金属材料基础知识

金属材料的基本定义

金属材料：是由金属元素或以金属元素为主 要材料构成的并具有金属特性的工程材料。

r纯金属

•金属材料

力学性能

力学性能指金属在力的作用下 所显示岀的与弹性和非弹性反应相 关或涉及应力•应变关系的性能， 如弹性、强度.硬度.塑性、韧性 等

强度

概念：金属材料在外力作用下抵抗塑性变形和破坏的能力。通 过拉伸试验测得大小。强度的大小通常用应力来表示。

♦=F/S

♦——应力 Pn     1 Pa=IN/in² IM Pa=Io⁶Pa

按载荷的作用方式不同，强度可分为：抗拉强度、抗压强度、 抗弯强度、抗剪强度、和抗扭强度。

注意：一般多以抗拉强度作为判别金属强度高低的指标。

拉伸实验

（金属的抗拉强度和塑性都是通过拉伸试验测定）

（GB/T228.1-2010）

L拉伸试样

2,力一伸长曲线（以低碳钢试样为例） 3,脆性材料的拉伸曲线

L拉伸试样(GB6397-86)

长试样：£o=l OJO

短试样：LO=Sdo

万能材料试验机

a) WE系列液压式 b) ∖VDW系列电子式

⅛ K. S

O

2.力一伸长曲线

拉伸试验中得岀的拉伸力与伸长量的关系曲线。

弹性变形阶段

屈服阶段

强化阶段 b

颈缩现象

(a)试样(b)伸长(C)产生缩颈(d)断裂

3.脆性材料的拉伸曲线（与低碳钢试样相对比）

脆性材料在断裂前没有明显的屈服现象。

强度指标

• (1) 屈服点CM^ζ才料产生屈服时的最小应力。单位为MPao

σs= Fs/AO

式中，FS是屈服时的最小载荷(N); Ae)是试样原始截面积。

对于无明显屈服现象的金属材料(如高碳钢、铸快),测量屈服点 很困难，工程上経常采用残余伸长为02%原长时的应力OO.2作为屈服 强度指标，称为规定残余伸长应力。

σθ.2= F0.2/A0

• (2) 抗拉强度Ob材料由立断前所承受的最大应力，单位为MPaO 抗拉強度表示材料抵抗均匀塑性变形的最大能力，也是设计机械零件和 选材的主要依据。

σb= Fb/AO

式中，Fb是试样断裂前所承受的最大载荷(N) _O

强度的意义

•强度是指金属材料抵抗塑性变形和断裂的能力，一 般钢材的屈服强度在200 ~ 10OOM Pa之间。

•强度越高，表明材料在工作时越可以承受较高的载 荷。当载荷一定时，选用高强度的材料，可以减小 构件或零件的尺寸，从而减小其自重。

•因此，提高材料的强度是材料科学中的重要课题， 称之为材料的强化。

塑性

金属材料在载荷的作用下，产生塑性变形而不 断裂的能力称为塑性。通过拉伸试验测得的常用塑 性指标有：断后伸长率和断面收缩率。

主要指标：L 0rJM⅜∈φδ

2-      率W

断后伸长率

T-T

3= 一 ×100%

L

L_i-试样拉断后的标距(mm)

L_O —试样原始标距(mm) 由于同一材料用不同长度的试样测得的断后伸长率6数值不

同，因此应注明试样尺寸比例。如：

δ₁₀——试样 L_O=IOd_O

δ₅——试样Lo=5d°

断面收缩率

VA_XlOo%

L_Q

S_X-试样断裂后缩颈处的最小横截面积'(mm2)

S _试样原始截面积(mm2 ◎)

・5和屮是用来判断材料在断裂前所能产生的最大塑性变形量大 小。

•一般认为屮＞5%的材料为塑性材料，如低碳钢；屮V 5%的 为脆性材料，如灰铸铁.

塑*牛对材料的音义,

1 .是金属材料进行压力加三的必要条件；

• 2.提高安全性:因为零件在工作时万一超载，也 会由于塑性变形使材料强化而避免突然断裂

强度与塑性是一对相互矛盾的性能指标。在金属材料 的工程应用中，要提高强度，就要牺牲一部分塑性。

反之，要改善塑性，就必须牺牲一部分强度。

正所谓“鱼和熊掌二者不能兼得”。但通过细化金属 材料的显微组织，可以同时提高材料的强度和塑性

硬度

腐.它是材料性能的一个综合的物理量。

殳又’（表示金属材料在一个小的体积范围内金属材料抵抗 局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力） 硬度是各种零件和工具必须具备的力学性能指标。

布氏硬度（HB）

•材料抵抗表面局部塑性变形的能力。

布氏硬度

1、 布氏硬度试验(布氏硬度计)

原理:用一定直径的球体(淬火钢球或硬质合金球)以相应的试验力压 入待测材料表面，保持规定时间并达到稳定状态后卸除试验力，测量材 料表面 ，以计算硬度的一种压痕硬度试验方法。

2、 布氏硬度值 用球面压痕单位面积上所承受有平均压力表

^{HBS 500HBW}

测量值较准确，重复性好，可测组织不均匀材料(铸铁)

可测的硬度值不高

不测试成品与薄件

测量费时，效率低

围2-2布氏應度试验法

非铁金属及非金属材料等.

厂、退出

图示布氏硬度测量动画教学示意图

洛氏硬度

1、 洛氏硬度试验。各氏硬度计)

原理:用金刚石圆锥或淬火钢球，在鴻佥力的作用下压入试样表面，经 规定时间后卸除试验力，用测量的残余压痕深度増量来计算硬度的一种 压痕硬度试验。

2、 洛氏硬度值 用测量的残余压痕深度表示。可从表盘上直接读出。

如：50HRC其中A、B、C为不同的标尺

3、 优缺点

• (1) 试验简单、方便、迅速

• (2) 压痕小，可测成品’薄件

• (3) 数据不够准确，应测三点取平均值

• (4) 不应测组织不均匀材料，如铸铁。

  
  
  

4、 测量范围                    图2-3洛氏硬度试验法

用于测量淬火钢、硬质合金等材料.

/7/77/77

图小洛氐硬度测旱.过程动倒教学小意图

0

_Ji_________________________________

j          =

HHBEEH

维氏硬度

1、 维氏硬度试验

原理:用夹角为136。的金刚石四棱锥体压头，使用很小∙ffi佥力F (49.03-980.07N)压入试样表面，测出压痕对角线长度d。

2、 维氏硬度值                       Ir J

用压痕对角线长度表示。如：640HV_o

3、 优缺点                            ½<

• (1) 测量准确，应用范围广(硬度从极软到极硬)

• (2) 可测成品与薄件

• (3) 试样表面要求高，费工。                V^Z

4、 测］量范围                       图1-8维氏硬度试

常用于测薄件、镀层、化学熱处理后的表层等。 验原理图

冲击韧性

强度、硬度、塑性等力学性能指标都是材料在静载 荷作用下的表现。

材料在工作时还经常受到动载荷的作用，冲击载荷就 是常见的一种。

在设计和制造受冲击载荷的零件和工具（如锻锤、冲床、 抑钉枪等）时，必须考虑所用材料除具有足够的静载荷作 用下得力学性能指标外,还必须具有足够的抵抗冲击载荷 的能力。

•冲击载荷与静载荷的主要区别在于加载时间短、加 载速率高、应力集中。由于加载速率提高，金属形 变速率也随之增加。

■冲击载荷对材料的作用效果或破坏效应大于静载荷。

材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的能力，称为冲击 韧性。

示例：玻璃在冲击载荷作用下非常容易破裂，说明 其冲击韧性很低。

冲击试验

•冲击试样

•冲击试验原理

•冲击韧性的表示方法

.如不能制备标准试佯，可 采用宽度7.5mm或5mm 等小尺寸试祥,试样的其他 尺寸及公差与相应缺口的 标准试样相同，缺口应开 在试样的窄面上。其中 5mm×10mm×55mm⅛ 样常用于薄板材料的检验。

•焊接接头冲击试样的形状 和尺寸与相应的标准试样 相同，但其缺口轴线应当 垂直焊缝表面。

原理

■冲击韧性可以通过_次摆锤冲击试验来测定，试验 时将带有U型或V型缺口的冲击试样放在试验机架 的支座上，将摆锤升至高度H,使其具有势能 mgH₁;然后使摆锤由此高度自由下落将试样冲断, 并向另一方向升高至H?,这时摆锤的势能为mgl‰

•所以,摆锤用于冲断试样的能量

A_κ-mg (H_rH₂) _Z即为冲击功(焦耳/J)。

材料冲击韧性的表示方法

•按照国标GB∕T229-2007, U型缺口试样和V型 缺口试样的冲击能量分别表示为WMK并用 下标数字2或8表示摆锤刀刃半径，如/TS ,其单 位是焦耳(J) O

•冲击吸收能量的大小直接由试验机的亥IJ度盘上直 接读出。

•冲击吸收能量的值越大，材料的韧性越大，越 可以承受较大的冲击载荷。

•冲击吸收能量A≡冲击韧性值施大，材料的韧 性越大，越可以承受较大的冲击载荷。一般把 冲击吸收能量低的材料称为脆性材料，冲击吸 收能量高的材料称为韧性材料。

冲击试验的应用

•缺口冲击试验最大的优点就是测量迅速简便

•用于控制材料的冶金质量和铸造、锻造、焊接及 热处理等热加工工艺的质量.

•用来评定材料的冷脆倾向（测定韧脆转变温度）。 设计时要求机件的服役温度高于材料的韧脆转变 温度O

冲击试验的应用

•缺口冲击试验由于其本身反映一次或少数次大能 量冲击破断抗力，因此对某些特殊服役条件下的 零件，如弹壳、装甲板、石油射孔枪等，有一定 的参考价值。

•通过一次摆锤冲击试验测定的冲击吸收吸收能量《 是一个由强度和塑性共同决定的综合性力学性能 指标，不能直接用于零件和构件的设计计算，但 它是一个重要参考，所以将材料的冲击韧性列为 金属材料的常规力学性能，ReLlR捎、Rg A、Z 和K被称为金属材料常规力学性能的五大指标。

低温脆性

•低温脆性一随温度降低，材料由韧性状态转变 为脆性状态的现象O

•冷脆:材料因温度降低导致冲击韧性的急剧下降并 引起脆性破坏的现象。

•对压力容器、桥梁、汽车、船舶的影响较大。

温度

-40    0    40    80   120   160   200   240   28。

OOO 8 6 4

冲击功

袞)驾切断裂

60

O 2

•冲击韧性与温度有密切的关系，温度降低，冲击 韧性随之降低。当低于某一温度时材料的韧性急 剧下降，材料将由韧性状态转变为脆性状态。这 一温度称为转变温度(T_t) _O

•转变温度(乙)越低，表明材料的低温韧性越好, 对于在寒冷地区使用的材料要十分重要。

•金属材料的成分对韧脆转变温度的影响很 大，一般的碳素钢，其韧脆转变温度(Tt) 大约为-20。&某些合金钢的韧脆转变温 度(「)可达-40。C以下。

1912年4月号称永不沉没的泰坦尼克号(TitaniC)首航沉没于冰海，成了 20世纪令人难以忘怀的悲惨海难.20世纪80年代后，材料科学家通过对打 捞上来的泰坦尼克号æ板进行硏究，回答了80年的未解之谜。由于TitaniC 号采用了含硫高的钢板，韧性彳艮差’特SU是在低温呈脆性。所以'当船在 冰水中撞击冰山时，脆性船板働任体产生彳艮长的裂纹，海水大量涌入使船 迅速沉没。下图中左面的试样取自海底的TitaniC号，冲击试样是典型的脆 性断口，右面的是近代船用钢板的冲击试样。

提高冲击韧性的途径

冲击韧性是一个对材料组织结构相当敏感的 量，所以提高材料的冲击韧性的途径有：

•改变材料的成分,如加入铜、钛、铝、氮 等元素，通过细化晶粒来提高其韧性，尤 其是低温韧性,

•提高材料的冶金质量，减少偏析、夹渣、 气泡等缺陷；

疲劳强度

疲劳概念：

在交变应力作用下，零件所承受的 应力低于材料的屈服点，但经过较 长时间的工作后产生裂纹或突然发 生完全断裂的现象称为金属的疲劳。

• 1998年6月3日，德国发生了战后最惨重的一起铁路交通 事故。一列高速列车脱轨，造成IOO多人遇难。

•事故的原因已经查清，是因为一节车厢的车轮〃内部疲 劳断裂“引起的。首先是一个车轮的轮箍发生断裂，导 致车轮脱轨，进而造成车厢横摆，此时列车正好过桥， 横摆的车厢以其巨大的力量将桥墩撞断，造成桥梁坍塌, 压住了通过的列车车厢，并使已通过桥洞的车头及前5节 车厢断开，而后面的几节车厢则在巨大惯性的推动下接 二连三地撞在坍塌的桥体上，从而导致了这场近50年来 德国最惨重的铁路事故。

变动载荷和循环应力

.1 .变动载荷

•--引起疲劳破坏的外力，指载荷大小、甚至方

向均随时间变化的载荷，其在单位面积上的平均 值即为变动应力。

•变动应力可分为规则周周变动应力（也称循环应力） 和无规则随机变动应力两种。

₊∕WW∖

⅜wwvv,

a）应力大小⅛化b）cj应力大小和方向⅛变化d）应力太小和方向无规则受化

疲劳断裂

零件在循环应力作用下,在一处或几处产生 局部永久性累积损伤,经一定循环次数后突然产 生断裂的过程,称为疲劳断裂.

疲劳断裂由疲劳裂纹产生一扩展一瞬时断 裂三个阶段组成。

ɪ

疲劳断口

•尽管疲劳失效的最终结果是部

件的突然断裂但实际上它们是

一个逐渐失效的过程，从开始 岀现裂纹到最后破断需要经过 很长的时间。

•疲劳断裂的宏观断口一般由三 个区域组成，即疲劳裂纹产生 区（裂纹源）、裂纹扩展区和 最后断裂区。

最后断裂区

3 .疲劳断口

轴的疲劳断口         疲劳辉纹（扫描电镜照片）

4.疲劳强度

•当应力低于某值时，材料经受无限次循环 应力也不发生疲劳断裂，此应力称为材料 的疲劳极限,记作Qr （R为应力比），就 是S∙Λ∕曲线中的平台位置对应的应力。

•通常，材料的疲劳极限是在对称弯曲疲劳 条件下（R=— 1）测定的，对称弯曲疲 劳极限记作

疲劳曲线：实验证明，一般钢铁材料所受交变应力最大值（JmaX与 其失效前的应力循环次数（疲劳寿命）N的曲线关系。

I⅛卷 S§

M■数）

疲劳曲线示意闇

•若疲劳曲线上没有水平部分，常以规定断 裂循环次数对应的应力为条件疲劳极限。

• •  对一般低、中强度钢：1。7周次

• •  对高强度钢:10^δ周次

• •  对铝合金’不锈钢：108周次

• •  对钛合金：1。7周次

•在工程中，有时根据零件寿命的要求，在 规定的某一循环周次下，测出bmax，并称之 为疲劳强度,实际上就是条件茂劳极限。

在工程中，有时根据零件寿命的要求，在规 定的某一循环周次下，测岀并称之 为疲劳强度,实际上就是条件疲劳极限。

提高疲劳极限的途径

• (1) 在零件结构设计中尽量避免尖角、缺口 和截面突变。

• (2) 提高零件表面加工质量。

• (3) 对材料表面进行强化处理。

物理性能

/密度

,熔点

,导热性

/导电性

/热膨胀性

,磁性

化学性能

/耐蚀性

/抗氧化性

/化学稳定性

金属的工艺性能

工艺性能是指金属材料对

不同加工工艺方法的应能

±0

铸造性能：

金属（材料）及合金在铸造工艺中获得优良铸 件的能力称为铸造性能。

1、 流动性：熔融金属的流动能力称为流动性。

主要受金属化学成份和浇注温度等的影响。

2、 收缩t⅜:铸件左凝固和冷却过程中，員体积 和尺寸减小的现象称为引缩性。

3、 偏析倾向：金属凝固后，内部化学成分和组 织的不均匀现象称为偏析。

锻造性能：

用锻压成形方法获得优良锻件的难易程度称为

锻造性能。

铸铁不能锻压O

焊接性能：

大量接性能是指金属材料对焊接加工的适应性。

切削加性能：切削加工（性能）金属材料的难易 程度称为切削加工性能。

金属的晶体结构

1、晶体与非晶体：

固体物质按其原子排列的特征，可分为晶体和非晶体。

非晶体的原子作不规则的排列，如松香、玻璃、沥青等。

晶体的原子则按一定次序作有规则的排列，如金刚石、 石墨及固态金属和合金。

性能差异：晶体具有一定的凝固点和焰点，非晶体没有; 晶体具有各向异性，非晶体各向同性等。

简单总结：

f晶体：原子作有序排列；有固定的熔点；各向异性。

〔非晶体：原子作无翩冽；没有固定的熔点；各向同性。

固态的金属和合金都是晶体。

2、晶体结构的基础知识

1） 晶格：把每个原子看成一个点（结点），把这些点 用直线连接起来，所形成一个空间格子。

2） 晶胞：能代表整个晶格中原子排列规律的最小单元。

3） 晶格常数：晶胞中各棱边的长度（及夹角）。

a、b_% C

单位,澳

IA=IO^IGm

C）晶胞

简单立方晶格、晶胞示意图

a）简单立方晶格、晶胞示意图    b）晶格

晶格一原子排列形成的空间格子

晶胞一组成晶格最基本的单元

⑴              W               （C）

（a）晶体中原子排列   （b）晶格         （C）晶胞

简单立方晶格与晶胞示意图

原子在晶格中的位置关系可以用晶面和晶向来表示。

4）晶面：通过原子中心的平面

3、常见的金属晶格类型

a=b=c_z α=β=γ=90^o

常见金属：a∙Fe, Cr、W_w Mo. V、Nb等

体心立方晶胞模型； 晶胞；      晶胞原子数

2）面心立方晶格：

常见金属：Y-Fd Ni. Ak Cu, Pb. AU等

面心立方晶胞模型； 晶胞；      晶胞原子数

3)密排六方晶格：

常见金属：Mg, Zn, Be, Cd等

密排六方晶胞模型;  晶胞;      晶胞原子数

• 4,金属的实际晶体结构

D晶体缺陷：金属晶体中，原子排列或多或少地存在偏离 理想结构的区域，称为晶体缺陷。

• (1)点缺陷

晶体中旳点缺陷

、函.-间隙原子；■-置扌罅子

晶格空位

点缺陷示意图

(2)线缺陷

线缺陷就是晶格中的位错现象。常见的位错类型有刃型 位错、螺型位错等。如图所示。

G

刃型位错示意图

(b)

透射电镜观察钛合金中的位错线  高分辨率电镜观察刃位错

(白原孚)

(3)面缺陷：表面、界面

晶界是不同位向晶粒的过度部位, 宽度为5~10个原子间距。

晶界的过渡层结构示意图

(a)晶界示意图       (a)亚晶界示意图

面缺陷

面缺陷示意图

面缺陷:享晶（双晶）

2）多晶体结构

单晶体-晶体内部的晶格方位完全一至攵。

晶粒一外形不规则而内部晶格方位一致的小晶体。

晶界一晶粒之间的界面。

多晶体一许多晶粒组成的晶体结构。

工业上使用的金属都是：

由许多小晶体（晶粒）组成的多晶体。

多晶体的晶粒和晶界ZF意图

二, 金属的结晶过程和同素异构转变

1纯金属的结晶：

1） 结晶的概念：液态金属转变为固态晶体的过程。

2） 纯金属的冷却曲线

过冷现象

过冷是结晶的必要条件。

过冷度 AT = T₀-T₁

2、纯金属的结晶过程:

2              3              4              5              6

纯金属结晶过程示意图

液态金属-温度降至熔点附近一自发形核一核心长大一液态金属消失。 基本过程：形核，长大，即晶核的生成和晶核的长大。

3、金属结晶后晶粒的大小对金属力学性能的影响

一般来说，晶粒愈细，晶界愈多，晶格排

U ∙*⅛≡<5l N ・*«洎

列方向犬牙交错，相互咬合，增强金属结合力， 因此金属的强度和硬度愈高，同时塑性和韧性 也愈好。

细化晶粒的途径

1） 增加过冷度：冷却速度愈大，过冷度

愈大，形核数量愈多，晶粒愈细。

2） 变质处理：在实际生产中，通过向金属液中加入某些物质

（称为变质剂）,在金属液中形成大量分散的人工的非自发晶核, 从而获得细小的铸造晶粒，这种处理方法称为变质处理。

3） 振动：对正在结晶的金属施以机械振动、超声波振动和电磁 振动，均可使树枝晶尖端破碎而增加新的核心，提高形核率，使 晶粒细化。

4） 热处理：

5） 压力加工：

• 4,金属的同素异构转变

一种金属能以几种晶格类型存在的性质，叫做同素异构 性，如Fe, Co, Ti等。

固态金属随温度不同而改变其晶格类型的过程，称为金 属的同素异构转变。

1 394 T 912 ^OC

(5-Fe--------> γ-Fe-------> α-Fe

因为钢铁发生同素异构转变因而可以对钢铁进行热处理.

金属铸锭的组织特点

•细等轴晶区

液体金属注入锭模时，由 于锭模温度不高，传热丸 外 层金属受到激冷，过冷度大, 生成大量的晶核。同时模壁也 能起非自发晶核的作用。结果, 在金属的表层形成一层厚度不 大、晶粒很细的细晶区。

缩孔 粗大等轴晶

∖水口

金属铸锭的组织特点

•柱状晶区

冒口

寸主ɔiX晶

•细晶区形成的同时，锭模 温度升咼/液体金属白身令師速 度降低，过冷度减小，生核速 率降彳氐，但此时长大速度受到 的影响较小。结晶时，优先长 大方向（即一次晶扇方向）与 散热最快方向（一股为往外垂 言模壁曲方"向）的良百向一致 的晶核向液体内部平行长大，

金属铸锭的组织特点

缩孔 粗大等轴晶

'水口

•粗等轴晶区

•  随着柱状晶区的发展，液

体金属的冷却速度很夬降低， 过冷度大大减小，温度差不断 降低，趋于均匀化；散热逐渐 失去方向性，所以在某仓时候, 剩余液体中被推来和漂浮来的、 以及从柱状晶上被冲下的二次 晶枝的碎块，可能成为晶核，

=,  合金的晶体(相)结构

1合金的基本概念

• 1) 合金：由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属组成的 具有金属特性的物质。

• 2) 组元：指组成合金的最基本的、能独立存在的物质。如化学 元素、金属化合物。

• 3) 合金系：指有相同组元，而成分比例不同的一系列合金。

• 4) 相：在金属或合金中，具有相同成分且晶格结构相同，并与 其他部分有界面分开的均匀组成部分。相与相之间有明显的界 面。

合金中常见的相有：液相、纯金属、固溶体和金属化合物等。

2合金组织

D固溶体：溶质原子溶入溶剂晶格而仍保持溶剂晶格类型的晶 体。

(1)置换固溶体：溶质原子替代溶剂原子的某些位置，所 形成的固溶体。

*溶质原子与溶剂原子直径相差不大时，才能置换，可形成无 限固溶体：

(2)间隙固溶体：溶质原子嵌入溶剂晶格的空隙中形成固溶

ɔ—溶剂原子              C)—溶剂原子

--溶质原广                    .--溶质原子

(a)                                              (b)

固溶体的两种类型(a)置换固溶体(b)间隙固溶体

(3)固溶体的力学性能

(a)                                           (b)

固溶体中溶质原子引起的晶格畸变示意图

(a)正畸变 (b)负畸变

不论形成置换固溶体还是间隙固溶体，由于溶质原子和5容剂原 子大小不一，化学性质也不尽相同，者B造成固溶体的晶格畸变， 导致固溶体的强度和硬度升高，即发生固溶强化。

• 2) 金属化合物：合金各组成元素之间相互作用，并按一定 的整数比化合而成的一种新的具有金属性质的物质，可用分子 式表示。如Fe3Q WC等。

特点：

• (1) 其晶格类型和性能不同于任一组元；

• (2) 一般具有更复杂的晶体结构，焰点高，硬而脆；

• (3) 能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但降低合金的塑性.

• 3) 机械混合物：各组元既不相互溶解，又不形成化合物， 而是接一定的重量比以混合方式存在。

机械混合物既可以是纯金属、固溶体或金属化合物各自的混 合物，也可以是它们之间的混合物。

Fe-Ct0 图

• Fe-C相图：表示在缓慢冷却 (或缓慢加热)的条件下，不 同成分的铁碳合金的状态或组 织随温度变化的图形。

铁素体(F)

・碳原子溶入α-Fe中形成的间隙固溶体，称做铁素体。由于体心立方格的α-Fe的晶体格间隙半径只有0.036nm,而碳原子半径为0∙077nm,所以铁素 体对碳的溶解度很小。在727°C时最大固溶度为0,02%,而在室温时固溶度 几乎降为零。铁素体的力学性能与纯铁相近。

・由此可见，铁素体有优良的塑 性和韧性，但强度，硬度较低, 在铁碳合金中是软韧相。铁素 体是912。C以下的平衡相，也 称做常温相，在铁碳相图中用 再号F表示。

奥氏体(A)

•碳原子溶入Y-Fe中形成的间隙固溶体，称做奥氏体。具有面心立方格 的Y-Fe的间隙半径为0.052nm,比CVFe的间隙稍大，在1148°C时碳原 子在其中的最大固溶度为2.11 %。随着温度的降低，碳在Y-Fe中的固 溶度下降，在727°C时是0.77%。

•奥氏体是727。C以上的平衡相，也称高温相。在高温下，面心立方格晶

渗碳体(Fe3C )

•渗碳体是铁与碳原子结合形成的具有金属 性质的复杂间隙化合物.

•它的晶体结构复杂r属于复杂八面体结构， 分子式为FeaG含碳量669%.

•渗碳体的硬度很高，HV800,但极脆，塑 性和韧性几乎是零，强度Rm = 30MPa左右。 在铁碳合金中，它是硬脆相，是碳钢的主要 强化相。渗碳体在碳钢中的含量和形态对钢 的性能有很大影响.它在铁碳合金中可以呈 片状、粒状、网状和板状形态存在.

•在高温时，钢和铸铁中的渗碳体在一定时 间会发生下面的分解反应，析出石墨态的破。

过共晶白口铁

Fe₃C-* 3Fe+C （石墨）

共析钢

珠光体(P)

珠光体是铁素体与碳光体的混合物。符号：P_f是铁素体和渗碳体片 层相间，交替排列。溶碳能力：在727。C时，C=O.77%性能特点：取 决于铁素体和滲碳体的性能，强度较高，硬度适中，具有一定的塑性

莱氏体(Ld)

•莱氏体是含碳量为43%的液态铁碳合金在11480C时从液 体上中间结晶出的奥氏体和渗碳体的混合物。符号：Ld

(高温莱氏体，温度＞727。C)由于奥氏体在727。C时转变 为珠光体，所以在室温下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成 叫低温莱氏体。L' d表示。溶碳能力：C=4.3%性能特点： 硬度很高，塑14很差。

匀晶相图

L+A

1148 气

A÷Ld÷Fe3C

727⁰C

P÷Ld

P十 FeCu

A+F B

P (F十FkC )

(A+Fc3C )

T_Jd Ld+Fe3C

⑴共晶点C 1148^OC_f 4.3%C共晶成分 反应式:

L_c-÷(A_E+Fe₃C)共晶体，即高温莱氏体Ld ；

莱氏体中奥氏体与渗碳体的相对含量可用杠杆定律求出

6.69-4.30

% _r = 1-52% =48% WY = 77_  XIO0% =52%

FqC                       ^r 6.69 - 2.1!

⑵共析点S 727^OC 0.77% C共析成分 反

应式：A_s-÷(F_p + Fe3C共析)共析体，即珠光 体；

H∕_n =——=----------×1OO%=88.7%

^α PK 6.69-O.O2I8

吼 l=1-88.7%=11.3%

(3)钢.铁分界点E (2.11%C)

特征线

•⑴液相线一ABCD,固相线一AHJECF

相图上有三条水平线，分别是:

HJB——包晶转变线

ECF—共晶转变线

PSK-——共析转变线

*     】148C、_{T Jz A} 「一、

Lr T_j-τγ;— Ld(A_JrH-Fe^C) 恒温

727⁽C

AS、怛温^-P(AFK)

•⑶其它相线

• • GS_fGP—/Wγ 固溶体

转变线,GS又称A,线。

• • HN,JN-女/固溶体 转变线，

• • ES—碳在7-Fe中的固 溶线。又称ACm线。

• • PQ—碳在WFe中的固

溶线。

• (3)三个三相区：SPHJB (L+<5+汛 ECF(L+‘+ Fe₃C),

PSK(X+α+ Fe₃C)=条水平线

典型铁碳合金的结晶过程

图 3.15 Fe-Feɔe 相图

室温组织为：P (F+Fe3C)

在0.0218~0.77%C 范 围内珠光体的量随含碳 量增加而増加。

室温组织：P+Fe3CII

含碳量对碳钢组织与性能的影响

• 一 ■含碳量对碳钢室温平衡组织的影响

•含碳量与缓冷后相及组织组成物之间的定量关系为:

I白口铸In

•二,含碳量对力学性能的影响

・亚共析钢随含碳量增加，P量增加，钢的强度、硬度升高’塑性、韧性下

降。

• 0.77%C时，组织为100% R钢的 性能即P的性能。

• >2J1%C_f组织中有以FeK为基 的Ld',合金太脆.

100 4(1(1

2U0

JO 12

40 16

50 20

20 8

10 4

⅛⅛⅛M2 薄)⅛.⅛.

0      0.2    0.4    0.6   0.H    1.0    1.2    1.4 Zn

c(%)                  Ml

三、含碳量对工艺性能的影响

• ① 切削性能：中碳钢合适

• ② 可锻性能：低碳钢好

• ③ 焊接性能：低碳钢好

• ④ 铸造性能：共晶合金好

• ⑤ 热处理性能：第四章介绍

  
  
  
  
  
  

四、铁碳合金相图的应用

1.选材料方面的应用；2.制定热加工工艺方面的应用

在铸造生产方面，根 据相图可以确定铸钢和 铸铁的浇注温度。

C在锻造生产方面，可 确定始锻.终锻温度。 ［在焊接方面，可分析 碳钢的焊接组织.

0对热处理来说，可确 定加热范围。

钢的热处理

热处理是将固态金属或合金采用适当 的方式进行加热、保温和冷却以获得所需 要的组织结构与性能的工艺。

热处理的原理及分类

现象：放在水中冷却的一根钢丝硬而脆，很容易折断; 放在空气中冷却的一根较软、有较好的塑性，可以卷成圆圈 而不断裂。

实验说明：虽然钢的成分相同，加热的温度也相同， 但采用不同的冷却方法，却得到了不同的力学性能。这主要 是因为在不同冷却速度的情况下，钢的内部组织发生了不同 的变化。

热处理的分类:

热处理 方法虽然很 多，但任何 —种板处理 工艺都是由 加热、保温、 和冷却三个 阶段所组成 的。热处理 工艺过程可 用在温度一 时间坐标系 中明曲线图 表示，这种 曲线称为熱 处理工艺曲I 线。

钢在加热及冷却时的组织转变

―、钢在加热时的组织转变 二、钢在冷却时的组织转变

一 •钢在加热时的组织转变

L钢在加热和冷却时的相变温度

在加热时钢的转变温 度要高于平衡状态下的临 界点；在冷却时要低于平 衡状态下的临界点。

加热时的各临界点：

Aiv A_c3WA_ccm

冷却时的各临界点：

ʌl、×4_r3^[]∕4_rcm

2.奥氏体的形成

钢在加热时的组织转变，主要包括奥氏体的形成和晶粒 长大两个过程。

形核

均匀化

3.奥氏体晶粒的长大

晶粒的长大是依靠较大晶粒吞并较小晶粒和晶界迁移 的方式i⅛行。

二、钢在冷却时的组织转变

两种冷却方式:

等温处理

连续冷却

L奥氏体的等温转变

奥氏体在4线以上是稳定相，当冷却到4线 以下而又尚未转变的奥氏体称为过冷奥氏体。这 是一种不稳定的过冷组织，只要经过一段时间的 等温保持，它就可以等温转变为稳定的新相。这 种转变就称为奥氏体的等温转变。

_λ A稳定区

A              A

• (2)贝氏体型转变区——中温等温转变

  

  上贝氏体

  上贝氏体中渗碳体呈较粗的 片状，平行分布于平行排列 的铁素体片层之间，它在显 彳散镜下呈羽毛状的组织

  下贝氏体

  下贝氏体中的碳化物呈细小 颗粒状或短杆状均匀分布在 铁素体内，在显微镜下呈黑 色针叶状的组织

  
  
  

  低碳马氏体      高碳马氏体

  
  

低碳马氏体其形状为 —束一束相互平行的细条 状，故也称板条状马氏体

高碳马氏体其断面 呈针叶状，故也称针状 马氏体

M⅞x二主

马氏体 65HRC

一.退火与正火

机械零件一般的加工工艺顺序:

作用：消除前一工序所造成的某些组织缺陷及内应力， 可以改善材料的切削性能，为随后的切削加工及热处理（淬 火一回火）做好组织准备。

L退火

退火——将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后 缓慢冷却（一般随炉冷却）的热处理工艺。

退火目的：

•降低硬度’提高塑性，以利于切 削加工和冷变形加工

•细化晶粒，均匀组织，为后续热 处理作好组织上的准备

•消除残余内应力，防止工件的变 形与开裂

• 2.正火

正火——将钢加热到N c3或川CCm以上30 ~ 50°C,保 温适当的时间后，在空气中冷却的工艺方法.

!  迥晰贏'l>Γg⅛≡⅛i½/天两纟館「掠蒿一 I

!机械性能.

力学性能要求不高的普通结构零件：正火可作为最 !终热处理。

■ 低、中碳结构钢：调整硬度，改善切削加工性能。

I  高碳过共析钢：正火的目的是消除网状渗碳体，有

袒于琦丝5也夷亳火做好组织准备。_______J

加热温度范围        热处理工艺曲线

1 一完全退火2—球化退火3—去应力退火卜正火

淬火与回火

L钢的淬火

淬火—将钢件加热到人3或％以上的适当温度， 经保温后快速冷却C令却速度大于ι⅛) _f以获得马氏体或 下贝氏体组织的热处理工艺。

目的：获得马氏体组织，提高钢的强度、硬度和耐磨 性。

(1)淬火加热温度的选择

(过)共析钢: 以上 30~50°C

亚共析钢：

以上 30 ~ 50^oC

碳钢淬火温度范围

(2)淬火冷却介质的选择

Tl^oC

淬火的冷却速度必须大   缓冷(理想冷却速度) 于该钢种的临界冷却速度。

冷却中要避免弓I起钢件 的变形和开裂。

冷却介质对钢的理想淬 火冷却速度应是"慢T决-慢"。

• (3)常用的淬火方法

•单液淬火法

•双介质淬火

•马氏体分级淬火

.贝氏体等温淬火

• (4)钢的淬透性与淬硬性

淬透性一一规定条件下，钢在淬火冷却时获得马氏 体组织深度的能力。

取决于钢的临界冷却速度，临界冷却速度越低，贝U 钢的淬透性越好。钢的临界冷却速度又主要取决于其化学 成份。

淬硬性——钢在理想的淬火条件下，获得马氏体后所 能达到的最高硬度。

取决于含碳量的高低。低碳钢淬火的最高硬度低，淬 硬性差；高碳钢淬火的最高硬度高，则淬硬性好。

• (5)钢的淬火缺陷

.氧化与脱碳

.过热和过烧

■变形与开裂

■硬度不足

■软点

2 •钢的回火

回火——将淬火后的钢重新加热到％点以下的某 一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。

目的：

•降低淬火钢的脆性和内应力，防止变形或开裂。

•调整和稳定淬火钢的结晶组织以保证工件不再发

生形状和尺寸的改变。

•获得不同需要的机械性能。

(1)回火时的组织转变

回火马氏体

回火屈氏体

回火索氏体

钢(45钢)的回火组织

随看加热温度的升高, 钢的强度、硬度下降，而 塑性、韧性提高。

回火钢的T生能只与加 热温度有关，而与冷却速 度无关。

M CQ

1200 500

1000 400

800 300

600 200

400 IOO

UCWU气¾

12.5 20

^r-'LM/亨10806040

5 5

OZ 2 0 7 5

XF 6 5 3 2

0    300   400   500 600   700

TI^OC

40钢的力学性能与回火温度的关系

(2)回火的分类及应用

•低温回火

•中温回火

•高温回火

调质——生产中淬火及高温回火相结合的热处理工艺。

钢的表面热处理

—、表面淬火

二、化学热处理

汽车变速齿轮

传动齿轮轴

—■表面淬火

表面淬火——仅对工件表层进行淬火的热处理工艺。

原理：通过快速加热，使钢的表层奥氏体化，在热量 尚未充分传到零件中心时就立即予以冷却淬火。

适用：中碳钢、中碳合金钢。

方法：火焰加热表面淬火、感应加热表面淬、电接触 加热表面淬火、激光加热表面淬火©

• 1.火焰加热表面淬火

应用氧-乙焕(或其他可燃气体)火焰对零件表面 进行决速加热并随之快速冷却的工艺。

特点：加热温度 及淬硬层深度不易控制, 易产生过迅和加無不均 匀，淬火质量不稳定。 不需要特殊设备，适用 于单件或小批量生产.

2.感应加热表面淬火

利用感应电流通过工件所产生的 热效应，使工件表面受到局部加热，并 进行快速冷却的淬火工艺。

特点：

• (1) 加热速度快。

• (2) 淬火质量好。

(3)淬硬层深度易于控制， 易实现机械化和自动化，适用于大

批量生产。

电流集中层

二.化学热处理

化学热处理——将工件置于一定温度的活性介质中 保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学 成分、组织和性能的热处理工艺。

不仅改变了钢的组织，而且表面层的化学成分也发 生了变化，因而能更有效地改变零件表层的性能。

根据渗入元素分：渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、 渗金属等。

L钢的渗碳

钢的渗碳——将钢件置于渗碳介质中加热并保温, 使碳原子渗入工件表层的化学热处理工艺。

目的：提高钢件表层的含碳量。

渗碳后处理：淬火及低温回火。

工艺踣线：

锻造一正火一机械加工一渗碳一淬火+低温回火

分类：固体渗碳、盐浴渗碳、气体渗碳

气体渗碳——将工件置于气体渗碳剂中进行 渗碳的工艺。

低碳钢渗碳后缓冷的渗碳层显微组织 由表面向中心：

过期斤组织、均斤 组织、亚共析组织（过 渡层），中心仍为原来 的亚共析组织。

2 .钢的渗氮

渗氮——一定温度下，使活性氮原子渗入工件表 面的化学热处理工艺。

目的：提高零件表面的硬度、耐磨性、耐蚀性及疲劳 强度。

(1)渗氮与渗碳相比具有以下特点：

•渗氮层具有很高的硬度和耐磨性

•渗氮层具有渗碳层所没有的耐蚀性

•渗氮比渗碳温度低，工件变形小

渗氮工件的工艺踣线：

锻ι⅛—退火一机械粗加工一调质―机械精加工

一去应力退火一粗磨―►渗氮—►精磨或J研磨

(2)渗氮方法

•气体渗氮

工件在气体介质中进行渗氮。它将工件放入密闭的 炉内，加热到500-6OO^OCʃ通入氨气(NH₃),氨气分 解出活性氮原子。

•离子渗氮

在低于一个大气压的渗氮气氛中，利用工4牛(阴极) 和阳极之间产生的辉光放电现象进行渗氮的工艺。

邊敏层——!相片中 刼 为HV测试压痕

渗氣层及HV测痕

渗氮层中致密的针状氣化 物(白色)

• 4.碳氮共渗

碳氮共渗  在一定温度下，将碳、氮原子同时渗入

工件表层奧氏体中，并以渗碳为主的化学热处理工艺。

零件的热处理分析

_、热处理的技术条件

二、 热处理的工序位置

三、 典型零件热处理分析

_、热处理的技术条件

工件在热处理后组织、应当达到的力学性能、 *青度和工艺性能等要求，统称为热处理技术条件。

二、热处理的工序位置

L预备热处理

包括退火、正火、调质等。

• 2.最终热处理

包括淬火、回火及表面热处理等。

三、典型零件热处理分析

1.铿刀

备料—锻签—正火、球化退火—机械粗加工 一姓身局部淬火、回火^-►机械精加工

2.汽车变速齿轮

备料一锻造―正火—►机械加工—*滲碳洋大、偈温回火

一喷九一校正花键孔一磨齿

3∙汽车传动齿轮轴

备料f锻造i正大f机械粗加工-►调质f机械半精加工

T^k花伎齿廓和齿轮齿■廓部分表面淬大、回大f⅛⅛磨

钢的分类及编号

—,钢的分类

L按化学成分分

^r      ≤0.25%C

碳素钢V中碳钢0∙25~0.6%C

I       ＞0.6%C

'     (      合金元素总量＜5%

I合金钢 ＜中合金钢 合金元素总量5-10% 匕高合金駆合金兀素总量＞10%

• 2.按质量分

,钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。

*分为普通质量钢.优质钢.高级优质钢和特级优质

•根据现行标准，各质量等级钢的磷.硫含量如下：

3、按冶炼方法分

普炉钢:

₍T按炉别分 J转炉钢:

1电炉钢:

"弗腾钢： 脱氧不充分，浇注时C与O反应发 生沸腾。这种钢成材率高，但不致密。

J安脱氧程度分｛镇静钢： 脱氧充分，组织致密，成材率低。

介于前两者之间。

將殊镇静钢：

4,按用途分

fɪ程用钢建筑,桥梁.

调质钢

J¹Jl器用钢X弹簧钢

冷轧螺纹钢

［刃具钢

工具钢」模具钢

〔量具钢

C特殊性J不锈钢 能钢1耐热钢

•二,钢的编号

•我国钢材的编号是采用汉 语拼音字母、化学元素符 号和阿拉伯数字相结合的 方法。

•采用汉语拼音字母表示钢 产品的名称、用途、特性 和工艺方法时，一般从代 表钢产品名称的汉字的汉 语拼音中选取第一个字母

常用钢产品的名称.用途.特性和工艺方法 表示符号(GB/T 221—2000)

• • 1、碳素结构钢和低合金高强度钢

-Q+最1氐屈服强度值+质量等级符号对矚方法符号

• • Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa;

•质量等级符号为A、B、C、D、E_O由A到E,其P、

S含量依次下降，质量提高。

•脱氧方法符号:沸腾钢一F; 镇静钢一Z;滔真静钢一b; 特殊镇静钢一TZ.

■如碳素结构钢牌号表示为 Q235AF、Q235BZ_o

• 2、优质碳素结构钢

•牌号用两位数字表示。

•这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。

•如45钢一平均含碳量为万分之四十五（即0.45%）

的优质碳素结构钢。

. 3、合金结构钢和合金弓单簧钢

•两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元 素符号+该元素百分含量数字+……

•当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符 号，不标含量；

4、工具钢

⑴碳素工具钢

T +数字

T表示〃碳素工具钢〃

•数字表示平均含碳量的千分之几.

•如T8—其平均含碳量为千分之八 (0.8%C)_O

• ¹说明：碳素工具钢都是优质以上 质量的。高纟及优质钢在钢号后加

* _t 如 T8A。

• • 5、轴承钢

• • G+Cr+铭含量（不标含碳量）

.表示.滚动轴承钢〃 _O

*铭含量以千分之一为单位

•如〃GCrI 5“的平均含铭量 为 1.5%。

.渗碳轴承钢牌号的表示方法 与合金结构钢相同，仅在牌 号头部加字母〃G” _f如

^πG20CrNiMO^H _O

•②当1.0%＞平均含碳量70.1%时，用一位数字表示, 如2Cr13 （平均含碳量为0.20%）

•③当。1%＞含碳量上限＞0.03%时,以^,,0^π表示, 如OCrI 8Ni9 （含碳量上限为0.08%）

•④当0.03%＞含碳量上限＞0.01 %时（超低碳），以

“03“表示，如03Crl 9Ni10（含碳量上限为0.03%）

•⑤当含碳量上限＜0. 01%

滩机叶片

时（极低碳），以“01“表示，

如OICrI9Ni11 （含碳量上

限为0.01%）。

*珠光体耐热钢含碳量的标注同结构钢。如15CrMO

•注：旧标准含碳量表示方法为：

•当含碳量K.08%时,以"0〃表示，如OCrl 8.

•当含碳量≤0.03%时，以^llOO^u表示，如

OOCrI 8Ni10.

钢中的杂质及合金兀素

—、杂质元素对性能的影响

•钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S_O是由原料带 入或脱氧残留的元素。

• 1、Mn: <0.8%时为杂质是有益元素。

•作用为：

•①强化铁素体；

•②消除硫的有害作用。

• • 2. Si: <0.5%时为杂质，是有益元素。

作用为：            一

•①强化铁素体；

•②增加钢液流动性。

I

• • 3. S:是有害元素         I

4荃E ɑɪH

•常以FeS形式存在。易与Fe在晶

界上形成低熔点共晶(985^oC),热 加工时(1150^1200^oC),由于其 焰化而导致开裂，称热脆性.

•钢中的硫应控制在0.045%以下.

MnPI;肖除硫的有害作用，

FeS + Mn 一 Fe + MnS_f

MnS 熔点高(1600^oC)_O

能全部溶入铁素体中，使她瘁雌迎通會

钢在常温下硬度提高，塑 性、韧性急剧下降，称冷 脆性。

冷脆性于1938年冬发生断裂坠入河

. 5、气体元素

•①N:室温下N在铁素体中溶 解度很低，钢中过饱和N在常 温放置过程中以FeN、F&N形 式析出使钢变脆,称时效脆化.

•加Ti、V、Al等元素可使N固定 消除时效倾向。

•②O:氧在钢中以氧化物的形 式存在,其与基体结合力弱， 不易变形，易成为疲劳裂纹源.

•③H:常温下氢在钢中的溶解度也很低。当氢在钢 中以原子态溶解时,降低韧性，弓I起氢脆。

•当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压， 形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。

二、合金元素在钢中的作用

.㈠对钢中基本相的影响

. 1、溶于铁素体,起固溶强 化作用

,非碳化物形成元素及过剩 的碳化物形成元素都溶于 铁素体，形成合金铁素体.

• Si、Mn对强度、硬度提 高显著。CR Ni在适当范 围内提高韧性。

• 2、形成碳化物，起强化相作用

•合金元素与碳的亲和力从大到小的序为:

Ti、Nb_X V、W_S MO_X CR Mn_V Fe_o

•⑴ Ti_X Nb. V

为强碳化物形成 元素，碳化物的 稳定性、熔点、 硬度、耐磨性高, 如TiC、VC等。

• (2) W、Mo、Cr为中碳化物形成元素，碳化物的稳 定性、熔点、硬度、耐磨性较高，如WzC等。

•⑶Mn_S Fe为弱碳化物形成元素，碳化物的稳定性 熔点、硬度、耐磨性较低，如FegCMo

结构钢

•对结构钢的性能要求为：

•使用性能以强韧性为主。

•工艺性能以可焊性、淬透 性为主。

•合金结构钢除少量为中咼 合金钢外，都是低合金钢.

_、碳素结构钢

• • 1、成分：＜0.4%C_z P、 S量及非金属夹杂较多.

• • 2、性能：可焊性、塑 性好。

. 3、热处理：不进行专 门热处理，热轧空冷态 下使用。

• • 4、使用状态下组织： F+P

• 5、用途

•常以热轧板、带、棒及型 钢使用，用量约占钢材总 量的70%。

•用于建筑结构_r适合焊接

抑接、栓接等。

二、低合金高强度结构钢

• 1、性能要求

.⑴高强度及足够韧性。

•⑵良好的焊接性能。

.⑶良好的耐蚀性及低 的韧脆转变温度。

. 2、成分特点

•⑴低碳：≤0.2%C.

•⑵合金元素：主要是Mn,还有少量V、Ti、Nb等。

•①Mn的作用是强化铁素体；增加珠光体的量。

•②V、Ti. Nb等起细化晶粒和弥散强化作用。

•③另夕卜加Cu、P可提高耐蚀性；加RE可提高韧性、 疲劳极限，降低冷脆转变温度。

• • 3、热处理：大多数 热轧空冷后使用。

  

  microalloy COntent (%)

  
  

少数可用正火+高温 回火处理。

• • 4、使用状态下组织:

F+P

• 5、用途:

• • Q345钢(16Mn)综合性 能好，用于船舶、桥梁、 车辆等大型钢结构。

• • Q390钢含V、Ti、Nb_f 强度高，用于中等压力 的压力容器。

• • Q460钢含Mo、B_z 正 火组织为贝氏体，强度 高,用于石化中温高压容 Ra

  
  
  

三、渗碳钢

•制造渗碳零件的钢种。

• • 1、性能要求

• • (1)表面具有高硬度、 高耐磨性，心部具有足 够的韧性和强度，即表 硬里韧。

.⑵良好的热处理性能， 如淬透性和渗碳能力。

. 2、成分特点

•⑴低碳：

0.1~0.25%C

•⑵合金元素作用：

•①提高淬透性：

Cr、Mn、Ni、B

.②强化铁素体：

Cr_S Mrk Ni

•③细化晶粒：

W、Mo、Ti、V

3、热处理特点

渗碳件的加工工艺路线为：下料一锻造一正火

T机加工—渗碳T淬火+低温回火

正火目的为调整硬度，便于切削加工。

淬火温度一般为

Ac₁ + 30-50^oC_o

4、使用状态下组织 心部：M回+F

表层：M回+颗粒状碳化物+A，（少量）;

•中淬透性钢：

20CrMnTi_o 用 于中等载荷的 耐磨件，如变 速箱齿轮。

•高淬透性钢：

18Cr2Ni4WA.

用于大载荷的 耐磨件，如柴 油机曲轴。

汽车变速箱齿轮

四、调质钢

•调质后使用的钢种。

• 1、性能要求

•⑴良好的综合力学性能.

•⑵良好的淬透性。

. 2、成分特点

•⑴中碳：0.3~0.5%C

•⑵合金兀素作用： •①提高淬透性：Mn、Si. Cr NL

B

•②强化铁素体：Mn、SL Cr Ni

•③细化晶粒:TL V

•④防止第二类回火脆性:W、MO

• 3、热处理及组织特点

•调质件的加工工艺路线为：下料T锻造T退火-粗 加工一调质青加工一装配

•调质目的：获得良好综合力学性能

•为提高表面耐磨性，调质后可 进行表面淬火或氮化。

• 4、常用钢号及用途

•低淬透性钢：

DO油＜30~40mm,常 用45、40Cr_f用于 制造较小的齿轮、辄 螺栓等。

.中淬透性钢：

DO 油 ≈40~60mm, 常用40CrNi_f用于制 造大中型零件。

柴油机凸轮轴

五、弹簧钢

•制造弹簧或类似性能零件 的钢种。

• • 1、性能要求

•弹簧是利用弹性变形储存 能量或缓和)中击的零件。

•⑴高的。5，σ₅∕σ_b;

高的。一1；足够的韧性

• • (2)高的淬透性。

  
  
  
  
  
  

2、成分特点

⑴中咼碳：

碳素弹簧钢为0∙6~0.9%C 合金弹簧钢为 0.45~0.7%C

⑵合金兀素作用：

• ① 提高淬透性、强化铁素 体：Mn_X Si、Cr

• ② 提咼σ_s∕^σ⅛: Si

• ③ 细化晶粒：V

  
  
  

. 3、热处理及组织特点

•⑴冷成型弹簧：冷拔^-' 冷成型-定型处理 (250-300^oC)_O

•用于 ＜仞Omm弹簧Q

.⑵热成型弹簧：

热成型一淬火+中温回火

•使用状态下的组织：T回

汽车板簧淬火线

• 4、弹簧的表面质量

•弹簧的表面质量对其 寿命影响很大。

•提高表面质量的方法:

•①防止表面脱碳；

•②避免表面缺陷；

•③进行喷丸处理，使表 面产生压应力。

• • 5、常用钢号及用途

• • Si、Mn弹簧钢，如65MrI、60Si2Mn,用于制造较 大截面弹簧。

  • • Cn V弹簧钢，如50CrV,用于大截面、大载荷、 耐热的弹簧。

  
  
  
  
  
  

六、滚动轴承钢

•用于制造轴承套和滚动体的专 用钢种。

• 1、性能要求

•轴承工作时,承受接触应力（达 3000〜3500MPa）、周期性交变 载荷（频率达数万次/分）和摩擦。

•⑴高而均匀的硬度和耐磨性。

•⑵高的％和接触疲劳强度。

•⑶足够的韧性、淬透性和耐蚀性.

• 2、成分特点

•⑴ 高碳：0.95〜1.10%C

加入Mn、SiO

• • C「、MrI、Si的主要作用  I推加求性

是提高淬透性

• • C「还提高耐磨性（形成合金渗

  碳体）和耐蚀性。

  
  

  •当＞1.65%CrBt会因A'增加

  
  

  而使硬度和稳定性下降C

  
  

• 3、热处理和组织特点

•滚动轴承钢是过共析钢。

•⑴热处理：

球化退火+淬火+低温回火

•⑵组织：

M回+颗粒状碳化物

+A'(少量)

•淬火后进行冷处理

(-60〜-8CrC),可以

减少A'、稳定尺寸

• 4、常用钢号及用途

•应用最广的是GCr15,大量用于大 中型轴承；

•大型轴承用GCr15SiMn_o

•这类钢还可用于制造模具、量具等.

• 5、用途:

• • Q345钢(16Mn)综合性 能好，用于船舶、桥梁、 车辆等大型钢结构。

• • Q390钢含V、Ti、Nb_f 强度高，用于中等压力 的压力容器。

• • Q460钢含Mo、B_z 正 火组织为贝氏体，强度 高,用于石化中温高压容 Ra

  
  
  

三、渗碳钢

•制造渗碳零件的钢种。

• • 1、性能要求

• • (1)表面具有高硬度、 高耐磨性，心部具有足 够的韧性和强度，即表 硬里韧。

.⑵良好的热处理性能， 如淬透性和渗碳能力。

. 2、成分特点

•⑴低碳：

0.1~0.25%C

•⑵合金元素作用：

•①提高淬透性：

Cr、Mn、Ni、B

.②强化铁素体：

Cr_S Mrk Ni

•③细化晶粒：

W、Mo、Ti、V

3、热处理特点

渗碳件的加工工艺路线为：下料一锻造一正火

T机加工—渗碳T淬火+低温回火

正火目的为调整硬度，便于切削加工。

淬火温度一般为

Ac₁ + 30-50^oC_o

4、使用状态下组织 心部：M回+F

表层：M回+颗粒状碳化物+A，（少量）;

•中淬透性钢：

20CrMnTi_o 用 于中等载荷的 耐磨件，如变 速箱齿轮。

•高淬透性钢：

18Cr2Ni4WA.

用于大载荷的 耐磨件，如柴 油机曲轴。

汽车变速箱齿轮

四、调质钢

•调质后使用的钢种。

• 1、性能要求

•⑴良好的综合力学性能.

•⑵良好的淬透性。

. 2、成分特点

•⑴中碳：0.3~0.5%C

•⑵合金兀素作用： •①提高淬透性：Mn、Si. Cr NL

B

•②强化铁素体：Mn、SL Cr Ni

•③细化晶粒:TL V

•④防止第二类回火脆性:W、MO

• 3、热处理及组织特点

•调质件的加工工艺路线为：下料T锻造T退火-粗 加工一调质青加工一装配

•调质目的：获得良好综合力学性能

•为提高表面耐磨性，调质后可 进行表面淬火或氮化。

• 4、常用钢号及用途

•低淬透性钢：

DO油＜30~40mm,常 用45、40Cr_f用于 制造较小的齿轮、辄 螺栓等。

.中淬透性钢：

DO 油 ≈40~60mm, 常用40CrNi_f用于制 造大中型零件。

柴油机凸轮轴

五、弹簧钢

•制造弹簧或类似性能零件 的钢种。

• • 1、性能要求

•弹簧是利用弹性变形储存 能量或缓和)中击的零件。

•⑴高的。5，σ₅∕σ_b;

高的。一1；足够的韧性

• • (2)高的淬透性。

  
  
  
  
  
  

2、成分特点

⑴中咼碳：

碳素弹簧钢为0∙6~0.9%C 合金弹簧钢为 0.45~0.7%C

⑵合金兀素作用：

• ① 提高淬透性、强化铁素 体：Mn_X Si、Cr

• ② 提咼σ_s∕^σ⅛: Si

• ③ 细化晶粒：V

  
  
  

. 3、热处理及组织特点

•⑴冷成型弹簧：冷拔^-' 冷成型-定型处理 (250-300^oC)_O

•用于 ＜仞Omm弹簧Q

.⑵热成型弹簧：

热成型一淬火+中温回火

•使用状态下的组织：T回

汽车板簧淬火线

• 4、弹簧的表面质量

•弹簧的表面质量对其 寿命影响很大。

•提高表面质量的方法:

•①防止表面脱碳；

•②避免表面缺陷；

•③进行喷丸处理，使表 面产生压应力。

• • 5、常用钢号及用途

• • Si、Mn弹簧钢，如65MrI、60Si2Mn,用于制造较 大截面弹簧。

  • • Cn V弹簧钢，如50CrV,用于大截面、大载荷、 耐热的弹簧。

  
  
  
  
  
  

六、滚动轴承钢

•用于制造轴承套和滚动体的专 用钢种。

• 1、性能要求

•轴承工作时,承受接触应力（达 3000〜3500MPa）、周期性交变 载荷（频率达数万次/分）和摩擦。

•⑴高而均匀的硬度和耐磨性。

•⑵高的％和接触疲劳强度。

•⑶足够的韧性、淬透性和耐蚀性.

• 2、成分特点

•⑴ 高碳：0.95〜1.10%C

加入Mn、SiO

• • C「、MrI、Si的主要作用  I推加求性

是提高淬透性

• • C「还提高耐磨性（形成合金渗

  碳体）和耐蚀性。

  
  

  •当＞1.65%CrBt会因A'增加

  
  

  而使硬度和稳定性下降C

  
  

• 3、热处理和组织特点

•滚动轴承钢是过共析钢。

•⑴热处理：

球化退火+淬火+低温回火

•⑵组织：

M回+颗粒状碳化物

+A'(少量)

•淬火后进行冷处理

(-60〜-8CrC),可以

减少A'、稳定尺寸

• 4、常用钢号及用途

•应用最广的是GCr15,大量用于大 中型轴承；

•大型轴承用GCr15SiMn_o

•这类钢还可用于制造模具、量具等.

七、耐磨钢

•是指在冲击载荷作用下 发生冲击硬化的高镐钢.

•只有ZGMnl3 一个钢号

• 1、成分特点

•⑴ 高碳：1.0〜1.3%C

以保持高耐磨性。

•⑵高锭：11-14%Mn 以保证形成奥氏体组织.

• 2、热处理及组织

•铸态组织为奥氏体+ 碳化物,性能硬而脆

•热处理釆用水韧处 理。即将钢加热到 IIOO^oC,使碳化物 溶入奥氏体，并进 行水淬。

*室温组织为过饱和 单相奥氏体。

高镒钢铸件

掘机铲齿和

铁路辙岔等.

挖掘机铲齿

铁路辙岔

按用途分为:

刃具钢

模具钢

量具钢

•㈠性能要求

• • 1、高硬度(2HRC60), 主要取决于含碳量。

• • 2、高耐磨性靠高硬度 和析出细小均匀硬碳化 物来达到。

• • 3、高热硬性即高温下 保持高硬度的能力。

• • 4、足够的韧性以防止 脆断和崩刃。

  
  
  

  •㈡碳素工具钢

  •共有七个牌号:

  T7~T13

  • 1、成分特点：

  
  

•高碳(0.65 〜1.35%C)

随含碳量提高，碳化物 量増加，耐磨性提高， 但韧性下降。

• 2、热处理及组织

•⑴热处理：正火+球化 退火+淬火+低温回火

•球化退火目的：

•①降低硬度，便于加工;

,②为淬火作组织准备。

•⑵使用状态下的组织：

M回+颗粒状碳化物

+A'（少量）

• • 3、用途

.由于碳工钢热硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸 的手工工具和低速刃具。

• • T7~T9:制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、

  凿子、锤M

  
  
  

• • TlO-Tl 1：制造低速切削工具，如钻头、丝锥、车 刀等。

• • T12-T13：制造耐磨工具，如锂刀、锯条等。

  
  
  
  
  

  •㈢低合金工具钢

  •由碳素工具钢基础上加入少量合金元素G3〜5）形成

  
  

  • 1、成分特点：

  ,⑴高碳：0.75〜1.5%C

  •⑵合金元素作用

  •①提高淬透性:CL Mm Si

  •②提高耐回火性：Si

  •③提高耐磨性、细化晶粒:

  W、V

  
  
  

  低合金工具钢制品

  
  

  • • 2、热处理及组织

  •同碳素工具钢，只是淬火介 质为油（碳素工具钢为水）。

  •使用状态下的组织为：

  M回+颗粒状碳化物+A'（少量）

  • • 3、常用钢号及用途

  •应用最多的是9SiCR用于制 造形状复杂、要求变形小的 低速刃具，如丝锥、板牙等.

  
  
  
  
  
  
  
  

  •㈣高速钢HSS

  
  

  •制造高速切削刃具用钢。

  
  

  • 1、性能特点：高热硬性

  
  

  （600°C）、高淬透性

  
  

  • 2、成分特点

  
  

  高速钢形材

  
  
  

.⑴高碳：0.70〜1.5%C

•⑵合金元素作用

•①提高淬透性：Cr

•②提高热硬性、耐磨性:

W、Mo、V

• 3、加工与热处理

•加工工艺路线：下料一锻造一退火T机加工T淬火 一回火一磨削

•高速钢是莱氏体

钢，其铸态组织

为亚共晶组织，

由鱼骨状莱氏体

与树枝状M+T组

成，脆性大且无

法热处理改善。

•⑴ 锻造目的：打碎粗大的鱼骨状碳化物，使其均

匀分布于基体中。

•⑵退火目的：

•降低硬度，便于切加 工；

•为淬火作组织准备。

•退火后组织：

S+颗粒状碳化物

•⑶淬火目的：获得 高合金元素含量的 马氏体。因此淬火 温度高(>1200^OC)_O

W18Cr4 V钢的淬火组织

LEE W ssQcEe--

高速钢硬度与回火温度关系

的碳化物，产生二次硬化。

•②碳及合金元素含量下降，MS点上升，回火冷却 时，A^,转变为M。

•每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火C

W18CM V钢热处理工艺示意图

,Ww

550-570

550-570

4、使用状态下组织

M回+颗粒状碳化物+A'

（少量）

不同状态TW18Cr4V的组织

• 5、常用钢号及用途

•常用钢号为 W18Cr4V(18-4-1) 和 W6 Mo5Cr4V2 (6-5-4-2)。

•用于高速切削刃具，如车刀、 刨刀、铳刀、钻头等。

—、模具钢

用以制造冷热模具的钢种.

㈠冷作模具钢

制造金属冷成型模具钢种.

1、性能要求

(1)高硬度和耐磨性。

⑵ 足够的强度和韧性。

⑶良好的工艺性能(淬透 性、切削加工性等)

• 2、常用钢种

•⑴小尺寸、形状简单、受力 不大的模具,可用碳素工具 钢和低合金工具钢制造。

•⑵截面、受力大的冷模具 用Cr12型冷作模具钢制造.

•①成分特点：高碳(1.4〜2.3%C);高铭(11.5〜13%Co

•合金元素作用：

C「提高淬透性；

Mo、V提高耐磨性，细化晶粒。

•②加工及热处理：Crl2型模具钢也是莱氏体钢，需进 行锻造、退火，目的同高速钢,

最终热处理为：

淬火+低温回火

使用状态下的组织：M回+颗粒状

碳化物+A'（少量）

•③常用钢号为Crl2和 Cr12MoVo用于制造 冷冲模、挤压模等。

㈡热作模具钢 制造使加热金属或液 态金属成型模具钢种.

1、性能要求

⑴高温下良好的

综合力学*生能。

⑵抗热疲劳性能。

⑶高的淬透性和良好 的导热性。

• 2、常用钢种

•⑴热锻模钢

5CrNiMo> 5CrMnMo

•前者用于大型热锻模， 后者用于中小型热锻模'

•成分特点、合金元素作 用及热处理同调质钢。

•使用状态下的组织：S回

凸缘模

•⑵压铸模钢

•典型钢号是3Cr2∖Λ∕8V.

•中碳(0.3〜0.4%C),合金元素作用同

高速钢.∖ΛΛ C「提高抗热疲劳性能.

•淬火+回火后组织：

M回+颗粒状碳化物+A'(少量)

压铸匸艺

汽车四缸压铸模

三、量具钢

•制造各种量具用钢。

如千分尺、卡尺、块 规、塞规等。

• 1、性能要求

•量具在使用过程中与被测零 件接触，承受摩擦和冲击。

•⑴高硬度和耐磨性。

•⑵高的尺寸稳定性。

• • 2、量具用钢

• • (1)低碳钢渗碳、

中碳钢表面淬火

•⑵碳素工具钢、低合 金工具钢

两者用于尺寸小、形 状简单、精度要求不 高的量具。

•⑶滚动轴承钢、冷作模具钢。用于制造精密量具.

•⑷ 不锈钢用于制造接触腐蚀介质的量具。

• 3、量具钢的热处理特点

•⑴淬火前预备热处理采用球化退火或调质处理。

•⑵下限温度淬火及冷处理。目 的是减少A^, _O

,⑶长时间低温时效，以消除内 应力，降低马氏体的正方度。

特殊性能钢

特殊性能钢是指 具有特殊物理、 化学性能的钢C 本节只介绍不锈 钢和耐热钢。

一、不锈钢

•在腐蚀介质中具有耐 蚀性能的钢。

•㈠金属的腐蚀

•金属的腐蚀分化学腐 蚀和电化学腐蚀©

•化学腐蚀是指金属在非电解质中的腐蚀。

•电化学腐蚀是指金属在电解质溶液中的腐蚀，是有 电流参与作用的腐蚀。

•工业发达国家每年金属腐蚀 造成的直接经济损失占GNP 的4%左右。中国每年腐蚀 的损失至少到400亿元以上

•㈡不锈钢中合金元素的作用

• • 1、低碳：碳高，则降低耐蚀性。

• • 2、Cr：是提高耐蚀性的主要元素

•①形成稳定致密的C「2O3氧化膜•

•②Cr含量大于13%时，形成单相 铁素体组织。

•③提高基体电极电位

• • 3、Ni:获得单相奥氏体组织。

• • 4. Mo：耐有机酸腐蚀。

• • 5、Ti, Nb:防止奥氏体钢晶间腐蚀.

  
  
  

•晶间腐蚀是沿晶粒周界发生腐蚀的现象，危害很大

•它是由于Cr₂₃C₆析出于晶界，使晶界附近Cr含量降 到12%以下，在介质作用下发生强烈腐蚀。

•加Ti、Nb则先于Cr与C形成不易溶于奥氏体的碳化

¹

高速钢不标含碳量，如

W6Mo5Cr4V2(含 0.85%C).

• 6、不锈钢和耐热钢

•含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+ •含碳量以千分之一为单位。

•含碳量的表示方法为：

•①当平均含碳量

ZLOO%时’用两位数 字表示，WllCrI7（平 均含碳量为LlO%）；