合金元素在鋼中作用

合金鋼§1合金元素在鋼中的作用§2合金鋼的分類和編號方法§3合金結(jié)構(gòu)鋼§4工具鋼§5特殊性能鋼1緒論碳鋼性能較好、容易加工、成本低廉，工程上應(yīng)用最廣、使用量最大（90%）；碳鋼缺點(diǎn)淬透性不高、耐回火性較差和不能滿足更高的力學(xué)性能要求或某些特殊性能（如耐熱、耐蝕）等；合金鋼有意加入合金元素，克服了碳鋼使用性能的不足，從而可在重要或某些特殊場合下使用。20鋼：σb≥410N/mm2

16Mn：σb≥520N/mm2（Mn1.2～1.6％）2常用合金元素：Mn、Si、Cr、Mo、W、V、

Ti、Nb、Zr、Ni、RE(稀土)合金元素分類（根據(jù)與碳親和力的大?。簭?qiáng)碳化物形成元素：Mo、W、Fe、

V、Ti、Nb、Zr弱碳化物形成元素：Mn、Cr非碳化物形成元素：Si、Cu、Co、

Ni、Al、N、B§1合金元素在鋼中的作用合金元素對鋼的相變、組織和性能的影響

都取決于它們與鋼中的Fe或C的相互作用3一、合金元素對鋼中基本相的影響鋼中的基本相：F、Fe3C鋼中合金元素的存在方式：固溶：合金鐵素體合金滲碳體：(Fe、Mn)3C、(Fe、W)3C合金碳化物：VC、TiC、WC、

MoC、Cr7C3、Cr23C6

§1合金元素在鋼中的作用4合金元素對鋼的力學(xué)性能的影響合金元素對鐵素體性能的影響(退火狀態(tài))§1合金元素在鋼中的作用5二、合金元素對Fe-C合金相圖的影響

（點(diǎn)、線、區(qū)）擴(kuò)大奧氏體區(qū)：

C、N、Co、

Ni、Mn、Cu奧氏體形成元素Mn對相圖的影響：低溫、低碳§1合金元素在鋼中的作用6二、合金元素對Fe-C合金相圖的影響

（點(diǎn)、線、區(qū)）縮小奧氏體區(qū)：

Cr、Mo、W、

V、Ti、Si、Al鐵素體形成元素Cr對鐵碳合金相圖的影響:高溫、低碳§1合金元素在鋼中的作用7二、合金元素對Fe-C合金相圖的影響

（點(diǎn)、線、區(qū)）使S、E點(diǎn)的含碳量降低（共析溫度、成分）727℃縮小γ區(qū)擴(kuò)大γ區(qū)0.77％§1合金元素在鋼中的作用8三、合金元素對鋼的熱處理的影響1.對加熱時奧氏體化的影響對形成A速度的影響(由C來控制)

Co、Ni加速擴(kuò)散

Mo、W、V、Ti阻礙擴(kuò)散對A晶粒度的影響

P、Mn促進(jìn)

Ti、Nb、V強(qiáng)烈阻礙(AlN)

W、Mo、Cr有一定阻礙作用

Si、Ni、Co、Cu影響不大§1合金元素在鋼中的作用9三、合金元素對鋼的熱處理的影響2.對過冷奧氏體分解過程的影響等溫轉(zhuǎn)變C曲線的位置與形狀：非(弱)碳化物形成元素：

Ni、Si、Mn、Cu溶入奧氏體、增大穩(wěn)定性，使C曲線右移、Ms點(diǎn)降低碳化物形成元素：V、W、Mo、

Cr、Ti不僅使C曲線右移，而且分離成兩個“鼻子”§1合金元素在鋼中的作用10三、合金元素對鋼的熱處理的影響3.合金元素對C曲線的影響§1合金元素在鋼中的作用11三、合金元素對鋼的熱處理的影響4.對過冷奧氏體Ms、A殘的影響合金元素對Ms點(diǎn)的影響對殘余奧氏體的影響§1合金元素在鋼中的作用12三、合金元素對鋼的熱處理的影響5.對回火轉(zhuǎn)變的影響提高鋼的回火穩(wěn)定性：Cr

MoWVNbSi產(chǎn)生二次硬化：MoWVTi在500~600℃

回火時硬度升高回火脆性:

第一類：250~400℃不可逆

第二類：500~600℃可逆(CrMnNi)§1合金元素在鋼中的作用13三、合金元素對鋼的熱處理的影響6.對回火轉(zhuǎn)變的影響合金鋼回火

脆性示意圖§1合金元素在鋼中的作用14一、合金鋼的分類(按用途)§2合金鋼的分類和編號方法15二、合金鋼牌號的表示方法(GB)§2合金鋼的分類和編號方法GB221-79規(guī)定，由三大部分相結(jié)合組成：①化學(xué)元素符號:表示鋼中所含化學(xué)元素種類；②漢語拼音字母:表示產(chǎn)品名稱、用途、冶煉

方法等特點(diǎn)，常采用的縮寫字母及涵義表；③阿拉伯?dāng)?shù)字:表示鋼中主要化學(xué)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

或產(chǎn)品的主要性能參數(shù)或代號。

16二、合金鋼牌號的表示方法(拼音含義)§2合金鋼的分類和編號方法17二、合金鋼牌號的表示方法(拼音含義)§2合金鋼的分類和編號方法18二、合金鋼牌號的表示方法§2合金鋼的分類和編號方法GB221-79規(guī)定，由三大部分相結(jié)合組成：(拼音＋)數(shù)字＋元素符號＋數(shù)字(＋拼音)結(jié)構(gòu)鋼：前面數(shù)字表示平均含碳量的萬分?jǐn)?shù)后面數(shù)字表示合金元素的含量

＜1.5%不標(biāo)出，≥1.5%、2.5%、3.5%、

……時分別標(biāo)2、3、4、…例如：40Cr為0.37~0.45%C、0.8~1.1%CrGCr9、Y12中的G、Y分別表示滾動軸承鋼和易切鋼。19二、合金鋼牌號的表示方法§2合金鋼的分類和編號方法GB221-79規(guī)定，由三大部分相結(jié)合組成：(拼音＋)數(shù)字＋元素符號＋數(shù)字(＋拼音)工具鋼：前面數(shù)字表示平均含碳量的千分?jǐn)?shù)后面數(shù)字表示合金元素的含量

＜1.5%不標(biāo)出，≥1.5%、2.5%、3.5%、

……時分別標(biāo)2、3、4、……例如：9SiCr平均含碳量0.9%，Si、Cr＜1.5%20一、普通低合金鋼HSLA

（HighStrength，LowAlloySteel）

§3合金結(jié)構(gòu)鋼低合金鋼：普通碳素結(jié)構(gòu)鋼添加合金元素量不

超過5％，一般在3％以下。

主要用途：橋梁、船舶、車輛、鍋爐、高壓容

器、輸油輸氣管道、大型鋼結(jié)構(gòu)等。特點(diǎn)：①較高的強(qiáng)度、屈強(qiáng)比、塑、韌性；

②良好的焊接性和冷塑性加工性；

③含有耐大氣和海水腐蝕的元素。21一、普通低合金鋼HSLA

（HighStrength，LowAlloySteel）

§3合金結(jié)構(gòu)鋼新標(biāo)準(zhǔn)（GB/T1591-1994）舊標(biāo)準(zhǔn)(GB/1591-88)主要用途Q295（A、B）09MnV、09MnNb09Mn2、12Mn橋梁、車輛、鍋爐、容器Q345(A～E)09MnCuPTi、10MnSiCu、12MnV14MnNb、16Mn、16MnRE橋梁、車輛、壓力容器、化工容器、船舶、建筑結(jié)構(gòu)Q390(A～E)10MnPNbRE、15MnV、15MnTi、16MnNb橋梁、船舶、壓力容器、電站設(shè)備、起重設(shè)備、管道Q420(A～E)15MnVN、14MnVTiRE大型橋梁、高壓容器、大型船舶Q460(C、D、E)--大型重要橋梁、大型船舶22一、普通低合金鋼HSLA

（HighStrength，LowAlloySteel）

§3合金結(jié)構(gòu)鋼力學(xué)性能23二、滲碳鋼§3合金結(jié)構(gòu)鋼滲碳鋼：經(jīng)滲碳（或碳氮共滲）→淬火＋低溫回火后使用的鋼，一般為低碳碳素結(jié)構(gòu)鋼(15、20)和低碳合金結(jié)構(gòu)鋼(如20CrMnTi)。用途：主要用于制造要求高耐磨性、承受高

接觸應(yīng)力和沖擊載荷的重要零件。24二、滲碳鋼(1．性能要求

)§3合金結(jié)構(gòu)鋼①表層高硬度（≥58HRC）和高耐磨性；

②心部良好強(qiáng)韌性；

③較好的淬透性以保證滲碳件的心部性能，在高的滲碳溫度（930℃）和長的滲碳時間下奧氏體晶粒長大傾向小，以便于滲碳后直接淬火。25二、滲碳鋼(2．成分特點(diǎn))§3合金結(jié)構(gòu)鋼①低碳：0.1%～0.25%，以保證零件心部足夠的塑性和韌性，抵抗沖擊載荷；②合金元素：主加Cr、Mn、Ni、B等，以提高滲碳鋼的淬透性，保證零件的心部為低碳馬氏體，從而具有足夠的心部強(qiáng)度；輔加Mo、W、V、Ti等強(qiáng)碳化物形成元素，以形成穩(wěn)定的特殊合金碳化物阻止?jié)B碳時奧氏體晶粒長大。26二、滲碳鋼(3．熱處理特點(diǎn))§3合金結(jié)構(gòu)鋼滲碳后直接淬火+低溫回火，其表層組織為細(xì)針狀回火高碳馬氏體＋粒狀碳化物＋少量殘余托氏體，硬度一般為58～64HRC；心部組織依據(jù)鋼的淬透性不同為鐵素體＋屈氏體、或低碳馬氏體，硬度35～45HRC，ακ≥60J/cm2。由于滲碳的溫度高、時間長，故滲碳件的變形較大，零件尺寸精度要求高時應(yīng)進(jìn)行磨削精加工。27二、滲碳鋼(4.常用滲碳鋼)§3合金結(jié)構(gòu)鋼28二、滲碳鋼(20CrMnTi熱處理工藝)§3合金結(jié)構(gòu)鋼工藝路線：

下料→鍛造→正火→齒形加工→滲碳→預(yù)冷淬火→低溫回火→噴丸→精磨工藝曲線29三、調(diào)質(zhì)鋼§3合金結(jié)構(gòu)鋼調(diào)質(zhì)：淬火＋高溫回火，得到回火索氏體組織，從而具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能（即強(qiáng)度和韌性的良好配合）的中碳鋼（碳鋼與合金鋼）即為調(diào)質(zhì)鋼，它主要用于制造受力復(fù)雜（交變應(yīng)力、沖擊載荷等）的重要零件，如發(fā)動機(jī)連桿、曲軸、機(jī)床主軸等。

30三、調(diào)質(zhì)鋼（1.化學(xué)成分）§3合金結(jié)構(gòu)鋼碳含量

0.25%～0.5%（一般為0.4%左右）。

合金元素①主加元素Mn、Si、Cr、Ni、B等，主要作用提高淬透性；次要作用溶入鐵素體起固溶強(qiáng)化作用。②輔加元素Mo、W、V等強(qiáng)碳化物形成元素，其中Mo、W的主要作用是抑制含Cr、Ni、Mn、Si等合金調(diào)質(zhì)鋼的高溫回火脆性，次要作用是改善淬透性；V主要作用形成碳化物阻礙奧氏體晶粒長大，起細(xì)晶強(qiáng)韌化和彌散強(qiáng)化作用。

幾乎所有的合金元素均提高了調(diào)質(zhì)鋼的回火穩(wěn)定性。31三、調(diào)質(zhì)鋼（2.熱處理特點(diǎn)）§3合金結(jié)構(gòu)鋼預(yù)先熱處理調(diào)質(zhì)鋼預(yù)先熱處理的主要目的是保證零件的切削加工性能，依據(jù)其碳含量和合金元素的種類、數(shù)量不同，可進(jìn)行正火處理（碳及合金元素含量較低，如40鋼）、退火處理（碳及合金元素含量較高，如42CrMo）甚至正火＋高溫回火處理（淬透性高的調(diào)質(zhì)鋼如40CrNiMo）。32三、調(diào)質(zhì)鋼（2.熱處理特點(diǎn)）§3合金結(jié)構(gòu)鋼最終熱處理即淬火＋高溫回火，由于零件硬度可間接反映強(qiáng)度與韌性，故技術(shù)文件上一般僅規(guī)定硬度數(shù)值，只有很重要的零件才規(guī)定其它力學(xué)性能指標(biāo)；調(diào)質(zhì)硬度的確定應(yīng)考慮到零件的工作條件、制造工藝要求、生產(chǎn)批量特點(diǎn)及形狀尺寸等因素。

當(dāng)調(diào)質(zhì)零件還有高耐磨性要求、并希望進(jìn)一步提高疲勞性能時，可在調(diào)質(zhì)處理后進(jìn)行滲氮處理、表面淬火強(qiáng)化和表面形變強(qiáng)化（如曲軸軸頸的滾壓強(qiáng)化）。33三、調(diào)質(zhì)鋼（2.熱處理特點(diǎn)）§3合金結(jié)構(gòu)鋼回火溫度與

性能的關(guān)系34三、調(diào)質(zhì)鋼（3.常用調(diào)質(zhì)鋼）§3合金結(jié)構(gòu)鋼35三、調(diào)質(zhì)鋼（4.應(yīng)用舉例40CrMo）§3合金結(jié)構(gòu)鋼汽缸螺栓性能要求：

b900N/mm2

s700N/mm2

HB＝300～341

12％、50％

αKU80J/cm2制作工藝過程：

下料→鍛造→正火→粗加工→調(diào)質(zhì)→精加工→噴丸36四、彈簧鋼§3合金結(jié)構(gòu)鋼彈簧鋼：專門用來制造各種彈簧和彈性元件或類似性能要求的結(jié)構(gòu)零件的主要材料。主要作用：通過彈性變形儲存能量（即彈性變形功），從而傳遞力（或能）和機(jī)械運(yùn)動或緩和機(jī)械的振動與沖擊，如汽車、火車上的各種板彈簧和螺旋彈簧、儀表彈簧等，通常是在長期的交變應(yīng)力下承受拉壓、扭轉(zhuǎn)、彎曲和沖擊條件下工作。

37四、彈簧鋼§3合金結(jié)構(gòu)鋼38四、彈簧鋼（1.性能要求

）§3合金結(jié)構(gòu)鋼高的彈性極限σe和屈強(qiáng)比σs/σb保證優(yōu)良的彈性性能，即吸收大量的彈性能而不產(chǎn)生塑性變形；高的疲勞極限疲勞是彈簧的最主要破壞形式之一，疲勞性能除與鋼的成分結(jié)構(gòu)有關(guān)以外，還主要受鋼的冶金質(zhì)量（如非金屬夾雜物）和彈簧表面質(zhì)量(如脫碳)的影響；足夠的塑性和韌性以防止沖擊斷裂；其它性能良好的熱處理和塑性加工性能，特殊條件下工作的耐熱性或耐蝕性要求等。39四、彈簧鋼（2.成分特點(diǎn)）§3合金結(jié)構(gòu)鋼碳含量

碳素彈簧鋼0.6～0.9%C，合金彈簧鋼0.45～0.70%C，經(jīng)淬火加中溫回火后得到回火托氏體組織，能較好地保證彈簧的性能要求。合金元素

主加元素為Si、Mn、Cr等，其主要作用是提高淬透性、固溶強(qiáng)化基體并提高回火穩(wěn)定性；輔加元素為Mo、W、V等強(qiáng)碳化物形成元素，主要作用有防止Si引起的脫碳缺陷、Mn引起的過熱缺陷并提高回火穩(wěn)定性及耐熱性等。40四、彈簧鋼（3.熱處理特點(diǎn)）§3合金結(jié)構(gòu)鋼（1）熱成形彈簧對截面尺寸＞10mm各種大型和形狀復(fù)雜的彈簧均采用熱成形(如熱軋、熱卷)，如汽車、拖拉機(jī)、火車的板簧和螺旋彈簧。其加工路線：下料→加熱壓彎或卷繞→淬火→中溫回火→噴丸，使用狀態(tài)組織為回火托氏體。噴丸可強(qiáng)化表面并提高彈簧表面質(zhì)量，顯著改善疲勞性能。(也可采用等溫淬火獲得下貝氏體、或形變熱處理，提高彈簧的性能和壽命)。41四、彈簧鋼（3.熱處理特點(diǎn)）§3合金結(jié)構(gòu)鋼（2）冷成形彈簧截面尺寸＜10mm的各種小型彈簧可采用冷成形(如冷卷、冷軋)，如儀表中的螺旋彈簧、發(fā)條及彈簧片等。這類彈簧在成形前先進(jìn)行冷拉（冷軋）、淬火中溫回火或鉛浴等溫淬火后冷拉（軋）強(qiáng)化；然后再進(jìn)行冷成形加工，此過程中將進(jìn)一步強(qiáng)化金屬，但也產(chǎn)生了較大的內(nèi)應(yīng)力和脆性，故在其后應(yīng)進(jìn)行低溫去應(yīng)力退火（一般200～400℃）。

42四、彈簧鋼（4.常用彈簧鋼）§3合金結(jié)構(gòu)鋼（1）碳素彈簧鋼

價格低但淬透性差，小截面尺寸非重要彈簧用(65、65Mn)。（2）合金彈簧鋼

Si-Mn系彈簧鋼和Cr系彈簧鋼。前者淬透性較碳鋼高，價格不很昂貴，故應(yīng)用最廣，主要用于截面尺寸不大于25mm的各類彈簧(60Si2Mn)。后者的淬透性較好，綜合力學(xué)性能高，彈簧表面不易脫碳，但價格相對較高，一般用于截面尺寸較大的重要彈簧(50CrVA)。43四、彈簧鋼（4.常用彈簧鋼）§3合金結(jié)構(gòu)鋼44五、滾動軸承鋼§3合金結(jié)構(gòu)鋼滾動軸承鋼是用于制造各種滾動軸承的滾動體（滾珠、滾柱）和內(nèi)外套圈的專用鋼種，也可用于制作精密量具、冷沖模、機(jī)床絲桿及油泵油嘴的精密偶件如針閥體、柱塞等耐磨件。45五、滾動軸承鋼§3合金結(jié)構(gòu)鋼滾珠滾柱46五、滾動軸承鋼（1.性能要求）§3合金結(jié)構(gòu)鋼滾動軸承要承受高達(dá)3000～5000MPa的交變接觸應(yīng)力和極大的摩擦力，還將受到大氣、水及潤滑劑的浸蝕，其主要損壞形式有接觸疲勞(麻點(diǎn)剝落)、磨損和腐蝕等。性能要求有：1）高的接觸疲勞極限和彈性極限；2）高的硬度和耐磨性；3）適當(dāng)?shù)捻g性和耐蝕性。47五、滾動軸承鋼（2.成分特點(diǎn)）§3合金結(jié)構(gòu)鋼高碳0.95%~1.15%C，保證軸承鋼高硬度和高耐磨性；低鉻0.40%~1.65%Cr，增加鋼的淬透性，并形成合金滲碳體(Fe、Cr)3C提高接觸疲勞極限和耐磨性。大型軸承加入Si、Mn、Mo等元素以進(jìn)一步提高淬透性和強(qiáng)度；對無鉻軸承鋼還應(yīng)加入V元素，形成VC以保證耐磨性并細(xì)化鋼基體晶粒。48五、滾動軸承鋼（2.成分特點(diǎn)）§3合金結(jié)構(gòu)鋼高純度、高均勻性

統(tǒng)計表明：因原材料質(zhì)量問題而引起的軸承失效高達(dá)65％，故軸承鋼的雜質(zhì)含量規(guī)定很低(ws＜0.020%、wp＜0.027%)，夾雜物級別應(yīng)低、成分和組織均勻性（尤其是碳化物均勻性）應(yīng)高，這樣才能保證軸承鋼的高接觸疲勞極限和足夠的韌性。49五、滾動軸承鋼（3.熱處理特點(diǎn)）§3合金結(jié)構(gòu)鋼①預(yù)先熱處理—球化退火，以改善切削加工性并為淬火作組織準(zhǔn)備；②最終熱處理—淬火低溫回火，決定軸承鋼的性能，得到高硬度（62~66HRC）和高耐磨性。③冷處理為了較徹底消除A殘與內(nèi)應(yīng)力、穩(wěn)定組織、提高軸承的尺寸精度，還可在淬火后進(jìn)行冷處理(-60℃~﹣80℃），在磨削加工后進(jìn)行低溫時效處理等。

50五、滾動軸承鋼（熱處理工藝）§3合金結(jié)構(gòu)鋼51五、滾動軸承鋼（4.常用軸承鋼）§3合金結(jié)構(gòu)鋼52五、滾動軸承鋼（4.常用軸承鋼）§3合金結(jié)構(gòu)鋼53六、易切鋼§3合金結(jié)構(gòu)鋼

易切削鋼是具有優(yōu)良切削加工性能的專用鋼種，它是在鋼中加入一種或幾種元素，利用其本身或與其它元素形成一種對切削加工有利的夾雜物的作用，從而使切削抗力下降、切屑易斷易排、零件表面粗糙度改善且刀具壽命提高。使用最廣的元素是S、P、Pb、Ca等。（損害鋼的力學(xué)性能和壓力加工與焊接性能）54六、易切鋼（用途）§3合金結(jié)構(gòu)鋼在高效自動機(jī)床上進(jìn)行大批量生產(chǎn)的非重要零件，如標(biāo)準(zhǔn)件和緊固件（螺栓、螺母）、自行車與照相機(jī)零件。隨著合金易切削鋼的研制與應(yīng)用，汽車工業(yè)上的齒輪和軸類零件也開始使用這類鋼材；如用加Pb的20CrMo鋼制造齒輪，可節(jié)省加工時間和加工費(fèi)用達(dá)30％以上，顯示了采用合金易切削鋼的優(yōu)越性。55六、易切鋼（成分和性能）§3合金結(jié)構(gòu)鋼56七、超高強(qiáng)度鋼§3合金結(jié)構(gòu)鋼超高強(qiáng)度鋼：

b1500MPa或s1380MPa用途：

制造飛機(jī)起落架、機(jī)翼大梁、火箭及發(fā)動機(jī)殼體與武器的炮筒、槍筒、防彈板等。（結(jié)構(gòu)輕量化，材料有高的比強(qiáng)度和比剛度）57七、超高強(qiáng)度鋼（1.低合金超高強(qiáng)度鋼）§3合金結(jié)構(gòu)鋼碳含量0.30%～0.45%，合金元素總量≤5％；常加入Ni、Cr、Si、Mn、Mo、V等元素，提高淬透性、回火穩(wěn)定性和固溶強(qiáng)化。經(jīng)淬火、低溫回火處理后，在回火馬氏體（或下貝氏體＋回火馬氏體）組織狀態(tài)使用。

此類鋼的生產(chǎn)成本較低、用途廣，可制做飛機(jī)結(jié)構(gòu)件、固體火箭發(fā)動機(jī)殼體、炮筒、高壓氣瓶和高強(qiáng)度螺栓。典型鋼種30CrMnSiNi2A。58七、超高強(qiáng)度鋼（2.二次硬化型超高強(qiáng)度鋼）§3合金結(jié)構(gòu)鋼淬火＋高溫回火后，析出特殊合金碳化物達(dá)到彌散強(qiáng)化（即二次硬化）的超高強(qiáng)度鋼。主要包括兩類：Cr-Mo-V型中碳中合金馬氏體熱作模具鋼（4Cr5MoSiV）和高韌性Ni-Co型低碳高合金超高強(qiáng)度鋼（如20Ni9Co4Mo1V鋼）。

由于是在高溫回火狀態(tài)下使用，故此類鋼還具有良好的耐熱性。[中合金超高強(qiáng)度鋼]59七、超高強(qiáng)度鋼（3.馬氏體時效鋼）§3合金結(jié)構(gòu)鋼超低碳高合金（Ni、Co、Mo）超高強(qiáng)度鋼，有極佳的強(qiáng)韌性。經(jīng)高溫固溶處理（約820℃）得到高合金的超低碳單相板條馬氏體，然后再進(jìn)行時效處理（480℃左右）析出金屬間化合物（如Ni3Mo）起彌散強(qiáng)化作用；力學(xué)性能優(yōu)良，工藝性能良好，但價格昂貴。用于固體火箭發(fā)動機(jī)殼體、高壓氣瓶等。[高合金超高強(qiáng)度鋼]60七、超高強(qiáng)度鋼（4.超高強(qiáng)度不銹鋼）§3合金結(jié)構(gòu)鋼在不銹鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來的超高強(qiáng)度不銹鋼，具有較高的強(qiáng)度和耐蝕性；依據(jù)其組織和強(qiáng)化機(jī)制不同，也可分為馬氏體沉淀硬化不銹鋼、半奧氏體沉淀硬化不銹鋼和馬氏體時效不銹鋼等。由于其Cr、Ni合金元素含量較高，故其價格也很昂貴，通常用于對強(qiáng)度和耐蝕性都有很高要求的零件。61七、超高強(qiáng)度鋼（常用牌號）§3合金結(jié)構(gòu)鋼62工具鋼§4工具鋼工具鋼：用于制造刃具、模具、量具等各類

工具用鋼。分類：分為刃具鋼、模具鋼和量具鋼三類。要求：硬度與耐磨性高于被加工材料，能耐

熱、耐沖擊且具有較長的使用壽命。

63一、刃具鋼§4工具鋼刃具是切削加工的工具，包括手用和機(jī)用的車刀、銑刀、刨刀、鉆頭、絲錐和板牙等。在切削過程中，刀刃與工件及切屑之間的摩擦將導(dǎo)致嚴(yán)重的磨損和切削熱；刃口局部區(qū)域極大的切削力及刀具使用過程中過大的沖擊與振動，可能導(dǎo)致刀具崩刃或折斷。64一、刃具鋼§4工具鋼65一、刃具鋼(1.性能要求)§4工具鋼1）高的硬度（60～66HRC）和耐磨性。2）高的熱硬性，即鋼在高溫下（500～600℃）保持高硬度（60HRC左右）的能力，這是高速切削加工刀具必備的性能。3）適當(dāng)?shù)捻g性。

66一、刃具鋼(2.碳素工具鋼熱處理)§4工具鋼碳素工具鋼須經(jīng)球化退火預(yù)先熱處理以降低硬度（<217HBS）便于切削加工、并為淬火作組織準(zhǔn)備；若鍛造組織不良（如出現(xiàn)網(wǎng)狀碳化物缺陷），則應(yīng)在球化退火之前先進(jìn)行正火處理，以消除網(wǎng)狀碳化物。最終熱處理為淬火＋低溫回火（回火溫度一般180～200℃），正常組織為隱晶回火馬氏體＋細(xì)粒狀滲碳體及少量殘余奧氏體。67一、刃具鋼(2.碳素工具鋼的優(yōu)點(diǎn))§4工具鋼成本低、冷熱加工工藝性能好，在手用工具和機(jī)用低速切削工具上有較廣泛的應(yīng)用；但碳素工具鋼的淬透性低、組織穩(wěn)定性差且無熱硬性、綜合力學(xué)性能（如耐磨性）欠佳，故一般只用做尺寸不大，形狀簡單、要求不高的低速切削工具。

68一、刃具鋼(2.碳素工具鋼的牌號)§4工具鋼69一、刃具鋼(3.低合金刃具鋼成分特點(diǎn))§4工具鋼在碳素工具鋼基礎(chǔ)上添加Si、Mn、Cr、W、Mo、V等合金元素，以提高工具鋼的綜合性能。合金元素總量一般在5％以下，其主要作用是提高鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性、進(jìn)一步改善刀具的硬度和耐磨性；強(qiáng)碳化物形成元素(如W、V等)所形成的碳化物除對耐磨性有提高作用外，還可細(xì)化基體晶粒、改善刀具的強(qiáng)韌性。70一、刃具鋼(3.低合金刃具鋼熱處理特點(diǎn))§4工具鋼低合金工具鋼的淬透性和綜合力學(xué)性能好，可用于制造尺寸較大、形狀較復(fù)雜、受力要求較高的各種刀具；但由于其內(nèi)的合金元素主要是淬透性元素，而不是含量較多的強(qiáng)碳化物形成元素(W、Mo、V等)，故仍不具備熱硬性特點(diǎn)，刀具刃部的工作溫度一般不超過250℃，否則硬度和耐磨性迅速下降，甚至喪失切削能力，因此這類鋼仍然屬于低速切削刃具鋼。71一、刃具鋼(3.低合金刃具鋼牌號)§4工具鋼72一、刃具鋼(4.高速鋼的性能特點(diǎn)

)§4工具鋼高的熱硬性：它可使刀具在高速切削時，刃部溫度上升到600℃，其硬度仍然維持在55～60HRC以上；高硬度和高耐磨性：使切削時刀刃保持鋒利（故也稱“鋒鋼”）；淬透性優(yōu)良：在空氣中冷卻也可得到馬氏體(故又稱“風(fēng)鋼”)。廣泛用于尺寸大、形狀復(fù)雜、負(fù)荷重、工作溫度高的各種高速切削刀具。73一、刃具鋼(4.高速鋼的成分特點(diǎn))§4工具鋼C0.70%～1.5%，強(qiáng)化基體并形成各種碳化物來保證鋼的硬度、耐磨性和熱硬性；Cr4.0%左右，提高淬透性和回火穩(wěn)定性，增加鋼的抗氧化、耐蝕性和耐磨性，并有微弱的二次硬化作用；W、Mo產(chǎn)生二次硬化保證鋼的熱硬性，也有提高淬透性和熱穩(wěn)定性、并進(jìn)一步改善鋼的硬度和耐磨性的作用；V形成細(xì)小穩(wěn)定的VC來細(xì)化晶粒，同時也有加強(qiáng)熱硬性、進(jìn)一步提高硬度和耐磨性的作用。Co、Al是超硬高速鋼中的非碳化物形成元素，能進(jìn)一步提高鋼的熱硬性和耐磨性。

74一、刃具鋼(4.高速鋼的鍛造)§4工具鋼高速鋼屬于萊氏體鋼，故鑄態(tài)組織中有大量的不均勻分布的粗大的魚骨狀共晶碳化物，難于通過熱處理來改善，顯著降低鋼的強(qiáng)、韌性，引起工具的崩刃和脆斷，故要求進(jìn)行嚴(yán)格的鍛造以改善碳化物的形態(tài)與分布。其鍛造要點(diǎn)有：“兩輕一重”—即開始鍛造和終止鍛造時要輕鍛，中間溫度范圍要重鍛；“兩均勻”—即鍛造過程中溫度和變形量的均勻性；“反復(fù)多向鍛造”等。75一、刃具鋼(4.高速鋼的鍛造)§4工具鋼76一、刃具鋼(4.高速鋼的熱處理)§4工具鋼球化退火(預(yù)先熱處理降低硬度207～255HB)（機(jī)械加工）淬火冷處理(－80℃左右)減少殘余奧氏體高溫回火(550～570℃高溫回火2～4次)77一、刃具鋼(4.高速鋼的熱處理工藝)§4工具鋼W18Cr4V高速鋼的預(yù)備熱處理78一、刃具鋼(4.高速鋼的熱處理工藝)§4工具鋼W18Cr4V鋼的淬火回火曲線和顯微組織79一、刃具鋼(4.高速鋼的硬度與T回)§4工具鋼80一、刃具鋼(4.高速鋼的表面強(qiáng)化處理)§4工具鋼表面強(qiáng)化處理可有效地提高高速鋼刀具的切削效率和壽命，因而受到了普遍重視和廣泛的應(yīng)用。可進(jìn)行的表面強(qiáng)化處理方法很多，常見的主要有：表面化學(xué)熱處理（如滲氮）表面氣相沉積(化學(xué)、物理氣相沉積TiN涂層)激光表面處理(刀具壽命可提高百分幾十到幾倍甚至十倍以上)81一、刃具鋼(4.高速鋼的牌號)§4工具鋼82一、刃具鋼(5.硬質(zhì)合金)§4工具鋼硬質(zhì)合金：將特制的高熔點(diǎn)、高硬度的金屬碳

化物粉末和粘結(jié)劑混合、壓制成型，

再經(jīng)過燒結(jié)而成的一種粉末冶金材料。特點(diǎn)：高硬度（HRA87-93）、高熱硬性

（1000℃）、切削速度高（高速鋼的

4-7倍、壽命提高5-8倍）。83一、刃具鋼(5.硬質(zhì)合金－鎢鈷類)§4工具鋼組成：以WC粉末和軟的Co粉末制成。牌號：YG（硬鈷）YG3—含Co3%，其余為WC特點(diǎn)：隨鈷含量的增加韌性增加，

硬度和耐磨性下降用途：加工鑄鐵、非鐵合金、塑料等84一、刃具鋼(5.硬質(zhì)合金－鎢鈷鈦類)§4工具鋼組成：以TiC、WC和Co的粉末制成。牌號：YT（硬鈦）YT5—含TiC為5%，

其余為WC和Co特點(diǎn)：很高的熱硬性，抗彎強(qiáng)度與韌性比YG低用途：加工合金鋼、耐熱鋼等85一、刃具鋼(5.硬質(zhì)合金－剛結(jié))§4工具鋼組成：以TiC、WC和VC為硬結(jié)相、以高速鋼或

鉻鉬鋼等粉末作為粘結(jié)劑，用粉末冶金

的方法制成的合金。牌號：YT（硬鈦）YT5—含TiC為5%，

其余為WC和Co特點(diǎn)：韌塑性好，能冷熱加工，可以整體成形用途：加工合金鋼、耐熱鋼等86一、刃具鋼(5.硬質(zhì)合金－涂層)§4工具鋼組成：在高速鋼或硬質(zhì)合金刀具的表面上用

氣相沉積法涂覆一層耐磨性高的金屬

化合物。涂層：TiC、TiN、Al2O3、NbC、HfN、BN等。特點(diǎn)：硬度高、熱硬性高、耐磨性好。87二、模具鋼§4工具鋼模具是用于進(jìn)行壓力加工的工具，根據(jù)其工作條件及用途不同，常分為冷作模具、熱作模具和成形模具（其中主要是塑料模）等三大類。模具品種繁多，性能要求也多種多樣，可用于模具的鋼種也很多，如碳素工具鋼、（低）合金工具鋼、高速鋼、滾動軸承鋼，不銹鋼和某些結(jié)構(gòu)鋼等。

88二、模具鋼(1.冷作模具鋼)§4工具鋼工作條件與性能要求：在常溫下使金屬材料變形成型的模具用鋼，工作溫度200～300℃；模具承受很大的載荷及摩擦、沖擊作用；冷作模具鋼應(yīng)具有高硬度、高耐磨性、高強(qiáng)度和足夠的韌性；冷作模具對淬透性、耐磨性尤其是韌性方面的要求更高一些，冷作模具鋼應(yīng)是高碳成分并多在回火馬氏體狀態(tài)下使用。89二、模具鋼(1.冷作模具鋼)§4工具鋼常用冷作模具鋼：碳素工具鋼(T10、T10A)

[尺寸較小的冷作模具鋼]低合金工具鋼(9SiCr、9Mn2V)

[中小尺寸模具鋼]中、高鉻模具鋼(Cr12、Cr12MoV)

[尺寸大、形狀復(fù)雜、精度高的重載模具]

高速鋼類模具鋼(W6Mo5Cr4V2、6W6Mo5Cr4V)

[冷、熱模具鋼均可]90二、模具鋼(1.冷作模具鋼)§4工具鋼冷作模具制作工藝(Cr12、Cr12MoV)

：下料鍛造退火機(jī)械加工淬火回火精磨或電火花加工成品91二、模具鋼(2.熱作模具鋼)§4工具鋼工作條件與性能要求：使熱態(tài)金屬（固態(tài)或液態(tài)）成形的模具用鋼。熱鍛模工作部分的溫度會升高到300～400℃、熱擠壓模可達(dá)500～800℃、甚至近1000℃，因交替加熱冷卻的溫度循環(huán)產(chǎn)生交變熱應(yīng)力；熱作模具常見的失效形式有變形、磨損、開裂和熱疲勞等，要求模具鋼應(yīng)具有良好的高溫強(qiáng)韌性、高的熱疲勞和熱磨損抗力、一定的抗氧化性和耐蝕性等。

92二、模具鋼(2.熱作模具鋼)§4工具鋼常用熱作模具鋼：

93二、模具鋼(2.熱作模具鋼)§4工具鋼熱鍛模生產(chǎn)工藝（5CrMnMo）：下料鍛造退火機(jī)械加工淬火回火精加工94三、量具鋼§4工具鋼量具是度量工件尺寸形狀的工具，是計量的基準(zhǔn)，如卡尺、塊規(guī)、塞規(guī)及千分尺等。由于量具使用過程中常受到工件的摩擦與碰撞，且本身須具備極高的尺寸精度和穩(wěn)定性，故量具鋼應(yīng)具備以下性能：

1）高硬度（58～64HRC）和高耐磨性。2）高的尺寸穩(wěn)定性（要求組織穩(wěn)定性高）。3）一定的韌性和特殊環(huán)境下的耐蝕性。95三、量具鋼(熱處理特點(diǎn))§4工具鋼

1.淬火加熱時進(jìn)行預(yù)熱，以減小變形，這對形狀復(fù)雜的量具更為重要。

2.在保證力學(xué)性能的前提條件下降低淬火溫度，盡量不采用等溫淬火或分級淬火工藝，減少殘余奧氏體的生成。3.淬火后立即進(jìn)行冷處理(-80℃)減小殘余奧氏體量，延長回火時間，回火或磨削之后進(jìn)行長時間的低溫時效處理等。96特殊性能鋼§5特殊性能鋼特殊性能鋼是指以某些特殊物理、化學(xué)或力學(xué)性能為主的鋼種，其類型很多，在工程上常用的主要有:

※不銹鋼

※耐熱鋼

※耐磨鋼

97一、不銹鋼§5特殊性能鋼不銹鋼通常是不銹鋼（耐大氣、蒸汽和水等弱腐蝕介質(zhì)腐蝕的鋼）和耐酸鋼（耐酸、堿、鹽等強(qiáng)腐蝕介質(zhì)腐蝕的鋼）的統(tǒng)稱，全稱不銹耐酸鋼。廣泛用于化工、石油、衛(wèi)生、食品、建筑、航空、原子能等行業(yè)。98一、不銹鋼(1.金屬的腐蝕與防腐)§5特殊性能鋼化學(xué)腐蝕電化學(xué)腐蝕

99一、不銹鋼(1.金屬的腐蝕與防腐)§5特殊性能鋼“多項(xiàng)”易腐蝕，單項(xiàng)不易腐蝕兩相若電極電位接近耐腐蝕(Cr、Ni提高基體電極電位)表面致密的氧化膜也耐腐蝕(Al2O3、Cr2O3)100一、不銹鋼(2.不銹鋼分類與常用牌號)§5特殊性能鋼不銹鋼按其正火組織不同分為五類：馬氏體型；鐵素體型；奧氏體型；雙相型；沉淀硬化型；(奧氏體型不銹鋼約占不銹鋼總產(chǎn)量的70％)

101一、不銹鋼(2.不銹鋼分類與常用牌號)§5特殊性能鋼鐵素體不銹鋼：

碳含量<0.15%、鉻含量12％～30％，耐蝕性優(yōu)于馬氏體不銹鋼。Cr是鐵素體形成元素，致使此類鋼從室溫到高溫（1000℃左右）均為單相鐵素體；塑性加工、切削加工和焊接性較優(yōu)。主要用于對耐蝕性和抗氧化性有較高要求的零件，如耐硝酸、磷酸結(jié)構(gòu)和抗氧化結(jié)構(gòu)。

常見的鐵素體不銹鋼有0Cr13、1Cr17、1Cr28等。102一、不銹鋼(2.不銹鋼分類與常用牌號)§5特殊性能鋼

馬氏體不銹鋼：碳0.1%～1.0%，鉻12%～18%。此類鋼只在氧化性介質(zhì)中(如大氣、海水、氧化性酸)耐蝕，而在非氧化性介質(zhì)中(如鹽酸、堿溶液等)耐蝕性很低；鋼的耐蝕性隨鉻含量的降低和碳含量的增加而降低，鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性則隨碳的增加而改善。

常見的有：低、中碳的Cr13型（如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13）和高碳的Cr18型（如9Cr18、9Cr18MoV等）。103一、不銹鋼(2.不銹鋼分類與常用牌號)§5特殊性能鋼

奧氏體不銹鋼：是在Cr18Ni8(18-8)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，低碳(＜0.12％)、高鉻(＞17％~25％)和較高鎳(8％~29％)；此類鋼具有最佳的耐蝕性，但相應(yīng)地價格也較高；優(yōu)良的低溫韌性、高的加工硬化能力、耐熱性和無磁性，其冷塑性加工性和焊接性能較好。以Cr18Ni8普通型奧氏體不銹鋼用量最大，牌號有1Cr18Ni9，1Cr18Ni9Ti及0Cr18Ni9等。104一、不銹鋼(2.不銹鋼分類與常用牌號)§5特殊性能鋼105二、耐熱鋼§5特殊性能鋼在高溫下具有高的熱化學(xué)穩(wěn)定性和熱強(qiáng)性的特殊鋼稱之為耐熱鋼。廣泛用于制造工業(yè)加熱爐、熱工動力機(jī)械（如內(nèi)燃機(jī)）、石油及化工機(jī)械與設(shè)備等高溫條件工作的零件。106

高溫力學(xué)性能指標(biāo)有：①蠕變極限：材料在高溫長期載荷下對緩慢

塑性變形（即蠕變）的抗力；以表示

700℃下經(jīng)1000h產(chǎn)生0.2%殘余變形量的最大

應(yīng)力。②持久強(qiáng)度：材料在高溫長期載荷下對斷裂的

抗力；以表示在500℃下經(jīng)10000h發(fā)生

斷裂的應(yīng)力值。二、耐熱鋼（性能指標(biāo)）§5特殊性能鋼107①常用Cr、Al、Si抗氧化性元素在鋼表面生成致密穩(wěn)定連續(xù)而牢固的Cr2O3、Al2O3、SiO2氧化膜，但Al、Si明顯增加鋼的脆性，常與Cr一起加入；當(dāng)Cr達(dá)5％時，工作溫度達(dá)600～650℃，達(dá)28％時，工作溫度可達(dá)1100℃。②微量稀土(RE)元素如釔(Y)、鑭(La)等，能防止高溫晶界的優(yōu)先氧化，明顯改善耐熱鋼的抗氧化性。③金屬表面滲Cr、Al、Si也有效提高鋼抗氧化性。二、耐熱鋼（提高熱強(qiáng)性_抗氧化性

）§5特殊性能鋼108①基體固溶強(qiáng)化元素Cr、Ni、W、Mo等，形成單相組織并提高再結(jié)晶溫度。②第二相沉淀強(qiáng)化元素V、Ti、Nb、Al等，形成細(xì)小彌散分布的穩(wěn)定碳化物(VC、TiC、NbC)或穩(wěn)定性更高的金屬間化合物(Ni3Ti、Ni3Nb、Ni3Al)，獲得第二相沉淀強(qiáng)化效果并提高組織穩(wěn)定性。③微量晶界強(qiáng)化元素硼(B)與稀土(RE)元素，起凈化晶界或填充晶界空位的作用。二、耐熱鋼（提高熱強(qiáng)性_熱強(qiáng)性）§5特殊性能鋼109組織為細(xì)片P＋F，在600℃以下工作的熱工動力機(jī)械和石油化工設(shè)備。碳0.10%～0.40%；耐熱性合金Cr、Mo、W、V、Ti、Nb等強(qiáng)化鐵素體并防止碳化物的球化聚集長大以保證熱強(qiáng)性。①低碳12CrMo、15CrMoV，優(yōu)良的冷熱加工性能，主要用做鍋爐管線等，正火后使用。②中碳35CrMo、35CrMoV，調(diào)質(zhì)后使用，具有優(yōu)良的高溫綜合力學(xué)性能，主要用做耐熱的緊固件和汽輪機(jī)轉(zhuǎn)子。二、耐熱鋼（常用耐熱鋼_珠光體）§5特殊性能鋼110空冷形成馬氏體＋高溫回火狀態(tài)下使用：①低碳高鉻型，Cr13型不銹鋼加入Mo、W、V、Ti、Nb等元素而形成，牌號有1Cr11MoV、1Cr12WMoV等,因這種鋼還有優(yōu)良的消振性，最適宜制造工作溫度在600℃以下的汽輪葉片，故又稱葉片鋼。②中碳鉻硅鋼，4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo等，既有良好的高溫抗氧化性和熱強(qiáng)性，還有較高的硬度和耐磨性，最適合于制造工作溫度在750℃以下的發(fā)動機(jī)排氣閥，故又稱氣閥鋼。

二、耐熱鋼（常用耐熱鋼_馬氏體）§5特殊性能鋼111在奧氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上＋W、Mo、V、Ti、Nb、Al等，強(qiáng)化奧氏體并能形成穩(wěn)定的特殊碳化物或金屬間化合物。具有比珠光體熱強(qiáng)鋼和馬氏體熱強(qiáng)鋼更高的熱強(qiáng)性和抗氧化性，此外還有高的塑性、韌性及良好可焊性、冷塑性成形性。常用1Cr18Ni12Ti、4Cr14Ni14W2Mo等，用于工作高達(dá)800℃的各類緊固件與汽輪機(jī)葉片、發(fā)動機(jī)氣閥，使用狀態(tài)為固溶處理狀態(tài)或時效處理狀態(tài)。二、耐熱鋼（常用耐熱鋼_奧氏體）§5特殊性能鋼112航空、航天工業(yè)的噴氣式發(fā)動機(jī)在800℃以上的高溫下長期承受一定的載荷工作，耐熱鋼已不能滿足抗氧化性尤其是熱強(qiáng)性要求，此時便應(yīng)采用高溫合金，它包括鐵基、鎳基、鈷基。1.鐵基高溫合金

工作溫度800～900℃的零件，使用狀態(tài)為固溶或固溶＋時效。常用牌號如GH1131，Cr20％、Ni28%、W5％、Mo4％左右。2.鎳基高溫合金基本性能類似于鐵基高溫合金，但熱強(qiáng)性和組織穩(wěn)定性稍優(yōu)；但價格昂貴。如GH3030，Cr20％、微量的Ti、Al等元素。二、耐熱鋼（常用耐熱鋼_高溫合金）§5特殊性能鋼113耐磨鋼：用于制造高耐磨性零件的特殊鋼種，目前尚未形成獨(dú)立的鋼類；廣義上，高碳工具鋼、一部分結(jié)構(gòu)鋼（主要是硅、錳結(jié)構(gòu)鋼）及合金鑄鋼均可用于制造耐磨零件，其中最重要的是高錳耐磨鋼。

三、耐磨鋼§5特殊性能鋼114三、耐磨鋼§5特殊性能鋼115化學(xué)成分：高碳(0.9%~1.5%)、高錳(11％~14％)。鑄態(tài)組織：粗大A＋Fe3C網(wǎng)，脆性大，不直接使用。固