金属材料学全套课件.ppt

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1、1 金金 属属 材材 料料 学学 2 考考 核核1.1.期末考试采用闭卷笔试。期末考试采用闭卷笔试。2.2.成绩评定：期末考试占成绩评定：期末考试占7070，平时成绩占平时成绩占3030。3.3.平时成绩由考勤、作业、笔记、回答问题平时成绩由考勤、作业、笔记、回答问题等部分组成。等部分组成。3 绪绪 论论一、本课程主要内容一、本课程主要内容 1 1、钢铁材料、钢铁材料(1)(1)合金化原理合金化原理 合金元素在钢中与合金元素在钢中与FeFe，C C的相互作用。的相互作用。合金元素在相变中的作用。合金元素在相变中的作用。(2)(2)各种钢铁材料各种钢铁材料2 2、有色金属材料、有色金属材料4二、

2、研究思路二、研究思路使用条件使用条件性能要求性能要求组织结构组织结构化学成分化学成分 生产工艺生产工艺5三、金属材料的性能三、金属材料的性能1 1、使用性能：金属材料在使用时抵抗外界作、使用性能：金属材料在使用时抵抗外界作用的能力。用的能力。主要包括：力学性能、化学性能、物理性能。主要包括：力学性能、化学性能、物理性能。2 2、工艺性能：金属材料适应实际生产工艺要、工艺性能：金属材料适应实际生产工艺要求的能力。求的能力。主要包括：铸造性；锻造性；深冲性；冷弯主要包括：铸造性；锻造性；深冲性；冷弯性；切削性；淬透性；焊接性等。性；切削性；淬透性；焊接性等。6 使用性能是保证能不能使用，而工艺性能

3、使用性能是保证能不能使用，而工艺性能是保证能不能生产和制造的问题。是保证能不能生产和制造的问题。如建造九江长江大桥如建造九江长江大桥15MnVN15MnVN钢的焊接性。钢的焊接性。两者既有联系又有不同，有时是一致的，有两者既有联系又有不同，有时是一致的，有时互相矛盾。时互相矛盾。如含铜时效钢如含铜时效钢06MnNiCuNb06MnNiCuNb。7四四.钢铁材料的分类钢铁材料的分类 非合金钢非合金钢;低合金钢低合金钢;合合 金金 钢钢 高温合金高温合金;铸铸 钢钢;铸铸 铁铁1 1、钢：以铁为主要元素，含碳量一般在、钢：以铁为主要元素，含碳量一般在2%2%以以下，并含有其它元素的金属材料。下，并

4、含有其它元素的金属材料。2 2、铸铁：含碳量大于、铸铁：含碳量大于2.11%2.11%的铁碳合金，其的铁碳合金，其杂质含量比钢高杂质含量比钢高83 3、高温合金：不以碳作为主要在强化元素，、高温合金：不以碳作为主要在强化元素，通常也不以铁作为基体。通常也不以铁作为基体。4 4、合金元素：为了提高钢的某些性能，有目、合金元素：为了提高钢的某些性能，有目的地在钢中加入的、含量在一定范围内的的地在钢中加入的、含量在一定范围内的元素。元素。9 5 5、杂质元素：由于冶炼工艺、原料等原因，、杂质元素：由于冶炼工艺、原料等原因，不可避免地存在于钢中的元素，含量要求不可避免地存在于钢中的元素，含量要求低于某

5、一标准值。低于某一标准值。(1)(1)常存元素：常存元素：SiSi，MnMn，S S，P P，N N，H H，O O(2)(2)残余元素：残余元素：Cr,Ni,Mo,WCr,Ni,Mo,W，CuCu，V V，TiTi 106 6、非合金钢：、非合金钢：不含合金元素的钢。主要包括不含合金元素的钢。主要包括“碳素钢碳素钢”，还包括电工用纯铁（，还包括电工用纯铁（C0.02%C0.02%称纯铁）、原料称纯铁）、原料纯铁等。纯铁等。7 7、低合金钢、低合金钢 MnMn，CrCr，CuCu，MoMo，NiNi，SiSi，TiTi，V V，W W等元等元素含量在非合金钢和合金钢含量之间。素含量在非合金钢和

6、合金钢含量之间。1112 我国低合金钢从我国低合金钢从5050年代开始研制，生产。年代开始研制，生产。目前标准牌号约目前标准牌号约100100个，以个，以MnMn为主，重点牌号为主，重点牌号为为16Mn16Mn，有些加入微量元素，有些加入微量元素MoMo，V V，NbNb，CuCu，N N，ReRe等。如按照国际标准划类，等。如按照国际标准划类，16Mn16Mn等这类钢等这类钢只能划为只能划为“非合金钢非合金钢”，与我国历史、现状和，与我国历史、现状和发展前途不适应。发展前途不适应。13五、合金钢分类五、合金钢分类1 1、按质量等级分类、按质量等级分类(1)(1)优质钢：优质钢：结构钢：结构钢

7、：S0.045%S0.045%，P0.040%P0.040%。工具钢：工具钢：S0.030%S0.030%，P0.035%P0.035%。(2)(2)高级优质钢：高级优质钢：S0.020%S0.020%，P0.030%P0.030%。注：非合金钢，低合金钢中还含普通质注：非合金钢，低合金钢中还含普通质量钢。量钢。142 2、按金相组织分类、按金相组织分类(1)(1)按退火组织按退火组织亚共析钢，共析钢，过共析钢，莱氏体钢亚共析钢，共析钢，过共析钢，莱氏体钢(2)(2)按正火组织分类按正火组织分类珠光体钢，贝氏体钢，马氏体钢，奥氏体钢珠光体钢，贝氏体钢，马氏体钢，奥氏体钢15(3)(3)按加热及

8、冷却有无相变及室温组织分类按加热及冷却有无相变及室温组织分类铁素体钢：加热及冷却始终为铁素体组织。铁素体钢：加热及冷却始终为铁素体组织。奥氏体钢：加热及冷却始终为奥氏体组织。奥氏体钢：加热及冷却始终为奥氏体组织。半铁素体钢：加热时只部分发生奥氏体相变，其半铁素体钢：加热时只部分发生奥氏体相变，其余部分始终为铁素体组织。余部分始终为铁素体组织。半奥氏体钢：冷却时只部分发生相变，其余部分半奥氏体钢：冷却时只部分发生相变，其余部分始终为奥氏体组织。始终为奥氏体组织。16 3 3、按合金元素总量分类、按合金元素总量分类 低合金：总量低合金：总量5%10%10%174 4、按用途分类、按用途分类(1)(

9、1)结构钢结构钢 工程结构用合金钢工程结构用合金钢 机械制造用合金钢机械制造用合金钢(2)(2)工具钢工具钢(3)(3)不锈钢、耐热钢不锈钢、耐热钢18六、合金钢和低合金钢编号方法六、合金钢和低合金钢编号方法编号方法：编号方法：碳含量合金元素种类和数量质量碳含量合金元素种类和数量质量 碳含量：区分不同钢种的主要标志。碳含量：区分不同钢种的主要标志。191 1、合金元素种类和数量：、合金元素种类和数量：种类：用化学符号表示种类：用化学符号表示 数量：数量：1.5%1.5%，不表示，不表示 1.51.52.5%2.5%，用，用2 2表示表示 2.52.53.5%3.5%，用，用3 3表示表示 （以

10、下类推）（以下类推）2 2、质量：高级优质钢加、质量：高级优质钢加A A，其余不表示。，其余不表示。203 3、碳含量：不同钢种有不同表示方法、碳含量：不同钢种有不同表示方法 （区分不同钢种的主要标志）（区分不同钢种的主要标志）(1)(1)低合金钢和合金结构钢低合金钢和合金结构钢含含C C量以量以0.01%0.01%为单位，用两位数字表示。为单位，用两位数字表示。如：如：40Cr40Cr，42CrMo42CrMo，09CuPTi09CuPTi，15MnVN15MnVN，15MnVB15MnVB。21 有时两个钢种，其中一个主要合金元素有时两个钢种，其中一个主要合金元素含量不同，但都小于含量不同

11、，但都小于1.5%1.5%，其余成分相同，其余成分相同，此时含量较高的在元素后面标此时含量较高的在元素后面标“1 1”来加来加以区别。以区别。如如:12CrMoV:12CrMoV，CrCr：0.40.40.6%0.6%12Cr1MoV 12Cr1MoV，CrCr：0.90.91.2%1.2%22(2)(2)轴承钢轴承钢前面标以前面标以G G，表示滚动轴承钢。，表示滚动轴承钢。含含C C量量1%1%，故不表示。，故不表示。含含CrCr量以量以0.1%0.1%为单位，其余合金元素方法为单位，其余合金元素方法不变。不变。如：如：GCr15GCr15，GCr15SiMnGCr15SiMn，GCr9GC

12、r9。23(3)(3)不锈、耐蚀和耐热钢不锈、耐蚀和耐热钢含碳量以含碳量以0.1%0.1%为单位。为单位。如：如：1Cr131Cr13，2Cr132Cr13。含碳量很低时，用含碳量很低时，用0 0，0000表示。表示。0 0：0.08%0.08%；0000：0.03%0.03%。如：如：0Cr18Ni90Cr18Ni9，00Cr18Ni1000Cr18Ni10。24(4)(4)工具钢工具钢 含碳量以含碳量以0.1%0.1%为单位，用为单位，用1 1位数字表示。位数字表示。当当1%1%时不表示。时不表示。如：如：9CrSi9CrSi，CrWMnCrWMn。含含CrCr量低于量低于1%1%的铬合金

13、工具钢，的铬合金工具钢，CrCr含量以含量以0.1%0.1%为单位，并在前面加一个为单位，并在前面加一个“0 0”字表示。字表示。如：如：Cr06,Cr,Cr2Cr06,Cr,Cr2。25高速钢含碳量小于高速钢含碳量小于1 1时，通常也不标注含碳时，通常也不标注含碳量量 。如：如：W18Cr4VW18Cr4V：含碳量含碳量 0.7-0.8%0.7-0.8%W6Mo5Cr4V2 W6Mo5Cr4V2：含碳量含碳量 0.8-0.9%0.8-0.9%合金元素相同，含碳量不同的要标注含碳量，合金元素相同，含碳量不同的要标注含碳量，如如9W18Cr4V9W18Cr4V。(复习复习)绪论绪论重点内容：重点

14、内容：一、研究思路一、研究思路 二、合金元素与杂质元素二、合金元素与杂质元素三、合金钢分类：三、合金钢分类：1 1、质量。、质量。2 2、组织（退火、组织（退火、正火、加热及冷却时的组织转变）正火、加热及冷却时的组织转变）四、合金钢及低合金钢编号方法四、合金钢及低合金钢编号方法27第一章第一章 钢中的合金元素钢中的合金元素 28 111 1 铁基固溶体铁基固溶体 铁基固溶体：铁素体（铁基固溶体：铁素体（F F）；奥氏体（）；奥氏体（A A）。）。一、合金元素对铁基固溶体的影响一、合金元素对铁基固溶体的影响1 1、奥氏体形成元素、奥氏体形成元素 使使A3A3温度下降，温度下降，A4A4温度上升，

15、扩大温度上升，扩大相区。相区。29(1)(1)开启开启相区：相区：MnMn，CoCo，NiNi：与：与FeFe可以无限固溶。可以无限固溶。NiNi含量高时，可使含量高时，可使稳定到室温。稳定到室温。(2)(2)扩大扩大相区：相区：C C，N N，CuCu：与：与FeFe有限固溶。有限固溶。30 2 2、铁素体形成元素、铁素体形成元素 使使A A3 3温度上升，温度上升，A A4 4温度下降，缩小温度下降，缩小相区。相区。(1)(1)封闭封闭相区（相区（V V，CrCr，TiTi，W W，MoMo，AlAl，P P）A3 A3和和A4A4在一定浓度时汇合形成在一定浓度时汇合形成圈。圈。Cr Cr

16、，V V：与：与FeFe无限固溶；无限固溶；其余元素为有限固溶。其余元素为有限固溶。(2)(2)缩小缩小相区（相区（B B，ZrZr，NbNb，S S）出现了金属间化合物，破坏了出现了金属间化合物，破坏了圈。圈。313.3.热力学讨论热力学讨论 用用CC，CC分别表示在温度分别表示在温度T T时某元素时某元素在在相和相和相的平衡浓度，在平衡状态下相的平衡浓度，在平衡状态下得：得：32HH：热焓的变化：热焓的变化 H HHHH H HH、HH：单位溶质元素溶于：单位溶质元素溶于相、相、相的相的溶解热。溶解热。铁素体形成元素：铁素体形成元素：HH,H0,H0,CC,CC,相区缩小。相区缩小。奥氏体

17、形成元素：奥氏体形成元素：HHHH，H0H0，CCCC，相区扩大。相区扩大。33二、合金元素在铁基固溶体中的溶解度二、合金元素在铁基固溶体中的溶解度1 1、间隙固溶体：、间隙固溶体：FeFe中间隙尺寸大，故溶解度较大。中间隙尺寸大，故溶解度较大。FeFe中间隙尺寸小，故溶解度较小。中间隙尺寸小，故溶解度较小。2 2、置换固溶体：、置换固溶体：铁素体形成元素在铁素体形成元素在FeFe中溶解度大；在中溶解度大；在FeFe中小。中小。奥氏体形成元素在奥氏体形成元素在FeFe中溶解度大；在中溶解度大；在FeFe中小。中小。34影响置换固溶体溶解度的因素：影响置换固溶体溶解度的因素：(1)(1)尺寸因素

18、：尺寸因素：d d：8810%10%，无限溶解。，无限溶解。(2)(2)晶体结构因素：晶体结构因素：(3)(3)化学亲和力因素：化学亲和力因素：负电性差负电性差x0.4x0.590.59，形成复杂点阵的碳化物，形成复杂点阵的碳化物 (1)(1)复杂立方点阵：（复杂立方点阵：（CrCr，MnMn）M M2323C C6 6型：型：CrCr2323C C6 6，MnMn2323C C6 6。(2)(2)复杂六方点阵（复杂六方点阵（CrCr，MnMn）M M7 7C C3 3型：型：CrCr7 7C C3 3，MnMn7 7C C3 3。(3)(3)正交晶系点阵正交晶系点阵 M M3 3C C型：型

19、：MnMn3 3C C，FeFe3 3C C。553.3.三元碳化物三元碳化物（W W、MoMo）FeFeC C，均为间隙化合物。，均为间隙化合物。(1)(1)复杂立方点阵复杂立方点阵(M(M6 6C C型碳化物型碳化物)FeFe3 3W W3 3C C，FeFe4 4W W2 2C C，FeFe3 3MoMo3 3C C，FeFe4 4MoMo2 2C C，(2)(2)复杂立方点阵复杂立方点阵(M(M2323C C6 6型碳化物型碳化物)Fe Fe2121W W2 2C C6 6，FeFe2121MoMo2 2C C6 6。56三、碳化物的相互溶解三、碳化物的相互溶解1.1.完全互溶完全互溶

20、 只能发生在同类碳化物形成元素的相同晶只能发生在同类碳化物形成元素的相同晶格类型的碳化物之间。格类型的碳化物之间。(1)Ti(1)Ti，ZrZr，NbNb，V V形成的碳化物形成的碳化物 除了除了ZrCZrC和和VCVC之间因原子尺寸相差大，不能之间因原子尺寸相差大，不能完全互溶外，其余碳化物之间均可完全互溶。完全互溶外，其余碳化物之间均可完全互溶。57(2)W(2)W和和MoMo形成的碳化物形成的碳化物 相同结构的碳化物之间可完全互溶。相同结构的碳化物之间可完全互溶。(3)Fe(3)Fe和和MnMn形成的碳化物形成的碳化物 FeFe3 3C C和和MnMn3 3C C之间可完全互溶。之间可完

21、全互溶。582.2.有限互溶有限互溶(1)Fe3C(1)Fe3C中：中：可溶解一定量的可溶解一定量的CrCr，MoMo，W W，V V等，形成合等，形成合金渗碳体。金渗碳体。超过溶解度后，将由合金渗碳体变为特殊超过溶解度后，将由合金渗碳体变为特殊碳化物。碳化物。(2)Cr(2)Cr的碳化物中：的碳化物中：可溶解一定量的可溶解一定量的FeFe，MnMn，MoMo，W W，V V等。等。59(3)W(3)W和和MoMo的碳化物中：的碳化物中：可溶解较多的可溶解较多的CrCr。(4)Ti(4)Ti，ZrZr，NbNb，V V形成的碳化物中：形成的碳化物中：可溶解较多的可溶解较多的W W和和MoMo，

22、可溶解较少量的，可溶解较少量的CrCr，MnMn。603.3.相互溶解对稳定性的影响相互溶解对稳定性的影响(1)(1)强的碳化物形成元素溶入较弱的碳化物中，强的碳化物形成元素溶入较弱的碳化物中，可提高其稳定性。可提高其稳定性。如如42CrMo42CrMo钢：生成的（钢：生成的（Fe,Cr,Mo)Fe,Cr,Mo)3 3C C，稳定性，稳定性比比FeFe3 3C C，淬火温度升高。，淬火温度升高。如奥氏体耐热钢如奥氏体耐热钢4Cr4Cr1414NiNi1414W W2 2MoMo：生成的：生成的（Cr,W,Mo,Fe,Ni)Cr,W,Mo,Fe,Ni)2323C C6 6稳定性比稳定性比CrCr

23、2323C C6 6高，高，可以作为强化相。可以作为强化相。61(2)(2)较弱的碳化物形成元素溶入较强的碳化物较弱的碳化物形成元素溶入较强的碳化物中，可降低其稳定性。中，可降低其稳定性。如如15MnV15MnV钢，形成的（钢，形成的（V V，MnMn）C C稳定性稳定性比比VCVC低，溶入奥氏体中的温度也随之降低，低，溶入奥氏体中的温度也随之降低，当当Mn=1.47%Mn=1.47%时，由时，由11001100降至降至900900。62四、碳化物形成元素在退火钢中的分布倾向四、碳化物形成元素在退火钢中的分布倾向63五、钢中的碳化物五、钢中的碳化物1.1.强碳化物形成元素即使在钢中含量很低强碳

24、化物形成元素即使在钢中含量很低（0.1%0.1%）时，也要优先形成）时，也要优先形成MCMC型碳化物。型碳化物。2.2.中强碳化物形成元素在钢中含量较高时，中强碳化物形成元素在钢中含量较高时，可形成特殊碳化物可形成特殊碳化物;含量较低时只能溶入含量较低时只能溶入FeFe3 3C C中，形成合金渗碳体。中，形成合金渗碳体。3.3.弱碳化物形成元素弱碳化物形成元素MnMn在钢中只形成合金渗在钢中只形成合金渗碳体。碳体。64 114 4 钢中的氮化物钢中的氮化物一、钢中氮的来源一、钢中氮的来源1.1.冶炼时来自大气中的氮。冶炼时来自大气中的氮。2.2.作为合金元素加入钢中的氮。作为合金元素加入钢中的

25、氮。3.3.表面渗氮。表面渗氮。65二、钢中氮化物的结构二、钢中氮化物的结构1.1.过渡族金属的氮化物过渡族金属的氮化物 r rC C/r/rM M0.59,0.59,均为间隙相。均为间隙相。(1)(1)面心立方点阵的氮化物面心立方点阵的氮化物 TiNTiN，NbNNbN，ZrNZrN，VNVN，Mo2NMo2N，W2NW2N，CrNCrN，MnNMnN，Fe4NFe4N，Mn2NMn2N。(2)(2)密排六方点阵的氮化物密排六方点阵的氮化物 WNWN，MoNMoN，Nb2NNb2N，Cr2NCr2N，Mn2NMn2N。662 2、铝的氮化物、铝的氮化物 AlNAlN：正常价非金属化合物，密排

26、六方点：正常价非金属化合物，密排六方点阵。阵。三、氮化物和碳化物相互溶解形成碳、氮化三、氮化物和碳化物相互溶解形成碳、氮化物物 如含如含TiTi钢中，可形成钢中，可形成Ti(CTi(C，N)N)。TiNTiN为金黄色，为金黄色，TiTi（C C，N N）的颜色随含碳量）的颜色随含碳量增加由桔红变为紫色。增加由桔红变为紫色。67四、氮化物的稳定性四、氮化物的稳定性 1.1.强氮化物形成元素：强氮化物形成元素：TiTi，ZrZr，NbNb，V V 几乎不溶于奥氏体。几乎不溶于奥氏体。2.2.中强氮化物形成元素：中强氮化物形成元素：W W，MoMo 稳定性较高。稳定性较高。3.3.弱氮化物形成元素：

27、弱氮化物形成元素：CrCr，MnMn，FeFe 高温时溶于奥氏体，低温时析出高温时溶于奥氏体，低温时析出 。4.AlN4.AlN：稳定性很高。：稳定性很高。68五、氮化物的作用五、氮化物的作用1.1.细化晶粒细化晶粒2.2.提高表面耐磨性和疲劳强度提高表面耐磨性和疲劳强度3.3.提高表面耐蚀性提高表面耐蚀性 69 115 5 钢中的硼化物钢中的硼化物一、钢中硼的来源一、钢中硼的来源1.1.作为合金元素加入作为合金元素加入 微硼钢微硼钢(0.001(0.0010.005%B)0.005%B)：提高淬透性。：提高淬透性。高硼钢高硼钢(0.1(0.14.5%B)4.5%B)：吸收中子，用于核反：吸收

28、中子，用于核反应堆。应堆。2.2.表面渗硼表面渗硼 70二、钢中硼化物的结构二、钢中硼化物的结构1.Fe1.Fe2 2B B(1)(1)具有复杂结构。具有复杂结构。(2)(2)硬度较高，硬度较高，HV1200HV120017001700。(3)(3)在高硼钢中存在，表面渗硼时也可获得。在高硼钢中存在，表面渗硼时也可获得。712.FeB2.FeB(1)(1)具有复杂结构。具有复杂结构。(2)(2)硬度高，硬度高，HV1800HV180020002000，脆性大。，脆性大。(3)(3)表面渗硼时在渗层表面得到。表面渗硼时在渗层表面得到。3.Fe3.Fe2323（C C，B B）6 6(1)(1)碳

29、硼化物，其结构和碳硼化物，其结构和CrCr2323C C6 6相同。相同。(2)(2)在微硼钢中出现，一般位于晶界，使钢脆在微硼钢中出现，一般位于晶界，使钢脆性增大，形成硼脆。性增大，形成硼脆。(3)(3)可溶入其他元素，形成复杂硼化物。可溶入其他元素，形成复杂硼化物。72 116 6 钢中的金属间化合物钢中的金属间化合物一、一、相相1.1.相为正方晶系，相为正方晶系，a=bca=bc。单位晶胞有。单位晶胞有3030个个原子。原子。2.2.二元系中二元系中相的形成条件相的形成条件 (1)(1)原子尺寸相差不大，原子尺寸相差不大，d12%d12%。(2)(2)平均族数在平均族数在5.75.77.

30、67.6范围内。范围内。733 3、第三种元素会影响第三种元素会影响相形成的浓度和温度相形成的浓度和温度范围范围如如FeCrFeCr相，在相，在820820以下稳定。以下稳定。加入加入NiNi把稳定温度提高到把稳定温度提高到850850。加入加入SiSi把稳定温度提高到把稳定温度提高到900900950950。加入加入MnMn，MoMo把稳定温度提高到把稳定温度提高到10001000。74 4 4、在高、在高CrCr，高，高CrCr、NiNi的不锈钢，耐热钢中的不锈钢，耐热钢中出现出现相。因为相。因为相硬度很高，使钢的塑性、相硬度很高，使钢的塑性、韧性显著下降，脆性增加韧性显著下降，脆性增加

31、。当。当相沿晶界形相沿晶界形成网状时，更为严重。成网状时，更为严重。75二、二、ABAB2 2相（拉维斯相）相（拉维斯相）1.1.合金钢中出现的合金钢中出现的ABAB2 2相主要是复杂六方点阵相主要是复杂六方点阵的的MgZnMgZn2 2型。型。如如MoFeMoFe2 2，WFeWFe2 2，NbFeNbFe2 2，TiFeTiFe2 2。2.2.多元合金钢中出现复合的多元合金钢中出现复合的ABAB2 2相，尺寸较小相，尺寸较小的的CrCr，MnMn，NiNi可置换可置换FeFe，尺寸较大的，尺寸较大的W W，MoMo，NbNb处于处于A A的位置。的位置。3.3.耐热钢和马氏体沉淀硬化不锈钢

32、的强化相。耐热钢和马氏体沉淀硬化不锈钢的强化相。76三、三、ABAB3 3相（有序相）相（有序相）1.1.钢和合金中使用着相当数量的有序相钢和合金中使用着相当数量的有序相 一部分有序相接近无序固溶体。一部分有序相接近无序固溶体。另一部分有序相的有序状态可保持到熔点。另一部分有序相的有序状态可保持到熔点。2.Ni2.Ni3 3AlAl是耐热钢和耐热合金中重要的强化相是耐热钢和耐热合金中重要的强化相 77 113 3 钢中碳化物形成规律钢中碳化物形成规律重点内容：重点内容：一、强碳化物形成元素（一、强碳化物形成元素（V V，TiTi，NbNb，ZrZr）1 1、即使在钢中含量很低（、即使在钢中含量

33、很低（0.1%HRC60)HRC60)碳化物分布均匀，不易崩刃。碳化物分布均匀，不易崩刃。脱脱C C倾向大。倾向大。122(3)CrWMn(3)CrWMn：在：在CrCr钢的基础上加入钢的基础上加入MnMn、W W。淬透性，耐磨性较好。淬透性，耐磨性较好。变形较小（变形较小（MnMn降低降低MsMs，A AR R增多，抵消马氏体增多，抵消马氏体的体积膨胀）。的体积膨胀）。(4)CrW5(4)CrW5：在：在CrCr钢基础上加入钢基础上加入5%W5%W，生成，生成M M6 6C C碳碳化物，淬火加热时未溶化物，淬火加热时未溶K K多。多。淬透性差；淬透性差；高硬度，高耐磨性。高硬度，高耐磨性。1

34、23三、碳素和低合金工具钢的热处理工艺特点三、碳素和低合金工具钢的热处理工艺特点1.1.热加工热加工 特点：导热慢，碳化物不均匀，组织脆性大。特点：导热慢，碳化物不均匀，组织脆性大。(1)(1)入炉温度不宜太高（入炉温度不宜太高（A1A1以下），加热速以下），加热速度不宜太快。度不宜太快。(2)(2)变形量足够大，终轧温度较低，冷速较变形量足够大，终轧温度较低，冷速较快，控制碳化物形态。快，控制碳化物形态。(3)(3)轧后缓冷，避免开裂。轧后缓冷，避免开裂。1242.2.球化退火球化退火有一般退火和等温退火两种。有一般退火和等温退火两种。特点：特点：T7T7，T8T8，T9T9：因：因C C含

35、量在共析点附近，难得到含量在共析点附近，难得到满意的球化组织，需控制加热温度在满意的球化组织，需控制加热温度在740740750750，保温时间尽可能短。，保温时间尽可能短。低合金工具钢：因组织中合金碳化物稳定性较低合金工具钢：因组织中合金碳化物稳定性较高，易获得均匀的球化组织。高，易获得均匀的球化组织。1253.3.淬火及回火淬火及回火采用不完全淬火加低温回火。采用不完全淬火加低温回火。金相组织为：回火马氏体基体上均匀分布细颗金相组织为：回火马氏体基体上均匀分布细颗粒碳化物。粒碳化物。淬火：淬火：碳素工具钢采用水淬油冷的双液淬火法碳素工具钢采用水淬油冷的双液淬火法 低合金工具钢采用油冷或熔盐

36、分级淬火低合金工具钢采用油冷或熔盐分级淬火回火：回火：低温回火，一般小于低温回火，一般小于200200。126 442 2 高速工具钢高速工具钢19101910年开始应用年开始应用W18Cr4VW18Cr4V。19321932年到年到19371937年，应用钼系，年，应用钼系，W2Mo9Cr4VW2Mo9Cr4V和钨和钨钼系，钼系，W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2。19391939年出现高碳高钒，超硬高速钢。年出现高碳高钒，超硬高速钢。127一、高速钢的合金化及常用钢号一、高速钢的合金化及常用钢号1 1、高速钢的性能要求、高速钢的性能要求(1)(1)高的热（红）硬性。高的热（红）硬性。

37、在在600600时，时，HRC55HRC55，保证高速切削。，保证高速切削。高的热硬性是高速钢最重要的特点。高的热硬性是高速钢最重要的特点。(2)(2)高的耐磨性。高的耐磨性。保证使用寿命长。保证使用寿命长。1282 2、高速钢的显微组织、高速钢的显微组织 高碳高合金回火马氏体基体上分高碳高合金回火马氏体基体上分布着弥散的特殊碳化物沉淀相，及多布着弥散的特殊碳化物沉淀相，及多量的未溶特殊碳化物。量的未溶特殊碳化物。1293 3、高速钢的合金化、高速钢的合金化(1)(1)碳碳 作用：形成足够数量的碳化物。作用：形成足够数量的碳化物。保证马氏体中固溶碳量。保证马氏体中固溶碳量。数量：（定比碳公式）

38、数量：（定比碳公式）C C0.033W0.033W0.063Mo0.063Mo0.2V0.2V0.06Cr0.06Cr 符合此公式时，红硬性作用强。符合此公式时，红硬性作用强。130影响：影响：C%C%过高产生下列缺陷过高产生下列缺陷ARAR增多。增多。红硬性下降。红硬性下降。（含碳量升高使钢熔点降低，导致淬火温（含碳量升高使钢熔点降低，导致淬火温度降低，奥氏体中度降低，奥氏体中Me%Me%降低）降低）韧性降低。韧性降低。131(2)W(2)W、MoMoW W：造成红硬性的主要元素。：造成红硬性的主要元素。退火时主要以退火时主要以M M6 6C C型碳化物存在。型碳化物存在。淬火加热时：淬火加

39、热时：一部分一部分M M6 6C C型碳化物溶入奥氏体型碳化物溶入奥氏体 一部分一部分M M6 6C C型碳化物未溶入奥氏体型碳化物未溶入奥氏体 132溶入奥氏体的溶入奥氏体的 W W、MoMo：强烈阻碍回火时马氏体中碳原子析出，强烈阻碍回火时马氏体中碳原子析出，提高回火稳定性，在提高回火稳定性，在600600回火时，仍为回火时，仍为过饱和固溶体，具有高的红硬性。过饱和固溶体，具有高的红硬性。回火时在马氏体中弥散析出回火时在马氏体中弥散析出M M2 2C C，造，造成二次硬化，具有高的红硬性和耐磨性成二次硬化，具有高的红硬性和耐磨性133 未溶入奥氏体的未溶入奥氏体的 M6CM6C型碳化物：型

40、碳化物：强烈阻止奥氏体晶粒长大。保证淬火强烈阻止奥氏体晶粒长大。保证淬火加热采用加热采用1220122013101310的高温，使足的高温，使足够数量的碳化物溶入奥氏体，保证高够数量的碳化物溶入奥氏体，保证高的红硬性。的红硬性。提高耐磨性。提高耐磨性。134MoMo：代替：代替W W，1%Mo1%Mo代替代替2%W2%W。优点：合金总量减少；优点：合金总量减少；碳化物不均匀性减少；碳化物不均匀性减少；弯曲强度及韧性好；弯曲强度及韧性好；淬火加热温度低。淬火加热温度低。缺点：红硬性稍差。缺点：红硬性稍差。脱碳倾向严重。脱碳倾向严重。淬火加热温度窄，易过热淬火加热温度窄，易过热。135(3)V(3

41、)V 退火时以退火时以VCVC形式存在。形式存在。作用机理与作用机理与W W相同。相同。（当含量超过（当含量超过1 1时，耐磨性显著提高）时，耐磨性显著提高）136(4)Cr(4)Cr 所有高速钢都含有所有高速钢都含有4%Cr4%Cr。主要作用：提高淬透性。主要作用：提高淬透性。退火时主要形成退火时主要形成CrCr2323C C6 6，淬火加热时，淬火加热时全部溶入全部溶入中。中。少量少量CrCr溶入溶入M M6 6C C中，淬火加热时促进中，淬火加热时促进M M6 6C C溶解。溶解。137138(5)Co(5)Co 提高红硬性提高红硬性使莱氏体熔化温度升高，淬火温使莱氏体熔化温度升高，淬火

42、温度也升高，使度也升高，使A A中中Me%Me%升高，红硬升高，红硬性升高。性升高。降低降低W W在在-Fe-Fe中扩散系数，使中扩散系数，使W W2 2C C不易析出和长大。不易析出和长大。1394 4、常用钢号、常用钢号(1)(1)W W系高速钢；系高速钢；W18Cr4VW18Cr4V（18184 41 1）型。）型。19101910年开始应用。年开始应用。(2)W-Mo(2)W-Mo系高速钢；系高速钢；W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2（6 65 54 42 2）型。）型。140(3)Co(3)Co系高速钢；系高速钢；在前二者基础上增加在前二者基础上增加5-15%Co5-15%Co

43、。如：如：W18Cr4VCo5W18Cr4VCo5，W6Mo5Cr4V2Co8W6Mo5Cr4V2Co8。优点：优点：HRC68HRC687070，红硬性高，切削性好。，红硬性高，切削性好。缺点：脆性大，容易脱碳。缺点：脆性大，容易脱碳。(4)(4)超硬高速钢超硬高速钢 高高V V：W6Mo4Cr4V5SiW6Mo4Cr4V5Si。加加AlAl：W10Mo4Cr4V3AlW10Mo4Cr4V3Al。141以以W18Cr4VW18Cr4V为例：为例：开始结晶时析出开始结晶时析出。14001400发生包晶反应，发生包晶反应，L+L+。13451345发生包共晶反应，发生包共晶反应，L+L+M6CM

44、6C1330133013001300发生共晶反应，发生共晶反应，LL（M6CM6C）。）。142 M6CM6C为鱼骨状，基体为为鱼骨状，基体为。继续冷却时继续冷却时中析出中析出MCMC和和M23C6M23C6。800800发生三元共析转变，发生三元共析转变，（M6CM6CFe3CFe3C）。）。143二、高速钢的铸态组织二、高速钢的铸态组织1.1.高速钢的平衡结晶过程高速钢的平衡结晶过程 平衡组织为：平衡组织为：Ld+K+PLd+K+P。2.2.高速钢的实际铸态组织高速钢的实际铸态组织 实际铸态组织：大量鱼骨状实际铸态组织：大量鱼骨状LdLd和黑色屈氏体及白亮马氏体和残余奥和黑色屈氏体及白亮马

45、氏体和残余奥氏体。氏体。144(1)(1)黑色组织黑色组织 由于包晶和包共晶转变需要固相由于包晶和包共晶转变需要固相扩散，使扩散，使达到所需达到所需C C和和MeMe，才能转，才能转变为变为，所以不能充分进行。部分，所以不能充分进行。部分被保留，随后发生共析转变，被保留，随后发生共析转变，K K，称为，称为共析。因为在金共析。因为在金相组织中呈黑色，又称黑色组织。相组织中呈黑色，又称黑色组织。145(2)(2)白亮组织白亮组织 的共析反应被抑制，过冷到较低温的共析反应被抑制，过冷到较低温度转变为度转变为M MARAR，在金相组织中呈白色，在金相组织中呈白色，称白色组织。称白色组织。(3)(3)

46、共晶组织增多共晶组织增多 由于包晶和包共晶转变不彻底，由于包晶和包共晶转变不彻底，没有完全消失，没有完全消失，L L相对增加，使相对增加，使LdLd增多。增多。146三、高速钢的热处理三、高速钢的热处理1.1.退火：采用球化退火。退火：采用球化退火。2.2.淬火淬火 (1)(1)两次预热；两次预热；(560(560，840)840)(2)(2)淬火温度；淬火温度；W18Cr4VW18Cr4V：1270127013101310。W6Mo5Cr4V2W6Mo5Cr4V2：1210121012401240。147要求：要求：奥氏体中溶有足够的奥氏体中溶有足够的C C和和MeMe。保留相当多的未溶碳化

47、物阻止奥保留相当多的未溶碳化物阻止奥氏体晶粒长大。氏体晶粒长大。(3)(3)冷却冷却 特点：特点：淬透性好，空冷可得马氏体。淬透性好，空冷可得马氏体。在在650-350650-350有过冷奥氏体稳定区。有过冷奥氏体稳定区。148方式：方式：油冷至油冷至300300出油；出油；分级淬火：分级淬火：560560（2 2倍淬火加热时间）等温，倍淬火加热时间）等温，等温淬火：等温淬火：240-280240-280，2-4h2-4h。1493.3.回火回火 淬火后组织：淬火淬火后组织：淬火M MA AR R（20%20%以上）以上）回火工艺：回火工艺：560560三次回火。三次回火。每次回火后需冷至室温

48、。每次回火后需冷至室温。150(1)560(1)560回火后硬度反而升高，有二次回火后硬度反而升高，有二次硬化现象。硬化现象。弥散硬化作用弥散硬化作用 560560回火析出弥散的回火析出弥散的M2CM2C和和VCVC。二次淬火二次淬火 A AR R在回火后的冷却过程中转变为马在回火后的冷却过程中转变为马氏体，故每次回火后必须冷至室温。氏体，故每次回火后必须冷至室温。151(2)(2)二次淬火所得到的淬火马氏体还需二次淬火所得到的淬火马氏体还需要回火，因为要回火，因为A AR R需要两次回火才能完需要两次回火才能完全转变，所以需要三次回火。全转变，所以需要三次回火。152 3 3 冷作模具钢冷作

49、模具钢一、冷作模具钢的概况一、冷作模具钢的概况1.1.用途用途 制造使金属在常温状态下变形的模具。制造使金属在常温状态下变形的模具。2.2.性能要求性能要求 (1)(1)高硬度、高强度、高耐磨性。高硬度、高强度、高耐磨性。(2)(2)一定的韧性。一定的韧性。(3)(3)淬透性高。淬透性高。(4)(4)淬火变形小。淬火变形小。153 3.3.常用钢种常用钢种(1)(1)碳素及低合金工具钢。碳素及低合金工具钢。(2)(2)高铬及中铬冷作模具钢。高铬及中铬冷作模具钢。(3)(3)基体钢及低碳高速钢。基体钢及低碳高速钢。(4)(4)新型冷作模具钢。新型冷作模具钢。154二、高铬及中铬冷作模具钢二、高铬

50、及中铬冷作模具钢1.1.高铬冷作模具钢高铬冷作模具钢(1)(1)主要钢号主要钢号 Cr12Cr12：2-2.3%C2-2.3%C，12%Cr12%Cr。Cr12MoVCr12MoV：1.45-1.7%C1.45-1.7%C，12%Cr12%Cr，0.5%Mo0.5%Mo，0.2%V0.2%V。155(2)(2)主要特点主要特点 铸态组织为高碳亚共晶组织。铸态组织为高碳亚共晶组织。淬火加热时有大量淬火加热时有大量Cr7C3Cr7C3未溶碳化物未溶碳化物,耐磨性好。耐磨性好。淬透性好，空冷可淬硬。淬透性好，空冷可淬硬。650-350650-350有过冷奥氏体稳定区有过冷奥氏体稳定区 156(3)(