低温钢
steels for low temperature service
适于在0℃以下应用的合金钢。能在-196℃以下使用的，称为深冷钢或超低温钢。低温钢主要应具有如下的性能：①韧性－脆性转变温度低于使用温度；②满足设计要求的强度；
③在使用温度下组织结构稳定；④良好的焊接性和加工成型性；⑤某些特殊用途还要求极低的磁导率、冷收缩率等。低温钢按晶体点阵类型一般可分为体心立方的铁素体低温钢和面心立方的奥氏体低温钢两大类。
铁素体低温钢一般存在明显的韧性－脆性转变温度，当温度降低至某个临界值（或区间）会出现韧性的突然下降。附图表示含碳0.2％碳钢冲击值与温度的关系,其转变温度在-20℃左右。因此，铁素体钢不宜在其转变温度以下使用，一般需加入Mn、Ni等合金元素，降低间隙杂质，细化晶粒，控制钢中第二相的大小、形态和分布等,使铁素体钢的韧性-脆性转变温度降低（见金属的强化）。
铁素体低温钢按成分分为三类：①低碳锰钢(C0.05～0.28％,Mn0.6～2％)。使Mn/C≈10，降低氧、氮、硫、磷等有害杂质，有的还加入少量铝、铌、钛、钒等元素以细化晶粒。这类钢最低使用温度为－60℃左右。②低合金钢。主要有低镍钢(Ni2～4％)、锰镍钼钢(Mn0.6～1.5％, Ni0.2～1.0％，Mo0.4～0.6％，C≤0.25％)、镍铬钼钢(Ni0.7～3.0％，Cr0.4～2.0％，Mo0.2～0.6％，C≤0.25％)。这些钢种的强度高于低碳钢，最低使用温度可达-110℃左右。中国研制了几种节镍的低温用低合金钢如09Mn2V等。③中（高）合金钢。主要有6％Ni钢、9％Ni钢、36％Ni钢，其中9％Ni钢是应用较广的深冷用钢。这类高镍钢的使用温度可低至-196℃。
奥氏体低温钢具有较高的低温韧性，一般没有韧性－脆性转变温度。按合金成分不同，可分为三个系列：①Fe-Cr-Ni系。主要为18-8型铬镍不锈耐酸钢。这种钢低温韧性、耐蚀性和工艺性均较好，已不同程度地应用于各种深冷(-150～269℃)技术中。②Fe-Cr-Ni-Mn和Fe-Cr-Ni-Mn-N 系。这类钢种以锰、氮代替部分镍来稳定奥氏体。氮还有强化作用，使钢具有较高的韧性、极低的磁导率和稳定的奥氏体组织，适用于作超低温无磁钢（即材料的磁导率很小）。如0Cr21Ni6Mn9N和0Cr16Ni22Mn9Mo2等在-269℃作无磁结构部件。③Fe-Mn-Al 系奥氏体低温无磁钢。是中国研制的节约铬、镍的新钢种，如15Mn26Al4等可部分代替铬镍奥氏体钢,用于-196℃以下的极低温区。如能改善这种钢的抗化学腐蚀能力，还可扩大其应用范围。
使用范围低温钢在石油气深冷分离设备中，绝大部分的最低使用温度为-110℃,个别设
备中达-150℃,可分别采用低合金钢、3～6％镍钢或9％镍钢。在空气分离设备中，最低工作温度达-196℃,一般采用9％镍钢或奥氏体低温钢。工作温度为-253℃的液氢生产、贮运设备，工作温度为- 269℃的液氦设备，均应采用组织结构稳定的奥氏体低温钢。而某些特殊设备如超导磁体或超导电机，宜采用在工作温度以下除有稳定的奥氏体组织外,还要能保持极低磁导率(μ)≤1.01或更低）的钢种。
一些具有较高低温韧性的铁镍基和镍基高温合金如A-286、Inconel718、InconelX-750 等也常用于需要高强度的低温设备上。
(一)淬火--将钢加热到Ac 3或Ac 1 以上，保温一段时间，使之奥氏体化后，以 大于临界冷速的速度冷却的一种热处理工艺。 淬火目的：提高强度、硬度和耐磨性。结构钢通过淬火和高温回火后，可以获得较好的强度和塑韧性的配合；弹簧钢通过淬火和中温回火后，可以获得很高的弹性极限；工具钢、轴承钢通过淬火和低温回火后，可以获得高硬度和高耐磨性；对某些特殊合金淬火还会显著提高某些物理性能(如高的铁磁性、热弹性即形状记忆特性等)。 表面淬火--表面淬火是将钢件的表面层淬透到一定的深度，而心部分仍保持未淬火状态的一种局部淬火的方法。分类——感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解液加热表面淬火、激光加热表面淬火、电子束加热表面淬火、离子束加热表面淬火、盐浴加热表面淬火、红外线聚焦加热表面淬火、高频脉冲电流感应加热表面淬火和太阳能加热表面淬火。 单液淬火——将奥氏体化后的钢件投入一种淬火介质中，使之连续冷却至室温(图9-1a线)。淬火介质可以是水、油、空气(静止空气或风)或喷雾等。 双液淬火——双液淬火方法是将奥氏体化后的钢件先投人水中快冷至接近M S 点，然后立即转移至油中较慢冷却(图9-1b线)。 分级淬火——将奥氏体化后的钢件先投入温度约为M S 点的熔盐或熔碱中等温保持一定时间，待钢件内外温度一致后再移置于空气或油中冷却，这就是分级淬火等温淬火--奥氏体化后淬入温度稍高于Ms点的冷却介质中等温保持使钢发生下贝氏体相变的淬火硬化热处理工艺。 等温淬火与分级淬火的区别是：分级淬火的最后组织中没有贝氏体而等温淬火组织中有贝氏体。。。根据等温温度不同，等温淬火得到的组织是下贝氏体、下贝氏体+马氏体以及残余奥氏体等混合组织。 (二)回火--将淬火后的钢/铁，在AC1以下加热、保温后冷却下来的金属热处理 工艺。回火的目的：为了稳定组织，减小或消除淬火应力，提高钢的塑性和韧性，获得强度、硬度和塑性、韧性的适当配合，以满足不同工件的性能要求。 第一类回火脆性：①淬火钢在250~400℃回火后出现韧性降低的现象称为第一类回火脆性，又称为低温回火脆性。几乎所有工业用钢都在一定程度上具有这类回火脆件，而且脆性的出现与回火时冷却速度的快慢无关。 第二类回火脆性：①指合金钢(含有Cr、Ni、Mn、Si等元素的合金钢)淬火并在450~650℃回火后产生低韧性的现象，也称为高温回火脆性。。。。。回火后缓冷促进回火脆性，而快冷抑制回火脆性。 (三)正火--是将工件加热至Ac3或Acm以上40~60℃，保温一段时间后，从 炉中取出在空气中或喷水、喷雾或吹风冷却的金属热处理工艺。 目的：——如果终锻温度比较高和锻造后冷却速度比较慢，会出现网状碳化物的缺陷。这种网状碳化物在球化退火时不易被消除，需要在球化退火前用正火工艺进行消除。 (四)退火——将钢加热到临界温度Ac1以上或以下温度，保温一定时间，然后缓慢冷却(如 炉冷、坑冷、灰冷等)获得接近平衡组织的热处理工艺称为退火 退火作用——退火过程使组织由非平衡向平衡过度，它可以均匀钢的化学成分及组织，消除铸造偏析，细化晶粒；消除内应力，稳定工件尺寸，减小变形，防止开裂；降低硬度，提高切削加工性能，一般硬度的最佳切削范围为170~230HB；提高塑性，便于冷变形加工；消除淬火后的过热组织以便再进行重新淬火；脱氢，防止白点等。6.5.3 退火工艺的分类
目录 第一章金属热处理课程设计简介 (1) 一、课程设计的任务与性质 (1) 二、课程设计的目的 (1) 三、设计内容与基本要求 (1) 四、设计步骤 (2) 第二章材料16Mn基本参数 (2) 一、16Mn材料简介 (2) 二、16Mn材料的性能及用途 (3) 三、16Mn材料化学成分 (3) 四、16Mn物理力学性能 (3) 第三章热处理工艺设计 (4) 一、16Mn热处理概述 (4) 二、16Mn热处理 (4) 三、基本参数确定 (9) 第四章 16Mn钢热处理分析 (10) 一、16Mn钢热处理后组织分析 (10) 二、16Mn钢热处理后材料性能检测 (13) 第五章设计与心得体会 (17) 参考文献 (19)
第一章金属热处理课程设计简介 一、课程设计的任务与性质 《金属热处理原理与工艺》课程是一门重要的专业课程，金属材料热处理工艺设计及实验操作是一种重要的教学环节，通过金属材料热处理工艺金相组织分析、性能检测等实验，可以培养学生掌握热处理实验方法、原理及相关设备，运用热处理的基本原理和一般规律对实验结果进行分析讨论，有助于强化学生解决问题、分析问题的能力。 二、课程设计的目的 1、课程设计属于《金属热处理原理与工艺》课程的延续，通过设计实践，进一步学习掌握金属热处理工艺设计的一般规律和方法。 2、培养综合运用金属学、材料性能学、金属工艺学、金属材料热处理及结构工艺等相关知识，进行工程设计的能力。 3.培养使用手册、图册、有关资料及设计标准规范的能力。 4.提高技术总结及编制技术文件的能力。 5.是金属材料工程专业毕业设计教学环节实施的技术准备。 三、设计内容与基本要求 设计内容：完成合金结构钢（16Mn）的热处理工艺设计，包括工艺方法、路线、参数的确定，热处理设备及操作，金相组织分析，材料性能检测等。 基本要求： 1.课程设计必须独立的进行，每人必须完成不同的某一种钢材热处理工艺设计，能够较清楚地表达所采用热处理工艺的基本原理和一般规律。 2.合理地确定工艺方法、路线、参数，合理选择热处理设备并正确操作。 3.正确利用TTT、CCT图等设计工具，认真进行方案分析。 4.正确运用现代材料性能检测手段，进行金相组织分析和材料性能检测等。 5.课程设计说明书力求用工程术语，文字通顺简练，字迹工整，图表清晰。 四、设计步骤 方案确定： 1.根据零件服役条件合理选择材料及提出技术要求。
低温钢概述 低温用钢的种类、成分及性能 低温用钢分4个温度级别：－20～40℃、－50～80℃、－100～110℃、－196～269℃。主要用于液化石油气及液化天然气等的贮存运输容器，以及海洋石油工程结构等。 1．中合金低碳马氏体型低温钢 合金元素总含量5％～10％，组织取决于热处理制度。9Ni钢为典型钢种，有两种常用热处理制度，一种是900℃正火加790℃正火加570℃回火；另一种是800℃水淬加570℃回火。淬火后组织为低碳马低体，正火后组织为低碳马氏体加铁素体加少量高碳奥氏体。9Ni钢在－196℃低温下具有优良的韧性。磷会增9Ni钢回火脆性的敏感性，应严格控制。5Ni钢主要通过化学成分的最佳化以及三级热处理方法来控制组织，使之在－162℃乃至－196℃低温下具有与9Ni 钢相近的强度和韧性。 2．高合金奥氏体型低温钢 合金元素总含量＞10％，组织为奥氏体，具有极为优良的低温韧性，在－196～296℃低温下仍保持相当高的韧性。含铬镍奥氏体型低温钢含Cr18%和 Ni9%，无铬镍奥氏体型低温钢含M23%～26％，A1%～4%，两者的低温钢韧性相近。一般均在固溶处理后使用。 低温钢锻件 表11-1 中国常用钢号 (一）20D 钢锻件 表11-2 钢的化学成分 表11-3 钢锻件的常温拉伸和低温冲击性能
表11-4 钢锻件的许用应力 （二）16MnD 钢锻件 表11-5化学成分 表11-6 钢锻件的常温拉伸和低温冲击性能 表11-7 钢锻件的许用应力 （三）09Mn2VD 钢锻件 表11-8化学成分 表11-9 钢锻件的常温拉伸和低温冲击性能
表11-10 钢锻件的许用应力 （四）09MnNiD 钢锻件 表11-11化学成分 表11-12 钢锻件的常温拉伸和低温冲击性能 表11-13 钢锻件的许用应力 （五）16MnMoD 和20MnMoD 钢锻件 表11-14 钢的化学成分 表11-15 钢锻件的常温拉伸和低温冲击性能
钢铁材料（黑色金属） 纯铁（熟铁） 铸铁（生铁） 工业用钢 一．分类： 二．命名： 三．性能和应用： 四．成型方法： 五．钢铁生产过程 钢铁材料的力学性能和加工性能 力学性能： 加工性能： 钢铁材料性能的定性总结 型材成型与冷热加工 钢铁材料（黑色金属） 纯铁（熟铁） 含碳量小于0.04%，软、塑性好（可锻），容易变形，强度和硬度较低，用途不广。 铸铁（生铁） 主要由Fe、C、Si、Mn、P、S组成的合金，平均含碳量2.11%—4%，硬而脆、几乎没有塑性，力学性能较
差，只能用铸造的方法成型。 分类：（根据碳的存在形式不同分） 1.白口铸铁（白口生铁）：C是以游离碳化铁形式存在，断口呈亮白色。 ●特点：硬度高，脆性大，难加工； ●主要用途：炼钢、做可锻铸铁。 2.灰口铸铁（灰口生铁）：C主要以石墨的形式存在，断口呈灰色。 ●分类：（按石墨的存在形状分） 1)灰铸铁：石墨大部分为片层状 命名：“HT”+“φ30mm试棒的最小抗拉强度（MPa）”，eg.HT300； 优点：铸造性能好、切削性能好、减震性能好、减磨性能好、价格低廉； 缺点：塑性差、韧性差、抗拉强度低、焊接性能差。 2)球磨铸铁：石墨大部分为球状 命名：“QT”+“最低抗拉强度—最低伸长率”，eg.QT600-3； 特点：强度高（和钢差不多）、工艺要求高。 3)蠕墨铸铁：石墨大部分为蠕虫状 命名：“RuT”+“最低抗拉强度”，eg.RuT300； 特点：兼具灰铸铁和球墨铸铁的性能。 4)可锻铸铁（玛钢或马铁）：对白口铸铁加热到900°C—980°C后长时间保温并分阶段石 墨化，使其内部石墨变成团絮状得来，其实并不能锻造，现已少用。 工业用钢 将生铁进一步冶炼降低含碳量（一般在0.04%—2.11%）、减少杂质元素或加入一些合金元素得到。在保证有害杂质不超标和采用合适的热处理工艺的情况下，影响钢性能的主要因素是含碳量与合金元素含量。 一、分类： 1.按用途分：结构钢、工具钢、专门用途钢、特殊性能钢； 2.按含碳量的多少分：低碳钢（0.04%—0.25%）、中碳钢（0.25%—0.6%）、高碳钢（0.6%—2.11%）； 3.按有害杂（S，P）质含量的多少分：普通质量钢、优质钢、高级优质钢； 4.按合金元素含量的多少分：非合金钢、低合金钢、合金钢； 5.按成型方法分：锻钢、铸钢、热轧钢、冷拉钢。 二、命名：按第4种分类方法进行命名 有产品牌号和统一数字代号两种命名方式。 1.非合金钢（碳素钢） ●碳素结构钢： 产品牌号：“Q（屈）”+“屈服点值”+“质量等级（A、B、C、D，其中D最高）”+“〃脱氧程度F（沸腾钢）、b（半镇静钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）”，eg.Q235A〃F。 ●优质碳素结构钢： 产品牌号：两位数字表示钢的平均含碳量，以万分之几来计。分普通含锰量的优质碳素结构钢（eg.45）和较高含锰量的优质碳素结构钢，eg.45Mn。 统一数字代号：U+xxxxx ●碳素工具钢： 产品牌号：“T（碳）”+“平均碳的质量分数，以千分之几计”+“质量等级（A）”，eg.T12A。 ●铸造碳钢： 产品牌号：“ZG（铸钢）”+“屈服点+抗拉强度”，eg.ZG200-400。
低温钢材的韧性要求 （1）试验方法 低温压力容器及其受压元件所采用的钢材，必须进行低温夏比（V形缺口）冲击 试验。 钢材的冲击试验方法，应符合GB 4159《金属低温夏比冲击试验方法》的有关规定。冲击试样按GB 2106《金属夏比V形缺口冲击试验方法》规定的 10mm×10mm×55mm标准试样。若无法制备标准试样时，也可采用 7.5mm×10mm× 55mm、5mm×10mm×55mm的小尺寸试样，小尺寸试样的试样宽度一般应不小于钢材名义厚度的80%。试样的缺口应沿厚度方向（棒材沿 径向）切取，并以3个试样为1组。 （2）取样规则 根据需要，钢材可按批进行冲击试验取样，其分批要求及试样截取应遵循以下规 定。 ①钢板每批钢板由同一牌号、同一炉罐号、同一规格和同一热处理制度组成。每批钢板质量按厚度分类：6-16mm钢板应不大于15t；大于16mm钢板应不大于25t。每批取1组试样，试样方向为横向。 ②钢管每批钢管由同一牌号、同一炉罐号、同一规格和同一热处理制度组成。每批钢管按直径分类：外直径大于351mm的钢管每批不超过50根；外 直径小于或等于351mm 的钢管每一批不超过200根。在每批中的任意两根钢管上各取1组试样。 用于制造容器圆筒，且厚度大于16mm的钢管，按批抽10%，且不少于两根， 每根取1组试样。 取样位置应靠近钢管内壁，一般为纵向，对大直径厚壁管可沿切向取样。缺口应 沿厚度方向切取。 ③锻件按照JB 4727《低温压力容器用碳素钢和低合金锻件》规定的取样数 量和取样部位切取试样。 ④钢棒每批钢棒由同一牌号、同一炉罐号、同一尺寸、同炉热处理组成。在经最终热处理的每批钢棒中任选两根，各取1组试样。试样方向为纵向，试样的 纵轴应尽量位于钢棒半径的1/2处。 （3）试验温度 低温压力容器用钢的冲击试验温度必须小于或等于容器或其受压元件的设计温度。当容器或其受压元件使用在低温应力工况时，钢材的冲击试验温度必须小于 或等于调整后的设计温度。 （4）冲击功指标 钢材试验温度下的冲击功指标，按钢材标准规定的最低抗拉强度确定，具体要求必须满足表13-4的规定。小试样的冲击功指标根据试样宽度按比率缩减。
1、热处理 定义：把固态金属材料通过一定的加热，保温和冷却以改变其组织和性能的一种工艺。 目的及意义：金属材料改变性能的方法，改变使用性能和工艺性能，充分利用材料的潜能，控制产品质量，节省资源和材料，缩短生产周期、降低成本 2、固态相变 定义：成分、温度、压力等因素改变时，固态物质内部发生的组织结构变化。 研究意义：控制过程→获得预期的组织→得到预期性能。 三种基本变化：成分；结构；有序度 主要特点：相变阻力大，相界面结构关系，存在一定的位向关系和惯习面，非均匀、缺陷处形核，新相有特定形状`，原子迁移率低 驱动力：新/旧两相自由能差,晶体缺陷能 阻力：1，界面能 界面能产生原因：界面有一定厚度和体积；原子错排；结合键受破坏→能量高 三种界面类型：完全共格：界面原子完全匹配，除孪晶外，少见。半共格：界面能与位错密度、错配度有关，借助弹性畸变保持界面的匹配。非共格：界面能最大 2，应变能 产生原因：新/旧相比容不同（比容差应变能）。界面错配→新/旧相硬匹配（共格应变能） 共格界面应变能最大，非共格最小 比容差应变能与新相几何形状有关，球形应变能最大，针状居中，片状最小 3、奥氏体 性能 ←力学性能：塑性好、强度低。 ←物理性能：顺磁性。比容小。热膨胀系数大。导热性能差。 ←化学性能:抗腐蚀；耐热。 形成条件：（1）Ac1、Ac3、Accm以上，有一定的过热度。（2），过热度大，容易形成（3），实际相变温度与加热速度有关，不是固定值，加热速度越快，Ac1、Ac3、Accm越高。 奥氏体形成 （1）形核 ←球化体：优先在晶界的F/碳化物界面上形成，其次在晶内的F/碳化物界面上形成 ←片状P：优先在P团的界面上形成，其次在F/碳化物界面上形成 ←相界形核原因 碳浓度起伏，如F中高浓度区有利于向A转变 结构起伏→晶体结构改组容易 能量起伏→杂质、晶体缺陷多→形核→降低界面能、应变能 （2）长大 ←球化体：A包围碳化物，使碳化物与F分开，A形成F/A和C/A两个界面，双向推进长大。 ←片状P：垂直片方向（在A、F中存在碳浓度差，引起碳在以上两相中的扩散。为维持相界碳浓度的平衡，原始组织F和碳化物相就会不断溶解）。示意图 平行片方向（体扩散+界面扩散） 界面迁移路程短，是主要长大方式→平行方向长大速度快 （3）残余碳化物的溶解（4）奥氏体成分均匀化 影响A形成速度的因素 （1），加热温度：T↑→A化速度↑。（2），加热速度：V↑→转变温度↑，转变时间↓。 （3），含碳量
低温钢 steels for low temperature service 适于在0℃以下应用的合金钢。能在-196℃以下使用的，称为深冷钢或超低温钢。低温钢主要应具有如下的性能：①韧性－脆性转变温度低于使用温度；②满足设计要求的强度； ③在使用温度下组织结构稳定；④良好的焊接性和加工成型性；⑤某些特殊用途还要求极低的磁导率、冷收缩率等。低温钢按晶体点阵类型一般可分为体心立方的铁素体低温钢和面心立方的奥氏体低温钢两大类。 铁素体低温钢一般存在明显的韧性－脆性转变温度，当温度降低至某个临界值（或区间）会出现韧性的突然下降。附图表示含碳0.2％碳钢冲击值与温度的关系,其转变温度在-20℃左右。因此，铁素体钢不宜在其转变温度以下使用，一般需加入Mn、Ni等合金元素，降低间隙杂质，细化晶粒，控制钢中第二相的大小、形态和分布等,使铁素体钢的韧性-脆性转变温度降低（见金属的强化）。 铁素体低温钢按成分分为三类：①低碳锰钢(C0.05～0.28％,Mn0.6～2％)。使Mn/C≈10，降低氧、氮、硫、磷等有害杂质，有的还加入少量铝、铌、钛、钒等元素以细化晶粒。这类钢最低使用温度为－60℃左右。②低合金钢。主要有低镍钢(Ni2～4％)、锰镍钼钢(Mn0.6～1.5％, Ni0.2～1.0％，Mo0.4～0.6％，C≤0.25％)、镍铬钼钢(Ni0.7～3.0％，Cr0.4～2.0％，Mo0.2～0.6％，C≤0.25％)。这些钢种的强度高于低碳钢，最低使用温度可达-110℃左右。中国研制了几种节镍的低温用低合金钢如09Mn2V等。③中（高）合金钢。主要有6％Ni钢、9％Ni钢、36％Ni钢，其中9％Ni钢是应用较广的深冷用钢。这类高镍钢的使用温度可低至-196℃。 奥氏体低温钢具有较高的低温韧性，一般没有韧性－脆性转变温度。按合金成分不同，可分为三个系列：①Fe-Cr-Ni系。主要为18-8型铬镍不锈耐酸钢。这种钢低温韧性、耐蚀性和工艺性均较好，已不同程度地应用于各种深冷(-150～269℃)技术中。②Fe-Cr-Ni-Mn和Fe-Cr-Ni-Mn-N 系。这类钢种以锰、氮代替部分镍来稳定奥氏体。氮还有强化作用，使钢具有较高的韧性、极低的磁导率和稳定的奥氏体组织，适用于作超低温无磁钢（即材料的磁导率很小）。如0Cr21Ni6Mn9N和0Cr16Ni22Mn9Mo2等在-269℃作无磁结构部件。③Fe-Mn-Al 系奥氏体低温无磁钢。是中国研制的节约铬、镍的新钢种，如15Mn26Al4等可部分代替铬镍奥氏体钢,用于-196℃以下的极低温区。如能改善这种钢的抗化学腐蚀能力，还可扩大其应用范围。 使用范围低温钢在石油气深冷分离设备中，绝大部分的最低使用温度为-110℃,个别设
耐低温钢的分类文件排版存档编号：[UYTR-OUPT28-KBNTL98-UYNN208]
铁素体低温钢铁素体低温钢一般存在明显的韧性－脆性转变温度，当温度降低至某个临界值（或区间）会出现韧性的突然下降。附图表示含碳％碳钢冲击值与温度的关系,其转变温度在-20℃左右。因此，铁素体钢不宜在其转变温度以下使用，一般需加入Mn、Ni等合金元素，降低间隙杂质，细化晶粒，控制钢中第二相的大小、形态和分布等,使铁素体钢的韧性-脆性转变温度降低（见金属的强化）。 铁素体低温钢按成分分为三类 ①低碳锰钢 低碳锰钢～％,～2％)。使Mn/C≈10，降低氧、氮、硫、磷等有害杂质，有的还加入少量铝、铌、钛、钒等元素以细化晶粒。这类钢最低使用温度为－60℃左右。 ②低合金钢 低合金钢。主要有低镍钢(Ni2～4％)、锰镍钼钢～％,～％，～％， C≤％)、镍～％，～％，～％，C≤％)。这些钢种的强度高于，最低使用温度可达-110℃左右。中国研制了几种节镍的低温用低合金钢如09Mn2V等。 ③中（高）合金钢 中（高）合金钢。主要有 6％Ni钢、9％Ni钢、36％Ni钢，其中9％Ni 钢是应用较广的深冷用钢。这类高镍钢的使用温度可低至-196℃。
奥氏体低温钢 奥氏体低温钢具有较高的低温韧性，一般没有韧性－脆性转变温度。按合金成分不同，可分为三个系列： ①Fe-Cr-Ni系 Fe-Cr-Ni系。主要为18-8型铬镍不锈耐酸钢。这种钢低温韧性、耐蚀性和工艺性均较好，已不同程度地应用于各种深冷(-150～269℃)技术中。 ②Fe-Cr-Ni-Mn和Fe-Cr-Ni-Mn-N 系 Fe-Cr-Ni-Mn和Fe-Cr-Ni-Mn-N 系。这类钢种以锰、氮代替部分镍来稳定奥氏体。氮还有强化作用，使钢具有较高的韧性、极低的磁导率和稳定的奥氏体组织，适用于作超低温无磁钢（即材料的磁导率很小）。如 0Cr21Ni6Mn9N和0Cr16Ni22Mn9Mo2等在-269℃作无磁结构部件。 ③Fe-Mn-Al系奥氏体低温无磁钢 Fe-Mn-Al系奥氏体低温无磁钢。是中国研制的节约铬、镍的新钢种，如15Mn26Al4等可部分代替铬镍奥氏体钢,用于-196℃以下的极低温区。如能改善这种钢的抗化学腐蚀能力，还可扩大其应用范围。 使用范围 低温钢在石油气深冷分离设备中，绝大部分的最低使用温度为-110℃,个别设备中达-150℃,可分别采用低合金钢、3～6％镍钢或 9％镍钢。在空气分
钢的热处理工艺知识大全 热处理是将固态金属或合金采用适当的方式加热、保温和冷却以获得所需要的组织结构与性能的工艺。 热处理工艺它能提高零件的使用性能，充分发挥钢材的潜力，延长零件的使用寿命，此外，热处理还可改善工件的工艺性能、提高加工质量、减小刀具磨损。 钢的热处理方法可分为：退火、正火、淬火、回火及表面热处理等五种。 热处理方法虽然很多，但任何一种热处理工艺都是由加热、保温和冷却三个阶段所组成的，因此，热处理工艺过程可用在温度一时间坐标系中的曲线图表示，如下图所示，这种曲线称为热处理工艺曲线。 一、退火 将钢加热到适当温度，保持一定时间，然后缓慢冷却(一般随炉冷却)的热处理工艺称为退火。 退火的主要目的是： (1)降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工。 (2)细化晶粒，均匀钢的组织及成分，改善钢的性能或为以后
的热处理作准备。 （3）消除钢中的残余内应力，以防止变形和开裂。常用的退火方法有完全退火、球化退火、去应力退火等几种。 （1）完全退火完全退火是将钢加热到完全奥氏体化（AC3 以上 30?50C）,随之缓慢冷却，以获得接近平衡状态组织的工艺方法。 在完全退火加热过程中，钢的组织全部转变为奥氏体，在冷却过程中，奥氏体变为细小而均匀的平衡组织（铁素体+珠光体），从而达到降低钢的硬度、细化晶粒、充分消除内应力的目的。 完全退火主要用于中碳钢及低、中碳合金结构钢的铸件、锻件、热轧型材等，有时也用于焊接结构件，过共析钢不宜采用完全退火，因过共析钢完全退火需加热到AS以上，在缓慢冷却时，钢中将析出网状渗碳体，使钢的力学性能变坏。 （2）球化退火是将钢加热到AG以上20?30C,保温一定时间，以不大于50C /H的冷却速度随炉冷却下来，使钢中碳化物呈球状的工艺方法。 球化退火适用于共析钢及过共析钢，如碳素工具钢、合金工具钢、轴承钢等。这些钢在锻造加工后进行球化退火，一方面有利于切削加工，同时为最后的淬火处理作好组织准备。 （3）去应力退火是将钢加热到略低于A i的温度（一般取500? 650C）,保温一定时间后缓慢冷却的工艺方法，其目的是消除由于塑性变形、焊接、切削加工、铸造等形成的残余应力。 工件和零件中存在的内应力是十分有害的，如不及时消除，会在加工和使用过程中发生变形，影响其精度，因此，铸造、锻造、焊接及切削加
钢铁材料概述及其应用 钢铁是铁与碳、硅、锰、磷、硫以及少量的其他元素所组成的合金。其中除铁外，碳的含量对钢铁的机械性能起着主要作用，故统称为铁碳合金。它是工程技术中最重要、用量最大的金属材料。 钢铁工业是最重要的基础工业，是其他工业发展的物质基础。钢铁工业的发展也有赖于煤炭工业、采掘工业、冶金工业、动力、运输等工业部门的发展。由于钢铁工业与其他工业的关系十分密切，因此许多国家都把发展钢铁工业放在十分重要的地位。 2007年，全球钢铁产量达13.45亿吨。其中我国铁、钢、材产量分别达到4.69 亿吨、4.89亿吨和5.65 亿吨。占全球钢产量份额由 2000年的 15.0%，提高到了 2007年的36.4%。 钢铁按化学成分分类可分为碳素钢和合金钢。碳素钢是指钢中除铁、碳外，还含有少量锰、硅、硫、磷等元素的铁碳合金，按其含碳量的不同可分为：低碳钢（wc≤0.25%）、中碳钢（0.25%
热处理工艺及设备概述 热处理工艺： 热处理是一种很重要的金属加工工艺方法，也是充分发挥金属材料性能潜力的重要手段。热处理的主要目的是改变钢材的性能，其中包括实用性能工艺性能。钢的热处理工艺特点是将钢加热到一定的温度，经一定时间的保温，然后以某种速度冷却下来，通过这样的过程能使钢的性能发生改变。 热处理之所以能使钢的性能发生显著变化，主要是由于钢的内部组织结构可以发生一系列变化。采用不同的热处理工艺过程，将会使钢得到不同的组织结构，从而获得所需要的性能。 钢的热处理基本方法有以下几种：
（一）钢的热处理工艺 （1）退火与正火 将工件加热到一定温度后保温，然后缓慢冷却（通常随炉冷却）的热处理工艺，称为退火。根据不同目的，可以将工件加热到昨临界温度以上退火，例如完全退火、不完全退火、球化退火；也可以在临界温度以下退火，例如再结晶退火、去应力退火等。 正火与退火相似，区别在于正火的加热温度较高（临界温度以上），冷却速度较快（通常在空气中冷却），因此正火后工件组织细密，强度、硬度都比退火高。生产中常使用正火或退火来消除铸件、锻件热处理件和轧材的组织缺陷，细化均匀组织，消除残余应力，调整硬度，以利于切削加或进一步热处理。 （2）淬火和回火 淬火是将工件加热到临界温度以上保温后快速冷却（通常水冷或油冷）的热处理工艺。其目的在于获得高硬度的马氏体等组织，并配以不同温度的回火，从而赋予工件所需要的组织和性能。所谓回火，则是淬火工件低于临界的重新加热、保温、冷却（一般空冷）的热处理工艺。尺寸不大、形状简单的非合金钢零件，可用一定配方的盐水作为淬火冷却的冷却介质；全金钢零件淬火介质可用矿物油，以避免过快冷却使工件产生过大的内应力导致裂纹。
钢铁材料的特点 在经历了代用材料的强烈冲击后，人们通过对各种材料的比较，认识到在目前钢铁材料仍然是量大面广的材料。在可预见的未来，还没有任何一种材料能够全面取代钢铁材料，钢铁材料仍将是人类社会占据主导地位的最重要的结构材料，是人类社会和经济发展的物质基础。与其他材料相比，钢铁材料具有以下显著特占. 八、、? (1)良好的综合力学性能。钢铁材料组织性能调幅范围非常宽，目前钢铁 材料的强度范围在几百至几千兆帕内，并且具有良好的塑性和韧性，可以很容易地将其加工成任意形状，满足各领域的需求，是机械系统的首选材料。 (2)质量稳定，价格低廉。钢铁材料是相对比较成熟的材料，人类对钢铁材料的研究与利用已有1500多年的历史。在钢铁材料设计、生产管理以及组织性能控制等方面积累了丰富的经验。钢铁材料的产量目前仅次于水泥，且质带稳定，价格低廉。 (3)资源丰富。钢铁材料的最大特点是资源丰富，其分布遍及世界各地，在地壳中含有约4.2%(质量分数)的铁，为人类社会可持续发展奠定了基础。 (4)回收率高。钢铁材料的回收率可达到90%以上。回收材料的使用不单 单是钢铁资源的循环使用问题，使用回收材料还可以降低Co:的产生，有利于环境保护。钢铁材料作为国民经济的基础材料，其加工、使用以及回收处理要考虑到对环境的影响。由于钢铁材料在今后相当长的时间内仍是最重要的结 构材料，并且其性能大有潜力可挖，因此，钢铁材料不仅关系到国家的经济发展，同时也起到了维护国家安全的重要作用。钢铁材料应用几乎涉及人类社会各个领域，高层建筑、深层地下和海洋设施、大跨度重载桥梁、轻型节能汽车、高速船舶、石油开采和长距离油气输送管线、大型储存容器、工程机械、精密仪器、航空航天、高速铁路、能源设施等国民经济的各个领域都需要综合性能优异、使用寿命长以及成本低的钢铁材料。此外，人类社会的发展对钢铁材料的生产、加工、使用和回收等环节提出了节约能源、节约资源、满足可持续发展战略的要求，因此在保持钢铁材料低成本和易回收等特点的基础上，提高钢铁材料的强度和寿命，开发新一代钢铁材料引起了世界各国的高度重视。 本文来自： 1
我国在此是以钢材的用途分类作为表示方法分类的基础: 1)碳素结构钢: 表不方法:Q十数字十(质量等级符号)十(脱氧方法符号)十(专门用途的符号) ①钢号冠以“Q”，代表钢材的屈服点; ②“Q”后面的数字表屈服点数值，单位是MPa。例如Q235表T屈服点(σs)为235 MPa的碳素结构钢： ③必要时钢号后面可标出表质量等级和脱氧方法的符号。质量等级符号分别为A, B, C, D。 脱氧方法符号：F表示沸腾钢；b表示半镇静钢：Z表示镇静钢；TZ表示特殊镇静钢，镇静钢可不标符号，即Z和TZ都可不标。例如Q235-AF表示A级沸腾钢。 专门用途的碳素钢：例如桥梁钢、船用钢等，基本上采用碳素结构钢的表示方法，但在钢号最后附加表示用途的字母。 2)优质碳素结构钢 表示方法：数字十(元素符号)十(脱氧方法符号)十(专门用途的符号) ①钢号开头的两位数字表示钢的碳含量，以平均碳含量的万分之几表示，例如平均碳含量为0. 45%的钢，钢号为“45 "，它不是顺序号，所以不能读成45号钢。 ②锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰儿素标出，例如50Mn。 ③沸腾钢、半镇静钢及专门用途的优质碳素结构钢应在钢号最后特别标出，例如平均碳含量为0. 1%的半镇静钢，其钢号为10b。 3)碳素工具钢 表示方法:字母十数字十(元素符号)十(质量等级符号) ①钢号冠以“T"，以免与其它钢类相混。 ②钢号中的数字表示碳含量，以平均碳含量的千分之几表示。例如“T8”表示平均碳含量为0. 8%。 ③锰含量较高者，在钢号最后标出“Mn "，例如“T8Mn "。 ④高级优质碳素工具钢的磷、硫含量，比一般优质碳素工具钢低，在钢号最后加注字母“A"，以示区别，例如"T8MnA"。
实验一钢的热处理 一、实验目的 1．了解钢的基本热处理（退火、正火、淬火及回火）工艺方法。根据工件的加工及使用性能要求，制定热处理工艺规范。 2．了解不同的热处理工艺所获得的不同组织和性能。 3．分析淬火及回火温度对钢性能的影响。 4．了解洛氏硬度试验机的主要结构及操作方法。 二、实验材料及设备 1．碳钢试样（45钢）。 2．热处理炉、洛氏硬度计、金相砂纸等。 三、概述 热处理的主要目的是改变金属材料的性能。钢的热处理基本工艺方法可分为退火、正火、淬火和回火等。 1．退火 完全退火：用于亚共析钢，将钢加热到Ac3以上30~50℃，保温一定时间后，随炉缓慢冷却（或埋在砂中或石灰石中冷却）至500℃以下在空气中冷却，得到铁素体和粗片状珠光体。 球化退火：主要用于共析钢、过共析钢，将钢加热到Ac1以上20~30℃，保温一定时间，然后以不大于50℃/h的冷却速度随炉冷却，得到球状珠光体组织。 2．正火 将钢加热到Ac3或Accm以上30~50℃，保温一定时间后，在空气中冷却，得到细片状珠光体组织。 3．淬火 将钢加热到Ac3或Ac1以上30~50℃，保温一定时间，然后在淬火介质中快速冷却（大于临界冷却速度），得到马氏体组织。 （1）淬火加热温度选择 亚共析钢：淬火加热温度为Ac3以上30~50℃。 共析钢、过共析钢：淬火加热温度为Ac1以上30~50℃。 常用钢种的临界温度见表1。 （2）保温时间的确定 加热保温时间与钢的成分、工件的形状、尺寸及加热介质、加热方法等因素有关。可按下列经验公式计算： T= a ?δ 式中：T—保温时间（min） a—加热系数（min /mm） δ—工件有效厚度（mm） —1—
第四章钢铁材料教案
使共晶体溶化，变脆开裂，这种现象称为热脆。所以钢中的硫必须严格控制。钢中加锰，可消除硫的有害作用，因Mn与S能形成MnS，熔点达1620℃，高温下塑性好的MnS呈点状分布，避免热脆的影响。 4）磷的影响 磷也是一种有害杂质，它部分溶于铁素体中，部分形成脆性很大的化合物Fe3P，使室温下钢的塑性、韧性急剧下降，脆性转变温度升高，使钢变脆，这种现象称为冷脆性。磷也使钢的焊接性能变坏。虽然磷在改善切削性及抗腐蚀性方面对钢有好处，但相对于明显的不利方面，一般钢中都需严格控制磷的含量。 另外，氧、氢等对钢的性能带来不利影响，是有害杂质。 二、合金元素在钢中的主要作用 一）对钢基本相的影响 1、强化铁素体 2、形成合金化合物 二）对相图的影响 三）对钢热处理的影响 2. 碳素钢的分类及牌号 碳素钢的种类很多，常按以下方法分类。 （1）按钢的化学成分分类 碳素钢：低碳钢（0.0218%＜wC≤0.25%）； 中碳钢（0.25%＜wC≤0.60%）； 高碳钢（0.60%＜wC≤2.11%〉。 合金钢：低合金钢 中合金钢 高合金钢 （2）按钢的主要质量等级分类 普通质量碳素钢（wS≤0.050%,wP≤0.045%）； 优质碳素钢（wS≤0.035%，wP≤0.035%） 高级优质钢； 特殊质量碳素钢（wS≤0.020%，wP≤0.020%） (3) 按钢的用途分类 碳素结构钢：主要用于制作机械零件和工程构件，一般属于低、中碳钢； 碳素工具钢：主要用于制作量具、刃具和模具，一般属于高碳钢。 特殊性能钢：工程中常用的特殊性能钢有耐磨钢、耐热钢、不锈钢等。 此外，钢按冶炼方法不同，可分为转炉钢和电炉钢；按冶炼时脱氧程度的不同，可分为沸腾钢、镇静钢、半镇静和特殊镇静钢等。 一、碳素钢： 含碳量大于0.0218％小于2.11％，且不含特意加入合金元素的铁碳合金，称为碳素钢或非合金钢，简称碳钢。碳素钢具有良好的力学性能和工艺性能，且冶炼方便，价格便宜，故在机械制造、建筑、交通运输等许多工业部门中得到广泛的应用 1.碳素结构钢 碳素结构钢的杂质和非金属夹杂物较多，但冶炼容易，工艺性好，价格便宜，产量大，在性能上能满足一般工程结构及普通零件的要求，因而应用普遍。碳素结构钢
一、教学目的及要求 通过本章学习，使学生理解热处理的基本概念，掌握钢的加热转变和冷却转变的基本规律及特点。掌握并了解钢的常用热处理工艺，并能够运用过冷奥氏体转变曲线进行热处理工艺分析。 二、主要内容 1．热处理的基本概念 2．钢在加热和冷却时的组织转变及转变产物的形态和性能特点 3．钢的退火和正火，钢的淬火和回火 4．钢的表面淬火和化学热处理 三、学时安排 讲课8学时，实验5学时。 四、教学重点 1．钢在加热和冷却时的组织转变及转变产物的形态和性能特点 2．常用热处理工艺及应用 五、教学难点 1．钢的过冷奥氏体转变 2．钢的热处理工艺及应用 3．钢的淬透性的概念 六、教学过程 本篇（六、七章）讨论钢的热处理原理和热处理基本类型、含义、工艺要点及应用。 热处理概述 1．定义：指将材料在固态下加热到一定温度，保温一定时间，以适当速度 冷却，以获得所需组织结构和性能的工艺方法。
2．热处理的工艺过程。包括三个阶段：加热、保温和冷却，如图所示。 加热：热处理的第一道工序。不同的材料，其加热工艺和加热温度都不同。 保温：目的是要保证工件烧透，防止脱碳、氧化等。保温时间和介质的选择与工件的尺寸和材质有直接的关系。一般，按每分种1～2毫米计算；工件越大，材料的导热性越差，保温时间就越长。 冷却：最后一道工序，也是最重要一道工序。冷却速度不同，工件热处理后的组织和性能不同，如表所示： 组材料成份－加工工艺－组织结构－材料性能四者相互依存。 3．目的和作用 在工业生产中，热处理的应用很广泛。据统计，在机床制造中，约60%～70%的零件要经过热处理，在汽车、拖拉机制造中，需要热处理的零件多达70%～80%，而工模具及滚动轴承，则要100%进行热处理。总之，凡重要的零件都必须进行适当的热处理才能使用。 目的：一是提高材料的使用性能，延长零件的使用寿命。二是改善材料的工艺性能，确保后续加工的顺利进行。其共同点是：只改变内部组织结构，不改变表面形状与尺寸。 4．基本类型 （1）根据加热和冷却方式，以及组织和性能特点的不同分类（见教材） （2）按热处理在零件生产工艺过程中的位置和作用不同分类 预备热处理：是零件加工过程中的一道中间工序（也称为中间热处理），其目的是改善锻、铸毛坯件组织、消除应力，为后续的机加工或进一步的热处理作准备。 最终热处理：是指能赋予工件使用性能的热处理，其目的是使经过成型工艺达到要求的形状和尺寸的零件达到所需要的使用性能。
钢的热处理 班级：姓名：学号：得分： 1.热处理就是在固态下，将金属以一定的加热速度加热到预定温度，保温一定的时间， 再以预定的冷却速度进行冷却的综合工艺方法。 热处理过程中，金属形状没有明显变化，但是在加热和冷却过程中，其内部发生了组 织或相的转变，性能相应也发生变化。加热温度、保温时间、冷却速度是热处理过程 中的三个主要工艺参数。改变工艺参数就可以得到不同的性能，其原因是不同工艺参 数下的热处理得到不同的组织，从而获得不同的性能。 2. 热处理的主要作用热处理的主要作用有以下几个方面： ⑴改变工件的内部组织 例如，钢退火可以得到硬度较低的珠光体组织，而淬火可以得到高硬度的马氏体组织。 ⑵改变工件的性能，便于切削加工，或者满足工件使用性能的要求 例如，低碳钢太软不利于切削，切削过程中容易粘刀，可以进行正火处理以提高其硬 度，改善切削加工性能。又例如，调质钢经过调质处理后可以得到强度、硬度较高， 塑性、韧性也较好，也就是较好的综合机械性能，满足一般工件的使用要求。 ⑶改变工件表层的成分、组织、性能 例如，汽车汽缸的激光表面淬火可以提高其工作表面的硬度和耐磨性，延长其使用寿 命。又例如低碳钢经过渗碳处理后表层含碳量可以达到1%左右，提高工件表面硬度和 耐磨性。⑷. 热处理可以消除铸造、锻造、焊接等加工工艺过程中所造成的多种缺陷 例如，细化晶粒、消除偏析、降低内应力，使钢的组织、性能更加均匀等。 总之，热处理工艺不仅可以强化材料、充分挖掘材料性能潜力、降低结构质量、节约 材料和能源，而且可以提高机械产品质量、大幅度延长机器零件的使用寿命。但是， 并非每种热处理工艺都可以完成以上所有作用，只能完成其中一种或多种作用。
钢的热处理基本知识
吴则豹
1、 概述
1.1 热处理的定义 指将钢在固态下加热、保温、冷却，以改变钢的内部组织结构，从而获得需 要的性能的一种工艺。 1.2 热处理的特点 只通过改变工件的组织来改变性能，不改变其形状。 1.3 热处理的适用范围 只适用固态下发生相变的材料。 1.4 热处理分类 （1）根据加热、冷却方式的不同及钢的组织变化特点的不同，将热处理工 艺分类如下： 普通热处理：退火、正火、淬火和回火 表面热处理：表面淬火、化学热处理 其他热处理：真空热处理、形变热处理、激光热处理 （2）根据在零件生产过程中所处的位置和作用不同来分类 预备热处理：清除前道工序的缺陷，改善其工艺性能，确保后续加工顺利进 行。 最终热处理：赋予工件所要求的使用性能的热处理。
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1.5 热处理原理 描述热处理时钢中组织转变的规律——铁碳相图。
1.6 钢铁材料中的各相 1.6.1 铁素体 A、 晶体结构类型：碳在 α 铁中的固溶体，bcc；溶碳能力最小,最大为
0.02%; B、 ⑴、 ⑵、 C、 生成区间： 高温区：1395℃~1534℃，δ-铁素体 低温区：910℃以下；α-铁素体 性 能 ： HB=80-120,σb=250N/mm^2; 而 塑 性 和 韧 性 很
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好,δ=50%,ψ=70-80%.冷加工后由于晶格破碎， 位错密度增加极易产生加 工硬化现象。 1.6.2 奥氏体 A、 B、 晶体结构类型： 碳在 γ 铁中的固溶体， fcc； 最高溶碳量为 2.06%。 生成区间：碳素钢从 723~1493℃，在实际热处理生产过程中由
于过冷度的作用会残存部分奥氏体，高碳高合金钢中尤其如此。奥氏 体属于高温稳定相，室温下通常为亚稳态。 C、 性能：强度和硬度低,HB=170-220。通常在室温下不稳定：
⑴ 结构钢中在应力和温度的作用下会转变为马氏体，使工件变形； ⑵ 不锈钢中会出现孪晶，使工件变脆； ⑶ 锰钢中在应力作用下转变为马氏体，使工件变硬； ⑷ 改变高合金钢的回火特性。 高温合金和某些不锈钢、锰钢中的组织主要就是奥氏体。 1.6.3 碳化物 A 晶体结构类型：铁和碳的化合物(Fe3C)，含碳量为 6.67%。依据合
金碳化物和复合碳化物的种类分别有 fcc、六角（菱形） 、密排六方、三斜晶 系、四方晶系。碳在铁中溶解度很小,所以在常温下,钢铁组织内大部分的碳 都是以渗碳体或其他碳化物形式出现 。 B C 生成区间： 1147℃以下。 性能：硬度很高,HRC70-75,耐磨,脆性很大。
1.6.4 珠光体 A 珠光体是铁素体与碳化物的混合体，其形态有片状、球状（粒状） ；
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