金屬材料與熱處理第六章

1、第一節(jié) 概述第二節(jié) 合金結(jié)構(gòu)鋼第三節(jié) 合金工具鋼第四節(jié) 特殊性能鋼第五節(jié) 鋼的火花鑒別 第一節(jié)第一節(jié) 概述概述 工業(yè)上較多地使用合金鋼大約是在19世紀(jì)后半期，先后發(fā)明了自硬鋼、鉻鋼、鎳鋼和高速工具鋼，適應(yīng)了社會(huì)生產(chǎn)力發(fā)展的要求。 20世紀(jì)20年代后，冶金技術(shù)取得了快速發(fā)展，耐熱鋼、高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼等不斷問世，隨著冶金新技術(shù)，特別是爐外精煉技術(shù)的廣泛應(yīng)用，合金鋼開始向高純度、高精度和超低碳的方向發(fā)展。目前國際上合金鋼的產(chǎn)量約占鋼總產(chǎn)量的10%，是國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)大量使用的重要金屬材料。一、合金元素在鋼中的主要作用一、合金元素在鋼中的主要作用1. 1. 強(qiáng)化鐵素體強(qiáng)化鐵素體 由于合金元素與鐵

2、的晶格類型和原子半徑的差異，引起鐵素體的晶格畸變，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用，使鐵素體的強(qiáng)度、硬度提高，塑性和韌性下降。2. 2. 形成合金碳化物形成合金碳化物 錳、鉻、鉬、鎢、釩、鈦等元素能與碳形成碳化物。根據(jù)合金元素與碳的親和力不同，它們?cè)阡撝行纬傻奶蓟锟煞譃楹辖饾B碳體和特殊碳化物兩類。3. 3. 細(xì)化晶粒細(xì)化晶粒 幾乎所有的合金元素都有抑制鋼在加熱時(shí)奧氏體晶粒長大的作用，達(dá)到細(xì)化晶粒的目的。4. 4. 提高鋼的淬透性提高鋼的淬透性 除鈷外，所有的合金元素溶解于奧氏體后，均可增加過冷奧氏體的穩(wěn)定性，推遲其向珠光體的轉(zhuǎn)變，使C曲線右移，從而減小淬火臨界冷卻速度，提高鋼的淬透性。5. 5. 提高鋼的回

3、火穩(wěn)定性提高鋼的回火穩(wěn)定性 合金鋼在回火過程中，由于合金元素的阻礙作用，使馬氏體不易分解，碳化物不易析出，即使析出后也不易聚集長大，而保持較大的彌散度，所以鋼在回火過程中硬度下降較慢。二、合金鋼的分類二、合金鋼的分類1. 1. 按用途分類按用途分類 合金結(jié)構(gòu)鋼：用于制造機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)的合金鋼。 合金工具鋼：用于制造各種工具的合金鋼。 特殊性能鋼：具有某種特殊物理、化學(xué)性能的合金鋼，如不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。2. 2. 按合金元素總含量分類按合金元素總含量分類 低合金鋼：合金元素總含量小于5%。 中合金鋼：合金元素總含量為5%10%。 高合金鋼：合金元素總含量大于10%。第一節(jié)第一節(jié) 概述

4、概述 第二節(jié)第二節(jié) 合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼 合金結(jié)構(gòu)鋼實(shí)物a）奧運(yùn)“鳥巢” b）變速齒輪c）機(jī)床絲杠 如圖所示，奧運(yùn)“鳥巢”屬于大型工程構(gòu)件，變速齒輪和機(jī)床絲杠屬于機(jī)械零件。它們的工作條件和性能要求各不相同，應(yīng)選擇不同類型的金屬材料制造。 那么，什么樣的材料能滿足需要呢？一、低合金結(jié)構(gòu)鋼一、低合金結(jié)構(gòu)鋼1. 1. 成分及性能特點(diǎn)成分及性能特點(diǎn) 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的含碳量較低，加入的主要合金元素是錳（Mn）、硅（Si）、鈦（Ti）、鈮（Nb）、釩（V）等。錳和硅的主要作用是對(duì)鐵素體起固溶強(qiáng)化作用，以提高鋼的強(qiáng)度。2. 2. 熱處理特點(diǎn)熱處理特點(diǎn) 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼大多數(shù)是在熱軋退火或正火狀態(tài)下使用

5、，一般不再進(jìn)行熱處理。3. 3. 常用牌號(hào)和用途常用牌號(hào)和用途常用的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、力學(xué)性能和用途二、合金滲碳鋼二、合金滲碳鋼1. 1. 成分及性能特點(diǎn)成分及性能特點(diǎn)2. 2. 熱處理特點(diǎn)熱處理特點(diǎn)3. 3. 常用牌號(hào)和用途常用牌號(hào)和用途常用合金滲碳鋼的牌號(hào)、力學(xué)性能和用途 為改善切削加工性能，預(yù)備熱處理應(yīng)采用正火，為保證表面的高硬度和高耐磨性，合金滲碳鋼的最終熱處理應(yīng)采用滲碳后淬火再低溫回火。 合金滲碳鋼的含碳量為0.10%0.25%，可保證心部有足夠的塑性和韌性。加入鉻、鎳等合金元素可提高鋼的淬透性，加入釩、鈦等合金元素主要是為了防止在高溫滲碳過程中晶粒長大。三、合金調(diào)質(zhì)鋼三、合

6、金調(diào)質(zhì)鋼1. 1. 成分及性能特點(diǎn)成分及性能特點(diǎn)2. 2. 熱處理特點(diǎn)熱處理特點(diǎn)3. 3. 常用牌號(hào)和用途常用牌號(hào)和用途 這類鋼的含碳量一般為0.25%0.50%。合金調(diào)質(zhì)鋼中常加入少量鉻、錳等合金元素使鐵素體強(qiáng)化并提高韌性。加入少量鉬、釩等碳化物形成元素，可阻止奧氏體晶粒長大。 為改善鍛造后的組織、消除鍛造內(nèi)應(yīng)力和改善切削加工性能，合金調(diào)質(zhì)鋼的預(yù)備熱處理應(yīng)采用正火或退火。常用合金調(diào)質(zhì)鋼的牌號(hào)、力學(xué)性能和用途四、合金彈簧鋼四、合金彈簧鋼1. 1. 成分及性能特點(diǎn)成分及性能特點(diǎn)2. 2. 分類及熱處理特點(diǎn)分類及熱處理特點(diǎn)3. 3. 常用牌號(hào)和用途常用牌號(hào)和用途常用合金彈簧鋼的牌號(hào)、力學(xué)性能和用途

7、 （1）冷成形彈簧 當(dāng)彈簧直徑或板簧厚度小于或等于10mm 時(shí)，常采用冷成形加工（冷纏、冷卷或冷繞成形）。 （2）熱成形彈簧 當(dāng)彈簧直徑或板簧厚度大于10mm時(shí)，采用熱成形加工。 合金彈簧鋼的含碳量一般為0.45%0.70%，含碳量過高，塑性和韌性降低，疲勞強(qiáng)度也下降。合金彈簧鋼中常加入的合金元素有錳、硅、鉻、釩和鎢等。五、滾動(dòng)軸承鋼五、滾動(dòng)軸承鋼1. 1. 成分及性能特點(diǎn)成分及性能特點(diǎn)2. 2. 熱處理特點(diǎn)熱處理特點(diǎn)3. 3. 常用牌號(hào)和用途常用牌號(hào)和用途常用滾動(dòng)軸承鋼的牌號(hào)、熱處理和用途 預(yù)備熱處理采用球化退火，以降低鍛造后鋼的硬度，為淬火做好組織準(zhǔn)備。最終熱處理為淬火加低溫回火，目的是提

8、高軸承的硬度和耐磨性。 滾動(dòng)軸承鋼必須具有高的硬度和耐磨性、高的彈性極限和接觸疲勞強(qiáng)度、足夠的韌性和一定的耐腐蝕性。滾動(dòng)軸承常用合金結(jié)構(gòu)鋼中外牌號(hào)對(duì)照 第三節(jié)第三節(jié) 合金工具鋼合金工具鋼 車刀和銑刀是高速切削刀具，工作時(shí)由于受到復(fù)雜的切削力作用，其刃部與工件之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的摩擦，使切削刃磨損并發(fā)熱，切削量越大，刃部溫度越高，會(huì)使刃部硬度降低，甚至喪失切削能力。另外，車刀和銑刀還承受沖擊載荷與振動(dòng)。 因此，要求制造車刀和銑刀的材料除了具有高的硬度和刃磨性，足夠的強(qiáng)度和韌性外，還必須在高溫下具有高的熱硬度。一、合金刃具鋼一、合金刃具鋼1. 1. 低合金刃具鋼低合金刃具鋼 （1）成分及性能特點(diǎn) 低合金

9、刃具鋼的含碳量一般為0.75%1.5%，保證淬火后具有高的硬度和耐磨性。低合金刃具鋼與碳素工具鋼相比提高了淬透性。低合金刃具鋼經(jīng)熱處理后具有高的硬度、足夠的強(qiáng)度和韌性等。 （2）熱處理特點(diǎn) 低合金刃具鋼的預(yù)備熱處理采用球化退火，若組織中網(wǎng)狀碳化物較多，球化退火前應(yīng)先正火消除網(wǎng)狀碳化物。為獲得所需要的力學(xué)性能，最終熱處理采用淬火加低溫回火。 （3）常用牌號(hào)和用途常用低合金刃具鋼的牌號(hào)、硬度和用途2. 2. 高速鋼高速鋼（1）成分及性能特點(diǎn) 高速鋼中含碳量較高（0.7%1.5%），并含有大量的鎢、鉻、釩、鉬等強(qiáng)碳化物形成元素。高含碳量是為了保證形成足夠量的合金碳化物，并使高速鋼具有高的硬度和耐磨性

10、。 高速鋼具有高熱硬性、高耐磨性和足夠的強(qiáng)度，高速鋼的熱硬性可達(dá)600，切削時(shí)能長期保持刃口鋒利，故又稱鋒鋼。（2）熱處理特點(diǎn) 高速鋼只有經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗蟛拍塬@得較好的組織和性能。為改善切削加工性能，并為淬火做好組織準(zhǔn)備，預(yù)備熱處理一般采用球化退火。高速鋼(W18Cr4V) 的熱處理工藝曲線（3）常用牌號(hào)和用途常用高速鋼的牌號(hào)、含碳量、熱處理、硬度和用途二、合金模具鋼二、合金模具鋼1. 1. 冷作模具鋼冷作模具鋼冷作模具（1）成分及性能特點(diǎn) 冷作模具鋼的成分特點(diǎn)是高碳、高鉻，高碳保證獲得高硬度和高耐磨性，加入一定量的鉻、錳等元素是為了提高淬透性。這類鋼應(yīng)具有高硬度、高耐磨性、足夠的強(qiáng)度和韌性

11、。（2）熱處理特點(diǎn) 為減小內(nèi)應(yīng)力，冷作模具鋼的預(yù)備熱處理選用等溫球化退火。最終熱處理一般采用淬火加低溫回火。（3) 常用牌號(hào)和用途 冷作模具鋼的牌號(hào)表示方法與低合金刃具鋼相同。小型冷作模具可用碳素工具鋼、低合金刃具鋼和滾動(dòng)軸承鋼制造。2. 2. 熱作模具鋼熱作模具鋼熱作模具（1）成分及性能特點(diǎn) 熱作模具鋼一般為中碳合金鋼，具有良好的強(qiáng)度、硬度和韌性。加入合金元素鉻、鎳、錳、硅等是為了強(qiáng)化鋼的基體和提高鋼的淬透性。加入鋁、鎢、釩等元素是為了細(xì)化晶粒，提高鋼的回火穩(wěn)定性和耐磨性。（2）熱處理特點(diǎn) 熱作模具鋼的預(yù)備熱處理一般采用退火。最終熱處理是淬火后中溫或高溫回火。（3）常用牌號(hào)和用途 熱作模具鋼

12、牌號(hào)的表示方法與低合金刃具鋼相同。3. 3. 塑料模具鋼塑料模具鋼（1）性能特點(diǎn) 塑料模具鋼的工作溫度均不超過250，由于其在工作時(shí)會(huì)持續(xù)受熱、受壓，并受到一定程度的摩擦和有害氣體的腐蝕，因此要求塑料模具鋼在200左右具有足夠的強(qiáng)度和韌性，并具有較高的耐磨性和耐腐蝕性。（2）常用牌號(hào)和用途塑料模具鋼的牌號(hào)和用途三、合金量具鋼三、合金量具鋼常用量具1. 1. 性能特點(diǎn)性能特點(diǎn) 量具必須具備極高的尺寸精度和穩(wěn)定性，因而量具的工作部分一般要求具有高硬度、高耐磨性、高的尺寸穩(wěn)定性和足夠的韌性。2. 2. 熱處理特點(diǎn)熱處理特點(diǎn) 合金量具鋼經(jīng)淬火后要在150170下長時(shí)間低溫回火，以穩(wěn)定尺寸。對(duì)精密量具，

13、淬火后要進(jìn)行冷處理，然后再進(jìn)行長時(shí)間的低溫回火。3. 3. 常用合金量具鋼的牌號(hào)和用途常用合金量具鋼的牌號(hào)和用途量具鋼的應(yīng)用實(shí)例 第四節(jié)第四節(jié) 特殊性能鋼特殊性能鋼挖掘機(jī) 挖掘機(jī)主要用于各種工程土料的挖掘和裝載等作業(yè)，其工作條件十分復(fù)雜和具有不確定性，履帶和鏟斗承受強(qiáng)烈的磨損和沖擊，要求具有很高的強(qiáng)度、韌性和耐磨性，一般鋼材難以滿足這一要求，這就需要選擇一種具有特殊性能的材料特殊性能鋼來滿足上述要求。一、不銹鋼一、不銹鋼1. 1. 成分特點(diǎn)成分特點(diǎn) 隨著不銹鋼中含碳量的增加，其強(qiáng)度、硬度和耐磨性提高，但耐腐蝕性下降，因此，大多數(shù)不銹鋼的含碳量都較低。不銹鋼還具有良好的耐腐蝕性。2. 2. 常用

14、不銹鋼的牌號(hào)和用途常用不銹鋼的牌號(hào)和用途 不銹鋼牌號(hào)的表示方法：只規(guī)定含碳量上限者，當(dāng)鋼中含碳量上限不大于0.10% 時(shí)，以其上限的3/4表示含碳量；當(dāng)含碳量上限大于0.10% 時(shí)，以其上限的4/5表示含碳量，用兩位阿拉伯?dāng)?shù)字表示含碳量的萬分?jǐn)?shù)。 常用不銹鋼的牌號(hào)和用途1.1. 成分特點(diǎn)成分特點(diǎn)（1）抗氧化鋼 抗氧化鋼是在高溫下具有較好的抗氧化能力且具有一定強(qiáng)度的鋼。抗氧化鋼中加入的合金元素為鉻、硅、鋁等，它們?cè)阡摫砻嫘纬芍旅艿难趸ぃ瑥亩苊饬虽摰倪M(jìn)一步氧化。（2）熱強(qiáng)鋼 熱強(qiáng)鋼是在高溫下具有良好抗氧化能力且具有較高的高溫強(qiáng)度的鋼。為了提高鋼的抗氧能力和高溫強(qiáng)度，常在鋼中加入鉻、鎢等合金元素

15、。2. 2. 常用牌號(hào)和用途常用牌號(hào)和用途耐熱鋼的常用牌號(hào)和用途二、耐熱鋼二、耐熱鋼三、耐磨鋼三、耐磨鋼1. 1. 高錳鋼的成分及性能特點(diǎn)高錳鋼的成分及性能特點(diǎn)2. 2. 高錳鋼的熱處理特點(diǎn)高錳鋼的熱處理特點(diǎn)3. 3. 高錳鋼的常用牌號(hào)和用途高錳鋼的常用牌號(hào)和用途常用特殊性能鋼中外牌號(hào)對(duì)照 為了使高錳鋼獲得單相奧氏體組織，應(yīng)進(jìn)行水韌處理，即將鋼加熱到10001100，保溫一定時(shí)間，使鋼中碳化物全部溶解，然后迅速水淬，在室溫下獲得均勻單一的奧氏體組織。 高錳鋼的含碳量為0.9%1.4%，含錳量為11% 14%，高碳保證了鋼的耐磨性和強(qiáng)度，高錳保證了與碳配合完全獲得奧氏體組織，提高加工硬化能力。第

16、一節(jié)第一節(jié) 概述概述 第五節(jié)第五節(jié) 鋼的火花鑒別鋼的火花鑒別一、火花鑒別的原理及火花組成一、火花鑒別的原理及火花組成1 1火花鑒別的原理火花鑒別的原理 在旋轉(zhuǎn)著的砂輪上打磨鋼試件，試件上脫落下來的鋼屑在慣性力作用下飛濺出來，形成一道道或長或短的火花射線。根據(jù)試件與砂輪的接觸壓力不同、鋼的成分不同, 火花射線也各不一樣。飛濺的鋼屑達(dá)到高溫時(shí)，鋼和鋼中的伴生元素在空氣中燒掉。因?yàn)樘嫉难趸顲O和CO2是氣體，這些小的赤熱微粒在離開砂輪一定距離時(shí)產(chǎn)生類似于爆炸的現(xiàn)象，于是便爆裂成火花，所以可根據(jù)流線和火花的特征來鑒別鋼材的成分。2 2火花的組成火花的組成（1）火束（2）流線流線形狀示意圖（3）節(jié)點(diǎn)與芒線（4）爆花與花粉爆花各種形式的示意圖（5）尾