碳钢与合金钢

1.4.1 碳钢

1.钢的分类

钢的分类方法很多，根据不同用途，有不同的分类方法。

（1）根据钢中有害杂质磷、硫含量的多少，可将钢分为普通质量钢（w P≤0.045％，w S≤0.05％）、优质钢（w P≤0.035％，w S≤0.035％）、高级优质钢（w P≤0.025％，w S≤0.025％）。

（2）根据钢中碳的质量分数的多少，可将钢分为低碳钢（w C＜0.25％）、中碳钢（0.25％≤w C≤0.6％）、高碳钢（w C＞0.6％）。

（3）根据钢的用途，可分为碳素结构钢和碳素工具钢。前者主要用于制作各种机器零件和工程结构件，一般属于低碳钢和中碳钢；后者主要用于制作各种量具、刃具和模具等，一般属于高碳钢。

（4）按钢中合金元素含量多少，可将钢分为低合金钢（合金元素总质量分数w Me＜5％）、中合金钢（5％≤w Me≤10％）、高合金钢（w Me＞10％）。

（5）按钢材出厂最终产品可将钢分为型钢、棒料、盘条、厚板、宽带、管材等。

2.碳钢的牌号、性能和用途

碳素钢简称碳钢，它是碳含量（质量分数）小于2.11％的铁碳合金。碳钢随钢中碳含量的增多，铁素体数量逐渐减少，珠光体和渗碳体的数量不断增多，因而强度增高、塑性降低。低碳钢强度低而塑性、焊接性好；中碳钢强度好而塑性、焊接性较差，热处理后，可以显著提高强度和硬度；高碳钢塑性、焊接性很差，热处理后可得到很高的强度和硬度。硅、锰、硫、磷杂质含量对钢的性能有较大影响，其中硫、磷是钢中有害元素，当钢中硫含量较多时，在800～1 200℃进行压力加工时，由于共晶熔化，会使钢的各个晶体分离，从而引起钢的破裂，这种现象叫“热脆”；磷在α－Fe中会形成固溶体，使钢强度、硬度有所增加，而塑性、韧性显著降低。特别是在低温时，钢的脆性急剧增加，这种现象叫“冷脆”。因而在钢的生产中必须严格控制硫、磷等杂质元素的含量。

碳素钢可分为碳素结构钢、优质碳素结构钢、碳素铸钢和碳素工具钢。

（1）碳素结构钢 碳素结构钢是建筑及工程用非合金结构钢，价格相对低廉，主要保证力学性能。其牌号以“Q＋数字＋字母＋字母”表示。数字以钢材厚度不大于16mm时的下屈服强度数值表示。第一个字母表示质量等级，第二个字母若为F表示沸腾钢，若为b则为半镇静钢，镇静钢不加字母。碳素钢磷、硫的质量分数较高（w P≤0.045％，w S≤0.055％），用于制造一般工程结构件和普通机械零件。以Q235钢在工业上应用最多，因为它既有一定的强度，又有较好的塑性。

碳素结构钢一般在供应状态下使用，必要时可进行锻造、焊接等热加工，也可通过热处理调整其力学性能。碳素结构钢的化学成分、力学性能和用途如表1－7所示。

表1－7 常用碳素结构钢的化学成分、力学性能及用途

（2）优质碳素结构钢 这类钢必须同时保证力学性能和化学成分。硫、磷的质量分数≤0.035％，广泛应用于较重要的机械零件，以45钢应用最广。其牌号采用两位数字表示，这两位数字表示钢中平均碳质量分数为万分之几。如40钢，表示钢中碳的质量分数平均为0.40％。根据碳含量不同，优质碳素结构钢又可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢三类。常用优质碳素结构钢的力学性能和用途见表1－8所示。优质碳素结构钢在使用前一般要进行热处理。

表1－8 常用优质碳素结构钢的力学性能和用途

（3）碳素铸钢 碳素铸钢是冶炼后直接铸造成毛坯或零件的一种钢，它适用于形状复杂且韧度、强度要求较高的零件。其牌号用ZG加两组数字表示。两组数字分别表示材料的最低屈服强度和最低抗拉强度。如ZG200－400表示屈服强度为200MPa、抗拉强度为400MPa的铸钢。

碳素铸钢的w C一般在0.15％～0.60％内，过高则塑性差，易产生裂纹。一般工程用铸钢的成分、力学性能和用途如表1－9所示。

表1－9 常用碳素铸钢的化学成分、力学性能和用途

（4）碳素工具钢 碳素工具钢的中碳的质量分数一般为0.65％～1.35％。因其碳含量高，硬度高、耐磨性好，生产成本也不高，故常用于制造低速、手动刀具及常温下使用的各种刃具、模具、量具等。碳素工具钢的牌号以“T＋数字＋字母”表示。数字表示钢中碳的质量分数平均为千分之几。如为高级优质碳素工具钢，则在数字后加A。如T8A表示碳的质量分数为0.8％的优质碳素工具钢。表1－10为碳素工具钢的牌号、成分、性能及用途。

表1－10 碳素工具钢的牌号、成分及用途

1.4.2 合金钢

所谓合金钢是为了改善或提高钢的性能，在碳钢基础上有目的地加入一种或数种合金元素所制成的钢，常用的合金元素有Si、Mn、Ni、W、Mo、Ti和V等。合金钢根据用途不同可分为三类：合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。

1.合金结构钢

合金结构钢是合金钢中用途最广、用量最大的一类钢，常用于制造重要的零件。根据具体用途不同，合金结构钢可分为普通低合金钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢和滚动轴承钢等。合金结构钢的编号方法是“两位数字＋元素符号＋数字＋…”，前两位数字表示碳的质量分数平均为万分之几；元素符号表示所含的合金元素；元素符号后面的数字表示该元素平均质量分数为百分之几，当其小于1.5％时，只标元素符号，不标数字。若为优质钢，则在后面加A。如65Si2Mn表示碳的质量分数平均为0.65％，硅的质量分数平均约为2％，锰的质量分数小于1.5％。常用合金结构钢的牌号、成分、性能和用途如表1－11所示。

表1－11 常用合金结构钢的牌号、成分、性能及用途

续表

（1）普通低合金钢 低合金钢是在低碳钢的基础上，加入少量合金元素发展起来的。合金元素以锰为主，此外还有V、Ti、Al、Nb等元素。具有良好的焊接性，较好的韧性、塑性，强度显著高于相同碳含量的碳钢。低合金钢一般在热轧或正火状态下使用。

常用普通低合金钢的牌号有Q295、Q345、Q390、Q420等，其中Q345（16Mn）钢应用最广泛。

（2）渗碳钢 渗碳钢主要用于制造高耐磨性、承受动载荷的零件。这类钢采用低碳成分，经表面渗碳进行成分调整，再结合淬火和低温回火热处理，能够使零件表面具有良好的耐磨性和疲劳强度，而心部有良好的韧性和足够的强度。渗碳钢热处理加工工艺一般为：下料→锻造→预备热处理→渗碳→机械加工→淬火、回火→磨削精加工。

渗碳零件的使用性能远高于中碳钢表面淬火后的性能。常用的渗碳钢有15、20Cr、20Cr Mn Ti、18Cr2Ni4W等，它们主要用于制造中小齿轮、蜗杆、活塞销等，其中尤以20Cr Mn Ti应用最为广泛。

（3）调质钢 调质钢是在中碳钢基础上加入一种或几种合金元素（如Mn、Si、Cr、B、Mo等），经淬火和高温回火热处理（即调质）后所得到的合金钢，它具有较高强度和良好韧性，综合力学性能良好。调质钢加工工艺一般为：下料→锻造→预备热处理→机械加工（粗加工）→调质→机械加工（半精加工）→表面淬火或渗碳→机械加工（精加工）。要求硬度较低时的调质零件，可采用“毛坯→调质→机械加工”的工艺路线。

常用的调质钢有45、40Cr、38Cr Mo Al A等，主要用于制造重要的机器零件，如传动轴、机床齿轮、曲轴、连杆螺栓等，其中40Cr应用最为广泛。

（4）弹簧钢 弹簧钢采用高碳成分以保证强度，通过淬火和中温回火热处理，以满足高弹性极限、疲劳极限和足够韧度的要求。弹簧工作时表面层的应力最大，如果表面脱碳、贫碳，会使表面强度降低，寿命大大缩短。所以尺寸较大或承受动载荷的重要弹簧，应采用弹簧钢制造。为了进一步提高弹簧的使用寿命，可以采取喷丸处理进行表面强化，采用形变处理提高强韧度。常用的弹簧钢有65、65Mn、60Si2Mn、50CrVA等，最有代表性的是60Si2Mn。

弹簧热处理加工工艺如下。

对于冷成形弹簧，成形后只需在250～300℃之间进行去应力退火，消除冷成形时产生的应力、稳定尺寸。适用于加工D＜10mm的小型弹簧。

对于热成形弹簧，工艺过程为“下料→加热→卷簧成形→淬火→中温回火→试验→验收”，适用于加工大型弹簧。

（5）滚动轴承钢 滚动轴承钢是制造各类滚动轴承的滚动体及内、外套圈的专用钢。滚动轴承在交变应力下工作，各部分之间因相对滑动而产生强烈摩擦，还受到润滑剂的化学侵蚀。因此，轴承钢必须具有较高的硬度和耐磨性、较高的弹性极限和接触疲劳强度，以及足够的韧度和耐蚀性。目前常用的是铬轴承钢（GCr9、GCr15、GCr15SiMn等）。滚动轴承钢的热处理主要是在锻造后进行球化退火，制成零件后进行淬火和低温回火。

（6）超高强度钢 一般指Re L＞1 380MPa、Rm＞1 500MPa的特殊质量合金钢。它是在合金调质钢的基础上加入多种合金元素复合强化生产的（如35Si2MnMoVA、40SiMnCrWMoRE等）。主要用于航天、航空工业中。

2.合金工具钢

合金工具钢主要用于制造刃具、模具和量具等。钢中的合金元素可增加钢的淬透性、耐磨性、热硬性。因此，合金工具钢主要用于制造形状复杂、尺寸较大，要求变形小或切削速度较高的工模具。合金工具钢的编号方法为“一位数字（或无数字）＋元素符号＋数字＋…”表示。前面数字表示碳的质量分数平均为千分之几，但当碳的质量分数大于1.0％时，在钢号中不标出（高速钢例外，不论碳的质量分数是多少都不标出）；合金元素符号后的数字表示合金元素的质量分数为百分之几，当合金元素的质量分数小于1.5％时不标出。合金工具钢按用途又可分为刃具钢、模具钢、量具钢。表1－12列出常用合金工具钢的牌号、成分和主要用途。

表1－12 常用合金工具钢的牌号、成分和用途

（1）刃具钢 刃具切削时受切削力作用，切削发热，还会有一定的冲击和振动。因此要求有高强度、高硬度、高耐磨性、高热硬性、足够的塑性和韧性。

合金刃具钢（Cr06、9Si Cr等）中w C一般在0.9％～1.1％之间，常加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素。这类钢的最高工作温度不超过300℃；高速钢（W18Cr4V）的w C在0.7％以上，最高可达1.5％左右，加入w Cr为4％的Cr可使钢具有最好的切削加工性能，加入W、Mo保证高的热硬性，加入V提高耐磨性。高速钢的性能将在后面的章节中作进一步的介绍。

9SiCr钢中因加入了合金元素，提高了淬透性。因此多用做丝锥、板牙、钻头、铰刀等；W18Cr4V钢因热硬性高、加工性好，广泛应用一般高速切削刀具，如车刀、铣刀、刨刀、钻头等刀具。

（2）模具钢 模具钢分为冷作模具钢和热作模具钢。冷作模具钢工作时有很大的压力、弯曲力、冲击载荷和摩擦。主要损坏形式是磨损，也常出现断裂和变形等失效现象。因此，冷作模具钢要求具有高硬度、高耐磨性、足够的韧度与疲劳强度和热处理变形小的特性。冷作模具钢（Cr12、Cr12MoV等）用于制造各种冷冲模、冷挤压模和拉丝模等，工作温度不超过200～300℃。

热作模具钢工作中有很大的冲击载荷、摩擦、剧烈的冷热循环所引起的不均匀热应变和热应力以及高温氧化，常出现崩裂、塌陷、磨损、龟裂等失效现象。因此，热作模具钢要求具有较高的热硬性、高温下较好的耐磨性、较高的抗氧化性能、较高的热强性和足够高的韧性。热作模具钢（5CrMnMo、5CrNiMo等）用于制造各种热锻模、热挤压模和压铸模等，工作时型腔表面温度可达600℃以上。

（3）量具钢 量具在使用过程中主要承受磨损。对量具钢性能要求是：较高的硬度（不小于56HRC）和耐磨性，较高的尺寸稳定性。为保证量具在使用过程中尺寸稳定性，常采取降低淬火温度，以减少残余奥氏体量；淬火后立即进行－70～－80℃的冷处理，使残余奥氏体尽可能地转变为马氏体，然后进行低温回火或进一步进行时效处理等措施。

量具钢用于制造各种测量工具，如螺旋测微仪、块规和塞规等。尺寸小、形状简单、精度较低的量具用高碳钢制造；复杂的、较精密的量具一般用低合金刃具钢制造；CrWMn的淬透性较高，淬火变形很小，可用于精度要求高、形状复杂的量规及块规；GCr15耐磨性、尺寸稳定性较好，多用于制造高精度块规、螺旋塞头、千分尺等。

3.特殊性能钢

（1）不锈钢 不锈钢是指能抵抗大气腐蚀或抵抗酸、碱、盐等腐蚀性化学介质的钢。不锈钢按正火状态的组织可分为马氏体型不锈钢（Cr13型）、铁素体型不锈钢（Cr17型）、奥氏体型不锈钢（18－8型）。Cr13型不锈钢（1Cr13应用最广）一般用来制造既能承受载荷又需要耐蚀性的各种阀、机泵等零件，以及一些不锈刀具；Cr17型不锈钢（1Cr17应用最广）主要用于制造耐蚀零件，广泛用于硝酸和氮肥工业中；18－8型不锈钢（1Cr18Ni9Ti应用最广）广泛用于制造化工生产中的某些设备零件或构件及管道等。不锈钢的抗腐蚀机理是：质量分数很高（w Cr≥13％）的铬与氧发生化学反应，生成一层具有保护作用的Cr2O3薄膜，可防止钢被进一步氧化和腐蚀。

（2）耐热钢 耐热钢是指在高温下仍能保持足够的强度和能抵抗氧化而不起皮的钢。具有很好的热化学稳定性和热强性。热化学稳定性是钢在高温下对各类介质化学腐蚀的抗力，热强性是钢在高温下的强度性能。耐热钢耐热机理是：钢中主加合金元素Cr、Si、Al等，在高温下与氧反应，生成一层致密的高熔点氧化膜，附着在金属表层，能有效地保护钢在高温下不被继续氧化。

耐热钢常分为热化学稳定钢（3Cr18Ni25Si2等）和热强钢（Cr12型、Cr13型、1Cr18Ni9Ti、1Cr17等）。耐热钢主要用于石油化工的高温反应设备和加热炉、火力发电设备的汽轮机和锅炉、汽车和船舶的内燃机、飞机的喷气发动机以及热交换器等设备。

（3）耐磨钢 对耐磨钢的主要性能要求是很高的耐磨性和很好的韧性。高锰钢能很好地满足这些要求，它是目前最重要的耐磨钢。

高锰钢室温下为奥氏体组织，加热冷却并无相变。其热处理工艺一般都采用水韧处理，即将钢加热到1 000～1 100℃，保温一段时间，使碳化物全部溶解，然后迅速水淬，在室温下获得均匀单一的奥氏体组织。此时钢的硬度很低而韧度很高，当在工作中受到强烈冲击或强大压力而变形时，表面层产生强烈的形变硬化，并且还发生马氏体转变，使硬度显著提高，心部则仍保持为原来的高韧度状态。

耐磨钢主要用于运转过程中承受严重磨损和强烈冲击的零件，如车辆履带板、挖掘机铲斗等。Mn13是较典型的高锰钢，它在工作中受力较大时相变诱发马氏体，从而充分发挥其高耐磨性这一潜能。

（4）永磁钢和软磁钢 永磁钢一般具有高碳工具钢的成分，常加入的合金元素有Cr、W、Mo等。永磁钢具有高的剩磁及矫顽磁力，常用做制造无线电及通信器材中的永久磁铁装置。软磁钢是一种碳的质量分数很低的铁硅合金，硅的质量分数在1％～4％之间，通常轧制成薄片（俗称硅钢片），是一种重要的电工用钢。

（5）铸钢 铸钢一般应用于较重要的、复杂的，具有较高强度、塑性与韧性以及特殊性能的结构件，合金元素的质量分数小于5％的铸钢称为低合金铸钢，常用的低合金铸钢有ZGMn2、ZG35Si Mn、ZG37SIMn2Mo V、ZG40Cr Mn Mo等，常用于机架、缸体、齿轮、连杆等。合金元素质量分数大于10％的铸钢称为高合金铸钢，如用于制造高耐磨坦克履带、挖掘机铲斗的ZGMn13钢，用于制造耐酸泵过流部件的ZG1Cr18Ni9等。加入的合金元素能使铸钢具有特殊的性能。