结构钢中碳及合金元素的作用.docx
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结构钢中碳及合金元素的作用
结构钢中碳及合金元素的作用
1.结构钢中碳及合金元素的作用
（1）碳 其主要作用是保证钢的硬度、强度与韧性。
例如，普通低碳钢中的低碳就是为了保证钢的良好韧性、优秀的加工工艺性能（焊接与压力加工工艺性），调质钢中的中碳是为了保证经热处理后该钢具有良好的综合力学性能，渗碳钢中的低碳是为保证工件心部具有良好的韧性（而表面层的高硬度则由渗碳+相应的热处理工艺来保证），弹簧钢中的中、高碳是为保证钢的高强度（弹性极限、疲劳强度）。
特例：
滚动轴承钢中的高碳则是为了保证该钢的高硬度、高耐磨性，这又与工具钢相同。
（2）合金元素 其主要作用可概括为：
主加元素（Cr、Mn、Ni、Si）——提高淬透性、强化铁素体；
辅加元素（W、Mo、V、Ti）——细化晶粒、进一步提高淬透性。
例如，在调质钢中主加元素的作用就是提高淬透性、强化铁素体（微量的合金元素B也具有此作用），这样可确保工件在较大截面上均可获得马氏体组织、从而使回火后该钢具有良好的综合力学性能，而辅加元素的作用则起到在淬火加热时可阻止奥氏体晶粒长大（即细化晶粒）、进一步提高钢的淬透性，同时W、Mo又具有防止第二类回火脆性的作用；弹簧钢中主加元素的作用除具有提高淬透性、强化铁素体外，还可提高钢的弹性极限、屈服强度的作用。
［特例：
滚动轴承钢中Ｃr的主要作用是增加钢的淬透性、同时又起着细化晶粒、提高耐磨性的作用，而对大型轴承而言，还须在该钢中加入Ｓi、Ｍn等以使淬透性进一步提高；低合金结构钢中主加元案为Ｍn、Cr，因为该钢一般不经过淬火处理，故其作用应主要为固溶强化、细化晶粒、降低韧一脆转折温度的作用，而辅加元素Ｖ、Ｔi、Ｎｂ、Ａl等元素也起着细化晶粒．沉淀强化的作用。
］
2.工具钢中碳及合金元素的作用
（1）碳 其主要作用是保证高硬度与高耐磨性。
〔特例：
热作模具钢中含有中碳（0.3%—0.６％的碳），主要是为了保证较高的韧性及热疲劳抗力〕．
（2）合金元素 其主要作用可概括为：
主加元素（Ｃｒ、W、Ｍｏ、V）——使钢具有高硬度和高耐磨性；
辅加元素（Ｃr、Ｍn、Si、Ni）——减少工具在热处理时的变形，增加钢的淬透性和回火稳定性。
例如：
低合金刃具钢、冷作模具钢中合金元素的作用基本如此；高速钢中合金元素主要作用应分别牢记：
W（Ｍo）——提高红硬性，Ｃr——提高淬透性，Ｖ——提高耐磨性。
〔特例：
热作模具钢中合金元素作用除与调质钢相似外，同时还具有：
Ｃr、Ｗ、Ｓi提高
钢的高温强度和热疲劳抗力，W、Mo、Ｖ等产生二次硬化，使之在较高温度下保持相当高的
硬度．〕
3.特殊性能钢中碳及合金元素的作用
（1）碳 通过降低钢的含碳量，有利于保证钢的耐蚀性与耐热性。
一般不锈钢、耐热钢中含碳量大多≤0.2%。
因为随含碳量的增加，一方面可使钢的强度、硬度增加；另一方面，第二相碳化物的数量亦随之增加，它易产生晶间腐蚀（不锈钢中）或易使碳化物聚集长大、发生石墨化等（耐热钢中），故应使含碳量与合金元素相匹配。
［特例：
耐磨钢ZGMn13中含碳量为1.1—1.3%］。
］
（2）合金元素 其主要作用可概括为：
在不锈钢中，Ｃｒ、Ｎi、（Ｍｎ、N代替部分Ni）提高耐蚀性（通过提高基体电极电位，形成单相组织等），Mo、Cu提高钢在非氧化性介质中的耐蚀性，Ｔi、Nb能形成稳定碳化物、防止晶间腐蚀。
在耐热钢中，Ｃr、Si、Al提高钢的抗氧化性，Ｃｒ提高钢的组织稳定性、固溶强化效果，Ｍo提高高温强度、固溶强化效果，V、Nｂ、Ｔｉ等能形成强碳化物而起到弥散强化、提高高温强度作用，Ｂ、Ｒｅ等元素可提高晶界强度作用，而Ni（Ｍｎ）可以扩大奥氏体相区、使之形成单相奥氏体，从而提高钢的高温性能等。
5.4如何识别钢种类别？
１.根据碳含量表示法作初步分析
结构钢中的碳含量用两位数字，表示含碳量的万分之几；
工具钢中的碳含量用一位数字，表示含碳量的千分之几；
特殊性能钢中的碳含量亦用一位数字来表示含碳量的千分之几。
２.依据所含的合金元素进一步细分
低合金结构钢、渗碳钢、珠光体耐热钢的含碳量都是万分之几，要区分它们只有通过合金化特点进一步判断。
低合金结构钢中，合金元素的总含量一般均<3%，主要含Mn、V、Ti或N等；渗碳钢中合金元素的作用：
主加元素Cr、Mn、Ni、Si用以提高淬透性、强化铁素体，辅加元素W、Mo、V、Ti用以细化晶粒、进一步提高淬透性；而珠光体耐热钢则主要含Cr、W、V等合金元素，用以提高耐热性、高温强度等。
由于用途与性能要求不同，在结构钢中主加元素所起的主要作用而在工具钢中就变为辅加元素起辅助作用了，而特殊性能钢中合金元素总含量大多>10%即为高合金钢。
根据这些特点，我们就能识别一般钢种类型。
常用钢号表示方法说明及举例详见表5－4所示。
表5－4 中国常用钢号表示方法说明及举例
5.5铸铁的分类与组织特征
铸铁的分类与组织特征见表5-5示。
表5—5 铸铁的分类、组织特征与用途
铸铁名称
典型牌号
石墨形态
组织特征
用途
灰铸铁
HT200
HT350
片状
F+G片，P+G片
F+P+G片
床身、机座
机身、车床卡盘、齿轮
可锻铸铁
KTH350-10
KTZ450-06
团絮状
F+G团
P+G团
汽车、拖拉机的前后轮壳、制动器、冷暖器接头
球墨铸铁
QT600-3
QT800-2
球状
F+G球，P+G球
F+P+G球
轴瓦、传动轴、飞轮
曲轴、连杆、球磨机齿轮
蠕墨铸铁
RuT420
RuT300
蠕虫状
F+G蠕虫
F+P+G蠕虫
活塞环、制动盘、泵体、
变速器箱体、排气管
5.6 常用铸铁的热处理及应用特点
1.常用铸铁的热处理特点（见表5-6）
表5-6 各类铸铁的热处理特点
类型
种类
高温
退火
低温
退火
去应力退火
正火
调质
等温淬火
表面
强化
灰铸铁
∨850℃~950℃
×
∨500℃~650℃
×
×
×
∨表面淬火
可锻铸铁
∨950℃~1000℃
×
×
×
×
×
×
球墨铸铁
∨900℃~950℃
∨720℃~760℃
∨
∨900~950℃
（840~860℃）
∨
∨
∨
注：
×表示不能；∨表示可以。
2.常用铸铁的应用特点（见表5-7）
表5-7 从各类铸铁性能的相对比较看铸铁的应用
铸铁类别
性能
白口
铸铁
灰铸铁
蠕墨
铸铁
可锻
铸铁
球墨
铸铁
抗拉强度
×
-
○
○
∨
伸长率
×
-
○
○
∨
冲击韧度
×
-
○
○
∨
磨粒磨损
∨
×
-
×
-
黏着磨损
-
∨
○
○
○
减振性能
×
∨
○
○
○
铸造工艺性能
-
∨
○
-
○
切削加工性能
×
∨
○
○
○
注：
表中“∨”优，“○”良，“-”一般，“”差。
合金钢
碳钢中特意加入一些合金元素的钢，常用的合金元素铬Cr、锰Mn、硅Si、铝Al、硼B、钨W、钼Mo、钒V、钛Ti、铌Nb锆Zr和稀土元素Re等。
合金钢分三大类：
1、合金结构钢；2、合金工具钢；3、特殊性能钢
（一）合金结构钢
合金结构钢是在碳钢的基础上适当地加入一种或树种合金元素，如Cr、Mn、Si、Ni、Mo、V、Ti等，使之具有好的强度，足够地韧性和好的淬透性，好地回火稳定性，奥氏体稳定性。
合金结构钢分类：
1、普通低合金结构钢（含碳量低）：
含碳量在0.10～0.25％之间的并含有少量多元合金元素（Si、Mn、Cu、Ni、Nb、Re）的低碳结构钢，主要用于焊接铆合结构。
如：
16Mn、09M2、16MnCu、15MnTi、15MnV、10MnSiCu等。
2、机械制造结构钢：
a、渗碳钢：
含碳量0.15～0.25％之间，主要有15＃、20＃、20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo、20MoB、25MnTiB、12CrNi3A、20Cr2Ni4A、18Cr2Ni4WA。
经渗碳淬火及低温回火，用于表面耐磨的受力件，如齿轮花键轴等。
b、调质钢：
含碳量在0.25～0.5％之间，主要用于淬火加高温回火（调质），高强度高韧性零件，也有为到达更高的强度采用淬火加中温或低温回火的。
常用材料40＃、45＃、45Mn2、40Cr、35CrMo、40CrMnMo、40MnB、40MnVB、40CrNiMoA、38CrMoAlA。
注意：
防止二类回火脆性的回火冷却方法和次数、
c、弹簧钢：
含碳量在0.60～0.70％之间，经淬火和中温回火的弹性零件，常用材料65＃、65Mn、60Si2Mn、70Si3MnA、50CrVA、60Si2CrVA、65Si2MnWA、55SiMnMoVNb、55SiMnMoV。
d、轴承钢：
含碳量在0.95～1.10％之间，经淬火加低温回火使用的轴承件，主要有GCr9、GCr15、GCr15SiMn、GMnMoVRe、GSiMnV、GSiMnMoV。
合金钢编号方法：
合金元素含量小于1.5％时，只标元素，不标明含量（数值），如果平均含量等于或大于1.5％、2.5％、3.5％……则相应也以2、3、4……等表示。
若含硫、磷量较低（S≤0.02％ P≤0.03％）的高级优质钢，在钢号后加“A”或“高”。
工具钢的编号方法：
1、合金工具含碳量：
平均含量C≥1％，不标出，C<1％时以千分之几表示，合金以百分表示，同结构钢如：
9Mn2V、CrMn；
2、碳素工具钢前带T，后数为含碳千分之几，含量大小于1％均标出，如：
T9、T12；
3、高速钢含碳量不标出，合金百分数标出，如：
W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2。
（二）普通低合金结构钢
是一种低碳结构用钢，含碳量小于0.2％，以16Mn应用最广泛，бs=32～35公斤/㎜2，Q345，较A3的24～26公斤/㎜2高30％，δ>20％。
且与普结钢有更低的冷淬临界温度。
一般规定要求在-40。
C时的ak不低于室温的50％。
可焊性好，0。
C以上时一般不用预热，因加入Mn、Si等元素，主要是起到对铁素体的固溶强化及细化晶粒等作用，为了提高耐蚀性能，还加入了适量的铜（0.2～0.5％）和磷（0.05～0.10％）。
低碳结构钢大多在正火状态下使用，他们在正火状态下的组织应为铁素体+索氏体。
（三）渗碳钢
为得到高的表面硬度和耐磨性，而心部要求有较高的强度和适当的韧性ak值，在结构钢中加入一定量的合金元素，如Cr、Mn、Ni、Mo、W、Ti、B等，其中Cr、Mn、Ni所起的主要作用是增加合金渗碳钢淬透性，并使淬火和低温回火后表面和心部组织得到强化，其余如Mo、W、Ti、B等合金元素在合金渗碳钢中含量一般是少的，B的含量是极微量的，仅为0.001～0.004％。
Mo、W、Ti所起的作用是形成稳定的合金碳化物，阻碍A晶粒长大，并使钢在淬火和低温回火后表层和心部组织强化，特别是增加表层的耐磨性，微量的B能强烈的增加合金渗碳钢的淬透性。
心部为低碳淬火组织，保证了高的ak和足够的强度бb，表层含碳0.85～1.05％，经淬火后硬度高达HRC>60，有良好的耐磨性。
如齿轮常用材料：
20CrMnTi（原18CrMnTi），锻造后950～970℃正火，硬度为HB170～210，加工性能良好，930～940℃渗碳6-8小时，预冷870～880℃时油淬后160～200℃低温回火，2-3小时，强度、韧性、塑性都有升高，表面硬度HRC58～60，心部硬度HRC35～45，表面得到回火马氏体，残A和碳化物，心部为铁素体+Pt低碳回火M，бb≈100公斤/㎜2，ψ≈50，ak≈80公斤•米/㎝2，200℃回火强度最高。
（四）调质钢
调质钢主要用于受力情况复杂的重要零部件，最为良好的机械性能，既强又韧，调质钢的含碳量一般在0.25～0.50％之间，碳素调质钢的含碳量应控制在0.50％以下，而合金调质钢的含碳量0.25％以上。
合金调质钢中主要的合金元素又Cr、Ni、Mn、Si，主要作用是增加淬透性，调质后内部组织为回火索式体（实际上这些元素大多溶入铁素体中，使铁素体得到强化，与渗碳钢心部组织相似），其余Mo、V、B等元素，他们在合金调质钢中很少，B的含量极微（与合金渗碳钢相同），Mo所起的主要作用是防止二类回火脆性现象（与合金渗碳钢有区别），
而V所起的主要做用是阻碍高温A晶粒长大，Al是加速钢的氮化，细化晶粒（为什么？
）。
微量的B能强烈的使C行曲线向右移动，从而显著增加钢的淬透性。
即滞后开始转变时间，对对结束时间影响不大。
注意：
1、调质回火后，要使得回火索氏体不允许有块状铁素体出现，否则会降低强度和韧性；
2、回火保温后要注意二类回火脆性，可以用水冷或油冷，甚至再去应力回火，对于大截面件内部快速冷却越过500～650℃是困难的，普遍加入抑制二类回火脆性的合金元素，最有效的是Mo和W，Mo在钢中的含量0.3～0.4％；W0.8～1.2％。
3、调质钢也可在中低温回火下使用，金相为回火屈式体或回火马氏体，用于高强度的工具耐磨件。
（五）弹簧钢
含碳0.6～0.9％ 高的бs/бb
Si、Mn作为主合金，强化铁素体，Si、Mn热处理易于石墨化加入少量W、V、Cr碳化物形成元素来防止。
D<10的冷弹簧，只需250～300℃去应力处理。
D>10或热成形弹簧，淬火加中温回火，获回火屈氏体T，中温回火温度350～520℃
淬火温度一般不超过900℃，防止过热（锰）和脱碳（Si有促进脱碳作用），表面喷丸强化，表层增加残余压应力，寿命提高5～6倍。
（六）轴承钢
锻造——球化退火HB<210－加工，淬火850℃以下——160℃回火保温2-3小时，HRC61～65。
（七）工具钢
1、高硬度：
只有工具的硬度大于被加工材料的硬度，才能进行切削，硬度一般都在HRC60以上（60～65），含碳量在0.6～1.5％范围；
2、高的耐磨性；
3、高的热硬性，热硬的高低与回火稳定性有关，保证刀刃温度高达600℃硬度不降低，经常加入提高回火稳定性的元素，如V、W、Ti、Cr、Mo、Si。
4、碳素工具钢，热硬性差，做手工工具用，T7—T13，做手锤锉刀，凿子等。
5、低合金工具钢，合金元素总量不超过3～5％，如9SiCr。
制作板牙，SiCr的加入特别是Cr能大大的提高淬透性，Cr能显著细化碳化物的晶粒，并使之分布均匀，使刀具不崩刃，硅能提高回火稳定性，使钢在250～300℃回火时保持HRC60以上的硬度，但应注意的是硅使钢的热处理时易脱碳，但淬火温度860～870℃，如果高到880℃以上时，A晶粒变大显著，淬火M针粗大，强度、韧性、塑性变坏，另外又会使残余A量增加，使强度、硬度、耐磨性下降。
6、加热后在170～180℃左右的硝盐中等温淬火，使其发生下贝氏体转变，比用油淬得到更好的韧性，满意的硬度HRC60以上，并可减少变形。
淬火后180～200℃低温回火，消除内应力，改善机械性能，保证硬度。
高速钢：
W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2 工作温度600℃无明显变化。
碳：
元素
一方面要保证能与W、Cr、V形成足够的碳化物。
另一方面要有一定的碳量溶于奥氏体，淬火后形成富碳马氏体，保证高硬度。
钨：
元素，是提高回火稳定性和热硬性的一个主要元素，W与C形成WC，可阻止A晶粒的长大，并增加钢的耐磨性。
铬：
主要使C曲线右移，即提高淬透性，同时提高回火稳定性。
钒：
是提高热硬性的主要元素之一，VC颗粒细小，分布均匀，硬度很高，HRC83～85，使高速钢具有优良的耐磨性。
W18Cr4V的热处理工艺见P107，原理及方法略。
硬质合金，将一些难熔的碳化物粉末（WC，TiC）和胶结物质如（钴、镍等）混合再加压成型，再经烧结而成为一种合金。
HRA87～91，热硬性好可大于1000℃，切削速比高速钢提高4～7倍，寿命提高5～80倍。
模具钢
冷冲模Cv12、Cv12W、Cr12MoV
C：
2％－2.3％ 1.45％－1.70％
Cr Cv高硬度，提高淬透性和回火稳定性，产生二次硬化残，残A析出碳化和转油为M结果。
钼Mo 增加淬透性和韧性
钒V 细化晶粒，提高韧性、耐磨性和回火稳定性
热模具钢
5CrMnMo 5CrNiMo 含碳0.5～0.6
①高强度，高韧性，②400～600℃下强韧性，③抗热疲劳龟裂现象，④大规模的淬透性
C．0.5％左右，太高使ak和导热性降低
Cr提高淬透性，并提高回火稳定性，其碳化物提高耐磨性，425℃以下有热硬性，
镍Ni 提高淬透性（C曲线右移），并显著提高强度和韧性
锰Mn 提高淬透性和强度
钼Mo 增加淬透性及回火稳定性，细化晶粒，减少回火脆性，并提高热硬性
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