工程材料及機(jī)械性能

工程材料及機(jī)械性能張春霞2015.04.07材料是人類社會發(fā)展的三大支柱（信息、能源、材料）之一。而材料是前兩者的基礎(chǔ)。凡與工程有關(guān)的材料均為工程材料。根據(jù)使用的性能分為功能材料和結(jié)構(gòu)材料。材料在載荷作用下抵抗破壞的性能，稱為機(jī)械性能（或稱為力學(xué)性能）。使用性能的好壞，決定了它的使用范圍與使用壽命，金屬材料的機(jī)械性能是零件的設(shè)計(jì)和選材時(shí)的主要依據(jù)，外加載荷性質(zhì)不同（例如拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、沖擊、循環(huán)載荷等），對金屬材料要求的機(jī)械性能也將不同。本課程內(nèi)容一、工程材料金屬（鋼鐵、有色金屬）聚合物陶瓷復(fù)合材料二、材料的力學(xué)性能靜載荷下拉伸、壓縮、扭轉(zhuǎn)、彎曲動(dòng)載荷下沖擊、疲勞高溫力學(xué)性能學(xué)習(xí)方法課堂學(xué)習(xí)+自學(xué)（網(wǎng)絡(luò)、書籍、實(shí)踐）本課程40個(gè)學(xué)時(shí)，理論課34+實(shí)驗(yàn)6曠課5次或遲到10次沒有考試資格總成績=試卷成績（80%）+平時(shí)成績（20%）第一章工程材料1.1概述

工程材料是用于機(jī)械、車輛、船舶、建筑、化工、能源、儀器儀表、航空航天等工程領(lǐng)域的材料。根據(jù)材料的組成結(jié)構(gòu)，可分成金屬材料、無機(jī)非金屬材料、高分子材料和復(fù)合材料；金屬材料又可分為黑色金屬（鋼鐵）材料和有色金屬材料根據(jù)材料的性能特征，分成結(jié)構(gòu)材料和功能材料應(yīng)用最廣的是黑色金屬1.2碳鋼及合金鋼1.2.1碳鋼及分類鐵為基的合金材料占整個(gè)結(jié)構(gòu)材料和工具材料的90.0%以上。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于2.11％的鐵碳合金，實(shí)際生產(chǎn)中使用的碳鋼含有少量的錳、硅、硫、磷等元素雜質(zhì)名稱雜質(zhì)含量%在鋼中的影響錳（Mn）wMn<1.2脫氧，降低鋼的脆性；合成MnS，消除S的有害作用硅（Si）wSi<0.4脫氧，強(qiáng)化鐵素體，提高鋼的強(qiáng)度、硬度；但塑性、韌性下降硫（S）wS<0.055～0.040生成低熔點(diǎn)共晶體，形成熱脆磷（P）wP<0.055～0.040全部溶于鐵素體，提高鐵素體的強(qiáng)度、硬度，但形成冷脆表1-1

雜質(zhì)元素對鋼的影響二、碳鋼的分類（GB/T700-2006)分類方法鋼

種質(zhì)量分?jǐn)?shù)或脫氧情況特

點(diǎn)按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低碳鋼wC≤0.25％強(qiáng)度低，塑性和焊接性能較好中碳鋼wC＝0.25％～0.6％強(qiáng)度較高，但塑性和焊接性能較差高碳鋼wC>0.6%塑性和焊接性能很差，強(qiáng)度和硬度高按鋼的質(zhì)量分普通鋼wS≤0.055％,wP≤0.045％含S、P量較高，質(zhì)量一般優(yōu)質(zhì)鋼wS≤0.040％，wP≤0.040％含S、P量較少，質(zhì)量較好高級優(yōu)質(zhì)鋼wS≤0.030％,wP≤0.035％含S、P量很少，質(zhì)量好按用途分結(jié)構(gòu)鋼wC＝0.08％～0.65％制造各種工程構(gòu)件和機(jī)器零件工具鋼wC>0.65％制造各種刀具、量具和模具按脫氧程度分沸騰鋼（F）僅用弱脫氧劑脫氧，F(xiàn)eO較多鋼錠內(nèi)分布有許多小氣泡，偏析嚴(yán)重鎮(zhèn)靜鋼（Z）澆注時(shí)完全脫氧，凝固時(shí)不沸騰氣泡、疏松少，質(zhì)量較高半鎮(zhèn)靜鋼（b）介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間質(zhì)量介于沸騰鋼和鎮(zhèn)靜鋼之間三、碳鋼的牌號C（首）船用鋼；G（首）滾動(dòng)軸承鋼，G（尾）鍋爐用鋼Q（首）屈服強(qiáng)度，q（尾）橋梁用鋼R（尾）壓力容器用鋼ZG鑄鋼分

類編號方法常用牌號用途

舉例說明碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235-AF屈服點(diǎn)為235MPa、質(zhì)量為A級的沸騰鋼Q195、Q215A，Q235B、Q255A、Q255B、Q275等一般以型材供應(yīng)的工程結(jié)構(gòu)件，制造不太重要的機(jī)械零件及焊接件（參見

GB700-1988）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼45表示平均wC=0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼08F、10、20、35、40、50、60、65用于制造曲軸、傳動(dòng)軸、齒輪、連桿等重要零件（參見

GB699-1988）碳素工具鋼T8T8A表示平均wc=0.8%的碳素工具鋼，A表示高級優(yōu)質(zhì)T7、T8Mn、T9、T10、T11、T12、T13制造需較高硬度、耐磨性、又能承受一定沖擊的工具，如手錘、沖頭等（參見

GB1298-1986）一般工程鑄造碳鋼ZG200-400表示屈服強(qiáng)度為200MPa、抗拉強(qiáng)度為400MPa的碳素鑄鋼ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570、ZG340-640形狀復(fù)雜的需要采用鑄造成形的鋼質(zhì)零件（參見

GB11352-1989）碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素鋼碳素工具鋼1.2.2碳鋼的合金化基礎(chǔ)合金元素：改善和提高鋼的力學(xué)性能和使鋼獲得某些特殊的物理、化學(xué)性能而加入在一定含量的化學(xué)元素。常存或殘存元素：非特意加入的元素低合金鋼合金鋼高合金鋼常用的合金元素有硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、妮、鋯、銅、硼、稀土元素等。磷、硫、氮等在某些情況下也起合金元素的作用。一、合金元素在鋼中存在形式和分布主要有以下五種：(1)與鐵形成固溶體，如硅、銅、鋁、鈷等。(2)部分固溶于鐵素體，另一部分與碳形成碳化物。這一類合金元素如錳、鉻、鉬、鎢、釩、鈮、鋯、鈦等。(3)不少元素與鋼中的氧、氮、硫形成簡單的或復(fù)合的非金屬夾雜物，如Al2O3、AlN、FeO·Al2O3、SiO2·MxOy、TiN、MnS等。(4)一些元素彼此作用形成金屬間化合物，如FeSi、FeCr(σ相)、Ni3Ti、Fe2W等。(5)有的元素，如銅和鉛，常以游離狀態(tài)出現(xiàn)。二、合金元素在鋼中的作用1、合金元素對鋼中基本相的影響(1)非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等。溶入鐵素體，固溶強(qiáng)化當(dāng)wSi<0.6％、wMn<1.5％時(shí)，對鐵素體強(qiáng)化的同時(shí)對其韌性影響不大，當(dāng)超過這個(gè)限度時(shí)則韌性有明顯下降。而Cr、Ni比較特殊，當(dāng)wCr<2％、wNi<5％時(shí)鐵素體的強(qiáng)度和韌性都有所提高。(2)中強(qiáng)碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W等。置換滲碳體中的鐵原子。穩(wěn)定性略為提高，硬度也較高(3)強(qiáng)碳化物形成元素：W、Ti、Zr、Nb、V。含量較高(wMe>5%)時(shí)，才傾向于形成合金碳化物。具有更高的熔點(diǎn)、硬度、耐磨性，且更穩(wěn)定。按合金元素與C元素的親和能力：Ti﹥Zr﹥Nb﹥V﹥W﹥Mo﹥Cr﹥Mn﹥Fe2.合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響奧氏體元素當(dāng)含有B、Nb、Ta、Zr時(shí)，不使γ區(qū)封閉，只使γ區(qū)縮小但Cr、Mo、W、V、Ti、Si、Al等元素使奧氏體相區(qū)縮小，超過此元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，則鋼中沒有ɑ→γ相變，所以室溫能獲得單相的鐵素體組織---鐵素體元素合金元素與Fe相互作用的理論的實(shí)際意義：為了保證鋼具有良好的耐腐蝕性，需要在室溫下獲得單一相組織（奧氏體相或鐵素體相），可以通過控制鋼中合金元素的種類和含量。3.合金元素對鋼熱處理的影響鎳、鈷以外，大多數(shù)合金元素特別是強(qiáng)碳化物形成元素，使碳的擴(kuò)散速度降低，奧氏體的形成過程減緩，因此奧氏體化加熱溫度提高，保溫時(shí)間延長。除了錳、硼以外，大多數(shù)合金元素阻礙奧氏體晶粒長大，淬火后獲得細(xì)小馬氏體組織。2)合金元素對鋼冷卻轉(zhuǎn)變的影響除了Co以外，大多數(shù)合金元素溶入奧氏體中，不同程度地阻礙了鐵、碳原子的擴(kuò)散，使奧氏體穩(wěn)定性提高，C曲線右移；強(qiáng)碳化物形成元素Cr、Mo、W、V、Ti等，溶入奧氏體后，使C曲線出現(xiàn)兩個(gè)“鼻尖”，形成珠光體和貝氏體兩個(gè)轉(zhuǎn)變區(qū)合金元素使C曲線右移，增加了馬氏體臨界冷卻速度，使鋼的淬透性提高。多種元素同時(shí)加入，對鋼淬透性的提高遠(yuǎn)比各元素單獨(dú)加入時(shí)為大，故目前淬透性好的鋼，多采用“多元少量”的合金化原則，如Cr-Ni、Cr-Mn、Cr-Si、Si-Mn等多組元合金鋼。Co、Al外，大多數(shù)合金元素使Ms點(diǎn)、Mf點(diǎn)下移，使鋼在淬火后殘余奧氏體量增多3)合金元素對回火轉(zhuǎn)變的影響(1)提高淬火鋼的回火穩(wěn)定性與碳鋼相比，在相同回火溫度時(shí)，合金鋼強(qiáng)度、硬度較高；在保持相同強(qiáng)度、硬度條件下，合金鋼回火溫度較高，回火時(shí)間較長，因此內(nèi)應(yīng)力消除徹底，塑性、韌性較高。(2)產(chǎn)生二次硬化淬火合金鋼在500～600℃溫度范圍回火時(shí)，硬度升高的現(xiàn)象稱為二次硬化。(3)回火脆性1.2.3結(jié)構(gòu)鋼一、低合金結(jié)構(gòu)鋼（HSLA）在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入少量（wMe<3％）合金元素一般為wC

=0.1％～0.2％，一般以少量的錳為主加元素(wMn=0.8％～1.7％)，Si的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較碳素結(jié)構(gòu)鋼高(wSi<0.55％)。為改善鋼的性能，各牌號A、B級鋼可加入V、Ti、Nb等細(xì)化晶粒元素，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化，提高強(qiáng)度、硬度、沖擊韌度。Cu、P提高鋼對大氣的抗蝕能力，有時(shí)在鋼中還加入少量稀土元素，以消除鋼中有害雜質(zhì)，改善雜質(zhì)物形狀的分布二、合金結(jié)構(gòu)鋼合金元素通常為wMe<5％，故該鋼種屬于低、中合金鋼合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示方法：“數(shù)字＋元素符號＋數(shù)字”。前面兩位數(shù)字表示平均碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的萬倍；合金元素以化學(xué)符號表示，合金元素后面的數(shù)字表示合金元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)的百倍，當(dāng)其平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)<1.5時(shí)，牌號中一般只標(biāo)出元素符號，而不表明數(shù)字，當(dāng)其平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)>1.5％、>2.5％、>3.5％…時(shí)，則在元素符號后相應(yīng)標(biāo)出2、3、4……。如18Cr2Ni4WA用于各種軸類零件、齒輪、彈簧和軸承1、滲碳鋼高硬度、耐磨性、抗疲勞性，同時(shí)要求承受較高載荷、特別是沖擊載荷如汽車、拖拉機(jī)的變速箱齒輪、發(fā)動(dòng)機(jī)上的凸輪和活塞銷等。低碳合金鋼滲碳，加入合金元素Cr、Ni、Mn、B提高淬透性，改善滲碳層的強(qiáng)度和塑、韌性，Cr含量小于2％，Ni含量小于4.5％，Mn小于2％，B含量范圍0.001～0.004％，等；添加少量的V、W、Mo、Ti細(xì)化晶粒，抑制滲碳時(shí)晶粒長大，V含量低于0.5％，W小于1.2％，Mo低于0.6％，Ti低于0.15％。熱處理：正火處理（改善鍛造的不良組織）+滲碳+淬火+低溫回火滲碳930℃，6～8h，滲碳后表層碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.85～1.05％，平衡組織為過共析組織P＋Fe3CΠ，中心仍然為亞共析組織P＋F。淬火直接淬火、一次淬火、二次淬火等。主要是決定于鋼中合金元素的量和對構(gòu)件性能的要求。多數(shù)合金滲碳鋼都采用滲碳后直接淬火，再低溫回火。對于要求高的滲碳零件和晶粒易長大的滲碳鋼件要在滲碳后進(jìn)行一次淬火或二次淬火，然后在低溫回火。低溫回火180～200℃，1～2h。熱處理后組織為M回＋點(diǎn)狀碳化物＋少量A殘，硬度58～60HRC。中心組織M低或F＋S（小件）；M低＋F＋P或S（大件），硬度30～45HRC。常用滲碳鋼：低淬透性滲碳鋼，20Cr、15Cr、20Mn2、20Mn2V等中淬透性滲碳鋼，20CrMnTi、20CrMnMo等高淬透性滲碳鋼，18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A滲C鋼的牌號（摘自GB/T3077-1999）（滲C:930℃，回火：200℃）p172主要化學(xué)成分,%預(yù)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(jī)械性能

bMPasMPa835

785540

5909301080

735835

1180

1180835

1080aKU2J47

554755

78

632、調(diào)質(zhì)鋼重載荷作用下同時(shí)又受沖擊載荷作用的一些重要零件，如機(jī)床車軸、汽車半軸、變速箱花鍵軸等承受彎曲和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力化學(xué)成分WC＝0.25%～0.5%，以0.4%居多合金元素Mn、Si、Cr、Ni、B增大鋼的淬透性，高而均勻的綜合力學(xué)性能V細(xì)化晶粒，提高綜合力學(xué)性能；Mo和W減輕或抑制第二類回火脆性；Al加速合金調(diào)質(zhì)鋼的氮化過程。Ti、Cr等這些元素可以形成強(qiáng)碳化物，高溫時(shí)阻止A晶粒長大和回火時(shí)M分解、碳化物聚集長大緩慢常用調(diào)質(zhì)鋼：低淬透性合金調(diào)質(zhì)鋼：45、40Cr、45MnV等中淬透性合金調(diào)質(zhì)鋼：40CrMn、35CrMo等高淬透性合金調(diào)質(zhì)鋼：40CrNiMoA等熱處理工藝一般選用淬火＋高溫回火，合金調(diào)質(zhì)鋼多用油冷淬火調(diào)質(zhì)鋼一般熱處理工序安排：鍛造熱處理（退火或正火）粗加工調(diào)質(zhì)精加工熱處理磨削如：40Cr做拖拉機(jī)連桿螺栓3、合金彈簧鋼專門用于制造彈簧和彈性元件的鋼，用于制造各種機(jī)械和儀表中的彈簧，如汽車、拖拉機(jī)、坦克、機(jī)車車輛的減振彈簧和螺旋彈簧，大炮緩沖彈簧，鐘表發(fā)條等性能要求：具有較高的彈性極限和強(qiáng)度具有較高的疲勞強(qiáng)度和屈強(qiáng)比具有較高的塑性和韌性，承受沖擊載荷具有耐熱性和耐腐蝕性

汽車板簧火車螺旋彈簧化學(xué)成分：碳含量：WC＝0.45%～0.7%；主加元素是Mn、SiCr、W、V等元素Mn、Si元素帶來的缺點(diǎn)，提高回火穩(wěn)定性常見彈簧鋼65Mn，淬透性比碳素彈簧鋼好，但有過熱傾向。用于制造截面尺寸小于15mm的中、小型低應(yīng)力彈簧鋼。如小尺寸扁、圓彈簧、座墊彈簧、彈簧發(fā)條等。60Si2MnA鋼的淬透性增加，還可以加強(qiáng)F，可用于截面尺寸為25～30mm的工件，在油中即可淬透。用于制造板狀彈簧和螺旋彈簧，還可以在250℃以下工作的耐熱彈簧。50CrVA淬透性比60Si2MnA還好，用于制備50mm的彈簧鋼絲制作的彈簧，油冷即可熱處理工藝：冷成形彈簧的熱處理當(dāng)彈簧直徑或板簧厚度小于8～10mm時(shí)，常采用冷拉彈簧鋼絲或彈簧鋼帶冷卷成形。鋼號有T8、T9A、65Mn和60Si2Mn等。其成形前后的熱處理方法：·退火狀態(tài)供應(yīng)的彈簧鋼絲，冷拔到預(yù)訂尺寸·加熱到900～950℃，使之A化，然后迅速轉(zhuǎn)入500～550℃鉛浴處理，得到細(xì)小片狀的索氏體，提高冷變形能力和表面光潔度。然后再經(jīng)過多次拉拔得到所需尺寸·冷卷成形去應(yīng)力退火或定形處理：200～250℃油浴處理10～30min。左右是消除冷卷成形所產(chǎn)生的應(yīng)力，并使彈簧定形。②熱成形彈簧，主要用于大型彈簧和形狀復(fù)雜的的彈簧。它們一般有熱軋鋼絲和鋼板制成，所用鋼材主要有60Mn、60Si2Mn、55Si2Mn和55SiMnMoV等。熱處理：淬火＋中溫回火。淬火溫度830～850℃，具體加熱溫度決定于各鋼的Ac3?；鼗饻囟?20～550℃，具體溫度決定于鋼的種類和要求。若要求高彈性，則應(yīng)采用較低回火溫度；若需要高韌性，則進(jìn)行高溫回火。作業(yè)1、工程材料的定義？分類？2、碳鋼的分類及牌號中字母、數(shù)字的意義？3、合金元素對鋼的作用體現(xiàn)在哪些方面？4、低合金鋼的用途？5、合金鋼與低合金鋼的差別？4、滾動(dòng)軸承鋼：用于制造各種滾動(dòng)軸承零件如軸承內(nèi)外套圈，滾動(dòng)體的專用鋼1、性能要求：具有較高的淬透性

具有高而且均勻的硬度和耐磨性具有良好的韌性、彈性極限和接觸疲勞強(qiáng)度具有良好的耐腐蝕性（潤滑介質(zhì)條件下）2、化學(xué)成分：w(C)=0.95～1.10%，合金元素Cr：0.4~1.65%，提高淬透性和回火穩(wěn)定性；Si（0.45~0.75%）、Mn（0.95~1.25%）、V：進(jìn)一步提高淬透性、強(qiáng)度、耐磨性和回火穩(wěn)定性P、S≤0.025%，減少夾雜物，提高疲勞壽命常用軸承鋼：鉻軸承鋼GCr9、GCr15、GCr9SiMn、GCr15SiMn其它軸承鋼GCr15SiMn、GSiMnV熱處理：球化退火，降低硬度，得到均勻細(xì)粒珠光體，硬度207～229HB

淬火（820～840℃）+低溫回火（溫度150～160℃，保溫2～3h）（61-65）HRC磨削加工后，再在120～130℃下時(shí)效5～10h5、非調(diào)質(zhì)鋼定義：在中碳鋼中添加微量合金元素（V、Ti、Nb、N等），產(chǎn)生強(qiáng)化相質(zhì)點(diǎn)和細(xì)化晶粒來改善和提高鋼的綜合力學(xué)性能，可不用再調(diào)質(zhì)處理。特點(diǎn)：強(qiáng)度高（σb≥850~1000MPa）、抗疲勞特性和耐磨性較好、切削加工性良好?；瘜W(xué)成分：Mn1.0～2.0％，固溶強(qiáng)化，促進(jìn)V、N的溶解V0.05～0.2％，N，松弛應(yīng)力，減緩裂紋擴(kuò)展，強(qiáng)化；Ti、NbTiC和Ti(C·N)和Nb（C·N）NbC相，細(xì)化晶粒，增加強(qiáng)韌性0.2～0.7％的Cr，0.05～0.07％的S分類：1）切削加工用非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼，牌號以YF為首，如YF35MnV鋼，可制作汽車發(fā)動(dòng)機(jī)連桿，力學(xué)及工藝性能超過55鋼。②熱鍛用非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼，牌號以F為首，如F40MnV鋼該類鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性和抗疲勞性可以與合金調(diào)質(zhì)鋼相媲美，它的切削性能優(yōu)于調(diào)質(zhì)鋼。目前已經(jīng)用于制造汽車、拖拉機(jī)和建筑機(jī)械的曲軸、連桿、齒輪和螺栓等。在我國也用于機(jī)床和農(nóng)業(yè)機(jī)械用零件。6、易切鋼定義：在鋼中加入一定數(shù)量的一種或一種以上的硫、磷、鉛、鈣、硒、碲等易切削元素，以改善其切削性的合金鋼，又稱自動(dòng)機(jī)床加工用鋼，簡稱自動(dòng)鋼改善切削加工性的合金元素主要有S、Pb、P及微量的Ca等，但必須合理控制它們在鋼中的含量化學(xué)成分：S：0.08～0.30％，MnS潤滑；P：0.04～0.12％，提高強(qiáng)度降低塑性；Pb：0.10～0.35％，潤滑；Ca：形成低熔點(diǎn)化合物，潤滑；硒、碲、鉍碲、鉍含量約為0.03～0.10％，F(xiàn)eSe、MnSe潤滑。牌號：Y40Mn，Y12，Y12Pb、Y45Ca、Y15、Y15Pb、Y20應(yīng)用：P-S復(fù)合低碳易切鋼：螺帽、銷釘、軸、管接頭Y40Mn：高S中碳易切鋼，絲杠、光桿、花鍵、軸、齒條、銷子。通常，易切削鋼可以進(jìn)行最終熱處理，但不采用預(yù)備熱處理1.2.4工具鋼用來制造切削金屬和加工金屬的工具。要求是高硬度和高溫下高硬度以及高的耐磨性碳素工具鋼牌號：T8、T12，用途：鑿子、銼刀、量具等在碳素工具鋼基礎(chǔ)上加人一定種類和數(shù)量的合金元素，用來制造各種刃具、模具、量具等用鋼就稱為合金工具鋼合金工具鋼的硬度和耐磨性更高、淬透性、紅硬性和揮霍穩(wěn)定性更好，常用來做尺寸大、幾何形狀復(fù)雜、性能要求高的工具工具鋼分類：按化學(xué)成分可分為非合金工具鋼、合金工具鋼和高速工具鋼；按用途不同，可分為刃具鋼、模具鋼及量具鋼。但各類鋼的實(shí)際應(yīng)用界限并不明顯，有時(shí)同一種鋼幾個(gè)用作刃具，又可用作模具和量具，他們之見的共同性較強(qiáng)。一、刃具鋼碳含量在0.75%~1.5%。合金元素Cr、Mn、Si、W和V增加淬透性、回火穩(wěn)定性、細(xì)化晶粒承受壓力、彎曲、振動(dòng)與沖擊，工件和切屑摩擦切削發(fā)熱，刃部溫度可達(dá)500～600℃刃具鋼除要求足夠的強(qiáng)度和韌性，高硬度（＞60HRC）、高耐磨性和高的熱硬性（紅硬性）1、低合金刃具鋼合金總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于5％化學(xué)成分WC＝0.75%～1.5%合金元素W、Mn、Cr、V、Si等（WMe＜5%）可用于制造形狀復(fù)雜或較大型的刃具，同時(shí)可以使用油冷，減小變形和開裂的傾向。常用牌號9SiCr、GrWMn、Cr2和9Cr2等熱處理工藝預(yù)先熱處理一般采用球化退火；最終熱處理為淬火后低溫回火，以獲得細(xì)小回火馬氏體、粒狀合金碳化物及少量殘余奧氏體組織。性能60～63HRC形狀復(fù)雜或截面較大的刃具，淬火加熱時(shí)應(yīng)進(jìn)行預(yù)熱（600～650℃）2、高速鋼又名風(fēng)鋼或鋒鋼。紅硬性（高溫500℃60HRC）成分復(fù)雜的合金鋼，含有鎢、鉬、鉻、釩等碳化物形成元素。合金元素總量達(dá)10～25%W18Cr4VCWCrVMo各成分含量/%0.7～0.817.5～19.03.8~4.41.0~1.4≤0.31）化學(xué)成分：W、Mo、Cr、V等多種合金元素總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞10%Cr提高鋼的淬透性，含量3.5～5.0％；W（5.5～19％）或Mo（2.7～10％）細(xì)化晶粒，二次硬化V（0.8～2.75％）形成硬度極高的細(xì)小碳化物，均勻分布，提高鋼的耐磨性和熱硬性；Co（4.25～9.5％）提高鋼的熱硬性和二次硬度，提高鋼的耐磨性、導(dǎo)熱性，并改善切削加工性。2）鑄態(tài)組織黑色組織、白色組織和魚骨狀萊氏體。黑色組織合金F＋合金碳化物，易被腐蝕，黑色，性能32～38HRC白色組織合金M＋A殘，白色，性能60～62HRC魚骨狀萊氏體骨骼狀碳化物片和M相間排列形成的萊氏體。性能65～67HRC。粗大魚骨狀的合金碳化物，只能由鍛造來打碎。退火溫度Ac1（820～840℃）＋（30～50℃），等溫退火最終熱處理是淬火后回火。特點(diǎn)是加熱溫度高（1200℃以上），回火溫度高（560℃左右），回火次數(shù)多（三次）。組織為M（60～65％）＋A殘（25～30％）＋未溶碳化物（10％）。熱處理：淬火（1280℃，油冷）+三次回火（560℃）高速鋼分類：①鎢系高速鋼（含鎢9～18％）；②鎢鉬系高速鋼（含鎢5～12％,含鉬2～6％）；③高鉬系高速鋼（含鎢0～2％,含鉬5～10％）；④釩高速鋼，按含釩量的不同又分一般含釩量（含釩1～2％)和高含釩量(含釩2.5～5％)的高速鋼；⑤鈷高速鋼（含鈷5～10％）。按用途不同高速鋼又可分為：①通用型高速鋼：主要用于制造切削硬度HB≤300的金屬材料的切削刀具(如鉆頭、絲錐、鋸條)和精密刀具（如滾刀、插齒刀、拉刀），常用的鋼號有W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等。②特殊用途高速鋼:包括鈷高速鋼和超硬型高速鋼（硬度HRC68～70）,主要用于制造切削難加工金屬（如高溫合金、鈦合金和高強(qiáng)鋼等）的刀具，常用的鋼號有W12Cr4V5Co5、W2Mo9Cr4VCo8等。3、硬質(zhì)合金以高硬度難熔金屬的碳化物（WC、TiC)微米級粉末為主要成分，以鈷（Co）或鎳（Ni）、鉬（Mo）為粘結(jié)劑，在真空爐或氫氣還原爐中燒結(jié)而成的粉末冶金制品。硬度高達(dá)87～91HRA（相當(dāng)于69～81HRC），工作溫度可達(dá)800～1000℃，切削速度比高速鋼高4～7倍，壽命提高5～8倍。加工困難，一般將硬質(zhì)合金制成一定規(guī)格的刀片，鑲焊在刀體上使用，不能用來制作形狀復(fù)雜的刀具廣泛用作刀具材料，如車刀、銑刀、刨刀、鉆頭、鏜刀等，用于切削鑄鐵、有色金屬、塑料、化纖、石墨、玻璃、石材和普通鋼材，也可以用來切削耐熱鋼、不銹鋼、高錳鋼、工具鋼等難加工的材料三、模具鋼用于制造各種金屬成形所用模具的鋼材。模具鋼分為冷模具鋼和熱模具鋼，冷模具鋼是在冷態(tài)下金屬成形所用的模具鋼，在熱態(tài)下金屬成形所用的模具鋼。要求具有高硬度、強(qiáng)度、耐磨性，足夠的韌性，高淬透性、淬硬性和其他工藝性能一、冷作模具鋼：250℃下對金屬進(jìn)行變形加工的模具，包括冷沖模、冷鐓模、冷擠壓模。拉絲模、落料模等在工藝上要求熱處理變形小和淬透性高。簡單小型模具，常采用T8，T10和T12等復(fù)雜中型模具，常采用9SiCr、9Mn2V、CrWMn等精密大型模具，常采用Cr12、Cr12MoV等。1）碳素工具鋼加工性良好，價(jià)格低廉，使用范圍廣泛；淬透性低，熱硬性低，只適于制作尺寸小、形狀簡單、切削速度低、進(jìn)刀量小、工作溫度不高的工具。2）合金工具鋼碳含量低，韌性好、高強(qiáng)度，工藝性能較好，生產(chǎn)成本低，用于生產(chǎn)尺寸大、形狀復(fù)雜、輕載荷冷作模具。常用于鐵路、橋梁、船舶、汽車、壓力容器。9SiCr、CrWMn、GCr153）中合金或高合金鋼用于生產(chǎn)尺寸大形狀復(fù)雜的冷作模具Cr12Mo、Cr12MoV、Cr6WVCr12和Cr12MoV（高鉻鋼）是常用的冷模具鋼，廣泛用于冷沖模、冷彎模和冷擠壓模等。碳含量為1.5～2.3％，鉻含量為11～13％鑄造組織為索氏體和共晶碳化物。鍛造能使毛坯成形和打碎共晶碳化物，并改善碳化物的不均勻性。鍛造后應(yīng)進(jìn)行等溫球化退火Cr12型鋼的熱處理退火＋低溫淬火＋低溫回火或高溫淬火＋高溫多次回火最終組織：回火M+碳化物+少量A'2、熱模具鋼用于制造在受熱（400-600℃）狀態(tài)下對金屬進(jìn)行變形加工的模具分為熱鍛模、熱擠壓模和壓鑄模幾種主要類型性能要求：較高的溫度下具有良好的強(qiáng)韌性、較高的硬度、耐磨性、導(dǎo)熱性、抗熱疲勞能力，較高的淬透性和尺寸穩(wěn)定性此類鋼為中碳合金鋼，碳含量0.30%~0.60%，部分鋼由于加入較多的合金元素（如鎢、鉬、釩等）而成為共析或過共析鋼

Cr、Ni、Mn提高淬透性和強(qiáng)度；W、Mo、V產(chǎn)生二次硬化，提高紅硬性；Cr、W、Mo等元素還可以通過提高共析溫度，使模具在反復(fù)受熱和受冷過程發(fā)生相變。熱模量鋼熱處理退火＋淬火＋高溫回火。退火，700～800℃，保溫4～5h后爐冷，消除鍛造應(yīng)力，降低硬度，提高切削加工性；淬火＋高溫回火，得到回火索氏體和回火屈氏體，保證獲得良好的綜合機(jī)械性能。中小尺寸（截面尺寸≤300mm）模具，選用5CrMnMo；大尺寸（截面尺寸≥400mm）模具，選用5CrNiMo，壓鑄模通常選用3Cr2W8V。常用的鋼類有鉻錳鋼、鉻鎳鋼、鉻鎢鋼等。三、量具鋼用來制造各種測量工具的鋼，要求高韌性、高硬度、高耐磨性和高尺寸穩(wěn)定量具鋼沒有專門用鋼，前面介紹的工具鋼，滾動(dòng)軸承鋼均可用來制作量具。形狀簡單、精度要求不高的量具．可選用碳素工具鋼．如T10A、T11A。T12A。腐蝕條件下工作的量具可選用不銹鋼4Cr13、9Cr18要求特別高的耐磨性和尺寸穩(wěn)定性．可選滲氮鋼38CrMoAl或冷作模具鋼Cr12MoV。常用的量具鋼有Cr2、GCr15、CrWMn等，可用來制作形狀復(fù)雜、精度高的量具。1.2.5不銹鋼通常所說的不銹鋼是不銹鋼和耐酸鋼的總稱所謂“不銹鋼”是指能抵抗大氣、蒸汽和水等弱腐蝕介質(zhì)的鋼，而“耐酸鋼”是指在酸、堿、鹽等強(qiáng)腐蝕介質(zhì)中耐蝕的鋼。二、常用不銹鋼1.馬氏體不銹鋼常用的馬氏體不銹鋼的含碳量（0.1-0.45）%，主要合金Cr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)（12-14）%，通常稱為Cr13型鋼，如1Cr13、2Cr13，用作受沖擊載荷的汽輪機(jī)葉片等；3Cr13、4Cr13，用于弱腐蝕條件下有高硬度要求的醫(yī)療器具、彈簧、刃具等2.鐵素體不銹鋼