工程材料及成形工藝 第3版 課件 6章 鋼鐵材料

6.1工業(yè)用鋼的基本知識6.2碳素鋼6.3合金結(jié)構(gòu)鋼6.4合金工具鋼6.5特殊性能鋼6.6鑄鐵第6章鋼鐵材料《工程材料及成形工藝》機(jī)械工業(yè)出版社為什么在臥式車床上使用這么多的鋼鐵材料呢？1工業(yè)用鋼的分類按用途分結(jié)構(gòu)鋼工具鋼特殊性能鋼不銹鋼耐酸鋼耐磨鋼耐熱鋼刃具鋼量具鋼模具鋼工程用鋼：建筑、橋梁、船舶、車輛機(jī)器用鋼：調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼6.1工業(yè)用鋼的基本知識6.1.1工業(yè)用鋼的分類及牌號表示按化學(xué)成分低碳鋼（WC≤0.25%）碳鋼中碳鋼（WC=0.25～0.6%）高碳鋼（WC≥

0.6%）低合金鋼（WM≤5%）合金鋼中合金鋼（WM=5～10%）高合金鋼（WM≥10%）普通質(zhì)量鋼（WP≤0.045%，WS≤

0.055%）優(yōu)質(zhì)鋼（WP≤

0.040%，WS≤

0.040%）高級優(yōu)質(zhì)鋼（WP≤

0.035%，WS≤

0.030%）按冶金質(zhì)量分2.工業(yè)用鋼的編號方法1）碳素鋼①普通碳素結(jié)構(gòu)鋼

Q235–AF

QXXX–X

X脫氧方法符號：F、B、Z、TZ質(zhì)量等級符號：A、B、C、D鋼的屈服強(qiáng)度數(shù)值（MPa）屈服強(qiáng)度按煉鋼脫氧方法分：沸騰鋼（F）：脫氧不完全鎮(zhèn)靜鋼（Z）：脫氧完全。默許狀態(tài)，不標(biāo)注。半鎮(zhèn)靜鋼（B）：脫氧程度介于兩者之間特殊鎮(zhèn)靜鋼（TZ）質(zhì)量等級符號含義A：只保證力學(xué)性能，要求最低B：只保證化學(xué)成分；C：保證力學(xué)性能、化學(xué)成分；D：保證力學(xué)性能、化學(xué)成分、金相組織。例：Q235-AF的含義

Q235-C的含義②優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45（兩位數(shù)字）

兩們數(shù)字表示鋼中平均含碳量，單位：萬分之一，0.01%注：如是高級優(yōu)質(zhì)鋼，在牌號后加“A”表示。沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼及專門用途鋼則在牌號后表示出來。如含Mn較高，后面加“Mn”。例如：45鋼表示平均含碳量為0.45％的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼；

40Mn表示含碳量0.40％、含Mn較多的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼；

15g表示含碳量0.15％的鍋爐鋼提問：08F的含義？45A的含義？TXXX例如：T8、T10A若為高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼，加“A”鋼中平均含碳量Wc，單位：千分之一，0.1％。碳素工具鋼標(biāo)記T③碳素工具鋼④碳素鑄鋼ZGXXX-XXX最低抗拉強(qiáng)度(Rm)最低屈服強(qiáng)度(Rel或R0.2)

鑄造碳鋼牌號標(biāo)記ZG例如：ZG230-450注：當(dāng)合金元素含量小于1.5％時(shí)，只標(biāo)明元素符號，不標(biāo)含量；當(dāng)含量大于1.5%、2.5%、3.5%等，則相應(yīng)地在元素符號后面標(biāo)注2、3、4。合金結(jié)構(gòu)鋼若為高級優(yōu)質(zhì)鋼，則在鋼號后面加“A”。如38CrMoAlA。例60Si2Mn：平均含碳量為0.6％、含硅量約為2％，含錳量＜1.5％。2）合金鋼二位數(shù)字+元素符號+數(shù)字合金元素含量，單位1%合金元素符號平均含碳量，單位：萬分之一，0.01%①合金結(jié)構(gòu)鋼②合金工具鋼一位數(shù)字+元素符號+數(shù)字合金元素含量，單位1%

合金元素符號

平均含碳量，單位：0.1%；Wc＞1%時(shí)不標(biāo)出注：當(dāng)合金元素含量小于1.5％時(shí)，只標(biāo)明元素符號，不標(biāo)含量；當(dāng)含量在1.5%～2.5%時(shí)標(biāo)2，在2.5%～3.5%時(shí)標(biāo)3……當(dāng)Wc≥1%時(shí)，不標(biāo)出含碳量，避免與合金結(jié)構(gòu)鋼混淆。高速鋼（W18Cr4V，Wc=0.7%-0.8%）例外。例：9SiCr表示W(wǎng)c=0.9％，Si、Cr的含量都小于1.5％。③特殊用途合金鋼前合金元素含量，單位：1%＜1.5%省略不寫。

含碳量，單位：0.1%。當(dāng)Wc≤0.03%，用“00”表示；當(dāng)Wc≤0.08%，用“0”表示

不銹鋼數(shù)字+元素符號+數(shù)字+……

例：00Cr18Ni10表示W(wǎng)c≤0.03%、含鉻量為18％，含鎳量10％的不銹鋼。提問：1Cr18Ni10的含義？3Cr13的含義？6.1.2合金元素的作用1鋼中的元素基本元素：Fe、C；常存元素：Si、Mn、P、S、O、N、H；合金元素：為了改善合金組織和提高合金性能而加入的元素。

鋼中的主要元素是Fe和C，此外Si、Mn、P、S是任何鋼中都有的基本元素。硅和錳在鋼中能起到脫氧作用，錳還能與硫結(jié)合來生成MnS，減輕硫的有害作用。硫和磷是鋼中的有害元素，應(yīng)該嚴(yán)格控制其含量。合金元素在鋼中的主要存在形式是：①溶入基體中形成固溶體，對基體起固溶強(qiáng)化作用。②與其它元素一起形成強(qiáng)化相，形成金屬間化合物，或溶入碳化物中形成合金碳化物。合金元素溶入鐵素體對合金性能的影響2與鐵的相互作用

奧氏體形成元素：即擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的元素，包括Ni、Mn、Co、Cu、Zn、N等。如欲得到室溫奧氏體鋼時(shí)，需向鋼中加入奧氏體形成元素。鐵素體形成元素：即縮小奧氏體相區(qū)的元素，包括Cr、Mo、W、Ti、Si、Al、B等。如欲得到室溫鐵素體鋼，需向鋼中加入鐵素體形成元素。3與碳的相互作用

碳化物形成元素強(qiáng)碳化物形成元素形成簡單而穩(wěn)定的碳化物。這些碳化物熔點(diǎn)及硬度都很高。如VC、NbC、TiC等。某些碳化物形成元素可形成復(fù)雜碳化物，如Cr7C3、Cr23C6。非碳化物形成元素它們形成碳化物的能力低于鐵，在鋼中無法形成碳化物。如Ni、Al、Si、Co、Cu等。材料：高鉻鑄鐵（C2.65%;Cr15.4%;Mo2.5%）工藝情況：920℃正火，240℃回火浸蝕方法：4%硝酸酒精溶液浸蝕組織說明：基體為回火針狀M和殘余奧氏體，白色大塊狀為合金碳化物及共晶萊氏體。4合金元素對鋼熱處理的影響Ni、Mn、Si等元素使C曲線右移合金元素使碳的析出和擴(kuò)散速度減慢，減緩?qiáng)W氏體轉(zhuǎn)變速度，提高淬透性。增加過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的孕育期，使壁厚更大的零件能夠淬透。常用來提高淬透性的合金元素是Cr、Mn、Ni、W、Mo、V、Ti等。除Co、Al外能溶入奧氏體中的合金元素，均可減慢奧氏體的分解速度，使C曲線向右下移，并降低Ms點(diǎn)。①

提高淬透性Cr、W、Mo等元素不僅使C曲線右移，還使C曲線的珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)域和貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域發(fā)生分離，形成各自獨(dú)立的兩個(gè)C。大部分合金元素，能阻礙Fe原子和C原子的擴(kuò)散，從而減緩?qiáng)W氏體的形成過程。因此合金鋼熱處理時(shí)加熱溫度較高、保溫時(shí)間較長。②減緩?qiáng)W氏體形成過程③對回火轉(zhuǎn)變的影響合金元素提高淬火鋼的回火穩(wěn)定性。合金元素能使鐵原子和碳原子擴(kuò)散速度減慢，淬火鋼回火時(shí)馬氏體分解減慢，析出的碳化物難于聚集長大，保持一種較細(xì)小、分散的狀態(tài)。因此淬火回火后合金鋼的硬度和強(qiáng)度高，這有利于提高結(jié)構(gòu)鋼的強(qiáng)度、韌性和工具鋼的紅硬性。合金元素使鋼產(chǎn)生二次硬化現(xiàn)象。高合金鋼在500～600℃度范圍回火時(shí)，其硬度并不降低，反而升高，這種現(xiàn)象稱為二次硬化。合金鋼與碳鋼的臨界淬火直徑6.2碳素鋼碳素鋼優(yōu)點(diǎn)：冶煉工藝簡單；強(qiáng)度、硬度取決于含碳量，可熱處理強(qiáng)化；壓力加工和機(jī)械加工性能好；價(jià)格低廉；使用廣泛。缺點(diǎn)：淬透性低，回火穩(wěn)定性差；無特殊性能：耐熱、耐低溫、耐腐性差；強(qiáng)度不夠高。上面零件材料：T10A；熱處理要求：56～60HRC，工藝路線？普通碳素結(jié)構(gòu)鋼簡稱普鋼。普鋼易于冶煉、成本低廉，能滿足多數(shù)工程構(gòu)件的性能要求。普鋼用量很大，約占工程用鋼總量的70～80%，大部分用來制作鋼結(jié)構(gòu)，少量用來制作機(jī)器零件。普鋼主要保證力學(xué)性能，對成分要求不嚴(yán)格，磷、硫含量較高。普鋼通常以熱軋狀態(tài)供應(yīng)，一般不經(jīng)熱處理強(qiáng)化。牌號：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。6.2.1普通碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，簡稱優(yōu)鋼，產(chǎn)量僅次于普鋼，廣泛應(yīng)用于較重要的機(jī)械零件。優(yōu)鋼既要保證力學(xué)性能，又要保證化學(xué)成分，鋼中的磷、硫含量較低。優(yōu)鋼使用前一般都需要進(jìn)行熱處理。常用牌號：08：冷沖壓材料，如汽車外殼、儀器儀表外殼。10～25：低碳、塑性好，作沖壓件和焊接件。20鋼可滲碳。30～50：中碳，經(jīng)調(diào)質(zhì)后可獲得良好的綜合性能，常用于制作受力較大的重要零件：傳動軸、連桿、機(jī)床齒輪等。50～70：高碳，經(jīng)淬火+中溫回火后，高的強(qiáng)度、硬度、彈性極限及屈服強(qiáng)度，具有一定塑性、韌性；用于制作彈簧、鋼絲繩、彈簧墊圈等。6.2.2優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素工具鋼的含碳量在0.65～1.35％，隨著含碳量的增加，耐磨性增加，韌性下降。預(yù)備熱處理為：“正火+球化退火”。正火用來消除鍛造組織中的網(wǎng)狀碳化物；球化退火降低硬度，獲得球狀珠光體，為淬火作組織準(zhǔn)備。最終熱處理為：“淬火＋低溫回火”（回火溫度180～200℃）。碳素工具鋼的優(yōu)點(diǎn)是成本低，冷熱加工工藝性好，在手用工具和機(jī)用低速切削工具上有較廣泛的應(yīng)用。與合金工具鋼相比，碳素工具鋼的淬透性低、組織穩(wěn)定性差且熱硬性差、綜合力學(xué)性能欠佳，故一般只用于尺寸不大、形狀簡單、要求不高的低速切削工具。6.2.3碳素工具鋼正火+球化退火后鍛造組織淬火+低溫回火后組織為：回火馬氏體＋細(xì)粒狀滲碳體＋少量殘余奧氏體T7、T8鋼韌性較高，適于制造承受一定沖擊的工具，隨含碳量的增高，碳素工具鋼耐沖擊能力變差而耐磨性提高。碳素鑄鋼是以碳為主要合金元素的鑄鋼。其含碳量為0.15～0.6%，含碳量過高會造成塑性不足，易產(chǎn)生裂紋；鋼中磷和硫含量稍高。碳素鑄鋼具有較高的強(qiáng)度、塑性和韌性，且成本較低，用于制造重型機(jī)械中承受大負(fù)荷的零件，如軋鋼機(jī)機(jī)架、液壓機(jī)底座等；在鐵路車輛上用于制造受力大且承受沖擊的零件。常用的牌號：ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570、ZG340-640。6.2.4碳素鑄鋼6.3合金結(jié)構(gòu)鋼

合金鋼具有碳鋼所不具備的優(yōu)良力學(xué)性能或其它特殊性能。合金鋼具有較高的強(qiáng)度和韌性，良好的耐腐蝕性、耐熱性等。此外，合金鋼還具有較好的工藝性能，如冷變形性、淬透性、回火穩(wěn)定性等。6.3.1低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼

簡稱為普低鋼，加入少量合金元素，具有較高強(qiáng)度的優(yōu)質(zhì)鋼。普低鋼廣泛應(yīng)用于制造橋梁、船舶、車輛、鍋爐、高壓容器、輸油輸氣管道、大型鋼結(jié)構(gòu)等工程結(jié)構(gòu)。1性能要求普低鋼強(qiáng)度高、塑性韌性好，可提高構(gòu)件的可靠性，并能減輕重量，節(jié)約鋼材。2化學(xué)成分特點(diǎn)WC<0.25％，以提高韌性、滿足焊接和冷塑性成形要求。加入Mn固溶強(qiáng)化鐵素體和細(xì)化珠光體；加入鈮、鈦或釩等元素形成碳化物，起細(xì)化晶粒和彌散強(qiáng)化的作用。3熱處理與組織性能特點(diǎn)普低鋼一般在熱軋、空冷狀態(tài)下使用，其組織為“鐵素體+珠光體”。若為改善焊接區(qū)性能，也可進(jìn)行正火。4常用普低鋼在較低強(qiáng)度級別的鋼中，以Q345（16Mn）最具有代表性，其強(qiáng)度比碳素結(jié)構(gòu)鋼高20～30％，耐大氣腐蝕性比碳素結(jié)構(gòu)鋼高約20～38％。例如南京長江大橋、廣州電視塔等都采用了Q345(16Mn)鋼來制造。Q420(15MnVN)是具有代表性的中等強(qiáng)度級別的鋼種，廣泛用于制造大型橋梁、鍋爐、船舶和焊接結(jié)構(gòu)。6.3.2合金滲碳鋼滲碳鋼是使用前需要經(jīng)過滲碳處理的鋼種，應(yīng)用于表面遭受強(qiáng)烈磨損的零件，同時(shí)零件又承受交變應(yīng)力或沖擊載荷作用的情況，如變速齒輪，內(nèi)燃機(jī)凸輪軸、活塞銷，氣門頂桿等。1性能要求①要求表面硬度高，以保證零件優(yōu)異的耐磨性和較高的接觸疲勞抗力；②要求心部韌性和強(qiáng)度足夠高，以免零件在沖擊或交變載荷作用下斷裂；③滲碳鋼還需要具有良好的淬透性和熱處理工藝性。2成分特點(diǎn)WC＝0.10～0.25%。含碳量過高零件心部韌性降低。加入合金元素來提高淬透性，提高心部的綜合性能。常用的合金元素有Mn、Ni、Cr、B、Si等。3熱處理與組織性能特點(diǎn)熱處理工藝為：在滲碳前采用正火作為預(yù)備熱處理；進(jìn)行滲碳；滲碳后直接淬火，再低溫回火作為最終熱處理。淬火回火后，表面滲碳層為“合金滲碳體+馬氏體+少量殘余奧氏體”組織，表面層硬度達(dá)58～64HRC，具有相當(dāng)高的耐磨性。心部組織在完全淬透時(shí)為“回火馬氏體”，硬度為40～48HRC；在未完全淬透時(shí)為“屈氏體+回火馬氏體+少量鐵素體”，硬度為25～40HRC。心部斷裂韌性一般都高于70J/cm2。6.3.3合金調(diào)質(zhì)鋼1性能要求為滿足承受復(fù)雜載荷的要求，尤其是承受較大動載荷或復(fù)合應(yīng)力的要求，調(diào)質(zhì)件需要具有優(yōu)良的綜合力學(xué)性能，即：具有高的強(qiáng)度和良好的塑性、韌性。為了能實(shí)現(xiàn)調(diào)質(zhì)處理，調(diào)質(zhì)鋼還須具有足夠的淬透性。2成分特點(diǎn)調(diào)質(zhì)鋼的含碳量范圍為0.35～0.55％(碳素鋼)或0.25～0.50％(合金鋼)。如含碳量偏低馬氏體強(qiáng)度不足，含碳量過高則塑性韌性降低。在調(diào)質(zhì)鋼中加入Cr、Mo、Mn、Ni、Si、B等合金元素提高淬透性。3熱處理與性能特點(diǎn)生產(chǎn)工藝過程：毛坯—正火或退火—粗加工—調(diào)質(zhì)處理—精加工。毛坯粗加工前進(jìn)行正火或退火作為預(yù)備熱處理，以調(diào)整組織并降低硬度，便于切削加工。進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理作為最終熱處理，以獲得回火索氏體組織，使零件具有高強(qiáng)度、高韌性相結(jié)合的綜合力學(xué)性能。40CrNiMo鋼淬火后硬度在44HRC以上，經(jīng)高溫回火后硬度降低到18～23HRC，能滿足綜合力學(xué)性能要求?；鼗鹚魇象w碳素調(diào)質(zhì)鋼:45鋼，用于載荷低、小尺寸的重要零件合金調(diào)質(zhì)鋼低淬透性：40Cr，用于一般尺寸的重要零件；中淬透性：35CrMo，用于截面較大、受較大載荷的重要零件；高淬透性：38CrMoAl，用于截面大、受大載荷的重要零件6.3.4彈簧鋼1使用性能要求彈簧應(yīng)用在沖擊、振動、周期性扭轉(zhuǎn)、反復(fù)彎曲等交變應(yīng)力為主的工況下。彈簧利用材料的彈性變形來吸收和釋放能量，以達(dá)到傳遞能量、減輕振動、減輕沖擊的效果。在彈性范圍內(nèi)彈性元件的形狀能夠恢復(fù)，元件的力學(xué)性能沒有受到損害。因此，彈簧材料需要具有高的彈性極限；為防止彈簧在復(fù)雜應(yīng)力下疲勞破壞和斷裂，彈簧材料還需要具有高的疲勞強(qiáng)度和適度的塑性和韌性。2成分特點(diǎn)碳素彈簧鋼WC＝0.60～0.90﹪，以保證熱處理后具有高的彈性極限和疲勞極限。碳素彈簧鋼淬透性較差，只能應(yīng)用于小型彈簧。合金彈簧鋼中加入Si、Mn、Cr、V、Mo、W等合金元素提高淬透性和耐回火性，含碳量降低到0.50～0.70%。3熱處理與組織性能特點(diǎn)彈簧鋼的熱處理采用淬火加中溫回火，以獲得回火屈氏體組織。對于鋼絲直徑為10～15mm的彈簧，冷成形困難：熱軋成形+淬火加中溫回火。對于鋼絲直徑小于10mm的彈簧：①冷繞成形+淬火加中溫回火。②索氏體化處理+多次冷拔+冷繞+去應(yīng)力退火。③對于不重要零件，淬火和中溫回火+冷繞+去應(yīng)力退火。數(shù)控彈簧熱繞機(jī)回火屈氏體6.3.5滾動軸承鋼1使用性能要求軸承工作時(shí)，內(nèi)外套圈、滾動體和保持架承受周期性交變載荷，循環(huán)受力次數(shù)每分鐘可達(dá)數(shù)萬次，使零件發(fā)生疲勞破壞；零件接觸表面承受極高的接觸應(yīng)力，并產(chǎn)生強(qiáng)烈的磨損。為了減少零件磨損，保持軸承精度和穩(wěn)定性，延長使用壽命，軸承鋼應(yīng)具有高的硬度和耐磨性。軸承鋼還須具有高的接觸疲勞強(qiáng)度，以免表面龜裂剝落。軸承鋼還要求具有對大氣和潤滑油的耐腐蝕能力；具備良好的加工性能，如冷熱成型性能，切削性能，淬透性等。在使用狀態(tài)下軸承鋼的硬度須達(dá)到61～65HRC，才能使軸承獲得足夠的耐磨性能和較高的接觸疲勞強(qiáng)度。2化學(xué)成分特點(diǎn)滾動軸承鋼一般含有0.95～1.15%的碳，0.40～1.65%的鉻。高碳為了獲得高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，鉻提高淬透性，增加回火穩(wěn)定性。為進(jìn)一步提高淬透性，還可以加入Si、Mn等元素，以適于制造大型軸承。3熱處理與性能特點(diǎn)球化退火為預(yù)備熱處理，使鋼的組織轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙钪楣怏w；淬火加低溫回火可使鋼獲得極細(xì)的回火馬氏體組織，硬度為61～65HRC。對于精密軸承，為了穩(wěn)定組織，在淬火后進(jìn)行深冷處理(－80～－60

℃)，以減少殘余奧氏體含量，然后再進(jìn)行低溫回火和磨削加工。軸承鋼的加工工藝路線為：軋制、鍛造→球化退火→粗加工→淬火+低溫回火→磨削加工→低溫時(shí)效→成品。GCr15用于制造中小型軸承；GCr15SiMn用于大型軸承。GCr15鋼淬火+低溫回火（150～160℃）后組織為：細(xì)小的回火馬氏體+細(xì)小的粒狀碳化物+少量殘余奧氏體。球化退火—球狀珠光體GCr15GCr15具有高而均勻的硬度、良好的耐磨性、高的接觸疲勞性能，廣泛應(yīng)用于制作內(nèi)燃機(jī)、電動機(jī)車、汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床、軋鋼機(jī)、鉆探機(jī)、礦山機(jī)械，以及高速旋轉(zhuǎn)的中高載荷傳動軸承。淬火—回火組織6.3.6易切削鋼1性能要求

用于自動機(jī)床大批大量加工，對易切削鋼要求：①要求材料加工性能好，切削加工非常容易、可鉆深孔、銑深槽等、切削流暢，加工穩(wěn)定、刀具使用壽命高，生產(chǎn)效率高等特點(diǎn)；②尺寸精度高，表面光潔度高；③產(chǎn)品的電鍍性能好，大大降低產(chǎn)品成本；④易切削鋼中不含有對環(huán)境有害的物質(zhì)。2化學(xué)成分特點(diǎn)WC＝0.15～0.25%為宜；含有提高鐵素體強(qiáng)度并降低韌性的元素P、N、硫、鉛、碲、鉍、硒等。3組織性能特點(diǎn)

組織為

鐵素體+15～20%珠光體。切削時(shí)硬度在152～223HBS之間。切削后可進(jìn)行熱處理來改善性能。自動車床Y40Mn6.4合金工具鋼工具鋼用于制造各種刃具、模具、量具和其它加工工具。刃具、模具、量具是對其它材料進(jìn)行成形加工時(shí)的常用工具，工具在使用過程中需要具有高的硬度和高的耐磨性。如不具備高的硬度和高的耐磨性，工具使用壽命降低，并且不能保證所加工零件的尺寸精度。量具鋼刃具鋼模具鋼工具鋼用于制造切削加工工具用于制造材料成形模具用于制造測量工具硬度高強(qiáng)度和韌性中等耐熱性高硬度高強(qiáng)度和韌性高（耐熱性）硬度高強(qiáng)度和韌性中等尺寸穩(wěn)定性高6.4.1刃具鋼1性能要求①為了保證刀刃能犁入零件，刃具硬度必須遠(yuǎn)高于零件硬度。刃具的硬度一般在HRC60以上，以高碳馬氏體為基體。②為了保證刃具的使用壽命，要求材料具有足夠的耐磨性。在馬氏體基體上彌散分布著合金碳化物。③在各種切削加工過程中，刃具承受著沖擊、振動等載荷，要求刃具鋼具有足夠的塑性和韌性，以防止在使用過程中崩刃或折斷。④為防止刃具高溫下硬度下降，刃具須具有紅硬性。要求刃具鋼在600℃硬度仍然保持HRC60以上。⑤須具有一定的工藝性能。鋼的紅硬性是指鋼在發(fā)紅狀態(tài)下，仍能保持足夠高的硬度和切削加工能力的性能。紅硬性反映鋼抵抗多次高溫退火軟化的能力，可以用多次高溫處理后在室溫條件下測得的硬度值來表示。銑刀鉆頭切削2低合金刃具鋼其含碳量為0.9～1.2％，以保證能形成足夠數(shù)量的合金碳化物。并加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素來提高淬透性、強(qiáng)化鐵素體、形成合金滲碳體。低合金刃具鋼能解決工具鋼淬透性低、耐磨性不足的缺點(diǎn)，但高速切削時(shí)不能滿足紅硬性要求。低合金刃具鋼的生產(chǎn)工藝路線為：下料→球化退火→粗加工→淬火+低溫回火→精加工→成品。熱處理包括：加工前的球化退火；成形后的淬火加低溫回火。低合金刃具鋼為過共析鋼，采用不完全淬火。淬火加熱溫度要根據(jù)零件形狀、尺寸及性能要求等選定，回火溫度一般為130～200℃。9SiCr用于制造各種低速切削的刃具，如板牙、絲錐等。合金刃具鋼分為低合金刃具鋼和高速鋼。低合金刃具鋼用于低速切削，刀刃工作溫度小于300℃；高速鋼用于高速切削，刀刃工作溫度能達(dá)到600℃。3高速鋼高速鋼的含碳量為0.7～1.6％，以保證馬氏體硬度和形成碳化物。并且含有大量W、Mo、Cr、V、Co等合金元素，這些元素中，Cr提高淬透性，W、Mo、V的提高紅硬性。高速鋼不但保證了淬透性和耐磨性，而且紅硬性顯著提高。同碳素刃具鋼和低合金刃具鋼相比，高速鋼的切削速度可提高2～4倍，刃具壽命提高8～15倍。高速鋼用于制造尺寸大、切削速度快、負(fù)荷重及工作溫度高的各種機(jī)加工工具。如車刀、刨刀、拉刀、鉆頭等，此外還可應(yīng)用在模具及特殊軸承上。在工具材料中高速鋼大約占刃具材料總量的65%。車刀鋸條銑齒輪齒輪銑刀生產(chǎn)工藝流程為：下料→鍛造→等溫退火→機(jī)械加工→淬火+高溫回火兩次→噴砂→磨削加工→成品。

①鍛造

W18Cr4V高速鋼共晶點(diǎn)在Wc=0.77%處，其鑄態(tài)組織中會出現(xiàn)萊氏體，在晶界處存在大量魚骨狀共晶碳化物。這些粗大的脆性相只能通過鍛造的方法將其擊碎，以避免刀具在使用過程中崩刃。高速鋼的鍛造具有零件成形同時(shí)改善碳化物形態(tài)和分布的雙重作用。鍛造前鍛造并退火后齒輪銑刀②退火采用等溫退火，退火后的組織為索氏體基體上均勻分布著細(xì)小的粒狀碳化物。其目的是降低硬度到207～255HB，以提高切削性能，為淬火作組織準(zhǔn)備。高速鋼熱處理工藝曲線③淬火高速鋼淬火回火特點(diǎn)：A、高速鋼導(dǎo)熱性很差，淬火溫度高，為減小熱應(yīng)力，淬火加熱時(shí)要進(jìn)行預(yù)熱；B、淬火溫度高且應(yīng)分級冷卻。W18Cr4V中的W、Mo、Cr、V等元素形成的碳化物只能在1200℃以上才能溶入到奧氏體中，以提高淬透性，獲得高的熱硬性。淬火后組織M+粒狀碳化物+A＇較多④回火高速鋼通常在二次硬化峰值溫度或稍高一些的溫度(550～570℃)下，回火三次。W18Cr4V淬火后約有30％A‘，經(jīng)一次回火后約剩15～18％，二次回火后降到3～5％，第三次回火后僅剩1～2％。多次回火A’含量減少，硬度升高到63～66HRC。

回火組織M回+碳化物+A＇少量碳素工具鋼低合金刃具鋼高速鋼淬透性差、耐磨性不足無紅硬性，用于低速工具淬透性較好、耐磨性足夠無紅硬性，用于低速工具淬透性好，耐磨性很好有紅硬性，用于高速工具高速鋼價(jià)格昂貴，為節(jié)約材料，通常刀具上只有刀頭采用高速鋼，刀柄采用普通材料，通過焊接或鑲嵌刀頭的辦法來制備刀具。6.4.2模具鋼模具鋼是用來制造各種模具的鋼種。模具鋼冷作模具鋼工作溫度：<200～300℃用于制造：冷沖模冷鐓模冷擠壓模拉絲模等熱作模具鋼工作溫度：>600℃用于制造：熱鍛模熱擠壓模壓鑄模等冷作模具熱作模具冷作模具工作時(shí)，承受很大壓應(yīng)力、彎曲應(yīng)力、沖擊載荷、摩擦。主要損壞形式是磨損，也常出現(xiàn)崩刃、斷裂、變形等失效現(xiàn)象。因此冷作模具鋼應(yīng)具有高硬度、高耐磨性、足夠的韌性與疲勞抗力、熱處理變形小等性能。熱作模具鋼工作時(shí)，承受強(qiáng)烈的沖擊載荷和劇烈的摩擦，與熾熱的金屬接觸，且模腔反復(fù)加熱和冷卻，因而產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力并產(chǎn)生高溫氧化，常出現(xiàn)崩裂、磨損、龜裂等失效現(xiàn)象。因此熱作模具鋼的主要性能要求是：高的熱硬性和高溫耐磨性；高的抗氧化能力；高的熱強(qiáng)性；足夠的韌性；高的熱疲勞抗力。此外，由于熱模具一般較大，還要求具有較高的淬透性和導(dǎo)熱性。熱作模具鋼承力較小，但經(jīng)受高低溫?zé)嵫h(huán)，更需要熱硬性和組織穩(wěn)定性。1性能要求

2化學(xué)成分特點(diǎn)冷作模具鋼的含碳量為1.0～2.0％；加入Cr、Mo、W、V等合金元素，強(qiáng)化基體，提高淬透性或形成碳化物，從而提高強(qiáng)度和耐磨性。

熱作模具鋼的含碳量為0.3～0.6％；加入Cr、Ni、Mn等元素，提高鋼的淬透性和強(qiáng)度；加入W、Mo、V等元素，防止回火脆性，提高熱穩(wěn)定性及紅硬性。3熱處理及組織特點(diǎn)冷作模具鋼的最終熱處理一般為淬火后低溫回火，以獲得均勻的回火馬氏體+二次碳化物+殘余奧氏體組織，使鋼獲得最高的力學(xué)性能。熱作模具鋼的最終熱處理一般為淬火后高溫（或中溫）回火，以獲得均勻的回火索氏體組織，硬度在40HRC左右，并具有較高的韌性。常用鋼號：T10，T8A——尺寸小、形狀簡單的模具CrWMn——形狀復(fù)雜模具。Cr12,Cr12MoV——大型復(fù)雜模具工藝路線下料球化退火鍛造粗、半精加工精加工淬火+低溫回火冷作模具鋼3常用模具鋼常用鋼號5CrNiMo——中小型熱鍛模5CrMnMo——中大型熱鍛模3Cr2W8V、H13——壓鑄模下料鍛造球化退火粗加工半精加工淬火+中溫回火精加工表面氮化調(diào)質(zhì)工藝路線：熱作模具鋼量具鋼是用來制造各種測量工具的鋼種，如千分尺、卡尺、塊規(guī)和塞規(guī)、樣板、螺旋測微儀等。1性能要求在存放和使用過程中，各種測量工具必須保持自身尺寸的穩(wěn)定性。這要求各種量具組織穩(wěn)定，內(nèi)應(yīng)力小，以確保尺寸不發(fā)生變化。量具也須具備高耐磨性，以保證量具在與被測量零件接觸時(shí)不造成過大磨損。此外量具還須具有良好的耐腐蝕性，以防生銹和化學(xué)腐蝕。2化學(xué)成分特點(diǎn)量具鋼含碳量較高，Wc=0.9～1.5％，并且常加入Cr、W、Mn等元素，提高淬透性和回火穩(wěn)定性。6.4.3量具鋼3熱處理及組織特點(diǎn)為保證量具的尺寸穩(wěn)定性，在量具鋼熱處理時(shí)常采用下列措施：①通過適當(dāng)降低淬火溫度來減少殘余奧氏體含量，防止殘余奧氏體轉(zhuǎn)變影響尺寸；②在量具鋼淬火后，立即進(jìn)行溫度為－70～－80℃的深冷處理，盡可能地使殘余奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，然后再進(jìn)行低溫回火；③對精度要求高的量具，在淬火、冷處理、低溫回火后，還需要進(jìn)行時(shí)效處理，然后進(jìn)行精加工。工藝路線：下料→鍛造→球化退火→粗加工→調(diào)質(zhì)→半精加工→淬火→冷處理

→低溫回火→粗磨→人工時(shí)效→精磨→去應(yīng)力退火→研磨尺寸小、形狀簡單、精度較低的量具：T10；精度要求較高，形狀復(fù)雜的量規(guī)及塊規(guī)：CrWMn；高精度塊規(guī)、螺旋塞頭、千分尺：GCr15；腐蝕介質(zhì)中使用的：不銹鋼9Cr18、4Cr13。

4常用量具鋼5CrWMo塊規(guī)生產(chǎn)過程低溫回火：得到M回，進(jìn)一步穩(wěn)定殘余奧氏體和消除殘余應(yīng)力；人工時(shí)效：消除磨削時(shí)表面產(chǎn)生的很薄硬化層和內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定組織、尺寸；去應(yīng)力退火：消除精磨內(nèi)應(yīng)力，保持尺寸長期穩(wěn)定。球化退火：得到球狀組織，方便切削加工；調(diào)質(zhì)：獲得S回，其與M體積差別小，減小淬火應(yīng)力和變形；淬火：得到M；深冷處理：量具淬火后應(yīng)立即在-70～-80℃進(jìn)行深冷，目的是盡可能減少鋼中的殘余奧氏體，穩(wěn)定量具尺寸；

CrWMo鋼塊規(guī)的熱處理工藝曲線6.5.1不銹鋼6.5特殊性能鋼不銹鋼：抵抗弱腐蝕介質(zhì)水、空氣、蒸汽腐蝕；耐酸鋼：抵抗強(qiáng)腐蝕介質(zhì)酸、堿、鹽腐蝕。不銹鋼

要求耐腐蝕性，合適的力學(xué)性能、良好的焊接性能。絕大多數(shù)材料在大氣中工作。大氣中氧、水蒸汽、二氧化碳參與材料的腐蝕過程。在工業(yè)大氣中還含有SO2、SO3、Cl2、HCl、NO、NO2、NH3、H2S等組分。這些組分對材料有較強(qiáng)的腐蝕作用。淡水指含鹽量低的天然水，它對工程材料有一定的腐蝕作用。海水中含有約3.5%的鹽，其中大部分是NaCl。海水對材料有較強(qiáng)的腐蝕作用。酸堿鹽溶液中使用的材料，必須考慮材料的耐腐蝕性。土壤的水中常溶有H+、Cl-、SO42-等物質(zhì)，對材料有腐蝕作用。1金屬腐蝕的概念材料與環(huán)境組分之間發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而引起的材料表面破壞過程，稱為腐蝕。通常將金屬腐蝕分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩類?；瘜W(xué)腐蝕是指金屬與其接觸到的物質(zhì)直接發(fā)生氧化還原反應(yīng)而被氧化損耗的過程，例如鋼在燃?xì)庵懈g、高溫氧化等；電化學(xué)腐蝕是指金屬在酸堿鹽等溶液中，產(chǎn)生原電池作用而引起的金屬腐蝕。金屬材料的電化學(xué)腐蝕出現(xiàn)最多、破壞力最大。電化學(xué)腐蝕使陽極不斷被腐蝕，而陰極電位較高而受到保護(hù)。不幸的是，組成合金的各種組元中，金屬的電極電位低，總會作為陽極而被優(yōu)先腐蝕掉。不同組元間的電極電位相差越大，尤其是陽極的電極電位越低，合金的腐蝕速度越大。電化學(xué)腐蝕2不銹鋼的成分組織特點(diǎn)（1）鉻在鋼中的作用①②見右③在氧化性介質(zhì)中（如硝酸、濃硫酸、空氣等），鉻使鋼表面形成致密的富鉻氧化膜，具有非常有效的保護(hù)作用。氧原子不能通過富鉻氧化物擴(kuò)散；并且富鉻氧化物層具有自我修復(fù)能力。在非氧化性酸（如鹽酸、稀硫酸等）中，鉻的鈍化能力很差。在鋼中添加Mo、Cu等元素，提高鋼的耐腐蝕能力。添加Ti、Nd等強(qiáng)碳化物形成元素，它們優(yōu)先同碳形成更穩(wěn)定的碳化物，使更多的鉻保留在基體中，從而大大減輕合金的晶間腐蝕。①鉻提高鐵基固溶體的電極電位。鉻大于11.6%時(shí)，F(xiàn)的電極電位由－0.56V開始急劇增高，鉻量達(dá)13%時(shí)變?yōu)?0.12V，使耐腐蝕性能大大提高。②當(dāng)基體鉻含量>12.7％時(shí)，鋼轉(zhuǎn)變?yōu)閱我坏蔫F素體基體。2)鎳的作用鎳是奧氏體形成元素，在含鎳量大于24％時(shí)，低碳鎳鋼才能獲得單相奧氏體組織；在含鎳量大于27％時(shí)，才使鋼的耐腐蝕性能顯著提高。由于鎳價(jià)格昂貴，在不銹鋼中鎳往往與鉻搭配使用，才具有較合適的性價(jià)比。鎳在不銹鋼中使高鉻鋼的組織發(fā)生變化，從而使不銹鋼的耐腐蝕性能及工藝性能獲得難能可貴的改善。3)碳的作用碳強(qiáng)烈影響鋼的組織與性能，在不銹鋼中碳的作用有：①能夠提高鋼的強(qiáng)度；②碳是奧氏體形成元素；③碳和鉻的親和力很大，與鉻構(gòu)成一系列復(fù)雜的碳化物，會使基體的含鉻量降低，對耐腐蝕性不利。從強(qiáng)度與耐腐蝕性能兩方面來看，碳在不銹鋼中的作用是不能兼顧的。不銹鋼多數(shù)工況下以耐腐蝕為主要目標(biāo)，一般要求具有較低的含碳量。低碳鋼同時(shí)還具有易于焊接、易于變形等工藝上的優(yōu)勢。根據(jù)鉻鎳不銹鋼的成分來判斷合金組織鉻當(dāng)量是將各種鐵素體形成元素的作用折合成鉻的作用；鎳當(dāng)量是將各種奧氏體形成元素的作用折合成鎳的作用。根據(jù)鎳當(dāng)量和鉻當(dāng)量，從圖中查不銹鋼的組織。

3常用不銹鋼馬氏體型不銹鋼成分：Wc＝0.1—1.0%，WCr＝12—18%特點(diǎn)：淬透性好，空冷可得到馬氏體.

牌號：1Cr13,2Cr13,3Cr13,4Cr13用于：結(jié)構(gòu)件（汽輪機(jī)葉片）,醫(yī)療器械熱處理：淬火+高溫回火;淬火+低溫回火組織：回火S或回火M奧氏體型不銹鋼成分：Wc<0.12%WCr

18%；WNi

8%；稱為18-8不銹鋼組織：單相A。性能：高塑性、高的低溫韌性、高的加工硬化能力、焊接性能好、無磁性及高的耐腐蝕性。常用鋼號：1Cr18Ni9Ti應(yīng)用：化工行業(yè)居多，如耐酸容器、餐具、樓梯扶手鐵素體型不銹鋼成分：Wc<0.12%WCr=16～18%組織：單相F。性能：較好的耐蝕性，塑性好、強(qiáng)度低。不能通過熱處理改變性能。常用鋼號：1Cr17應(yīng)用：硝酸輸送管道、廚具（電磁爐用不銹鋼鍋）熱交換器內(nèi)燃機(jī)加熱爐鍋爐6.5.2耐熱鋼耐熱鋼是指能滿足高溫使用要求合金鋼。在高溫下使用的耐熱鋼，應(yīng)該具有穩(wěn)定的成分和組織，具有需要的力學(xué)性能。耐熱鋼用于鍋爐、汽輪機(jī)、高溫反應(yīng)設(shè)備、加熱爐、噴氣發(fā)動機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、熱交換器等設(shè)備。1提高鋼耐熱性的途徑①提高高溫化學(xué)穩(wěn)定性的途徑碳鋼表面生成疏松多孔的氧化亞鐵(FeO)，氧原子能通過FeO擴(kuò)散。在碳鋼中加入Cr、Si、Al等合金元素，氧化后表面迅速形成了一層氧原子不能通過的致密鈍化膜，為Cr?O?、SiO、Al?O?等氧化膜，使氧化過程難以繼續(xù)進(jìn)行。例如，在鋼中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的Cr，其抗氧化溫度可達(dá)900℃；在鋼中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20～25%的Cr，其抗氧化溫度可達(dá)1100℃。②保持高溫強(qiáng)度的途徑鋼中加入合金元素Cr、Ni、Mo、W、V、Nb、Ti等合金元素，通過固溶強(qiáng)化，能增強(qiáng)原子間的結(jié)合力，提高再結(jié)晶溫度，從而提高熱強(qiáng)性。基本要求：組織穩(wěn)定高溫強(qiáng)度高抗氧化基本合金化：Cr：↑抗氧化主要元素，Cr2O3致密穩(wěn)定Mo、W：↑熱強(qiáng)性重要元素，↑結(jié)合力Ti、V：↑熱強(qiáng)性碳化物彌散穩(wěn)定，促進(jìn)CrMo的作用。強(qiáng)化途徑：①基體強(qiáng)化：↑原子結(jié)合力，↑熔點(diǎn)②晶界強(qiáng)化：凈化雜質(zhì)，填充空位③彌散強(qiáng)化：第2相細(xì)小、彌散、均布④工藝措施：熱處理P型熱強(qiáng)鋼抗氧化鋼M型熱強(qiáng)鋼A型熱強(qiáng)鋼12CrMoV25Cr2MoV35CrMoV1Cr11MoV1Cr12W1MoV4Cr9Si20Cr18Ni10Ti5Cr21Mn9Ni4N3Cr18Mn12Si2NF型：Cr13基Cr17基A型：Cr28Ni25Si等特點(diǎn)：P+F組織。制造鍋爐管子、堅(jiān)固件、轉(zhuǎn)子等。解決的問題：避免P球化、P石墨化；減緩Me擴(kuò)散重新分布；減緩了松弛問題；具有高熱強(qiáng)性。工作溫度<600℃。特點(diǎn)：主要制造汽輪機(jī)葉片。具有高淬透性和回火穩(wěn)定性。工作溫度450～600℃，4Cr9Si2

<700℃。特點(diǎn)：高熱強(qiáng)性和抗氧化性能，塑性和可焊性好，導(dǎo)熱性差，熱膨脹系數(shù)大，熱疲勞性稍差。工作溫度600～850℃特點(diǎn)：耐熱構(gòu)件、抗氧化性能要滿足，F(xiàn)型適宜作退火爐罩、熱交換器等，工作溫度約1150℃。A型宜作各種加熱爐滲碳爐風(fēng)扇軸、爐底板等，工作溫度1000～1200℃6.5.3耐磨鋼用于制造承受磨損的零件的合金鋼，稱為耐磨鋼。車輛履帶板、挖掘機(jī)鏟斗、破碎機(jī)顎板、鐵軌分道叉、球磨機(jī)襯板等零件，在工作中承受劇烈的磨損。ZGMn13為高錳鋼，錳含量為11～14％，含碳量為1.0～1.3％。錳是奧氏體形成元素，室溫下高錳鋼為單相奧氏體組織。鑄態(tài)高錳鋼的晶界上析出大量的碳化物。為使碳化物溶解到基體中從而提高韌性，將高錳鋼加熱到1000～1100℃保溫，在碳化物完全溶解后，迅速水淬，從而獲得單相奧氏體組織的熱處理工藝，稱為水韌處理。水韌處理后高錳鋼韌性提高而硬度較低，硬度為180～220HBS。在使用時(shí)，如果高錳鋼零件受到強(qiáng)烈沖擊，發(fā)生劇烈變形，零件表層迅速產(chǎn)生加工硬化層。加工硬化促使零件表層由奧氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，使鋼硬度大幅度升高，耐磨性能顯著提高，而零件心部仍然保持為高韌性狀態(tài)。1鑄鐵中碳的存在形式①以碳化物形式存在。鑄鐵中的碳全部以碳化物形式存在時(shí)，其斷口呈亮白色，稱為白口鑄鐵。②以石墨形式存在。如果鑄鐵中碳主要以游離狀態(tài)的石墨（用G來表示）形式存在，則斷口呈暗灰色，當(dāng)石墨形狀為片狀時(shí)，稱為灰口鑄鐵。③碳一部分以石墨形式存在，一部分以碳化物形式存在，斷口呈灰白交錯(cuò)的麻點(diǎn)，稱為麻口鑄鐵。石墨為六方晶格，其原子呈層狀排列，同一層間原子呈正六邊形排列，以共價(jià)鍵結(jié)合；層與層之間以范德華力結(jié)合，結(jié)合力很弱。石墨原子的層與層之間容易被破壞，使石墨的強(qiáng)度、硬度、塑性和韌性等力學(xué)性能都相當(dāng)?shù)?，在承力時(shí)一般把石墨當(dāng)成空洞看待。石墨的抗拉強(qiáng)度約為20MPa，硬度為3～5HB，延伸率接近0%。6.6鑄鐵

6.6.1鑄鐵的石墨化鑄鐵是以鐵、碳、硅為主要成分，且凝固時(shí)發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的鐵碳合金。2鐵碳雙重相圖由鐵碳相圖可知，鑄鐵中含碳量一定大于2.11%。通常鑄鐵的含碳量為2.5～4.0％。為了說明鐵碳合金中石墨的析出規(guī)律，一般用Fe—G相圖。習(xí)慣上把Fe—G相圖與Fe—Fe3C相圖疊加在一起，稱為鐵碳雙重相圖。在Fe—G相圖上，橫坐標(biāo)仍表示含碳量，縱坐標(biāo)表示溫度。在Fe—G相圖上，共晶點(diǎn)C＇含碳量為4.03，共晶溫度為1154℃；共析點(diǎn)為S＇含碳量為0.77，共析溫度為738℃。鐵碳雙重相圖在鐵碳雙重相圖上，F(xiàn)e—G相圖的特征線用虛線表示，特征點(diǎn)符號采取在Fe—Fe3C相圖的對應(yīng)特征點(diǎn)符號上加撇號表示。當(dāng)鑄鐵全部按Fe－G相圖結(jié)晶時(shí)，其析出石墨的過程如下：①過共晶合金在C＇D＇F＇區(qū)域內(nèi)，析出一次石墨GI。液態(tài)合金在1154℃發(fā)生共晶反應(yīng)，析出奧氏體和共晶石墨G共晶。上述兩過程稱為第一階段石墨化。②在共晶溫度和共析溫度之間（1154～738℃），隨著溫度降低，從奧氏體中不斷析出二次石墨(GII)，稱為第二階段石墨化。③奧氏體在738℃發(fā)生共析反應(yīng)，同時(shí)析出鐵素體和共析石墨G共析，稱為第三