合金鋼的性能及熱處理第一章金屬材料結(jié)構(gòu)與性能§1概述純金屬合金較高的強(qiáng)度、良好的塑性、高的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、金屬光澤§2金屬材料的結(jié)構(gòu)一、金屬的結(jié)晶晶界示意圖二、金屬的晶體結(jié)構(gòu)面心立方晶格體心立方晶格密排六方晶格三、合金的晶體結(jié)構(gòu)固溶體當(dāng)溶質(zhì)原子溶人溶劑中形成固溶體時(shí)，溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑點(diǎn)陣的陣點(diǎn)，或者說(shuō)溶質(zhì)原子置換了溶劑點(diǎn)陣的部分溶劑原子，這種固溶體就稱為置換固溶體。溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體稱為間隙固溶體。完全無(wú)序偏聚部分有序完全有序金屬化合物1).具有超導(dǎo)性質(zhì)的金屬間化合物，如Nb3Ge，Nb3Al，Nh3Sn，V3Si，NbN等；2).具有特殊電學(xué)性質(zhì)的金屬間化合物，如InTe-PbSe，GaAs-ZnSe等在半導(dǎo)體材料用；3).具有強(qiáng)磁性的金屬間化合物，如稀土元素（Ce，La，Sm，Pr，Y等）和Co的化合物，具有特別優(yōu)異的永磁性能；4).具有奇特吸釋氫本領(lǐng)的金屬間化合物（常稱為貯氫材料），如LaNi5，F(xiàn)eTi，R2Mg17和R2Ni2Mg15。(R等僅代表稀土La，Ce，Pr，Nd或混合稀土）是一種很有前途的儲(chǔ)能和換能材料；7).具有形狀記憶效應(yīng)、超彈性和消震性的金屬間化合物，如TiNi，CuZn，CuSi，MnCu，Cu3Al等已在工業(yè)上得到應(yīng)用。6).耐蝕的金屬間化合物，如某些金屬的碳化物，硼化物、氨化物和氧化物等在侵蝕介質(zhì)中仍很耐蝕，若通過(guò)表面涂覆方法，可大大提高被涂覆件的耐蝕性能；5).具有耐熱特性的金屬間化合物，如Ni3Al，NiAl，TiAl，Ti3Al，F(xiàn)eAl，F(xiàn)e3Al，MoSi2，NbBe12。ZrBe12等不僅具有很好的高溫強(qiáng)度，并且，在高溫下具有比較好的塑性；機(jī)械混合物由兩種或兩種以上的組元或固溶體組成，或者由固溶體與金屬化合物組成的合金。其性能決定于各自組成部分的性能和相對(duì)數(shù)量，決定于它們的大小、形狀、分布。§3金屬材料的機(jī)械性能一、靜載荷下的機(jī)械性能二、動(dòng)載荷下的機(jī)械性能沖擊功：沖擊值：第二章鐵碳合金§1概述含碳小于2.11%的鐵碳合金為鋼含碳大于2.11%的鐵碳合金為鐵特點(diǎn)：機(jī)械性能好、儲(chǔ)存量大、冶煉方便§2鐵碳合金基本組織和性能一、鐵二、滲碳體（Fe3C）鐵素體奧氏體硬度高、塑性低§3鐵碳合金狀態(tài)圖的分析共晶反應(yīng)液體4.3%C萊氏體4.3%C

（奧氏體2.11%C+滲碳體6.67%C

）1147oC共析反應(yīng)奧氏體0.77%C珠光體0.77%C

（鐵素體0.02%C+滲碳體6.67%C

）723oC含碳量〈0.77%含碳量=0.77%含碳量〉0.77%§4碳鋼含碳小于2.11%的鐵碳合金，還有少量的雜質(zhì)（磷、硫、錳、硅）一、碳及雜質(zhì)對(duì)鋼性能的影響碳磷硫硅錳存在轉(zhuǎn)折點(diǎn)0.77%C冷脆性熱脆性影響不大良性影響二、碳素鋼的分類1.按鋼的含碳量分類低碳鋼——含碳量小于0.25%中碳鋼——含碳量在0.25%~0.60%之間高碳鋼——含碳量大于0.60%2.按鋼的質(zhì)量分類普通碳素鋼——鋼中硫、磷含量教高優(yōu)質(zhì)碳素鋼——鋼中硫、磷含量教低3.按用途分類4.按冶煉時(shí)脫氧程度不同分類碳素結(jié)構(gòu)鋼——用于制造機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)件碳素工具鋼——用于制造各種工具沸騰鋼——不脫氧氣的鋼鎮(zhèn)靜鋼——為完全脫氧鋼半鎮(zhèn)靜鋼——為半脫氧鋼三、碳素結(jié)構(gòu)鋼普通碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼其他專用碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-A·F60Mn易切削結(jié)構(gòu)鋼鍋爐用鋼四、碳素工具鋼含碳量在0.65%~1.35%之間T+數(shù)字T10A五、鑄鋼含碳量在0.20%~0.60%之間ZG+兩組數(shù)字ZG200-400§5鑄鐵灰鑄鐵鐵素體灰鑄鐵珠光體灰鑄鐵可鍛鑄鐵球墨鑄鐵蠕墨鑄鐵第三章鋼的熱處理§1概述熱處理：將金屬在固態(tài)下通過(guò)加熱、保溫和冷卻的方式，改變合金的內(nèi)部組織，從而獲得所需性能的一種工藝方法?！?鋼的熱處理基本原理一、鋼在加熱時(shí)的組織轉(zhuǎn)變奧氏體的轉(zhuǎn)變溫度奧氏體的形成奧氏體長(zhǎng)大奧氏體形核剩余滲碳體溶解奧氏體均勻化二、鋼在冷卻時(shí)的組織轉(zhuǎn)變等溫冷卻連續(xù)冷卻過(guò)冷奧氏體的等溫轉(zhuǎn)變C曲線影響C曲線的因素：奧氏體中含碳量的影響合金元素的影響加熱溫度和保溫時(shí)間的影響§3鋼的普通熱處理一、退火目的降低鋼的硬度，提高塑性消除鋼中殘余應(yīng)力改善組織，細(xì)化晶粒將鋼加熱至適當(dāng)溫度，保溫后緩慢冷卻，以獲得接近于平衡組織的熱處理工藝。完全退火首先將亞共析碳鋼加熱到Ac3以上30~50，保溫一段時(shí)間后，隨爐緩慢冷卻到600度以下，再出爐在空氣中冷卻，最后到Fe-Fe3C相圖上的平衡組織鐵素體+珠光體。上述退火方法由于奧氏體進(jìn)行了全部的重結(jié)晶,故稱全部退火。主要用于共析碳鋼和合金鋼的鑄、鍛件。目的是細(xì)化晶粒,消除應(yīng)力，使鋼軟化以便于隨后的切削加工。等溫退火

如果在對(duì)應(yīng)于某鋼C曲線上的珠光體形成溫度使溫度使奧氏體進(jìn)行等溫轉(zhuǎn)變，便可在等溫處理的前后以較快的速度進(jìn)行冷卻，則退火所需要的時(shí)間便可大大地縮短。這種退火方法稱為等溫退火。球化退火為使鋼中碳化物球狀化的熱處理工藝稱為球化退火。目的是為了消除過(guò)共析鋼中網(wǎng)狀二次滲碳體，降低硬度，并為淬火作好組織準(zhǔn)備。去應(yīng)力退火去應(yīng)力退火又稱低溫退火,它主要用于消除鑄件,鍛件,焊接件,冷沖壓件以及機(jī)加工件中的殘余應(yīng)力。去應(yīng)力退火工藝是將工件隨爐緩慢加熱至500~650度(<A1),保溫一定時(shí)間后,隨爐緩慢冷卻至200度再出爐空冷。擴(kuò)散退火

為了減少鋼錠、鑄件或鍛坯的化學(xué)成分和組織不均勻性，將其加熱到略低于固相線或液相線的溫度，長(zhǎng)時(shí)間保溫并進(jìn)行緩慢冷卻的熱處理工藝，稱為擴(kuò)散退火或均勻化退火。二、正火目的作為普通結(jié)構(gòu)零件的最終熱處理改善低碳鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼的切削加工性能過(guò)共析鋼球化退火前進(jìn)行正火，可消除網(wǎng)狀二次滲碳體，保證退火得到良好的珠光體組織將鋼加熱至Ac3或Accm以上30~50oC，保溫適當(dāng)時(shí)間，出爐后在空氣中冷卻的熱處理工藝。三、鋼的淬火1.單液淬火2.雙液淬火3.分級(jí)淬火4.等溫淬火將鋼加熱至Ac3或Ac1以上，保溫一定時(shí)間，以適當(dāng)速度冷卻，以獲得馬氏體或下貝氏體組織的熱處理工藝。1.單液淬火法：形狀簡(jiǎn)單的工件。2.雙液淬火法：技術(shù)要求高，可以防止裂紋產(chǎn)生3.分級(jí)淬火法：小截面零件?？梢詼p少應(yīng)力,減少變形與開裂4.等溫淬火法：獲得下貝氏體組織，用于要求有較高強(qiáng)韌性的工模具和彈簧等零件。5.局部淬火法：局部要求高硬度的零件。6.冷處理：馬氏體轉(zhuǎn)變徹底，殘余奧氏體的含量減少，鋼的耐磨性、硬度和尺寸穩(wěn)定性提高。淬透性淬硬性鋼的淬透性是指鋼在淬火時(shí)獲得馬氏體的能力。

鋼的淬硬性是指鋼在淬火時(shí)的硬化能力，用淬火后馬氏體所能達(dá)到的最高硬度表示，主要取決于馬氏體的含碳量。

淬透性好的鋼其淬硬性不一定高。單液淬火法雙液淬火法等溫淬火法分級(jí)淬火法四、淬水鋼的回火目的消除或減少淬火應(yīng)力穩(wěn)定工件尺寸，防止工件變形與開裂獲得工件所需的組織和性能將淬火后的鋼加熱至Ac1以下某一溫度，保溫一定時(shí)間，冷至室溫的熱處理工藝。根據(jù)回火溫度可將鋼的回火分為三類:1.低溫回火（150~250℃）回火馬氏體2.中溫回火（350~500℃）回火屈氏體3.高溫回火（500~650℃）回火索氏體4.淬火加高溫回火又稱調(diào)質(zhì)處理§4鋼的表面熱處理一、表面淬火火焰加熱表面淬火感應(yīng)加熱表面淬火二、鋼的化學(xué)熱處理將鋼放入一定的活性介質(zhì)中加熱和保溫，使介質(zhì)中的活性原子滲入工件表面，以改變表面化學(xué)成分、組織和性能的熱處理工藝。1.分解由介質(zhì)中分解出所滲元素的活性原子2.吸收工件表面對(duì)活性原子進(jìn)行吸收。形成固熔體或形成化合物。3.擴(kuò)散在一定溫度下，所吸附原子由表層往里遷移，形成一定厚度的滲層。滲碳滲碳是向低碳鋼或低碳合金鋼的表面層滲入碳原子的過(guò)程。常用的滲碳方法有氣體滲碳和固體滲碳兩種。低碳鋼滲碳后，表面層含碳量以0.85-1.05％為最好。滲碳層厚度一般為0.5-2.5mm。太薄易引起表面疲勞剝落，太厚抗沖擊能力差。工件經(jīng)滲碳后的淬火方法有兩種：

1.直接淬火2.一次淬火滲氮氮化的主要氮化是向鋼的表面層滲入氮原子以提高表層的硬度、耐磨性、疲勞強(qiáng)度及耐蝕性的化學(xué)熱處理工藝也稱為滲氮。鋼的氮化分為氣體氮化、離子氮化、氣體軟氮化和氣體碳氮共滲。應(yīng)用最廣泛的氮化用鋼為38CrMoAl，這些元素易形成硬度極高且非常穩(wěn)定的氮化物。氮化厚表層的硬度為72HRC(Hv1100-1200)。

滲氮后的缺點(diǎn)是生產(chǎn)周期長(zhǎng)，0.3-0.5mm需要20-50小時(shí)?！?鋼的熱處理新技術(shù)一、可控氣氛熱處理二、真空熱處理三、形變熱處理四、表面處理和技術(shù)第四章合金鋼§1概述合金鋼是為了改善和提高碳素鋼的性能，在碳素鋼的基礎(chǔ)上添加一定的合金元素所煉制的一類鋼。碳素鋼的主要缺點(diǎn)：綜合機(jī)械性能差熱穩(wěn)定性差耐腐蝕性差淬透性差不能滿足某些特殊性能一、合金鋼的分類二、合金鋼的編號(hào)不論結(jié)構(gòu)鋼或工具鋼均采用：數(shù)字+化學(xué)元素+數(shù)字的方法表示。結(jié)構(gòu)鋼的含碳量用兩位數(shù)字表示。如60Si2Mn;20CrMnTi工具鋼用一位數(shù)字表示，含碳量大于1%時(shí)不標(biāo)出。如5CrMnMo;Cr12§2合金元素在鋼中的作用一、鋼中的合金元素為了合金化的目的而加入并且其含量有一定范圍的元素，稱為合金元素。根據(jù)合金元素與碳的親和力關(guān)系，將其分為:與碳親和力較強(qiáng)的元素稱為碳化物形成元素，如Zr、Nb、Ti、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe等;與碳親和力較小的元素稱為非碳化物形成元素，如Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。二、合金元素的作用合金元素固溶于鐵素體，提高鋼的強(qiáng)度，不降低塑性合金元素固溶于奧氏體，增加鋼的穩(wěn)定性合金元素形成碳化物、非金屬化合物合金元素改變相變溫度合金元素改變共析點(diǎn)的位置§3合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼是用于制造各種機(jī)器零件和各類工程結(jié)構(gòu)的鋼。普低鋼又稱低合金高強(qiáng)度鋼，英文縮寫HSLA鋼。從成分上看其為含低碳(<0.2%)低合金(<3%)元素鋼種，是為了適應(yīng)大型工程結(jié)構(gòu)（如大型橋梁，壓力容器及船舶鍋爐等）以減輕結(jié)構(gòu)重量，提高可靠性及節(jié)約材料的需要而發(fā)展起來(lái)的。我國(guó)列入冶金部標(biāo)準(zhǔn)的普低鋼，按屈服強(qiáng)度高低分為300MPa級(jí)，350MPa級(jí)，400MPa級(jí)，450MPa級(jí)，500MPa級(jí)和650MPa級(jí)六個(gè)級(jí)。一、低合金結(jié)構(gòu)鋼二、機(jī)器制造用合金結(jié)構(gòu)鋼合金滲碳鋼1.滲碳鋼的工作條件及性能要求滲碳鋼，及由其制作的零件在滲碳熱處理后才使用。這種零件工作時(shí)，除要求較高強(qiáng)度可靠性外，還常常受到較大的表面磨擦和沖擊作用，故其性能要求：

(1)有一定的強(qiáng)度和塑性，以抵抗拉伸，彎曲，扭轉(zhuǎn)等變形破壞；

(2)要求表面有較高的硬度和耐磨性，以抵抗磨損及表面接觸疲勞破壞；

(3)有較高的韌性以承受強(qiáng)烈的沖擊作用；

(4)當(dāng)外載是循環(huán)作用時(shí)，要求零件有好的抗疲勞破壞能力。2.滲碳鋼主要鋼種滲碳鋼即需要滲碳表面強(qiáng)化的鋼，根據(jù)上述的性能要求，這類鋼成分上一般是低碳或低碳合金結(jié)構(gòu)鋼。常用的滲碳零件包括齒輪，凸輪，活塞銷等表面易于受到磨損破壞的活動(dòng)零件。如常用作汽車齒輪的20Cr、20CrMnTi等鋼材。調(diào)質(zhì)鋼調(diào)質(zhì)鋼就是經(jīng)過(guò)淬火加高溫回火處理而使用的結(jié)構(gòu)鋼，其經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的組織為回火索氏體S回，這種組織有良好的綜合機(jī)械性能，即高強(qiáng)韌性的統(tǒng)一。彈簧鋼

1.彈簧的使用條件及性能要求用以制造彈簧或類似彈簧性能零件的鋼種稱為彈簧鋼。在機(jī)器設(shè)備中這類零件的主要作用是：間斷吸收沖擊能量，緩和機(jī)械振動(dòng)及沖擊作用以及周期性貯存能量。常用零件如汽車疊板彈簧，儀表彈簧，汽閥彈簧等。

2.彈簧的主要失效形式為疲勞斷裂和由于發(fā)生塑性變形而失去彈性。因此其性能要求為：

(1)高的屈服強(qiáng)度，疲勞強(qiáng)度和高的屈強(qiáng)比；

(2)一定的塑性和韌性；

(3)保證組織性能均勻，要求材料淬透性好；

(4)另外在高溫或腐蝕介質(zhì)下工作時(shí)，材料應(yīng)有好的環(huán)境穩(wěn)定性。滾動(dòng)軸承鋼1.軸承鋼的工作條件及性能要求主要用于制造滾動(dòng)軸承的鋼稱為軸承鋼。滾動(dòng)軸承由內(nèi)套、外套、滾動(dòng)體及保持架組成，除保持架常用低碳鋼（08鋼）板沖制成型外，均由軸承鋼制成。

2.軸承鋼及其合金化為滿足軸承鋼高性能的要求常用軸承鋼成分一般如下：

(1)高碳：一般含碳量為0.95~1.15%，保證了馬氏體中足夠的碳含量及足夠的彌散碳化物，滿足了高硬度高耐磨要求；

(2)加入Cr、Mn、Si等合金元素：其中Cr為主加元素。Cr、Si、Mn的主要作用是提高淬透性，強(qiáng)化鐵素體，提高碳化物穩(wěn)定性；同時(shí)細(xì)化組織，提高回火穩(wěn)定性。但合金含量過(guò)高會(huì)使殘余奧氏體增多，導(dǎo)致鋼硬度和零件的尺寸穩(wěn)定性降低；§4合金工具鋼一、刃具鋼二、模具鋼三、量具鋼（高的硬度、耐磨性、紅硬性、強(qiáng)度、韌性）（高尺寸穩(wěn)定性、高硬度、高耐磨性、足夠的韌性）（冷模具鋼：高硬度、高耐磨性、高強(qiáng)度、足夠的韌性、工藝性好）（熱模具鋼：高溫硬度、高溫強(qiáng)度、高溫下的耐磨性、足夠的韌性、抗氧化能力、熱處理變形?。?特殊性能鋼特殊性能鋼是指具有特殊物理化學(xué)性能并可在特殊環(huán)境下工作的鋼，如不銹鋼，耐熱鋼，耐磨鋼及低溫用鋼等。一、不銹鋼1.不銹鋼的使用條件及材料設(shè)計(jì)原則在腐蝕性介質(zhì)中能穩(wěn)定不被腐蝕或腐蝕極慢的鋼，一般被稱為不銹鋼。材料在一般的酸堿環(huán)境中，電化學(xué)作用是其腐蝕失效的主要原因。根據(jù)電化學(xué)腐蝕的基本原理，對(duì)不銹鋼通常采取以下措施來(lái)提高其性能：

(1)盡量獲得單相的均勻的金屬組織，從而不會(huì)產(chǎn)生原電池作用。如在鋼中加入大于9%的Ni可獲得單相奧氏體組織，提高了鋼的耐蝕性。(2)通過(guò)加入合金元素提高金屬基體的電極電位。如加入一定量的鉻會(huì)達(dá)到這一目的；鋼中含鉻量與其電極電位關(guān)系服從n/8規(guī)律，即鉻原子含量為n/8時(shí)電位發(fā)生突變而升高，如當(dāng)加入13%Cr時(shí)鋼中鐵素體電極電位由-0.56V提高到+0.2V，金屬腐蝕速率大大減小，使金屬抗蝕性大大提高。

(3)加入合金元素使金屬表面在腐蝕過(guò)程中形成致密保護(hù)膜如氧化膜（又稱鈍化膜），使金屬基材與介質(zhì)隔離開，防止進(jìn)一步腐蝕。如Cr、Al、Si等合金元素就易于在材料表面形成致密的氧化膜如Cr2O3、Al2O3、SiO2等。不銹鋼中常加入的合金元素有Cr、Ni、Ti、Mo、V、Nb等。鉻是最重要的必加元素，它不但提高鐵素體電位，形成致密氧化膜，且在一定成分下也可獲得單相鐵素體組織；鎳是擴(kuò)大奧氏體區(qū)元素，用于形成單相固溶體，也可提高材料電極電位，但鎳稀缺；而鋼中鎳與鉻常配合使用則會(huì)大大提高其在氧化性及非氧化性介質(zhì)中的耐蝕性。錳、氮也是奧氏體化元素，在鋼中可部分代替鎳的作用。鉬則可增加鋼鈍化能力，提高鋼在還原性介質(zhì)中的耐蝕性和抗晶間腐蝕能力。2.不銹鋼的分類及常用不銹鋼

(1)不銹鋼分類：按不銹鋼正火（供應(yīng)）