋼。一般在熱鍛后直接使用，應(yīng)用對(duì)象范圍同調(diào)質(zhì)鋼。低淬透性鋼：含Ti優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，碳量中偏高，如55Ti、60Ti、70Ti等。用于感應(yīng)加熱達(dá)到表面高硬度，心部不能淬透而保持強(qiáng)韌狀態(tài)。部分代替滲碳鋼。材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu65易切削鋼：在鋼中加入某些合金元素，使其切削加工性能得到明顯改善的結(jié)構(gòu)鋼，可簡(jiǎn)稱(chēng)為易切削鋼。編號(hào)：“Y”+兩位數(shù)字+易切削元素符號(hào)

（1）“Y”---易切削鋼；（2）兩位數(shù)字---平均含碳量；（3）易切削元素符號(hào)：加硫易切削鋼和加硫、磷易切削鋼，在符號(hào)“Y”和阿拉伯?dāng)?shù)字后不加易切削元素符號(hào)。常用的合金元素有Pb、S、Ca等，切削摩擦力小，易斷屑，但力學(xué)性能并不高，用于用于受力不大、批量生產(chǎn)、精密構(gòu)件。例如：Y40Mn、Y20Cr等。材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu66七、超級(jí)鋼

－新一代鋼鐵材料

“新一代鋼鐵材料”，就是使用現(xiàn)有的設(shè)備（或略加改造），用一種便宜的辦法（不是加入合金元素，增加成本的辦法），也不是大變形量，低溫扎制的辦法，在比較高的溫度下軋制鋼材，在軋制過(guò)程鋼材產(chǎn)生相變，“形變誘導(dǎo)鐵素體相變”，通過(guò)改變鋼材物理性能和顯微組織，得到超細(xì)顯微組織，提高鋼材的力學(xué)性能，在性能價(jià)格比提高和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)良的情況下，保持鋼材韌性和塑性的同時(shí)，把現(xiàn)在鋼材的強(qiáng)度提高一倍，使用壽命提高一倍，從而得到良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu67

國(guó)家973項(xiàng)目“新一代鋼鐵材料”重大基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家翁宇慶教授。項(xiàng)目由國(guó)家冶金工業(yè)局統(tǒng)一組織，參加此項(xiàng)目的有五個(gè)大專(zhuān)院校（北京科技大學(xué)、清華大學(xué)、東北大學(xué)等），四個(gè)研究院所（鋼鐵研究總院、中科院沈陽(yáng)金屬所等），九個(gè)鋼鐵企業(yè)（寶鋼、首鋼、鞍鋼、武鋼、攀鋼、唐鋼、淮鋼、珠江鋼廠、大連鋼廠）三個(gè)汽車(chē)廠。涉及的品種有：螺紋鋼、薄板、中厚板、薄板坯、特殊鋼等（還未見(jiàn)鋼管品種的報(bào)導(dǎo)）。材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu68

項(xiàng)目的設(shè)想是把占全國(guó)鋼材總產(chǎn)量70%的三類(lèi)鋼，即碳素、低合金、合金結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度或使用壽命提高一倍。在前期研究的基礎(chǔ)上，研究人員提出了碳素結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度由目前的200MPa提高到400MPa，低合金結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度由目前的400MPa提高到800MPa，合金結(jié)構(gòu)鋼抗拉強(qiáng)度由800MPa提高到1500MPa。新一代鋼鐵材料性能的提高，還有望降低目前約占全國(guó)總能耗十分之一的鋼鐵工業(yè)對(duì)能源、資源的消耗。材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu69本項(xiàng)目主要內(nèi)容如下：

1.鋼的高潔凈度基礎(chǔ)理論研究。研究低濃度雜質(zhì)條件組元的行為、雜質(zhì)去除反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)限制性環(huán)節(jié)。研究高潔凈鋼的凝固規(guī)律；

2.微米、亞微米組織的形成理論。研究獲得超細(xì)相組織的變形機(jī)理、變形控制技術(shù)和性能特征；

3.非平衡態(tài)的物理金屬學(xué)問(wèn)題。研究非平衡態(tài)轉(zhuǎn)變規(guī)律、元素的溶解和析出規(guī)律；

4.高潔凈度鋼的微合金化基礎(chǔ)理論。研究凝固、熱加工和相變過(guò)程中微合金化元素的溶解和析出規(guī)律；

5.相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)理論。用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬組織形成和性能變化過(guò)程。材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu70經(jīng)過(guò)五年研究，預(yù)期實(shí)現(xiàn)下列目標(biāo)：提供鋼的高潔凈度基礎(chǔ)理論、微米亞微米組織的形成理論、非平衡態(tài)的物理金屬學(xué)問(wèn)題、高潔凈度鋼的微合金化理論等四個(gè)理論基礎(chǔ)。建立相關(guān)技術(shù)的基礎(chǔ)理論。2.產(chǎn)生出新一代鋼鐵材料的原型。碳素結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度提高到400Mpa級(jí)，低合金鋼的屈服強(qiáng)度提高到800Mpa級(jí)，合金結(jié)構(gòu)鋼的抗拉強(qiáng)度提高到1500MPa，鋼材的使用壽命提高一倍。3.培養(yǎng)出一批21世紀(jì)鋼鐵材料科學(xué)的學(xué)科帶頭人。材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu71

新一代鋼鐵材料具有超細(xì)晶、高潔凈、高均勻性的特征。該材料用于汽車(chē)鋼板，使車(chē)身超輕，強(qiáng)度提高80％，自重下降25％；用于鐵路，鐵軌自重減少10％～25％，稱(chēng)為瘦身工程；用于建筑，在不使用合金元素的情況下達(dá)到三級(jí)即400MPa建筑用鋼強(qiáng)度，如果少用合金元素可達(dá)到四級(jí)即500MPa建筑用鋼強(qiáng)度；用于機(jī)械制造，具有抗延遲斷裂、高疲勞壽命的特點(diǎn)，是高強(qiáng)（1300MPa）合金結(jié)構(gòu)鋼。材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu72

我國(guó)超細(xì)晶粒、質(zhì)地純凈均勻、強(qiáng)度翻番的“新一代鋼鐵材料”已由寶鋼、鞍鋼、攀鋼、首鋼、本鋼等15家鋼鐵企業(yè)生產(chǎn)了約200萬(wàn)噸。汽車(chē)和建筑是主要用戶。從2004年起，年使用量有望超過(guò)100萬(wàn)噸。日本材料科學(xué)國(guó)家研究所、鋼鐵研究中心儀表所研發(fā)的具有“雙倍強(qiáng)度”和“雙倍壽命”，又具有“易回收性”的“超級(jí)鋼”，目標(biāo)是建筑和城市工程。南韓等開(kāi)發(fā)的適用21世紀(jì)新環(huán)境的“新概念鋼”。這種鋼具有更高的韌性、良好的焊接性，更好的耐海洋氣候性能，以及回收簡(jiǎn)便等特點(diǎn)。意大利研發(fā)了高性能X100──X120管線鋼。材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu73材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu74合金工具鋼第三節(jié)AlloyToolSteel2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu75數(shù)字+化學(xué)元素+數(shù)字1、前面(一位）數(shù)字表示鋼平均含碳量的千分?jǐn)?shù)；含碳量≥1％時(shí)，不寫(xiě)數(shù)字。2、后面的數(shù)字表示合金元素含量。合金元素含量小于1.5%時(shí)，不標(biāo)含量；等于或大于1.5%、2.5%……時(shí)，以2、3表示。4、特殊標(biāo)注：

高速鋼，例如：W18Cr4V；

3、S、P量較低的高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，加A

工具鋼編號(hào)原則材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu76一、合金刃具鋼alloycuttingtoolsteel材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu77

什么是合金刃具鋼？

用途：車(chē)刀、刨刀、銑刀、鉆頭等。

用于制造各類(lèi)切削刀具的合金鋼。

（alloycuttingtoolsteel）

低合金刃具鋼

高合金刃具鋼材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu78刃具鋼主要用途車(chē)刀端面銑刀鉆頭絲錐板牙盤(pán)型銑刀齒輪滾刀材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu79

目的與要求

學(xué)習(xí)兩個(gè)知識(shí)

培養(yǎng)一種能力

合理設(shè)計(jì)合金刃具鋼的成分；正確制定刃具的熱處理工藝。

通過(guò)全面分析刃具的工作特點(diǎn)，合理確定合金刃具鋼的性能要求。

材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu80

本節(jié)課的內(nèi)容

1、刃具的工作特點(diǎn)分析

3、合金刃具鋼的成分設(shè)計(jì)

2、刃具鋼的性能要求

4、刃具鋼的熱處理工藝

材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu81γβ2β1γ彈性變形

塑性變形

擠裂γβ2金屬的切削過(guò)程

1.刃具的工作特點(diǎn)材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu82材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu83

工作特點(diǎn)與工件發(fā)生劇烈的摩擦

要求刃具鋼有高的硬度、高的耐磨性

承受一定的沖擊和彎曲應(yīng)力

要求刃具鋼有足夠的塑性、韌性

刃部有很高工作溫度

要求刃具鋼有高的耐熱性三個(gè)特點(diǎn)材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu842.性能要求（properties)

（1）高硬度(hardness)

一般刃具鋼≥60HRC，部分刃具鋼≥70HRC

（2）高的耐磨性（wearability)

決定了刀具的耐用度；耐用度：刀具由開(kāi)始切削到磨鈍的時(shí)間。材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/385

63

60HRC

降30％

大量VC70HRC

刃具的耐磨性

材料的硬度

碳化物性質(zhì)成分VCWCFe3C硬度/HV20101730800三種碳化物的硬度材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/386

(3)高的熱硬性

（hothardness)

熱硬性：

材料在高溫下保持高硬度的性能，取決于鋼的回火穩(wěn)定性和碳化物的性質(zhì)。

意大利五軸數(shù)控銑床

德國(guó)數(shù)控銑床材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu87刃具材料的耐熱性是影響機(jī)械切削速度的關(guān)鍵因素；國(guó)際生產(chǎn)工程學(xué)會(huì)的一份報(bào)告指出：“正是由于刃具材料的進(jìn)步，允許切削速度每隔十年幾乎提高一倍”。

對(duì)刃具材料的熱硬性提出了更高的要求

刃具溫度升高

切削速度提升材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu88

1865低合金刃具鋼≤300℃≤10m/min

英國(guó)羅伯特刃具材料與切削速度進(jìn)展

1898高速鋼(鋒鋼)≤600℃30m/min

美國(guó)泰勒懷特

現(xiàn)在Si3N4

≤1500℃2000m/min

1865前碳素刃具鋼≤200℃≤8m/min

1926硬質(zhì)合金≤1000℃100m/min材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu89各個(gè)國(guó)家對(duì)高性能刃具材料的研究都投入極大的熱情，解放后，我國(guó)研制了幾十種高速鋼，建設(shè)了株洲和自貢硬質(zhì)合金廠，提升了我國(guó)刀具材料的水平。

切削技術(shù)的發(fā)展史，就是刃具材料的進(jìn)步史

刃具材料的進(jìn)步，拓寬了可切削材料的范圍；實(shí)現(xiàn)了制造技術(shù)的重大突破。

新一代航空發(fā)動(dòng)機(jī)的研制材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu90

（4）足夠的塑性和韌性

（plasticityandtoughness)

材料塑韌性低

刃具崩刃、斷裂

高速鋼刃具50％，硬質(zhì)合金刃具45％，其它材料刃具5％。主要原因：高速鋼的韌性好。材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu91

成分特點(diǎn)：

高碳+提高淬透性元素+提高回火穩(wěn)定性元素

1)高碳，0.85－1.05%C之間；

2)提高淬透性的元素：CrMn；

3)提高回火穩(wěn)定性的元素：VSi典型鋼種及熱處理：

9SiCrCrWMn

淬火＋低溫回火

3、低合金刃具鋼：材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu92

4.高合金刃具鋼(high-alloycuttingtoolsteel)

“高速鋼”

(highspeedtoolsteel)

W：17.5-19.0％保證熱硬性以W18Cr4V為例(1)化學(xué)成分及元素作用

形成碳化物，約0.2％；保證M中的碳含量，約0.5-.-0.6％。

形成WC；提高回火穩(wěn)定性。

C：0.7-0.8％保證高硬度材料科學(xué)與工程學(xué)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“風(fēng)鋼”

發(fā)展

減少W含量，增加MO、V例W6Mo5Cr4V2

趨勢(shì)：提高硬度，發(fā)展超硬高速鋼化學(xué)成分及元素作用

增加過(guò)冷A穩(wěn)定性，增加殘余A的量形成VC1％→3.5％V，60HRC→70HRC材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/394塑性差；鍛造溫度間隔小

（2）鍛造及熱處理（forgingandheattreatment)

幾種鋼的鍛造溫度9501150W18Cr4V8001200457001250A3終鍛溫度/℃始鍛溫度/℃鋼號(hào)

必須鍛造

非常困難鍛造退火組織

鑄態(tài)組織材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/395

熱處理工藝

加熱800-840℃預(yù)熱

1270-1280℃A化

組織：A+C

冷卻

組織:M+C+A殘

油冷.580-620℃分級(jí)

回火

減A殘.析出C

550-570℃三次

高速鋼的熱處理

（heattreatment)

熱處理工藝曲線材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/39660-63HRC原因：大量A殘63-66HRC組織：M回+C+A殘W18Cr4V回火溫度與硬度回火與硬度淬火后回火后材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu97二、模具鋼Diesteel材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu98用途：在室溫下對(duì)金屬進(jìn)行變形的模具；

如冷沖模、冷擠壓、拉絲、滾絲輪、搓絲板等。

性能：1）高硬度；

2）高的耐磨性；

3）足夠的韌性和疲勞抗力。

汽車(chē)沖壓模具

冷作模鋼

(cold-workingdiesteel)1、用途及性能：材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu99

1）高碳，＞1.0%C，有的甚至可達(dá)到2％；

2）提高淬透性元素CrWMn;3）碳化物元素，Mo、W、V等。

淬火＋低溫回火

尺寸較小、輕載的模具

T10A、9SiCr、9Mn2V；尺寸較大、重載、熱處理變形小的模具Cr12、Cr12MoV。

成分特點(diǎn)：高碳＋提高淬透性元素＋碳化物元素

熱處理及典型鋼種：材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu100熱作模鋼

(hot-workingdiesteel)用途：

高溫下對(duì)金屬進(jìn)行變形的模具；如熱鍛模、熱擠壓模等。

性能:

1）高強(qiáng)度和韌性的配合；

2）高的回火穩(wěn)定性；

3）高的抗熱疲勞能力；

4）好的淬透性。1、用途及性能：材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu101材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu102

1）中碳0.3-0.5%C；

2）提高淬透性元素CrMnNiSi;3）提高回火穩(wěn)定性元素Mo、W4)防止第二類(lèi)回火脆性元素WMo

成分特點(diǎn)：中碳＋提高淬透性元素＋提高回火穩(wěn)定性元素＋防止第二類(lèi)回火脆性元素材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu103

5CrMnMo一般模具

5CrNiMo各種模具，淬透性好

3Cr2W8V重載大型模具

熱處理及典型鋼種：淬火＋高溫回火汽車(chē)鍛模材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu104用途：制造卡尺，量規(guī)、塞規(guī)等；

三、量具鋼1、用途及性能：卡尺量規(guī)千分尺材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu105高碳:0.9～1.5%;合金元素:Cr、Mn、W。淬火冷處理低溫回火時(shí)效處理簡(jiǎn)單量具：T10A、T12A、65Mn等。形狀復(fù)雜、高精度：CrWMn、GCr15。性能:

1）高硬度和耐磨性，HRC≥56；

2）熱處理變形小，尺寸穩(wěn)定；

3）好的加工工藝性。

4）良好的耐蝕性;

3、熱處理及典型鋼種：2、

成分特點(diǎn)：材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu106特殊性能鋼第四節(jié)SpecialPropertySteel2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu107

一.不銹鋼

(stainlesssteel)

在腐蝕介質(zhì)中具有很高的抗腐蝕能力的鋼。*在空氣中的年腐蝕量為0.01mm以內(nèi)；*在強(qiáng)酸、強(qiáng)堿介質(zhì)中的年腐蝕量為0.1mm以內(nèi)。2、

耐蝕的概念：1、

定義：材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu108金屬腐蝕的種類(lèi):化學(xué)腐蝕:

金屬與介質(zhì)(干燥氣體和非電解質(zhì)溶液)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的腐蝕。例如:高溫氧化、脫碳等。2)電化學(xué)腐蝕:金屬與介質(zhì)

(電解質(zhì)溶液,即酸、堿、鹽溶液)發(fā)生電化學(xué)反而產(chǎn)生的腐蝕。3、

腐蝕的機(jī)理：電化學(xué)腐蝕過(guò)程示意圖材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu109

珠光體電化學(xué)腐蝕示意圖材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu1101)防化學(xué)腐蝕：

形成保護(hù)膜:加入合金元素Cr、Al、Si等,

形成Cr2O3、SiO2、Al2O3氧化膜。

2)防電化學(xué)腐蝕：

盡可能得到單相組織；盡可能使兩相的電位相等；提高基體的電極電位。4、

防腐蝕的途徑：材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu111

盡可能得到單相組織*低碳:

耐蝕性要求愈高,碳含量愈低。*合金元素:

Ni、Mn得到單相ACr得到單相F

盡可能提高基體的電極電位Cr＞12％Cr含量與電位的關(guān)系5、成分特點(diǎn)：材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu1121)馬氏體型不銹鋼

---Cr13型鋼化學(xué)成分特點(diǎn):Wc=0.1～0.4%

WCr=13%熱處理特點(diǎn):淬火＋回火

組織：回火索氏體結(jié)構(gòu)件回火馬氏體刀具牌號(hào):1Cr13～4Cr136、

常用不銹鋼：材料科學(xué)與工程學(xué)院2023/2/3AnmingLi,DeptofMSE,hpu1132)鐵素體型不銹鋼化學(xué)成分特點(diǎn):

Wc=0.1%左右W