材料改性實驗4.1鋼的基本知識一、鋼的合金化

碳鋼→鐵碳合金

合金鋼→含有合金元素的鋼

第四章材料成分、工藝、組織與性能材料改性實驗4.1鋼的基本知識第四章材料成分、常用的合金元素有：

硅(Si)、錳(Mn)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、鉬(Mo)、鎢(W)釩(V)、鈦(Ti)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、鋁(Al)、銅(Cu)、鈷(Co)、氮(N)、硼(B)、稀土等合金相碳鋼的五大元素：C

S

P

Mn

Si固溶體金屬化合物

(中間相)間隙固溶體置換固溶體間隙化合物電子化合物正常化合物常用的合金元素有：硅(Si)、錳(Mn)、鉻(Cr)、鎳2金屬化合物(中間相)金屬化合物的組成一般可用化學式表示金屬化合物的晶格類型不同于任一組元具有復雜的晶格結構熔點高、硬度高、脆性大。能提高合金的硬度和耐磨性，塑性和韌性降低。金屬化合物(中間相)3過渡族金屬元素間隙化合物碳、氮、氫、硼等非金屬元素原子半徑較小過渡族金屬元素間隙化合物碳、氮、氫、硼等非金屬元素原子半徑較4間隙化合物r非金屬/r金屬＜0.59

單晶格間隙相

復雜間隙化合物

r非金屬/r金屬＞0.59極高的熔點、硬、脆，如Fe3C

非常高的熔點、硬度和脆性，如TiN

間r非金屬/r金屬＜0.59單晶格間隙相復雜間隙化合物5電子化合物第二至第四元素第一族或過渡族金屬元素不遵守化合價規律，但滿足一定的電子濃度，雖然電子化合物可用化學式表示，但實際成分可在一定的范圍變動，可溶解一定量的固溶體

如Cu5Zn8(γ-黃銅）電子化合物第二至第四元素第一族或過渡族金屬元素不遵守化合價規6二、鋼的分類1．

按成分分

碳鋼：低、中（0.3~0.6%）、高合金鋼：結構鋼、工具鋼、特殊性能鋼2．

按用途分

（1）結構鋼(建筑工程構件用鋼，多為型鋼；機器零件用鋼)

（2）工具鋼(刃具、量具、冷熱模具、耐沖擊工具等)

（3）特殊性能鋼(不銹耐酸、耐磨、耐熱等)二、鋼的分類1．

按成分分7性能要求高硬度——機加工刀具HRC＞60高耐磨性——刀具壽命和生產率↑組織要求：硬而細小的碳化物，均勻分布在強而韌的鋼基體中高的熱硬性（紅硬性）——高溫下保持高硬度的能力，與回火穩定性有關足夠的韌性——以承受沖擊載荷合金工具鋼（合金刃具鋼、合金模具鋼、合金量具鋼）1、合金刃具鋼性能要求合金工具鋼（合金刃具鋼、合金模具鋼、合金量具鋼）1、81）低合金刃具鋼成分——w(C)=0.9~1.5%，合金元素＜5%。性能——HRC＞60，使用溫度200~300℃。鋼號主要化學成分，w/%熱處理及性能CMnSiCr淬火℃回火℃回火后HRC9SiCr0.85~0.950.30~0.601.20~1.600.95~1.25860~880油180~20060~62CrWMn0.90~1.050.80~1.10W1.2~1.600.90~1.20820~840油140~16062~65（摘自GB/T1299－2000）1）低合金刃具鋼成分——w(C)=0.9~1.592）高速鋼成分——w(C)=0.7~1.2%，合金元素＞10%。性能

高硬度、耐磨性——VC等彌散硬化

高熱硬性——600℃時HRC≈62，W2C等提高熱硬性。

高淬透性——尺寸不大時可空冷淬火，Cr等元素提高淬透性。

鋼號主要化學成分，w，%熱處理及性能CWVCrMo淬火℃回火℃回火后HRCW18Cr4V0.70~0.8017.5~19.01.00~1.403.80~4.401270~1285油550~570

三次≥63W6Mo5Cr4V20.80~0.905.50~6.751.75~2.203.80~4.404.75~5.501210~1230油540~560

三次≥632）高速鋼成分——w(C)=0.7~1.2%102、合金模具鋼１）冷模具鋼——冷沖、冷鐓、冷擠壓模等。性能——高硬度、耐磨性，足夠的韌性和疲勞抗力。應用小型模具——9Mn2V、9SiCr、CrWMn等。

大型模具——Cr12、Cr12MoV等，熱處理變形小。最終熱處理——淬火+低溫回火最終組織——回火M+碳化物+少量A'2、合金模具鋼１）冷模具鋼——冷沖、冷鐓、冷擠壓模等。性11２）熱模具鋼——熱鍛、熱擠壓、壓鑄模等。性能——耐熱性、熱疲勞抗力高。應用

中小型模具——5CrMnMo等。

大型模具——3Cr2W8V等，淬透性好。最終熱處理——淬火+高溫回火最終組織——回火T

或回火S２）熱模具鋼——熱鍛、熱擠壓、壓鑄模等。性能——耐熱123、量具用鋼——卡尺、千分尺、塞規等性能——高的硬度和耐磨性、良好的尺寸穩定性。應用

簡單量具——T10A、T12A等。

高精度量具——GCr15、CrWMn等。最終熱處理——淬火+（-70～-80℃）冷處理+低溫回火+時效處理

時效處理：120～130℃，保溫幾～幾十小時，使M、A'穩定，消除內應力。最終組織——回火M+碳化物+少量A'3、量具用鋼——卡尺、千分尺、塞規等性能——高的硬度和耐134.1.不銹鋼1）鋼的抗腐蝕措施油漆與電鍍，以隔離保護；加入Ni，形成單相奧氏體組織；加入Cr，提高電極電位，降低兩相的電極電位差；加入Cr、Al等，生成致密的表面氧化膜。4、特殊性能鋼2）不銹鋼的成分特點含碳量：0.03～1.0％含合金總量：＞10％（主加元素：Cr、Ni、Mo、Cu、Mn、Ti、Nb等）

Cr—提高電極電位（＞12.5％，Fe電極電位突然升高）；形成鈍化膜。

Ni—穩定奧氏體。

Mo—提高耐蝕性和抗晶間腐蝕的能力。

Cu—提高耐酸腐蝕的能力。

4.1.不銹鋼1）鋼的抗腐蝕措施4、特殊性能鋼2）不銹鋼143）常用不銹鋼（1）

M型不銹鋼（熱處理后獲得M）成分：C%:0.1~1.0％、Cr＞12.5％性能:高強度、硬度、耐磨性。應用：汽輪機葉片、手術器械、量具等。如1Cr13，2Cr13性能類似于調質鋼，用于汽輪機葉片；3Cr13，4Cr13性能類似于工具鋼，做手術器具及刀具（2）

A不銹鋼(室溫下呈單相奧氏體組織)

成分:低碳（0.1％左右)、高鉻鎳。性能：高耐蝕性，良好的塑性、韌性、耐熱性和焊接性，無磁性。應用：抗磁儀表、耐熱零件和管道等。0Cr18Ni9,1Cr18Ni9（3）

F型不銹鋼（高溫和低溫均保持單相鐵素體組織）成分：低碳（＜0.15％）、高鉻。性能：塑性較好，耐酸、抗氧化，抗應力腐蝕性能好，機械性能和工藝性能較差。應用：受力不大的耐酸結構和抗氧化零件。如0Cr13用作耐熱鋼，1Cr28耐強腐蝕介質3）常用不銹鋼（1）M型不銹鋼（熱處理后獲得M）如1Cr15不銹鋼的成分、熱處理、性能鋼號主

要

化

學

成

分,%淬火

℃回火

℃CCrNiTi類別機械性能

bMPa

sMPa

5

%HRC

HB1Cr13

0.1512~

14950~

1000水,油700~

7504Cr130.36~

0.4512~

141050~

1100油200~

300M型540345680400254159501Cr17

0.1216~

18780~

850正火0Cr18Ni9

0.0717~

198~

121010~

1150水F型A型A-F型45020552020522401831871Cr18Ni9Ti

0.1217~

199~

12

0.5

~0.8920~

1150水520205401871Cr21Ni5Ti0.09~

0.1420~

224.8~

5.8

0.35

~0.8950~

1100水,空60035020不銹鋼的成分、熱處理、性能鋼號主要化學成分,%164.2.耐熱鋼抗氧化性：金屬在高溫下的抗氧化能力熱強性：熱強性是指鋼在高溫下的強度用途：鍋爐、燃氣輪機，排氣閥等珠光體耐熱鋼：15CrMo，用于鍋爐構件馬氏體耐熱鋼：1Cr13、2Cr13，用于渦輪葉片

4Cr9Si2氣閥鋼奧氏體耐熱鋼：1Cr18Ni9Ti4.2.耐熱鋼抗氧化性：金屬在高溫下的抗氧化能力用途：鍋17類別鋼號主

要

化

學

成

分,%淬火

℃回火

℃CCrNiTiM型1Cr13

0.1512~

14950~

1000油700~

7501Cr11MoV0.11~

0.1810~

11.5Mo0.5

~0.71050~

1100空720~

740A型1Cr18Ni9Ti

0.1217~

198~

11

0.5

~0.8920~

1150水機械性能

bMPa

sMPa540345490685520205

5

%2040HB

159159187類鋼號主要化學成分,%淬火

℃回火

℃CC184.3.耐磨鋼ZGMn13熱處理：1000℃～1100℃，保溫，水冷→A，硬度低，韌性高。性能：工件在工作中受到沖擊變形時，表層產生加工硬化，及M轉變，硬度顯著提高，心部保持高韌性。用途：履帶、鐵道岔道4.3.耐磨鋼ZGMn13熱處理：1000℃～110019三、鋼的編號方法1．優質碳素結構鋼（萬分之一）

20鋼—0.2%C

45鋼—0.45%C“20鍋”或“20g”

2．碳素工具鋼

(千分之一)

以“碳”字或字母“T”代表后為含碳量如T8—0.8%C,T12—1.2%C3．合金鋼

（1）含碳量

（2）合金元素含量

20CrMnTi

9SiCr

GCr15W18Cr4V三、鋼的編號方法1．優質碳素結構鋼（萬分之一）201、優質碳素結構鋼牌號——如45鋼，含C量為45/10000=0.45%。優質碳素鋼的化學成分和性能鋼號化學成分，%

s

，MPa≥CMnSiSP08F10203540455060650.05-0.110.07-0.130.17-0.230.32-0.390.37-0.440.42-0.500.47-0.550.57-0.650.62-0.700.25-0.500.35-0.650.35-0.650.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.800.50-0.80

0.030.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.370.17-0.37<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035<0.035175205245315335355375400420(摘自GB/T699-1999)1、優質碳素結構鋼牌號——如45鋼，含C量為45212．碳素工具鋼

牌號——如T12A鋼，含C量為12/1000=1.2%，

A表示高級優質，w(S)

0.020%，w(P)

0.030%。鋼號C,%Mn,%Si,%S,%

P,%

退火后HBS,

水冷淬火溫度，℃T7T8T8MnT9T10MnT10T12T130.65-0.740.75-0.840.80-0.900.85-0.940.95-1.040.95-1.041.15-1.241.25-1.35

0.40

0.400.40-0.60

0.400.40-0.60

0.40

0.40

0.40

0.35

0.35

0.35

0.35

0.35

0.35

0.35

0.350.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0300.0350.0350.0350.0350.0350.0350.0350.035187187187192192207207217800-820780-800780-800760-780760-780760-780760-780760-780碳素工具鋼的化學成分和性能（淬火后HRC≥62)(摘自GB/T1298-1986)2．碳素工具鋼牌號——如T12A鋼，含C量為12221）．低合金結構鋼鋼號舊鋼號主要化學成分，%機械性能CMnSi，

s

，MPa

b

，MPa

5，%Q29509MnNb

12Mn

0.160.80

~1.500.5529557023Q34516Mn

16MnRe0.18

~0.201.00

~1.600.5534563021~22Q39016MnNb

15MnTi

0.201.00

~1.600.5539065019~20Q42014MnVTiRe

15MnVN

0.201.00

~1.700.5542068018~19Q46014MnMoV

18MnMoNb

0.201.00

~1.700.5546072017常用低合金結構鋼的牌號、成分、性能（厚度(直徑)16mm，AKV≥34J）成分——w(C)＜0.2%，主加元素Mn，附加V、Ti、Nb。性能——強度、韌性高，焊接、冷成形性能好。3、合金結構鋼1）．低合金結構鋼鋼號舊鋼號主要化學成分，%機械性232)．滲碳鋼成分

:w(C)=0.1～0.25%,韌性好。合金元素提高淬透性、耐磨性,細化晶粒。性能

:滲層硬度高，耐磨，抗接觸疲勞；心部韌性高、強度大。滲C鋼的牌號（摘自GB/T3077-1999）（滲C:930℃，回火：200℃）

主要化學成分,%預備處理／淬火,℃CMnCr，Ni0.17~0.24

0.17~0.240.50~0.80

1.30~1.600.70~1.00

880／800水,油880水,油0.17~0.230.17~0.23

0.90~1.200.80~1.10

0.90~1.201.00~1.30

850油880

／870油鋼號20Cr

20MnV20CrMn20CrMnTi

淬透性低中高18Cr2Ni4WA

20Cr2Ni4A0.13~0.19

0.17~0.23W0.8~1.2

0.30~0.601.35~1.65

4.0~4.51.25~1.65

3.25~3.75950

／850空

880／780

油機械性能

bMPa

sMPa835

785540

5909301080

735835

1180

1180835

1080aKU2J47

554755

78

632)．滲碳鋼成分:w(C)=0.1～0.25%,韌性好243)．調質鋼成分——w(C)=0.25～0.50%，合金元素消除回火脆性,提高回火抗力,強化F。性能——綜合機械性能高調質鋼的牌號（摘自GB/T3077－1999）淬透性鋼號主

要

成

分,%淬火

℃回火

℃CMnSi

Cr低450.42~

0.500.50~

0.800.17~

0.37830~

840水580~

640空40Cr0.37~

0.450.50~

0.80Cr0.8

~1.10850油500

水，油中高35CrMo0.32~

0.400.40~

0.70Cr0.8

~1.10850油550

水，油38CrMoAlA0.35~

0.42Al0.7

~1.1Cr1.35

~1.65940

水，油640

水，油40CrMnMo0.37~

0.450.90~

1.20Cr0.9

~1.20850油600

水，油機械性能

bMPa

sMPaaKU2J

600

3553940MnB0.37~

0.441.10~

1.400.20~

0.40850油500

水，油98078547980785479808356398083571980785633)．調質鋼成分——w(C)=0.25～0.50%，合金254)．彈簧鋼成分——w(C)=0.45～0.70%，Si,Mn為主要元素，提高屈強比。性能——σe

、σs、屈強比和疲勞抗力高，塑性大，耐震動、沖擊。鋼號主

要

成

分,%淬火

油

℃回火

℃機械性能

CMnSi,Cr

bMPa

sMPa

10

%akkJ/m2650.62~

0.700.50~

0.800.17~

0.37840

油50010008009450850.82~

0.900.50~

0.800.17~

0.37820

油48011501000660065Mn0.62~

0.700.90~

1.200.17~

0.37830

油5401000800880060Si2Mn0.56~

0.640.60~

0.901.50~

2.00870

油48013001200580050CrVA0.46~

0.540.50~

0.80Cr0.8

~1.10850

油50013001150

59800（摘自GB/T1222－1985）4)．彈簧鋼成分——w(C)=0.45～0.70%，266)．滾動軸承鋼成分——w(C)=0.95～1.10%，主加元素是Cr，形成細小的碳化物。性能——高接觸疲勞強度、高硬度和耐磨性，韌性、淬透性好。鋼號主要化學成分，w/%熱處理規范及性能CCrSiMn淬火℃回火℃回火后HRCGCr40.95~1.050.35~0.00.15~0.300.15~0.30800~820150~17062~66GCr150.95~1.051.40~1.650.15~0.350.25~0.45820~840150~16062~66GCr15SiMn0.95~1.051.40~1.650.45~0.750.95~1.25820~840170~200>62GMnMoVRE0.95~1.050.15~0.401.10~1.40770~810170

5

62GSiMoMnV0.95~1.100.45~0.650.75~1.05780~820175~200

626)．滾動軸承鋼成分——w(C)=0.95～1.10%，27四、合金元素對鋼的影響1．

對鐵碳狀態圖的影響2．

合金元素對C曲線的影響3．

合金元素與鋼的特性（1）鋼的淬透性

（2）淬透性與淬硬性

（3）鋼的回火穩定性四、合金元素對鋼的影響1．

對鐵碳狀態圖的影響284．2幾種常用合金鋼簡介一、

合金結構鋼1．合金滲碳鋼

20CrMnTi20Cr18Cr2Ni4W2．合金調質鋼

40Cr40CrMn3．合金彈簧鋼

65Mn60Si2Mn二、

合金工具鋼1．合金刃具鋼

W18Cr4VW6