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Mn ——有益: 0.25--0.80%, a.脱氧剂:  降低FeO→脆性↓; b.脱硫剂; c.固溶强化, 使性能更优
Si ——有益:0.2~0.5%, a. 脱氧→脆性↓ ; b. 固溶强化
S——有害: Fe+FeS→共晶体( 985℃, 低熔点) 热脆
P——有害: Fe +P →Fe3P( 100℃, 脆性大) 冷脆
O——多以氧化物形式存在, 降低机械性能
N——对碳钢, 易产生应变时效( 添加Al、 V、 Ti,蓝脆消失) 蓝脆
H——危害极大, 微量即可产生”白点”、 ”发裂”缺陷( 氢脆)
钢的强化机制: 四种: 固溶强化、 位错强化、 细晶强化和第二相弥散强化
合金元素对钢工艺性的影响 :
一、 冷成型性 冷作硬化率是在冷变形过程中, 材料变硬变脆程度的表征参量。冷作硬化率高, 材料的冷成型性差。P、 Si、 C等元素↑↑冷作硬化率。
二、 热压力加工性 Me溶入基体↑热变形抗力 → 热压力加工性能↓。→ 合金钢的热压力加工性能比碳钢差。高速钢等高合金钢的热压力加工难度较大
三、 切削加工性 不同情况侧重点不同, 如粗加工, 主要考虑速度; 精加工主要考虑表面光洁度。 C钢 硬度在170~230HB, 切削性能最好.对组织来说, P:F=1:1较佳。不同含C量的钢要得到较好的切削性, 其预处理是不同的: 对C钢: < 0.1%C,宜淬火( 但不能得到M) ; < 0.5%C,宜正火;
< 0.8%C,宜退火; > 0.8%C,宜球化退火
四、 材料的热处理工艺性淬透性: 一般是指淬火时获得M的能力.淬硬性 :形成M能达到的最高硬度.淬硬性主要与钢的含碳量有关
构件用钢
三、 应变时效、 淬火时效、 蓝脆
( 1) 应变时效: 现象: 塑性变形→放置→强度↑→塑性韧性↓ →Tk↑ 原因( 不明确) , 一般认为变形后放置时, C、 N原子在位错周围积聚, 形成柯氏气团;
加碳化物或氮化物形成元素可抑制或消除应变时效。☆充分脱氧可↓应变时效
( 2) 淬火时效 : 低碳钢淬火时效是被C、 N过饱和的α-F固溶体脱溶沉淀的结果
3) 蓝脆——不利
低碳钢在300～400℃左右加工出现蓝脆, 并使σb↑δk、 ψk↓应变时效增加时, 出现蓝脆的温度向高温移动, 至500℃
蓝脆原因: 塑变时位错运动速度与该温度下固溶的C、 N原子的移动速度几乎相等应变时效与塑变同时发生 。即在塑性变形的同时, 发生 了应变时效。
三、 控制轧制与控制冷却
控制轧制三个阶段组成: 第一阶段 是高温下的再结晶区变形;
第二阶段 是在紧靠 Ar3以上的低温无再结晶区变形; ( 形变诱导铁素体相变→控制再结晶) 第三阶段 是在奥氏体 --铁素体两相区变形。( 铁素体变形时发生动态回复, 不发生再结晶)
常规热轧和控制轧制之间的差别在于:
常规热轧的 铁素体形核只在A晶界上形成;
控制轧制的奥氏体晶粒被形变带划分为几个部分, 使得铁素体形核不但发生在奥氏体晶界上, 而且还在奥氏体的晶内。
控制轧制的奥氏体晶粒更细小, 铁素体形核多。
Mn: ↑↑淬透性, 但↑过热倾向, ↑回脆倾向; Cr: ↑↑淬透性, ↑回稳性, 但↑回脆倾向; Ni:↑基体韧度, Ni-Cr复合↑↑淬透性, ↑回脆 ; Mo: ↑淬透性,↑回稳性, 细晶,↓↓回脆倾向; V: 有效细晶, (↑淬透性) , ↓↓过热敏感性。
机器零件用钢
主加元素: Ni,Si,Cr,Mo,Mn,B ( 由弱到强) 主要作用: ↑淬透性和力学性能。
辅加元素: Mo、 W、 V等↓过热敏感性, ↓回脆, ↑淬透性。
合金元素在机器零件用钢中的其它作用
1) ↑回火稳定性: ↑韧; 2) ↓d: ↑强韧3) 固溶强化: ↑强; 4) 防止第二类回火脆性: ↑韧5) 改进切削性能
1低碳马氏体型结构钢, 采用淬火+低温回火。为↑耐磨性, 可进行渗碳处理( 实际上就是复合材料) ; 汽车拖拉机齿轮类为代表。
2回火索氏体型, 选择中碳钢, 采用淬火+高温回火。为↑耐磨性, 可进行渗氮处理或高频感应加热淬火等表面硬化工艺方法。轴类零件为典型。
3如要求更高的强度, 则适当牺牲塑韧性。可选择中碳钢, 采用低温回火工艺。如
低合金中碳马氏体钢。农业机械较多。
3、 如要求高的弹性极限和屈服强度, 又要有较高的塑性和韧度, 则选择中高碳钢,
进行中温回火。如弹簧钢。
4、 零件要求高强度、 高硬度, 高接触疲劳性和一定的塑性和韧度, 可用高碳钢, 淬
火+低温回火。如轴承钢。
整体强化态零件用钢; 主要制造轴、 杆、 轴承类等机器零件, 如连杆、 螺栓、 主轴、 半轴等。这类钢主要有调质钢、 弹簧钢、 轴承钢、 低碳马氏体钢、 超高强度钢等。
常见渗碳钢及热处理; 20Cr钢( 低) : 不宜渗碳后直接淬火。20CrV钢可直接淬火。
20CrMnTi( 中) 钢特点:广泛制造汽车、 拖拉机变速箱齿轮, 离合器轴和车辆上的伞齿轮及主动轴等。① Cr、 Mn复合, 淬透性好, D油约40mm; ② 较高耐磨性和强韧度, 特别是低温韧度较好; ③ 渗碳工艺性较好, 晶粒长大倾向小, 可直接淬火, 变形也比较小。但有块状TiN。
18Cr2Ni4WA、 20Cr2Ni4A: 高淬透性 由于合金元素多, 因此工艺可变程度大, 获得的组织性能也较复杂。
18Cr2Ni4WA可作为调质钢, 低碳马氏体钢, 也可作为渗碳钢。渗碳和淬火工艺较复杂。主要用于要求高综合力学性能和高耐磨性的重要 件, 如航空发动机齿轮等。
氮化钢
氮化钢特性:多为碳含量偏低的中碳铬钼铝钢。国内外广泛使用的氮化钢是38CrMoAl钢, 获得 最高氮化层硬度, 达到900～1000HV。
仅要求高疲劳强度的零件, 可采用不含铝的CrMo型氮化钢, 如35CrMo、 40CrV、 40Cr等, 其氮化层的硬度控制在500-800HV
n 要求高的精密零件: 一般用于精密丝杆、 主轴等。工艺路线 为: 毛坯 → 预先热处理( 退火) → 机械粗加工→热处理( 调质) → 半精加工→ 氮化处理→ 精加工→ 去应力退火→ 零件。
高锰钢的热处理
1) 水韧处理加热T应＞Acm一般为1050 ~1100℃, 在一定保温时间下, K全部溶入A中
广泛应用于承受大冲击载荷、 强烈磨损的工况下工作的零件, 如各式碎石机的衬板、 颚板、 磨球, 挖掘机斗齿、 坦克的履带板等
低合金耐磨钢
常见的低合金耐磨钢有: 履带板用钢; 推土机刀刃用钢; 挖掘机铲齿用钢; 耐磨钢轨; 矿用液压支架和矿柱用钢; 槽邦钢, 等等
典型零件材料选择与工艺分析
机床齿轮: 载荷不大, 工作平稳, 一般无大的冲击力, 转速也不高。常选用调质钢制造, 如45、 40Cr、 42SiMn等钢, 热处理工艺为正火或调质, 高频感应加热淬火
一般工艺路线为:
备料 →锻造 →正火(退火) →粗加工 →调质处理 →半精加工 →高频淬火+ 回火 →磨削
汽拖齿轮: 汽车、 拖拉机上的变速箱齿轮、 主被动齿轮属于重载荷齿轮, 常承受一定程度的冲击载荷。一般都采用渗碳钢, 如20Cr、 20CrMnTi等, 进行渗碳热处理。
一般工艺路线为: 备料→锻造 → 正火 →粗加工 →渗碳+淬火+回火 →喷丸 →磨削
重载齿轮: 航空发动机齿轮和一些重型机械上的齿轮承受高速和重载, 一般多采用高淬透性渗碳钢, 如12CrNi3A、 18Cr2Ni4WA等钢。
工艺路线较复杂: 备料 →模锻 →正火+高温回火? →机械加工→ 渗碳 →(高温回火? )→机械加工 →淬火+回火→ 精加工→ 检验。
当前常见轴的材料及工艺如下:
轻载主轴。如普通车床主轴, 负荷小, 冲击力不大, 磨损也不严重, 一般采用45钢, 整体经正火或调质处理, 轴颈处高频感应加热淬火。
中载主轴。如铣床, 中等负荷, 有一定冲 击力, 磨损也较重, 一般用40Cr等制造, 进
行调质处理, 轴颈处高频感应加热淬火。如冲击力较大, 也可用20Cr等钢进行渗碳淬火?
重载主轴。如组合机床的主轴, 负荷较大, 冲击力大, 磨损严重, 可用20CrMnTi钢制造, 渗碳淬火。
高精度主轴。如精密镗床的主轴, 虽然负荷不大, 磨损也不严重, 可是精度要求很
高, 一般可用38CrMoAlA氮化钢制造, 经调质后氮化处理, 可满足要求?
工具钢成分与性能特点:
0.6~1.3%C+足够数量K → M硬度和切断抗力较高、 耐磨性好。
Cr、 W、 Mo、 V等:↑淬透性、 耐磨性和热稳定性;
W、 Mo、 V、 Co: ↑红硬性: Mn、 Si辅助加入:↑淬透性, 回稳性: 第二相K → 球状、 细小、 均匀分布。
工艺特点: 锻造 → 球化退火→不完全淬火淬火工艺参数要求严格。
碳素刃具钢 : T7-T13; 成本低、 淬透性低, 红硬性差、 耐磨性不够高, 做低速切削、 尺寸较小的刃具和简单的冷冲模。断面尺寸小于15mm的工具。 T7有较好塑韧性, 宜做受冲击的刃具, 如凿子等; T8易过热, 制造形状简单的木工工具等; T10、 T12耐磨性较好, 强度高, 但韧度低, 制造不受冲击或冲击较小形状简单的工具, 如车刀、 锯条等。
预先热处理一般为球化退火其目的是获得粒状P, 降低硬度便于切削加工、 并为淬火作组织准备
n 若锻造组织不良( 如出现网状碳化物) , 则应在球化退火之前先进行正火处理, 以消除网状碳化物。
n 最终热处理为: 对过共析淬火( 不完全) ＋低温回火( 回火温度一般180～200℃) , 正常组织为隐晶M＋细粒状渗碳体及少量AR。
n 对亚共析 淬火( 完全) ＋低温回火, 针状M＋少量AR 。
n 缺点: 淬透性低, 组织稳定性低, 耐磨性不够,没有红硬性
低合金工具钢: Me作用: 在碳素工具钢的基础上, 加入铬、 锰、 硅、 钨、 钼、 钒等元素, ↑ 淬透性、 耐磨性和回稳性等, 可↓淬火冷却速度, ↓变形开裂。Cr: 1%左右, 细化K, 均匀分布; Cr、 Mn等形成合金渗碳体, ↑耐磨性; Si: ↑低温回稳性, Si强化F,↓切削加工性,↑脱碳敏感性, 不单独加入; W: 0.5~1.5%, W含量太多, 使K分布不匀, 恶化性能
9SiCr:① Si、 Cr↑淬透性, D油<40mm; ② Si、 Cr↑回稳性, ~250℃回火, >60HRC;
③ K细小、 均 匀→不容易崩刃; ④ 分级或等温处理, 变形较小; ⑤ Si使脱碳倾向较大。
适于制作形状较复杂、 变形要求小工件, 特别是薄刃工具, 如丝锥、 扳牙、 铰刀等
CrWMn: ① Cr、 W、 Mn复合, ↑淬透性, D油=50~70mm; ② AR在18~20%, 淬火后变形小; ③ 含Cr、 W碳化物较多且较稳定, 晶粒细小→高硬度、 高耐磨性; ④ 回火稳性较好, >250℃回火, 60HRC; ⑤ W使碳化物较多而易形成网状。适于制作要求变形小、 耐磨性高的工件, 如拉刀等, 也可做量具及形状较复杂的高精度冲模。
高速钢:通用型高速钢( 又称普通高速钢) , 以18-4-1和 6-5-4-2为代表, 及W6Mo5Cr4V3、 W9Mo3Cr4VW2Mo8Cr4V
高性能高速钢, C较高1.0%以上, 包括高碳高钒型( CW6Mo5Cr4V3) , 超硬型、 高Co型( W6Mo5Cr4V2Co5、 W6Mo5Cr4V2Al)
合金元素的作用
V 显著↑红硬性、 ↑硬度和耐磨性, 细化晶粒, ↓过热敏感性。
Cr 加热时全溶, 保证钢淬透性 , 4％Cr。改进抗氧化能力、 ↑切削能力、 减少粘刀
Co 可显著提高钢的红硬性, 5、 8和12％三个级别。提高基体熔点, 可↑T淬。回火时促进K析出, 且减慢K长大。可形成CoW, 弥散强化, 且阻止其它K长大。Co还提高M向F再结晶温度。但↓钢韧性, ↑钢脱碳倾向。高速钢一般需在560℃左右三次回火
W18Cr4V
冷作模具钢的类型:
碳素工具钢、 低合金工具钢、 高铬中铬模具钢及高速钢类冷作模具钢等。
1) 碳素工具钢
T7A、 T8A、 T10A、 T13A、 T12A等; 热处理特点同于碳素刃具钢, 主要制造尺寸小、 形状简单、 承受载荷轻的模具。
2) 低合金工具钢
9Mn2V、 9SiCr、 CrWMn、 GCr15、 6CrMnNiMoSiV( GD钢) , Cr、 Mn、 Ni、 Mo ↑淬透性; Mo、 Si回稳; Mo 、 V↓d。主要制造尺寸大、 形状复杂、 承受载荷轻的模具
9Mn2V特点①Mn↑淬透性, D油= ~ 30mm; ②Mn↓↓ MS, AR约20~22%, 变形小;
③ V能克服Mn缺点,↓过热敏感性, 细化晶粒; ④ 硬度稍低, 回稳性较差 →200℃以下回火; ⑤ VC使磨削性能变差。 各种类型的中小冷作模具都可采用。
高碳高铬模具钢: 主要有Cr12( C=2.0-2.3)、 Cr12MoV(C=1.45-1.7)钢。属莱氏体钢,淬透性、 耐磨性好, 韧性不足。Cr12MoV钢具有高淬透性, 截面200-300mm以下能够完全淬透, 主要制造大尺寸、 形状复杂、 承受载荷较大的模具, 曾经有”冷作模具王牌”之称。
预处理: 重复锻造、 球化退火。
一次硬化法: 低淬和低回→晶粒细小, 强韧性好。980~1030℃淬火×150~170℃回火, 硬度为61~63HRC, 残奥量少。12％左右未溶( Cr, Fe) 7C3碳化物。一次硬化法使用较普
二次硬化法: 1050~1100℃淬火+500℃左右多次回火, 硬度回升到60~62HRC。热硬性较好, 强韧性较低。二次硬化法适合于工作温度比 较高( 400~500℃) 且受载荷不大或淬火后表面需要氧化处理( ~600℃) 的模具。
中碳中低合金冷模具钢(表4.9) 6SiCr、 4CrW2Si、 5CrW2Si, 降碳→亚共析, ↑韧性; Si、 Cr → ↑回稳, ↑韧性; W→细化晶粒, ↑韧性。这类钢耐磨性有所降低。 常见于受冲击、 刃口薄的冷作模具。
6) 新型冷作模具钢:中国常见7Cr7Mo2V2Si( LD/中碳中铬) 钢, 淬透性较好, 热处理变形小。用来制造冷鐓模、 冷冲模及冲头、 冲剪模等。
热作模具钢 : 热挤压、 热鐓锻及精锻模具钢和压铸模用钢三大类
C: 一般在0.45~0.60%, 以保证一定硬度和冲击韧度。Cr: 一般1%左右, ↑淬透性, ↑回稳性, 改进AK; Ni: 能↑↑ AK , 和Cr共同作用↑↑钢淬透性; Mn: 主要代Ni, 但Mn ↑过热敏感性和回火脆性。 Si: 能↑强度、 回稳性和耐热疲劳性, Si量<1% 。
Mo、 V: 有效地细化晶粒, ↓过热倾向, ↑回稳性。Mo( W) 最重要的作用是↓↓钢的回火脆性. 因此, 不但热锤锻模钢都含有Mo元素, 其它热作模具钢也都用Mo( W) 合金化。
量具钢的选择 :
1.低合金工具钢 : CrWMn、 GCr15 →淬透性高→淬火变形小→ 耐磨尺寸稳定→精度高。
2.其它钢种选择
1) 碳素工具钢: T10A、 T12A 等→淬透性低→淬火变形大→精度低、 尺寸小、 形状简单的卡尺、 量规等。
2) 表面硬化钢: 渗碳钢( 20Cr) 、 调质钢( 55) →精度不高、 形状简单、 受冲击的卡规、 直尺、 样板、 大型量具等; 表面淬火及专用氮化钢( 38CrMoAlA) →高耐磨、 耐蚀、 高尺寸稳定性。Cr12MoV淬火回火+氮化或碳氮共渗。
3) 不锈钢: 4Cr13、 9Cr18→耐磨、 耐腐蚀( 在腐蚀条件下工作)
不锈钢:

C、 N的作用:C: C↑,强度↑,冷变形性↓、 焊接性↓ 、 耐蚀性↓; 综合: C尽可能低
N: 稳定奥氏体组织, ↑强度, 又能保持较好的塑韧性, ↑耐蚀性, 特别是耐局部腐蚀
马氏体不锈钢: 9Cr18、 9Cr18MoV: 耐蚀轴承及刀具; 1Cr13Ni2、 1Cr17Ni2: 船舶尾轴、 压缩机转子

1、 为什么高强度钢表面应仔细机械加工、 表面粗糙度数字应低, 而灰铸铁的要求没有高强度钢严格?
2、 针对冷作模具: ( 1) 从Cr12→Cr12MoV→Cr4W2MoV的演变过程, 分析冷作模具钢的成分、 组织、 性能及应用之间的关系; ( 2) 若用Cr4W2MoV制造一高强韧性、 高耐磨性的精密冷作模具, 试为其安排简明的加工工艺路线, 特别指出其所涉及的热处理工序的名称、 作用及组织。( 3) 当这类模具的耐磨寿命不足时, 最有效的改进方法有哪些?
答: Cr12的碳含量为2％－2.3％, 属莱氏体钢, 具有优良的淬透性和耐磨性, 但韧性较差, 应用正逐步减少。Cr12MoV的碳含量为1.45％－1.70％, 在保持Cr12钢优点的基础上, 其韧性得以改进, 并具有一定的热硬性, 在用于对韧性不足而易于开裂崩刃的模具上时, 已取代Cr12钢。
Cr4W2MoV的碳含量为1.0％－1.25％,韧性明显改进, 综合力学性能较佳, 用于代替Cr12型钢制造易崩刃开裂的冷作模具。
综上所述, 随着三种钢碳含量的降低, 韧性逐渐改进。

3、 用1Cr18Ni9Ti制造耐酸拉杆, 经正常热处理后能否采用磁性夹具装夹? 为什么? 无磁性材料
4、 为什么比较重要的大截面的结构零件如重型运输机械和矿上机器的轴类, 大型发电机转子等都必须用合金钢制造? 与碳钢比较, 合金钢有何优缺点? 碳钢制成的零件尺寸不能太大, 否则淬不透, 出现内外性能不均, 对于一些大型的机械零件( 要求内外性能均匀) , 就不能采用碳钢制作, 比较重要的大截面结构零件如重型运输和矿山机械的轴类等都必须用合金钢制造。( 1) 合金钢的淬透性高2) 合金钢的回火抗力高。3) 合金钢能满足一些特殊性能的要求。如耐热性、 耐腐蚀性、 耐低温性