《钢铁材料学》PPT课件.ppt

钢铁结构 材 料,11.1.钢的分类及编号,用 途:结构钢、工具钢及特殊钢化学成分：碳素钢 低碳钢0.25，中碳钢，高碳钢0.6 合金钢 低合金钢（合金总量5），中合金钢（510），高合金钢（10）主要元素锰钢、铬钢、铬镍钢等组 织：平衡（退火）态 亚共析、共析、过共析、莱氏体钢 正 火 态 珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢品 质：普 通 P0.045%，S0.055%优 质 P0.040%，S0.040%高级优质 P0.035%，S0.030%冶炼方法:炉别平炉钢、转炉钢和电炉钢。脱氧程度和浇注制度沸腾钢、镇静钢和半镇静钢,1.钢的分类,2.钢的编号,合金钢一般采用“数字元素数字”的方法,合金结构钢：,+,+,1.5只标符号，不标含量1.5至2.5 22.5至3.5 3 微量元素V、Ti、Al、B、RE只标符号，不标含量,40Cr、20CrMnTi60Si2Mn、40MnB,高级优质钢加“高”或“A”,合金工具钢:,1.0，不标1.0，千分数,含铬低的钢，千分数表示，前加“0”。,高速钢:不标碳量 如 W18Cr4V,Cr06,9SiCr、Cr12MoV、5CrMnMo,滚动轴承钢：,如GCr15,不锈钢与耐热钢：,数字元素数字,0.08 前加“0”0.03 前加“00”,00Cr18Ni10,2Cr13 1Cr179Cr18,(滚)GCr数字,用千分数表示铬含量,含碳量的千分数,C 0.03,合金元素百分数,碳素结构钢：,Q+数字质量等级,屈字拼音,屈服点数值/MPa,优质碳素结构钢:,碳素工具钢：,Q 235 A,20、45、65、50Mn,T+数字+符号,碳量千分数,低合金高强度结构钢编号与此相似。Q345、Q390,S PA 0.050%0.045%B 0.045%0.045%C0.040%0.040%D0.035%0.035%,T8T12AT8Mn,锰量较高时标出Mn 高级优质钢，加符号A,两位数符号,含碳量的万分数,锰量较高，标出 Mn专用钢，标拼音优质钢，标,11.2.合金元素在钢中的作用,（1）形成固溶体 合金元素溶入F、A和M中。（2）形成强化相 如溶入渗碳体形成合金渗碳体，形成特殊碳化物或金属间化合物。（3）形成非金属夹杂物 合金元素与氧、硫、氮等作用形成氧化物、硫化物和氮化物及复合夹杂物等。（4）游离态 某些元素既不溶于铁，也不形成化合物，而是以单质状 态存在。如Pb、Cu等。,1.合金元素在钢中分布,（1）合金元素与铁的相互作用,无限扩大区型-Fe中无限固溶，-Fe中有限固溶。Mn、Co、Ni等,b.有限扩大区型-Fe和-Fe中均有限固溶。C、N、Cu、Zn等,.合金元素与铁和碳的相互作用,c.封闭区、无限扩大区型 到某含量时A3与A4点重合，区被封闭，超过此量，合金不再有相变。Si、Cr7、W、Mo、V、Ti、P等。Cr7时，A3。,d.缩小区，但不封闭区型 区缩小，但不封闭。B、Nb、Zr等。,（2）合金元素与碳的相互作用,a.非碳化物形成元素：A1、Si、Co、Ni、Cu等与铁形成固溶体，还有可能形成非金属夹杂物或金属间化合物。如Al2O3、SiO2、A1N、FeSi、Ni3A1等。,b.碳化物形成元素：一部分可溶于A和F中，另一部分形成碳化物，形成碳化物由强到弱为Ti、Zr、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe等。碳化物分为两类：rc/rM 0.59，间隙化合物，具有复杂的晶体结构Cr23C6、Cr7C3、M6C(Fe3Mo3C、Fe3W3C)、Fe3C等 rc/rM0.59，间隙相(特殊碳化物)，具有简单的晶体结构WC、VC、TiC、W2C、Mo2C,可溶于碳化物形成多元碳化物 M6C(Fe4Mo2C)、M23C6(Fe21Mo2C6、Fe21W2C6)、(FeM)3C(FeCr)3C、(FeMn)3C,3.合金元素对FeFe3C相图临界点的影响,Mn对相区的影响,Si对相区的影响,1.对相区的影响,扩大相区的元素，如Ni、Mn、Co不仅使A3，且使S点、E点左下移。Ni、Mn量足够高时，相区可扩展到室温，得A钢。,缩小相区的元素，如Cr、Mo、W、V、Ti、Si等，不仅使A3，且使S点、E点左上移。Cr、Si等限制相区，甚至可使其消失，得F钢。,扩大相区元素，A3、A1,缩小相区元素，A3、A1,2.对共析温度的影响,3.对共析点位置的影响,所有元素均使 S 点左移，碳量不足0.76时，就变为过共析钢。,4.合金元素对钢加热、冷却转变的影响,加热的目的：获得成分均匀、细小的A晶粒。a.对奥氏体形成速度的影响 多数元素均减缓A形成速度，为加速碳化物溶解及A成分均匀化，必须提高合金钢的加热温度和延长保温时间。b.对奥氏体晶粒大小的影响 Ti、V、Nb等碳化物熔点高，稳定性高，强烈阻止A晶粒长大，W、Mo、Cr也有阻止长大作用；Ni、Co、Cu阻止长大作用不大，Mn、P、C、N等元素则有助于晶粒长大。,（1）合金元素对钢加热转变的影响,(2)合金元素对珠光体转变的影响,合金元素（Co、Al除外）均显著推迟奥氏体向珠光体的转变，其原因是：珠光体转变时，碳及合金元素需要在铁素体和渗碳体间进行重新分配，由于合金元素的自扩散慢，并使碳的扩散减慢，因此使奥氏体的形核困难，降低转变速度；扩大相区的元素如Ni、Mn等降低奥氏体的转变温度，从而影响到碳与合金元素的扩散速度，阻止奥氏体向珠光体的转变，微量元素B在晶界上内吸附，并形成共格硼相，可显著阻止铁素体的形核，增加奥氏体的稳定性。,（）合金元素对贝氏体转变的影响,与珠光体转变相比，发生贝氏体转变时，奥氏体的过冷度进一步增大，此时铁与合金元素几乎不能进行扩散，只有碳可以进行短距离的扩散。因此，合金元素对贝氏体转变的影响主要体现在对转变速度和对碳扩散速度的影响上。Cr、Mn、Ni等元素对贝氏体转变有较大的推迟作用，因为这三种元素都能降低转变的温度，减小奥氏体和铁素体的自由能差，降低了相变驱动力。Cr、Mn还阻碍碳的扩散，推迟贝氏体转变的作用尤为强烈。Si 对贝氏体转变有强烈的阻滞作用，可能与它强烈地阻止过饱和铁素体的脱溶有关。由于降低了碳原子的扩散速度，强碳化物形成元素W、Mo、V、Ti对贝氏体转变有一定的延缓作用，贝氏体转变孕育期短，铁素体珠光体转变孕育期长，空冷时容易获得贝氏体组织。,5.合金元素对淬火钢回火转变的影响,合金元素在回火时，推迟M的分解和残余A转变，提高 F 再结晶温度，使碳化物不易析出、聚集及长大，提高钢对回火软化的抵抗能力。称其为回火抗力或回火稳定性。这使合金钢比同碳量碳钢（在相同温度回火）有更高的强度和硬度，或在保持同等强度下，可获得更高的韧性。提高回火稳定性作用较强的合金元素有V、W、Mo、Si、Cr等。,（1）提高回火稳定性,（2）产生二次硬化,含有V、W、Mo、Cr、Ti、Nb等元素的钢，经淬火高温回火后，硬度不但不降低，反而升高的现象，称为二次硬化。,原因是特殊碳化物从M中析出，产生的沉淀强化。,当残余A中析出特殊碳化物后，使其碳及合金元素的浓度，使Ms点，冷却时，残余AM，称其为“二次淬火”。,二次淬火也会造成硬化，但所产生的硬化不如沉淀硬化效果显著。,使金属强度增大的过程称为强化，既然塑性变形是由于位错滑移运动造成的，那么强化的途径就在于设法增大位错运动的阻力，从组织上造成位错运动的障碍。固溶强化间隙原子的强化作用比置换原子大10100倍，因此碳是提高钢的强度的最重要的元素，但因为在铁素体中溶解度有限，固溶强化作用受到限制；在置换原子中，Si、Mn是强化作用较大的元素。固溶强化的一个显著特点是随着溶质原子的增多，强度、硬度上升，塑性韧性下降。为了使钢既具有较高的强度，又有适当的塑性，对溶质浓度应加以控制。晶界强化细化晶粒不但可以提高钢的强度，而且可以提高钢的塑性和韧性。向钢中加入Al、Ti、V、Zr、Nb等元素形成难溶的第二相粒子细化奥氏体晶粒。,6.合金元素对钢的强化作用,第二相强化运动着的位错遇到滑移面上的第二相粒子时，或切过，或绕过，滑移变形才能继续进行。这一过程需要消耗额外的能量，需要提高外加应力，所以造成强化。粒子越细小、弥散强化效果越好。合金元素的作用是为造成均匀弥散分布的第二相粒子提供必要的成分条件。第二相粒子对钢的塑性有危害作用。首先，在断裂过程中，孔坑的萌生与第二相质点有关；其次，钢的塑性与第二相的分布状态有关；再次，钢的塑性与第二相的形状有关。最后，第二相的种类对塑性也有影响。位错强化金属中的位错密度越高，则位错运动时越容易发生交割，形成割阶，造成位错缠结等位错运动的障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。合金元素的作用是在塑性变形时使位错易于增殖。,.3.工程构件用钢,构件用钢用于制作各种大型金属结构，如桥梁、船舶、屋架、车辆、锅炉、容器等工程构件。工作特点是不做相对运动，承受长期静载荷；有一定的温度（高、低温）要求；在野外或海水中使用，承受天然环境的腐蚀。,1.工作条件,2.性能要求,a.具有较高的刚度，保证静载荷长期工作下结构稳定；b.具有较高的屈服极限和抗拉强度，且塑性韧性较好；c.有较好的冷脆倾向和耐蚀性；d.具有良好的工艺性能，如冷变形性和焊接性。设计中工艺性能要优于使用性能考虑。根据构件的工作条件和性能要求，构件用钢多采用低碳钢和低合金钢在热轧空冷状态下使用，其基本组织为大量铁素体加少量珠光体组织。,3.成分特点,合金化必须在保证构件工作安全可靠的前提下，尽可能地提高屈服强度和抗拉强度，从而达到减轻构件重量，节约钢材的目的。构件用钢是在热轧空冷状态下使用的，所以合金元素提高强度的途径主要有：a.固溶强化 溶入铁素体中的合金元素均能产生固溶强化，提高硬度和强度，强化效果按Si、Mn、Ni、Mo、V、W、Cr顺序降低。b.细化晶粒 加Al和碳化物形成元素V、Ti、Nb等，细化A晶粒。还可加Mn、Ni等增加过冷A的稳定性，在热轧空冷或正火时得细小的F晶粒和较多的细珠光体。c.增加珠光体数量 珠光体比铁素体强度高，所有合金元素均使Fe-C相图的 S 点左移，碳量相同时，可使珠光体量增加。d.沉淀强化 强碳化物形成元素V、Ti、Nb在热轧空冷时，从A析出弥散细小的VC、TiC、NbC，产生沉淀强化作用。,合金化与机械性能,合金化与焊接性能,钢的焊接性是指在简单可行的焊接条件下，钢材焊接后不产生裂纹，并获得良好焊缝区的性能。焊缝区可分为三个组成部分，即熔化区、热影响区和基体部分。对于熔化区，如钢材或焊条中的S、P含量较高，在凝固过程中将产生热裂纹。对于热影响区，由于受熔化区的加热作用，使其温度超过钢的临界点，奥氏体晶粒显著长大，在冷却时受到周围未被加热的基体金属的激冷，造成极大的过冷度，甚至发生马氏体转变，造成很大的热应力和组织应力，使硬度明显升高，塑性韧性明显下降，在热影响区经常出现冷裂纹。,钢的焊接性主要取决于钢的淬透性和淬硬性，钢中碳及提高淬透性的元素含量越多，则钢的开裂倾向越大。为了估计钢的焊接性，通常采用碳当量的概念，即把单个合金元素对热影响区硬化倾向的作用折算成碳的作用，再与钢中碳的质量分数加在一起，来判断钢的焊接性。Ceq=WC+WMn/6+WCr/5+WMo/4+WNi/15+WSi/24+WCu/13+WP/2实践证明，碳当量大于0.40.5%时，钢就不具有良好的焊接性。为了保证钢的焊接性，构件用钢只能是低合金化或微合金化，且含碳量要低于0.20%。,Cr、Ni、Ti等元素可以提高铁素体的电极电位，从而提高耐蚀性；Cr促进钢的表面形成致密的氧化膜，将金属表面与腐蚀介质分开，从而阻碍其腐蚀过程；Cu有利于在钢的表面形成致密的保护膜，同时提高铁素体的电极电位，有利于提高钢的耐蚀性；0.50%时将导致热脆。P也是提高耐蚀性的元素，P与Cu共存时效果更好。P加剧钢的冷脆，应限量。,合金化与耐大气腐蚀性能,中国的钢铁消费与面临的问题,1996年1亿吨2003年2亿吨2004年3亿吨2006年4亿吨2007年5亿吨,资金投入、资源供应交通运输、环境保护,开发新一代钢铁材料是经济社会发展的迫切需要,日本1997年启动“新世纪结构材料（超级钢铁材料）国家研究计划韩国1998年启动“21世纪高性能结构钢”项目中国1998年“新一代钢铁材料的重大基础研究”,新一代钢铁材料的强度指标,碳钢由200MPa提高到400MPa低合金钢由400MPa提高到800MPa合金结构钢由800MPa提高到1500MPa,钢材的强化机制,固溶强化、沉淀强化、位错及亚结构强化、细晶强化修正的Hall-Petch公式：s（MPa）=0+ss+p+D+Kd-1/20铁素体晶格摩擦力ss固溶强化增量p沉淀强化增量D位错以及亚结构强化增量K常数d晶粒直径,各种强化机制对钢材强度的贡献,当低碳钢奥氏体化以后一极慢的速度冷却时，存在奥氏体和先共析铁素体平衡的临界转变温度Ae3。奥氏体在临界转变温度以上是稳定的，其体积自由能低于铁素体的体积自由能；在临界转变温度以下，铁素体的体积自由能低于奥氏体的体积自由能，就要发生平衡转变，系统总的自由能变化为：G-V(GV-GE)+GS式中G系统总的自由能变化GV体积自由能变化GE弹性应变能变化GS新相形成的表面自由能变化发生平衡转变时，铁素体晶核优先在奥氏体晶界形成，晶核形成以后吞并奥氏体晶粒而长大。因为转变的过冷度较低，相变的驱动力较小，铁素体的形核率较低；同时因为转变温度较高，原子的扩散能力较强，所以晶粒尺寸较大。,钢材冷却过程中的组织转变,向奥氏体施加变形时，变形能的一部分（510%）被储存在奥氏体之中，使奥氏体的体积自由能提高，促进了奥氏体向铁素体转变。形变储能GD转变为相变自由能的一部分，系统总的自由能变化为：G-V(GV-GE)+Gs-GD（2）形变储能以位错、形变带和变形晶界的形式增加了奥氏体内的缺陷密度，使铁素体转变的形核率大大增加，随着变形量的增加形核位置由奥氏体晶界扩展到晶粒内部，晶粒尺寸大大减小。,热加工变形对铁素体相变的影响,奥氏体向先共析铁素体转变的临界转变温度Ar3随着冷却速度的增加而降低，过冷奥氏体和铁素体的体积自由能差GV随着过冷度（TAe3-Ar3）的增加而增大，系统总的自由能变化G也随之增大，铁素体的形核率增加，原子的扩散能力也因为温度的降低而降低，所以铁素体的晶粒尺寸变小。,冷却速度对转变产物显微组织的影响,钢材的热加工轧制,控制轧制与形变诱导铁素体相变轧制,2.未再结晶型控轧 在这个阶段中，奥氏体晶粒被伸长，同时产生滑移带，奥氏体晶界的增加和滑移带的出现，为铁素体形核提供了有利条件，进而得到细晶粒铁素体。它的温度范围是950到Ar3，在该阶段中，随着变形量的增加，铁素体晶粒不断细化，当变形量达到60以上时，晶粒细化达到极限值。对于某一给定化学成分的钢材来说，通过第二阶段变形后，所得到的强度却绝于铁素体晶粒的大小。,再结晶型控轧 通过反复变形和再结晶,使奥氏体晶粒显著细化.这阶段温度范围是在1000以上，使奥氏体晶粒细化到一个大约20m到极限值，规定每道次变形量要增大到足以引起完全再结晶，且总压下率在60以上。,3.在()两相区的轧制是加工硬化与继续相变阶段，在该阶段中，使已经相变的铁素体晶粒变形，引入大量位错和亚结构等，同时使未相变的奥氏体晶粒继续引入大量变形带，由此进一步细化铁素体晶粒，并产生加工硬化，强度升高，脆性转变温度下降，吸收能减少。这个阶段的变形量在5%15%之间，以便产生均匀细小的铁素体晶粒组织,a.碳素结构钢 碳素结构钢易于冶炼、价格低廉，在工程上大量使用，产量约占钢总产量的7080%，大部分用做钢结构。牌号有Q195、Q215、Q235、Q255、Q 275。一般不经热处理强化，以热轧态（正火）使用。,b.低合金高强度钢 含有少量合金元素，具有较高强度的构件钢。由于强度高，可以减轻构件重量，提高使用的可靠性并节约钢材。牌号有Q295、Q345、Q390、Q420、Q 460。Q345（16Mn）是低合金高强度钢中生产和使用量最大的钢种，屈服强度为345MPa，比Q235高2030%，故结构重量可减轻2030%。具有良好的综合机械性能、焊接性和冷变形性。Mn的作用是使铁素体固溶强化，增加过冷奥氏体的稳定性以细化晶粒。,4.常用的构件用钢,Q390（16MnNb、15MnV、15MnTi）在16Mn基础上加入V、Ti、Nb。V、Ti、Nb的作用是细化晶粒，及沉淀强化，进一步提高强度。可用于制造万吨远洋巨轮等大型金属结构、桥梁及高压容器等。Q420（15MnVN、14MnVTiRE）加入N、RE进一步提高其性能。用于造船、车辆大型焊接结构等。热轧空冷后获得贝氏体组织的贝氏体钢的强度可以达到500 MPa以上。贝氏体钢合金化时主要加入一些Mo、B等推迟珠光体转变而对贝氏体转变影响很小的元素，再加入Mn、Cr、V、RE等元素进一步提高钢的强度和综合性能。可在500以下使用，多用于石油、化工的中温高压容器等。常用的钢号有14MnMoVBRe和18MnMoNb等。,工程构件用钢的最新进展汽车板用IF钢集装箱用耐候钢管线钢贝氏体钢DP钢TRIP钢,11.4.机器零件用钢（结构钢）,机器零件用钢指用于制造各种机器零件，如轴类、齿轮、弹簧和轴承等。机器零件在工作时承受拉伸、压缩、剪切、扭状、冲击、震动、摩擦等力作用，或几种力同时作用，在零件截面上产生拉、压、切应力。这些应力在数值上可以是恒定的或变化的；在方向上可以是单向的或反复的；在加栽方式上可以是逐渐的或突然的。其工作环境也很复杂，有的在高温，有的在低温，有的还有腐蚀介质。因此要机器零件具有较高的疲劳强度；高的屈服强度、抗拉强度及较高的断裂抗力；具有良好的耐磨性和接触疲劳强度；具有较高的韧性。机器零件用钢还要求有良好的工艺性能，一是切削加工性，二是热处理（包括预备热处理和最终热处理）。机器零件用钢根据不同钢种对性能的不同要求，钢中含碳量有以下几个级别：渗碳钢和低碳马氏体钢（含碳量0.20%）；调质钢（含碳量0.40%）；弹簧钢（含碳量 0.50.7%）；轴承钢（含碳量1.0%）。,1.概 述,合金元素在钢中的主要作用是提高钢的淬透性；降低钢的过热敏感性；提高回火稳定性；抑制第二类回火脆性；改善钢中非金属夹杂物的形态和提高钢的工艺性能。,钢中加入一种合金元素，往往难于全面改进性能，所以重要的合金钢都含有多种合金元素。根据合金元素的作用，可以将其分为主加元素和辅加元素。主加元素是指这些元素分别的或复合的加入钢中，对增大钢的淬透性和提高钢的综合机械性能起主导作用，Si、Mn、Cr、Ni属于此种情况。辅加元素则是经常加入到含有上述主加元素的钢中，起着降低钢的过热敏感性与回火脆性，改善夹杂物形态，进一步提高钢的淬透性，改善钢材性能的作用。辅加元素在钢中的质量分数通常在千分之几范围内变动。Mo、W、V、Ti、B、RE 属于此类。,2.渗碳钢,滲碳钢指经滲碳处理后使用的钢。主要用于制造汽车、拖拉机的变速齿轮，内燃机凸轮、活塞销及部分量具。,以齿轮为例的分析其工作条件对齿轮钢提出如下性能要求：要具有高的耐磨性、接触疲劳强度、弯曲疲劳强度和屈服强度，而且要有较高的塑性和韧性。为此，采用低碳（合金）钢渗碳（或碳氮共渗）后进行淬火及低温回火处理。经渗碳处理后，使零件表层为高碳钢（含碳量大于0.8%），淬火并低温回火后的组织为回火马氏体和粒状碳化物，具有高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度；零件的心部仍为低碳钢，其组织为位错马氏体（全淬透）或部分铁素体（未淬透），具有很高的强度、塑性和韧性。此外，由于表层和心部含碳量不同，因而在表层形成压应力，显著提高钢的弯曲疲劳强度。,工作条件及对性能的要求,合金化特点,a.若含碳量过低，表面的渗碳层易于剥落；含碳量过高，则心部的塑性韧性下降，并使表层的压应力减小，从而降低弯曲疲劳强度。含碳量一般为0.100.25%，以保证齿轮心部的塑性及韧性。b.加入增加淬透性的合金元素Cr、Mn、Mo、W、B、Ni等，使心部淬成低碳马氏体，提高强度。Ni对滲层和心部的韧性和强度都有利，故高级滲碳钢中常有较多Ni。c.加入阻止A晶粒长大的元素。渗碳操作是在910930高温下进行的，为了阻止奥氏体晶粒长大，渗碳钢用以铝脱氧的本质细晶粒钢。Mn有促进A晶粒长大倾向，常加入V、Ti等阻止A晶粒长大。碳化物形成元素Cr、Mo、W等，能使渗碳层硬度、滲层深度，耐磨性。但过多则导致滲层浓度分布过陡，块状碳化物，滲层性能。非碳化物形成元素Si、Ni等则使滲层碳浓度和厚度。,常用滲碳钢,按强度级别或淬透性可分为三类：1.低强度滲碳钢 Rm800MPa，低淬透性。用于心部强度要求不高的小型滲碳 件，如套筒、链条、活塞销等。常用有 15、20、20MnV、20Mn2。2.中强度滲碳钢 Rm 8001200MPa，中淬透性。心部强度较高，用于一般机 器中的重要滲碳件，如汽车、拖拉机的齿轮、活塞等。常用有20Cr、20CrMnTi、20MnVB、20Mn2TiB等。3.高强度滲碳钢 Rm1200MPa，高淬透性。心部强度很高，可用于较大截面重 负荷的坦克齿轮、航空发动机齿轮、轴等。常用有18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A、15CrMn2SiMo等。,渗碳钢的热处理,一般为渗碳后进行淬火加低温回火。,渗碳后预冷直接淬火加低温回火 适于合金元素含量较低又不易过热的钢种，如20CrMnTi等。,b.一次淬火加低温回火 渗碳后缓冷至室温，重新加热淬火并低温回火。适用于渗碳时易过热的碳钢、低合金钢等。,3.调质钢,工作条件及对性能的要求,经过调质处理使用的结构钢。许多机器设备上的重要零件如机床主轴、汽车拖拉机的后桥半轴，柴油发动机曲轴、连杆、高强度螺栓等。,在多种应力负荷下工作，受力情况比较复杂，要求要有很高的强度，而且要有良好的塑性和韧性。调质钢具有良好的综合机械性能，与其经调质后得到回火索氏体组织有关：在铁素体基体上均匀分布的粒状碳化物起弥散强化作用，溶于铁素体中的合金元素起固溶强化作用，从而保证钢有较高的屈服强度和疲劳强度。组织均匀性好，减少了裂纹在局部薄弱地区形成的可能性，可以保证有良好的塑性和韧性。作为基体组织的铁素体从淬火马氏体转变而来，晶粒细小，使钢的冷脆倾向性大大减小。,合金化特点,0.30.5C，保证足够的碳化物其弥散强化作用。含碳量过低，不易淬硬，回火后硬度、强度不够；碳量过高，则韧性、塑性过低。加入Mn、Si、Cr、Ni、B等元素提高淬透性。除B外，其它元素还起固溶强化作用，Ni能提高钢的韧性。调质钢的回火温度正好处于第二类回火脆性温度范围内，钢中含有Mn、Cr、Ni、B元素时，会增大回火脆性的敏感性，除了回火后快速冷却外，加入防止第二类回火脆性的元素Mo、W。加入W、Mo、V、Ti细化A晶粒，使回火索氏体中的 F 晶粒细小，提高钢的强韧性。,常用调质钢,根据调质钢淬透性高低，可将调质钢分为三类：a.低淬透性 油淬临界直径为3040mm，如40Cr、40MnB等，40Cr钢有较高的机械性能和工艺性能，应用广泛。而40MnB则为节铬的一种代用钢，其淬透性的稳定性稍差。b.中淬透性 油淬临界直径为4060mm，如35CrMo、40CrMn等。用于制造中、大尺寸的曲轴，连杆及齿轮等。c.高淬透性 油淬临界直径60mm，大多含有Cr、Ni等，同时加入Mo、W为防止第二回火脆性。如40CrNiMo等。可用于制造大截面承受重载荷的重要部件。如，航空发动机轴等。,调质钢的热处理,a.预备热处理 调质钢经热锻之后，一般进行退火或正火处理，目的是调整组织、细化晶粒、降低硬度，便于机加工。b.最终热处理 最终热处理为淬火加高温回火。由于钢淬透性，一般用油淬。回火一般在500650左右，组织为回火索氏体。调质钢的最终性能取决于回火温度，要求强度高时，用较低温度，反之用较高温度。,弹簧钢应具有以下性能特点：a.高的弹性极限，高的屈强比，保证弹簧有高的弹性变形能力，并能承受大的载荷。b.具有高的疲劳强度，保证弹簧在长期振动和交变应力下不产生疲劳破坏。c.具有足够的塑性和韧性，防止冲击载荷和满足成形需要。,4.弹簧钢,用于制造各种弹簧的钢种。,弹簧的主要作用：a.吸收冲击能量，缓和机械振动和冲击。b.储存能量使其它机械零件完成事先规定的动作。,工作条件及对性能的要求,a.为提高弹性极限和屈服极限，合金弹簧钢的含碳一般为0.50%0.70%，碳素弹簧钢为0.600.90。碳量高，钢的塑性和韧性降低，疲劳性能下降。b.加入Si、Mn元素提高钢的淬透性及回火稳定性，除固溶强化作用外，还能提高钢的屈强比，但Si能引起钢表面脱碳，Mn易使钢产生过热倾向。c.加入W、V、Cr元素，W和V可细化晶粒，Cr增加淬透性。W、V、Cr还提高回火稳定性，减轻Si、Mn弹簧钢过热倾向及脱碳倾向。,合金化特点,常用钢种,碳素弹簧钢 典型钢种为65钢。用于小截面（直径1215mm）弹簧，由于淬透性，直径 1215mm时油中淬不透，故多用冷拔钢丝和冷成形法制成。b.含Si、Mn类合金弹簧钢 典型钢种为65Mn、60Si2Mn等，淬透性能显著优于碳素弹簧钢。65Mn用于815mm 的小尺寸扁簧、座垫簧等。60Si2Mn主要用于制造汽车、拖拉机上的板簧及螺旋弹簧。c.含Cr、V类合金弹簧钢 典型钢种为50CrVA钢。淬透性高，合金碳化物稳定，常在500左右回火，因此可用于制作在350400条件下，承受重载荷的大尺寸弹簧，如各种阀门弹簧等。,弹簧按加工及热处理分为两类：a.热成型弹簧 用热轧钢丝或钢板制成，后经淬火加中温回火处理，组织为回火屈氏体，具有高的弹性极限和屈服强度，可用来制作大尺寸弹簧。以汽车板簧为例，其热成形制造弹簧的工艺路线为：扁钢剪断加热压弯成形淬火中温回火喷丸装配在淬火加热时，为了防止氧化和脱碳，应尽量采用快速加热，最好在盐炉或带有保护性气氛的炉中进行，淬火后尽快回火，以防延迟断裂。对于含Si弹簧钢，回火温度一般为400450，其组织为回火屈氏体，钢的弹性极限达到最高值。弹簧钢也可以采用等温淬火，使钢在恒温下转变为下贝氏体，可提高钢的韧性和多冲强度。如果在等温淬火后再在等温温度作补充回火，则能进一步提高钢的比例极限和延迟断裂抗力。弹簧的表面质量对使用寿命影响很大，表面微小的缺陷如脱碳、裂纹、夹杂、斑痕等均可使钢的疲劳强度减低，因此弹簧热处理后还用喷丸处理来进行表面强化，使表层产生残余压应力，提高其疲劳强度。,b.冷成型弹簧 小尺寸弹簧，可先冷变形或热处理强化，后卷制成形，再进行回火和稳定尺寸处理。可分为三种：铅淬冷拔钢丝：先冷拔一定尺寸，再进行“铅浴”处理，即加热奥氏体化后，在500550铅浴等温，获得索氏体组织。以后可经多次冷拔至最终尺寸，卷成弹簧后，不再进行淬火回火处理，而只在200300进行去应力退火，可起到弹簧定型作用。冷拔钢丝：经冷拔变形强化，可加入680 的中间退火，提高塑性，使钢丝冷拔到最终尺寸后，冷卷成弹簧，最后去应力处理。淬火回火钢丝：冷拔到最终尺寸后，淬火加中温回火处理，再冷卷成弹簧，最后去应力处理。以上三种强化方式的钢丝，冷成形后，都要回火，以消除应力、稳定尺寸。回火温度一般为250300，时间为1h。,5.滚动轴承钢,制作滚动轴承滚动体和套圈的专用钢称为滚动轴承钢。还可用于制造各种工具和耐磨件。,要求高的接触疲劳强度 滚动轴承服役中接触点处的瞬时压应力可达1500MPa5000MPa，应力交变次数可达每分钟数万次，接触疲劳破坏是其主要的失效形式，所以轴承钢应具有极高的接触疲劳性能。b.要求高的硬度及耐磨性能 滚珠及滚圈之间，不仅存有滚动摩擦，还有滑动摩擦，因此，必须有高的硬度（一般在HRC6264左右），及硬度均匀性。轴承钢还需足够的淬透性、韧性、对大气和润滑油的腐蚀抗力、尺寸稳定性等。,轴承钢的性能特点,合金化特点,a.碳含量较高 一般为0.951.15%，以保证高硬度、高强度及高的耐磨性。决定钢硬度的主要因素是马氏体的含碳量，只有含碳量足够高时，才能保证马氏体的高硬度，此外，碳还要形成一部分高硬度的碳化物，进一步提高钢的硬度和耐磨性。b.加入合金元素Cr 一般1.65，可提高淬透性，并能形成合金渗碳体，呈弥散均 匀分布，提高钢的耐磨性与疲劳强度。Cr还可以提高钢的耐蚀性。若含量过高，会增加淬火后残余A量并增加碳化物不均匀性，反而造成硬度降低，疲劳寿命下降。c.加入Si、Mn、V等元素 加 Si、Mn元素进一步增加淬透性，钒的碳化物弥散且稳定，能提高钢的耐磨性。d.高的冶金质量 钢中夹杂物种类、数量、形状、尺寸、分布及碳化物的均匀性等对接触疲劳寿命的影响极大。在冶炼上采用电炉冶炼，真空除气，提高纯净度。,常用钢种,GCr15钢及GCr15SiMn钢是主要钢种。GCr15钢性能优良，应用广泛；GCr15SiMn可进一步提高淬透性，适用于承受较大冲击条件或特大型轴承的工作要求。无Cr轴承钢是为节Cr开发的钢种，其性能与GCr15钢相近。如GSiMnV、GMnMoVRe、GSiMnMoV等。,热处理,球化退火 目的一是获得均匀分布的细小粒状珠光体加细粒状碳化物组织；二是降低硬度利于机加工。,GCr15 球化退火工艺曲线,b.淬火加低温回火,淬火温度需严格控制在Ac1Accm之间，若温度低，A中Cr、C量不够，淬火后硬度不足；若温度过高，残余A量，并会得粗片状M，韧性及疲劳性能。一般淬火温度控制在820840左右，回火温度在150160左右。,GCr15 淬、回火工艺曲线,淬火组织为隐晶M加微细碳化物及少量残余A组成。回火组织为回火M加均匀细小碳化物及少量残余A组成。为消除磨削应力，稳定组织和尺寸，加一次附加回火。,机械零件用钢含碳量的选择和回火温度的确定含碳量直接决定了马氏体的硬度，而且对马氏体的形态及回火后的性能都有很大影响。回火是热处理的最后一道工序，回火温度的确定决定了钢的最后组织状态，从而决定了零件的使用性能和寿命。渗碳钢：低碳（合金）经过淬火并低温回火后的组织为位错马氏体、少量残余奥氏体和弥散分布的碳化物，它在具有很高强度的同时，还具有良好的塑性和韧性，缺口敏感性低，脆性转折温度下降到-60以下，使用上比较安全可靠。调质钢：对于含碳量为0.4%的中碳（合金）钢来说，淬火后得到的是位错马氏体和孪晶马氏体的混合组织，若在低温回火，尽管强度很高，但断列韧性下降，有较高的缺口敏感性。如果在高温（550600）回火，其组织为回火索氏体，则可获得良好的综合机械性能，在仍具有较高强度的同时，塑性韧性得到明显改善，脆性转折温度很低，当出现第二类回火脆性时，钢的韧性受到很大损害。,弹簧钢：对于含碳量为0.60.7%的碳钢或合金钢，若在300以下回火，由于未能消除淬火内应力和高碳马氏体的固有脆性，所以都呈脆性断裂。当在350附近回火时，得到回火屈氏体组织，其弹性极限和屈服强度均达到峰值，并且有很高的疲劳强度。轴承钢：钢的耐磨性和接触疲劳强度与钢的表面硬度有关。含碳量为1.0%高碳钢淬火低温回火后，其组织为回火马氏体和粒状碳化物，由于碳化物具有很高的硬度，所以此时钢具有很高的耐磨性和接触疲劳强度。,11.5.工具钢,用于制做各种加工工具的钢种。按用途可分为：刃具钢，模具钢及量具钢。,刃具在切削过程中，刀刃与工件表面金属相互作用使切屑产生变形与断裂并从整体上剥离下来。故刀刃本身承受弯曲、扭转、剪切应力和冲击、震动负荷，同时还受到工件和切屑的剧烈摩擦作用。由于切屑层金属变形以及刃具与工件、切屑的摩擦产生大量切削热，使刃具温度升高，有时高达600。其性能要求如下：,高硬度 刃具钢的硬度均高于HRC60以上。硬度主要与钢中碳含量有关，因此，刃具钢一般采用高碳钢。,1.刃具钢,主要用于制做车刀、铣刀、钻头、丝锥等切削工具。,工作条件及性能要求,b.高耐磨性 耐磨性直接影响刃具的使用寿命。耐磨性除与硬度有关外，还与碳化物的类型、尺寸、数量和分布有关。一般认为，碳化物越弥散细小均匀分布，耐磨性越好。c.高红硬性、热稳定性 红硬性是指工具在高温下仍然保持高硬度的能力。热稳定性表示钢在使用变热过程中保持其原金相组织和性能的能力。热稳定性常用加热时能保持一定硬度值的最高温度表示。如在不同温度重复加热4次，每次1h，以室温硬度保持HRC60的温度评定红硬性。也可将钢正常淬、回火后在一定温度（如600）重复加热4次，每次1h，以室温硬度表示红硬性。红硬性的高低与钢的回火稳定性和碳化物类型及分布有关，含有强碳化物形成元素的刃具钢，碳化物稳定性高，红硬性强。d.足够的强度、塑性及韧性 刃具钢工作时除刃部强烈摩擦外，刃具还受弯曲、扭转及冲击等，因此需要刃具具有足够的强度，塑性及韧性。,碳素工具钢,含碳量在0.651.35%的高碳钢。因成本低，冷、热加工性能好，热处理工艺简单，生产上广泛应用。可用来制造各种刃具，模具、量具。碳素工具钢随含碳量的增加，过剩碳化物增多，钢的耐磨性增高，而塑性和韧性下降。典型钢种T7、T8钢含碳量相对较低，韧性较好，可用来制做受冲击或切削软材料的工具，如锤头、冲头、木工工具等。T10钢韧性适中，可用于制做要求硬度、耐磨性、强度较高，并承受一般冲击的工具。如冲子、手锯锯条、钻头、丝锥等。T12、T13钢含碳量高、硬度高、耐磨性好，但韧性低，适于制做高硬度和耐磨性、不受冲击的工具。如锉刀、刮刀、铰刀、量具等。,c.热处理,亚共析碳素刃具钢淬、回火工艺曲线,碳素工具钢在淬火加低温回火状态下使用。亚共析钢淬火温度为Ac3+3050，淬火后组织为细针状M加A，回火后组织为回火M加少量A。过共析钢淬火温度为Ac1+3050，淬火后组织为隐晶M加未溶粒状渗碳体及A，回火后组织为回火M加未溶粒状渗碳体及少量A。,低温回火温度一般为150180，回火时间一般为12h。回火目的是保持高硬度条件下消除淬火应力，提高塑性和韧性。缎、轧后、淬火前应球化退火，得均匀细小的粒状珠光体。目的是降低硬度，便于加工，为淬火作组织准备。,低合金刃具钢,b.常用钢种 9SiCr淬透性高，变形小，碳化物分布均匀，适于制作板牙、丝锥、搓丝板等精度及耐磨性要求较高的薄刃工具。和碳素工具钢相比，在相同回火硬度下，9SiCr的回火温度可以提高100以上，故寿命可提高1030%。CrWMn有较高的淬透性，淬火后有较多的A，故变形小，属微变形钢，适于制作截面大、要求耐磨性高和变形小的长丝锥、长铰刀、拉刀、板牙等。,.成分特点高碳 碳量在0.751.5%，为了形成适量碳化物，保证淬、回火后获得高硬度及高耐磨性。加入Cr、Mn、Si、W、V，总量5。Cr、Mn、Si 主要提高淬透性，同时提高硬度及强度。Si 还可提高回火稳定性，而W、V的加入可形成高熔点特殊碳化物，进一步提高硬度、耐磨性与红硬性并降低钢的过热敏感性、细化奥氏体晶粒、提高钢的韧性。,9SiCr圆板牙淬、回火工艺曲线,球化退火工艺曲线,c.热处理,热处理为缎、轧后球化退火，再淬火低温回火，最终组织为回火M未溶粒状碳化物。与碳素工具钢相比，由于合金元素的作用，晶粒长大倾向小，淬火温度可以高些。,低合金刃具钢红硬性虽然比碳素刃具钢有所提高，但其工作温度仍不能超过250，只能用于制造低速切削刀具。,高速工具钢,针对低合金工具钢红硬性差，不能高速切削的问题，开发了高速钢。高速钢是有大量W、Mo、Cr、Co、V等元素组成的适于高速切削的高碳高合金工具钢。,.性能特点：很高的红硬性。淬、回火后硬度一般高于HRC63，超硬型可达HRC6870。高速切削时刃口温升至600左右，硬度仍在HRC55以上。足够高的强度，兼有适当的塑性、韧性。很高的淬透性。中、小型刃具可空淬。用于切削速度高、负荷重、工作温度高的各种加工刃具，如车刀、铣刀、刨刀、钻头等，也可制作要求耐磨性的冷、热模具。,.成分特点 高碳 碳量一般在0.71.6，一方面保证马氏体有足够的碳量以获得高硬度，另一方面满足合金碳化物所需碳量。高合金化 加入W、Cr、Mo、V、Co等元素，合金总量10。Cr主要增加淬透性和耐磨性，也可提高抗氧化、脱碳和抗腐蚀能力。W、Mo、V、Cr形成VC、W2C、Mo2C、Cr23C6、Fe3W3C、Fe4W2C等碳化物，加热时未熔碳化物能阻止奥氏体晶粒长大，而溶入A