第七章 钢教材

第七章钢钢的定义钢steel以铁为主要元素，含碳量一般在2%以下，并含有其他元素的材料。在铬钢中含碳量可能大于2%，但2%通常是钢和铸铁的分界线。钢的分类按冶炼方法平炉钢转炉钢电炉钢电弧炉炼钢按金相组织亚共析钢共析钢过共析钢按退火后的组织分珠光体钢贝氏体钢马氏体钢铁素体钢奥氏体钢莱氏体钢按正火后的组织分第一节常存元素和杂质

对钢性能的影响钢中的常存元素和杂质钢中的常存元素包括：锰（Mn）、硅（Si）、硫（S）、磷（P）、氮（N）、氧（O）、氢（H）钢中的杂质包括：非金属杂质金属氮化物金属氧化物锰对钢的影响锰是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的常存元素。是一种有益元素锰溶于铁素体中，形成置换固溶体，对钢有一定的强化作用。可减少硫对钢的影响，改善钢的热加工性能。作为常存元素少量存在对钢的性能影响不显著（含量小于1%）。硅对钢的影响硅是炼钢时用硅铁脱氧而残留在钢中的常存元素。也是一种有益元素硅能溶于铁素体，使铁素体强化，提高钢的强度和硬度。作为常存元素对钢的性能影响也不显著（含量小于0.5%）。硫对钢的影响硫是炼钢时由矿石和燃料带进钢中的元素。是一种有害元素硫在钢中通常以FeS的形式存在，易于与Fe在晶界上形成低熔点共晶体（985℃），使钢产生热脆性，在热加工时（1150～1200℃）因共晶体熔化发生开裂。在钢中要严格控制其含量。硫对钢的影响增加钢中的锰含量，使锰与硫先形成高熔点的MnS，并使其呈粒状分布，可避免热脆性。Mn+FeS→MnS+FeMnS熔点为1620℃钢中含硫量较多时还可形成较多的MnS，有利于机加时断屑，改善钢的机加工艺性。磷对钢的影响磷也是一种有害元素磷溶于钢中，使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性显著下降，尤其是使钢在低温时韧性下降明显脆性大增——产生冷脆性，使钢的冷加工性能和焊接性变差。磷的偏析还会使钢材在热轧后形成带状组织。在钢中也要严格控制其含量。钢中加入P可提高钢的切削性能。如：易切削钢Y12、Y15。氮对钢的影响氮在钢中属于有害元素室温下N在铁素体中的溶解度很低，钢中过饱和N在常温放置过程中以FeN、Fe4N的形式析出而使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性下降，称为时效脆化。因其在200~250℃加热时颜色为蓝色，又称为“蓝脆”。加入Ti、V、Al等元素可使N固定，消除时效脆化。氧对钢的影响氧在钢中也属于有害元素氧在钢中以氧化物形式存在，其与基体结合力弱，不易变形，易成为疲劳裂纹源。氧是在炼钢过程中自然进入钢中的。采用真空冶炼或惰性气体保护冶炼可避免冶炼中生成氧化物。氢对钢的影响来源于湿空气或水分。在钢中溶有氢是非常不利的，会导致氢脆、白点等缺陷当氢在钢中以原子态溶解时，会降低韧性，引起“氢脆”。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高的内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称为白点或发裂。非金属夹杂物的影响炼钢过程中，少量的炉渣、耐火材料及冶炼反应物可能会进入钢液，形成非金属夹杂物。非金属夹杂物一般都会降低钢的力学性能，特别是降低塑性、韧性和疲劳强度。严重时还会使钢在热加工和热处理时产生裂纹，或在使用中引起突然断裂。第二节合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的存在形式合金元素按其与钢中碳的结合能力分为：非碳化物形成元素弱碳化物形成元素中碳化物形成元素强碳化物形成元素合金元素在钢中的存在形式：合金铁素体合金碳化物合金渗碳体特殊碳化物非金属夹杂物合金元素与碳的亲和力从大到小的顺序为：碳化物的稳定性、熔点、硬度、耐磨性提高Ti、Nb、VW、Mo、CrMn、Fe强碳化物形成元素中碳化物形成元素弱碳化物形成元素非碳化物形成元素Ni、Si、Al、Co、Cu等：不与碳化合，而是溶入铁素体中，形成合金铁素体。由于固溶强化作用，合金铁素体比铁素体的强度和硬度高。弱碳化物形成元素Mn：形成合金铁素体或合金渗碳体。中碳化物形成元素Cr、W、Mo等：形成合金渗碳体。含量较多时形成特殊碳化物。合金渗碳体呈弥散分布时，起强化相作用，比Fe3C的稳定性好，强度和韧性更高。强碳化物形成元素V、Nb、Ti等：形成特殊碳化物。其稳定性、强度和硬度进一步提高。合金渗碳体和合金碳化物主要以第二相强化的方式来提高材料的力学性能。由于碳化物的类型、大小、数量及分布等对钢的力学性能影响很大，故合金钢一般都需要进行热处理。合金元素的加入，一般会使钢的强度、硬度提高。合金元素加入较多时，钢的塑性和韧性则会下降。合金元素对铁素体冲击韧性影响合金元素对铁素体硬度影响合金元素对钢的性能的影响合金元素对Fe-Fe3C相图的影响对奥氏体区的影响对奥氏体和铁素体相区的影响对Fe-Fe3C相图两个临界点（S点和E点）的影响对钢加热转变的影响对奥氏体形成速度的影响对奥氏体晶粒长大倾向的影响Ni、Mn、Co等元素扩大奥氏体相区。若含量较高，可将奥氏体区扩大到室温以下——室温下得到单相奥氏体组织——奥氏体钢，如：06Cr19Ni10锰对奥氏体相区的影响对奥氏体相区的影响对奥氏体相区的影响Cr、W、Mo、Si、V、Ti、Al等元素缩小奥氏体相区。若含量较高，可使奥氏体区缩小至消失——室温下得到单相铁素体组织——铁素体钢。如：06Cr13铬对奥氏体相区的影响对E点和S点位置的影响加入合金元素，一般会使E点和S点左移，使亚共析钢/共析钢出现过共析组织（如：4Cr13）；过共析钢出现共晶组织——莱氏体钢（如：W18Cr4V）。合金元素对钢加热转变的影响对奥氏体形成速度的影响：除Ni、Co外，都减缓奥氏体化过程——合金钢的热处理需要更高的温度和更长的保温时间。对奥氏体晶粒长大倾向的影响：除Mn外，加入合金元素均阻碍奥氏体晶粒长大——淬火后易得到细小的组织。合金元素对钢的冷却转变的影响合金元素对钢的冷却转变的影响包括：对C曲线的影响对Ms、Mf点的影响对淬火钢回火转变的影响对C曲线的影响除Co外，凡溶入奥氏体的合金元素均使C曲线右移，淬透性提高。常用提高淬透性的元素为：Mn、Si、Cr、Ni、B对C曲线的影响形成强碳化物元素Ti、V、W、Mo等，不仅使C曲线右移，而且使曲线形状发生变化——出现“两个鼻尖”曲线分为珠光体转变区和贝氏体转变区；两区之间过冷奥氏体有很大的稳定性。对Ms、Mf点的影响除Co、Al外，其余合金元素都使Ms、Mf点下降——残余奥氏体量增加。对淬火钢回火转变的影响提高回火稳定性（耐回火性）：合金元素的加入，一般会延缓M组织的分解转变，使合金钢在相同温度回火后，强度、硬度下降较少，淬火内应力消除更充分。淬火钢在回火过程中抵抗强度硬度下降的能力称为回火稳定性（耐回火性）。对淬火钢回火转变的影响产生二次硬化：含高W、Mo、Cr、V等强碳化物形成元素钢淬火后在500—600℃回火时,由于析出的碳化物分布在M基体上阻碍位错运动，使钢的硬度不仅不下降,反而升高的现象称为二次硬化。二次硬化现象对需要红硬性的工具钢具有重要意义。

碳钢对淬火钢回火转变的影响产生第二类回火脆性：合金钢在500—600℃回火后缓冷，会出现第二类回火脆性。回火后快冷或在钢中加入W（1%）或Mo（0.5%）可消除第二类回火脆性。第三节结构钢结构钢：用于各种工程结构或制造各种机器零件的钢的统称。按用途分类：工程结构用钢机械结构用钢：渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢按成分分类：普通碳素结构钢低合金高强度结构钢优质碳素结构钢优质合金结构钢普通碳素结构钢与

低合金高强度结构钢Q最低屈服强度值-质量等级符号·脱氧方法符号Q——汉语拼音“屈”质量等级符号——按钢中S、P含量从高到低分为A、B、C、D、E，质量由低到高脱氧方法符号：沸腾钢——F镇静钢——Z半镇静钢——b特殊镇静钢——TZ普通碳素结构钢和低合金高强度结构钢的

命名及编号普通碳素结构钢主要为工程结构用钢。常以热轧型材使用。适合焊接、铆接、栓接等。约占钢材总量的70%。成分：wC<0.4%P、S量较多。性能：可焊性、塑性好。热处理：热轧空冷使用状态下组织：F+P低合金高强度结构钢成分：含碳量较低wC≤0.2%加入少量Mn、Si等元素热处理及供货状态：热轧正火状态，用户一般不再进行热处理组织：F+P性能特点：较高的强度，良好的塑性、韧性；良好的焊接性能；较好的耐腐蚀性能。低合金高强度结构钢应用：广泛应用于桥梁、船舶、压力容器、农业机械、工程机械、大型钢结构优质碳素结构钢与

优质合金结构钢优质碳素结构钢的命名及编号两位数字+脱氧方法两位数字——钢中含碳量的万分数。例：45、08F合金结构钢的命名及编号两位数字+合金元素+数字+质量等级符号两位数字——碳含量的万分数合金元素+数字——钢中所含的合金元素及其百分数含量；合金含量小于1.50%时只标合金元素符号不标含量。质量等级符号——特殊质量合金钢分别以A、E表示，E优于A。例：60Si2MnA、40Cr、12Cr2Ni4渗碳钢一般用于制造承受强烈摩擦、较大冲击载荷及交变应力的零件，如：航空/汽车齿轮、凸轮轴等。要求材料具有内韧外硬特性。活塞销(20Cr)柴油机曲轴柴油机凸轮轴渗碳钢成分：wC=0.1%~0.25%提高淬透性元素：Cr、Ni、Mn、B阻碍A长大元素：W、Mo、V、Ti热处理：下料—锻—正火—机械粗加工—（调质）—机械精加工—渗碳淬火（渗碳+淬火+低温回火）—精磨组织和性能：表层：高碳回火M+颗粒状碳化物，硬度高，耐磨性好。心部：低碳回火M（淬透）/低碳回火M+S+F（未淬透，正火）/低碳回火M+回火S（未淬透，调质），强韧性较好。渗碳钢分类（P154~155表7-6）：碳素渗碳钢：15、20合金渗碳钢：低淬透性渗碳钢：20Cr中淬透性渗碳钢：20CrMnTi高渗透性淬碳钢：12Cr2Ni4调质钢一般用于制作承受复杂载荷作用，要求具有较好综合力学性能的零件。如：传动轴、连杆、齿轮、高强度螺栓等。调质后可进行表面淬火或渗氮。圆锥齿轮柴油机凸轮轴调质钢成分wC=0.3%~0.5%加入提高淬透性元素：Mn、Cr、Ni、B加入阻碍A长大元素：W、Mo、V、Ti热处理：下料—锻—正火/退火—机械粗加工—调质（淬火+高温回火）—机械精加工—表面淬火（表面淬火+低温回火）/（表面渗氮）—精磨调质钢组织和性能：心部组织：S回，具有良好的综合力学性能。表面淬火后的表层组织：为隐针状回火马氏体，具有高硬度和高耐磨性，并可提高零件的疲劳极限。表面渗氮后的表层组织：金属氮化物。具有高硬度、高耐磨性和耐腐蚀性。调质钢分类（P156~157表7-7）：碳素调质钢：45合金调质钢低淬透性调质钢：40Cr中淬透性调质钢：35CrMo、38CrMoAlA高淬透性调质钢：37CrNi3弹簧钢一般用于制作各种弹性元件，要求具有较高的弹性极限和疲劳强度。如：螺旋弹簧、汽车钢板弹簧、钟表发条等。弹簧钢成分：wC=0.6%~0.9%加入Mn、Si、Cr等元素，提高淬透性和回火稳定性热处理：淬火+中温回火组织和性能：T回具有较高的弹性极限和疲劳极限分类（P160表7-8）：碳素弹簧钢：65Mn合金弹簧钢：60Si2Mn弹簧钢制造工艺：冷成型弹簧：冷拔→冷成型→定型处理（250-300℃低温退火）。用于<φ10mm弹簧。

热成型弹簧：热成型→淬火+中温回火使用状态下的组织：T回。用于大截面弹（>φ10mm）热卷大弹簧弹簧丝滚动轴承钢用于制造各类滚动轴承内、外圈及滚动体（滚针、滚珠、滚柱）的专用钢。滚动轴承钢成分：wC=0.9%~1.15%主要加入Cr，以提高淬透性和耐磨性以及接触疲劳强度热处理：下料—锻—退火/正火—球化退火—机械加工—淬火（+冷处理）+低温回火—精磨淬火后进行冷处理(-60至-80℃)，可减少A’，稳定尺寸。

组织和性能：M回，高强度、高硬度、高耐磨性常用牌号（P162~163）：GCr15冷冲压钢成分：wC<0.2%δ≤6mm冷轧板常用牌号：08F、08Al、10、Q195、Q215第四节工具钢工具钢是用于制造各种刃具、模具、量具的钢的总称。包括：刃具钢模具钢量具钢T+数字+质量等级符号T——汉语拼音“碳”（表示碳素工具钢）数字——钢中含碳量的千分数。质量等级——优质钢无符号，特殊质量钢为A例：T8A、T12碳素工具钢的命名及编号合金工具钢的命名及编号一位数字+合金元素+数字+质量等级符号一位数字——含碳量的千分数；若含碳量大于1%则不标出合金元素+数字——钢中所含的合金元素及其百分数含量；合金含量小于1.50%时只标合金元素符号不标含量。例如：9SiCr、CrWMn刃具钢用于制造各种机械加工切削刀具的钢。特点：工作时承受很大的切削力，刀刃与切削之间有强烈的摩擦并使刀刃磨损、发热，同时还要承受一定的冲击作用。性能要求：高硬度与高耐磨性高红硬性（热硬性——刀刃的高温下保持硬度的能力）足够的强度与韧性刃具钢分类：碳素工具钢合金刃具钢高速工具钢碳素工具钢生产成本低，淬透性、热硬性较差主要用于制造较小尺寸的手工工具和低速切削刃具。碳素工具钢成分：wC=0.65%~1.35%随含碳量提高，碳化物量增多，耐磨性提高，韧性下降。热处理：下料—锻—退火/正火—球化退火—机械加工—淬火+低温回火—精磨组织和性能：M回

+粒状碳化物常用牌号（P167表7-11）：T8、T10、T12合金刃具钢在碳素工具钢的基础上加入少量合金元素（wMe≤3%~5%）而成。淬透性较碳素工具钢提高用于制造截面较大、形状复杂、要求变形小的低速刃具。合金刃具钢成分：wC=0.75%~1.5%加入Cr、Mn、Si，提高淬透性；加入W、V，回火后形成特殊碳化物，提高耐磨性热处理：下料—锻—退火/正火—球化退火—机械加工—淬火+低温回火—精磨组织和性能：M回

+粒状合金碳化物硬度：60~65HRC常用牌号（P168表7-12）：9SiCr高速工具钢在钢中加入大量的Cr、W、Mo、V等合金元素。具有更高的红硬性和耐磨性，能满足高速切削的要求，在温度达600℃时切削仍能保持刃口锋利，因此被称为“锋钢”。高速工具钢成分：wC=0.7%~1.6%加入W、Mo形成合金碳化物，使回火稳定性提高；回火时形成特殊碳化物W2C，产生二次硬化，使硬度提高，热硬性提高。加入Cr提高淬透性，Cr≥4%时空冷也能淬透。加入V，回火时析出VC（83~85HRC），产生二次硬化，提高M基体的硬度，使耐磨性提高。高速工具钢常用牌号（P169表7-13）：W18Cr4V（18-4-1）用于制造高速切削刃具，如车刀、刨刀、铣刀等。车刀铣刀加工工艺路线：下料→锻造→退火→球化退火→机加工→淬火+560℃

三次回火→磨削回火后组织：极细M回+颗粒状合金碳化物+少量A’回火后硬度：63~66HRC铸态淬火回火态淬火态退火态高速工具钢中含有大量的W、Mo、Cr、V等合金元素，使Fe—Fe3C相图的E点显著左移，在铸态组织中出现了莱氏体，属于莱氏体钢。其中的碳化物呈鱼骨状分布，经高温轧制和锻压后可被粉碎并重新分布。高速工具钢中的碳化物偏析，将使刃具的强度、硬度和耐磨性下降，从而使刃具在使用过程中容易崩刃和磨损。解决的办法是进行锻造。淬火后组织：M+未溶碳化物（～10%）

+A’（～20%）回火目的：减少A'消除内应力回火时的组织变化：

析出W、Mo、V的碳化物，产生二次硬化碳及合金元素含量下降常采用560℃

三次回火。每次回火加热都使前一次的淬火马氏体回火。模具钢根据用途分为：冷作模具钢热作模具钢塑料模具钢冷作模具钢用途：制作冷冲压模具、冷拉深模具、压印模具、冷挤压模具、冷镦模具和滚压螺纹模具等。特点：工作时承受很大的剪切力、冲击力和摩擦力。工作温度一般不超过200~300℃。性能要求：高硬度（50~60HRC）、高耐磨性、高强度和高韧性。汽车冲压模具冷作模具钢成分特点：含碳量较高(wC≥0.9％)，以保证模具的耐磨性，并有足够的合金碳化物。加入Cr、W、Mo、V等元素，提高淬透性，形成合金碳化物，提高耐磨性。热处理工艺：淬火+低温回火常用钢种（P174表7-15）：CrWMn、Cr12MoV

。热作模具钢用途：制作热锻模、热挤压模、压铸模。特点：工作时要承受高温（1100~1200℃）高压。性能要求：必须具有足够的硬度、耐磨性及强韧性；还应具有良好的导热性和耐热疲劳性。型板压铸模热作模具钢成分特点：中碳(wC=0.3~0.6％)，以保证在回火后获得较高的强度和韧性；加入Cr、Ni、Mn等元素，提高淬透性和强韧性；加入W、Mo、V等元素，提高回火稳定性和相变温度，进而提高热疲劳抗力。热处理工艺及组织：淬火+高温回火/中温回火，获得S回/T回。常用钢种（P176表7-16）：5CrMnMo

量具用钢用途：制造各种量测工具，如：卡尺、千分尺、块规、塞规等。性能特点：高硬度（＞56HRC）、高耐磨性；高尺寸稳定性。卡尺量规千分尺量具用钢常用钢种：碳素工具钢、合金工具钢、滚动轴承钢等（球化退火、淬火+冷处理+低温回火）；低碳钢/低碳合金钢（渗碳+淬火+冷处理+低温回火）；中碳钢/中碳合金钢（调质、表面淬火+冷处理+低温回火）。量具用钢热处理特点：在保证硬度的前提下，尽量降低淬火温度，以减少A'；淬火后立即进行深冷处理（-80~-70℃），使A'→M，然后进行低温回火。如：用合金工具钢制作量规：球化退火→淬火→深冷处理→低温回火→时效处理（120~130℃，保温8h，目的是稳定尺寸）。第五节特殊性能钢特殊性能钢这类钢具有特殊的物理化学性能，用于制造除具有一般的力学性能要求外还有其他特殊要求的零件。包括：不锈钢耐热钢耐磨钢不锈钢在自然环境或一定工业介质中具有耐蚀性的钢。包括：不锈钢：在大气、水蒸气和淡水等弱腐蚀介质中耐蚀的钢。耐蚀钢：在各种强腐蚀介质中耐蚀的钢。金属的腐蚀金属的腐蚀分为：化学腐蚀：金属在非电解质中的腐蚀。如：钢在高温加热时的氧化。若反应物非常致密，则将有效阻挡外界腐蚀介质原子向金属内部的扩散，对金属基体起保护作用。电化学腐蚀：金属在电解质溶液中的腐蚀。是有电流参与作用的腐蚀。大部分金属的腐蚀都属于电化学腐蚀。当两种电极电位不同的金属同处于电解质溶液中时，将会发生电化学反应，形成原电池：电极电位较低的金属成为阳极，并不断被腐蚀；电极电位较高的金属成为阴极，不会被腐蚀。同一金属的不同相之间、同一相的晶界/亚晶界处以及同一金属的不同应力区域之间都可构成微电池。如：碳钢为F+Fe3C两相组织，其中F的电极电位较低，容易成为阳极而被腐蚀。金属的主要腐蚀失效模式有：均匀腐蚀晶间腐蚀点腐蚀和缝隙腐蚀应力腐蚀磨损腐蚀防止金属电化学腐蚀的措施获得均匀的单相组织，避免形成微电池。加入合金元素（如：Cr），提高钢基体的电极电位。大量加入Si、Al、Cr等合金元素，在金属表面形成致密的钝化膜。采用表面化学处理形成致密覆盖层。采用机械方式形成覆盖层。不锈钢的主要成分低碳：碳高，则降低耐蚀性。耐蚀性要求越高，C含量越低。Cr：能提高基体电极电位，是提高耐蚀性的主要元素；可形成稳定致密的Cr2O3氧化膜，使钢的耐蚀性大大提高；Cr含量大于13%时，可形成单相铁素体组织。Ni：获得单相奥氏体组织。Mo、Cu：耐有机酸腐蚀。Ti、Nb：防止奥氏体不锈钢晶间腐蚀。常用不锈钢马氏体不锈钢如12Cr13含碳量较高，淬火后组织为M。强度、硬度较高，但耐腐蚀性稍差。机加性能优于铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢。锻后及冲