07 第七章 钢铁材料.pptx

第1页：机械工程材料第七章封面

机械工程材料：第七章“钢铁材料”课件，讲解钢与铸铁的分类、牌号与工程应用。

第2页：课程主要内容与章节目录

主要内容：本课程按下列章节展开。

• 绪论
• 第一章 材料的内部结构
• 第二章 结晶与显微组织
• 第三章 工程材料的力学性能
• 第四章 工程材料的物理、化学性能
• 第五章 工程材料的强化理论
• 第六章 钢的热处理与马氏体相变强化
• 第七章 钢铁材料
• 第八章 有色金属及其合金

第3页：钢铁材料的定义与学习目的

钢铁材料

通常包括钢和铸铁，包含所有实用的 Fe-C 基合金；钢为含碳量小于2.11%者，铸铁为含碳量大于2.11%者。

实用性：成分可调、易于冶炼（可制造性）；综合性能好、机械性能尤为突出（可使用性）；资源丰富（存在性）。

学习目的：通过对钢铁材料的学习举一反三，为在工程中正确选择和使用材料打下理论基础。

第4页：第七章内容导览

第七章 钢铁材料内容导览：

1. 概述：钢材分类、钢材牌号
2. 普通结构钢：普通碳素钢、普通低合金高强度钢
3. 优质结构钢：渗碳钢、调质钢、弹簧钢
4. 工具钢：刃具钢、模具钢、量具钢
5. 特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、其他特殊钢
6. 铸铁：概述、铸铁的石墨化、常用普通铸铁、轴承钢

第5页：钢铁材料的分类：成分与组织

7.1.1 钢铁材料的分类：

• 按成分（碳钢／合金钢）：低碳（C<0.25%）、中碳（0.25%<C<0.6%）、高碳（C>0.6%）；低合金（含量<5%）、中合金（5%~10%）、高合金（含量>10%）
• 按供应状态显微组织：亚共析钢（C<0.77%）、共析钢（C=0.77%）、过共析钢（C>0.77%）；退火态与正火态可见珠光体、贝氏体、马氏体、奥氏体及过渡混合组织

第6页：钢铁材料的分类：质量与用途

按冶金质量：普通质量钢（P≤0.045%，S≤0.05%）、优质钢（P≤0.035%，S≤0.035%）、高级优质钢（P≤0.025%，S≤0.025%）。

按用途：

• 工程结构钢：建筑、桥梁、船舶、车辆、压力容器
• 机器零件用钢：渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢
• 工具钢：刃具钢、模具钢、量具钢
• 特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐寒钢

问题：按用途分类的各类钢，在成分上、冶金质量上和供应态显微组织的特点？

第7页：钢的编号原则

7.1.2 钢的编号：我国采用国际化学符号、数字及汉语拼音并用的原则。

• 国际化学符号：表示合金元素组成，如 Ni、Co、Cr、W、Mn、Si 等
• 数字：一般表示某组成元素的含量（用整数），表示方法随材料不同
• 汉语拼音：说明产品名称、用途、冶炼和浇铸方法等

表7-1列出部分钢号中汉语拼音字符的意义，举例：16Mn、16Mnq、GCr15、T10、T10A 等。

第8页：表7-1 钢号中汉语拼音字符意义

表7-1 部分钢号中汉语拼音字符的意义：源文件本页为表格图片，未提取到具体字符与含义文字。建议对照原课件表格补充拼音字母（如 q、g、b、F 等）与对应含义。

第9页：普通结构钢的编号方法

普通结构钢编号：

• 普通碳素结构钢（普碳钢）：钢号由代表屈服点的拼音字母 Q、屈服强度数值（MPa）、质量等级符号（A、B、C、D）及冶炼脱氧方法（F、b、Z、TZ）四部分按顺序组成。例：Q235-A.F 表示屈服强度235 MPa、质量等级A、沸腾钢
• 普通低合金结构钢（普低钢）：由“数字a +（元素符号+数字b）+…”组成；数字a为两位整数，表示含碳量的万分数；数字b、c为一位或两位整数，表示合金元素的百分数

第10页：优质钢与合金钢的编号方法

各类钢牌号表示方法：

• 优质碳素结构钢：平均碳含量两位数（万分数），如 45 钢
• 碳素工具钢：“T” + 平均碳含量千分数，如 T8、T10、T8A
• 合金结构钢：与普低钢类似，如 60Si2Mn
• 合金工具钢：平均碳含量千分数 + 合金元素 + 含量%；C>1% 时不标注含碳量，如 CrMn（C 1.3~1.5%）；高速钢不标注含碳量，如 W18Cr4V（C 0.7~0.8%）
• 滚动轴承钢：一般含碳量 0.95~1.15%，不标注，钢号前加注“G”，如 GCr15
• 不锈钢及耐热钢：平均碳含量取千分数，如 9Cr18；含碳量小于0.03%及0.08%时，钢号前分别加“00”及“0”，如 00Cr18Ni10

第11页：Titanic号沉船与构件钢失效

构件钢损伤破坏例：Titanic 号沉船与船用钢：

• 按常规拉伸试验，强度—塑性指标满足船用结构要求
• 但杂质含量较高，韧—脆转变温度高，不适于低温服役
• Titanic 撞击冰山时水温约为 −2℃；ASTM A36（Q235）钢样品的 Charpy 冲击能随温度变化试验显示其低温韧性不足

第12页：桥梁与构件钢应用实例

桥梁与构件钢：

• 美国旧金山金门大桥
• 武汉长江大桥：Q235q
• 南京长江大桥：16Mnq，屈服强度 350 MPa
• 九江长江大桥：首次采用高强度 15MnVNq 钢材，屈服强度 420 MPa

第13页：构件用钢的使用特点与性能要求

7.2.1 构件用钢的使用特点：用于制作工程结构，冶炼简便、成本低、用量大；供应态使用，使用时一般没有相对运动；长期承受静载；在一定温度与环境条件下服役。

性能要求—使用性能：

• 力学性能：刚度、塑变抗力、断裂抗力、塑性、缺口敏感性、冷脆倾向
• 化学稳定性：耐大气、海水、河水、工业环境腐蚀的能力

第14页：构件用钢的工艺性能与选材原则

构件用钢性能要求—工艺性能：

• 冷变形性能：变形抗力大小、承受塑性变形时产生开裂等缺陷的倾向、冷变形前后的性能变化
• 焊接性能：焊接接头性能、焊接时形成裂缝的倾向

选材原则：首先满足工艺性能要求并充分考虑力学性能；成分以低碳钢（C<0.2%）为主，组织为大量 F + 少量 P；构件材料以供应态（热轧空冷正火态）直接使用，特殊情况下使用淬火回火态。

第15页：普通碳素结构钢的生产与类别

7.2.2 普通碳素结构钢（普碳钢）：

• 占钢总产量的 70~80%，制成各种型材，主要用作工程结构（建筑、车辆等），少量用作普通零件
• 国标 GB700-88 分五类：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275
• Q195 碳含量低、塑性好，常用于制铁钉、丝、各种薄板和冲压件
• Q215、Q235、Q255 也可制普通零件，如铆钉、螺钉和不重要的渗碳件
• Q275 属中碳钢，可代替 30 或 40 钢做普通零件
• 特殊用途：按特殊构件要求调整成分与工艺，如 Q235q、20g、C20

第16页：普通碳素结构钢牌号与性能

普通碳素结构钢（普碳钢）牌号与性能：源文件本页主体为表格图片，未提取到具体牌号数据。建议对照原课件表格补充各牌号的化学成分与力学性能。

第17页：普通碳素结构钢的应用举例

普通碳素结构钢（普碳钢）应用：源文件本页未提取到文字内容，仅有图片，应为普碳钢型材或工程结构的应用实例配图。建议对照原课件图片补充说明。

第18页：普通低合金结构钢的出现与特点

7.2.3 普通低合金结构钢（普低钢）：为适应大型工程结构（大型桥梁、压力容器及船舶等）减轻重量、提高可靠性并节约材料而发展起来。

• 成分属低碳低合金钢但强度高，又称高强度低合金钢（HSLA）
• 低碳：满足构件用钢工艺性能要求；低合金：加入以 Mn 为主的合金元素，以及 V、Ti、Nb、N 等
• 通用钢材按屈服强度分为 300、350、400、450、500、650 MPa 六个级别

问题：加入合金元素提高钢材性能的原因？

第19页：Q235、16Mn与16MnNb的比较

思考题：比较 Q235、16Mn 及 16MnNb 成分、结构和性能差异，说明其原因。

可从含碳量与合金元素含量、铁素体珠光体组织比例、晶粒细化与析出强化作用等角度分析。建议对照原课件给出的对比数据作答。

第20页：优质结构钢概述

7.3 优质结构钢：包括优质碳素结构钢和优质合金结构钢，用于重要机器零件、工具和其它特殊用途，本节主要介绍机器零件用钢，即渗碳、调质、弹簧和轴承用钢。

工作条件：承受复杂的动静载荷和特殊环境，首先满足使用性能（强度、塑性和韧性的有机结合），并提高加工和热处理工艺性。

第21页：渗碳钢的概念与工艺

渗碳概念

钢件在渗碳介质中加热和保温，碳原子渗入表面，获得一定的表面碳含量及碳浓度梯度的工艺。

目的

获得高的表面硬度、耐磨性及高的接触疲劳和弯曲疲劳强度。

• 渗碳材料：低（中）碳钢或低（中）碳合金钢，具有一定整体强度和良好塑性韧性
• 渗碳过程分类：按渗剂状态分固体、液体和气体；另有可控气氛渗碳和真空渗碳
• 渗碳温度：900~930℃
• 其余要点：渗碳后热处理、渗碳组织、渗碳缺陷

第22页：渗碳后的热处理工艺

渗碳后的热处理—淬火：

• 直接淬火：适用于气体和液体渗碳，操作简单效率高，变形和表面脱碳倾向小，但奥氏体晶粒较大，适宜本质细晶粒钢
• 一次加热淬火：渗碳缓冷后再次加热淬火；淬火温度高于 Ac₃ 时心部组织细化但表面残余奥氏体多，Ac₁~Ac₃ 时心部有未溶粗大铁素体而表面性能好
• 两次加热淬火：第一次淬火温度高于 Ac₃ 以细化心部组织、消除表面网状碳化物；第二次淬火温度稍高于 Ac₁（780~820℃）使表面组织细化、残余奥氏体适量、碳化物分布均匀

回火：渗碳件淬火后都要经过 180~200℃ 低温回火。

第23页：渗碳后的组织与缺陷

渗碳后的组织：渗碳后表面碳含量约为 0.8~1.2%。

主要渗碳缺陷：

• 黑色组织：内氧化引起
• 反常组织：先共析渗碳体周围出现铁素体，钢中含氧过高引起
• 渗层深度不均匀：原始组织不均匀、钢表面污染或氧化
• 表面贫碳脱碳：炉内碳势过低、渗后热处理氧化

第24页：工程用渗碳钢的工作条件与性能要求

常用渗碳钢零件：齿轮、凸轮、活塞销。

工作条件：零件有较高的强度和可靠性；表面受到较大的摩擦；会受到较大的冲击作用。

性能要求：

• 一定的强度和塑性，以抵抗拉伸、弯曲和扭转等变形破坏
• 表面较高的硬度和耐磨性，以抵抗磨损和表面接触疲劳
• 较高的韧性，以承受强烈的冲击作用
• 较好的抗疲劳破坏能力，以抵抗循环载荷的作用

第25页：渗碳钢零件齿轮的失效形式

渗碳钢零件齿轮的主要失效形式：

• 齿根因过载、冲击或疲劳断裂
• 过载引起的齿形流变
• 接触疲劳麻点
• 过载、润滑不当或过热引起的表面粘着磨损
• 磨粒或麻点破坏

第26页：常用渗碳钢牌号

常用渗碳钢：源文件本页主体为表格图片，未提取到具体牌号数据。常用渗碳钢包括 20、20Cr、20CrMnTi 等低碳（合金）钢，建议对照原课件表格补充牌号、成分与用途。

第27页：渗碳钢的合金化

渗碳钢“外硬里韧”特点通过低碳钢表面渗碳满足，但低碳钢满足不了高性能零件要求，原因在于：形状尺寸变化带来高的淬透性要求；长寿命可靠性要求更高的表面耐磨性和整体机械性能。

合金化元素：Cr、Mn、Ni、Mo、B、Ti；演变路径 20 → 20Cr → 20CrMnTi。

第28页：渗碳钢零件的加工工艺路线

渗碳钢零件加工工艺路线：下料 → 锻造 → 正火 → 机械加工 → 渗碳 → 预冷淬火 → 低温回火 → 磨削精加工 → 装配。

问题：试说明渗碳钢各热处理工艺选择的目的，正火、淬火温度和回火温度？并说明原因。

第29页：渗碳钢零件的组织分布

渗碳钢零件组织：

• 预备热处理（正火）：F + S，硬度 HB170-210，改善组织利于机加工
• 最终热处理（淬火 + 低温回火）——表面：回火马氏体 + 碳化物颗粒 + 残余奥氏体
• 心部完全淬透：回火马氏体；不完全淬透：回火马氏体 + F，或 F + S

问题：试说明表面至心部的组织过渡情况？

第30页：调质钢的概念与工作条件

调质钢

经淬火加高温回火而使用的结构钢，组织为回火索氏体，综合机械性能好。

使用调质钢的零件：机床主轴、曲轴、连杆。

工作条件：承受较大弯矩、传递扭矩；受交变应力易产生疲劳；启动或刹车时受冲击；与轴承配合部位有磨损。

第31页：调质钢的性能要求与常用钢种

调质钢的性能要求：高的屈服强度和疲劳极限；良好的塑性韧性；局部优良耐磨性；较好淬透性。

常用调质钢：中碳（合金）钢，如 45、40Cr、38CrMoAl。调质处理对比：

• 低碳钢：韧性好但强度过低
• 中碳钢：强度与韧性最佳配合
• 高碳钢：强度高但韧性偏低

第32页：常用调质钢牌号

常用调质钢：源文件本页主体为表格图片，未提取到具体牌号数据。常用调质钢包括 45、40Cr、38CrMoAl 等，建议对照原课件表格补充牌号、热处理规范与力学性能。

第33页：调质钢的合金化

中碳钢调质处理可实现零件良好的综合机械性能，但满足不了高性能零件要求，原因在于：高的淬透性要求；更高的整体机械性能和局部表面耐磨性要求。

合金化元素：Cr、Mn、Ni、Si、B、W、Mo、Ti、V，主要作用是提高淬透性、细化晶粒、提高回火稳定性、抑制回火脆。

比较：45 → 40Cr → 38CrMoAl。

第34页：调质钢的热处理与加工工艺

调质钢热处理与加工工艺（以车床主轴为例）：下料 → 锻造 → 预备热处理（正火或完全退火）→ 机械加工 → 调质 → 铣键槽 → 局部感应淬火 → 磨削精加工 → 装配。

• 性能要求：承受交变弯曲和扭转应力，有冲击作用，键槽部分有磕碰或滑动，轴承部分摩擦需提高局部耐磨性
• 预备热处理改善性能至约 HB220，获得细小 S 组织

思考题：试确定 45 钢的正火温度，指出正火后组织。

第35页：感应加热表面淬火原理

感应淬火是一种表面强化处理工艺：利用感应电流加热工件并快速冷却，在表面获得马氏体。原理链条：交变磁场 → 感应电流 → 趋肤效应 → 表面加热 → 快速冷却 → 表面获得马氏体。

第36页：表面高频淬火组织

表面高频淬火组织（×1000）：表面回火组织与心部组织对比。源文件未提取到具体组织说明文字，建议对照原课件金相照片补充表层与心部的组织名称。

第37页：弹簧钢的使用条件与失效形式

弹簧钢

用于制造弹簧或类似弹簧性能零件的钢种，常用零件有汽车蝶板弹簧、仪表弹簧、汽阀弹簧。

主要作用和使用条件：间断吸收能量、缓和机械振动和冲击、周期性储存能量。

主要失效形式：疲劳断裂；塑性变形失去弹性。

第38页：弹簧钢的性能要求

弹簧钢的性能要求：

1. 高的屈服强度、疲劳强度和高的屈强比
2. 一定的塑性和韧性
3. 好的淬透性，以保持零件组织均匀性
4. 在高温和腐蚀介质下工作时，有好的环境稳定性

第39页：常用弹簧钢及其合金化

弹簧钢分类：碳素弹簧钢和合金弹簧钢，零件性能以强度要求为主。

成分特点：含碳量较高（0.5~0.9%），以 Si、Mn 为主要合金化元素，以 Cr、W、V 为辅合金化元素。

讨论：1. 说明含碳量较高的原因？2. 合金元素 Si、Mn 在弹簧钢中的作用？3. Cr、W、V 的作用又是什么？

第40页：常用弹簧钢牌号

常用弹簧钢：源文件本页主体为表格图片，未提取到具体牌号数据。常用弹簧钢包括 65Mn、60Si2Mn 等，建议对照原课件表格补充牌号、成分与用途。

第41页：冷成形弹簧钢的热处理工艺

冷成形弹簧（强化后成形，丝径小于 8~10 mm 的弹簧或钢丝）：表面质量好，多次冷拔的钢丝强度可达 1600 MPa。

工艺路线：奥氏体化 → 等温铅淬（450~550℃）获得细小珠光体 → 冷拔成形 → 去应力退火（250~300℃）→ 最终成形；或直接冷拔，中间 680℃ 退火以均匀组织。

第42页：热成形弹簧钢的热处理工艺

热成形弹簧（成形后强化，大中型弹簧）：热成形时材料表面会有氧化、脱碳，表面质量不好，故增加喷丸处理。

工艺路线：奥氏体化 → 热卷成形 → 余热淬火 → 中温回火（350~450℃）→ 表面喷丸处理 → 成品出厂。汽车板簧用 60Si2Mn 钢热成型，经喷丸处理后使用寿命提高 3~5 倍。

思考题：试说明弹簧钢中温回火组织及其性能。

第43页：滚动轴承的组成

滚动轴承钢

主要用于制造滚动轴承零件的钢种。

滚动轴承组成：内套、外套、滚动体及保持架；保持架由低碳钢冲制成形。

第44页：轴承的工作条件与失效形式

轴承工作条件：高速运转、受载面积小、滚动及滑动摩擦、机器震动冲击、长期工作在稳定交变载荷下。

失效形式：接触疲劳、表面磨损擦伤、冲击变形损伤、尺寸不稳定导致配合不好、环境和润滑油腐蚀。

第45页：失效轴承的形貌特征

失效轴承的形貌特征：源文件本页未提取到文字内容，仅有图片，应为失效轴承的宏观或微观形貌照片。建议对照原课件图片补充失效特征说明。

第46页：轴承钢的使用性能要求

轴承钢使用性能要求：

1. 高而均匀的表面硬度（HRC61-65），提高耐磨性
2. 高的弹性极限和接触疲劳强度
3. 良好的组织均匀性和尺寸稳定性
4. 一定的耐蚀性和足够的韧性
5. 好的淬透性

思考题：为什么轴承钢还要有好的淬透性？这与其失效特征有什么关系？

第47页：轴承钢的成分及合金化

轴承钢成分及合金化：

• 高含碳量：一般为 0.95~1.15%，保证马氏体中有足够含碳量，并使钢中有足够的弥散碳化物，从而获得高强度高耐磨性
• 加入 Cr、Mn、Si 合金化元素：提高淬透性、强化铁素体、稳定碳化物、细化组织、提高回火稳定性和尺寸稳定性
• 高的接触疲劳极限对微小缺陷敏感，故要求高的冶金质量，S、P ≤ 0.02%

第48页：常用轴承钢

常用轴承钢：

• 通用轴承钢：GCr15
• 在轧钢、矿山机械中受冲击载荷较大的大型轴承可选用渗碳钢制造，如 20NiMo、20Cr2Ni4WA
• 高温轴承选用高合金钢制造，如 Cr4Mo4V、9Cr18Mo

第49页：轴承的加工工艺与热处理

以 GCr15 为例的轴承加工工艺路线：锻造 → 正火 → 球化退火 → 机加工成型 → 淬火 → 冷处理（−60~−80℃）→ 低温回火 → 磨削 → 去应力回火。

思考题：说明每一个热处理步骤的作用、生成的组织和相关性能。

第50页：工具钢的定义与成分要求

工具钢

用于制造各种加工和测量工具的钢，包括刃具、模具和量具。

通用性能：高硬度、高耐磨性；高温硬度和高温稳定性；较好的韧性和淬透性。

成分要求：较高含碳量；高回火稳定性（合金化）；杂质含量低（S、P ≤ 0.02%）。

一般加工工艺：下料 → 锻造 → 预备热处理 → 机械加工 → 最终热处理 → 精加工及表面处理 → 装配。

第51页：工具钢的分类与牌号

7.4 工具钢：源文件本页未提取到文字内容（仅保留节名与页码），应为工具钢分类或牌号表格图片。建议对照原课件图片补充分类与牌号。

第52页：刃具钢的工作条件与性能要求

刃具钢

制造用于切削加工零件（车、钳、铣、刨、钻、锯等刃具）的钢材。

工作条件：快速切削摩擦，摩擦生热温度可达 500℃；承受切削震动和冲击。

性能要求：高硬度、高耐磨性；高温稳定性即红硬性；较好的韧性和淬透性。

第53页：红硬性的概念与表征

红硬性

材料在受热条件下仍能保持足够高的硬度和切削能力的特性。

物理表征：以多次高温回火（600℃）后的室温硬度表示；以保持一定硬度（HRC60）而能使用的最高回火温度表示。

物理本质：抗高温回火的软化能力，即材料的回火抗力。

第54页：碳素刃具钢及其加工工艺

刃具钢分类：碳素刃具钢、低合金刃具钢、高速钢。

碳素刃具钢（T8、T10、T12、T8A）：适用于手工工具、小尺寸低速刃具与模具，加工低硬度材料。特点为耐磨、加工性好、价格便宜、满足一般工具工作条件，但红硬性低（约200℃）、淬透性差。

思考题：说明 T8 钢的预备热处理和最终热处理工艺。

第55页：低合金刃具钢

低合金刃具钢：合金元素（Cr、W、Mn 等）含量不超过 3~5%，适用于优质手工工具、较大尺寸普通刃具与模具，加工低硬度材料。

特点：高硬度、耐磨、加工性好；价格较便宜；工具性能较碳素钢好；红硬性提高至约 300℃；淬透性好。

思考题：以 CrWMn 钢为例，说明合金元素含量及其作用。

第56页：常用碳素刃具钢牌号

常用碳素刃具钢：源文件本页主体为表格图片，未提取到具体牌号数据。常用牌号包括 T7、T8、T10、T12 及其高级优质钢，建议对照原课件表格补充成分与用途。

第57页：常用低合金刃具钢牌号

常用低合金刃具钢：源文件本页主体为表格图片，未提取到具体牌号数据。常用牌号包括 9SiCr、CrWMn、Cr2 等，建议对照原课件表格补充成分与用途。

第58页：高速钢的性能与成分特点

高速钢

用于高速切削以及大尺寸复杂工具的钢种。

性能特点：高硬度、高耐磨性、高红硬性、高淬透性。

成分特点：高碳含量、高合金含量、高冶金质量。

常用高速钢：钨系、钼系、钨钼系。

第59页：高速钢合金元素的作用

高速钢成分与合金元素作用：高碳含量 0.7~1.65%，获得高碳马氏体并形成足量碳化物。

• W、Mo：形成碳化物，产生回火稳定性、红硬性与二次硬化效应
• Cr：溶入奥氏体提高淬透性，形成碳化物细化奥氏体
• V：提高耐磨性、红硬性
• 其它元素（Ti、Co、Al、B）：主要是提高材料硬度和红硬性

第60页：高速钢的组织及热处理

高速钢组织及热处理要点：

• 属莱氏体钢，需反复锻造以碎化粗大共晶组织
• 球化退火：消除应力、调整性能至约 HB230，组织为 S + 粒状碳化物
• 高温淬火 1250~1300℃：充分奥氏体化，提高淬透性、稳定马氏体，但要防止过热过烧
• 高温回火多次、多级回火：组织为隐晶马氏体 + 粒状碳化物 + 残余奥氏体

第61页：高速钢热处理工艺曲线

高速钢热处理工艺曲线：源文件本页未提取到具体文字（仅保留节名与页码），应为淬火回火工艺曲线图。建议对照原课件图示补充各阶段温度与组织。

第62页：二次淬火与二次硬化

二次淬火

淬火高速钢（高合金钢）含有大量残余奥氏体，在高温回火冷却过程中这些高合金残余奥氏体转变为马氏体的过程。

二次硬化

淬火高速钢在高温回火时，马氏体分解产生大量合金碳化物，弥散强化效果显著，同时高温回火时的二次淬火效应也强化钢材，以致在较高温回火时钢的强硬性再次升高的现象。

第63页：冷作模具钢

7.4.2 冷作模具钢：冷作模具指冷态下变形加工材料的模具，如冷冲、冷轧、冷镦、拉丝模。

• 工作条件：与刃具类似，但冷态加工磨损面大，冷冲冷镦模受冲击大，尺寸精度要求高
• 性能要求：与刃具钢类似，耐磨耐冲击性要求更高，尺寸稳定性要求更高，但红硬性要求较低
• 常规冷作模具：大部分刃具钢可用来制作某些冷作模具，如 T8A、T12A、Cr2、9CrSi，用于负荷不大、尺寸小和精度要求不高的模具；缺点是淬透性差、热处理变形大、耐磨不足、寿命短
• 专用冷模钢：Cr12 型钢为莱氏体钢，加工工艺与高速钢类似；高速钢也是一种优异的冷模钢

第64页：专用冷作模具钢

专用冷作模具钢：Cr12 型钢属莱氏体钢，其制作模具的加工工艺与高速钢类似；高速钢也是一种优异的冷模钢。建议对照原课件补充 Cr12 的具体热处理规范。

第65页：热作模具钢的工作条件与性能

热作模具：材料热加工或热成形的模具，如热锻模、热挤压模、压铸模、热轧模。

• 工作条件：与刃具类似，但模具整体反复受热和冷却，热态加工时摩擦冲击作用大，尺寸精度要求高
• 性能要求：良好的综合机械性能；表面耐磨性好，一定的红硬性；抗热疲劳性能好；淬透性高
• 热疲劳失效：热作模具服役时反复加热和冷却引起的热应力与表面氧化共同作用导致的材料失效过程；物理本质是材料保持常温和高温强韧性、抗氧化性、抗蠕变性能

第66页：热作模具钢的合金化原则

热作模具钢的合金化原则：

• 足够碳含量保证淬火回火后模具的硬度和韧性
• 合金元素提高回火稳定性、淬透性、耐磨性和热疲劳性能
• 强度性能要求较高时含碳量较高；韧性要求较高时含碳量较低；抗氧化性要求较高时 Cr、W、V 等元素含量较高
• 常规热作模具一般用中碳调质钢但含较多合金化元素，如 5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2W8V

第67页：常用热作模具钢牌号

常用热作模具钢：源文件本页主体为表格图片，未提取到具体牌号数据。常用牌号包括 5CrNiMo、5CrMnMo、3Cr2W8V 等，建议对照原课件表格补充成分与用途。

第68页：塑料模具钢的工作条件与性能要求

塑料模具：用于对塑料材料进行成形加工的模具，包括热固性和热塑性塑料成形模具。

工作条件：有摩擦磨损，尤其对热固性塑料加工；模具反复受热和冷却；形状复杂、尺寸精度要求高；塑料对模具的化学腐蚀作用。

性能要求：足够的强韧性；表面耐磨抗腐蚀，表面硬度应在 HRC45 以上；表面光洁度高、脱模性好，一般需进行表面改性处理；热处理变形小；钢材纯净、杂质少、偏析小。

第69页：常用塑料模具钢及加工工艺

常用塑料模具钢及加工工艺：

• 小尺寸成形模具钢：工业纯铁、低碳钢 10、15、20Cr；工艺为下料 → 锻造 → 正火 → 粗加工 → 渗碳 → 淬火 → 低温回火 → 镀铬 → 抛光 → 装配
• 中小尺寸形状不复杂模具钢：T7A、T10A、CrWMn、Cr12 等；工艺为下料 → 锻造 → 球化退火 → 粗加工 → 调质 → 精加工 → 镀铬 → 抛光 → 抛光 → 装配

第70页：大尺寸与耐腐蚀塑料模具钢

大尺寸复杂形状塑料模具钢：选用 4Cr5MoSiV。

• 复杂精密成形模具钢：18CrMnNi、12Cr2Ni4WA，加工工艺与渗碳钢类似
• 加工具有强腐蚀性的塑料：马氏体不锈钢模具 1Cr13、2Cr13，加工工艺见马氏体不锈钢部分
• 通用工艺：下料 → 锻造 → 完全退火 → 粗加工 → 调质 → 精加工 → 镀铬 → 抛光 → 装配

第71页：量具钢的基本特点

量具钢

用于制造度量工件尺寸的工具材料。

工作条件与性能要求：保证长期存放和使用中尺寸不变、形状不变（尺寸稳定性）；存放使用时不磨损、不腐蚀（环境稳定性）。

成分特点及对策：高碳含量、回火并得到稳定马氏体；采用低变形钢 CrMn、CrWMn；淬火前调质处理可减少淬火变形；淬火后冷处理降低残余奥氏体，长时间低温回火稳定组织；电镀铬防护处理提高装饰和耐磨耐蚀性。

第72页：量具钢常用材料及热处理

量具钢常用材料：GCr15 冶炼质量好、淬透性好、尺寸稳定性及耐磨性好，是优秀的量具材料，其加工工艺与轴承钢类似。

工艺路线：锻造 → 正火 → 球化退火 → 淬火 → 冷处理（−60~−80℃）→ 低温回火 → 机加工成型 → 磨削 → 去应力回火 → 镀铬表面防护 → 计量刻度标定/标识。

第73页：量具钢的组织与工艺图

量具钢常用材料及热处理：源文件本页未提取到具体文字（仅保留节名与页码），应为工艺曲线或组织照片。建议对照原课件图片补充各环节温度与组织。

第74页：不锈钢的使用条件与失效形式

特殊性能钢

具有特殊的物理化学性能并可在特殊环境下工作的钢，如不锈钢、耐热钢、耐磨钢和低温用钢等。

不锈钢使用条件：在腐蚀性介质中服役，腐蚀介质中保持状态稳定，腐蚀速度极慢。

主要失效形式和因素：电化学腐蚀、氧化腐蚀、应力腐蚀、原电池作用。

第75页：不锈钢的腐蚀环境示意

不锈钢使用条件及失效形式：源文件本页未提取到具体文字（仅保留节名与页码），应为腐蚀环境或失效形貌配图。建议对照原课件图片补充说明。

第76页：不锈钢合金化设计原则

不锈钢合金化（材料设计）原则：

1. 尽量获得单相均匀组织——降低碳含量，或加入合金元素使 Fe+9%Ni 得到单相奥氏体
2. 提高金属基体腐蚀电位——Fe+(x/8)Cr 使电位阶梯式升高、腐蚀率下降
3. 形成表面防护膜——加入 Cr、Si、Al 合金元素，易在表面形成致密钝化膜

第77页：不锈钢的成分特点与分类

不锈钢成分特点：低碳含量；含有 Cr、Ni 等合金元素；含有 Al、Si、Ti、Nb 等合金元素。

按供应态（正火）组织分类：马氏体型不锈钢（Cr13 型）、铁素体型不锈钢（Cr17、Cr25 型）、奥氏体型不锈钢（18-8 型）、双相不锈钢、沉淀硬化型不锈钢。

思考题：说明加入 Ti、Nb 的作用是什么？

第78页：马氏体不锈钢

马氏体型不锈钢成分特点：含碳 0.1~0.4%，含铬 12~18%，并有 Mo、V、Si、Cu 等其它元素。

性能特点：含碳量较高，力学性能好；热加工性能好；切削加工性好；耐蚀性随含碳量升高而降低。

思考题：说明各元素及其含量变化对材料性能影响？

第79页：常用马氏体不锈钢

常用马氏体不锈钢：1Cr13、2Cr13、3Cr13、9Cr18、1Cr17Ni2。

• 1Cr13、2Cr13：优良的抗大气、蒸汽介质腐蚀，属耐蚀结构钢，用于汽轮机叶片、热裂解设备配件、锅炉附件等；热处理为淬火 + 高温回火（回火索氏体），注意回火脆
• 3Cr13、4Cr13：耐蚀性下降但力学性能好，用于不锈钢工具如医疗器械、刃具、热油泵轴等；热处理为淬火 + 低温回火（回火马氏体），硬度约 HRC50

第80页：铁素体不锈钢

铁素体不锈钢成分特点：含碳小于 0.15%，含铬 17~30%，并有 Mo、V、Ti 等其它元素。

性能特点：耐蚀性较马氏体不锈钢好；单相铁素体，无相变强化；塑性、可焊性好；有金属间化合物引起的高温脆性。

常用牌号：1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28、1Cr25Ti 等，主要用于力学性能要求不高、耐蚀性要求高的环境，如化工生产结构件。

思考题：试说明如何提高铁素体型不锈钢的力学性能？

第81页：奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢（18-8钢）成分特点：含碳小于 0.1%，含铬 18%，含镍 8~11%，并有 Mo、Nb、Ti 等其它元素。

性能特点：耐蚀性优秀；单相奥氏体，但有强加工硬化；塑性、可焊性好；有应力腐蚀倾向，需注意加工应力。

常用牌号：1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni9、00Cr18Ni9 等，主要用于各类耐腐蚀环境下的结构件。

第82页：耐热钢的工作条件与性能要求

耐热钢使用条件：高温下使用，高温氧化环境使用，高温腐蚀环境使用。

主要失效形式：高温氧化、腐蚀，高温强度不足。

性能要求：高温抗氧化性；高温强度。

第83页：耐热钢的高温性能及对策

高温性能及对策：

1. 抗氧化性：并非不氧化，而是指能很快在表面形成致密氧化膜使材料不再继续氧化；提高钢抗氧化性的主要合金化元素为 Cr、Si、Al
2. 高温强度（热强性）：钢在高温下抵抗塑性变形和破断的能力，通常以蠕变极限和持久强度表示；强化方式为固溶强化、晶界强化（与常温细晶强化不同）、弥散强化

第84页：热强性与热稳定性及P-B比率

耐热性包括两方面：

热强性

材料在高温下抵抗变形和断裂的能力，通过蠕变试验测得的蠕变极限和持久强度来衡量。

热稳定性

材料在高温下的抗氧化性；金属在高温下可与氧反应，在表面生成氧化物薄膜，表面氧化反应：nM + mO₂ → M_nO_2m。

生成表面氧化物与参与反应基体材料的体积比决定氧化物的防护性，即 P-B 比率 = M_氧化物ρ_金属 / nM_金属ρ_氧化物。

第85页：常用耐热钢

常用耐热钢：

• 珠光体型耐热钢：16Mo、15CrMo、12CrMoV；使用温度 250~550℃；用于锅炉、压力容器、热交换器和气阀等耐热件
• 马氏体型耐热钢：1Cr13、2Cr13、4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo；使用温度 550~600℃；用于叶片、阀门
• 奥氏体型耐热钢：使用温度 >600~700℃；固溶强化型 18-8 不锈钢用于加热管、排气管；沉淀硬化型 4Cr13Ni8Mn8MoVNb（GH36）用于增压涡轮、叶片材料和高温紧固件；金属间化合物强化型 0Cr15Ni26MoTi2AlVB（GH132）

第86页：高锰耐磨钢

耐磨钢

专指在强烈冲击载荷或高压条件下发生表面硬化而具有高耐磨性的高锰钢。

• 材料：ZGMn13，含碳 0.8~1.4%，含 Mn 11~14%
• 铸态组织：奥氏体 + 碳化物 (Fe,Mn)₃C
• 热处理：水韧处理——固溶奥氏体化（约1100℃）后水淬；热处理组织为奥氏体，性能 HB190-220，韧性很高
• 应用：受强烈冲击或摩擦时奥氏体产生强烈加工硬化并诱发生成形变马氏体，表面硬度急剧升至 HB500~550
• 注意：一般机器零件工作条件下，耐磨钢的耐磨性不及渗碳钢和其它高硬度钢材；高锰钢水韧处理后不能回火，否则会脆化

第87页：铸铁的特征及其分类

铸铁

含碳量大于 2.11% 的 Fe-C 基合金。

主要特征：C 2.5~4%、Si 1~3%、Mn 0.5~1.4%、P 0.01~0.5%、S 0.02~0.2%；生产工艺简单、成本低廉；铸造性能与切削加工性能优良；耐磨减摩性好、缺口敏感性低；机械性能可调。

分类与应用：按碳的存在形式及石墨形态分为白口铁、灰口铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁；主要应用于机床构件、内燃机气缸和活塞、农用机械等。

第88页：铸铁的石墨化

7.6.2 铸铁的石墨化：实用铸铁中的碳大部分或全部以石墨的形式存在；碳全部以碳化物形式存在的白口铁没有实用价值，因此碳的石墨化十分重要。

本页以铁-碳双重相图说明 Fe₃C（介稳定系）与石墨（稳定系）两套相图的关系。建议对照原课件相图核校特征点温度与含碳量。

第89页：石墨化过程的两个阶段

石墨化过程的两个阶段：

• 第一阶段石墨化：共晶转变石墨、初生（一次）石墨；以及 Fe₃C_I、Fe₃C_E、Fe₃C_II 分解石墨
• 第二阶段石墨化：Fe₃C_S、Fe₃C_III 分解石墨

第90页：石墨化的影响因素

石墨化组织：完全石墨化组织 F + G；非完全石墨化组织 (F+P) + G 或 P + G。

影响因素：

• 化学成分：促进石墨化元素有常存元素 C、Si、P 和合金元素 Co、Cu、Ni、Al；阻碍石墨化元素有常存元素 S、Mn，以及所有碳化物形成元素和 Mg、Ce、B
• 冷却速率：冷却速率小、过冷度小，利于石墨化过程；冷却速率大、过冷度大，利于碳化物形成过程；冷却速率由铸模类型、浇铸温度、铸件壁厚和尺寸等决定

第91页：铸铁石墨化组织示意

铸铁的石墨化：源文件本页未提取到具体文字（仅保留节名与页码），应为石墨化过程或组织示意图。建议对照原课件图示补充各阶段组织。

第92页：灰口铸铁

灰口铸铁：

• 成分特点：2.5~4.0% C、1~3% Si、0.25~1% Mn、0.02~0.2% S、0.05~0.5% P
• 组织特征：片状石墨 + 钢基体，根据石墨化程度不同钢基体可为 F、F+P 或 P
• 性能特点：机械性能低，由片状石墨的片状特征决定（石墨 σ=20 MPa，HB=3~5，δ=0）；优异的耐磨性和消震性；工艺性能好
• 灰铁牌号：HT200

第93页：常用铸铁的组织与性能对比

常用铸铁：源文件本页主体为表格图片，未提取到具体数据，应为灰口、可锻、球墨、蠕墨铸铁的成分、石墨形态与性能对比表。建议对照原课件表格补充。

第94页：灰口铸铁的热处理

灰口铁的热处理：可以改变钢基体的组织结构，但不能改变石墨的形态和分布。

• 去应力退火：保证尺寸稳定和防止变形开裂
• 消除白口退火：加热至第一阶段石墨化温度（800~950℃）
• 表面淬火：增加表面的硬度和耐磨性

第95页：可锻铸铁

可锻铸铁：

• 成分特点：2.4~2.7% C、1.4~1.8% Si、0.5~0.7% Mn、<0.025% S、<0.008% P，另应加入 B、Al、Bi 等孕育剂促进石墨化
• 组织特征：团絮状石墨 + 钢基体，钢基体可为 F、F+P 或 P
• 性能特点：机械性能较灰铁大大提高，团絮状石墨应力敏感性小；优异的耐磨性和消震性；工艺性能好
• 牌号：KTH300-06、KTZ700-02
• 热处理：石墨化都是在固态下完成，采用三阶段石墨化退火

第96页：常用铸铁的牌号与组织

常用铸铁：源文件本页主体为表格图片，未提取到具体数据，应为可锻铸铁等的牌号、组织与性能表。建议对照原课件表格补充。

第97页：球墨铸铁

球墨铸铁：

• 成分特点：3.8~4.0% C、2.0~2.8% Si、0.6~0.8% Mn、<0.04% S、<0.01% P，常用 Mg、RE 及稀土镁作为孕育剂
• 组织特征：球状石墨 + 钢基体，钢基体可为 F、F+P 或 P
• 性能特点：机械性能较可锻铸铁又大大提高，球状石墨应力敏感性进一步减小，性能接近某些钢材；保持灰铁好的耐磨性，但消震性较灰铁降低较多；工艺性能好，还可进行热处理强化
• 牌号：QT420-10

第98页：球墨铸铁的热处理

球铁热处理：球铁的性能由相应钢基体性能决定。

• 石墨化退火工艺；去应力退火工艺
• 钢基体的热处理：正火、淬火回火、等温淬火及表面淬火

第99页：蠕墨铸铁

蠕墨铸铁：

• 成分特点：3.5~3.9% C、2.1~2.8% Si、0.4~0.8% Mn、<0.1% S、<0.1% P，常用稀土硅铁、稀土硅铁钙及稀土镁等作为蠕化剂
• 组织特征：蠕虫状石墨（长径比 2~10，与球墨共存）+ 钢基体，钢基体可为 F、F+P 或 P
• 性能特点：机械性能与球铁类似；保持灰铁好的耐磨性，消震性与灰铁类似；工艺性能好，可进行强化热处理
• 牌号：RT420-10；蠕铁热处理与球铁类似

第100页：第七章总结

第七章总结：

• 了解钢铁材料的分类，熟悉钢材牌号
• 熟悉常用钢铁材料的成分、组织结构与其工程使用性能间的关系
• 熟悉不同材料加工工艺（尤其热处理工艺）与相应组织及其使用性能间关系
• 了解各工程零构件和工具的使用条件和性能要求，并可通过相应的失效形式选择所需钢铁材料
• 掌握新的概念：红硬性、二次硬化、热疲劳、高速钢、热强性、尺寸稳定化、石墨化

第101页：组成-结构-性质-工艺关系示意图

组成—结构—性质—工艺过程之间关系示意图：以四方关系图说明材料的合成与制备过程、组成与结构、性质与使用性能之间的相互联系。建议对照原课件示意图核校各环节的连线与标注。