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1、 2.1 碳钢一、碳钢中的常存杂质元素及其作用（1）硅和锰有益元素作用：脱氧剂，形成MnS，固溶强化，减少FeO的影响。（2）硫和磷有害元素危害：形成低熔点的FeS，使钢产生热脆；使钢产生冷脆。1硅硅（Si）（1）可清除钢中的）可清除钢中的FeO，脱氧能力比，脱氧能力比Mn强。强。它与钢液中的它与钢液中的FeO能结成密度较小的硅酸能结成密度较小的硅酸盐以炉渣的形式被除去。从而消除盐以炉渣的形式被除去。从而消除FeO对钢对钢的不良影响。的不良影响。（2）硅能溶入铁素体中，使铁素体强化，从而）硅能溶入铁素体中，使铁素体强化，从而提高钢的强度和硬度，但降低塑性和韧性。当提高钢的强度和硬度，但降低塑性
2、和韧性。当含硅量不多时，其对钢的性能影响不大。含硅量不多时，其对钢的性能影响不大。（3）总起来说，硅也是一种有益的元素。作为）总起来说，硅也是一种有益的元素。作为杂质其含量应小于杂质其含量应小于0.4%。2锰（锰（Mn）（1）可清除钢中的）可清除钢中的FeO，改善钢的品质。，改善钢的品质。锰从锰从FeO中夺取氧形成中夺取氧形成MnO进入炉渣，从而把钢进入炉渣，从而把钢中的中的FeO还原成铁，改善钢的质量还原成铁，改善钢的质量。（2）减轻硫的有害作用，降低钢的脆性，改善钢的热）减轻硫的有害作用，降低钢的脆性，改善钢的热加工性能。（加工性能。（MnS在高温时有一定塑性，切削加工中在高温时有一定塑性
3、，切削加工中MnS能起断屑作用，因此改善了钢的切削加工性，这能起断屑作用，因此改善了钢的切削加工性，这类钢称作易切削钢类钢称作易切削钢)（3）在室温下锰能大部分溶入铁素体中形成含锰铁素）在室温下锰能大部分溶入铁素体中形成含锰铁素体的置换固溶体，使铁素体强化，提高钢的强度和硬体的置换固溶体，使铁素体强化，提高钢的强度和硬度。度。（4）锰在碳钢中的质量分数一般为）锰在碳钢中的质量分数一般为0.25%0.80%，最，最高可达高可达1.2%。总起来说，锰是一种有益的元素。总起来说，锰是一种有益的元素。32.硫硫（S）、磷磷（P）是有害元素是有害元素S是在炼钢时由矿石和燃料带入钢中的是在炼钢时由矿石和燃
4、料带入钢中的热脆热脆P是由矿石带入钢中的是由矿石带入钢中的冷脆冷脆衡量钢的质量的主要指标为含衡量钢的质量的主要指标为含S、P量。量。S一般一般控制在控制在0.05%以下以下,P一般钢的含磷量控制在一般钢的含磷量控制在0.045%以下。以下。4P,s（1）硫）硫：可与铁生成：可与铁生成FeS，FeS与与Fe能形成低熔点能形成低熔点（985）的共晶体，且分布在晶界上。当钢材在）的共晶体，且分布在晶界上。当钢材在10001200进行热压力加工时，由于共晶体熔化，从而导致热加进行热压力加工时，由于共晶体熔化，从而导致热加工时开裂。这种金属在高温时出现脆裂的现象，称为工时开裂。这种金属在高温时出现脆裂的
5、现象，称为“热脆热脆”。（2）磷：磷：在钢中能全部溶于铁素体中在钢中能全部溶于铁素体中，提高铁素体的强度，提高铁素体的强度和硬度。但在室温下却使钢的塑性和韧性急剧下降（和硬度。但在室温下却使钢的塑性和韧性急剧下降（Fe3P而而使钢的脆性增加使钢的脆性增加），产生低温脆性，这种现象称为），产生低温脆性，这种现象称为冷脆冷脆。5磷的有害作用在一定条件下可以转化，例磷的有害作用在一定条件下可以转化，例如钢中加入适量的磷还可以提高钢材的耐如钢中加入适量的磷还可以提高钢材的耐大气腐蚀性能。大气腐蚀性能。在炮弹钢中加入较多磷，可增大钢的脆性，在炮弹钢中加入较多磷，可增大钢的脆性，使炮弹在爆炸时碎片增多，从
6、而增加了杀使炮弹在爆炸时碎片增多，从而增加了杀伤力。伤力。6二、碳钢的分类、牌号和用途（一）碳钢的分类1.按碳的含量分类2.按质量分类73.按用途分类（1）碳素结构钢主要用于建筑、桥梁等工程结构和各种机械零件（如齿轮、轴、螺柱、弹簧等）。（2）碳素工具钢主要用于种类刀具、量具和模具。如丝锥、板牙、刮刀、锯条、冲模等。（3）专用钢包括锅炉钢、船用钢、易切削钢等。84.按钢液脱氧程度分类（1）沸腾钢（F）脱氧不完全，组织不致密，成分不均匀，性能较差。（2）镇静钢（Z）脱氧完全，组织致密，成分较均匀，性能较好。（3）半镇静钢（b）脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间。9（二）碳钢的牌号、性能及主要用途1.
7、普通碳素结构钢(GB/T7001988)表示方法：用Q、屈服数值、质量等级和脱氧方法组成。牌号Q235D示例说明：Q钢的屈服点“屈”字汉语拼音字头；235最低屈服点值235MPa;D表示质量等级为D级。有时牌号后面还要分别附加下列符号：F沸腾钢；b半镇静钢；Z镇静钢；TZ特殊镇静钢。由于D级质量钢均为特殊镇静钢，故“TZ”符号可以省略。如Q235DTZ可写为Q235-D。符号“Z”有时亦可省略。10常用碳素结构钢：Q195、Q215、Q235A、Q235B塑性较好，有一定的强度，通常轧制成钢筋、钢板、钢管等，可用于做桥梁、建筑物等构件，也可用做普通螺钉、螺帽、铆钉等。Q235C、Q235D可用
8、于重要的焊接件。Q255、Q275强度较高，可轧制成型钢、钢板作构件用。这类钢常在热轧状态下使用，不再进行热处理。但对某些零件，也可以进行正火、调质、渗碳等处理，以提高其使用性能。11常用碳素结构钢钢板钢筋建筑构件螺钉铆钉钢桥梁122.优质碳素结构钢表示方法：用两位数字表示平均含碳量的万分数，较高含锰量再加Mn。如：45钢，碳的平均含量为万分之四十五，即0.45%。含锰较高的优质碳素结构钢要标出Mn，例如：45Mn。优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件。13常用优质碳素结构钢：螺栓齿轮曲轴弹簧14常用优质碳素结构钢：08F塑性好，可制造冷冲压零件；10、20钢冷冲压性与焊接性能良好，可用作冲
9、压件及焊接件，经过热处理（如渗碳）也可以制造轴、销等零件；35、40、45、50钢经热处理后，可获得良好的综合机械性能，用来制造齿轮、轴类、套筒等零件；60、65钢主要用来制造弹簧。优质碳素结构钢使用前一般都要经过热处理。153.碳素工具钢碳素工具钢的碳质量分数在0.65%1.35%之间。表示方法：用“T”加表示平均含碳量千分数的数字，较高质量再加“A”。如T8，表示平均碳含量为0.80%的碳素工具钢。碳素工具钢均为优质钢，若含硫、磷更低，则为高级优质钢，在钢号后标注“A”字。例如，T12A表示碳质量分数为1.2%的高级优质碳素工具钢。碳素工具钢用来制造各种刃具、量具、模具等。16常用碳素工具
10、钢：T7、T8硬度较高、韧性较高，可制造冲头、凿子、锤子等工具。T9、T10、T11硬度高，韧性适中，可制造钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具等。T12、T13硬度很高，韧性较低，可制作锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。碳素工具钢使用前都要进行热处理。17常用碳素工具钢：锉刀量规钻头184.铸钢表示方法：ZG（1）力学性能用最小屈服数值、最小抗拉强度表示ZG200400表示最小屈服强度200MPa、最小抗拉强度400MPa的铸钢。（2）化学成分用两位数字表示平均含碳量的万分数和化学元素符号及含量百分数表示。ZG45表示平均含碳量为0.45的铸钢。19铸钢主要用于制造形状复杂，需要一定强
11、度、塑性和韧性的零件，例如机车车辆、船舶、重型机械的齿轮、轴，以及轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等。外壳轧辊重型机械齿轮20合金钢的编号、性能和主要用途牌号首部用数字标明碳质量分数。规定结构钢以万分之一为单位的数字（两位数）、工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字（一位数）来表示碳质量分数，而工具钢的碳质量分数超过1%，碳质量分数不标出。在表明碳质量分数数字之后，用元素的化学符号表明钢中主要合金元素，质量分数由其后面的数字标明，平均质量分数少于1.5%时不标数，平均质量分数为1.5%2.49%、2.5%3.49%时，相应地标以2、3。合金结构钢40Cr，平均碳质量分数为0.40%，主要合金元素
12、Cr的质量分数在1.5%以下。21合金工具钢5CrMnMo，平均碳质量分数为0.5%，主要合金元素Cr、Mn、Mo的质量分数均在1.5%以下。专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明。如：滚珠轴承钢，在钢号前标以“G”。GCr15表示碳质量分数约1.0%、铬质量分数约1.5%（这是一个特例，铬质量分数以千分之一为单位的数字表示）的滚珠轴承钢。Y40Mn，表示碳质量分数为0.4%、锰质量分数少于1.5%的易切削钢等等。对于高级优质钢，则在钢的末尾加“A”字表明，例如20Cr2Ni4A等。22（一）（一）合金结构钢合金结构钢用于制造重要工程结构和机器零件的合金钢称为合金结构钢。主要有低合金高强度结构钢、
13、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢、滚珠轴承钢。1.低合金结构钢A.用途主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。23容器船舶车辆桥梁储气罐24B.成分特点（1）低碳：由于韧性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳质量分数不超过0.20%。（2）加入以锰为主的合金元素。（3）加入铌、钛或钒等辅加元素：少量的铌、钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮化物，有利于获得细小的铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性。此外，加入少量铜（0.4%）和磷（0.1%左右）等，可提高抗腐蚀性能。加入少量稀土元素，可以脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能。25（1）合金调质钢.用途合金调质钢广泛
14、用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。齿轮曲轴汽车万向节连杆26.性能要求调质件大多承受多种工作载荷，受力情况比较复杂，要求高的综合机械性能，即具有高的强度和良好的塑性、韧性。合金调质钢还要求有很好的淬透性。但不同零件受力情况不同，对淬透性的要求不一样。.成分特点中碳：碳质量分数一般在0.25%0.50%之间，以0.4%居多；加入提高淬透性的元素Cr、Mn、Ni、Si等：这些合金元素除了提高淬透性外，还能形成合金铁素体，提高钢的强度。如调质处理后的40Cr钢的性能比45钢的性能高很多；加入防止第二类回火脆性的元素：含Ni、Cr、Mn的合金调质钢，高
15、温回火慢冷时易产生第二类回火脆性。在钢中加入Mo、W可以防止第二类回火脆性，其适宜含量：Mo的质量分数为0.15%0.30%，或W的质量分数为0.8%1.2%。27d.常用低合金高强度结构钢Q345（16Mn）是我国低合金高强钢中用量最多、产量最大的钢种。使用状态的组织为细晶粒的铁素体珠光体，强度比普通碳素结构钢Q235约高20%30%，耐大气腐蚀性能高20%38%。Q420（15MnVN）中等级别强度钢中使用最多的钢种。强度较高，且韧性、焊接性及低温韧性也较好，被广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶等大型结构。强度级别超过500MPa后，铁素体和珠光体组织难以满足要求，于是发展了低碳贝氏体钢。加入C
16、r、Mo、Mn、B等元素，有利于空冷条件下得到贝氏体组织，使强度更高，塑性、焊接性能也较好，多用于高压锅炉、高压容器等。28e.钢种及牌号40Cr低淬透性合金调质钢，油淬临界直径为30mm40mm，用于制造一般尺寸的重要零件。35CrMo中淬透性合金调质钢，油淬临界直径为40mm60mm，加入钼不仅可提高淬透性，而且可防止第二类回火脆性。40CrNiMo高淬透性合金调质钢，油淬临界直径为60mm100mm，铬镍钢中加入适当的钼，不但具有好的淬透性，还可消除第二类回火脆性。29f.热处理和组织性能合金调质钢的最终热处理是淬火加高温回火。合金调质钢淬透性较高，一般都用油淬，淬透性特别大时甚至可以空
17、冷，这能减少热处理缺陷。合金调质钢的最终性能决定于回火温度。一般采用500650回火。通过选择回火温度，可以获得所要求的性能。为防止第二类回火脆性，回火后快冷（水冷或油冷），有利于韧性的提高。3040Cr钢经不同温度回火后的机械性能（直径12，油淬）31合金调质钢常规热处理后的组织是回火索氏体。对于表面要求耐磨的零件（如齿轮、主轴），再进行感应加热表面淬火及低温回火，表面组织为回火马氏体。表面硬度可达55HRC58HRC。合金调质钢淬透调质后的屈服强度约为800MPa，冲击韧性在800kJ/m2，心部硬度可达22HRC25HRC。若截面尺寸大而未淬透时，性能显著降低。32（2）合金渗碳钢a.用
18、途主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。拨叉变速齿轮33b.性能要求表面渗碳层硬度高，以保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力，同时具有适当的塑性和韧性。心部具有高的韧性和足够高的强度。心部韧性不足时，在冲击载荷或过载作用下容易断裂；强度不足时，则较脆的渗碳层易碎裂、剥落。有良好的热处理工艺性能在高的渗碳温度（900950）下，奥氏体晶粒不易长大，并有良好的淬透性。34c.成分特点低碳：碳质量分数一般为0.10%0.25%，使零件心部有足够的塑性和韧性。加入提高淬透性的合金元素：常加入Cr
19、、Ni、Mn、B等。加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素：主要加入少量强碳化物形成元素Ti、V、W、Mo等，形成稳定的合金碳化物。35d.钢种及牌号20Cr低淬透性合金渗碳钢。淬透性较低，心部强度较低。20CrMnTi中淬透性合金渗碳钢。淬透性较高、过热敏感性较小，渗碳过渡层比较均匀，具有良好的机械性能和工艺性能。18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A高淬透性合金渗碳钢。含有较多的Cr、Ni等元素，淬透性很高，且具有很好的韧性和低温冲击韧性。36e.热处理和组织性能合金渗碳钢的热处理工艺一般都是渗碳后直接淬火，再低温回火。热处理后，表面渗碳层的组织为合金渗碳体+回火马氏体+少量残余奥氏体组织，硬度为
20、60HRC62HRC。心部组织与钢的淬透性及零件截面尺寸有关，完全淬透时为低碳回火马氏体，硬度为40HRC48HRC；多数情况下是屈氏体、回火马氏体和少量铁素体，硬度为25HRC40HRC。心部韧性一般都高于700kJ/m2。37（3）合金弹簧钢.用途合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。弹簧拉力弹簧离合器弹簧 蝶形弹簧38.性能要求高的弹性极限e，尤其是高的屈强比s/b以保证弹簧有足够高的弹性变形能力和较大的承载能力。高的疲劳强度r，以防止在震动和交变应力作用下产生疲劳断裂。足够的塑性和韧性，以免受冲击时脆断。此外，弹簧钢还要求有较好的淬透性，不易脱碳和过热，容易绕卷成
21、形等。一些特殊弹簧钢还要求耐热性、耐蚀性等。39.成分特点中、高碳高的屈强比要求弹簧钢的碳含量比调质钢高，碳的质量分数一般为0.50%0.70%。碳含量过高时，塑性、韧性降低，疲劳抗力也下降。加入以Si、Mn为主的提高淬透性的元素，Si和Mn同时也提高了屈强比。重要用途的弹簧钢还必须加入Cr、V、W等元素。此外，弹簧的冶金质量对疲劳强度有很大的影响，所以弹簧钢均为优质钢或高级优质钢。40.钢种和牌号65Mn和60Si2Mn以Si、Mn为主要合金元素的弹簧钢。这类钢的价格便宜，淬透性明显优于碳素弹簧钢，Si、Mn的复合合金化，性能比只用Mn的好得多。这类钢主要用于汽车、拖拉机上的板簧和螺旋弹簧。
22、50CrVA含Cr、V、W等元素的弹簧钢。Cr、V复合合金化，不仅大大提高钢的淬透性，而且还提高钢的高温强度、韧性和热处理工艺性能。这类钢可制作在350400温度下承受重载的较大弹簧。41.加工、热处理与性能弹簧按加工和热处理可分为两类：热成形弹簧用热轧钢丝或钢板制成，然后淬火和中温（450550）回火，获得回火屈氏体组织，具有很高的屈服强度和弹性极限，并有一定的塑性和韧性，一般用来制作为较大型的弹簧。冷成形弹簧小尺寸弹簧一般用冷拔弹簧钢丝（片）卷成。为了提高弹簧的疲劳寿命，目前还广泛采用喷丸强化处理。42（4）滚珠轴承钢.用途主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等，属专
23、用结构钢。从化学成分上看它属于工具钢，所以也用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。滚珠滚珠轴承43.性能要求高的接触疲劳强度：轴承元件如滚珠与套圈，运动时为点或线接触，接触处的压应力高达1500MPa5000MPa；应力交变易造成接触疲劳破坏，产生麻点或剥落，所以轴承钢疲劳强度应很高。高的硬度和耐磨性：硬度一般为62HRC64HRC。足够的韧性和淬透性。此外，还要求在大气和润滑介质中有一定的耐蚀能力和良好的尺寸稳定性。44.成分特点高碳碳质量分数一般为0.95%1.10%，以保证其高硬度、高耐磨性和高强度。铬为基本合金元素铬提高淬透性；形成合金渗碳体(Fe,Cr)3C呈细密、均匀分布，提
24、高钢的耐磨性,特别是疲劳强度。适宜的铬质量分数为0.40%1.65%。加入硅、锰、钒等Si、Mn进一步提高淬透性，便于制造大型轴承。V部分溶于奥氏体中，部分形成碳化物VC，提高钢的耐磨性并防止过热。高的冶金质量轴承钢中非金属夹杂和碳化物的不均匀性对钢的性能尤其是接触疲劳强度影响很大。因此，轴承钢一般采用电炉冶炼和真空去气处理。45.钢种和牌号铬轴承钢最常用的是GCr15。使用量占轴承钢的绝大部分。添加Mn、Si、Mo、V的轴承钢在铬轴承钢中加入Si、Mn可提高淬透性，如GCr15SiMn、GCr15SiMnMoV等。为了节铬，加入Mo、V可得到无铬轴承钢，如GSiMnMoV、GSiMnMoVR
25、E等，其性能与GCr15相近。46.热处理及组织性能轴承钢的热处理主要为球化退火、淬火和低温回火。球化退火轴承钢予先热处理是球化退火。其目的不仅是降低钢的硬度，以利于切削加工，更重要的是获得细的球状珠光体和均匀分布的过剩的细粒状碳化物，为零件的最终热处理做组织准备。淬火和低温回火淬火温度要求十分严格，温度过高会过热，晶粒长大，使韧性和疲劳强度下降，且易淬裂和变形；温度过低，则奥氏体中溶解的铬量和碳量不够，钢淬火后硬度不足。GCr15钢的淬火温度严格控制在820840范围内,回火温度一般为150160。47GCr15钢淬火温度对机械性能的影响48轴承钢淬火后的组织为极细的回火马氏体、均匀分布的粒
26、状碳化物以及少量残余奥氏体。 GCr15钢淬火、回火后的显微组织精密轴承必须保证在长期存放和使用中不变形。引起变形和尺寸变化的原因主要是存在有内应力和残余奥氏体发生转变。为了稳定尺寸，淬火后可立即进行“冷处理”（-60-50），并在回火和磨削加工后，进行低温时效处理（120130,保温5h10h）。49（二）（二）合金工具钢合金工具钢工具钢按用途分为刃具钢、模具钢和量具钢，但实际应用界限并非绝对。1.合金刃具钢主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、钻头等。铣刀英制模板刀50a.性能要求刃具切削时受工件的压力，刃部与切屑之间产生强烈的摩擦；由于切削发热，刃部温度可达500600；此外，还承
27、受一定的冲击和震动。因此对刃具钢提出如下基本性能要求：高硬度高硬度金属切削刀具的硬度一般都在60HRC以上。高耐磨性高耐磨性不仅取决于钢的硬度，而且与钢中硬化物的性质、数量、大小和分布有关。高热硬性高热硬性热硬性是指钢在高温下保持高硬度的能力（亦称红硬性）。热硬性与钢的回火稳定性和特殊碳化物的弥散析出有关。足够的塑性和韧性足够的塑性和韧性以防刃具受冲击震动时折断和崩刃。51c.成分特点（1）低合金刃具钢最高工作温度不超过300。高碳：碳质量分数为0.9%1.1%，以保证高硬度和高耐磨性。加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素：Cr、Mn、Si主要是提高钢的淬透性，Si还能提高钢的回火稳定性；W
28、、V能提高硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持细小的晶粒。52（2）高速钢高速钢是高合金刃具钢，具有很高的热硬性，高速切削中刃部温度达600时，其硬度无明显下降。高碳：碳质量分数在0.70%以上，最高可达1.5%左右，它一方面要保证能与W、Cr、V等形成足够数量的碳化物；另一方面还要有一定数量的碳溶于奥氏体中，以保证马氏体的高硬度。加入Cr、W、Mo、V等合金元素：Cr提高淬透性。W、Mo保证高的热硬性。W、Mo成的碳化物在500600温度范围内非常稳定，从而使钢具有良好的热硬性。V提高耐磨性，细化晶粒。53d.钢种及牌号（1）低合金刃具钢典型钢种为9SiCr。加工过程球化退火、机加工，然后淬
29、火和低温回火。热处理后的组织为回火马氏体、碳化物和少量残余奥氏体。（2）高速钢W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2钢W18Cr4V钢的热硬性较好,热处理时的脱碳和过热倾向较小。而W6Mo5Cr4V2钢的耐磨性、热塑性和韧性较好。高速钢热处理特点：淬火温度高（一般为12201280），550570回火三次。高速钢回火后的组织为回火马氏体、细粒状碳化物及少量残余奥氏体54高速钢淬火、回火后的组织碳素工具钢热硬性差，随使用温度提高迅速软化。W18Cr4V在600还保持60HRC的高硬度。9SiCr要保持同样的硬度，工作温度不能超过350。552.合金模具钢合金模具钢按其用途分为冷作模具钢和热作模具钢
30、两大类。模具56（1）冷作模具钢A.用途冷模具用于制造各种冷冲模、冷镦模、冷挤压模和拉丝模等，工作温度不超过200300。B.性能要求冷模具工作时承受很大的压力、弯曲力、冲击载荷和摩擦。主要失效形式是磨损，也常出现崩刃、断裂和变形等失效现象。因此，冷模具钢应具有以下基本性能：高硬度，一般为58HRC62HRC；高耐磨性；足够的韧性和疲劳抗力；热处理变形小。57C.成分特点高碳碳质量分数多在1.0%以上，个别甚至达到2.0%，以保证高的硬度和高耐磨性。加入Cr、Mo、W、V等合金元素形成难熔碳化物，提高耐磨性，尤其是Cr。典型钢种是Cr12型钢，铬的含量高达2%。铬与碳形成M7C3型碳化物，能极
31、大提高钢的耐磨性，铬还显著提高钢的淬透性。58D.钢种和牌号9Mn2V、9SiCr、CrWMn要求不高的冷模具用低合金刃具钢制造。Cr12大型冷模具用钢，热处理变形很小，制造重载和形状复杂的模具。冷挤压模工作时受力很大，条件苛刻，选用基体钢（成分与高速钢基体相同）或马氏体时效钢制造。59E.热处理特点冷作模具钢的热处理与低合金刃具钢类似。高碳高铬冷模具钢的热处理方案有两种：一次硬化法在较低温度（9501000）下淬火，然后低温（150180）回火，硬度可达61HRC64HRC，使钢具有较好的耐磨性和韧性，适用于重载模具。二次硬化法在较高温度（11001150）下淬火，然后于510520多次（一
32、般为三次）回火，产生二次硬化，使硬度达60HRC62HRC，红硬性和耐磨性都较高（但韧性较差）。适用于在400450温度下工作的模具。Cr12型钢热处理后组织为回火马氏体、碳化物和残余奥氏体。60(2)热作模具钢A.用途热作模具钢用于制造各种热锻模、热压模、热挤压模和压铸模等，工作时型腔表面温度可达600以上。B.性能要求热模具工作时承受很大的冲击载荷、强烈的摩擦、剧烈的冷热循环所引起的不均匀热应变和热应力，以及高温氧化、出现崩裂、塌陷、磨损、龟裂等失效形式。因此热模具钢的主要性能要求是：高的热硬性和高温耐磨性；高的抗氧化性能；高的热强性和足够的韧性，尤其是受冲击较大的热锻模钢；高的热疲劳抗力
33、，以防止龟裂破坏；由于热模具一般较大，所以还要求热模具钢有高的淬透性和导热性。61C.成分特点中碳碳质量分数一般为0.3%0.6%，以保证高强度、高韧性、较高的硬度（35HRC52HRC）和较高的热疲劳抗力。加入较多的提高淬透性的元素Cr、Ni、Mn、Si等Cr是提高淬透性的主要元素，同时和Ni一起提高钢的回火稳定性。Ni在强化铁素体的同时还增加钢的韧性，并与Cr、Mo一起提高钢的淬透性和耐热疲劳性能。加入产生二次硬化的Mo、W、V等元素，Mo还能防止第二类回火脆性，提高高温强度和回火稳定性。62D.钢种和牌号5CrMnMo、5CrNiMo及5CrMnSiMoV对韧性要求高而热硬性要求不太高的
34、热锻模。3Cr2W8V、4Cr5MoVSi热强性更好的大型锻压模或压铸模。E.热处理热锻模钢淬火后高温（550左右）回火，以获得回火索氏体或回火屈氏体组织；热压模钢淬火后在略高于二次硬化峰值的温度（600左右）下回火，组织为回火马氏体、粒状碳化物和少量残余奥氏体，与高速钢类似。为了保证热硬性，要进行多次回火。633.量具用钢A.用途量具用钢用于制造各种量测工具，如卡尺、千分尺、螺旋测微仪、块规、塞规等。 螺纹规游标卡尺千分尺 64B.性能要求量具在使用过程中要求测量精度高，不能因磨损或尺寸不稳定影响测量精度，对其性能的主要要求是:(1)高硬度（大于56HRC）和高耐磨性；(2)高尺寸稳定性热处
35、理变形要小，在存放和使用过程中，尺寸不发生变化。C.成分特点量具用钢的成分与低合金刃具钢相同，即为高碳（0.9%1.5%）和加入提高淬透性的元素Cr、W、Mn等。65D.量具用钢尺寸小、形状简单、精度较低的量具，选用高碳钢制造；复杂的精密量具一般选用低合金刃具钢；精度要求高的量具选用CrMn、CrWMn、GCr15等制造。CrWMn钢淬透性较高，淬火变形小，主要用于制造高精度且形状复杂的量规和块规。GCr15钢耐磨性、尺寸稳定性较好，多用于制造高精度块规、螺旋塞头、千分尺。9Cr18、4Cr13在腐蚀介质中使用的量具。66E.热处理特点关键在于减少变形和提高尺寸稳定性。因此，在淬火和低温回火时
36、要采取措施提高组织的稳定性。(1)在保证硬度的前提下，尽量降低淬火温度，以减少残余奥氏体。(2)淬火后立即进行-70-80的冷处理，使残余奥氏体尽可能地转变为马氏体，然后进行低温回火。(3)精度要求高的量具，在淬火、冷处理和低温回火后，尚需进行120130，几小时至几十小时的时效处理，使马氏体正方度降低、残余奥氏体稳定和消除残余应力。为了保证量具的精度，必须正确选材和采用正确的热处理工艺。例如高精度块规，是作为校正其它量具的长度标准，要求有极好的尺寸稳定性。因此常采用GCr15(或CrWMn)钢制造。其热处理工艺较复杂。经过处理的块规，一年内每10mm长度的尺寸变量不超过0.1m0.2m。67
37、GCr15钢块规热处理工艺曲线68(三三)特殊性能钢特殊性能钢1.不锈钢不锈钢是指在大气和一般介质中具有很高耐腐蚀性的钢种。（1）用途及性能要求不锈钢在石油、化工、原子能、宇航、海洋开发、国防工业和一些尖端科学技术及日常生活中都得到广泛应用，例如化工装置中的各种管道、阀门和泵，热裂设备零件，医疗手术器械，防锈刃具和量具等。对不锈钢的性能要求最主要的是耐蚀性。此外，制作工具的不锈钢还要求高硬度、高耐磨性；制作重要结构零件时，要求高强度；某些不锈钢则要求有较好的加工性能。69（2）成分特点碳含量耐蚀性要求愈高，碳含量应愈低。大多数不锈钢的碳质量分数为0.1%0.2%。对碳质量分数要求较高（0.85
38、%0.95%）的不锈钢应相应地提高铬含量。加入最主要的合金元素铬铬能提高钢基体的电极电位。随铬含量的增加，钢的电极电位急剧升高。铬在氧化性介质（如水蒸气、大气、海水、氧化性酸等）中极易钝化，生成致密的氧化膜、使钢的耐蚀性大大提高。70铬含量对Fe-Cr合金电极电位的影响(大气条件)71加入镍可获得单相奥氏体组织，显著提高耐蚀性；或形成奥氏体+铁素体组织，通过热处理，提高钢的强度。加入钼、铜等Cr在非氧化性酸（如盐酸、稀硫酸和碱溶液等）中的钝化能力差，加入Mo、Cu等元素，可提高钢在非氧化性酸中的耐蚀能力。加入钛、铌等Ti、Nb能优先同碳形成稳定碳化物，使Cr保留在基体中，避免晶界贫铬，从而减轻
39、钢的晶界腐蚀倾向。加入锰、氮等部分代镍以获得奥氏体组织，并能提高铬不锈钢在有机酸中的耐蚀性。72（3）常用不锈钢不锈钢按正火状态的组织可分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢和双相不锈钢。马氏体不锈钢1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等，因铬的质量分数大于12%，它们都有足够的耐蚀性，但因只用铬进行合金化，只在氧化性介质中耐蚀，在非氧化性介质中不能达到良好的钝化，耐蚀性很低。碳含量低的1Cr13、2Cr13钢耐蚀性较好，且有较好的机械性能，3Cr13、4Cr13钢因碳含量增加，强度和耐磨性提高，但耐蚀性降低。73不锈钢船用螺旋桨不锈钢剪刀铁素体型不锈钢1Cr17、1Cr17T
40、i等，这类钢的铬质量分数为17%30%，碳质量分数低于0.15%，为单相铁素体组织，耐蚀性比Cr13型钢更好。这类钢在退火或正火状态下使用，强度较低、塑性很好，可用形变强化提高强度。主要用作耐蚀性要求很高而强度要求不高的构件，例如化工设备、容器和管道等。74奥氏体型不锈钢Cr18Ni9型（即18-8型不锈钢），这类不锈钢碳含量很低（约0.1%），耐蚀性很好。钢中常加入Ti或Nb，以防止晶间腐蚀。这类钢强度、硬度低，无磁性，塑性、韧性和耐蚀性均较Cr13型不锈钢更好。一般利用形变强化提高强度，其形变强化能力比铁素体型不锈钢要强。可采用固溶处理进一步提高奥氏体型不锈钢的耐蚀性。1Cr18Ni9Ti
41、不锈钢表带不锈钢容器75奥氏体和铁素体双相不锈钢典型钢号0Cr26Ni5Mo2等。这类钢是在18-8型钢的基础上，提高铬含量或加入其它铁素体形成元素，其晶间腐蚀和应力腐蚀破坏倾向较小，强度、韧性和焊接性能较好，而且节约Ni，因此得到了广泛的应用。762.耐热钢耐热钢是指在高温下具有高的热化学稳定性和热强性的特殊钢。（1）用途及性能要求用于制造加热炉、锅炉、燃气轮机等高温装置中的零部件。要求在高温下具有良好的抗蠕变和抗断裂的能力，良好的抗氧化能力、必要的韧性以及优良的加工性能。具有较好的抗高温氧化性能和高温强度（热强性）。燃气轮机77抗氧化性抗氧化性是指金属在高温下的抗氧化能力，程度上取决于金属
42、氧化膜的结构和性能。提高钢的抗氧化性的最有效的方法是加入Cr、Si、Al等元素，它们能形成致密和稳定的尖晶石类型结构的氧化膜。热强性热强性是指钢在高温下的强度。在高温下钢的强度较低，当受一定应力作用时，发生变形量随时间而逐渐增大的现象-蠕变。金属在高温下强度降低，主要是扩散加快和晶界强度下降的结果。提高高温强度最重要的办法是合金化。78（2）成分特点耐热钢中不可缺少的合金元素是Cr、Si或Al，特别是Cr。它们的加入，提高钢的抗氧化性，Cr还有利于热强性。Mo、W、V、Ti等元素加入钢中，能形成细小弥散的碳化物，起弥散强化的作用，提高室温和高温强度。碳是扩大相区的元素，对钢有强化作用。但碳质量
43、分数较高时，由于碳化物在高温下易聚集，使高温强度显著下降；同时，碳也使钢的塑性、抗氧化性、焊接性能降低，所以，耐热钢的碳质量分数一般都不高。79（3）钢种及加工、热处理特点根据热处理特点和组织的不同耐热钢分为铁素体型、奥氏体型、马氏体型和沉淀硬化型四种。铁素体型耐热钢常用钢种有0Cr13Al、1Cr17、2Cr25N等。这类钢的主要合金元素是Cr，Cr扩大铁素体区，通过退火，可得到铁素体组织。强度不高，但耐高温氧化。用于油喷嘴、炉用部件、燃烧室等。80奥氏体型耐热钢常用钢种有1Cr18Ni9Ti、2Cr21Ni12N、2Cr23Ni13、4Cr14Ni14W2Mo等。钢中含有较多的奥氏体稳定化
44、元素Ni，经固溶处理后组织为奥氏体。其化学稳定性和热强性都比铁素体型和马氏体型耐热钢强，工作温度可达750820。用于制造一些比较重要的零件，如燃气轮机轮盘和叶片、排气阀、炉用部件等。这类钢一般进行固溶处理，也可通过固溶处理加时效提高其强度。81马氏体型耐热钢常用钢种为1Cr13、2Cr13、4Cr9Si2、1Cr11MoV等。这类钢含有大量的Cr，抗氧化性及热强性均高，淬透性好。经淬火后得到马氏体，高温回火后组织为回火索氏体。用于制造600以下受力较大的零件，如汽轮机叶片、内燃机进气阀、转子、轮盘及紧固件等。沉淀硬化型耐热钢钢种有0Cr17Ni7Al、0Cr17Ni4Cu4Nb，经固溶处理加
45、时效后抗拉强度可超过1000MPa。用于高温弹簧、膜片、波纹管、燃气透平压缩机叶片、燃气透平发动机部件等。823.耐磨钢（1）用途及性能要求耐磨钢主要用于运转过程中承受严重磨损和强烈冲击的零件，如车辆履带、挖掘机铲斗、破碎机颚板和铁轨分道叉等。对耐磨钢的主要要求是有很高的耐磨性和韧性。高锰钢是目前最主要的耐磨钢。履带铁轨分道叉83破碎机颚板挖掘机斗齿84（2）成分特点高碳保证钢的耐磨性和强度。但碳过高时，淬火后韧性下降，且易在高温时析出碳化物。因此，其碳质量分数不能超过1.4%。高锰锰是扩大奥氏体区的元素，它和碳配合，保证完全获得奥氏体组织。锰和碳的质量分数比值约为1012（锰质量分数为11%
46、14%）。一定量的硅硅可改善钢水的流动性，并起固溶强化的作用。但其含量太高时，易导致晶界出现碳化物，故其质量分数为0.3%0.8%。85（3）典型钢种ZGMn13高锰钢由于机械加工困难，故基本上是铸态下使用。（4）热处理特点高锰钢都采用水韧处理，即将钢加热到10001100，保温，使碳化物全部溶解，然后在水中快冷，在室温下获得均匀单一的奥氏体组织。此时钢的硬度很低（约为210HB），而韧性很高。当工件在工作中受到强烈冲击或强大压力而变形时，表面层产生强烈的加工硬化，并且还发生马氏体转变，使硬度显著提高，心部则仍保持原来的高韧性状态。86除高锰钢外，70年代初由我国发明的Mn-B系空冷贝氏体钢是一种很有发展前途的耐磨钢。它是一种热加工后空冷所得组织为贝氏体或贝氏体马氏体复相组织的钢类。由于免除了传统的淬火或淬火回火工序，从而大大降低了成本，免除了淬火过程中产生的变形、开裂、氧化和脱碳等缺陷，而且产品能够整体硬化，强韧性好，综合力学性能优良。因此，该钢种得到了广泛的应用。如贝氏体耐磨钢球；高硬度高耐磨低合金贝氏体铸钢件；工程锻造用耐磨件；耐磨传输管材等。87
