鋼[目標]1.了解合金元素在鋼中的作用及其對相圖的影響；2.掌握常用鋼的類別和牌號；常用鋼熱處理、性能及應用；3.了解典型零件選材及熱處理路線安排；

[重點]1.常用鋼的類別和牌號；2.常用結構鋼、工具鋼、特殊性能鋼的熱處理、最終組織、性能及應用；[難點]1.特殊性能鋼；2.典型零件選材及熱處理路線安排。鋼工業用鋼分為非合金鋼與合金鋼。

合金鋼是指為改善鋼的性能，在碳素鋼基礎上專門加入某些合金元素所形成的多元合金。鋼非合金鋼（碳素鋼）是指?c在0.02%～2.06%，并含有少量Si、Mn、S、P及非金屬夾雜物的鐵碳合金。

合金鋼的性能優于碳鋼，能滿足較高性能或較大尺寸零件的使用要求。

1.具有更好的強韌性合金鋼與碳鋼相比的性能優點鋼Rm/MPaReL/MPa20≥490≥29420Gr83554020CrMnTi1080 835 低碳鋼應力應變曲線

2.具有更高的耐磨性和熱硬性Mo對鋼(wC=0.35%)回火硬度的影響

9SiCr與T10硬度與回火溫度的關系

3.具有更好的熱處理工藝性能υk2υk1冷卻速度碳鋼合金鋼馬氏體區表面心部表面合金元素提高鋼的淬透性示意圖7.1鋼中常存雜質元素的影響1.Si、Mn的影響

①可消除夾雜或有害元素的不良影響②固溶強化鐵素體，強度、硬度↑2.

S、P的影響①S：形成FeS，FeS與Fe生成低熔點共

晶體，產生熱脆性②P：易生成脆性磷化物，產生冷脆性。

S和P在鋼中的含量應嚴加控制。鋼7.2合金元素在鋼中的作用常加入元素及其與碳的結合力Ti、V、W、Mo∕Cr、Mn

∥Ni、Si

1.固溶強化鐵素體

Si、Mn、

Cr、Ni強Mo對鋼回火硬度影響

2.形成合金碳化物

合金碳化物→完全溶入A→M→合金碳化物

彌散析出→硬度/耐磨↑（硬度高）Ti、V、W、Mo

加熱淬火回火w

↓

未完全溶入A

↓

阻礙A晶粒長大（分散在晶界上）

↓細化A晶粒：強、韌↑加熱熱硬性二次硬化溶入難析出也難A的穩定性↑→

C曲線右移→

υk↓→淬透性↑→應力↓性能一致↑非碳化物形成元素

Co和Al除外3.使A的穩定性↑

HRC↓

Me↑——Ms、Mf↓——Ar↑

穩定性↓

總結：Cr、Mn、Ni、Si元素：

強度↑

淬透性↑Ti、V、W、Mo元素：回火穩定性，熱硬性↑、HRC

↑、耐磨性↑

冷處理、回火：

Ar

↓4.淬火得M

時，Ar↑擴大A區

縮小A區(MnNi)(CrMo)Mn

13%或Ni

9%A3

?0℃

→室溫:

單相ACr

13%A區消失→室溫:單相F5.對鐵碳相圖的影響a）Mn—擴大奧氏體相區元素b）Cr—縮小奧氏體相區元素7.3

鋼的分類和牌號低＜0.25％碳鋼中0.3～0.6％高＞0.6％1)成分低＜5％合金鋼中5～10％高＞10％

結構鋼：機器零件、工程構件3）用途工具鋼：刀、量、模具特殊鋼：耐腐蝕、耐熱、耐磨

鎮靜鋼(Z)

4）脫氧程度特鎮靜鋼TZ

沸騰鋼（F）2）質量普通

（P、S）優質高級優質（A）

特高級優質（E）7.3.1鋼的分類?c用途－成分－質量－脫氧

普通①

碳素優質②結構鋼高級優質③

合金④優質以上

鋼碳素⑤工具鋼合金⑥

特殊鋼7.3.2鋼的牌號Q215：Q－屈服極限

215—ReL

≥215MPaQ115F—沸騰鋼Q115AF：A—質量等級

工程構件一般不需熱處理①普通碳素結構鋼主要用途：工程構件及受力小的零件

2045?c≈0.2%

?c≈0.45%08F：08F?c≈0.08％沸騰鋼65Mn：

65Mn

?c≈0.65％?Mn≈

0.8～1.2％

②優質碳素結構鋼③高級優質碳素結構鋼

牌號后+“A”—高級優質

20Cr20Cr2Ni4

?c：?c≈0.2％?c≈0.2％

Me：?Cr≈1%?Cr≈2%?Ni≈4%

1％－不標2％－23％－3……例60Si2Mn：

60

2

Mn

?c≈0.6％?si≈2％?Mn

≈1％④合金結構鋼T8A

T10

T12?c≈0.8%

?c≈1%

?c≈1.2%

T——碳素工具鋼

⑥名稱：合金工具鋼＜1％：一位數9SiCr?c≈0.9%

?c

≥1％：不標數字Cr12MoV?c

≥1％Me：

1％－不標2％－23％－3……⑤名稱：碳素工具鋼（非合金工具鋼）2、合金鋼（WMe）5.2.1鋼的分類1）碳素：結構or工具：有“T”——工具鋼無“T”——結構鋼2）合金：結構or工具：兩位數——結構鋼（萬分數）無或一位數——工具鋼（千分數）如：W6Mo5Cr4V2:合金工具鋼

9CrMn：合金工具鋼

38CrMoAlA：高級優質合金結構鋼總結鋼的分類主線：成分－用途－質量－脫氧鋼碳素合金結構鋼工具鋼結構鋼工具鋼特殊鋼:不銹鋼耐磨鋼耐熱鋼普通碳素結構鋼優質高級優質Q

215

A20?c≈0.2%（萬分數）質量等級T

10

A高級優質60Si2Mn?c

≈0.6%（萬分數）?Si

≈2%（百分數）9SiCrCrWMn?c

≈0.9%（千分數）?c

≥1%，不標最低屈服極限A?c≈1.0%（千分數）7.3.2鋼的牌號（另一種表達，供選擇）

結構鋼鋼工具鋼：刃、模、量具特殊鋼：耐腐蝕、耐熱、耐磨

7.4結構鋼工程構件用鋼（塑性\焊接性能）機器零件用鋼（力學性能）用途7.4.1滲碳鋼表面淬火滲氮表硬心韌精密：如磨床滲碳淬火重載：如汽車低中載：如車床典型零件——齒輪1.成分：低碳?c：0.1～0.2％

2.熱處理：滲碳＋淬火＋低回心部：低碳M′韌性↑

表面：高碳M′硬度↑3.常用鋼：152020Cr20CrMnTi4.一般工藝路線：下料→鍛造→正火→機加工→滲碳→淬火+低溫回火→精加工7.4.1滲碳鋼汽車變速箱齒輪18Cr2Ni4WA坦克齒輪20CrMnTi

20鏈條鏈輪滲碳鋼應用實例活塞銷(20Cr)下料鍛造正火粗加工滲碳+淬火+低溫回火精磨噴丸成品正火：消除鍛造應力、硬度↑滲碳：表面?c↑（0.85～1.05%）淬火：表面--高碳M,心部--低碳M低溫回火：消除淬火應力、降低脆性、穩定組織例：20CrMnTi汽車變速齒輪熱處理工藝及作用典型零件——軸主體：抗彎、扭、斷

抗沖擊配合面：抗擠壓、耐磨損→高硬度7.4.2調質鋼綜合性能1.成分：中碳?c：0.3～0.5％2.熱處理：

①調質＝淬火＋高溫回火②調質＋表淬＋低回（如：軸頸配合處//機床齒輪)③調質＋滲N（精密件如：磨床主軸//精密齒輪)3.常用鋼:4540Cr38CrMoAl4.典型工藝路線（機床軸/齒輪）鍛→正火→粗加工→調質→精加工→表淬+低回→磨

7.4.2調質鋼（1）連桿（或螺栓）：40Cr

鍛→正火（退火→粗車→調質→精車→裝配（2）小型車床的主軸:45（3）汽車半軸：40Cr（4）航空發動機軸:40CrNiMo調質鋼應用實例抗塑性變形：抗沖擊：抗疲勞（交變力）：高強度→彈性極限RA↑足夠韌性↑噴丸處理T’7.4.3彈簧鋼7.4.3彈簧鋼1.成分：中碳?c：0.5～0.7％

MnSi：淬透性↑固溶強化↑

2.熱處理：淬火＋中溫回火3.常用鋼：65Mn

70

60Si2Mn大截面：加熱成型小截面（D＜15mm）：冷成型下料

冷拔

退火-冷卷

淬火+中回

成品下料等溫S

冷拔

冷卷去應力退火

成品

下料軋制熱卷淬火+中回噴丸成品下料冷拔淬火+中回冷卷去應力退火成品4.一般工藝路線大型熱卷彈簧（1）坐墊彈簧、發條：7065Mn（2）螺旋彈簧、汽車板簧：60Si2Mn

（3）內燃機氣閥彈簧：50CrVA

（300℃工作）（?<15mm）（?>15mm）彈簧鋼應用實例

抗擠壓（點、線接觸）

抗磨損

抗沖擊力：一定韌性

定位：高精度HRC↑耐磨性↑→?c≈1%→冷處理、去應力退火7.4.4滾動軸承鋼1.成分：中碳?c：0.9～1.0％Cr：耐磨性↑淬透性↑

GCr15

G

15

?Cr≈1.5％2.熱處理：

淬火＋低回M＇

≥60HRC3.常用鋼:GCr15

GCr94.典型工藝路線（精密軸承）鍛→正火→球化退火→機加工→淬火（+冷）＋

低溫回火→磨（+穩定性處理）

7.4.4滾動軸承鋼滾動軸承鋼1.其他機器零件用鋼（1）易切削鋼Y12

:Y12易切削鋼?C≈0.12％（2）冷沖壓鋼08F

1020?C≈0.08％?C≈0.1％?C≈0.2％（3）鑄鋼ZG200-400200400ReL≈200MpaRm≈400Mpa7.4.5其他常用結構鋼1.碳素結構鋼Q235(老牌號A3)（ReL＜300Mpa）

常用于：建筑、橋梁、車輛工程構件鐵絲、鐵釘、螺栓、銷子等小件

2.工程構件用鋼

低碳（0.06%～0.38%）；雜質較多

靜載荷為主；要求有良好的塑性和焊接性能

一般不需要熱處理Q345(老牌號16Mn)（

ReL

＞295Mpa）

常用于：建筑、橋梁、車輛鐵道、船舶、化工、鍋爐等大型鋼結構

2.低合金高強度結構鋼

低碳（<小于0.25%），保證良好塑性、焊接性能

加入少量Si、Mn、Ti、V、Nb，強、韌↑耐蝕性↑

一般不需要熱處理7.5工具鋼工具鋼模具鋼量具鋼

HRC

↑一定韌性熱硬性↑精度韌性↑精度穩定性↑刃具鋼出版社7.5.1刃具鋼

性能要求：一般≥60HRC一定韌性熱硬性常用的刃具材料：非合金工具鋼低合金刃具鋼高速鋼硬質合金1.非合金（碳素）工具鋼（1）成分含碳量高（?C=0.65%～1.35%）（2）熱處理及性能

①淬火＋低溫回火M′

②高硬度（58～60HRC）③熱硬性≈200℃（3）用途切削軟材料：如木材、有色金屬等速度很低的刃具：如手工刀具（4）常用鋼

銼刀T7、T8：沖擊力↑

—榔頭、沖子、鑿子、鉗子、刨刀等T9～

T11：一般沖擊—鋸條、絲錐、車刀等T12、T13：沖擊力↓—銼刀、刮刀、量具等2.

低合金刃具鋼k（1）成分含碳量高：?C=0.75%～1.45%合金元素Cr、Si、Mn；W、V（2）熱處理及性能

①淬火＋低溫回火M′②高硬度（≥60～65HRC）③熱硬性≈300℃（3）用途切削較硬材料：鋁、銅、軟鋼等低速機用刃具：鉸刀、銑刀、鉆頭、絲錐、板牙等k9SiCr：韌性↑

CrWMn：耐磨性↑淬透性↑

鍛→正火→球化退火→機加工→淬火＋低溫回火→磨（4）常用鋼（5）典型工藝路線9SiCr鋼制板牙的熱處理工藝

3.高速工具鋼k（1）成分碳含量高：?C=0.7%～1.65%合金含量高（?Me>10%）：W、Mo、V、Cr高速鋼熱處理工藝曲線

（2）熱處理及性能

①淬火＋多次高溫回火：M′②高硬度≈65HRC③熱硬性≈600℃W18Cr4V鋼硬度與回火溫度關系k切削硬材料：高強度鋼、特種合金鋼等高速刃具：銑刀、插齒刀、麻花鉆等（4）常用鋼

W18Cr4V：熱硬性、耐磨性↑W6Mo5Cr4V2：韌性↑（5）典型工藝路線鍛→等溫退火→粗加工→高溫淬火＋多次高溫回火→磨（3）用途W18Cr4V鋼的鑄態組織出版社7.5.2模具鋼

常用模具：冷作模、熱作模、塑料模1.冷作模具鋼用于冷態下（低于再結晶溫度）金屬進行塑性變形加工的模具。

汽車外板冷沖模冷作模具成形零件

沖裁模引深模沖裁模、引深模、拔絲模、冷擠模、壓彎模、冷鐓模等常用冷作模具拔絲模冷擠模出版社性能要求（相比刃具鋼）：

主要承受強烈摩擦、擠壓，其次還受彎曲、沖擊力、疲勞等作用。

硬度≈60HRC一定韌性精度↑、尺寸↑：淬透性↑常用的冷作模具鋼：碳素工具鋼低合金刃具鋼高速鋼基體鋼和中碳高速鋼硬質合金1.冷作模具鋼（1）非合金（碳素）工具鋼

①

熱處理：淬火＋低溫回火

M′②應用：簡單、小型模具加工軟材料：如紙、鋁、塑料③常用鋼：T7A、T10A、T11A等（2）低合金模具鋼

①

熱處理：淬火＋低溫回火M′②應用：形狀較復雜的中、小型模具加工較硬材料：如銅、鋁及其合金③常用鋼：GCr15、Cr2、9Mn2V、CrWMn、9SiCr等。CrWMn耐磨性高、淬透性好、淬火變形小，應用廣泛。（3）高合金模具鋼Cr12型

①

熱處理：低溫淬火＋低溫回火M′

高溫淬火＋高溫回火

M′②應用：復雜、大型模具加工硬材料：如鋼、硅鋼等③常用鋼：Cr12、Cr12MoV等（4）基體鋼和中碳高速鋼

①

熱處理：高溫淬火＋高溫(560℃)多次回火

M′②應用：高強度和韌性的冷擠模、冷沖模等③常用鋼：65Cr4W3Mo2VNb、6W6Mo5Cr4V2等用于熱態金屬（高于再結晶溫度）成形的模具用鋼。常用熱作模具：熱鍛模、熱擠模、壓鑄模。熱鍛模2.熱作模具鋼壓鑄模汽車四缸壓鑄模性能要求（相比冷作模具）：同樣承受：強烈摩擦、擠壓、彎曲、沖擊力等作用硬度/耐磨性↓：37～52HRC尺寸大的模具：韌性↑淬透性↑熱導性↑高溫（400～1000℃）溫度循環→熱疲勞→表面裂紋→內腔脫落2.熱作模具鋼?c↑：耐磨性↑

熱疲勞抗力↓因此選擇：中碳鋼

出版社（1）成分：中碳鋼（?C=0.50%～0.6%）主加合金元素：Cr、Ni、Mn、Si淬透性↑輔加合金元素：Mo、W、V耐磨性↑熱穩定性↑（2）熱處理：淬火＋中溫回火T′淬火＋高溫回火

S′（3）常用鋼：

5CrMnMo：中、小型錘鍛模（邊長400mm以下）等

5CrNiMo、4CrMnSiMoV：大型錘鍛模

4Cr5MoSiV、4Cr5W2Si：鋁合金、銅合金熱擠模和壓鑄模等

3Cr2W8V、4Cr3Mo3W2V：低碳鋼的熱擠壓模等（4）典型工藝路線5CrNiMo

鍛→完全退火→粗加工→淬火＋高回→磨出版社7.4.2量具鋼

常用量具：游標卡尺、千分尺、量塊、塊規、塞規等。

性能要求：常受到摩擦與碰撞；具備非常高的尺寸精度、穩定性；具有一定耐腐蝕性。

高耐磨性：高硬度少許沖擊：一定韌性尺寸穩定性↑：應力↓Ar↓7.4.2量具鋼

高含碳量：?C=0.9%～1.5%

合金元素：Cr、W、V2.熱處理

常用：淬火＋低溫回火

精度高的量具：淬火＋冷處理＋低溫回火＋時效處理1.成分GCr15量塊熱處理工藝曲線

3.常用量具鋼鋼的類別常用牌號應用碳素工具鋼T1OA、T11A、T12A尺寸小、精度不高、形狀簡單的直尺、卡尺、樣板、量規等滲碳鋼15、20、15Cr精度不高、耐沖擊及大型的卡板、樣板、直尺等合金刃具鋼9CrWMn、9SiCr、CrMn、Cr2、CrWMn高精度塊規、塞規、環規、樣套、樣柱等滾動軸承鋼GCr15高精度塊規、塞規、樣柱等不銹鋼4Cr13、9Cr18耐腐蝕的量具出版社7.6特殊性能鋼

特殊性能鋼：

具有特殊物理性能、化學性能的鋼。

不銹鋼、耐熱鋼及耐磨鋼等。

7.6.1不銹鋼在大氣或酸堿鹽等化學介質中耐腐蝕的鋼。用于：化工、醫療、食品等化學腐蝕：金屬—介質，化學作用電化學腐蝕：金屬—電介質溶液

化學作用、

產生電流

電化學腐蝕速度快，大部分金屬的腐蝕都屬于此類。如金屬在大氣、海水及酸、堿、鹽類溶液中所產生的腐蝕。1.金屬的腐蝕2.電化學腐蝕原因Fe電極電位高Cu電極電位低被腐蝕電介質溶液兩種不同的金屬電流

電化學腐蝕不僅發生在兩種金屬之間，而且還發生在同一種金屬材料的兩種相之間。片狀珠光體的電化學腐蝕Fe+2Fe2O3·nH2O2e

Fe3C電極電位高F電極電位低3.提高鋼耐腐蝕的途徑（2）提高基體電極電位：Cr?Cr＞12.7%基體電極電位↑（3）形成鈍化膜：Cr、Al、SiCr2O3、

Al2O、SiO2（1）組織單相化:

NiCr?Cr＞17%單相F?Cr

≈18%?Ni＞8%單相A4.常用不銹鋼（1）馬氏體不銹鋼（鉻不銹鋼）1）成分

?C

≈0.1～1.0％

?Cr

≈13～17％

鉻對Fe-Cr合金電極電位的影響（大氣條件）

?cr

↑

→

空冷獲得M

故稱M不銹鋼①12Cr13（1Cr13）20Cr13（2Cr13）

淬火+高溫回火：

S′良好韌性

汽輪機葉片、水壓機閥、蒸汽管附件等2）常用鋼號②30Cr13（3Cr13）40Cr13（4Cr13）淬火+低溫回火：M′≈50HRC菜刀、手術刀；儀表彈簧、閥門等汽輪機葉片手術刀③95Cr18（9Cr18）Cr18MoV淬火+低溫回火：M′高硬度、高耐磨性刀具、滾動軸承等3）其他說明：

①?c↑→Rm、HRC↑

→耐腐蝕↓②焊接性差，不做焊接件③在氧化性介質中（如大氣、水蒸氣、海水、氧化性酸）具有良好耐蝕性，但在非氧化性介質中（如鹽酸、堿溶液等）不能達到良好的鈍化，耐蝕性較低。1）成分

?c＜0.15％

?cr≈12％～30％Cr作用：基體電極電位↑形成單相F2）常用鋼號10Cr17（1Cr17）、10Cr17Mo（1Cr17Mo）3）熱處理：在退火或正火狀態下使用（2）鐵素體不銹鋼①其耐蝕性、塑性、焊接性均比馬氏體不銹鋼更好

②強度偏低、韌性低、脆性大③主要用作耐蝕性要求很高而強度要求不高的構件。如硝酸吸收塔、磷酸槽等化工設備、容器和食品加工設備、管道，以及建筑和生活用品等。4）其他說明1）成分

?c≈0.1％

?cr≈17％～25％WNi

≈8％～29％Cr作用：基體電極電位↑形成鈍化膜Ni作用：單相A2）常用鋼號

12Cr18Ni9（1Cr18Ni9）

06Cr18Ni11Ti（1Cr18Ni9Ti）3）熱處理：

固溶處理：加熱至1100℃，水冷獲單相A去應力退火（3）奧氏體不銹鋼（鉻鎳不銹鋼）①比馬氏體不銹鋼更具優良的耐腐蝕性

②良好焊接性③容易發生晶間腐蝕。防止措施：控制?c≤0.15％；加入Ti、Nb；去應力退火④強化方法：加工硬化

奧氏體不銹鋼晶界的Cr23C6析出晶間腐蝕：450-850℃4）其他說明⑤廣泛應用于接觸硝酸、有機酸、鹽、堿等機械零件及構件。如：化工設備及管道、醫療器械、餐具、城市雕塑等。

指在300℃以上（有時高達1200℃）具有高的熱化學穩定性和較高強度的特殊鋼。

主要用于制造加熱爐、鍋爐、汽輪機、內燃機、熱交換器等高溫裝置中的零部件。7.6.2耐熱鋼（2）高溫強度（熱強性）

高于再結晶溫度時，原子擴散加強，發生再結晶和軟化現象；且晶界強度降低，晶粒容易滑動變形。

合金化（固溶強化、第二相強化）、晶界強化。（1）高溫抗氧化性

取決于金屬與氧的化學反應能力Cr、Si、Al→

形成Cr2O3、Al2O、SiO21.耐熱性能要求及提高耐熱途徑（1）珠光體型耐熱鋼1）常用鋼號：

12CrMo、12CrMoV、15CrMo、25Cr2MoVA2）熱處理：正火，高于使用溫度100℃的回火3）使用溫度低于600℃4）用于：制作負荷小的鍋爐爐管；耐熱緊固件、熱交換器、氣閥等。2.

常用耐熱鋼1）常用鋼號：

06Cr18Ni11Ti（006Cr18Ni10Ti）20Cr25Ni20（2Cr25Ni20）2）熱處理：固溶處理→A

3）熱化學穩定性、熱強性高于F型和M型耐熱鋼，溫度可達800℃；高塑性、韌性；4）用于：較重要的零件，如燃氣輪機輪盤和葉片、發動機排氣閥、高壓鍋爐過熱器等。（2）奧氏體型耐熱鋼1）常用鋼號：

06Cr13Al（0Cr13Al）10Cr17（1Cr17）16Cr25N（2Cr25N）2）熱處理：退火→F3）抗氧化性強，溫度可達800℃，高溫強度不高；4）用于：油噴嘴、爐用部件、燃燒室等。（3）鐵素體型耐熱鋼1）常用鋼號：