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碳钢和合金钢
第九章碳钢及合金钢
（工业用钢）
第一节工业用钢的分类及牌号表示方法
钢是经济建设中使用最广、用量最大的金属材料，在现代工农业生产中占有重要地位。
碳钢：
含碳量在0.0218%～2.11%之间的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢。
合金钢：
在碳钢的基础上特意地加入一种或几种合金元素，使其使用性能和工艺性能得以提高的铁
基的合金称为合金钢。
钢中除铁、碳及合金元素外，还有炼钢时随生铁、脱氧剂和燃料带入的硅、锰、硫、磷、氮、氢、
氧等元素。
钢的分类方法多种多样，其主要方法有如下几种：
一、钢材的品种
为便于采购、订货和管理，我国目前将钢材按外形分为型材、板材、管材、金属制品四大类，共十
六大品种：
1．型材
钢轨、型钢（圆钢、方钢、扁钢、六角钢、工字钢、槽钢、角钢及螺纹钢等）、线材（直径5-10毫
米的圆钢和盘条）等。
2．板材
薄钢板：
厚度等于和小于4毫米的钢板；
厚钢板：
厚度大于4毫米的钢板；又可分为中板（厚度大于4mm小于20mm）、厚板（厚度大
于20mm小于60mm）、特厚板（厚度大于60mm）；
钢带：
也叫带钢，实际上是长而窄并成卷供应的薄钢板；
电工硅钢薄板：
也叫硅钢片或矽钢片。
3．管材
无缝钢管：
用热轧、热轧—冷拔或挤压等方法生产的管壁无接缝的钢管；
焊接钢管：
将钢板或钢带卷曲成型，然后焊接制成的钢管。
4．金属制品：
包括钢丝、钢丝绳、钢绞线等。
二、钢的分类
钢的种类繁多，为了便于生产、使用和研究，可以按照化学成分、冶金质量和用途对钢进行分类。
1．按化学成分分类。
碳钢、合金钢两大类。
碳钢：
低碳钢（Wc＜0.25%）、中碳钢（Wc=0.25%～0.60%）和高碳钢（Wc>0.6%）
合金钢：
按钢中含合金元素总量（Me%）分为低合金钢（Me<5%）、中合金钢（Me=5～10%）和高合金钢（Me>10%）。
按合金元素的种类可分为锰钢、铬钢、硼钢、铬镍钢、硅锰钢等。
2．按冶金质量分类。
按钢中所含有害杂质硫、磷的多少，可分为：
普通钢：
S%≤0.055%，P%≤0.045%
优质钢：
S%、P%≤0.040%
高级优质钢：
S%≤0.030%，P%≤0.035%
此外，按冶炼时脱氧程度，可将钢分为沸腾钢（脱氧不完全）、镇静钢（脱氧较完全）和半镇静钢
三类。
3．按金相组织分类
按钢退火态的金相组织可分为亚共析钢、共析钢、过共析钢三种。
按钢正火态的金相组织可分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢等四种。
4．按成形方法分类。
锻钢、铸钢、热轧钢、冷轧钢等。
5．按用途分类。
按钢的用途可分为结构钢、工具钢、特殊性能钢三大类。
建筑工程用钢
工程结构钢
桥梁工程用钢
一般属于低碳钢
船舶工程用钢
或低碳低合金钢
车辆工程用钢
结构钢
渗碳钢
属于低碳钢或低碳合金钢
工具钢
调质钢
属于中碳钢或中碳合金钢
特殊性
机器结构钢
弹簧钢
属于中、高碳钢或中、高碳合金钢
能钢
滚动轴承钢
属高碳合金钢
按用途分类刃具钢
一般属于高碳钢
模具钢或高碳高合金钢
量具钢
不锈钢
耐热钢
耐磨钢
实
际
中
给
钢
的
产
品
命
名
时，
常
常把成分、质量和用途几种分类方法结合起来，如碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素工具钢、高级优
质碳素工具钢、合金结构钢、合金工具钢等。
三、钢的牌号表示方法
钢的牌号简称钢号，是对每一种具体钢产品所取的名称，是人们了解钢的一种共同语言。
钢编号的
原则主要有两条：
一是根据编号可以大致看出该钢的成分
；二是根据编号可大致看出该钢的用途。
我国钢的牌号表示方法，根据国家标准《钢铁产品牌号表示方法》
（GB221-79）中规定，采用汉语
拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。
即：
①钢号中化学元素采用国际化学符号表示，例如
Si、Mn、Cr
等,混合稀土元素用“RE”（或
“Xt）”表示。
②产品名称、用途、冶炼和浇注方法等，一般采用汉语拼音缩写字母表示。
③钢中主要化学元素含量（%）采用阿拉伯数字表示。
（一）碳钢的牌号表示方法
见第四章（碳钢的分类、用途及牌号表示方法）
（二）合金钢的牌号表示方法
1．合金结构钢
合金元素平均含
平均含碳量
两位数字＋合金元素符号＋数字＋质量等级符号“A”
的万分之几
量的百分之几
（1）当合金元素的平均含量＜
1.5%时，钢号中一般只标出元素符号，而不标明含量；但在特殊情
况下易致混淆者，在元素符号后亦可标以数字
“1，”例如钢号“12CrMoV”和“12Cr1MoV”，前者铬含量为
0.4-0.6%，后者为0.9-1.2%，其余成分全部相同。
（2）当合金元素的平均含量≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%时，则相应地在元素符号后面标以2、3、
4；如果为高级优质钢，则在其钢号后加“A”，以区别于一般优质钢。
例如：
18Cr2Ni4WA。
（3）钢中的钒V、钛Ti、铝Al、硼B、稀土Re等合金元素，均属微合金元素，虽然含量很低，仍应在钢号中标出。
例如20MnVB钢中，钒：
0.07～0.12%，硼：
0.001～0.005%。
（4）专门用途的合金结构钢，钢号冠以（或后缀）代表该钢种用途的符号。
例如，铆螺专用的
30CrMnSi钢，钢号表示为ML30CrMnSi。
举例：
1．20CrMnTi：
表示平均含碳量为0.20%，主要合金元素Cr、Mn含量均低于1.5%，并含有微量元
素Ti的合金结构钢；
2．60Si2Mn：
表示平均含碳量为0.60%，主要合金元素Mn含量低于1.5%，Si含量为1.5～2.5%的
合金结构钢。
练习：
40Cr、45Mn2
2．低合金高强度结构钢
旧的编号方法，基本上和合金结构钢相同。
新牌号的编制方法与碳素结构钢相同。
如旧牌号的16Mn
为新牌号的Q345。
3．滚动轴承钢
“G＋”Cr＋数字＋其它元素符号。
字母“G为”“滚”字头，表示为滚动轴承钢类，高碳铬轴承钢
的含碳量不标出，数字表示平均含铬量的千分之几，如GCr15，平均含铬量为1.5％。
渗碳轴承钢的钢号表示方法，基本上和合金结构钢相同。
4．合金工具钢和高速工具钢
平均含碳量合金元素平均含量
的千分之几的百分之几
数字＋合金元素符号＋数字
说明：
①合金工具钢中，当WC≥1.0%时，含碳量不标出，如Cr12、CrWMn；当WC＜1.0%时，以千分之
几表示，如9SiCr、3Cr2W8V。
②对于含铬量低的钢，其含铬量以千分之几表示，并在数字前加“0”以示区别。
如平均，Cr=0.6%
的低铬工具钢的钢号为“Cr06”。
③高速钢，一般不标出含碳量，只标出合金元素平均含量的百分之几。
如“钨18铬4矾”（W18Cr4V，
简称18-4-1），“钨6钼5铬4矾2”（W6Mo5Cr4V2，简称6-5-4-2）。
5．不锈钢和耐热钢
同合金工具钢。
例如：
“2Cr13”钢的平均碳含量为0.2%。
说明：
（1）钢中含碳量≤0.03%者，钢号前分别冠以“00表”示之，如00Cr17Ni14Mo2；WC≤0.08%者，冠
以“0表”示之，、0Cr18Ni9。
（2）对钢中主要合金元素以百分之几表示；对钛、铌、锆、氮等微量元素则按合金结构钢对
微合金元素的表示方法，只标出元素符号，如1Cr18Ni9Ti。
第二节合金元素在钢中的作用
一、碳钢的优缺点
优点：
冶炼工艺简单，可热处理强化，压力加工和机械加工性能好，价格低廉。
不足之处：
（1）加热时，晶粒易长大；
（2）淬透性低。
形状复杂、尺寸大的零件，在淬火时易开裂、淬不透；
（3）回火稳定性差。
回火温度高时，强度和硬度显着下降，不能在高温下使用。
回火稳定
性是指淬火钢在回火时抵抗硬度下降的能力。
（4）强度不够高。
碳钢的屈强比在0.6左右，合金钢为0.85～0.9。
碳钢强度低，增加截面
积提高构件刚度会使重量增加，构件笨重，不能满足重量轻、体积小、效率高的要求。
（5）不具备特殊性能。
化工、仪表等要求耐腐蚀、耐高温、无磁等性能，碳钢不能满足特殊性能的要求。
二、合金元素在钢中的作用
1．合金元素在钢中的分布
为了使钢获得预期的性能，而有目的地加入钢中的化学元素称为合金元素。
按其与碳的亲和力的大小，可将合金元素分为非碳化物形成元素和碳化物形成元素两大类，在钢中主要以固溶体和化合物的形式存在。
（1）非碳化物形成元素：
包括Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等，在钢中不与碳化合，大多溶入铁
素体、奥氏体或马氏体中，产生固溶强化；有的形成其它化合物如Al2O3、AlN、SiO2、Ni3Al等。
（2）碳化物形成元素：
Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti等。
形成碳化物的倾向由弱到强
这类合金元素在钢中，
一是可溶入渗碳体中形成合金渗碳体，如（Fe,Mn）3C、（Fe,Cr）3C等，是低合金钢中存在的主要碳
化物，比渗碳体的硬度高，且稳定。
二是强碳化物形成元素与碳形成特殊碳化物，如
TiC、NbC、VC、MoC、WC、Cr3C6等，它们具
有高熔点、高硬度、高耐磨性、稳定性好，主要存在于高碳高合金钢中，
硬度和耐磨性。
（3）其它：
如稀土元素，钢号中统一用Re表示。
2．合金元素在钢中的作用
产生弥散强化，提高钢的强度
、
作用机理比较复杂，可归纳以下几个方面：
（1）阻碍晶粒奥氏体晶粒长大，细化晶粒；
（2）提高淬透性（Co除外）；
（3）提高回火稳定性，防止回火脆性；
（4）提高钢的使用性能，使之具有耐热、抗腐蚀、高耐磨等特殊的性能；
（5）提高钢的强韧性。
金属材料的强化是通过阻碍位错的移动来实现的，主要方法有：
固溶强化，提高强度和硬度；
细晶强化，提高强韧性；
位错强化，位错密度增加，提高强度；
弥散强化（第二相强化），细小均匀的第二相硬质点分布在基体上，阻碍位错移动面强化；
加工硬化，金属产生塑性变形后位错密度增加，晶料变得细碎，使金属的强度硬度提高。
大多数的合金元素较好利用了上述前四种强化机制。
如合金钢淬火时，形成马氏体，马氏体中含较
高的位错密度，马氏体的形成分割了A的晶粒，使之细小，马氏体中碳的过饱和产生固溶强化，回火时
析出的碳化物颗粒又产生弥散强化，等等。
第三节结构钢
结构钢按用途分为工程结构钢和机器结构钢两大类。
一、工程结构钢
用于制作各种工程构件的钢称为工程结构钢，如制作房屋、桥梁、起重机机械、锅炉、压力容器、
钻井架、车辆构件等，所以又称工程构件用钢或建筑工程用钢，包括碳素结构钢和低合金高强度结构钢。
1．碳素结构钢
见第四章碳钢的分类、编号及用途。
2．低合金高强度结构钢
用途：
在大气和海洋中工作的的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆、船舶、输油输气管
道、压力容器等。
性能特点：
强度高，良好的塑性、韧性、冷冲压性能及焊接性能，可抵抗大气腐蚀。
成分特点：
低碳（<0.2%），保证良好的塑性；
合金元素：
以Mn为主，强化铁素体基体，产生固溶强化；加入少量的Ti、V、Nb、Re等，
细化晶粒，提高强韧性。
屈服强度
牌号：
Q＋数字＋（质量等级符号A、B、C、D、E）
共11个牌号，6个等级，以强度等级分类，如表所示。
热处理工艺特点：
一般在热轧空冷状态下使用，必要时经正火处理后使用。
正火处理的温度在Ac3+
（30～50）℃，使用态组织为（P+F）。
典型牌号及用途：
（1）在Q345较低级别的钢中，16Mn最具有代表性，是目前我国用量最多、产量最大的一种低合金高强度钢。
其派生钢种有16MnRe、16MnCu等，Re的主要作用是提高塑性和韧性，提高疲劳强度，降低冷脆转变温度，Cu的主要作用是通过钝化提高耐蚀性。
这类钢多用于船舶、车辆、桥梁等大型钢结构。
（2）对Q420级的15MnVN、14MnVTiRe等，加入了钒、氮起到细化晶粒和第二相强化作用，稀土又起净化晶界作用，提高强韧性，因此强度高于15MnTi。
（3）Q460级的钢种，如14MnMoVBRe，加入钼和微量硼元素，可推迟奥氏体冷却时的铁素体析
出，而对贝氏体转变则影响不大，正火后得到贝氏体组织，然后再高温回火，以稳定组织，消除内应力，
提高塑性和韧性，焊接性好，适于制造400～500℃的锅炉、中温高压容器等。
工程结构用钢的发展趋势：
低合金高强度钢由于其强度高，韧性和加工性能优异，合金元素耗量少，并且不需进行复杂的热处理，已越来越受到重视。
目前，这类钢发展趋势是：
（a）通过微合金化与合理的轧制工艺结合起来，实行控制轧制，以达到更高的强度。
（b）通过合金化改变基体组织，提高强度。
在钢中加入较多的其它元素，如Cr、Mn、Mo、Si、B
等，使钢在热轧空冷的条件下即可得到贝氏体组织，甚至马氏体组织。
这种马氏体在冷却过程
中可发生自回火过程，甚至不需要专门进行回火。
（c）超低碳化。
为了保证韧性和焊接性能，含碳量进一步降低，甚至降到PPM级，此时必须采用
真空冶炼，或真空去气的先进冶炼工艺。
二、机器结构钢
指用于制造各种机器零件，如轴类零件、齿轮、弹簧和轴承等所用的钢种，又称机器零件用钢，包括优质碳素结构钢和合金结构钢。
机器零件用钢不但要求钢材具有高的强度、塑性和韧性，良好的疲劳强度和耐磨性；而且还要求具有良好的切削加工性能和热处理工艺性能。
机器零件用钢一般都经过热处理后使用。
按用途不同，分为渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢等。
1．渗碳钢
用途：
主要作于制作承受交变载荷、很大的接触应力，并在冲击和严重磨损条件下工作的零件，如汽车、重型机床齿轮、活塞销，内燃机的凸轮轴等。
性能要求：
“表硬心韧”。
要求零件表面硬度高、耐磨，心部则具有较高的韧性和足够的强度以承
受冲击。
一般渗碳件表面渗碳层淬火后硬度≥58HRC，心部35～45HRC。
成分：
Wc＝0.15—0.25%，保证心部塑韧性；
主加元素Cr、Ni、Mn、B，强化基体，提高淬透性，保证心部强韧性；
微量元素V、Ti、W、Mo，防止渗碳时过热，细化晶粒，提高耐磨性。
分类和典型牌号：
低淬透性渗碳钢，典型钢种20、20Cr，其水淬临界直径20－35mm，渗碳淬火后，心部强韧性较低，只适于制造受冲击载荷较小的耐磨零件，如活塞销、凸轮、滑块、小齿轮等。
中淬透性渗碳钢，典型钢种为20CrMnTi，其油淬临界直径约为25～60mm，主要用于制造承受中等载荷、要求足够冲击韧性和耐磨性的汽车、拖拉机齿轮等零件。
高淬透性渗碳钢，典型钢种为18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A，其油淬临界直径>100mm，主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克中的曲轴、大模数齿轮等。
常用牌号：
15、20、20Cr、20CrMnTi、20MnTiB等，通常尺寸小、受力小的零件，采用低碳钢，而尺寸大的、受力大的则采用低碳合金钢。
热处理特点：
预备热处理，一般是正火，组织为P＋F，目的是调整硬度，改善组织和切削加工性能；
最终热处理，一般是渗碳后直接淬火＋低温回火。
其组织为：
表面组织为“M回＋细小碳化物＋少量Ar”,
心部组织依钢的淬透性及工件尺寸而定，淬透时为低碳M回，未淬透为低碳M回＋F＋P。
应用举例：
下面以应用广泛的20CrMnTi钢为例，分析其热处理工艺规范。
20CrMnTi是中淬透性钢，适宜制造承受高速中载并且抗冲击和耐磨损的零件。
如汽车、拖拉机的
后桥和变速箱齿轮、离合器轴、伞齿轮和一些重要的轴类零件。
用20CrMnTi钢制作齿轮的加工工艺路线如下：
下料→锻造→正火→机加工齿形→渗碳，预冷淬火＋低温回火→磨齿。
预备热处理为正火，正火后的组织为（S＋F），其目的是改善锻造组织；调整硬度（170～210HBS）
便于机加工。
最终
热处理
为渗碳
后预冷
到
875℃
直接淬
火＋低
温回
火；预冷的目的在于减少淬火变形，同时在预冷过程中，渗层中可以析出二次渗碳体，在淬火后减少了
残余奥氏体量。
最终热处理后组织由表面到心部为
“M＋细小碳化物＋少量
A
残
→M
回
+少量A
残
→低碳
回
M＋F＋P。
2．调质钢
采用调质处理，即淬火+高温回火后使用的优质碳素钢和合金结构钢，统称为调质钢。
应用：
用于受力较复杂的重要结构零件。
如机床主轴、火车发动机曲轴、汽车后桥半轴等轴类零件，以及连杆、螺栓、齿轮等。
性能要求：
具有良好的综合力学性能，即高的强度、良好塑性和韧性。
成分特点：
碳含量：
中碳Wc：
0.25～0.5％，保证热处理后具有足够的强度、良好的塑性和韧性。
含碳量太低，强度硬度不足；太高，塑性、韧性降低；为达到两者兼顾，取中碳范围。
一般碳素调质钢的淬透性
低，含碳量偏上限；合金调质钢淬透性好，随合金元素的增加，含碳量趋于下限，如30CrMnSi、38CrMoAl。
合金元素：
主加Cr、Ni、Mn、Si、Al等，提高淬透性，调质处理后有良好的综合力学性能；辅
加W、Mo元素，防止高温回火脆性，细化晶粒，提高回火稳定性。
分类及典型牌号：
按淬透性的高低，调质钢大致可以分为三类：
①低淬透性调质钢。
典型钢种45、40Cr，这类钢的油淬临界直径最大为30～40mm，广泛用于制造
一般尺寸的重要零件，如轴、齿轮、连杆螺栓等。
35SiMn、40MnB是为节约铬而发展的代用钢
种。
②中淬透性调质钢。
典型钢种40CrNi，这类钢的油淬临界直径最大为40～60mm，含有较多的合金
元素，用于制造截面较大、承受较重载荷的零件，如曲轴、连杆等。
③高淬透性调质钢。
典型钢种40CrNiMoA，这类钢的油淬临界直径为60～100mm，多半为铬镍钢。
铬、镍的适当配合，可大大提高淬透性，并能获得比较优良的综合机械性能。
用于制造大截面、承受重负荷的重要零件，如汽轮机主轴、压力机曲轴、航空发动机曲轴等。
钢种的选择根据零件的工作载荷大小及其尺寸、形状来确定的。
载荷大、尺寸大、形状复杂的零件，为保证有足够的淬透性，就要采用合金调质钢。
热处理工艺特点：
（1）预备热处理：
采用完全退火或正火（高淬透性的调质钢正火后应再高温回火），其目的是细
化晶粒，改善组织；调整硬度，改善切削加工性能。
组织（P+F）。
（2）最终热处理：
调质处理，组织为回火索氏体，具有良好的综合机械性能。
调质处理＋表面淬火、低温回火。
对除了要求良好综合机械性能外，还要求表面具有高硬
度、高耐磨性的调质件，调质处理后还需进行“表面淬火+低温回火”处理，表面淬火多采用感应加热表面淬火。
表面组织为M回，心部为S回。
举例：
通过实例分析热处理工艺规范
（1）用40Cr制作拖拉机上的连杆、螺栓。
其工艺路线为：
下料→锻造→退火或正火→粗机加工→调质→精机加工→装配。
在工艺路线中，预备热处理采用退火（或正火），其目的是改善锻造组织，细化晶粒；调整硬度、
便于切削加工；为淬火做好组织准备。
调质工艺采用830℃加热、油淬、得到马氏体组织；然后在525℃回火水冷，水冷为防止第二类回火脆性，最终使用状态下的组织为回火索氏体，具有良好综合机械性能。
（2）45或40Cr钢制造机床主轴或齿轮的生产工艺流程一般为：
下料→锻造→正火→机加工→调质处理→精加工→局部表面淬火+低温回火→磨削。
讨论题：
1.有一40Cr钢制机床主轴，心部要求有良好的强韧性（200～300HBS），轴颈处要求硬而耐磨（54～
58HRC），试回答下列问题：
（1）应选择何种预备及最终热处理？
（2）说明各热处理后的组织？
分析：
40Cr为低淬透性钢，应采用正火作预备热处理，细化晶粒，改善组织及切削加工性能；正
火处理后的组织为（
P+F）；
最终热处理宜选用调质处理，然后对轴颈处进行
“表面淬火
+低温回火”的热处理，可达到性能要求。
调质处理后的组织为回火索氏体；
“表面淬火
+低温回火”后，心部组织仍为回火索氏体，
表面组织则为“M
回＋少量
A残”。
2．某厂用
45钢制作一批齿轮，制作过程中因
45钢数量有够用，想用
20钢代替。
试问：
这两种钢
在制作齿轮的热处下工艺上有何不同，并指出热处理后的组织。
分析：
45钢为调质钢，制作齿轮时，预备热处理采用正火，组织为（
S＋F），细化组织、改善切
削加工性能；最终热处理为调质处理，组织为S回，获得良好综合力学性能；最后齿面再进行“表面淬火
＋低温回火”，齿轮心部组织为S回，齿面组织“M回＋少量A残”，提高齿面硬度及耐磨性，消除淬火应
力。
20钢为渗碳钢，预备热处理采用正火，组织为S＋F；机加工成形后渗碳，再淬火＋低温回火，齿
面组织为“M＋细小渗碳体＋少量
A
残
”，心部为“板条M
回
＋S＋F”。
回
新的趋势：
用低碳和金刚经“淬火+低温回火”得到低碳马氏体代替中碳调质钢，可以提高零件的承载能
力，减轻重量。
在汽车、石油、矿山方面应用效果好。
应用实例：
（1）汽车螺栓：
用15MnVB代替40Cr，承
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