工程材料-合金钢.

【概述】碳钢价格低廉，工艺性能好，力学性能可满足一般工程结构和机械零件的使用要求，是工业中用量最大的金属材料。与碳钢相比，合金钢具有许多优点，性能更优越，但加工工艺复杂，成本较高；铸铁材料虽然力学性能较低，但工艺性能良好，生产成本低，设备和工艺简单。本节主要介绍常用的合金钢和铸铁材料的分类、牌号、热处理工艺、组织结构、性能特点及用途。１合金元素在钢中的作用所谓合金钢是指在碳钢的基础上，有意识地加入一些合金元素的钢。常加入的元素有锰（Ｍｎ）、硅（Ｓｉ）、铬（Ｃｒ）、镍（Ｎｉ）、钼（Ｍｏ）、钨（Ｗ）、钒（Ｖ）、钛（Ｔｉ）、铌（Ｎｂ）、锆（Ｚｒ）、稀土（Ｒｅ）等。合金元素对钢的相变、组织和性能的影响取决于它们与钢中铁或碳的相互作用。1.1合金元素在钢中的存在形式和对基本相的影响合金元素在钢中可以两种形式存在：一是溶解于碳钢原有的相中，另一种是形成某些碳钢中所没有的新相。在一般的合金化理论中，按与碳亲合力的大小，可将合金元素分为碳化物形成元素与非碳化物形成元素两大类。常用的合金元素有以下几种：非碳化物形成元素：Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｓｉ、Ａｌ、Ｎ、Ｂ碳化物形成元素：Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ、Ｗ、Ｖ、Ｔｉ、Ｎｂ、Ｚｒ。稀土元素:一般用符号Ｒｅ表示。铁素体和渗碳体是碳钢中的两个基本相，合金元素加入钢中时，可以溶于铁素体内，也可以溶于渗碳体内。（１）形成合金铁素体非碳化物形成元素，如镍、硅、铝、钴等，以及与碳亲和力较弱的碳化物形成元素，如锰，主要溶于铁素体中，形成合金铁素体。合金元素溶于铁素体中，由于与铁的晶格类型和原子半径不同而造成晶格畸变；另外，合金元素易分布于位错线附近，对位错线的移动起牵制作用，降低位错的易动性，从而提高塑变抗力，产生固溶强化效果。（２）形成碳化物锰是弱碳化物形成元素，与碳的亲和力比铁强，可溶于渗碳体中，形成合金渗碳体（Ｆｅ，Ｍｎ）３Ｃ，这种碳化物的熔点较低、硬度较低、稳定性较差。铬、钼、钨属于中强碳化物形成元素，既能形成合金渗碳体.２合金钢的分类与编号２.１合金钢的分类合金钢种类繁多，为了便于生产、选材、管理及研究，根据某些特性，从不同角度出发可以将其分成若干种类。（１）按用途分类①合金结构钢：可分为机械制造用钢和工程结构用钢，主要用于制造各种机械零件、工程结构件等。②合金工具钢：按ＧＢ／Ｔ１２９９—２０００《合金工具钢》标准，可分为量具刃具钢、耐冲击工具钢、热作模具钢、冷作模具钢、无磁模具钢和塑料模具钢等。③特殊性能钢：可分为抗氧化用钢、不锈钢、耐磨钢、易切削钢等。（２）按合金元素含量分类①低合金钢：合金元素的总含量在５％以下。②中合金钢：合金元素的总含量在５％～１０％之间。③高合金钢：合金元素的总含量在１０％以上。（３）按金相组织分类①按平衡组织或退火组织分类可分为亚共析钢、共析钢、过共析钢和莱氏体钢。②按正火组织分类可分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢和奥氏体钢。（４）其他分类方法除上述分类方法外，还有许多其他的分类方法，如按工艺特点可分为铸钢、渗碳钢、易切削钢等；按质量可分为普通质量钢、优质钢和高级质量钢，其区别主要在于钢中所含有害杂质元素（Ｓ、Ｐ）的多少。２.２合金钢的编号（１）合金结构钢的牌号表示方法根据国家标准规定，合金结构钢的牌号用“两位数字＋元素符号＋数字”表示。元素符号前的两位数字表示钢的平均碳的质量分数ｗＣ，以万分之一为单位计。元素符号用合金元素的符号表示，其后面的数字表示该合金元素的质量分数，以百分之一为单位计。当ｗＭｅ＜１.５％时，只标明元素名称，不标明质量分数；当ｗＭｅ＝（１.５％～２.４％），（２.５％～３.４％），…时，则在元素符号后相应地标上２，３，４，…。如１５ＭｎＶ，表示碳的平均质量分数为０．１５％，锰、钒的平均质量分数均小于１.５％的合金结构钢。若为高级优质钢，则在钢的牌号末尾加上“Ａ”，如１８Ｃｒ２Ｎｉ４ＷＡ。对属于合金结构钢的滚动轴承钢，则采用另外的方法来表示其牌号。滚动轴承钢牌号的首位用“滚”或“滚”字的汉语拼音字首“Ｇ”来表示其用途，后面紧跟的是滚动轴承的常用元素“Ｃｒ”，其后面的数字则表示铬的平均质量分数，以千分之一为单位计。易切削钢牌号的表示方法与其相似，用“易”或“易”字的汉语拼音宇首“Ｙ”开头，后面和合金结构钢牌号表示方法无异;如易４０锰或Ｙ４０Ｍｎ，表示ｗＣ＝０．４０％，ｗＭｎ＜１．５％的易切削钢。（２）合金工具钢的牌号表示方法与合金结构钢的牌号表示方法相比，合金工具钢中合金元素的表示方法未变.如ＣｒＷＭｎ表示合金元素的平均质量分数ｗＣｒ、ｗＷ、ｗＭｎ均小于１．５％，合金工具钢中碳的含量表示方法则有所不同;当ｗＣ≥１．０％，不标出碳的质量分数，如ＣｒＷＭｎ钢。当ｗＣ＜１．０％时，用一位数字在最前面表示碳的质量分数，以千分之一为单位计，其后紧随合金元素;如９ＳｉＣｒ表示碳的质量分数平均为０．９％，ｗＳｉ、ｗＣｒ皆小于１．５％。高速工具钢碳的平均质量分数无论是多少，都不标出。如Ｗ１８Ｃｒ４Ｖ钢碳的平均质量分数在０．７％～０．８％之间。（３）特殊性能钢的牌号表示方法特殊性能钢牌号的表示方法与合金工具钢基本相同，如９Ｃｒ１８钢表示钢中碳的平均质量分数为０．９％，铬的平均质量分数为１８％。但不锈钢、耐热钢在碳的质量分数很低时，表示方法有所不同，当碳的平均质量分数≤０．０３％或≤０．０８％时，分别在第一个合金元素符号前冠“００”或“０”表示其碳的平均质量分数，如００Ｃｒ１７Ｎｉ１４Ｍ０２、０Ｃｒ１８Ｎｉ９钢等。由于耐磨钢零件经常是铸造成型后使用，其牌号最前面是“ＺＧ”，表示铸钢，紧随其后的是元素符号，然后是该元素的平均质量分数，以百分之一计，横杠后数字表示序号。如ＺＧＭｎ１３－１表示铸造高锰钢，锰含量平均为１３％，序号为１。３合金结构钢及其应用３.１低合金高强度结构钢（１）用途广泛用于桥梁、车辆、船舶、锅炉、高压容器、输油管、大型钢结构以及汽车、拖拉机、挖土机械等产品方面。在某些场合用低合金高强度结构钢代替碳素结构钢可减轻构件重量，保证使用可靠、耐久。（２）性能特点这类钢具有较高的强度，良好的塑性、韧性，良好的焊接性、耐蚀性和冷成形性，低的韧脆转变温度，适于冷弯和焊接。其强度显著高于相同碳含量的碳素结构钢，若用低合金高强度结构钢来代替碳素结构钢，可在相同受载条件下使重量减轻２０％～３０％。此外，它还具有更低的韧脆转变温度，这对在北方高寒地区使用的构件及运输工具（例如车辆、容器、桥梁），具有十分重要的意义。南京长江大桥３.２合金渗碳钢用于制造渗碳零件的钢叫做渗碳钢。（１）用途主要用于制造汽车、拖拉机上的变速齿轮、内燃机上的凸轮轴、活塞销等工作条件较复杂的机械零件，它们一方面承受强烈的摩擦磨损和交变应力的作用，另一方面又经常承受较强烈的冲击载荷作用。（２）性能特点钢件经渗碳、淬火和低温回火后，表面具有较高的硬度和耐磨性，心部具有足够的强度和韧性。渗碳炉渗碳件—传动齿轮３.３合金调质钢通常将需经淬火和高温回火（即调质处理）强化而使用的钢种称为调质钢。（１）用途广泛用于制造汽车、拖拉机、机床及其他机器上要求具有良好综合力学性能的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆、螺栓等。（２）性能特点合金调质钢应具备较高的淬透性，调质处理后具有高强度与良好塑性及韧性的配合，即具有良好的综合力学性能。调质件（螺杆）合金结构钢曲轴单缸汽车曲轴３.４合金弹簧钢（１）用途主要用于制造各种弹簧和弹性元件。（２）性能特点具有高的弹性极限和屈强比，以避免在高负荷作用下产生永久变形；具有高的疲劳极限，以防止产生疲劳破坏；具有一定的塑性和韧性，以防止在冲击载荷下发生突然破坏。３.５滚动轴承钢（１）用途主要用于制造各种滚动轴承的零件，如滚珠、滚柱、轴承内外套圈等。此外，其化学成分类似于低合金工具钢，因而，也可以用于制造某些刃具、量具、模具及精密构件。（２）性能特点具有高而均匀的硬度（６１～６５ＨＲＣ）和耐磨性；高的接触疲劳强度，轴承元件工作时受很大的交变接触应力（３０００～３５００ＭＰａ），往往发生接触疲劳破坏，易产生麻点或剥落；一定的韧性、淬透性及耐腐蚀性（对大气或润滑剂）。圆柱滚子轴承自动调心球轴承３.６易切削结构钢在钢中附加一种或几种合金元素，以提高其切削加工性，这类钢称为易切削钢。目前常用的附加元素有硫、铅、钙、磷等。硫在钢中与锰、铁可形成Ｍｎ、Ｓ、ＦｅＳ夹杂物，会中断基体的连续性，促使形成卷曲半径小而短的切屑，减少切屑与刀具的接触面积；还能起减摩作用，降低切屑与刀具之间的摩擦系数，并且使切屑不黏附在刀刃上。因此，硫能降低切削力和切削热，减少刀具磨损，提高表面光洁度和刀具寿命，改善排屑性能。４合金工具钢及其应用４.１量具刃具钢（１）用途主要用于制造低速切削刃具（如木工工具、钳工工具、钻头、铣刀、拉刀等）及测量工具（如卡尺、千分尺、块规、样板等）。（２）性能特点量具刃具钢要求具有高硬度（６２～６５ＨＲＣ）、高耐磨性、足够的强韧性、高的热硬性（即刃具在高温时仍能保持高的硬度）；为保证测量的准确性，要求量具刃具钢具有良好的尺寸稳定性。丝锥板牙４.２高速工具钢（１）用途高速钢主要用来制造中、高速切削刀具，如车刀、铣刀、铰刀、拉刀、麻花钻等。（２）性能特点①高硬度、高耐磨性：切削加工时刀具的刃部与工件之间发生强烈摩擦，故一般要求硬度大于６０ＨＲＣ。②高热硬性（又称红硬性）：热硬性是指钢在高温下仍能维持高硬度的能力。热硬性的高低与回火稳定性和碳化物的弥散沉淀等有关。③具有一定的强度、韧性和塑性：以免刃具在冲击、震动载荷作用下崩刃或断裂。高速钢冷轧钢带高速钢形材４.３冷作模具钢（１）用途冷作模具钢主要用于制造接近室温状态（低于２００～３００℃）下对金属进行变形加工的模具，如冷冲模、冷镦模、冷挤压模以及拉丝模、滚丝模、搓丝模等。（２）性能特点冷作模具工作时，刃口部位承受很大的压力、冲击力，模具的工作部分与坯料之间产生强烈的摩擦。因此，冷作模具钢要求有较高的硬度和良好的耐磨性，以及足够的强度和韧性。对于高精度模具要求热处理变形小，大型模具要求具有良好的淬透性。汽车冲压模具Cr12钢冷冲压件４.４热作模具钢（１）用途用于制造对金属进行热变形加工的模具，如热锻模、热镦模、热挤压模、精密锻造模、高速锻模等。（２）性能特点热作模具工作时受到较高的冲击载荷作用，同时模腔表面与炽热金属接触并摩擦，局部温度可达５００℃以上，并且还要反复受热与冷却，常因热疲劳而使模腔表面产生龟裂。故要求在高温下具有足够的强度、韧性和硬度，有较高的耐磨性、良好的导热性和抗热疲劳性。对于尺寸较大的模具，还应有较高的淬透性。曲轴模具热模锻曲轴毛坯５特殊性能钢及其应用１不锈钢在自然环境或一定工业介质中具有耐蚀性的一类钢称为不锈钢。不锈钢应能够抵抗空气、蒸汽、酸、碱、盐等腐蚀介质的腐蚀。（１）金属腐蚀的概念金属表面与周围介质相互作用，使金属基体逐渐遭受破坏的现象称为腐蚀。腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀两类。金属直接与介质发生化学反应造成的腐蚀称为化学腐蚀。在化学腐蚀过程中没有电流产生，例如金属在高温下的氧化、钢的脱碳、钢在石油中的腐蚀以及氢和含氢气体对普通碳钢的强烈腐蚀（氢蚀）等。金属在电介质溶液中因原电池作用，产生电流而引起的腐蚀现象称为电化学腐蚀。化工管道的腐蚀裂解管内壁的高温腐蚀减薄（２）常用不锈钢不锈钢常用两种方法分类：一是按钢中主要合金元素分为铬不锈钢和铬镍不锈钢；二是按正火态的组织分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢。常用不锈钢的牌号、成分、热处理、力学性能及用途见表５－１２２耐热钢耐热钢是指在高温下具有较好的抗氧化性并兼有高温强度的钢。一般钢铁材料加热到５７０℃以上时表面容易产生氧化，这是由于空气中的氧原子与铁原子在高温下形成疏松多孔的ＦｅＯ。温度越高，氧化速度越快，长时间氧化会使钢材表面起皮和剥落，钢的抗氧化性是指钢在高温下对氧化作用的稳定性。除氧化外，钢铁在高温下由于原子间结合力减弱，其强度也大大下降。当工作温度高于金属的再结晶温度，工作应力超过金属在该温度下的弹性极限时，随着时间的延长金属会发生极其缓慢的变形，这种现象称为“蠕变”。气