《钢铁材料学》PPT课件

钢 铁 结 构 材 料 11.1.钢的分类及编号 用 途 : 结构钢 、 工具钢及特殊钢 化学成分： 碳素钢 低碳钢 0.25 ， 中碳钢 0.25-0.6 ， 高碳钢 0.6 合金钢 低合金钢 （ 合金总量 5 ） ， 中合金钢 （ 5 10 ） ， 高合金钢 （ 10 ） 主要元素 锰钢 、 铬钢 、 铬镍钢等 组 织： 平衡 （ 退火 ） 态 亚共析 、 共析 、 过共析 、 莱氏体钢 正 火 态 珠光体钢 、 贝氏体钢 、 马氏体钢 、 奥氏体钢 品 质： 普 通 P 0.045%， S 0.055% 优 质 P 0.040%， S 0.040% 高级优质 P 0.035%， S 0.030% 冶炼方法 : 炉别 平炉钢 、 转炉钢和电炉钢 。 脱氧程度和浇注制度 沸腾钢 、 镇静钢和半镇静钢 1. 钢的分类 2 . 钢的编号 合金钢 一般采用 “ 数字元素数字 ” 的方法 数 字 碳量万分数 元 素 汉字或符号 数 字 元素含量百分数 合金结构钢 ： + + 1.5只标符号，不标含量 1.5至 2.5 2 2.5至 3.5 3 微量元素 V、 Ti、 Al、 B、 RE 只标符号 ， 不标含量 40Cr、 20CrMnTi 60Si2Mn、 40MnB 高级优质钢加“高” 或“ A” 合金工具钢 : 数 字 碳含量 元 素 汉字或符号 数 字 元素含量百分数 + + 1.0 ，不标 1.0，千分数 含铬低的钢，千分数 表示，前加“ 0” 。 高速钢 : 不标碳量 如 W18Cr4V Cr06 9SiCr、 Cr12MoV、 5CrMnMo 滚动轴承钢 ： 如 GCr15 不锈钢与耐热钢： 数字元素数字 0.08 前加“ 0” 0.03 前加“ 00” 00Cr18Ni10 2Cr13 1Cr17 9Cr18 (滚 )G Cr 数字 用千分数表示 铬含量 含碳量的千分数 C 0.03 Cr 17.0-19.0 Ni 8.0-12.0 合金元素百分数 碳素结构钢： Q + 数字质量等级 屈字拼音 屈服点数值 /MPa 优质碳素结构钢 : 碳素工具钢： Q 235 A 20、 45、 65、 50Mn T + 数字 +符号 碳量千分数 低合金高强度结构钢编号与此相似 。 Q345、 Q390 S P A 0.050% 0.045% B 0.045% 0.045% C 0.040% 0.040% D 0.035% 0.035% T8 T12A T8Mn 锰量较高时标出 Mn 高级优质钢，加符号 A 两位数符号 含碳量的万分数 锰量较高，标出 Mn 专用钢，标拼音 优质钢，标 11.2.合金元素在钢中的作用 （ 1） 形成固溶体 合金元素溶入 F、 A和 M中 。 （ 2） 形成强化相 如溶入渗碳体形成合金渗碳体 ， 形成特殊碳化物 或金属间化合物 。 （ 3） 形成非金属夹杂物 合金元素与氧 、 硫 、 氮等作用形成氧化物 、 硫化物和氮化物及复合夹杂物等 。 （ 4） 游离态 某些元素既不溶于铁 ， 也不形成化合物 ， 而是以单质 状 态存在 。 如 Pb、 Cu等 。 1. 合金元素在钢中分布 （ 1）合金元素与铁的相互作用 a.无限扩大 区型 -Fe中无限固溶， -Fe中有限固溶。 Mn、 Co、 Ni等 b. 有限扩大 区型 -Fe和 -Fe中均有限固溶。 C、 N、 Cu、 Zn等 A3 A4 A3 A4 . 合金元素与铁和碳的相互作用 c. 封闭 区 、 无限扩大 区型 到某含量时 A3与 A4点重合 ， 区被封闭 ， 超过此量 ， 合金不再有 相变 。 Si、 Cr 7 、 W、 Mo、 V、 Ti、 P等 。 Cr 7 时 ， A3 。 A3 A4 d. 缩小 区，但不封闭 区型 区缩小，但不封闭。 B、 Nb、 Zr等。 A3 A4 （ 2）合金元素与碳的相互作用 a. 非碳化物形成元素 ： A1、 Si、 Co、 Ni、 Cu等 与铁形成固溶体， 还有可能形成非金 属夹杂物或金属间化合物 。如 Al2O3、 SiO2、 A1N 、 FeSi、 Ni3A1等。 b. 碳化物形成元素 ： 一部分可溶于 A和 F中，另一部分形成碳化物 ， 形成碳化物由强到 弱为 Ti、 Zr、 Nb 、 V 、 W、 Mo、 Cr、 Mn、 Fe等。 碳化物分为两类： rc/rM 0.59，间隙化合物，具有复杂的晶体结构 Cr23C6、 Cr7C3、 M6C(Fe3Mo3C、 Fe3W3C)、 Fe3C等 rc/rM 0.59，间隙相 (特殊碳化物 )，具有简单的晶体结构 WC、 VC、 TiC、 W2C、 Mo2C 可溶于碳化物形成多元碳化物 M6C(Fe4Mo2C)、 M23C6(Fe21Mo2C6、 Fe21W2C6)、 (FeM)3C(FeCr) 3C、 (FeMn)3C 3. 合金元素对 Fe Fe3C相图临界点的影响 Mn对 相区的影响 Si对 相区的影响 1. 对 相区的影响 扩大 相区的元素 ， 如 Ni、 Mn、 Co不仅使 A3 ， 且使 S点 、 E点左下移 。 Ni、 Mn量足够高时 ， 相区可扩展到室 温 ， 得 A钢 。 缩小 相区的元素 ， 如 Cr、 Mo、 W、 V、 Ti、 Si等 ， 不仅使 A3 ， 且 使 S点 、 E点左上移 。 Cr、 Si等限制 相区 ， 甚至可使其 消失 ， 得 F钢 。 扩大 相区 元素， A3、 A1 缩小 相区元素， A3、 A1 2. 对共析温度的影响 3. 对共析点位 臵的影响 所有元素均使 S 点左移， 碳量不足 0.76时，就 变为过共析钢。 4. 合金元素对钢加热、冷却转变的影响 加热的目的： 获得成分均匀、细小的 A晶粒 。 a.对奥氏体 形成速度 的影响 多数元素均 减缓 A形成速度，为加速碳化物溶解及 A成分均 匀化，必须提高合金钢的加热温度和延长保温时间。 b.对奥氏体 晶粒大小 的影响 Ti、 V、 Nb等碳化物熔点高，稳定性高，强烈阻止 A晶粒长 大， W、 Mo、 Cr也有阻止长大作用； Ni、 Co、 Cu阻止长大作 用不大， Mn、 P、 C、 N等元素则有助于晶粒长大。 （ 1）合金元素对钢加热转变的影响 (2)合金元素对珠光体转变的影响 合金元素 （ Co、 Al除外 ） 均显著 推迟奥氏体向珠光体的转变 ， 其原因是： 珠光体转变时 ， 碳及合金元素需要在铁素体和渗碳体间进行重新分 配 ， 由于合金元素的自扩散慢 ， 并使碳的 扩散 减慢 ， 因此使奥氏体的形 核困难 ， 降低转变速度； 扩大 相区的元素如 Ni、 Mn等降低奥氏体的 转变温度 ， 从而影响 到碳与合金元素的扩散速度 ， 阻止奥氏体向珠光体的转变 ， 微量元素 B在晶界上内吸附 ， 并形成共格硼相 ， 可显著阻止铁素体 的 形核 ， 增加奥氏体的稳定性 。 （）合金元素对贝氏体转变的影响 与珠光体转变相比，发生贝氏体转变时，奥氏体的过冷度进一步增大， 此时铁与合金元素几乎不能进行扩散，只有碳可以进行短距离的扩散。因此， 合金元素对贝氏体转变的影响主要体现在 对 转变速度和对碳扩散 速度的影响 上。 Cr、 Mn、 Ni等元素对贝氏体转变有 较大的推迟 作用，因为这三种 元素都能降低 转变的温度，减小奥氏体和铁素体的自由能差，降低了 相变驱动力。 Cr、 Mn还阻碍碳的扩散，推迟贝氏体转变的作用尤为强烈。 Si 对贝氏体转变有 强烈的阻滞作用 ，可能与它强烈地阻止过饱和铁 素体的脱溶有关。 由于降低了碳原子的扩散速度，强碳化物形成元素 W、 Mo、 V、 Ti 对贝氏体转变 有一定的延缓作用 ，贝氏体转变孕育期短，铁素体 珠光 体转变孕育期长，空冷时容易获得贝氏体组织。 5. 合金元素对淬火钢回火转变的影响 合金元素在回火时，推迟 M的分解和残余 A转变，提高 F 再结晶温度，使碳化物不易析出、聚集及长大，提高钢对 回火软化的抵抗能力。 称其为 回火抗力 或 回火稳定性 。 这使合金钢比同碳量碳钢（在相同温度回火）有更高的强度和硬度， 或在保持同等强度下，可获得更高的韧性。 提高回火稳定性作用较强的合金元素有 V、 W、 Mo、 Si、 Cr等。 （ 1）提高回火稳定性 （ 2）产生二次硬化 含有 V、 W、 Mo、 Cr、 Ti、 Nb等元素的钢， 经淬火高温 回火后，硬度不但不降低，反而升高的现象 ，称为 二次硬 化 。 原因是特殊碳化物从 M中析出，产生的沉淀强化。 当残余 A中析出特殊碳化物后 ， 使其碳及合金元素的浓 度 ， 使 Ms点 ， 冷却时 ， 残余 AM ， 称其为 “ 二次淬 火 ” 。 二次淬火也会造成硬化，但所产生的硬化不如沉淀硬化效果显著。 使金属强度增大的过程称为 强化 ， 既然塑性变形是由于位错滑移 运动造成的 ， 那么强化的途径就在于设法增大位错运动的阻力 ， 从组 织上造成位错运动的障碍 。 固溶强化 间隙原子的强化作用比臵换原子大 10100倍 ， 因此 碳 是提高钢的 强度的最重要的元素 ， 但因为在铁素体中溶解度有限 ， 固溶强化作用 受到限制；在臵换原子中 ， Si、 Mn是强化作用较大的元素 。 固溶强化的一个显著特点是随着溶质原子的增多 ， 强度 、 硬度上 升 ， 塑性韧性下降 。 为了使钢既具有较高的强度 ， 又有适当的塑性 ， 对溶质浓度应加以控制 。 晶界强化 细化晶粒不但可以提高钢的强度 ， 而且可以提高钢的塑性和韧性 。 向钢中加入 Al、 Ti、 V、 Zr、 Nb等元素形成难溶的第二相粒子 细 化奥氏体 晶粒 。 6. 合金元素对钢的强化作用 第二相强化 运动着的位错遇到滑移面上的第二相粒子时，或切过，或绕过，滑移 变形才能继续进行。这一过程需要消耗额外的能量，需要提高外加应力， 所以造成强化。粒子越细小、弥散强化效果越好。 合金元素的作用是为造成均匀弥散分布的第二相粒子提供必要的 成 分条件 。 第二相粒子对钢的塑性有危害作用。首先，在断裂过程中，孔坑的萌 生与第二相质点有关；其次，钢的塑性与第二相的分布状态有关；再次， 钢的塑性与第二相的形状有关。最后，第二相的种类对塑性也有影响。 位错强化 金属中的位错密度越高，则位错运动时越容易发生交割，形成割阶， 造成位错缠结等位错运动的障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高金 属的强度。 合金元素的作用是在塑性变形时使位错 易于增殖 。 .3. 工程构件用钢 构件用钢用于制作各种大型金属结构，如桥梁、船舶、屋架、车辆、 锅炉、容器等工程构件。 工作特点是不做相对运动，承受长期静载荷；有一定的温度（高、低 温）要求；在野外或海水中使用，承受天然环境的腐蚀。 1. 工作条件 2. 性能要求 a. 具有较高的刚度 ， 保证静载荷长期工作下结构稳定； b. 具有较高的屈服极限和抗拉强度 ， 且塑性韧性较好； c. 有较好的冷脆倾向和耐蚀性； d. 具有良好的工艺性能 ， 如冷变形性和焊接性 。 设计中工艺性能要优 于使用性能考虑 。 根据构件的工作条件和性能要求 ， 构件用钢多采用低碳钢和低合 金钢在热轧空冷状态下使用 ， 其基本组织为大量铁素体加少量珠光体 组织 。 3. 成分特点 合金化必须在保证构件工作安全可靠的前提下，尽可能地提高屈服强度 和抗拉强度，从而达到减轻构件重量，节约钢材的目的。构件用钢是在热轧 空冷状态下使用的，所以合金元素提高强度的途径主要有： a. 固溶强化 溶入铁素体中的合金元素均能产生固溶强化，提高硬度和强度，强化效 果按 Si、 Mn、 Ni、 Mo、 V、 W、 Cr顺序降低。 b. 细化晶粒 加 Al和碳化物形成元素 V、 Ti、 Nb等，细化 A晶粒。还可加 Mn、 Ni等增 加过冷 A的稳定性，在热轧空冷或正火时得细小的 F晶粒和较多的细珠光体。 c. 增加珠光体数量 珠光体比铁素体强度高，所有合金元素均使 Fe-C相图的 S 点左移，碳量 相同时，可使珠光体量增加。 d. 沉淀强化 强碳化物形成元素 V、 Ti、 Nb在热轧空冷时，从 A析出弥散细小的 VC、 TiC、 NbC，产生沉淀强化作用。 合金化与机械性能 合金化与焊接性能 钢的 焊接性 是指 在简单可行的焊接条件下 ， 钢材焊接后 不产生裂纹 ， 并获得良好焊缝区的性能 。 焊缝区可分为三个组成部分 ， 即 熔化区 、 热影响区 和 基体 部 分 。 对于 熔化区 ， 如钢材或焊条中的 S、 P含量较高 ， 在凝固过程 中将 产生热裂纹 。 对于 热影响区 ， 由于受熔化区的加热作用 ， 使 其温度超过钢的临界点 ， 奥氏体晶粒显著长大 ， 在冷却时受到周围未 被加热的基体金属的激冷 ， 造成极大的过冷度 ， 甚至发生马氏体转变 ， 造成很大的热应力和组织应力 ， 使硬度明显升高 ， 塑性韧性明显下降 ， 在热影响区经常 出现冷裂纹 。 钢的焊接性主要取决于钢的 淬透性 和 淬硬性 ， 钢中 碳及提高淬 透性的元素 含量越多，则钢的开裂倾向越大 。 为了估计钢的焊接性，通常采用 碳当量 的概念，即 把单个合金 元素对热影响区硬化倾向的作用折算成碳的作用，再与钢中 碳的质量分数加在一起 ， 来判断钢的焊接性。 Ceq=WC+WMn/6+WCr/5+WMo/4+WNi/15+WSi/24+WCu/13+WP/2 实践证明，碳当量大于 0.40.5%时，钢就不具有良好的焊接性。为 了保证钢的焊接性，构件用钢只能是低合金化或微合金化，且含碳量要 低于 0.20%。 Cr、 Ni、 Ti等元素可以提高铁素体的 电极电位 ，从而提高耐 蚀性； Cr促进钢的表面形成致密的 氧化膜 ，将金属表面与腐蚀介质分 开，从而阻碍其腐蚀过程； Cu有利于在钢的表面形成致密的 保护膜 ，同时提高铁素体的 电极电位，有利于提高钢的耐蚀性； 0.50%时将导致热脆。 P也是提高耐蚀性的元素， P与 Cu共存时效果更好。 P加剧钢的 冷脆，应限量。 合金化与耐大气腐蚀性能 中国的钢铁消费与面临的问题 1996年 1亿吨 2003年 2亿吨 2004年 3亿吨 2006年 4亿吨 2007年 5亿吨 资金投入、资源供应 交通运输、环境保护 开发新一代钢铁材料是经济社会发展的迫切需要 日本 1997年启动“新世纪结构材料（超级钢铁材料）国 家研究计划 韩国 1998年启动“ 21世纪高性能结构钢”项目 中国 1998年“新一代钢铁材料的重大基础研究” 新一代钢铁材料的强度指标 碳钢 由 200MPa提高到 400MPa 低合金钢 由 400MPa提高到 800MPa 合金结构钢 由 800MPa提高到 1500MPa 钢材的强化机制 固溶强化、沉淀强化、位错及亚结构强化、细晶强化 修正的 Hall-Petch公式： s（ MPa） =0+ss+p+D+Kd-1/2 0 铁素体晶格摩擦力 ss 固溶强化增量 p 沉淀强化增量 D 位错以及亚结构强化增量 K 常数 d 晶粒直径 各种强化机制对钢材强度的贡献 当低碳钢奥氏体化以后一极慢的速度冷却时，存在奥氏体和先共析铁 素体平衡的临界转变温度 Ae3。奥氏体在临界转变温度以上是稳定的，其 体积自由能低于铁素体的体积自由能；在临界转变温度以下，铁素体的体 积自由能低于奥氏体的体积自由能，就要发生 平衡转变，系统总的自 由能变化为： G -V(GV-GE)+GS 式中 G 系统总的自由能变化 GV 体积自由能变化 GE 弹性应变能变化 GS 新相形成的表面自由能变化 发生平衡转变时，铁素体晶核优先在奥氏体晶界形成，晶核形成以后吞并 奥氏体晶粒而长大。因为转变的过冷度较低，相变的驱动力较小，铁素体 的形核率较低；同时因为转变温度较高，原子的扩散能力较强，所以晶粒 尺寸较大。 钢材冷却过程中的组织转变 向奥氏体施加变形时 ， 变形能的一部分 （ 5 10%） 被储 存在奥氏体之中 ， 使奥氏体的体积自由能提高 ， 促进了奥氏体 向铁素体转变 。 形变储能 GD转变为相变自由能的一部分 ， 系 统总的自由能变化为： G -V(GV-GE)+Gs-GD （ 2） 形变储能以位错 、 形变带和变形晶界的形式增加了奥氏体内的 缺陷密度 ， 使铁素体转变的形核率大大增加 ， 随着变形量的增 加形核位臵由奥氏体晶界扩展到晶粒内部 ， 晶粒尺寸大大减小 。 热加工变形对铁素体相变的影响 奥氏体向先共析铁素体转变的临界转变温度 Ar3随着 冷却速度的增加而降低， 过冷奥氏体和铁素体的体积自由能差 GV随着过冷 度（ T Ae3- Ar3）的增加而增大，系统总的自由能变化 G也随之增大， 铁素体的形核率增加，原子的扩散能力也因为温度的 降低而降低，所以铁素体的晶粒尺寸变小。 冷却速度对转变产物显微组织的影响 钢材的热加工轧制 a. 碳素结构钢 碳素结构钢 易于冶炼、价格低廉，在工程上大量使用，产量约占钢 总产量的 7080%，大部分用做钢结构。 牌号有 Q195、 Q215、 Q235、 Q255、 Q 275 。 一般不经热处理强化，以热轧态（正火）使用。 b. 低合金高强度钢 含有少量合金元素，具有较高强度的构件钢。由于强度高，可以减 轻构件重量，提高使用的可靠性并节约钢材。 牌号有 Q295、 Q345、 Q390、 Q420、 Q 460 。 Q345（ 16Mn）是低合金高强度钢中生产和使用量最大的钢种，屈 服强度为 345MPa，比 Q235高 2030%，故结构重量可减轻 2030%。具 有良好的综合机械性能、焊接性和冷变形性。 Mn的作用是使铁素体固溶强化，增加过冷奥氏体的稳定性以细化晶 粒。 4. 常用的构件用钢 Q390（ 16MnNb 、 15MnV、 15MnTi） 在 16Mn基础上加入 V、 Ti、 Nb。 V、 Ti、 Nb的作用是细化晶粒 ， 及沉淀强化 ， 进 一步提高强度 。 可用于制造万吨远洋巨轮等大型金属结构 、 桥梁 及高压容器等 。 Q420（ 15MnVN、 14MnVTiRE） 加入 N、 RE进一步提高 其性能 。 用于造船 、 车辆大型焊接结构等 。 热轧空冷后获得贝氏体组织的 贝氏体钢 的强度可以达到 500 MPa以上 。 贝氏体钢合金化时主要加入一些 Mo、 B等推迟珠光 体转变而对贝氏体转变影响很小的元素 ， 再加入 Mn、 Cr、 V、 RE等元素进一步提高钢的强度和综合性能 。 可在 500 以下使用 ， 多用于石油 、 化工的中温高压容器等 。 常用的钢号有 14MnMoVBRe和 18MnMoNb等 。 工程构件用钢的最新进展 汽车板用 IF钢 集装箱用耐候钢 管线钢 贝氏体钢 DP钢 TRIP钢 11.4. 机器零件用钢（结构钢） 机器零件用钢指用于制造各种机器零件，如轴类、齿轮、弹簧和轴承等。 机器零件在工作时承受 拉伸、压缩、剪切、扭状、冲击、震动、摩擦 等 力作用，或几种力同时作用，在零件截面上产生拉、压、切应力。这些应力 在数值上 可以是恒定的或变化的； 在方向上 可以是单向的或反复的； 在加栽 方式上 可以是逐渐的或突然的。其工作环境也很复杂，有的在高温，有的在 低温，有的还有腐蚀介质。 因此要机器零件具有较高的 疲劳强度 ；高的 屈服强度 、 抗拉强度 及较高 的 断裂抗力 ；具有良好的 耐磨性 和 接触疲劳强度 ；具有较高的 韧性 。机器零 件用钢还要求有良好的 工艺性能 ，一是切削加工性，二是热处理（包括预备 热处理和最终热处理）。 机器零件用钢根据不同钢种对性能的不同要求，钢中含碳量有以下几个 级别： 渗碳钢 和 低碳马氏体钢 （含碳量 0.20%）； 调质钢 （含碳量 0.40%）； 弹簧钢 （含碳量 0.50.7%）； 轴承钢 （含碳量 1.0%）。 1. 概 述 合金元素在钢中的主要作用是 提高钢的淬透性 ； 降低钢的过热敏感 性 ； 提高回火稳定性 ； 抑制第二类回火脆性 ； 改善钢中非金属夹杂物的 形态 和 提高钢的工艺性能 。 钢中加入一种合金元素，往往难于全面改进性能，所以重要的合金钢 都含有多种合金元素。根据合金元素的作用，可以将其分为主加元素和 辅加元素。 主加元素 是指这些元素分别的或复合的加入钢中，对增大钢的淬透 性和提高钢的综合机械性能起主导作用， Si、 Mn、 Cr、 Ni属于此种 情况。 辅加元素 则是经常加入到含有上述主加元素的钢中，起着降低钢的 过热敏感性与回火脆性，改善夹杂物形态，进一步提高钢的淬透性，改 善钢材性能的作用。辅加元素在钢中的质量分数通常在千分之几范围内 变动。 Mo、 W、 V、 Ti、 B、 RE 属于此类。 2. 渗碳钢 滲碳钢指经滲碳处理后使用的钢。主要用于制造汽车、拖拉机的 变速 齿轮，内燃机凸轮、活塞销及部分量具 。 以齿轮为例的分析其工作条件对齿轮钢提出如下性能要求：要具有 高的 耐磨性、接触疲劳强度、弯曲疲劳强度和屈服强度 ，而且要有 较高的塑性和 韧性 。 为此， 采用低碳（合金）钢渗碳（或碳氮共渗）后进行淬火及低温回火 处理 。 经渗碳处理后，使 零件表层 为 高碳钢 （含碳量大于 0.8%），淬火并 低温回火后的组织为 回火马氏体和粒状碳化物 ，具有高的硬度、耐磨 性和接触疲劳强度； 零件的心部 仍为 低碳钢 ，其组织为 位错马氏体 （全淬透）或部分铁素体（未淬透）， 具有很高的强度、塑性和韧 性。此外，由于表层和心部含碳量不同，因而在表层形成压应力，显著提高 钢的弯曲疲劳强度。 工作条件及对性能的要求 合金化特点 a.若 含碳量 过低 ， 表面的渗碳层易于剥落；含碳量过高 ， 则心部的塑 性韧性下降 ， 并使表层的压应力减小 ， 从而降低弯曲疲劳强度 。 含碳量 一般为 0.10 0.25%， 以保证齿轮心部的塑性及韧性 。 b.加入 增加淬透性的合金元素 Cr、 Mn、 Mo、 W、 B、 Ni等 ， 使 心部淬成低碳马氏体 ， 提高强度 。 Ni对滲层和心部的 韧性 和强度都有利 ， 故高级滲碳钢中常有较多 Ni。 c.加入 阻止 A晶粒长大的元素 。 渗碳操作是在 910930 高温下进 行的 ， 为了阻止奥氏体晶粒长大 ， 渗碳钢用以铝脱氧的本质细晶粒钢 。 Mn有促进 A晶粒长大倾向 ， 常加入 V、 Ti等阻止 A晶粒长大 。 碳化物形成元素 Cr、 Mo、 W等 ， 能使渗碳层硬度 、 滲层深度 ， 耐磨性 。 但过多则导致滲层浓度分布过陡 ， 块状碳化物 ， 滲层性能 。 非碳化物形成元素 Si、 Ni等则使滲层碳浓度和厚度 。 常用滲碳钢 按强度级别或淬透性可分为三类： 1. 低强度滲碳钢 Rm 800MPa，低淬透性。用于心部强度要求不高的小型滲碳 件，如套筒、链条、活塞销等。 常用有 15、 20、 20MnV、 20Mn2。 2. 中强度滲碳钢 Rm 800 1200MPa，中淬透性。心部强度较高，用于一般机 器中的重要滲碳件，如汽车、拖拉机的齿轮、活塞等。 常用有 20Cr、 20CrMnTi、 20MnVB、 20Mn2TiB等。 3. 高强度滲碳钢 Rm 1200MPa，高淬透性。心部强度很高，可用于较大截面重 负荷的坦克齿轮、航空发动机齿轮、轴等。 常用有 18Cr2Ni4WA、 20Cr2Ni4A、 15CrMn2SiMo等。 渗碳钢的热处理 一般为渗碳后进行淬火加低温回火。 a. 渗碳后预冷直接淬火加低温回火 适于合金元素含量较低又不易 过热的钢种，如 20CrMnTi等。 b. 一次淬火加低温回火 渗碳后缓冷至室温，重新 加热淬火并低温回火。适用于 渗碳时易过热的碳钢、低合金 钢等。 时 间 温 度 滲碳 低温回火 空 冷 一次淬火 b 时 间 温 度 滲碳 预冷 淬 火 低温回火 a 3. 调质钢 工作条件及对性能的要求 经过调质处理使用的结构钢。许多机器设备上的重要零件如机床主轴、 汽车拖拉机的后桥半轴，柴油发动机曲轴、连杆、高强度螺栓等。 在多种应力负荷下工作 ， 受力情况比较复杂 ， 要求要有 很高的强度 ， 而且要有 良好的塑性和韧性 。 调质钢具有良好的综合机械性能 ， 与其经调质后得到 回火索氏体 组织 有关： 在铁素体基体上均匀分布的粒状碳化物 起弥散强化作用 ， 溶 于铁素体中的合金元素起固溶强化作用 ， 从而保证钢有较高的屈服强度和 疲劳强度 。 组织均匀性好 ， 减少了裂纹在局部薄弱地区形成的可能性 ， 可以保证 有良好的塑性和韧性 。 作为基体组织的 铁素体 从淬火马氏体转变而来 ， 晶粒细小 ， 使钢的 冷脆倾向性大大减小 。 合金化特点 a. 0.3 0.5 C， 保证足够的碳化物其弥散强化作用。含碳量 过低，不易淬硬，回火后硬度、强度不够；碳量过高，则韧性、塑 性过低。 b. 加入 Mn、 Si、 Cr、 Ni、 B等元素提高淬透性。除 B外，其它元 素还起固溶强化作用， Ni能提高钢的韧性。 c. 调质钢的回火温度正好处于第二类回火脆性温度范围内，钢中含有 Mn、 Cr、 Ni、 B元素时，会增大回火脆性的敏感性，除了回火后 快速冷却外，加入防止第二类回火脆性的元素 Mo、 W 。 d. 加入 W、 Mo、 V、 Ti细化 A晶粒，使回火索氏体中的 F 晶粒细小， 提高钢的强韧性。 常用调质钢 根据调质钢淬透性高低，可将调质钢分为三类： a.低淬透性 油淬临界直径为 30 40mm，如 40Cr、 40MnB等， 40Cr钢有较高的机 械性能和工艺性能，应用广泛。而 40MnB则为节铬的一种代用钢，其淬透 性的稳定性稍差。 b.中淬透性 油淬临界直径为 40 60mm，如 35CrMo、 40CrMn等。用于制造中、 大尺寸的曲轴，连杆及齿轮等。 c.高淬透性 油淬临界直径 60mm，大多含有 Cr、 Ni等，同时加入 Mo、 W为防止 第二回火脆性。如 40CrNiMo等。可用于制造大截面承受重载荷的重要部 件。如，航空发动机轴等。 调质钢的热处理 a. 预备热处理 调质钢经热锻之后 ， 一般进行 退火 或 正火 处理 ， 目的是调整组织 、 细化晶粒 、 降低硬度 ， 便于机加工 。 b. 最终热处理 最终热处理为 淬火加高温回火 。 由于钢淬透性 ， 一般用油淬 。 回火一般在 500 650 左右 ， 组织为回火索氏体 。 调质钢的最终性能取 决于回火温度 ， 要求强度高时 ， 用较低温度 ， 反之用较高温度 。 850 500 油 淬 水冷 时 间 温 度 40Cr制作连杆螺栓的 最终热处理工艺曲线 弹簧钢应具有以下性能特点： a. 高的弹性极限，高的屈强比 ，保证弹簧有高的弹性变形能力， 并能承受大的载荷。 b. 具有 高的疲劳强度 ，保证弹簧在长期振动和交变应力下不产 生疲劳破坏。 c. 具有 足够的塑性和韧性 ，防止冲击载荷和满足成形需要。 4. 弹簧钢 用于制造各种弹簧的钢种。 弹簧的主要作用： a. 吸收 冲击能量，缓和机械振动和冲击。 b. 储存能量使其它机械零件完成事先规定的动作。 工作条件及对性能的要求 a. 为提高弹性极限和屈服极限 ， 合金弹簧钢 的含碳一般为 0.50% 0.70%， 碳素弹簧钢 为 0.60 0.90 。 碳量高 ， 钢的塑 性和韧性降低 ， 疲劳性能下降 。 b. 加入 Si、 Mn元素提高钢的 淬透性 及 回火稳定性 ， 除固溶 强化作用外 ， 还能提高钢的屈强比 ， 但 Si能引起钢表面 脱碳 ， Mn易 使钢产生 过热 倾向 。 c. 加入 W、 V、 Cr元素 ， W和 V可 细化晶粒 ， Cr增加淬透性 。 W、 V、 Cr还提高 回火稳定性 ， 减轻 Si、 Mn弹簧钢过热倾向 及脱碳倾向 。 合金化特点 常用钢种 a. 碳素弹簧钢 典型钢种为 65钢。用于小截面（直径 12 15mm）弹簧，由于淬透 性 ，直径 12 15mm时油中淬不透，故多用冷拔钢丝和冷成形法 制成。 b. 含 Si、 Mn类合金弹簧钢 典型钢种为 65Mn、 60Si2Mn等，淬透性能显著优于碳素弹簧钢。 65Mn用于 8 15mm 的小尺寸扁簧、座垫簧等。 60Si2Mn主要用于制 造汽车、拖拉机上的板簧及螺旋弹簧。 c. 含 Cr、 V类合金弹簧钢 典型钢种为 50CrVA钢。淬透性高，合金碳化物稳定，常在 500 左右 回火，因此可用于制作在 350 400 条件下，承受重载荷的大尺寸 弹簧，如各种阀门弹簧等。 弹簧按加工及热处理分为两类： a.热成型弹簧 用热轧钢丝或钢板制成 ， 后经 淬火加中温回火 处理 ， 组织为 回火屈氏 体 ， 具有高的弹性极限和屈服强度 ， 可用来制作大尺寸弹簧 。 以汽车板簧为例 ， 其热成形制造弹簧的工艺路线为： 扁钢剪断 加热压弯成形 淬火中温回火 喷丸 装配 在淬火加热时 ， 为了防止氧化和脱碳 ， 应尽量采用快速加热 ， 最好在 盐炉或带有保护性气氛的炉中进行 ， 淬火后尽快回火 ， 以防延迟断裂 。 对 于含 Si弹簧钢 ， 回火温度一般为 400450 ， 其组织为回火屈氏体 ， 钢的弹 性极限达到最高值 。 弹簧钢也可以采用 等温淬火 ， 使钢在恒温下转变为 下贝氏体 ， 可提高 钢的韧性和多冲强度 。 如果在等温淬火后再在等温温度作补充回火 ， 则能 进一步提高钢的比例极限和延迟断裂抗力 。 弹簧的表面质量对使用寿命影响很大 ， 表面微小的缺陷如脱碳 、 裂纹 、 夹杂 、 斑痕等均可使钢的疲劳强度减低 ， 因此弹簧热处理后还用喷丸处理 来进行表面强化 ， 使表层产生残余压应力 ， 提高其疲劳强度 。 b.冷成型弹簧 小尺寸弹簧，可先冷变形或热处理强化，后卷制成形，再进行回火和 稳定尺寸处理。可分为三种： 铅淬冷拔钢丝 ： 先冷拔一定尺寸，再进行 “铅浴”处理 ，即 加热奥氏体化后，在 500 550 铅浴等温，获得索氏体组织 。以后可经多次冷拔至最终尺寸， 卷成弹簧后，不再进行淬火回火处理，而只在 200 300 进行去应力退 火，可起到弹簧定型作用。 冷拔钢丝 ： 经冷拔变形强化，可加入 680 的中间退火，提高塑性，使钢丝冷拔 到最终尺寸后，冷卷成弹簧，最后去应力处理。 淬火回火钢丝 ： 冷拔到最终尺寸后，淬火加中温回火处理，再冷卷成弹簧，最后去应 力处理。 以上三种强化方式的钢丝，冷成形后，都要回火，以消除应力、稳定 尺寸。回火温度一般为 250 300 ，时间为 1h。 5. 滚动轴承钢 制作滚动轴承滚动体和套圈的专用钢称为滚动轴承钢。还可用 于制造各种工具和耐磨件。 a. 要求高的接触疲劳强度 滚动轴承服役中接触点处的瞬时压应力可达 1500MPa 5000MPa， 应力交变次数可达每分钟数万次，接触疲劳破坏是其主要的失效形式， 所以轴承钢应具有极高的接触疲劳性能。 b. 要求高的硬度及耐磨性能 滚珠及滚圈之间，不仅存有滚动摩擦，还有滑动摩擦，因此，必须有 高的硬度（一般在 HRC62 64左右），及硬度均匀性。 c. 轴承钢还需足够的淬透性、韧性、 对大气和润滑油的腐蚀抗力、尺寸 稳定性等。 轴承钢的性能特点 合金化特点 a. 碳含量较高 一般为 0.95 1.15%， 以保证高硬度 、 高强度及高的耐磨性 。 决定 钢硬度的主要因素是马氏体的含碳量 ， 只有含碳量足够高时 ， 才能保证 马氏体的高硬度 ， 此外 ， 碳还要形成一部分高硬度的碳化物 ， 进一步提 高钢的硬度和耐磨性 。 b. 加入合金元素 Cr 一般 1.65 ， 可提高淬透性 ， 并能形成合金渗碳体 ， 呈弥散均 匀 分布 ， 提高钢的耐磨性与疲劳强度 。 Cr还可以提高钢的耐蚀性 。 若含量 过高 ， 会增加淬火后残余 A量并增加碳化物不均匀性 ， 反而造成硬度降低 ， 疲劳寿命下降 。 c. 加入 Si、 Mn、 V等元素 加 Si、 Mn元素进一步增加淬透性 ， 钒的碳化物弥散且稳定 ， 能提高 钢的耐磨性 。 d. 高的冶金质量 钢中夹杂物种类 、 数量 、 形状 、 尺寸 、 分布及碳化物的均匀性等对 接触疲劳寿命的影响极大 。 在冶炼上采用电炉冶炼 ， 真空除气 ， 提高纯 净度 。 常用钢种 GCr15钢及 GCr15SiMn钢是主要钢种 。 GCr15钢性能优良 ， 应用广 泛； GCr15SiMn可进一步提高淬透性 ， 适用于承受较大冲击条件或特大型 轴承的工作要求 。 无 Cr轴承钢是为节 Cr开发的钢种 ， 其性能与 GCr15钢相近 。 如 GSiMnV、 GMnMoVRe、 GSiMnMoV等 。 热处理 a. 球化退火 目的一是获得 均 匀分布的细小粒状珠 光体加细粒状碳化物 组织 ； 二是 降低硬度利 于机加工 。 780 810 10 30 h 600 出炉空冷 时 间 温 度 2 6h GCr15 球化退火工艺曲线 b.淬火加低温回火 淬火温度需严格控制在 Ac1Accm之间 ， 若温度低 ， A中 Cr、 C量不够 ， 淬火后硬度不足；若温度过高 ， 残余 A量 ， 并会得粗片状 M， 韧性及疲劳 性能 。 一般淬火温度控制在 820 840 左右 ， 回火温度在 150 160 左右 。 840 10 回 火 150 160 附加回火 120 150 淬 火 2 3h 2 3h 时 间 温 度 GCr15 淬、回火工艺曲线 淬火组织为 隐晶 M加 微 细碳化物 及 少量残余 A组成 。 回火 组织为 回火 M加均 匀细小碳化物及少量残余 A组成 。 为消除磨削应力 ， 稳定组 织和尺寸 ， 加一次 附加回火 。 机械零件用钢含碳量的选择和回火温度的确定 含碳量直接决定了马氏体的硬度 ， 而且对马氏体的形态及回火后的性 能都有很大影响 。 回火是热处理的最后一道工序 ， 回火温度的确定决定了 钢的最后组织状态 ， 从而决定了零件的使用性能和寿命 。 渗碳钢 ： 低碳 （ 合金 ） 经过 淬火并低温回火 后的组织为 位错马氏体 、 少量残余奥氏体和弥散分布的碳化物 ， 它在具有很高强度的同时 ， 还具有良好的塑性和韧性 ， 缺口敏感性低 ， 脆性转折温度下降到 -60 以下 ， 使用上比较安全可靠 。 调质钢 ：对于含碳量为 0.4%的 中碳 （ 合金 ） 钢 来说 ， 淬火后 得到的 是位错马氏体和孪晶马氏体的混合组织 ， 若在低温回火 ， 尽管强度很高 ， 但断列韧性下降 ， 有较高的缺口敏感性 。 如果在 高温 （ 550600 ） 回火 ， 其组织为 回火索氏体 ， 则可获得良好的综合机械性能 ， 在仍具有 较高强度的同时 ， 塑性韧性得到明显改善 ， 脆性转折温度很低 ， 当出现第 二类回火脆性时 ， 钢的韧性受到很大损害 。 弹簧钢 ： 对于含碳量为 0.60.7%的碳钢或合金钢 ， 若在 300 以下 回火 ， 由于未能消除淬火内应力和高碳马氏体的固有脆性 ， 所以都呈脆 性断裂 。 当在 350 附近回火 时 ， 得到 回火屈氏体组织 ， 其弹性极 限和屈服强度均达到峰值 ， 并且有很高的疲劳强度 。 轴承钢 ： 钢的耐磨性和接触疲劳强度与钢的表面硬度有关 。 含碳量为 1.0%高碳钢 淬火低温回火 后 ， 其组织为 回火马氏体和粒状碳化 物 ， 由于碳化物具有很高的硬度 ， 所以此时钢具有很高的耐磨性和接触 疲劳强度 。 11.5. 工具钢 用于制做各种加工工具的钢种。 按用途可分为：刃具钢，模具钢及量具钢。 刃具在切削过程中，刀刃与工件表面金属相互作用使切屑产生变形与 断裂并从整体上剥离下来。故刀刃本身承受弯曲、扭转、剪切应力和冲击、 震动负荷，同时还受到工件和切屑的剧烈摩擦作用。由于切屑层金属变形 以及刃具与工件、切屑的摩擦产生大量切削热，使刃具温度升高，有时高 达 600 。 其性能要求如下： a. 高硬度 刃具钢的硬度均高于 HRC60以上。硬度主要与钢中碳含量有关， 因此，刃具钢一般采用高碳钢。 1. 刃具钢 主要用于制做车刀、铣刀、钻头、丝锥等切削工具。 工作条件及性能要求 b. 高耐磨性 耐磨性直接影响刃具的使用寿命。耐磨性除与硬度有关外，还与 碳化物的类型、尺寸、数量和分布有关。一般认为，碳化物越弥散细小 均匀分布，耐磨性越好。 c. 高红硬性、热稳定性 红硬性 是指 工具在高温下仍然保持高硬度的能力 。 热稳定性 表示 钢 在使用变热过程中保持其原金相组织和性能的能力 。 热稳定性常用加热时能保持一定硬度值的最高温度表示。如在不同 温度重复加热 4次，每次 1h，以室温硬度保持 HRC60的温度评定红硬性。 也可将钢正常淬、回火后在一定温度（如 600 ）重复加热 4次，每次 1h，以室温硬度表示 红硬性。 红硬性的高低与钢的回火稳定性和碳化物类型及分布有关，含有强 碳化物形成元素的刃具钢，碳化物稳定性高，红硬性强。 d. 足够的强度、塑性及韧性 刃具钢工作时除刃部强烈摩擦外，刃具还受弯曲、扭转及冲击等， 因此需要刃具具有足够的强度，塑性及韧性。 碳素工具钢 a.含碳量在 0.65 1.35%的高碳钢 。 因成本低 ， 冷 、 热加工性能好 ， 热处理工艺简单 ， 生产上广泛 应用 。 可用来制造各种刃具 ， 模具 、 量具 。 碳素工具钢随含碳量的 增加 ， 过剩碳化物增多 ， 钢的耐磨性增高 ， 而塑性和韧性下降 。 典型钢种 T7、 T8钢含碳量相对较低，韧性较好，可用来制做受冲击或切削 软材料的工具，如锤头、冲头、木工工具等。 T10钢韧性适中，可用于制做要求硬度、耐磨性、强度较高，并 承受一般冲击的工具。如冲子、手锯锯条、钻头、丝锥等。 T12、 T13钢含碳量高、硬度高、耐磨性好，但韧性低，适于制 做高硬度和耐磨性、不受冲击的工具。如锉刀、刮刀、铰刀、量具 等。 c. 热处理 亚共析碳素刃具钢 淬、回火工艺曲线 碳素工具钢在 淬火加低温回火 状态下使用 。 亚共析钢 淬火温度为 Ac3+30 50 ， 淬火后组织为 细针状 M加 A ， 回火后组织为 回火 M加少量 A 。 过共析钢 淬火温度为 Ac1+30 50 ， 淬火后组织为 隐晶 M加未 溶粒状渗碳体及 A ， 回火后组织为 回火 M加未溶粒状渗碳体及 少量 A 。 180 200 800 820 水 淬 时 间 温 度 1 2 h 低温回火温度一般为 150180 ， 回 火时间一般为 12h。 回火目的是保持高 硬度条件下消除淬火应力 ， 提高塑性和 韧性 。 缎 、 轧后 、 淬火前应 球化退火 ， 得均匀细小的粒状珠光体 。 目的是降低 硬度 ， 便于加工 ， 为淬火作组织准备 。 低合金刃具钢 b. 常用钢种 9SiCr淬透性高，变形小，碳化物分布均匀，适于制作板牙、丝锥、搓 丝板等精度及耐磨性要求较高的薄刃工具。和碳素工具钢相比，在相同回火 硬度下， 9SiCr的回火温度可以提高 100 以上，故寿命可提高 1030%。 CrWMn有较高的淬透性，淬火后有较多的 A ，故变形小，属微变形 钢，适于制作截面大、要求耐磨性高和变形小的长丝锥、长铰刀、拉刀、板 牙等。 .成分特点 高碳 碳量在 0.75 1.5%， 为了形成适量碳化物 ， 保证淬 、 回火后获得高硬 度及高耐磨性 。 加入 Cr、 Mn、 Si、 W、 V， 总量 5 。 Cr、 Mn、 Si 主要提高 淬透性 ， 同时提高硬度及强度 。 Si 还可提高回火 稳定性 ， 而 W、 V的加入可形成高熔点 特殊碳化物 ， 进一步提高硬度 、 耐磨 性与红硬性并降低钢的过热敏感性 、 细化奥氏体晶粒 、 提高钢的韧性 。 9SiCr圆板牙淬、回火工艺曲线 球化退火工艺曲线 c. 热处理 2-4 h 6-8 h 800-810 700-720 炉冷 500 出炉空冷 冷 炉 时 间 温 度 60-90 s/mm 600 650 850 870 30-45 s/mm 160 200 30-45min 60-90min 190 200 时 间 温 度 热处理为缎、轧后 球化退火 ， 再 淬火低温回火 ，最终组织为 回火 M未溶粒状碳化物 。与 碳素工具钢相比，由于合金元素的 作用，晶粒长大倾向小，淬火温度 可以高些。 低合金刃具钢红硬性 虽然比碳素刃具钢有所提 高 ， 但其工作温度仍不能 超过 250 ， 只能用于制 造低速切削刀具 。 高速工具钢 针对低合金工具钢红硬性差，不能高速切削的问题，开发了高速 钢。高速钢是有大量 W、 Mo、 Cr、 Co、 V等元素组成的适于高速切 削的 高碳高合金 工具钢。 . 性能特点 ： 很高的红硬性。 淬、回火后硬度一般高于 HRC63，超硬型可达 HRC68 70。高速 切削时刃口温升至 600 左右，硬度仍在 HRC55以上。 足够高的强度，兼有适当的塑性、韧性。 很高的淬透性。中、小型刃具可空淬。 用于切削速度高、负荷重、工作温度高的各种加工刃具，如车刀、 铣刀、刨刀、钻头等，也可制作要求耐磨性的冷、热模具。 . 成分特点 高碳 碳量一般在 0.7 1.6， 一方面保证马氏体有足够的碳量以 获得高硬度，另一方面满足合金碳化物所需碳量。 高合金化 加入 W、 Cr、 Mo、 V、 Co等元素，合金总量 10。 Cr主要增加 淬透性 和 耐磨性 ， 也可提高 抗氧化 、 脱碳和抗腐蚀 能力 。 W、 Mo、 V、 Cr形成 VC、 W2C、 Mo2C、 Cr23C6、 Fe3W3C、 Fe4W2C等 碳化物 ，加热时未熔碳化物能阻止奥氏体晶粒长大，而溶入 A中 的合金元素，回火时析出弥散合金碳化物产生“二次硬化”，提高红硬性。 Co提高钢的 熔点 ，若使 Co溶入 A必须提高 A化温度，故增加溶入 A的 合金量，促进回火时合金碳化物析出，显著提高红硬性。 Co本身还能形成 金属间化合物，阻止其它碳化物的长大。 . 常用钢种 W系，有 W18Cr4V、 9W18Cr4V、 W12Cr4V4Mo等。 Mo系，有 Mo8Cr4VW、 W6Mo5Cr4V2、 W6Mo5Cr4V3等。 W Mo系，有 W6Mo5Cr4V2、 W6Mo5Cr4V2Al、 W10Mo4Cr4V3Al、 W12Mo3Cr4V3Co5Si、 W2Mo9Cr4VCo8等 其中后两种为以 Mo代 W。 最常用的钢种是 W18Cr4V和 W6Mo5Cr4V2。 两种钢的组织与性能相似，其中 W18Cr4V钢耐磨性稍高，但韧 性稍差； W6Mo5Cr4V2钢热塑性、韧性较好，但脱碳和过热倾向大。 W6Mo5Cr4V2A1和 W2Mo9Cr4VCo8等为超硬型高速钢 高速钢中虽然碳量在 0.7 1.6之间，但由于含有大量的合金元素， 铸态组织中出现了莱氏体，属于莱氏体钢。室温平衡组织为莱氏体、 P及 碳化物。 不平衡组织，主要由粗大的 共晶莱氏体网和黑色组织 组成。 共晶莱氏体 是由 相和 M6C组成的机械混合物 。 M6C以粗大鱼骨状分 布，其间为共晶 相。 黑色组织 特征为 细片状 A和 M6C型碳化物组成的机械混合物 。是由包 晶转变不完全而保留下的 相，在 1340 1320 发生 +M 6C，称为 共析体。易被腐蚀，故称为黑色组织。 黑色组织外面是高温转变的 相，由于冷速快，不能进行共析反应而 转变为白色的马氏体和残余奥氏体。 高速钢铸态 组织和化学成分极不均匀 ， 特别是莱氏体中碳尺寸大并 呈鱼骨状沿晶界分布 ， 其硬度高 ， 脆性大 ， 因此铸态组织无法直接使用 。 应在锻造过程中 反复镦粗或拉拔 、 使碳化物不断碎化 ， 细化 。 高速钢空 冷可发生 M转变 ， 锻后缓冷 ， 或直接入炉退火 ， 防止开裂 。 . 铸态组织及压力加工 . 热处理 高速钢锻、轧后必须进行球化退火，以使碳化物球化，目的是调整 锻、轧后组织，降低硬度便于机加工。 退火后组织为细小颗粒状碳化物，基体为索氏体，硬度为 HB210 255。退火有 普通退火 和 等温球化退火 。普通球化退火， 850 880 保 温 2 4h，以 20 h冷至 500 550 出炉空冷。 高速钢的球化退火 850 880 4h 6h 720 760 开炉门快冷至 40 50 h 500 550 出炉空冷 时 间 温 度 等温球化退火工艺曲线 退火温度不能超 过 Ac1(约 820) 过 高，否则大量合金元 素溶入 A中，使其在 冷却时稳定性增大， 退火后硬度偏高。 高速钢的淬火 高速钢最终热处理为 淬火加高温回火 ，组织为回火马氏体加颗粒状合 金碳化物及少量 A 。 淬火加热的最大特点是 A化温度 很高。退火态合金元素大多存在于合 金碳化物中，稳定性高。只有加热到高温，才能使 Cr、 W、 Mo、 V等大量 溶入 A中，淬火后得高碳、高合金 M，回火后才可析出合金碳化物，保证获 得高的淬透性、淬硬性和红硬性。 但不亦过高，否则 A晶粒迅速粗化， A 迅速增加，变形、氧化、脱碳等加剧，性能降低。 W18Cr4V的淬火加 热温度为 12601310 ， W6Mo5Cr4V2的淬火加热温度为 12001250 。 高速钢淬火加热 保温时间 应保证足够的碳化物溶入奥氏体中而又不引 起晶粒粗化。 合金元素多，导热性差， 工件由室温直接加热至很高的淬火温度时， 容易产生内应力，引起变形或开裂， 加热时应预热 。 淬火方法 为防空冷时氧化、脱碳及析出，可油淬空冷。 也可在 400 600 的过冷 A稳定区分级淬火，防变形、开裂。 高速钢的回火 高速钢在正常温度下加热，奥氏体中含有大量碳和合金元素，使 Ms 点和 Mf点明显降低，经油淬或分级淬火后钢中保留 大量残余奥氏体 。 多余的奥氏体降低高的耐磨性，影响尺寸稳定性。 淬火高速钢回火时性能变化的最大特点是在 500600 回火时具有二 次硬化效应，出现了硬度和强度的峰值，塑性有所下降。 二次硬化 是指 淬火高速钢在 500600 温度范围内回火时， 由于细小、弥散的 W2C和 VC型特殊碳化物从马氏体中析出而 使高的硬度和强度明显升高的现象。 当回火温度升高到 500600 时，由于一部分碳化物析出降低了奥氏 体中碳和合金元素的含量，使 Ms点升高而在回火冷却过程中转变为马氏 体。这种 因残余奥氏体在回火冷却过程中转变为马氏体而引起 高的硬度、强度升高的现象 叫做 二次淬火 。 时 间 温 度 60min 560 560 560 1280 5 580 600 820 840 分 级 空 冷 8 15 s/mm 16 30 s/mm 15min 60min 60min W18Cr4V盘形齿轮铣刀淬、回火工艺曲线 高速钢正常淬火后，组织中含 25 30的 A ，经一次回火后 只能对淬火 M起作用，不能使所有 A 转变为 M。为尽量消除 A ，常 需 560 三次回火 ，才能使 A 下降到 5以下 。 . 模具钢 模具钢可分为冷作模具钢与热作模具钢。 （ 1） 冷作模具钢 指在常温下使金属变形的模具用钢，主要用于制作冷冲模具、 拔丝模具、挤压模具等，工作温度一般在 300 以下。 a. 工作条件及性能要求 冷作模具工作时，模具表面受到强烈的挤压和摩擦，以至冲击 等应力，因此要求 高的强度、硬度， HRC为 58 62； 高耐磨性能； 足够的韧性； 良好的工艺性能，最重要的是淬透性高，淬火变形、开裂倾 向小。 b. 合金化特点 高碳 在冲击条件下工作时含碳量为 0.5 0.7 ， 要求高硬度 、 高耐 磨性时为 1.2 2.3 ， 以保证足够的硬度与耐磨性 。 加 Cr、 Mn提高淬透性和强度 。 加 W、 Mo、 V形成特殊碳化物 ， 产 生二次硬化 ， 并能细化晶粒 。 显著提高耐磨性 。 Mn可使 MS点 ， 淬火后 A ， 减少淬火变形 ， 是低变形钢的基本 成分 。 对微变形钢 ， 可将 Cr提高到 12 ， 淬火后得大量 A （ 10 40 ） c. 常用钢种 由于冷作模具钢的工作条件和性能要求与刃具钢有相同之处 ， 故刃具 钢一般均可用做冷作模具钢 。 尺寸小 、 形状简单的模具可用碳素工具钢 ， 以 T10A钢应用最普遍； 尺寸较大 、 形状复杂 、 淬透性要求高的可用低合金刃具钢制造 ， 如 9SiCr、 CrWMn、 GCr15等； 对于受力复杂 ， 尺