工程材料及其成型性課件

工程材料及其成型性第一章鋼的熱處理原理及工藝第1章鋼的熱處理原理及工藝1.1概述1.1.1熱處理的目的及應(yīng)用鋼熱處理的目的：改變鋼工藝性能和使用性能。鋼的熱處理工藝分為如下幾類：（1）普通熱處理；（2）化學(xué)熱處理；（3）表面熱處理；（4）其他熱處理。1.1.2鋼的臨界溫度

臨界點在Fe－C合金狀態(tài)圖上的位置見圖1-l。Ac1—珠光體向奧氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度，Ar1—奧氏體向珠光體轉(zhuǎn)變的開始溫度；Ac3—鐵素體全部轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了溫度，Ar1—奧氏體開始析出鐵素體的溫度；Accm—二次滲碳體全部溶入奧氏體的終了溫度，Arcm—奧氏體開始析出二次滲碳體的溫度。圖1-1Fe－C合金狀態(tài)圖上臨界點的位置1.2鋼在加熱時的轉(zhuǎn)變1.2.1共析鋼的奧氏體化過程1.奧氏體的形核與長大2.殘餘滲碳體的溶解3.奧氏體成分的均勻化鐵素鐵與滲碳體的相介面上形成奧氏體晶核，見圖1-2。奧氏體形核之後，向鐵素體和滲碳體兩個方向長大，如圖1-3所示。

（a）（b）（c）（d）圖1-2共析成分碳鋼奧氏體形成過程示意圖圖1-3共析鋼加熱時奧氏體中碳濃度的分佈

1.2.2影響奧氏體化的因素1.加熱溫度及加熱速度的影響2.碳及合金元素的影響3.原始組織的影響圖1-4是珠光體向奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線。在連續(xù)升溫加熱時，加熱速度對於奧氏體化過程有重要影響，圖1-5是共析碳鋼的連續(xù)加熱奧氏體化曲線。圖1-4共析碳鋼的等溫奧氏體化曲線圖1-5共析碳鋼連續(xù)加熱奧氏體化曲線1.2.3非共析鋼的奧氏體化過程

亞共析鋼和過共析鋼必須加熱到上臨界點以上，才能全部完成奧氏體化，得到單相奧氏體組織，這種加熱稱為“完全奧氏體化”。如果是在上、下臨界點之間加熱，便會得到兩相組織，除了奧氏體之外，還有一部分尚未轉(zhuǎn)變的先共析相，這種加熱稱為“部分奧氏體化”。1.2.4奧氏體晶粒度1.晶粒大小的表示方法

晶粒的大小通常採用晶粒度等級來表示。2.與晶粒度有關(guān)的概念起始晶粒度、本質(zhì)晶粒度、本質(zhì)粗晶粒鋼、本質(zhì)細(xì)晶粒鋼。見圖1-6。3.奧氏體晶粒大小對鋼力學(xué)性能的影響圖1-6鋼的本質(zhì)晶粒度示意圖1.3鋼在冷卻時的轉(zhuǎn)變

連續(xù)冷卻和等溫冷卻如圖1-7所示。圖1-7冷卻方式示意圖（Ⅰ連續(xù)冷卻；Ⅱ等溫冷卻）1.3.1過冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變1.共析碳鋼C曲線的建立2.對C曲線的分析在A1溫度以下，共析成分奧氏體會發(fā)生三種不同的轉(zhuǎn)變，三種轉(zhuǎn)變發(fā)生在三個不同的溫度區(qū)域。在C曲線的“鼻子”以上部分，即A1～550℃之間，過冷奧氏體發(fā)生珠光體轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是珠光體，這一溫度區(qū)稱為珠光體區(qū)。在C曲線的“鼻子”以下部分，大約550℃～MS點之間，過冷奧氏體發(fā)生貝氏體轉(zhuǎn)變，這一溫度區(qū)稱為貝氏體區(qū)。在MS線以下，過冷奧民體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物是馬氏體，這一溫度區(qū)稱為馬氏體區(qū)。1.3.2過冷奧氏體在連續(xù)冷卻中的轉(zhuǎn)變

圖1-9是共析碳鋼的連續(xù)冷卻C曲線。共析碳鋼的連續(xù)冷卻C曲線最簡單，只出現(xiàn)珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)和馬氏體轉(zhuǎn)變區(qū)，而沒有出現(xiàn)貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)。圖1-10是過共析鋼和亞共析鋼的連續(xù)冷卻C曲線。由圖可見，過共析碳鋼的連續(xù)冷卻C曲線與共析鋼的極為相似，所不同的是有二次滲碳體的析出線。圖1-9共析碳鋼連續(xù)冷卻C曲線（a）（b）圖1-10連續(xù)冷卻C曲線（a.過亞共析鋼；b.亞共析鋼；A.T.奧氏體化溫度）1.3.3珠光體轉(zhuǎn)變

見圖1-11，珠光體轉(zhuǎn)變發(fā)生在C曲線“鼻端”以上，即A1～550℃溫度範(fàn)圍內(nèi)。珠光體轉(zhuǎn)變是由一個單相固溶體分解為成分相差懸殊、晶格截然不同的兩相混合組織。因此，轉(zhuǎn)變時必須進行碳的重新分佈和鐵的晶格重構(gòu)。這兩個過程是依靠碳原子和鐵原子的擴散來完成的，所以，珠光體轉(zhuǎn)變是典型的擴散性轉(zhuǎn)變。圖1-11連續(xù)冷卻C曲線與等溫冷卻C曲線的關(guān)係1.片狀珠光體的形成如圖1-12所示。圖1-12片狀珠光體形成過程示意圖

在過冷度很小的情況下，得到層片較厚的珠光體，如圖1-13所示。過冷度稍大的情況下，得到層片較薄的細(xì)珠光體，如圖1-14所示，這種組織又稱”索氏體”。當(dāng)過冷度再增大，得到層片極細(xì)的“極細(xì)珠光體”，如圖1-15所示，這種組織又稱“屈氏體”。

圖1-13片狀珠光體×500圖1-14片狀索氏體×5000圖1-15片狀屈氏體×15000

2.粒狀珠光體滲碳體呈粒狀形態(tài)分佈於鐵素體基體中，這種組織稱為粒狀珠光體，其金相組織如圖1-16所示。圖1-16粒狀珠氏體×5501.3.4馬氏體轉(zhuǎn)變1.馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)2.馬氏體的組織形態(tài)

（1）片狀馬氏體：在光學(xué)顯微鏡下，片狀馬氏體呈針片狀或竹葉狀，各針片之間呈一定角度，見圖1-17。（2）條狀馬氏體：條狀馬氏體是由平行的一束束的長條狀晶體組成，在一個奧氏體晶粒中可形成幾束不同位向的條狀馬氏體，如圖1-18所示。

圖1-17片狀馬氏體×500圖1-18條狀馬氏體×500

3.馬氏體轉(zhuǎn)變的特點

（1）馬氏體轉(zhuǎn)變的動力學(xué)特點奧氏體剛一過冷到MS點，瞬間便形成一批馬氏體，而不存在孕育期。隨著溫度降低，瞬間又出現(xiàn)一批馬氏體，而先形成的馬氏體片不再長大。繼續(xù)降低溫度，馬氏體就這樣一批又一批地瞬間出現(xiàn)，而並不再大。片狀馬氏體的形成過程見圖1-19。隨著溫度降低，馬氏體量越來越多，如圖1-20所示。圖1-19片狀馬氏體的形成過程圖1-20馬氏體轉(zhuǎn)變數(shù)量與溫度的關(guān)係（2）馬氏體轉(zhuǎn)變的切變特點奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的兩次切變機理如圖1-21所示。一旦共格破壞，均勻切變就不能繼續(xù)進行，馬氏體便停止長大，如圖1-22所示。圖1-21兩次切變機理示意圖

（a）原始狀態(tài)（b）均勻切變（c）不均勻切變（d）不均勻切變（滑移）（孿生）圖1-22共格長大示意圖（a）～（c）保持共格,（d）共格破壞

（a）（b）（c）（d）

第一次均勻切變不僅使晶格重構(gòu)，還使轉(zhuǎn)變部分發(fā)生形狀和體積變化，引起相鄰奧氏體隨之變形，在預(yù)先拋光的試樣表面上出現(xiàn)“浮凸”，如圖1-23所示。圖1-23表面浮凸示意圖

（3）馬氏體轉(zhuǎn)變的比容變化單位品質(zhì)物體所占的體積稱為比容。在鋼中，奧氏體的比容最小，馬氏體的比容最大。（4）奧氏體的穩(wěn)定化在淬火冷卻過程中。由於種種原因會引起奧氏體的結(jié)構(gòu)狀態(tài)或者化學(xué)成分發(fā)生變化，使奧氏體的穩(wěn)定性增高，這種效應(yīng)稱為奧氏體的穩(wěn)定化。奧氏體的穩(wěn)定化可以分為熱穩(wěn)定化、機械穩(wěn)定化和化學(xué)穩(wěn)定化三種，簡單介紹如下。4.馬氏體的力學(xué)性能馬氏體的硬度主要取決於馬氏體的碳濃度，如圖1-24所示。圖1-24馬氏體的硬度與其碳濃度的關(guān)係造成馬氏體強化的原因主要有以下幾方面：（1）碳對馬氏體的固溶強化作用。（2）馬氏體亞結(jié)構(gòu)的強化硬化作用。（3）碳及合金元素在位錯和其他晶體缺陷處偏聚或析出，使位錯難以運動，造成時效硬化。（4）馬氏體條或馬氏體片的尺寸越小，則馬氏體的強度越高。1.3.5貝氏體轉(zhuǎn)變1.貝氏體的組織形態(tài)

（1）上貝氏體；（2）下貝氏體；（3）粒狀貝氏體。2.貝氏體的力學(xué)性能下貝氏體的性能最好，它具有高的強度、韌性和耐磨性。

（a）上貝氏體（b）下貝氏體（c）粒狀貝氏體

圖1-27貝氏體組織特徵示意圖1.3.6魏氏組織

在含碳量小於0.6%的亞共析鋼和含碳量大於1.2%的過共析鋼中，由高溫較快冷卻時，先共析的鐵素體或者滲碳體便沿著奧氏體的一定晶面呈針片狀析出，由晶界插入晶粒內(nèi)部，如圖1-29所示，這種組織稱為魏氏組織。魏氏組織是一種過熱缺陷，奧氏體化溫度高、晶粒粗大時容易出現(xiàn)。鋼中出現(xiàn)魏氏組織，一般可通過退火或正火消除。

（a）鐵素體魏氏組織×150（b）滲碳體魏氏組織×300圖1-29鋼中的魏氏組織

1.4鋼在回火時的轉(zhuǎn)變1.4.1淬火狀態(tài)鋼的不穩(wěn)定性（1）淬火馬氏體處於含碳過飽和狀態(tài)，要分解。（2）殘餘奧氏體處於過冷狀態(tài)，要轉(zhuǎn)變。（3）淬火組織中存在大量晶體缺陷，如位錯、空位、相介面等，都處於不穩(wěn)定狀態(tài)，要減少。（4）淬火鋼中存在著淬火應(yīng)力，不穩(wěn)定，要鬆弛。1.4.2淬火狀態(tài)鋼在回火過程中的組織轉(zhuǎn)變1.馬氏體中過飽和碳原子的偏聚；2.馬氏體的分解；3.碳化物的變化；4.殘餘奧氏體的轉(zhuǎn)變；5.相的回復(fù)再結(jié)晶與碳化物的聚集長大

通常按淬火鋼回火後的組織特徵，將回火產(chǎn)物分為：（1）回火馬氏體；（2）回火屈氏體，圖1-34是回火屈氏體的顯微照片；（3）回火索氏體；圖1-35是回火索氏體的顯微照片；（4）回火珠光體，圖1-36是回火珠光體的顯微照片。

圖1-34回火屈氏體×500圖1-35回火索氏體×500圖1-36回火珠光體×5001.4.3淬火鋼回火過程中力學(xué)性能的變化

圖1-37是不同含碳量鋼的硬度隨回火溫度的變化關(guān)係。圖1-37鋼的硬度隨回火溫度的變化

圖1-3840鋼力學(xué)性能與回火溫度的關(guān)係

1.4.4回火脆性

在回火過程中，隨著回火溫度的升高，鋼的韌性並不是簡單地隨之提高，而是在某些溫度區(qū)間回火後，韌性反而大大降低，這種現(xiàn)象稱為回火脆性。常見的回火脆性有兩種：一種是低溫回火脆性，發(fā)主在250—400℃回火以後；另一種是高溫回火脆性，發(fā)生在450—575℃回火後緩慢冷卻時，若是很快冷卻則不出現(xiàn)。1.5鋼的退火與正火1.5.1鋼的退火退火的目的主要是：（1）降低硬度;（2）消除組織缺陷；（3）通過擴散退火，能消除枝晶偏析，均勻化學(xué)成分；（4）消除內(nèi)應(yīng)力。1.完全退火完全退火又稱重結(jié)晶退火，主要用於亞共析成分的各種碳鋼和合金鋼，其目的在於消除過熱組織，降低硬度，提高塑性，便於切削加工。2.等溫退火

等溫退火使奧氏體在等溫情況下轉(zhuǎn)變?yōu)橹楣怏w，就可以大大縮短整個退火週期，獲得的組織和硬度也比較均勻。等溫退火主要用於要求比較高的合金鋼工件，圖1-39是35CrMo鋼普通退火與等溫退火的工藝比較?？梢姃裼玫葴赝嘶穑雇嘶饡r間明顯縮短。圖1-3935CrMo鋼普通退火與等溫退火的比較3.球化退火球化退火主要用於共析鋼和過共析鋼，目的是降低硬度，改善切削加工性能，並為淬火作組織準(zhǔn)備。球化退火得到的組織是粒狀珠光體。下麵介紹的普通球化退火及等溫球化退火工藝。碳素工具鋼的普通球化退火工藝和等溫球化退火工藝如圖1-40所示。圖1-40T7～T12工具鋼的球化退火工藝曲線4.擴散退火金屬在凝固過程中，往往形成較嚴(yán)重的枝晶偏析。擴散退火的目的是消除枝晶偏析，均勻化學(xué)成分，改善性能。為達到這一目的，擴散退火應(yīng)加熱到較高溫度，保溫較長的時間，以利於合金元素的擴散。5.去應(yīng)力退火為了消除鋼鑄件、鍛件、焊接件、冷衝壓件以及機加工件中的殘餘內(nèi)應(yīng)力，提高尺寸穩(wěn)定性，防止淬火變形開裂，應(yīng)在精加工之前，或者淬火之前進行一次去應(yīng)力退火。6.正火正火的目的在於：（1）細(xì)化組織;（2）增加珠光體的彌散度，使硬度提高，便於切削加工;（3）代替調(diào)質(zhì)處理，為高頻淬火作組織準(zhǔn)備;（4）消除網(wǎng)狀碳化物，便於球化退火;（5）用於大件熱處理，代替淬火;（6）用於淬火返修品，可消除過熱影響，以便重新淬火;（7）不太重要的工件，在正火狀態(tài)使用，性能有所提高。1.6鋼的淬火與回火1.6.1鋼的淬火1.淬火的目的

（1）提高硬度和耐磨性；（2）提高彈性；（3）提高強韌性。2.淬火加熱工藝淬火加熱及保溫的目的是獲得細(xì)而均勻的奧氏體。淬火加熱時間：（min）；淬火加熱溫度見圖1-43。圖1-43碳鋼淬火的加熱溫度範(fàn)圍3.淬火冷卻介質(zhì)

淬火介質(zhì)可以分為兩大類：第一類淬火介質(zhì)的沸點低於工件的淬火溫度，第二類淬火介質(zhì)的沸點高於工件的淬火溫度。4.淬火冷卻工藝常用的淬火冷卻方式有以下幾種：（1）預(yù)冷淬火;

（2）單液淬火；（3）雙液淬火；（4）分級淬火；（5）等溫淬火。上述幾種淬火冷卻方式見圖1-46。圖1-46幾種淬火冷卻方式示意圖

①單液淬火；②雙液淬火；③預(yù)冷淬火；④MS點以下分級淬火；⑤MS點以上分級淬火；⑥兩次分級淬火；⑦雙液等溫淬火；⑧等溫淬火5.鋼的淬透性（1）淬透性的概念它表示鋼在淬火時所能得到的淬硬層深度。鋼的淬透性與淬硬性不同，淬硬性是指鋼在淬火後能夠達到的最高硬度，主要取決於馬氏體的碳濃度。如，高碳工具鋼的淬硬性高，但淬透性很小。而低碳合金鋼的淬硬性不高，但淬透性相當(dāng)大。兩者沒有必然的聯(lián)繫。（2）影響淬透性的因素

1）奧氏體的化學(xué)成分；3）奧氏體的晶粒度；

2）奧氏體的成分均勻性；4）未溶第二相。（3）淬透性的實際意義1.6.2鋼的回火1.回火的目的

減少脆性，滿足對零件的力學(xué)性能要求；消除淬火內(nèi)應(yīng)力；穩(wěn)定組織，防止零件尺寸與形狀的變化。2.回火處理工藝（1）低溫回火；（2）中溫回火；（3）高溫回火；（4）高溫軟化回火。1.6.3淬火及回火的主要缺陷和防止1.硬度低或硬度分佈不均勻2.過熱或過燒缺陷3.淬火變形與開裂1.7鋼的表面淬火

交變電磁場是交變電流通過感應(yīng)圈而產(chǎn)生的，工件放在感應(yīng)圈內(nèi)進行加熱，隨後噴水或浸入水中淬火，如圖1-49所示。圖1-49感應(yīng)加熱表面淬火示意圖1.7.2火焰加熱表面淬火

感應(yīng)加熱表面淬火常用於中碳鋼和中碳合金結(jié)構(gòu)鋼零件，也可用於高碳工具鋼和低合金工具鋼零件及鑄鐵件。在汽車、拖拉機、機床中廣泛應(yīng)用，如曲軸、凸輪、活塞銷、機床齒輪、導(dǎo)軌等。

利用高溫火焰快速加熱工件表層，使之淬火硬化的方法，稱為“火焰淬火”?；鹧娲慊鹨话阌渺吨刑间摫砻鎻娀梢缘玫?～6mm深的淬硬層。1.8鋼的化學(xué)熱處理1.8.1化學(xué)熱處理的基本過程

1.分解過程：分解過程就是由作為活性介質(zhì)的化合物中分解出活性原子的過程。

2.吸收過程：吸收過程就是活性原子由鋼的表面進入鐵的晶格的過程。

3.擴散過程：擴散過程就是滲入鐵中的原子由表面向內(nèi)部擴散遷移的過程。1.8.2鋼的滲碳

把低碳鋼工件放在滲碳性介質(zhì)中，加熱到單相奧氏體區(qū)，保溫足夠長的時間，使表面層的碳濃度提高，這樣一種熱處理工藝稱為滲碳。

1.固體滲碳法；

2.氣體滲碳法；

3.滲碳層的金相組織；

4.滲碳後的熱處理1.8.3鋼的氮化

鋼的表面滲入氮原子的過程稱為氮化。其目的是提高工件表面的硬度、耐磨性、疲勞強度、耐蝕性以及熱硬性等。

1.氣體氮化；

2.離子氮化

碳氮共滲是碳、氮原子同時滲入工件表面的一種化學(xué)熱處理工藝。它是滲碳與氮化工藝的綜合，兼有二者的長處。1.8.4碳氮共滲1.9鋼的形變熱處理1.9.1高溫形變熱處理

高溫形變熱處理是在奧氏體穩(wěn)定區(qū)內(nèi)進行塑性變形，然後立即進行淬火回火的工藝，如圖1.53（a）所示。1.9.2低溫形變熱處理低溫形變熱處理是將鋼加熱至奧氏體狀態(tài)，然後急冷至孕育期最長的溫度（500～600℃），進行大量（70～80%）形變，隨後即進行淬火回火處理，如圖1-53（b）所示。

（a）高溫形變熱處理（b）低溫形變熱處理

圖1-53形變熱處理工藝示意圖工程材料及其成型性第二章合金元素對鋼相變的影響

第2章合金元素對鋼相變的影響2.1合金元素與鐵和碳的作用2.1.1合金元素在鋼中的存在形式

（1）溶入鐵素體、奧氏體和馬氏體中，以固溶體的溶質(zhì)形式存在；（2）形成強化相，如形成合金滲碳體，形成特殊碳化物或金屬間化合物等；（3）形成非金屬夾雜物，如合金元素與O、N、S作用形成氧化物、氮化物和硫化物；（4）有些元素如Pb、Cu等既不溶於鐵，也不形成化合物，在鋼中以游離狀態(tài)存在。2.1.2合金元素與鐵的相互作用1.無限擴大γ相區(qū)的元素見圖2-1，合金元素使γ相區(qū)擴大，與γ-Fe形成元限固溶體，與γ-Fe形成有限固溶體。它們均使A3點降低，A4點升高。這類元素有Mn、Ni、Co等。圖2-1擴大γ相區(qū)並與γ-Fe無限互溶的Fe-Me狀態(tài)圖2.有限擴大γ相區(qū)的元素

見圖2-2，合金元素使A3點降低，A4點升高，與α-Fe和γ-Fe均形成有限固溶體，這類元素有C、N、Cu、Zn、Au等。圖2-2擴大γ相區(qū)並與γ-Fe有限互溶的Fe-Me狀態(tài)圖

3．封閉γ相區(qū)，無限擴大α相區(qū)的元素

見圖2-3，合金元素使A3點上升，A4點下降，以至達到某一含量時，A3點與A4點重合，γ相區(qū)被封閉。超過此含量，合金不再有α與γ之間的轉(zhuǎn)變，合金元素與-Fe形成無限固溶體。這類合金元素有Si、Cr、W、Mo、V、Ti、Al等。但應(yīng)指出，含Cr量小於7%時，A3點下降；含Cr量大於7%時，A3點才上升。圖2-3封閉γ相區(qū)並與α-Fe無限互溶的Fe-Me狀態(tài)圖4.縮小γ相區(qū)，但不使γ相區(qū)封閉的元素

見圖2-4，合金元素使A3點上升，A4點下降，使γ相區(qū)縮小但不封閉。這類元素有B、Nb、Ta、Zr等。圖2-4縮小γ相區(qū)的Fe-Me狀態(tài)圖2.1.3合金元素與碳的相互作用

合金元素可分為兩大類：1.非碳化物形成元素非碳化物形成元素包括Ni、Si、Co、Al、Cu、N、P、S等。它們與碳不形成碳化物，但可固溶於Fe中形成固溶體，或者形成其他化合物，如氮可形成氮化物。2.碳化物形成元素碳化物可分為兩大類型：簡單點陣結(jié)構(gòu)和複雜點陣結(jié)構(gòu)。屬於簡單點陣結(jié)構(gòu)有M2C型、MC型，其特點是硬度較高、熔點較高、穩(wěn)定性較好。複雜點陣結(jié)構(gòu)有M23C6型、M7C3型、M3C型，相對於簡單點陣結(jié)構(gòu)的碳化物來說，其特點是硬度較低、熔點較低、穩(wěn)定性較差。值得指出的是M6C型碳化物是複雜點陣結(jié)構(gòu)，但性能接近於簡單點陣結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性要比M23C6型、M7C3型好。碳化物形成的一般規(guī)律（1）碳化物的類型形成的碳化物類型與合金元素的原子半徑有關(guān)。（2）碳化物一般都能溶解一些其他合金元素，構(gòu)成複合碳化物，但都有一定的溶解度。（3）強碳化物形成元素總是優(yōu)先與碳結(jié)合形成碳化物，隨著鋼中碳含量的增加，依次形成碳化物。（4）碳化物在鋼中的穩(wěn)定性取決於金屬元素與碳親和力的大小，金屬元素與碳的結(jié)合強度愈大，在鋼中的穩(wěn)定性也愈大。2.2合金元素對鋼相變的影響2.2.1合金元素對Fe-C相圖的影響1.合金元素對奧氏體相區(qū)的影響凡是擴大γ相區(qū)的元素，如Ni、Co、Mn等，均使S點左移、A3線下降，見圖2-5；凡是縮小γ相區(qū)的元素，如Cr、W、Mo、V、Ti、Si等，均使A3線上升，也使S點左移，如圖2-6所示。圖2-5錳對γ相區(qū)的影響圖

圖2-6鉻對γ相區(qū)的影響

2.合金元素對共析溫度的影響

共析轉(zhuǎn)變涉及α與γ的同素異晶轉(zhuǎn)變和碳化物的析出和溶解。合金元素的存在，改變了鋼的共析溫度，如圖2-7所示。圖2-7合金元素對共析溫度的影響

3.合金元素對共析點含碳量的影響

見圖2-8，所有合金元素均使S點左移。圖2-8合金元素對共析點含碳量的影響2.2.2合金元素對加熱時

奧氏體形成過程的影響

合金元素的加入改變了共析溫度、共析點碳含量和奧氏體中碳的溶解度，使奧氏體形成的溫度條件和碳濃度條件發(fā)生了變化。此外，由於奧氏體的形成是一個擴散過程，合金元素不僅本身擴散困難，而且還影響鐵和碳的擴散。因此，合金元素影響奧氏體化過程。2.2.3合金元素對過冷奧氏體

分解過程的影晌

除Co、Al以外，所有的合金元素都使馬氏體轉(zhuǎn)變溫度下降，如圖2-9所示。

圖2-9合金元素對碳綱C曲線的影響2.2.4合金元素對回火過程的影響1.提高回火穩(wěn)定性

合金元素在回火過程中推遲馬氏體的分解和殘餘奧氏體的轉(zhuǎn)變，即將其推向較高溫度；提高鐵素體的再結(jié)晶溫度；使碳化物難以聚集長大而保持較大的彌散度，因此提高了鋼的回火軟化抗力，即提高了鋼的回火穩(wěn)定性。2.產(chǎn)生二次硬化

Mo、W、V含量較高的鋼回火時，硬度不是隨回火溫度的升高單調(diào)降低，而是到某一溫度（約400℃）後反而開始增大，並在另一更高溫度（一般為550℃左右）達到峰值，如圖2-10所示。圖2-10含碳0.35％鉬鋼的回火溫度與硬度的關(guān)係

3.增大回火脆性和碳鋼一樣，合金鋼也產(chǎn)生回火脆性，而且更顯著，這是合金元素的不利影響。250-400℃間的第一類回火脆性，是由相變機制本身決定的，無法消除，只能避開，但加入1-3％Si，可使其溫區(qū)移向較高溫度。450-600℃間發(fā)生的第二類回火脆性，多發(fā)生在含Mn、Cr、Ni等元素的合金鋼中。這是一種可逆回火脆性，回火後快冷，可以防止其發(fā)生，見圖2-11。圖2-110.3%C，1.47%Cr，3.4%Ni鋼的韌性與回火溫度的關(guān)係2.3鋼的強化機制2.3.1固溶強化固溶強化的強化機制是，由於溶質(zhì)原子與基體金屬原子大小不同，因而使基體的晶格發(fā)生畸變，造成彈性應(yīng)力場。此應(yīng)力場與位錯本身的彈性應(yīng)力場交互作用，增大了位錯運動的阻力，從而導(dǎo)致強化。2.3.2晶粒細(xì)化強化

細(xì)粒細(xì)化強化的機制是：由於晶界的存在，使晶界處彈性變形不協(xié)調(diào)、塑性變形不協(xié)調(diào)。這兩種不協(xié)調(diào)均會在晶界處誘發(fā)應(yīng)力集中，以維持兩晶粒在晶界處的連續(xù)性。其結(jié)果在晶界附近引起二次滑移，使位錯迅速增殖，形成加工硬化微區(qū)，阻礙位錯運動。另外，由於晶界的存在，使滑移位錯難以直接穿越晶界，從而阻礙了位錯的運動。3.3.3第二相強化

運動著的位錯遇到滑移面上的第二相粒子時，或切過或繞過這樣滑移變形才能繼續(xù)進行，見圖2-12。這一過程要消耗額外的能量，故需要提高外加應(yīng)力，所以造成強化。3.3.4位錯強化金屬中位錯密度高，則位錯運動時易於發(fā)生相互交割，形成割階，引起位錯纏結(jié)，因此造成位錯運動的障礙，給繼續(xù)塑性變形造成困難，從而提高了鋼的強度。

（a）位錯切過第二相（b）位錯繞過第二相圖2-12位錯通過第二相粒子的示意圖2.4改善鋼塑性和韌性的途徑2.4.1改善鋼塑性的途徑提高鋼塑性的途徑是，在提高均勻塑性的同時儘量避免或推遲微裂紋的形成。2.4.2影晌鋼塑性的主要因素

1．溶質(zhì)原子的影響

2．晶粒大小對塑性的影響

3．第二相對塑性的影響

4．位錯密度對鋼塑性的影響2.4.3改善鋼韌性的途徑1.韌性的概念韌性是指材料對斷裂的抗力，金屬的斷裂是裂紋的形成和擴展的過程。按照斷裂的性質(zhì)可分為兩類：脆性斷裂和韌性斷裂。實際金屬存在有三種基本形式的斷裂。解理斷裂，金屬沿特定的晶面（鋼的解理面為{100}）斷開，為典型的和最重要的脆性斷裂形式，多發(fā)生在溫度低、加載速度大、金屬塑性差的情況下；

韌窩斷裂，以金屬中某些第二相粒子或夾雜物為中心形成孔洞，然後孔洞長大、匯合而導(dǎo)致斷裂，在斷口上有大量窩坑，是一種韌性斷裂形式；沿晶斷裂，裂紋在晶界產(chǎn)生並沿晶界擴展而發(fā)生斷裂，是脆性斷裂，主要由於晶界上元素富集，析出第二相特別是脆性相所引起的。三種斷裂形式如圖2-13所示。

（a）解理斷裂（b）韌窩斷裂（c）沿晶斷裂圖2-13三種斷裂形式示意圖

材料實際斷裂的形式主要與溫度和應(yīng)力狀態(tài)有關(guān)?？估瓘姸刃§?00MPa的中低強度鋼和抗拉強度大於1000MPa的高強鋼的衝擊韌性隨溫度變化的關(guān)係如圖2-14、2-15所示。2.提高鋼韌性的途徑（1）細(xì)化晶粒；（2）改善基體的韌性；（3）提高回火穩(wěn)定性；（4）細(xì)化碳化物；（5）控制非金屬夾雜和雜質(zhì)元素

圖2-14衝擊韌性與溫度的關(guān)係

圖2-15低合金高強鋼的韌脆轉(zhuǎn)變溫度2.5鋼的分類及編號2.5.1鋼的分類

1.按用途分類：按用途可把鋼分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼、特殊性能鋼三大類。

2.按化學(xué)成分分類：按鋼的化學(xué)成分分為碳素鋼及合金鋼。碳素鋼又按含碳量分為低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼。合金鋼按合金元素總含量分為低合金鋼、中合金鋼、；高合金鋼。

3.按顯微組織分類：按正火後的組織分為鐵素體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼及奧氏體鋼。

4.按冶金品質(zhì)分類：按鋼中有害雜質(zhì)磷、硫含量分類，分為普通品質(zhì)鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼。2.5.2鋼的編號1.非合金鋼（1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼；（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼；（3）碳素工具鋼2.普通低合金結(jié)構(gòu)鋼3.合金結(jié)構(gòu)鋼4.合金工具鋼5.滾動軸承鋼6.不銹鋼及耐熱鋼工程材料及其成型性第三章結(jié)構(gòu)鋼第3章結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼：用於各種工程的金屬結(jié)構(gòu)和制造各種機械零件的鋼。分類：根據(jù)其用途為工程結(jié)構(gòu)鋼（普通結(jié)構(gòu)鋼）及機械結(jié)構(gòu)鋼（優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼）。3.1結(jié)構(gòu)鋼的成分、性能和用途3.1.1普通結(jié)構(gòu)鋼1.普通碳素鋼特點：容易冶煉，工藝性好，價格低廉，性能上能滿足一般工程要求，應(yīng)用較廣。牌號表示方法：Q+屈服強度數(shù)值+品質(zhì)等級（A、

B、C、D、E）+去氧方法（F、

b、Z、TZ）如：Q235BFσb≥235MPa、品質(zhì)為B級的沸騰碳素結(jié)構(gòu)鋼。2.普通低合金鋼在普通低碳鋼基礎(chǔ)上加入少量合金元素製成的鋼。普低鋼比普通低碳鋼具有更高的強度。（1）對普低鋼性能的要求

1）熱軋或正火狀態(tài)下具有較高的強度，特別是屈服強度，並有足夠的塑性及韌性。

2）要求普低鋼的機械時效敏感性小。

3）要求有比碳素鋼更高的耐大氣、海水、土壤腐蝕的能力。

4）良好的焊接性能。（2）合金元素在普低鋼中的作用

1）對力學(xué)性能的影響

2）對耐蝕性和機械時效的影響

3）對焊接性的影響（3）常用鋼種3.鑄鋼

採用鑄鋼件可以不切削或少量切削加工即可使用，能節(jié)省大量材料與加工費。鑄鋼的成分：0.15%～0.6％C，0.2%～0.45%Si，

0.5%～0.8％Mn。牌號表示方法：ZG×××-×××，ZG表示鑄鋼，第一組數(shù)值表示屈服強度（MPa），第二組數(shù)值表示抗拉強度（MPa）。如：ZG270-500，表示σs≥200MPa、

σb≥500MPa的鑄鋼。3.1.2優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼1.優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼的分類及合金元素的作用（1）優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼及其分類根據(jù)其用途分為：滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、及滾動軸承鋼等。根據(jù)成分分為：優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼兩類。按其所含合金元素，合金結(jié)構(gòu)鋼分為錳鋼、鉻鋼、硼鋼、鉻錳鋼、矽錳鋼、鉻錳鈦鋼等。（2）合金元素的作用

1）提高鋼的淬透性；2）提高鋼的回火穩(wěn)定性；3）細(xì)化晶粒；4）固溶強化；5）防止第二類回火脆性2.常用優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼（1）滲碳鋼

用途：用於製造齒輪、凸輪、活塞銷、量具等在承受衝擊和磨損的條件下工作的零件。

成分：0.1%～0.25%C，加入鉻、錳、鎳、硼、鉬、釩、鎢、增加淬透性，改善滲碳性能。熱處理：淬火+低溫回火，使零件達到“表硬裏韌”的要求。

常用鋼種：小型件用15、20鋼；尺寸較小，除要求耐磨、承受衝擊的零件用20Cr、20Mn2B鋼；尺寸較大、高載荷的重要零件20CrMnTi、20MnTiB鋼等；大尺寸、高載荷、表面要求高硬度、高耐磨性的極重要零件用高級滲碳鋼20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W鋼。

（2）調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼：指採用調(diào)質(zhì)處理的碳素結(jié)構(gòu)鋼與合金結(jié)構(gòu)鋼。成分：0.30%～0.60%C，要求強度、硬度高，碳量取上限；要求高塑性、韌性，碳量取下限。加錳、鉻、矽、鎳、硼等增加淬透性；加入釩細(xì)化晶粒，提高綜合力學(xué)性能，加鉬、鎢防止或減輕第二類回火脆性。常用鋼種的用途：45鋼製造各種齒輪、軸、活塞銷等；40Cr鋼製造較重要的調(diào)質(zhì)件如汽車、拖拉機上的連桿、螺栓、傳動軸、轉(zhuǎn)向節(jié)及機床上的主軸、變速齒輪、蝸桿、偏心輪等；500℃以下溫度工作的重要結(jié)構(gòu)零件，如汽輪機轉(zhuǎn)子、葉輪、連桿等，可採用35CrMo、40CrMnMo鋼等。含鉻鎳的高級合金調(diào)質(zhì)鋼，用於製造大截面、承受重負(fù)荷的重要零件。

（3）彈簧鋼彈簧鋼：專門用來製造彈簧或要求類似性能的零件的鋼種。彈簧鋼分類：碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼。成分：碳素彈簧鋼含0.6%-0.9%C；合金彈簧鋼的含0.45%-0.70%C，加錳、矽、鉻等增加淬透性、強化鐵素體、提高回火穩(wěn)定性。加少量鎢、鉬、釩等碳化物形成元素，以進一步增加淬透性、細(xì)化晶粒、增加回火穩(wěn)定性、提高屈強比以及耐熱性。（4）滾動軸承鋼滾動軸承鋼：用來製造各種滾動軸承套圈和滾動體的專用鋼性能要求：具有足夠高的抗壓強度和很高的抗接觸疲勞能力，具有高的硬度和耐磨性，有一定的韌性、耐蝕性和尺寸穩(wěn)定性。常用鋼鐘：GCr15鋼，較大型軸承用GCr15SiMn

鋼。成分：0.95%～1.15%C，高碳量保證軸承鋼具有高的硬度與耐磨性。1%Cr，一部分溶入固溶體，增加淬透性；一部分與碳形成碳化物獲得高而均勻的硬度及耐磨性；鉻還能提高耐蝕性及磨削性。加入矽、錳進一步提高淬透性、回火抗力。3.2結(jié)構(gòu)鋼的焊接性能

（1）普通低合金鋼：屈服強度為300～500MPa，廣泛地應(yīng)用於各類焊接結(jié)構(gòu)。（2）低碳調(diào)質(zhì)鋼：屈服強度一般為500～1000MPa，有高的強度，兼有良好的塑性和韌性。焊接結(jié)構(gòu)中用得也較廣。（3）中碳調(diào)質(zhì)鋼：屈服強度900～1200MPa。強度高、韌性較低，焊接較困難，焊後需進行調(diào)質(zhì)處理。3.2.1普通低合金鋼的焊接性能

普通低合金鋼的焊接性主要表現(xiàn)為兩方面的問題，一是各類裂紋，二是脆化問題。

1.焊縫中的熱裂紋；

2.冷裂紋；

3.再熱裂紋；

4.層狀撕裂；

5.熱影響區(qū)性能變化3.2.2低碳調(diào)質(zhì)鋼的的焊接性能1.焊縫中的熱裂紋2.HAZ液化裂紋（1）液化裂紋傾向分析（2）工藝因素的影響①線能量的影響②熔池形狀的影響3.冷裂紋4.再熱裂紋5.層狀撕裂6.熱影響區(qū)的性能變化（1）過熱區(qū)的脆化（2）焊接熱影響區(qū)的軟化3.3.3中碳調(diào)質(zhì)鋼的焊接性能1.焊縫中的熱裂紋2.冷裂紋中碳調(diào)質(zhì)鋼的淬硬傾向十分明顯，冷裂傾向較為嚴(yán)重，這是由於中碳調(diào)質(zhì)鋼的含碳量較高，加入的合金元素也較多，在500℃以下的溫度區(qū)間過冷奧氏體具有更大的穩(wěn)定性所致（圖3-1）。3.熱影響區(qū)的性能變化（1）過熱區(qū)的脆化（2）焊接熱影響區(qū)的軟化圖3-130CrMnSi和40CrNiMo鋼的等溫轉(zhuǎn)變曲線

a）30CrMnSi b）40CrNiMo3.3結(jié)構(gòu)鋼的鑄造性能

與鑄鐵相比，鋼的鑄造性能是比較差的。由於鋼的熔點較高，結(jié)晶溫度間隔較寬，收縮量較大，故鋼液的流動性較低，縮孔及縮松傾向較大，容易形成熱裂和冷裂等缺陷。3.3.1流動性

（1）澆注溫度的影響（2）鋼液含碳量的影響，見圖3-2。（3）鋼液中氣體和夾雜物的影響（4）合金元素的影響圖3-2鐵-碳合金液的流動性

3.3.2體積收縮率

與縮孔率

鑄鋼件的縮孔率與鋼的含碳量有關(guān)，見圖3-3。圖3-3鑄鋼件的縮孔率與鋼的含碳量的關(guān)係

3.3.3線收縮率

碳鋼的線收縮曲線的一般形式見圖3-4，整個收縮過程分為三個階段：共析轉(zhuǎn)變前收縮（曲線上OA段），共析轉(zhuǎn)變過程中膨脹（曲線上AB段）及共析轉(zhuǎn)變後收縮（曲線上BC段）。圖3-4共析碳鋼的自由線收縮曲線3.3.4熱裂傾向

影響鋼形成熱裂的主要因素是：（1）含碳量，見3-5圖。（2）含硫量（3）含錳量，見圖3-5。（4）含氧量圖3-5含碳量、含錳量和澆注溫度對鋼熱裂抗力的影響，圖中黑點表示形成熱裂時的溫度3.3.5冷裂傾向

冷裂是當(dāng)鑄件已完全凝固以後，冷卻至彈性-塑性轉(zhuǎn)變溫度以下時形成的，影響冷裂的主要因素是：（1）含碳量；（2）含硫量；（3）含磷量；（4）含氧量3.4結(jié)構(gòu)鋼的鍛造性能可鍛性：表示金屬材料在鍛造時變形的難易程度，可鍛性用塑性和變形抗力兩個指標(biāo)來衡量。3.4.1合金元素和雜質(zhì)對鋼塑性的影響

1）碳和雜質(zhì)元素的影響

2）合金元素對鋼塑性的影響3.4.2鋼的高溫塑性

高溫塑性檢測方法：熱扭轉(zhuǎn)試驗是測量鋼的可鍛性的常用手段，某一溫度下扭轉(zhuǎn)圈數(shù)最多，認(rèn)為是該材料的在該溫度下塑性最好，見圖3-6。圖3-6不同鋼種的高溫塑性

鑄態(tài)鋼和鍛態(tài)鋼加工塑性與溫度的關(guān)係如圖3-7所示。

圖3-7鑄態(tài)鋼和鍛態(tài)鋼加工塑性的比較3.4.3變形抗力和鍛造溫度（１）變形抗力塑性變形抗力：是指金屬抵抗形狀變化和殘餘變形的能力。可以用扭轉(zhuǎn)試驗測得的扭矩進行變形抗力的相對比較。圖3-8為幾種碳鋼及合金鋼在熱扭轉(zhuǎn)試驗中的扭矩與溫度的關(guān)係。圖3-9為1020（20鋼）、4340鋼（40CrNiMoA）和AISIA6工具鋼的實際鍛造壓力。圖3-8幾種碳鋼和合金用變形抗力與溫度的關(guān)係

圖3-9三種鋼鍛造壓力與溫度的關(guān)係

（2）鍛造溫度範(fàn)圍常見碳鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼的鍛造溫度見圖3-10、3-11。圖3-10碳鋼的鍛造溫度範(fàn)圍圖3-1130CrMnSiA鋼的塑性圖及變形抗力圖工程材料及其成型性第四章工具鋼第4章工具鋼1.工具鋼的定義用於製造各種切削刀具、冷熱加工模具、量具用鋼。2.工具鋼牌號表示方法按成分不同，工具鋼分為三類：碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼。（1）碳素工具鋼鋼號表示方法：例：T10A—1％C的高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼；

T8—0.8％C的碳素工具鋼。（2）合金工具鋼鋼號表示方法：例：①5Cr4W5Mo2V—

0.5％C，4％Cr，

5％W；2％Mo，1％V；②Cr—≥1％C，l％Cr；

（3）高速鋼鋼號表示方法：元素符號×

高速鋼的含碳量不標(biāo)注（0.7-1.65%C）；元素符號×—合金元素，含量百分之幾；例：W18Cr4V；

18％W，4％Cr，1％V。3.改變工具鋼性能的熱處理（1）球化退火將鋼加熱到共析溫度以上(20～30)℃，保溫，爐冷。球化退火得到粒狀珠光體——鐵素體基體上分佈粒狀碳化物。強度低，硬度低，易加工。（2）淬火十低溫回火淬火：加熱到A區(qū)，保溫，快速冷卻，得到馬氏體。硬度高，易變形開裂。低溫回火：淬火後，重新加熱到150～

250℃，保溫，緩冷，得到回火馬氏體組織，硬、耐磨、強韌性好。4.1刃具鋼主要用來製造切削工具，如車刀、銑刀、刨刀等

1.對刃具鋼性能的要求（1）高硬度和高耐磨性：硬度必須高於被切削材料，HRC60以上；耐磨性高刃具的壽命長。（2）足夠的韌性：以防止脆性斷裂和崩刃。2.刃具鋼的分類按成分分類：碳素工具鋼、低合金工具鋼、高速鋼4.1.1碳素工具鋼

1.化學(xué)成分(0.65～1.35)%C，過共析鋼；嚴(yán)格控制S、P。2.熱處理切削加工前：球化退火以改善切削加工性能，退火後硬度低於HB217。切削加工後：淬火+低溫回火，高硬度、高耐磨性，良好的韌性。3.常用鋼種T7、T8：中等硬度、韌性較高。製造受衝擊載荷的工具，如小型沖頭、鑿子、錘子等。T9～T11：高硬度、中等韌性。製造受衝擊載荷較小的工具，如鑽頭、絲錐、車刀等。T12、T13：高硬度、高耐磨性、韌性較低，如銼刀、精車車刀等。T7A～T13A：高級優(yōu)質(zhì)鋼，韌性好些，淬火時產(chǎn)生裂紋的傾向小，製造形狀較複雜的工具。碳素工具鋼常用牌號、成分和用途見表4-1。

4.1.2低合金工具鋼

碳素工具鋼成本低，應(yīng)用廣泛。但對硬度、耐磨性、切削速度要求較高時，不能滿足需要。低合金工具鋼的合金元素總量低於5%。1.化學(xué)成分（0.75～1.5）%C，屬過共析成分；

W、V、Cr、Mn、Si，提高耐磨性、硬度、淬透性（淬火後，淬硬層的深度）；2.熱處理切削加工前，球化退火；切削加工後，淬火+低溫回火。3.常用鋼種及用途見表4-2。Cr、CrMn、CrWMn、9SiCr等，製造硬度、耐磨性、切削速度要求較高的切削刀具，如車刀、銑床刀、刨刀、鑽頭等。4.1.3高速鋼

用於製造高速切削的刀具，紅硬性高。紅硬性：高溫下的硬度。高速切削發(fā)熱，刀具在高溫下工作。要求溫度不超過600℃時，高速鋼的硬度在HRC60以上。1.化學(xué)成分含有（0.7～1.65）％C；含有W、Mo、V、Cr等。W、Mo、V提高紅硬性、耐磨性；Cr提高抗氧化性。屬高合金鋼，合金元素總含量大於10%。常用鋼種：見表４-２。常用W18Cr4V。2.W18Cr4V鋼的鑄態(tài)組織見圖4-1。黑色塊狀為珠光體，黑狀之間的白色網(wǎng)狀是萊氏體，萊氏體是脆性相，大大地降低了鋼的韌性。圖4-1W18Cr4V鋼的鑄態(tài)組織（400×）3.W18Cr4V鋼的鍛造和熱處理（1）切削加工前鍛造和球化退火

1）鍛造：多次鐓粗、拔長，使萊氏體破碎、均勻分佈；

2）球化退火：使碳化物成為球狀，降低硬度，提高切削性能。組織見圖4-2。圖4-2W18Cr4V鋼鍛造和球化退火後的組織（400×）（2）切削加工後淬火+回火

W18Cr4V鋼的淬火+回火工藝曲線如圖4-3所示。圖4-3W18Cr4V鋼的熱處理工藝1）加熱：採用分級預(yù)熱，含有大量合金元素，導(dǎo)熱性差，直接加熱易變形、開裂；2）保溫：1270-1300℃，珠光體+碳化物→奧氏體；3）淬火：快速冷卻到共析溫度以下，奧氏體→馬氏體+碳化物+殘餘奧氏體。適當(dāng)保溫，以降低工件溫差減小熱應(yīng)力，防止變形及開裂；4）回火：多次回火的目的是消除殘餘奧氏體，提高工件的硬度。馬氏體+碳化物+殘餘奧氏體→馬氏體+碳化物。4.高速鋼的鋼種及發(fā)展（1）W系高速鋼：含18%W，紅硬性高，但脆性大、易崩刃。（2）Mo系高速鋼：含8%Mo，紅硬性高，但脫碳傾向大。（3）W-Mo系高速鋼：含6%W、5%Mo，兼有W、Mo

系的優(yōu)、缺點。（4）新型高速鋼

1）高釩高速鋼：4～5%V，高紅硬性、耐磨性，但磨削加工性差。

2）高鈷高速鋼，5～12%Co，高紅硬性和使用壽命，但脆性、脫碳傾向大。

3）超硬高速鋼，含有多種強碳化物元素，

HRC68～70，適用於難切削材料。4.2模具鋼4.2.1冷作模具鋼1.冷作模具鋼的工作條件及對其性能的要求承受很大的壓力、衝擊力，通常是由於磨損、變形、斷裂而報廢。高硬度、高耐磨性、足夠的強度和韌性。2.常用鋼種（1）碳素工具鋼：T7A～T12A，容易加工、價格便宜。製造尺寸小、形狀簡單、負(fù)荷輕的模具，如小沖頭。（2）低合金鋼:如9Mn2V，價格比碳素鋼高30％。製造尺寸大、形狀複雜、負(fù)荷輕的模具，如衝壓模。（3）中、高合金鋼：如Cr6WV、Cr12Mo，耐磨性好,製造尺寸大、形狀複雜、負(fù)荷重的模具，如：壓延模、冷鐓模。（4）亞共析合金鋼：如6SiCr，含碳量低、韌性好，製造受衝擊、刃口單薄的模具，如切邊模、沖裁模等。4.2.2熱作模具鋼1.熱作模具鋼的工作條件及對其性能的要求與高溫金屬接觸。高溫硬度、高溫強度，抗熱疲勞性能。熱疲勞：型腔表面在高低溫反復(fù)作用下，膨脹、收縮，承受壓、拉作用，產(chǎn)生開裂的現(xiàn)象稱為熱疲勞。提高抗熱疲勞性能的途徑：①降低鋼的含碳量，提高導(dǎo)熱性，熱應(yīng)力降低；②加Cr、W、Si提高鋼的共析溫度，在使用溫度下不會發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，降低組織應(yīng)力。2.常用鋼種（1）錘鍛模：工作溫度300～400℃，受衝擊負(fù)荷，要求高韌性。亞共析低合金鋼，如5CrNiMo。（2）熱擠壓模、壓鑄模：工作溫度500～1000℃，要求高溫強度、耐熱疲勞性。用含碳量較低的合金鋼，如4CrW2Si、3Cr2W8V。

工程材料及其成型性第五章特殊性能鋼第5章特殊性能鋼5.1不銹鋼不銹鋼：是指具有抗腐蝕性能的一類鋼種。分類：按正火組織不銹鋼分為鐵素體型不鏽鋼、馬氏體型不銹鋼、奧氏體型不銹鋼、奧氏體一鐵素體雙相不鏽鋼及沉澱硬化型不銹鋼。5.1.1金屬腐蝕的類型按腐蝕的形貌和分佈，腐蝕主要有以下幾類：（1）均勻腐蝕，見圖5-1（a）。（2）點腐蝕，見圖5-1（b）。（3）晶間腐蝕，見圖5-1（c）。圖5-1常見腐蝕類型示意圖

（4）應(yīng)力腐蝕，金屬在腐蝕介質(zhì)及拉應(yīng)力的共同作用下產(chǎn)生的腐蝕開裂現(xiàn)象稱為壓力腐蝕。（5）疲勞腐蝕，金屬在腐蝕介質(zhì)及交變應(yīng)力共同作用下發(fā)生的破壞稱為疲勞腐蝕。（6）電偶腐蝕，浸泡在電解質(zhì)溶液中的金屬構(gòu)件，當(dāng)其不同部位存在電位差時，電極電位較低的金屬或部位腐蝕加速，這就是電偶腐蝕。5.1.2不銹鋼中合金元素的作用（1）加入Cr、Al、Si等合金元素，鋼表層形成緻密的Al2O3、SiO2、Cr2O3氧化膜，提高鋼的耐蝕性能。（2）加入Cr能顯著提高鋼基體的電極電位。如圖5-2所示。圖5-2鉻含量對Fe-Cr合金電極電位的影響

（3）加入足夠的Cr或Cr-Ni，使鋼在常溫時能以單相狀態(tài)存在，減少微電池數(shù)目，從而提高鋼的耐蝕性。加入Mn、N等代替部分Ni獲得單相奧氏體組織。（4）加Mo、Cu等，能提高鋼抗非氧化性酸腐蝕能力；加入Ti、Nb等能減輕了晶間腐蝕傾向。

鉻、鉬、矽、鋁、鈦、鈮等是鐵素體形成元素，而碳、鎳、錳、氮是奧氏體形成元素。如果鋼中存在幾種元素，則其組織由圖5-3確定。圖5-3不銹鋼組織圖（γ—奧氏體；M—馬氏體；α—鐵素體）5.1.3常用不銹鋼1.馬氏體不銹鋼常用鋼號：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、9Cr18等。耐蝕性能：在水蒸氣、大氣、海水、氧化性酸中耐蝕性好，在硫酸、鹽酸、鹼性溶液中耐蝕性很低。用途：1Crl3、2Crl3鋼用於製作構(gòu)件，有良好的綜合力學(xué)性能；3Cr13、4Cr13及9Cr18用於製作零件、工具及醫(yī)療器械等，有較高的強度、硬度和耐磨性，2.鐵素體不銹鋼成分及組織：13%～30％Cr，<0.15％C；單相鐵素體組織。常用鋼號：

0Cr13、1Cr17、1Cr17Ti、Cr28、1Cr25Ti。性能及用途：有很強的耐酸能力和抗氧化性，用於製造生產(chǎn)硝酸、氮肥、磷肥等設(shè)備和化工管道等。鐵素體不銹鋼的主要缺點是脆性大，引起脆性的原因有：（1）400～525℃停留，沿晶界析出介穩(wěn)相。（2）550～820℃保溫，析出硬脆σ相，使鋼變脆。（3）高溫加熱使晶粒長大。3.奧氏體不銹鋼

（1）奧氏體不銹鋼的成分、組織和性能成分：<0.l％C，18%Cr、8%Ni。組織：單相奧氏體耐蝕性能：奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕；奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕（2）奧氏體不銹鋼的形變強化（3）奧氏體不銹鋼的穩(wěn)定化處理4.奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼成分與組織：在奧氏體不銹鋼的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加Cr含量，減少Ni含量，進行固溶化處理，獲得具有奧氏體-鐵素體的雙相組織不銹鋼。典型鋼號：0Cr21Ni5Ti、0Cr17Mn13Mo2N、1Cr18Mn10Ni5Mo3N、1Cr18Ni11Si4AlTi、1Cr21Ni5Ti。性能：有較好的焊接性，晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕傾向小。5.沉澱硬化型不銹鋼

（1）馬氏體沉澱硬化不銹鋼（2）奧氏體沉澱硬化不銹鋼（3）半奧氏體沉澱硬化不銹鋼5.2不銹鋼的鍛造性能1.不銹鋼在高溫下的變形抗力，見圖5-4、圖5-5。2.鐵素體量對不銹鋼工藝塑性的影響，見圖5-6，圖5-7。3.鐵素體量對馬氏體不銹鋼工藝塑性的影響圖5-8為Fe-12％Cr-C合金相圖，圖5-9是含碳量不同的1Crl3不銹鋼的扭矩和轉(zhuǎn)數(shù)隨溫度變化的關(guān)係。5.2.1不銹鋼的可鍛性圖5-4不同溫度下20鋼與0Cr18Ni9鋼流動應(yīng)力與變形量的關(guān)係圖5-50Cr18Ni9和20碳鋼的流動應(yīng)力與溫度的關(guān)係

圖5-6Fe-18％Cr-8％Ni合金相圖圖5-7鉻鎳不銹鋼的高溫塑性與α（δ）相含量的關(guān)係

圖5-8Fe-12％Cr-C合金相圖圖5-91Cr13鋼的扭矩和破壞前轉(zhuǎn)數(shù)與溫度的關(guān)係（M1、n1—含碳0.15％～0.16％鋼的扭矩和破壞前轉(zhuǎn)數(shù)；M2、n2—含碳0.10％～0.12％鋼的扭矩和破壞前轉(zhuǎn)數(shù)）5.2.2不銹鋼的鍛造溫度範(fàn)圍

（1）鐵素體不銹鋼鐵素體鋼比奧氏體鋼具有更大的晶粒長大傾向，見圖5-10。圖5-10加熱溫度對不銹鋼晶粒大小的影響

（2）奧氏體不銹鋼圖5-11是1Cr18Ni9Ti鋼和0Cr12Mn5Ni4Mo3Al鋼中α（δ）相數(shù)量與加熱溫度的關(guān)係。（3）馬氏體不銹鋼（4）沉澱硬化不銹鋼圖5-11加熱溫度對不銹鋼α（δ）相數(shù)量的影響5.3耐熱鋼5.3.1耐熱鋼的抗氧化性和高溫強度1.抗氧化性見圖5-12，鐵在560℃以下氧化時，氧化層由Fe2O3及Fe3O4組成。在560℃以上氧化時，所形成的氧化層由Fe2O3、Fe3O4及FeO組成。圖5-12氧化膜內(nèi)部原子的擴散及膜的增厚示意圖2.高溫強度

（1）溫度愈高，鋼的強度愈低；（2）鋼在高溫下的強度及變形量不僅與溫度有關(guān)，而且也與時間有關(guān)。提高鋼的熱強性主要途徑：基體強化、第二相強化、晶界強化。5.3.2常用的耐熱鋼1.合金元素的作用；2.常用耐熱鋼的性能（1）珠光體鋼；（2）馬氏體鋼；（3）鐵素體鋼；（4）奧氏體鋼5.4不銹鋼和耐熱鋼的焊接性能5.4.1奧氏體鋼的焊接性能1.焊接接頭的晶間腐蝕

晶間腐蝕和鋼的成分有關(guān)，同時還與加熱條件有關(guān)，如圖5-13所示。見圖5-14，增加強碳化物形成元素Ti時，碳的有害作用減輕。鉻是提高奧氏體不銹鋼耐蝕的主要元素，鉻含量超過12％時鋼就具有較好的耐蝕，參見圖5-15。圖5-13溫度和時間對18-8鋼晶間腐蝕的影響

圖5-14碳與鈦含量對18-8鋼晶間腐蝕的影響圖5-1518-8鋼相圖的低碳部分18-8型不銹鋼焊接接頭一般有三個部位會出現(xiàn)晶間腐蝕現(xiàn)象，如圖5-16所示。圖5-1618-8鋼焊接接頭晶間腐蝕的部位（1—焊縫腐蝕區(qū)；2—敏化腐蝕區(qū)；3—刀狀腐蝕區(qū)）

如圖5-17所示，從整個熱影響區(qū)的碳化物分佈情況看，發(fā)生刀蝕的部位正是M23C6沉澱最顯著的部位。見圖5-18，在固溶處理時Cr23C6將全部溶入固溶體。圖5-17焊接熱影響區(qū)碳化物的分佈（線能量20kJ/cm的熱迴圈，並經(jīng)650℃，50h敏化處理）2.焊接接頭的應(yīng)力腐蝕開裂3.焊接接頭的熱裂從圖5-19可見，嚴(yán)格限制P(以及S），對於防止18-8鋼焊縫裂紋非常有效。圖5-19磷對焊縫熱裂傾向的影響

從18-8鋼焊縫抗晶間腐蝕性能要求考慮，焊縫中有5％左右的δ相，即可有利於提高抗晶腐蝕性能，又可防止產(chǎn)生凝固裂紋，見圖5-20。圖5-2018-8鋼焊縫中δ相對熱裂紋的影響4.奧氏體鋼焊接接頭的力學(xué)性能5.4.2馬氏體鋼及鐵素體鋼的焊接1.馬氏體鋼的焊接2.鐵素體鋼的焊接由於高鉻鐵素體鋼室溫下韌性很低（圖5-21），很容易在接頭上產(chǎn)生裂紋。圖5-21高鉻鐵素體鋼在室溫下的韌性

高純度的高鋁鐵素體鋼有很優(yōu)秀的耐應(yīng)力腐蝕開裂性能，而且純度提高後缺口敏感性並不很大，室溫及低溫下的韌性顯著提高，如圖5-22所示。圖5-22高純度高鋁鐵素體鋼的衝擊功（vW）

5.5不銹鋼和耐熱鋼的鑄造性能

（1）隨著含碳量增加，鋼的熔點下降，而流動性增加。鉻惡化流動性，鎳提高鋼的流動性，錳提高鋼的流動性，矽含量0.17%～0.45％，可改善流動性，鈦、釩、鋁、鋁等均降低流動性，而銅卻顯著提高流動性。（2）鉻、鎳、錳等元素提高鋼的凝固收縮，故它們提高了鋼的縮松和熱裂傾向。（3）含鉻量高，鑄件中容易造成夾雜缺陷。高鉻鋼，由於導(dǎo)熱性低，高溫強度低，因此熱裂傾向大。5.6抗磨鋼5.6.1高錳鋼的成分、熱處理和性能成分：碳含量0.9%～1.4％，含錳量11.0%～14.0％。組織：圖5-23為Fe-C-Mn三元合金相圖13％Mn的截面圖。含碳量與淬火狀態(tài)下的組織之間的關(guān)係如圖5-24所示。圖5-23Fe-C-Mn三元合金13%Mn的截面圖5-24鑄造高錳鋼的淬火組織圖5.6.2化學(xué)成分對高錳鋼性能的影響（1）含碳量、含錳量對鋼性能影響。見圖5-25、5-26。（2）含矽量，高錳鋼中矽的含量為0.3%～1.0%，矽提高奧氏體的硬度和強度，提高鋼的加工硬化能力，故可提高鋼的耐磨性（3）含磷量，磷對鋼韌性的影響見圖5-27。（4）含硫量，硫的有害作用較小。圖5-25工作778小時h後，鋼的磨損量與含碳量的關(guān)係

圖5-26含碳量對高錳鋼衝擊韌性的影響圖5-27磷對高錳鋼衝擊韌性的影響5.6.3改善高錳鋼性能的途徑（1）孕育和變質(zhì)處理；（2）時效強化；（3）合金化5.6.4高錳鋼的鑄造性能（1）流動性好；（2）容易產(chǎn)生化學(xué)粘砂；（3）鑄造應(yīng)力大；（4）易熱裂工程材料及其成型性第六章鑄鐵第6章鑄鐵

鑄鐵生產(chǎn)工藝簡單、成本低、應(yīng)用廣泛。按重量計算，在機床、汽車、拖拉機中，鑄鐵件重量超過機械總重的50％。鑄鐵是含有Fe、C、Si、Mn等元素、結(jié)晶過程中有共晶轉(zhuǎn)變的鐵基合金。6.1鑄鐵的特點和分類6.1.1成分、組織和力學(xué)性能特點（1）成分：主要成分Fe、C、Si、Mn，還含有雜質(zhì)元素P、S等。（2）組織：由金屬基體和石墨組成。金屬基體：P、F、P+F；石墨：片狀、球狀等形態(tài)。（3）力學(xué)性能：石墨的強度很低，塑性接近於0，在鑄鐵中相當(dāng)於空洞，減少了承載面積，造成應(yīng)力集中，因此鑄鐵的力學(xué)性能比碳鋼低。6.1.2鑄鐵的分類1.按碳存在形式分類

（1）白口鑄鐵。碳以滲碳體形式存在，斷口銀白色。硬而脆。製造硬度高、耐磨的零件，應(yīng)用較少。

（2）灰口鑄鐵。碳主要以片狀石墨的形式存在，斷口灰色。有良好的鑄造性能、切削加工性能，應(yīng)用廣泛。

（3）麻口鑄鐵。碳既以滲碳體又以石墨形式存在，灰色斷口上有亮點。很少使用。

2.按石墨形態(tài)分類

片狀石墨灰口鑄鐵球狀石墨球墨鑄鐵蠕蟲狀石墨蠕墨鑄鐵團絮狀石墨可鍛鑄鐵6.2鑄鐵的結(jié)晶6.2.1鐵-碳雙重相圖1.亞穩(wěn)系相圖C與Fe能形成Fe3C，用Fe-Fe3C相圖研究白口鑄鐵組織。Fe3C是不穩(wěn)定相，長期保溫可以分解為F和G，所以Fe-Fe3C稱為亞穩(wěn)相圖。2.穩(wěn)定系相圖C可以形成G，用Fe-G相圖研究灰口鑄鐵的組織，石墨是穩(wěn)定相，F(xiàn)e-G相圖稱為穩(wěn)定系相圖。3.雙重相圖為了進行比較，將兩種狀態(tài)圖疊加在一起，稱為Fe-C雙重相圖，見6-2圖。1500℃線應(yīng)該為細(xì)實線，改過來；改為L。有兩種線條處，虛線表示Fe-G相圖，實線表示Fe-Fe3C相圖；僅有一條線處，表示虛線與實線重疊了。圖6-2鐵-碳合金雙重狀態(tài)圖L－液相；A－奧氏體；C－滲碳體；G－石墨；F－鐵素體

6.2.2灰鑄鐵的一次結(jié)晶液態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為一次結(jié)晶。

亞共晶成分鐵水冷卻到液相線溫度以下開始結(jié)晶，生成奧氏體晶核。進一步冷卻，晶核長大，逐步長成為奧氏體枝晶。鐵水冷卻到共晶溫度以下，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成（A+G）。見圖，形成亞共晶組織。共晶成分鐵水冷卻到到共晶溫度以下，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成（A+G）。見圖。過共晶成分鐵水冷卻到液相線溫度以下開始結(jié)晶，生成初生石墨。冷卻到共晶溫度以下，發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變，形成（A+G）。見圖，形成過共晶組織。見圖。

6.2.3灰鑄鐵的二次結(jié)晶固態(tài)向固態(tài)的轉(zhuǎn)變稱為二次結(jié)晶?；诣T鐵的二次結(jié)晶包括奧氏體中碳的脫溶和共析轉(zhuǎn)變兩個階段。1．奧氏體中碳的脫溶共晶轉(zhuǎn)變後，冷卻時奧氏體中碳的溶解度降低，多餘的碳析出。析出的石墨稱