《工程材料与热加工基础》-6

6.1碳素钢钢铁材料又称黑色金属材料，是以铁和碳为主要成分的铁碳合金。目前工业上使用的钢铁材料中，碳素钢占很重要的位置。碳素钢不仅价格低廉，同时在许多场合碳素钢的性能已可以满足工业及使用上的要求。在建筑、交通运输及机械制造工业中的大部分设备或零件都是用碳素钢制造的。只有一些受力较大，要求较高的零件，碳素钢不能满足要求时，才选用合金钢。碳素钢就是前面讨论的wc<2.11%的铁碳合金。碳是碳素钢中重要的元素。碳对碳素钢的组织与性能的影响上节已作讨论，这里不再重复。6.1.1碳素钢的分类为了满足使用的需要，碳素钢有许多品种，为了生产、使用和管理必须对碳素钢进行分类并确定钢的牌号。(1)按钢中碳的含量分。碳钢按碳含量的多少可分为低碳钢下一页返回6.1碳素钢(wc<0.25%)、中碳钢(wc=0.25%~0.60%)、高碳钢(wc>0.60%)。(2)按钢的质量(品质)分。按质量等级可分为普通钢、优质钢、高级优质钢。划分质量等级的根据是：钢中有害杂质硫和磷的含量，普通钢中wp≤0.045%，ws≤0.05%;优质钢中wp≤0.035%，ws≤0.035%;高级优质钢中wp≤0.03%，ws≤0.02%。普通钢一般是用转炉和大型平炉冶炼的，产量大，成本较低。普通钢产量中的绝大部分是低碳钢，主要用作各类工程用钢(也称建筑用钢)，用于各种金属结构、桥梁、车辆、船舶等。优质钢一般用电炉或平炉冶炼，杂质较少。主要用于各种机器零件及工具。优质钢一般均在热处理以后使用。高级优质钢主要是电炉钢，质量最好，成本亦最高。这种钢主要用于工具及少数要求很高的机器零件。上一页下一页返回6.1碳素钢(3)按钢的用途分。碳钢按用途可分碳素结构钢、碳素工具钢和铸钢三个大类。根据质量等级，碳素结构钢又可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢，而碳素工具钢都属于优质钢。(4)按冶炼方法分。按冶炼方法分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢和特殊镇静钢。所谓沸腾钢，是钢在熔炼末期，钢液仅用弱脱氧剂(锰铁)脱氧，钢液中保留相当数量的FeO，在浇注与凝固时，由于碳和FeO发生反应，钢液中不断析出CO，产生沸腾，故称沸腾钢，用代号F表示。这种钢成材率高，但锭内分布有许多小气泡(这些气泡在锻压时可焊合)，同时沸腾钢的偏析也较严重。所谓镇静钢，是钢液在浇注之前经过完全脱氧，凝固时不沸腾，故称镇静钢，用代号Z表示。这种钢的钢锭成材率较低，但是气泡、疏松较少，质量较高。半镇静钢介于上述二者之间，用代号b表示。特殊镇静钢是进行特殊脱氧的钢，代号为TZ。上一页下一页返回6.1碳素钢6.1.2碳素钢牌号及用途1.普通碳素结构钢普通碳素结构钢又叫碳素结构钢，碳含量wc=0.06%~0.38%，用于建筑及其他工程结构的铁碳合金称普通碳素结构钢。其牌号是由代表钢材屈服点的字母、屈服值、质量等级代号、脱氧方法代号四个部分按顺序组成。其中质量等级共有四级，分别以A(ws≤0.050%、wp≤0.045%)、B(ws≤0.045%、wp≤0.045%)、C(ws≤0.040%、wp≤0.040%)、D(ws≤0.035%、wp≤0.035%)表示。脱氧方法符号分别用“F”表示沸腾钢“沸”字汉语拼音字首；“b”表示半镇静钢“半”字汉语拼音字首；“Z”表示镇静钢“镇”字汉语拼音字首；“TZ”表示特殊镇静钢“特镇”两字汉语拼音字首，通常钢号中“Z”和“TZ”符号可以省略。碳素结构钢牌号表示方法举例：Q235-A•F，牌号中“Q”代表钢材上一页下一页返回6.1碳素钢屈服点“屈”字汉语拼音字首，“235”表示屈服点σs≥235MPa，“A”表示质量等级为A级，“F”表示冶炼时脱氧不完全(即沸腾钢)。碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能见表6-1。2.优质碳素结构钢优质碳素结构钢是碳含量wc=0.05%~0.90%、锰含量wMn=0.25%~1.2%的铁碳合金。优质碳素结构钢的牌号由两位数字组成，两位数字表示的碳的质量分数的平均百分数，如“45钢”表示钢中平均碳的质量分数为0.45%。高级优质钢在数字后加“A”，特级优质钢在数字后加“E”，沸腾钢在数字后加“F”，半镇静钢在数字后加“b”。钢中Mn的质量分数较高(0.7%~1.2%)时，在数字后附以符号“Mn”，如“65Mn”表示钢中平均碳的质量分数为0.65%，并含有较多锰(0.9%~1.2%)的优质碳素结构钢。优质碳素结构钢的S、P含量较低，非金属夹杂物较少，塑性及韧性较高，主要用于制造机械零件，一般都要经过热处理以提高上一页下一页返回6.1碳素钢力学性能。钢中碳的质量分数不同，用途也不同，低碳钢常用于制作冷冲压件、渗碳件等;中碳钢常用于制作轴类零件；高碳钢常用于制作负荷不大、尺寸较小的弹簧等。如08、08F、10、10F钢，塑性、韧性好，具有优良的冷成形性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身、拖拉机驾驶室等；15、20、25钢用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如变速箱变速叉、样板等；30、35、40、45、50钢经热处理(淬火+高温回火)后具有较高的强度、塑性和韧性，用于制作轴类零件；55、60、65钢经热处理(淬火+中温回火)后具有高的弹性极限，常用做弹簧。常用优质非合金结构钢的牌号、性能及用途见表6-2。3.碳素工具钢碳素工具钢的牌号冠以“碳”的汉语拼音字首“T”，其后标以数字，表示钢中平均碳的质量分数的千倍值。例如，牌号T8表示平均碳的上一页下一页返回6.1碳素钢质量分数为0.8%，质量为优质的碳素工具钢。质量为高级优质的碳素工具钢，在牌号末尾加“A”。例如，牌号T8A表示平均碳的质量分数为0.8%，质量为高级优质的碳素工具钢。碳素工具钢的碳的质量分数为0.65%~1.35%以保证高硬度、高耐磨性)，均属高碳钢，其经淬火、低温回火后得到的主要组织为“高碳回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体”。不同牌号的碳素工具钢经淬火(760℃~820℃)、低温回火(≤200℃)后硬度差别不大，但耐磨性和韧性有较大差别：碳的质量分数越高，耐磨性越好，韧性越差。常采用球化退火来降低这类钢的硬度，以利于切削加工，同时还可为淬火做好组织准备，以降低淬火组织的脆性。这类钢价格低，加工容易，但淬透性低，热硬性差，综合力学性能不高。碳素工具钢的牌号、成分、热处理、性能和主要用途见表6-3，表中同时列出了作为其他工具的用途。4.铸钢上一页下一页返回6.1碳素钢通常铸造非合金钢的牌号由“ZG+数字一数字”组成。“ZG”是“铸钢”二字的汉语拼音字首，第一组数字代表最低屈服点值，第二组数字代表最低抗拉强度值，如“ZG200—400”表示σs≥200MPa，σb≥400MPa的铸造碳素钢。铸造碳素钢，碳的质量分数wc=0.15%~0.60%，过高则塑性差，易产生裂纹。铸造非合金钢的铸造性能比铸铁差，主要表现在流动性差，凝固时收缩比大，易产生偏析等。铸造非合金钢主要用于制造受冲击载荷作用的形状复杂、难以用锻压成形、用铸铁又不能满足性能要求的铸件，如轧钢机机架、重载大型齿轮、飞轮等。工程用铸造非合金钢的牌号、化学成分、力学性能及用途见表6-4。6.1.3碳素钢的焊接性碳素钢的焊接性主要决定于它的含碳量，随着含碳量增加，焊接性逐渐变差。表6-5表明了这一情况。上一页下一页返回6.1碳素钢碳素钢中的锰和硅对焊接性也有影响。它们的含量增加，焊接性变差，但不及碳的作用强烈。锰和硅的影响可以折算为相当于多少碳量的作用，这样就可以把碳、锰和硅对焊接性的影响合成一个适用于碳素钢的碳当量Ceq经验公式：Ceq=wc+(1/6)wMn+(1/24)wSi对于碳钢来说，硅含量较少，充其量也不足0.5%，对Ceq值影响甚微。故上述公式可简化为：Ceq=wc+(1/6)wMnCeq值增加，产生冷裂纹的敏感性增加，焊接性变差。通常，Ceq>0.4时，冷裂纹的敏感性将增大。低碳钢焊接，所选焊接材料的含碳量一般都低于母材，焊缝金属依靠适当的锰和硅及较高的冷却速度达到母材的强度。低碳钢有优良的焊接性，含碳量较高的中碳钢焊接性则较差，wc>0.6%的高碳钢上一页下一页返回6.1碳素钢焊接性低劣。碳钢中杂质，如硫、磷、氧、氮对焊接接头力学性能和裂纹敏感性亦有很大影响。碳钢中正常的硫、磷含量不致引起裂纹。如果碳钢中硫、磷过多，则可能在晶界上形成低熔点硫、磷的化合物，导致焊缝熔合区附近的液化裂纹和焊缝金属热裂纹。此外，硫还会引起气孔。氧在碳钢中危害很大，可降低力学性能，提高时效敏感性。当氧化物和其他化合物数量过多时，还可能引起层状裂纹。就母材而言，钢中氧、氮的含量与冶炼方法有关。沸腾钢是脱氧不完全钢，含氧量较高。所以在含碳量相同的条件下沸腾钢的焊接性比脱氧完全的镇静钢要差。氮虽能提高碳钢的强度，但它能降低塑性和冲击韧度，并能大大提高钢的时效敏感性，因此，常用碳钢往往规定wN=0.008%。碳素结构钢的残余元素，铬、镍、铜的质量分数通常都不超过0.03%;砷的质量分数限制在0.08%以下。这些元素的含量低，上一页下一页返回6.1碳素钢应当说对钢的性能不构成重大影响，但考虑到焊接时焊缝是在焊接应力状态下结晶，焊缝金属又是铸态组织，从而杂质元素(硫、磷、氮)和残余元素(铬、镍、铜、砷等)的危害要比母材中敏感，所以，对焊条、焊丝的熔敷金属中硫、磷等的限量都应较母材更严格。实际上，焊接性的好坏不只取决于钢中碳、锰和硅等元素含量，还取决于焊接接头的冷却速度。尤其是在中、高碳钢某种焊接的热循环作用下，冷却速度较快，碳钢可能在焊缝和热影响区中形成马氏体组织，有无马氏体及其含量多少，可表征焊缝金属的焊接性。马氏体量越多，硬度越高，焊接性越差，产生裂纹倾向越大(图6-1)。因此，焊接时控制冷却速度也就成为至关重要的问题。钢材厚度增加，则散热加快，冷却速度增大，冷裂纹倾向增大。T形接头比平对接接头散热方向增多，导致焊接接头冷却速度加快，容易产生裂纹。采用预热、控制层间温度和后热，或采用大焊接热输入，都能降低上一页下一页返回6.1碳素钢焊接接头冷却速度，从而控制组织和硬度，减小产生冷裂纹的可能性。当钢中碳当量Ceq>0.15%时，就开始有产生氢致裂纹的危险，应考虑使用低氢的焊接材料，采取相应工艺措施，防止氢致裂纹。另外，如果焊接时母材夹得太紧、结构刚度过大、钢材较厚，造成大的拘束，也会使氢致裂纹敏感性增加。上一页返回6.2合金钢的分类及编号碳素钢品种齐全，冶炼、加工成形比较简单，价格低廉。经过一定的热处理后，其力学性能得到不同程度的改善和提高，可满足工、农业生产中许多场合的需求。但是碳素钢的淬透性比较差，强度、屈强比、高温强度、耐磨性、耐腐蚀性、导电性和磁性等也都比较低，它的应用受到了限制。因此，为了提高钢的某些性能，满足现代工业和科学技术迅猛发展的需要，人们在碳素钢的基础上，有目的地加入了锰、硅、镍、钒、钨、钼、铬、钛、硼、铝、铜、氮和稀土等合金元素，形成了合金钢。合金元素的加入，不但会对钢中的基本相、Fe-Fe3C相图和钢的热处理相变过程产生较大的影响，同时还改变了钢的组织结构和性能，合金元素在钢中的作用是一个非常复杂的物理、化学过程。6.2.1合金元素的影响1.合金元素对基本相的影响下一页返回6.2合金钢的分类及编号在退火、正火和调质处理状态下，钢的基本相都是铁素体和渗碳体。由于合金元素的性能和种类等差异，一部分合金元素可溶于铁素体中形成合金铁素体，一部分合金元素则会溶于渗碳体中形成合金渗碳体。根据钢中常用合金元素能否与碳相互作用形成碳化物趋势的不同，一般将合金元素分为非碳化物形成元素和碳化物形成元素两类，非碳化物形成元素有镍、硅、铝、钴等，主要形成合金铁素体。碳化物形成元素依其形成碳化物的强弱次序排列有钛、锆、铌、钒、钨、钼、铬、锰、铁，除弱碳化物形成元素锰主要溶于铁素体，形成合金铁素体；其余大都溶于渗碳体形成合金渗碳体，也可以直接和碳作用形成特殊碳化物。当钢中碳化物形成元素含量较高或多种元素共存时，含量较高或与碳作用相对较弱的合金元素也可以溶入铁素体中。(1)强化铁素体。大多数合金元素都能溶于铁素体，产生固溶强化作用，使其强度、硬度升高，塑性和韧性下降。图6-2和图6-3所示为几种合金元素的质量分数对铁素体硬度和韧性的影响。由图可见，上一页下一页返回6.2合金钢的分类及编号Mn、Si能显著提高铁素体的硬度，但当wMn>1.5%、wSi>0.6%时，其韧性急剧降低。只有Cr和Ni比较特殊，在适当的质量分数范围内(wCr≤2%、wNi≤5%)，不仅能提高铁素体的硬度，而且还能提高其韧性。(2)形成合金碳化物。合金元素按其与钢中碳的亲和力大小可分为非碳化物形成元素和碳化物形成元素两大类。常见的非碳化物形成元素有Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B等；常见的碳化物形成元素，按照与碳的亲和力由弱到强的排列依次是Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti等。钢中形成的合金碳化物主要有以下两类。①合金渗碳体。合金元素置换Fe3C中的铁原子，形成合金渗碳体，如(FeMn)3C、(FeCr)3C等。合金渗碳体与Fe3C的晶体结构相同，但比Fe3C略稳定，硬度也略高，是一般低合金钢中碳化物的主要存在形式。②特殊碳化物。中强或强碳化物形成元素与碳形成的化合物，其上一页下一页返回6.2合金钢的分类及编号晶格类型与合金渗碳体完全不同。它主要有两种类型：a.具有简单晶格的间隙相碳化物，如WC、VC、TiC、Mo2C等。b.具有复杂晶格的碳化物，如Cr23C6、Fe3W3C、Cr7C3等。特殊碳化物，特别是间隙相碳化物，比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度与耐磨性，也更稳定，不易分解。2.合金元素对铁碳相图的影响合金元素对碳钢中的相平衡关系有很大影响，加入合金元素后Fe-Fe3C相图要发生变化。加入合金元素，可使α-Fe与存在范围发生变化。按照对α-Fe或γ-Fe的作用，可将合金元素分为两大类。(1)扩大奥氏体区的元素。扩大奥氏体区域的元素有镍、锰、碳、氮等，这些元素使A1和A3温度降低，使S点、E点向左下方移动，从而使奥氏体区域扩大。其中与γ-Fe无限互溶的元素镍或锰的含量较多时，可使钢在室温下以奥氏体单相存在而成为一种奥氏体钢。如上一页下一页返回6.2合金钢的分类及编号wNi>9%的不锈钢和wMn>13%的ZGMn13耐磨钢均属奥氏体钢。由于A1和A3温度降低，就直接地影响热处理加热的温度，所以锰钢、镍钢的淬火温度低于碳钢。图6-4所示是锰含量对奥氏体区的影响。同时由于S点的左移，使共析成分降低，与同样含碳量的亚共析钢相比，组织中的珠光体数量增加。而使钢得到强化。由于E点的左移，又会使发生共晶转变的含碳量降低，在wc较低时，使钢具有莱氏体组织。如在高速钢中，虽然wc=0.7%~0.8%，但是由于E点的左移，在铸态下会得到莱氏体组织，成为莱氏体钢。(2)缩小奥氏体区的元素。缩小奥氏体区的元素有铬、钼、硅、钨等，这些元素使A1和A3温度升高，S点、E点向左上方移动，从而使奥氏体区域缩小。由于A1和A3温度升高了，这类钢的淬火温度也相应地提高了。图6-5所示为铬含量对奥氏体区域位置的影响。当加入的元素超过一定含量后，则奥氏体可能完全消失，此时，钢在包括室温在内的广大温度范围内获得单相铁素体，通常称为铁素体钢。如叫上一页下一页返回6.2合金钢的分类及编号Cr=17%~28%的Cr17、Cr25、Cr28不锈钢就是铁素体不锈钢。3.合金元素对钢的热处理的影响合金钢一般都是经过热处理后使用的，主要是通过改变钢在热处理过程中的组织转变来显示合金元素的作用。合金元素对钢的热处理的影响主要表现在对加热、冷却和回火过程中的转变等方面。(1)合金元素对加热转变的影响。钢在加热时，奥氏体化过程包括晶核的形成和长大、碳化物的分解和溶解以及奥氏体成分的均匀化等过程。整个过程的进行，与碳和合金元素的扩散以及碳化物的稳定程度有关。合金元素对奥氏体化过程的影响体现在以下两个方面。①大多数合金元素(除镍、钴以外)都减缓钢的奥氏体化过程。含有碳化物形成元素的钢，由于碳化物不易分解，使奥氏体化过程大大减缓。因此，合金钢在热处理时，要相应地提高加热温度或延长保温时间，才能保证奥氏体化过程的充分进行。②几乎所有的合金元素(除锰以外)都能阻止奥氏体晶粒的长大，细化上一页下一页返回6.2合金钢的分类及编号晶粒。尤其是碳化物形成元素钛、矾、钼、钨、铌、锆等，在元素周期表中，这些元素都位于铁的左侧，越远离铁，越易形成比铁的碳化物更稳定的碳化物，如TiC、VC、MoC等，这些碳化物在加热时很难溶解，能强烈地阻碍奥氏体晶粒的长大。此外，一些晶粒细化剂如A1N等在钢中可形成弥散质点分布于奥氏体晶界上，阻止奥氏体晶粒的长大，细化晶粒。所以，与相应的碳钢相比，在同样加热条件下，合金钢的组织较细，力学性能更高。(2)合金元素对冷却转变的影响。①大多数合金元素(除钴以外)，都能提高过冷奥氏体的稳定性，使C曲线位置右移，临界冷却速度减小，从而提高钢的淬透性。所以对于合金钢就可以采用冷却能力较低的淬火介质淬火，如采用油淬，以减小零件的淬火变形和开裂倾向。合金元素对钢的淬透性的影响，由强到弱可以排列成下列次序：钼、锰、钨、铬、镍、硅、矾。通过复合元素，采用多元少量的合金化上一页下一页返回6.2合金钢的分类及编号原则，对提高钢的淬透性会更有效。对于非碳化物形成元素和弱碳化物形成元素，如镍、锰、硅等，会使C曲线右移，如图6-6(a)所示。而对中强和强碳化物形成元素，如铬、钨、钼、矾等，溶于奥氏体后，不仅使C曲线右移，提高钢的淬透性，而且能改变C曲线的形状，把珠光体转变与贝氏体转变明显地分为两个独立的区域，如图6-6(b)所示。②除钴、铝外，多数合金元素溶入奥氏体后，使马氏体转变温度Ms和Mf点下降。钢的Ms点越低，Ms点至室温的温度间隔就越小，在相同冷却条件下转变成马氏体的量越少。因此，凡是降低Ms点的元素都使淬火后钢中残留奥氏体含量增加。而钢的残留奥氏体量的多少，对钢的硬度、尺寸稳定性、淬火变形均有较大影响。(3)合金元素对淬火钢回火转变的影响。①对淬火钢回火稳定性的影响。淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称为回火稳定性。由于合金元素阻碍马氏体分解和碳化物聚集上一页下一页返回6.2合金钢的分类及编号长大过程，使回火的硬度降低过程变缓，从而提高钢的回火稳定性。由于合金钢的回火稳定性比碳钢高，若要求得到同样的回火硬度时，则合金钢的回火温度就比同样含碳量的碳钢要高，回火的时间也长，内应力消除得好，钢的塑性和韧性指标就高。所以，当回火温度相同时，合金钢的强度、硬度就比碳钢高。②一些碳化物形成元素如铬、钨、钼、钒等，在回火过程中有二次硬化作用。例如，高速钢在560℃回火时，又析出了新的更细的特殊碳化物，发挥了第二相的弥散强化作用，使硬度又进一步提高。这种二次硬化现象在合金工具钢中是很有价值的。③含铬、镍、锰、硅等元素的合金结构钢，在450℃~600℃范围内长期保温或回火后缓冷均出现第二类回火脆性。这是因为合金元素促进了锑、锡、磷等杂质元素在原奥氏体晶界上的偏聚和析出，削弱了晶界联系，降低了晶界强度而造成的。因此，对这类钢应该在回火后采用快冷的工艺，以防止第二类回火脆性的产生。上一页下一页返回6.2合金钢的分类及编号4.合金元素对钢的力学性能和工艺性能的影响加入合金元素的目的是使钢具有更优异的性能，所以合金元素对性能的影响是我们最关心的问题。合金元素主要通过对组织的影响而对性能起作用，因此必须根据合金元素对相平衡和相变影响的规律来掌握其对力学性能的影响。(1)合金元素对强度的影响。强度是金属材料最重要的性能指标之一，使金属材料的强度提高的过程称为强化。强化是研制结构材料的主要目的。加入合金元素对金属强化一般有以下几种方式。①固溶强化。溶质原子由于与基体原子的大小不同，因而使基体晶格发生畸变，造成一个弹性应力场。此应力场增加了位错运动的阻力，产生强化。固溶强化的强化量与溶质的浓度有关，在达到极限溶解度之前，溶质浓度越大，强化效果越好。一般而言，间隙固溶强化效果比置换固溶强化的效果要强烈得多，其强化作用甚至可差1~2个数量级。但是，固溶强化是以牺牲塑性和上一页下一页返回6.2合金钢的分类及编号韧性为代价的，固溶强化效果越好，塑性和韧性下降越多。②细晶强化。晶界或其他界面可以有效地阻止位错通过，因而可以使金属强化。晶界强化的强化量与晶界的数量，即晶粒的大小有密切的关系。晶粒越细，单位体积内的晶界面积越大，则强化量越大。许多碳化物形成元素(如钒、钛、铌)由于其容易与碳形成熔点非常高的碳化物，可以阻碍晶粒的长大，所以具有细化晶粒的作用。晶粒细化是一种非常有效的强化手段，当晶粒细化达到d<5μm以后，得到所谓的超细晶粒，这时纯铁或软钢的屈服点可以达到400~600MPa，接近于中强钢的屈服点。晶粒细化不仅可以提高强度，而且可以改善钢的韧性，这是其他强化方式难以达到的。因此细晶化，特别是超细晶化，是目前正在大力发展的重要强化手段。③弥散强化。合金元素加入到金属中，在一定的条件下会析出第二相粒子。而这些第二相粒子可以有效地阻止位错运动。当运动位错碰到位于滑移面上的第二相粒子时，必须通过它滑移变形才能继续进行。上一页下一页返回6.2合金钢的分类及编号这一过程需要消耗额外的能量，或者需要提高外加应力，这就造成了强化。必须指出，只有当粒子很小时，第二相粒子才能起到明显的强化作用，如果粒子太大，则强化效应将微不足道。因此，第二相粒子应该细小而分散，即要求有高的弥散度。粒子越细小，弥散度越高，则强化效果越好。(2)合金元素对塑性和韧性的影响。除了极少数几个置换式合金元素外，所有的合金元素都会降低钢材的塑性和韧性，使钢脆化。一般而言，除了细晶强化能同时提高强度和塑性、韧性外，所有的强化方式都会降低塑性和韧性。在这些强化方式中，危害最大的是间隙固溶强化，因此，间隙固溶强化尽管能显著提高强度，也不能作为一种实用的基本强化机制。如淬火马氏体必须回火，也是为了减轻间隙固溶强化对塑性和韧性的影响。冷变形强化也会降低塑性和韧性，所以，对于大多数钢来说，冷变形强化只能作为一种辅助的强化方式。上一页下一页返回6.2合金钢的分类及编号相对而言，弥散强化(即第二相强化)的脆化作用最小，因此它是应用最广泛的强化方法之一。(3)合金元素对钢的工艺性能的影响。合金元素对钢的工艺性能的影响，同样是一个重要问题。材料没有良好的工艺性能，在实际中很难获得广泛的应用。合金元素对钢的工艺性能的影响，主要体现在以下几个方面。①对铸造性能的影响。铸造性能主要与钢的固相线与液相线温度的高低和它们之间的温度差(结晶区间)有关。固、液相线温度越低，结晶温度区间越窄，则铸造性能越好。因此，合金元素对铸造性能的影响，主要体现在其对相图的影响。一般共晶成分合金的铸造性能最好，由于钢的成分离共晶点很远，所以铸造性能不好。加入高熔点的合金元素后，液态金属黏度增大，铸造性能下降。②对锻造性能的影响。金属的锻造性能主要取决于热加工时的变形抗力、热加工温度范围的大小、抗氧化能力及氧化皮的性质等因素。上一页下一页返回6.2合金钢的分类及编号由于合金元素的影响，许多合金钢，特别是含有大量碳化物的合金钢与普通碳钢相比，高温强度很高，热塑性明显下降，锻造时容易断裂。由于合金元素使钢的导热性能下降，所以锻造加热必须缓慢，以免造成热应力。所以，与普通碳钢相比，合金钢的锻造性能明显下降。③对焊接性能的影响。在钢的焊接性能中，最重要的是钢的焊后开裂的敏感性和焊接区的硬度。通常用“碳当量”来表示成分对焊接性能的影响。对钢而言，含碳量是影响其焊接性能的最重要因素，含碳量越低，焊接性能越好。在相同的含碳量下，合金元素的含量越高，则焊接性能越差。④对切削性能的影响。由于许多合金钢含有大量硬而脆的碳化物，所以其切削加工性能比普通碳钢差。而有些合金钢的加工硬化能力很强，其切削加工性能也是很差的。为了提高钢的切削加工性能，可以在钢中加入一些改善切削性能的上一页下一页返回6.2合金钢的分类及编号合金元素，得到所谓易切削钢。最常用的元素是硫，在易切削钢中，硫的质量分数可高达0.08%~0.2%。易切削钢不但使工具寿命延长，动力消耗减少，表面质量提高，而且断屑性好，因此广泛用于自动车床上的高速切削，这对于大批生产的一般零件是很有利的。6.2.2合金钢的分类、编号1.合金钢的分类合金钢的种类繁多，根据选材、生产、研究和管理等不同的要求，可采用不同的分类方法。(1)按用途分类。①合金结构钢。主要用于制造重要的机械零、部件和工程结构件的钢，包括普低合金钢、易切削钢、渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等。上一页下一页返回6.2合金钢的分类及编号②合金工具钢。主要用于制造重要工具的钢，包括刃具钢、模具钢、量具钢等。③特殊性能钢。主要用于制造有特殊物理、化学、力学性能要求的钢，包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。(2)按合金元素的含量分类。①低合金钢。钢中合金元素总的质量分数wMe≤5%。②中合金钢。钢中合金元素总的质量分数wMe=5%~10%。③高合金钢。钢中合金元素总的质量分数wMe≥10%。(3)按平衡状态或退火组织分类。可以分为亚共析钢、共析钢、过共析钢和莱氏体钢。除以上的分类方法外，还可根据化学成分、正火组织、有无相变、工艺特征、质量等进行分类。上一页下一页返回6.2合金钢的分类及编号2.合金钢的编号(1)合金结构钢。在碳素结构钢的基础上添加一些合金元素就形成了合金结构钢。与碳素结构钢相比，合金结构钢具有较高的淬透性，较高的强度和韧性。即用合金结构钢制造的各类机械零部件具有优良的综合力学性能，从而保证了零、部件安全地使用。根据国家标准的规定，合金结构钢的牌号用“两位数字+元素符号+数字”表示。元素符号前两位数字表示钢的平均碳质量分数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wMe。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%C，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。上一页下一页返回6.2合金钢的分类及编号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”，其后数字则表示铬的质量分数，以千分之一为单位计。如GCr15，表示钢中铬的平均质量分数为1.5%。易切削钢牌号的表示方法与上相似，用“易”或“易”字的汉语拼音字首“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=0.4%，wMn<1.5%的易切削钢。(2)合金工具钢。在碳素工具钢基础上加入一定种类和数量的合金元素，用来制造各种刃具、模具、量具等用钢就称为合金工具钢。与碳素工具钢相比，合金工具钢的硬度和耐磨性更高，而且还具有更好的淬透性、红硬性和回火稳定性。因此常被用来制作截面尺寸较大、几何形状较复杂、性能要求更高的工具。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表示合金元素平均质量分数wCr、wW、wMn均上一页下一页返回6.2合金钢的分类及编号小于1.5%，合金工具钢的碳含量表示方法则有所不同，当wc≥1.0%，不标出碳质量分数，如CrWMn钢。当wc<1.0%时，用一位数字在最前面表示碳质量分数，以千分之一为单位计,其后紧随合金元素，如9SiCr表示碳质量分数平均为0.9%C，wSi、wCr皆小于1.5%。高速工具钢的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。上一页返回6.3合金结构钢6.3.1低合金高强度钢及焊接特性碳素结构钢强度等级较低，难以满足重要工程结构对性能的要求。在碳素结构钢基础上加入少量(一般合金总量低于5%)合金元素形成的低合金高强度钢HSLA，其强度等级较高，塑性仍好，加工工艺性能良好，可满足桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道等大型重要钢结构对性能的要求，并且能减轻结构自重、节约钢材、降低成本。低合金高强度钢中的合金元素主要有Mn、Si、Ni、Cr、V、Nb、Ti、Mo及稀土RE等，其中Mn、Si、Cr、N等元素主要起固溶强化作用，同时可通过增加珠光体的数量来提高钢的强度，Ni还使塑性、韧性明显提高；V、Ti、Nb等元素均为强碳化物形成元素，可形成细小弥散分布的碳化物，并可细化晶粒，从而通过弥散强化和细晶强韧化提高钢的强度、塑性和韧性；Mo能显著提高强度和高温抗蠕变及抗氢腐蚀能力；加入少量稀土，可脱硫、去气，使韧性升高。常见的下一页返回6.3合金结构钢低合金高强度钢的牌号、成分、力学性能与应用见表6-6。强度级别超过500MPa以后，铁素体+珠光体组织难以满足要求，于是在钢中适量加入Cr、Mo、Mn、B、V等元素，使C曲线右移，空冷也得贝氏体，从而获得低碳贝氏体钢，多用于高压锅炉及容器，如14CrMnMoVB、14MnMoVBRE、14MnMoV。如果在低碳钢中加入少量的Cu、Cr、Ni、P、V、Nb及稀土等元素，则使基本电极电位有所提高，并改善了锈蚀层的附着性和致密性，从而得到在大气和海水中锈蚀缓慢的所谓耐候钢，如15MnCuCr、09CuPCrNi等。近年来通过降低碳和硫等含量，加入Nb、V、Ti等强碳氮化合物形成元素进行多元微合金化及控制轧制及冷却等技术措施，开发出了针状铁素体钢(用于寒带大直径输气管道)、微合金化低碳F-M双相钢，以及微合金化的低碳马氏体、低碳索氏体或低碳贝氏体钢等高性能钢种，已用于车辆、石化、桥梁等领域。上一页下一页返回6.3合金结构钢低合金高强度钢的供货状态通常为热轧或控制轧制状态，也可根据用户要求以正火或正火加回火状态供应；Q420、Q460的C级、D级、E级钢也可按淬火加回火状态供应。用户在使用时通常均不进行热处理。同碳素结构钢相类似，低合金高强度钢的强度、塑性也与钢材的尺寸有关，选用时要特别注意。低合金高强度钢含有一定量的合金元素及微合金化元素，其焊接性与碳钢有差别，主要是焊接热影响区组织与性能的变化对焊接热输人较敏感，热影响区淬硬倾向增大，对氢致裂纹敏感性较大，含有碳、氮化合物形成元素的低合金高强度钢还存在再热裂纹的危险等。只有在掌握各种不同低合金高强度钢焊接性特点和规律的基础上，才能制订正确的焊接工艺，保证低合金高强度钢的焊接质量。(1)焊接热影响区组织与性能。不同部位热影响区组织与性能取决于钢的化学成分和焊接时加热和冷却的速度。对于某些低合金高强度钢，如果焊接冷却速度控制不当，焊接热影响区局部区域将产生淬硬上一页下一页返回6.3合金结构钢或脆性组织，导致抗裂性或韧性降低。(2)热应变脆化。在自由氮含量较高的C-Mn系低合金钢中，焊接接头熔合区及最高加热温度低于A从的亚临界热影响区，常常有热应变脆化现象。(3)冷裂纹敏感性。焊接氢致裂纹(通常焊接冷裂纹或延迟裂纹)是低合金高强度钢焊接时最容易产生，而且是危害最为严重的工艺缺陷，它常常是焊接结构失效破坏的主要原因。(4)热裂纹敏感性。与碳素钢相比，低合金高强度钢的wc、ws较低，且wMn较高，其热裂纹倾向较小。但有时也会在焊缝中出现热裂纹。(5)再热裂纹敏感性。低合金钢焊接接头中的再热裂纹亦称消除应力裂纹，出现在焊后消除应力热处理过程中。再热裂纹属于沿晶断裂，一般都出现在热影响区的粗晶区，有时也在焊缝金属中出现。(6)层状撕裂倾向。大型厚板焊接结构(如海洋工程、核反应堆及船舶上一页下一页返回6.3合金结构钢等)焊接时，如在钢材厚度方向承受较大的拉伸应力，可能沿钢材轧制方向发生阶梯状的层状撕裂。这种裂纹常出现于要求熔透的角接接头或丁字接头中。选用抗层状撕裂钢；改善接头形式以减缓钢板Z向的应力应变；在满足产品使用要求的前提下，选用强度级别较低的焊接材料或采用低强焊材预堆边；采用预热及降氢等措施都有利于防止层状撕裂。6.3.2易切削结构钢易切削钢中含较多的S、P、Pb、Ca等元素。S(ws=0.04%~0.33%)在钢中通常以(Mn、Fe)S、MnS微粒形式存在，Pb(wPb=0.15%~0.35%)通常以Pb微粒(3μm)均匀分布于钢中。这些硫化物和铅微粒可中断钢基体的连续性，切削时形成易断、易排出的切屑，切屑不易黏附在刀刃上，有利于降低零件的表面粗糙度，同时还具有自润滑作用，可减小摩擦力，减小刀具磨损，上一页下一页返回6.3合金结构钢延长刀具寿命。P(wP=0.04%~0.15%)在钢中主要溶于基体相铁素体中，可使铁素体的塑性、韧性明显降低，使切屑易断易排，并能降低零件表面粗糙度。钢中的Ca(wCa=0.002%~0.006%)在高速切削时能在刀具表面形成具有减摩作用的保护膜，可显著减小刀具磨损，延长刀具寿命。显然，上述元素的加入大多降低了钢的强韧性、压力加工性及焊接性。常见的易切削钢的牌号有Y12、Y12Pb、Y15、Y15Pb，Y20、Y35、Y40Mn、Y45Ca。易切削钢常用于制造受力较小、强度要求不高，但要求尺寸精度高、表面粗糙度低且进行大批量生产的零件(如螺栓、销等)。这类钢在切削加工前不进行锻造和预先热处理，以免损害其切削加工性能，通常也不进行最终热处理(但Y45Ca常在调质后使用)。6.3.3渗碳钢1.化学成分特点上一页下一页返回6.3合金结构钢为了保证心部的足够强度和良好的韧性，渗碳钢的含碳量为在wc=0.1%~0.25%。主加元素为Si、Mn、Cr、Ni、B，辅加元素为V、Ti、W、Mo。合金元素的主要作用是：提高淬透性(Si、Mn、Cr、Ni、B，B只对低碳钢部分起作用)；细化晶粒(V、Ti、W、Mo，可在渗碳阶段防止奥氏体粗大)；获得良好的渗碳性能。另外，碳化物形成元素(Cr、V、Ti、W、Mo)可增加渗碳层硬度，提高耐磨性。2.典型渗碳零件的工作条件、失效方式及性能要求许多机器零件，如汽车中的变速齿轮，工作时载荷主要集中在啮合的牙齿上，会在局部产生很大的压应力、弯曲应力和摩擦力。因而要求表面必须具有很高的硬度、耐磨性和极高的疲劳强度；而在传递动力的过程中，又要求心部具有足够强度和韧性，能承受大的冲击载荷。为解决这一矛盾，首先从保证零件具有足够的韧性和强度入手，选用碳含量低的钢材，通过渗碳使表面变成高碳，经淬火+低温回火后，上一页下一页返回6.3合金结构钢心部和表面同时满足要求。齿轮常见的失效方式为麻点剥落、磨损或牙齿断裂。对其提出的性能要求是：渗碳层表面具有高的硬度、高耐磨性、高的疲劳抗力及适当的塑韧性；心部具有高的韧性和足够高的强度，即良好的综合力学性能。3.处理特点碳钢的最后热处理是在渗碳后进行。对于在渗碳温度下仍保持细小奥氏体晶粒，渗碳后不需要机加工的零件，可在渗碳后预冷直接淬火+低温回火，如20CrMnTi。而对于渗碳时容易过热的钢种如20Cr，渗碳后需先正火消除过热组织，再进行淬火+低温回火。组织形式都是心部为低碳回火马氏体，表面为高碳回火马氏体+合金渗碳体+少量残余奥氏体。以20CrMnTi渗碳钢制造汽车变速齿轮为例。其技术条件要求：渗层深度为1.2~1.6mm，表面碳浓度为1.0%，齿面硬度为58~60HRC，心部硬度为30〜45HRC。一般生产工艺路线如下。上一页下一页返回6.3合金结构钢下料→毛坯锻造→正火→加工齿形→局部镀铜→渗碳→预冷淬火+低温回火→喷丸→精磨(磨齿)。锻造的主要目的是在毛坯内部获得正确流线分布和提高组织致密度，正火的目的：一是改善锻造组织；二是调整硬度(170〜220HB)，有利于切削加工。对不渗碳部分可采用镀铜防止渗碳。根据渗碳温度920℃和渗碳层深度要求(查阅有关资料)，渗碳时间确定为7h，具体热处理工艺曲线如图6-7所示。经淬火加低温回火后，表面和心部均能达到技术要求。喷丸不仅可清除齿轮渗碳过程中产生的氧化皮，而且使表层发生塑性变形而产生压应力，有利于提高疲劳强度，精磨是为了喷丸后的齿面粗糙度进一步降低。4.钢种、牌号与用途按其强度或淬透性的高低可分三类，表6-7列出了常用合金渗碳钢的牌号、热处理、力学性能和用途。上一页下一页返回6.3合金结构钢(1)低淬透性渗碳钢。如20Cr、20CrV、15Mn2、20MnV等。在水中的淬透层深度一般小于20〜35mm。淬火、回火后心部强度和韧性较低，只能用作受力不大但耐磨性要求高的零件，如活塞销、滑块、小齿轮等。(2)中淬透性合金渗碳钢。如20CrMn、20CrMnTi、12Mn2TiB、20CrMnMo等。在油中的最大淬透层深度为25〜60mm。用于制造中等强度的耐磨零件，如汽车、拖拉机变速齿轮、轴齿轮、轴套等。(3)高淬透性合金渗碳钢。如18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A(属于中合金钢)等。其淬透性很高，油中最大淬透直径大于100mm。用于制造承受重载荷(σb>1200MPa)和强烈磨损的重要大型零件，如内燃机车的主动牵引齿轮、柴油机曲轴、连杆、飞机、坦克中的曲轴及重要齿轮等。这些钢渗碳后可空冷淬火，应进行冷处理(-70℃〜-80℃)或高温(650℃左右)回火，以减少渗碳层中的残余奥氏体，提高表层耐磨性。上一页下一页返回6.3合金结构钢5.渗碳钢的焊接特性渗碳钢的wc一般不超过0.21%，与中碳调质钢相比有较好的焊接性。但要成功焊接这类钢，必须掌握这类钢的焊接性特点，拟定正确的焊接工艺，并且严格实施。这类钢焊接性的主要特点是：在焊接热影响区，特别是焊接热影响区的粗晶区有产生冷裂纹和韧性下降的倾向；在焊接热影响区受热时未完全奥氏体化的区域，及受热时其最高温度低于AC1，而高于钢调质处理时的回火温度的那个区域有软化或脆化的倾向。低碳调质钢的淬硬倾向较大，但在焊接热影响区的粗晶区形成的是低碳马氏体，又因这类钢的Ms点较高，在焊接冷却过程中，所形成的马氏体可发生自回火，因而这种钢的冷裂倾向比中碳调质钢小得多。但为了可靠地防止冷裂纹的产生，还必须严格控制焊接时的氢源及选择合适的焊接方法及焊接工艺参数。一般低碳调质钢的热裂倾向较小，因钢中的C、S含量都比较低，而Mn含量及Mn/S又较高。如果钢中的C、S含量较高或Mn/S低时，则热裂倾向增大。如上一页下一页返回6.3合金结构钢12Ni3CrMoV钢中的Mn/S较低，又含有较多的Ni，在近缝区易出现液化裂纹。这种裂纹常出现于大热输人焊接时。采用小热输人焊接工艺参数，控制熔池形状，可以防止这种裂纹的产生。6.3.4调质钢经调质(淬火+高温回火)处理后使用的钢称为调质钢，根据是否含合金元素分为碳素调质钢和合金调质钢。1.工作条件和性能要求汽车、拖拉机、车床等其他机械上的重要零件如汽车底盘半轴、高强度螺栓、连杆等大多工作在受力复杂、负荷较重的条件下，要求具有较高水平的综合力学性能，即要求较高的强度与良好的塑性与韧性相配合。但是不同的零件受力状况不同，其对性能要求的侧重也有所不同。整个截面受力都比较均匀的零件如只受单向拉、压、剪切的连杆，要求截面处处强度与韧性都要有良好的配合。截面受力不均匀的上一页下一页返回6.3合金结构钢零件如表层受拉应力较钝部受拉应力较小的螺栓，则表层强度比心部就要求高一些。2.化学成分调质钢一般是中碳钢，钢中碳的质量分数在0.3%~0.5%之间，碳含量过低，强度、硬度得不到保证；碳含量过高，塑性、韧性不够，而且使用时也会发生脆断现象。合金调质钢的主加元素是锆、镍、硅、锰，它们的主要作用是提高淬透性，并能够溶入铁素体中使之强化，还能使韧性保持在较理想的水平。钒、钛、钼、钨等能细化晶粒，提高钢的回火稳定性。钼、钨还可以减轻和防止钢的第二类回火脆性，微量硼对C曲线有较大的影响，能明显提高淬透性。铝则可以加速钢的氮化过程。3.热处理特点调质钢的预先热处理采用退火或正火工艺，目的是改善锻造组织，上一页下一页返回6.3合金结构钢细化晶粒，为最终热处理作组织上的准备，最终热处理是淬火+高温回火，淬火、回火的温度受钢的化学成分和对性能的要求所控制。一般，淬火加热温度在850℃左右，回火温度在500℃~650℃之间。合金调质钢的淬透性较高，一般都在油中淬火，合金元素质量分数较高的钢甚至在空气中冷却也可以得到马氏体组织。为了避开第二类回火脆性发生区域，回火后通常进行快速冷却。合金调质钢常规热处理组织是回火索氏体，某些零件除了要求良好的综合力学性能外，表面对耐磨性还有较高的要求，这样在调质处理后还可以进行表面淬火或氮化处理。根据零件的实际要求，调质钢也可以在中、低温回火状态下使用，这时得到的组织是回火托氏体或回火马氏体。它们的强度高于调质状态下的回火索氏体，但冲击韧性值较低。4.常用调质钢合金调质钢可按其淬透性的高低分为三类，详见表6-8。上一页下一页返回6.3合金结构钢(1)低淬透性合金调质钢。多为锰钢、硅锰钢、铬钢、硼钢，有40Cr、40MnB、40MnVB等。这类钢合金元素总的质量分数(wMe<2.5%)较低，淬透性不高，油淬临界直径为20~40mm，常用来制作中等截面的零件，如柴油机曲轴、连杆、螺栓等。(2)中淬透性合金调质钢。多为铬锰钢、铬钼钢、镍铬钢，有35CrMo、38CrMoAl、38CrSi、40CrNi等。这类钢合金元素的质量分数较高，油淬临界直径大于40〜60mm，常用来制作大截面、重负荷的重要零件，如内燃机曲轴、变速箱主动轴等。(3)高淬透性合金调质钢。多为铬镍钼钢、铬锰钼钢、铬镍钨钢，有40CrNiMoA、40CrMnMo、25Cr2Ni4WA等。这类钢合金元素的质量分数最高，淬透性也很高，油淬临界直径大于60~100mm。铬和镍的适当配合，使此类钢的力学性能更加优异。主要用来制造截面尺寸更大、承受更重载荷的重要零件，如汽轮机主轴、叶轮、航空发动机轴。上一页下一页返回6.3合金结构钢下面以40Cr钢制作拖拉机连杆螺栓为例，说明生产工艺路线的安排和热处理工艺的选用。连杆螺栓的生产工艺路线如下：下料→锻造→退火(或正火)→粗加工→调质→精加工→装配技术要求：调质处理后组织为回火索氏体，硬度为30〜38HRC。根据热处理技术要求，制订热处理工艺如图6-8所示。预先热处理采用退火或正火，目的是改善锻造组织，细化晶粒，改善切削加工性，为调质处理作组织上的准备。调质处理是在840℃±10℃加热、油淬，然后在525℃±25℃回火，水冷(防止第二类回火脆性)，最后得到强度、冲击韧性、疲劳强度良好配合的回火索氏体组织。5.调质钢的焊接特性(1)焊接热影响区的脆化和软化。调质钢由于含碳量高、合金元素上一页下一页返回6.3合金结构钢含量多，在快速冷却时，从奥氏体转变为马氏体的起始温度Ms点较低，焊后热影响区产生硬度很高的马氏体，造成脆化。(2)裂纹。调质钢焊接热影响区极易产生硬脆的马氏体，对氢致冷裂纹的敏感性很大，在一般用于焊接的低合金钢中，具有最大的冷裂纹敏感性。为了防止产生热裂纹，要求采用低碳、低硫、低磷的焊接材料。重要产品用钢材及焊材，应采用真空冶炼及电渣精炼。在焊接工艺上，要注意填满弧坑。6.3.5弹簧钢弹簧按结构形态分为螺旋弹簧和板簧，可通过弹性变形储存能量，以达到消振、缓冲或驱动的作用。1.典型弹簧的工作条件、失效方式及性能要求在长期承受冲击、振动的周期交变应力下，板簧会出现反复的弯曲，螺旋弹簧会出现反复的扭转，因而失效方式通常为弯曲疲劳或扭转上一页下一页返回6.3合金结构钢疲劳破坏；也可能由于弹性极限较低引起弹簧的过量变形或永久变形而失去弹性。因此弹簧必须具有高的弹性极限与屈服强度，高的屈强比，高的疲劳极限及足够的冲击韧性和塑性。另外，由于弹簧表面受力最大，表面质量会严重影响疲劳极限，所以弹簧钢表面不应有脱碳、裂纹、折叠、夹杂等缺陷。2.化学成分特点合金弹簧钢的含碳量为wc=0.45%~0.9%，中高碳含量是用来保证高的弹性极限和疲劳极限的。其合金化主加元素为Mn、Si、Cr,辅加元素为Mo、V、Nb、W。合金元素的主要作用是提高淬透性(Mn、Si、Cr)、提高回火稳定性(Cr、Si、Mo、W、V、Nb)、细化晶粒、防止脱碳(Mo、V、Nb、W)、提高弹性极限(Si、Mn)等，典型牌号是60Si2Mn、65Mn。3.热处理特点按弹簧的加工工艺不同，可分为冷成形弹簧和热成形弹簧两种。对于上一页下一页返回6.3合金结构钢大型弹簧或复杂形状的弹簧，采用热轧成形后淬火+中温回火(450℃~550℃)，获得回火托氏体组织，保证高的弹性极限、疲劳极限及一定的塑性和韧性。对于小尺寸的弹簧，按强化方式和生产工艺的不同，可分为以下三种类型：(1)铅M温淬火。冷拉弹簧钢丝冷拔前将钢丝加热到AC3(ACcm)+(100℃~200℃)，完全奥氏体化，再在铅浴480℃~540℃中进行等温淬火，得到塑性高的索氏体组织，经冷—绕卷成形，再进行消除应力的低温退火200℃~300℃，这种方法能生产强度很高的钢丝。(2)油淬回火。弹簧钢丝冷拔钢丝退火后，冷绕成弹簧，再进行淬火+中温回火处理，得到回火托氏体组织。(3)硬拉弹簧钢丝。冷拔至要求尺寸后，利用淬火+回火来进行强化，再冷绕成弹簧，并进行去应力退火，之后不再热处理。4.钢种、牌号与用途上一页下一页返回6.3合金结构钢常用弹簧钢的牌号、热处理、性能及用途见表6-9。合金弹簧钢大致分为两类：(1)以S、Mn元素合金化的弹簧钢。代表性钢种有65Mn和60Si2Mn等。它们的淬透性显著优于碳素弹簧钢，可制造截面尺寸较大的弹簧。Si、Mn的复合合金化，性能比只用Mn的好，这类钢主要用作汽车、拖拉机和机车上的板簧和螺旋弹簧。(2)含Cr、V、W等元素的弹簧钢。具有代表性的钢种是50CrVA。Cr、V的复合加入，不仅使钢具有较高的淬透性，而且有较高的高温强度、韧性和较好的热处理工艺性能。因此，这类钢可制作在350℃〜400℃下承受重载的较大型弹簧，如阀门弹簧、高速柴油机的汽门弹簧等。6.3.6滚动轴承钢1.典型零件的工作条件、失效方式和性能要求上一页下一页返回6.3合金结构钢滚动轴承钢主要用来制造滚动轴承的滚动体、内外套圈。当轴转动时，位于轴承正下方的钢球承受轴的径向载荷最大。由于接触面积小，接触应力可达1500~5000MPa，应力交变次数达每分钟数万次。常见的失效方式为接触疲劳破坏产生的麻点或剥落；长期摩擦造成磨损而丧失精度；处于润滑油环境下带来的锈蚀。因此对这类零件提出的性能要求为具有高的接触疲劳强度，高硬度、高耐磨性，以及良好的耐腐蚀性。2.化学成分特点滚动轴承钢的碳含量为wc=0.95%~1.10%，以保证高硬度、高耐磨性和高强度。其主加元素为Cr，辅加元素为S、Mn、V、Mo。Cr的作用是提高淬透性，并形成(Fe，Cr)3C细小均匀分布，提高耐磨性和接触疲劳强度；提高回火稳定性；提高耐蚀性。其缺点是含量Cr>1.65%时，会增大残余奥氏体量并增大碳化物的带状分布趋势，使硬度和疲劳强度下降。因此，为进一步提高淬透性，补加上一页下一页返回6.3合金结构钢Mn、Si来制造大型轴承。通过加入V、Mo，可阻止奥氏体晶粒长大，防止过热，还可进一步提高钢的耐磨性。3.热处理特点滚动轴承钢的最终热处理通常采用淬火(820℃~840℃)+低温回火(150℃~160℃)，得到回火马氏体+细小均匀分布的碳化物+少量残余奥氏体。淬火温度要求十分严格，过高会引起奥氏体晶粒长大出现过热；过低则奥氏体中铬与碳溶解不足，影响硬度。对于精密轴承，为稳定其尺寸，保证长期存放和使用中不变形，淬火后可立即进行深冷处理，并且在回火和磨削加工后进行120℃~130℃、保温5~10h的尺寸稳定化处理，尽量减少残余奥氏体量并充分去除应力。4.钢种、牌号与用途我国轴承钢分两类：上一页下一页返回6.3合金结构钢(1)铬轴承钢。最有代表性的是GCr15，使用量占轴承钢的绝大部分。由于淬透性不很高，多用于制造中、小型轴承，也常用来制造冷冲模、量具、丝锥等。为进一步增加淬透性，可添加Si、Mn提高淬透性(如GCr15MnS钢等)，用于制造大型轴承。(2)无铬轴承钢。为了节约铬，在GCr15基础上研究出了以Mo代Cr，并加入稀土，使钢的耐磨性有所提高的无铬轴承钢，如GSiMnMoV、GSiMnMoVRE等，其性能与GCr15相近。常用滚动轴承钢的钢号、成分、热处理及用途见表6-10。上一页返回6.4合金工具钢在碳素工具钢基础上加入一定种类和数量的合金元素，用来制造各种刃具、模具、量具等用钢就称为合金工具钢。与碳素工具钢相比，合金工具钢的硬度和耐磨性更高，而且还具有更好的淬透性、红硬性和回火稳定性。因此常被用来制作截面尺寸较大、几何形状较复杂、性能要求更高的工具。6.4.1合金刃具钢用来制造车刀、铣刀、锉刀、丝锥、钻头、板牙等刃具的钢统称为刃具钢。1.工作条件和性能要求刀具在切削加工零件时，在受到零件的反作用的同时受到与零件及切屑的摩擦力，刀具经受磨损。切削速度越快，摩擦越严重，刃部温度越高，甚至会达到500℃~600℃。在被加工对象不同时，刃具还常受到冲击和振动。下一页返回6.4合金工具钢因此刃具钢必须具有以下性能才能得以正常工作。(1)高硬度、高耐磨性。刃具的硬度必须大于被加工零件才能使零件被加工成形，一般切削刀具的刃口硬度都在60HRC以上。耐磨性是影响刃具尤其是锉刀等使用寿命和工作效率的主要因素之一。刃具钢的耐磨性取决于钢的硬度、韧性和钢中碳化物的种类、数量、尺寸和分布等。(2)高红硬性、良好配合的强度、塑性和韧性。红硬性是钢在高温下保持高硬度的能力。刃具工作时，刃部的温度很高，大都超过了碳素工具钢的软化温度。所以红硬性的高低是衡量刃具钢的重要指标之一，红硬性的高低与钢的回火稳定性和合金碳化物弥散沉淀有关。能使刃具在冲击或震动载荷等作用下正常工作，防止脆断、崩刃等破坏。2.低合金刃具钢对于某些低速而且走刀量较小的机用工具，以及要求不太高的刃具，上一页下一页返回6.4合金工具钢可用碳素工具钢T7、T8、T10、T12等制作。碳素工具钢价格低廉，加工性能好，经适当热处理后可获得较高的硬度和良好的耐磨性。但是其淬透性差，回火稳定性和红硬性不高，不能用对性能有较高要求的。为了克服碳素工具钢的不足之处，在其基础上加(3%~5%)Me的合金元素就形成了低合金刃具钢。热处理特点。低合金刃具钢的预先热处理是球化退火，目的是改善锻造组织和切削加工性能，最终热处理是淬火+低温回火，组织为回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体，具有较高的硬度和耐磨性。化学成分。低合金刃具钢碳的平均质量分数大都在(0.75%~1.5%C)之间，以保证获得较高的硬度和耐磨性。加入锰、硅、铬、钒、钨等合金元素改善了钢的性能，锰、硅、铬主要作用是提高淬透性，硅还能提高回火稳定性，钨、钒等与碳形成细小弥散的合金碳化物，提高硬度和耐磨性，细化晶粒，进一步增加回火稳定性。上一页下一页返回6.4合金工具钢下面以9SiCr钢制造的圆板牙为例(图6-9)，说明其热处理特点和工艺路线的安排。圆板牙是切削加工外螺纹的刀具，要求钢中碳化物均匀分布，热处理后硬度和耐磨性较高，而且齿形变形小。其制造工艺路线安排如下：下料→球化退火→机加工→淬火+低温回火→磨平面→抛槽→开口9SiCr圆板牙的球化退火采用图6-10所示的等温处理工艺，组织为粒状珠光体，硬度在19〜24HBS之间，适宜切削加工。淬火+低温回火工艺如图6-11所示，先在600℃〜650℃预热，目的是缩短随后的淬火保温时间，减轻氧化脱碳的可能性。在850℃〜870℃加热保温后，迅速转移到160℃〜200℃的硝盐槽中进行分级淬火，降低淬火时的变形。然后在190℃〜200℃低温回火，降低残余应力，保留较高的硬度值60〜63HRC。(3)常用钢种见表6-11。上一页下一页返回6.4合金工具钢3.高速钢高速钢是一种高合金工具钢。钢中包含W、Cr、Mo、V等合金元素，总质量分数超过10%。它的主要特性是具有良好的热硬性，当切削温度高达600℃时硬度仍无明显下降。高速钢切削时能长时间保持刃口锋利，故又称为“锋钢”，常用于车刀、铣刀、高速钻头等。高速钢具有高淬透性，淬火时在空气中冷却即可得到马氏体组织，因此又俗称为“风钢”。(1)化学成分。高速钢的碳平均质量分数较高，一般为(0.7%~1.5%)C。高碳一方面是保证与钨、钼等诸多合金元素形成大量的合金碳化物，阻碍奥氏体晶粒长大，提高回火稳定性。另一方面是在加热时使奥氏体含一定量的碳，淬火得到的马氏体有较高的硬度和耐磨性。钨是使高速钢具有较高红硬性的主要元素，钨在钢中主要以Fe4W2C的形式存在，加热时部分Fe4W2C溶入奥氏体中，淬火时存在于上一页下一页返回6.4合金工具钢马氏体中，使钢的回火稳定性得以提高。当于560℃回火时，钨会以弥散的特殊碳化物W2C的形式出现，形成了“二次硬化”现象，对钢在高温下保持高硬度有较大的贡献。加热时部分未溶的Fe4W2C则会阻碍奥氏体晶粒长大，降低过热敏感性和提高耐磨性。合金元素钼的作用与钨相似，一份钼可代替两份钨，而且钼还能提高韧性和消除第二类回火脆性。但是含钼较高的高速钢脱碳和过热敏感性较大。铬在高速钢中的主要作用是提高淬透性、硬度和耐磨性。铬主要以Cr23C6形式存在，这种碳化物在高速钢的正常淬火加热温度下几乎全部溶解，对阻碍奥氏体晶粒长大不起作用，但是溶入奥氏体中会明显提高淬透性和回火稳定性。高速钢中铬含量一般都在4%左右，过高了会增加残余奥氏体量，过低淬透性则达不到要求。钒的主要作用是细化晶粒，提高硬度和耐磨性。钒碳化物为V4C3或VC，比钨、钼、铬碳化物都稳定，而且是细小弥散分布，加热时很难溶解，对奥氏体晶粒长大有很大的阻碍作用，并能有效地提高硬度上一页下一页返回6.4合金工具钢和耐磨性。高温回火时也会产生“二次硬化”现象，但是提高红硬性的作用不如钨、钼明显。(2)高速钢的锻造。高速钢的铸态组织中存在鱼骨状碳化物[图6-12(a)]。这些粗大的碳化物无法用热处理的方法消除，只有通过锻造的方法将其击碎，并使它分布均匀。如果碳化物分布不均匀，将使刀具的强度、硬度、耐磨性、韧性和热硬性都下降，在使用过程中容易发生崩刃或加速磨损，导致刀具早期失效。(3)热处理特点。①高速钢锻造后应进行球化退火处理，以降低硬度，消除应力，便于机械加工，并为随后的淬火回火作好组织准备。其显微组织如图6-12(b)所示。②高速钢导热性比较差，淬火温度又高，所以淬火加热时必须进行一次或两次预热(见图6-13)。高速钢中含有大量W、Mo、Cr、V的难溶碳化物，它们只有在1200℃以上才能大量地溶于奥氏体中，因此上一页下一页返回6.4合金工具钢高速钢的淬火加热温度非常高，一般为1220℃〜1280℃。淬火后组织为淬火马氏体、碳化物和大量残留奥氏体如图6-12(c)所示。③高速钢的硬度与回火温度的关系如图6-14所示。由图可知，在回火温度为560℃左右时，高速钢的硬度最高。这种回火时出现的硬度回升现象称为钢的“二次硬化”。高速钢通常在二次硬化峰值温度回火三次。在此回火温度范围内，钨及钒的碳化物呈弥散状从马氏体中沉淀析出，使钢的硬度明显上升。高速钢在淬火后有20%~25%的残留奥氏体，一次回火后，仍有约15%的残留奥氏体。通过三次回火，高速钢内的残留奥氏体基本全部转变为马氏体。高速钢淬火、回火后的组织由回火马氏体+少量残留奥氏体+碳化物组成，如图6-12(d)所示。6.4.2合金模具钢模具钢一般分为冷模具钢和热模具钢两大类。由于冷模具钢和热上一页下一页返回6.4合金工具钢模具钢的工作条件不同，因而对冷、热模具钢性能要求有所区别。为了满足其性能要求，必须合理选用钢材，正确制订热处理工艺。1.冷模具钢(1)化学成分特点。冷模具钢的含碳量为wc=1.3%~2.3%，以便形成足够数量的碳化物来保证高的耐磨性。其主加元素为Cr，高达11%~13%，辅加元素为Mo、V。铬的主要作用是提高淬透性和回火稳定性，并配合高碳形成大量铬的碳化物分布在马氏体基体上，提高耐磨性。钼和钒的作用主要是细化奥氏体晶粒，也有提高耐磨性的作用。(2)冷模具钢的工作条件、失效方式和性能要求。冷模具钢是指金属在冷状态变形的模具用钢，包括冷冲模、冷挤压模、冷镦模和拉丝模等，工作温度不超过200℃〜300℃。冷模具钢在工作时，由于被加工材料的变形抗力较大，模具的工作上一页下一页返回6.4合金工具钢部分受到强烈的摩擦和挤压，有些还受到很大的冲击力的作用。其常见的失效方式为磨损，也有崩刃或疲劳断裂等现象。因此，冷模具钢应具有高硬度、高耐磨性、充足的韧性和疲劳抗力。(3)钢种、牌号和用途。大部分要求不高的冷模具钢可用碳素工具钢和低合金工具钢来制造，这两类材料已在前面介绍过。大型冷模具钢用Cr12型钢，即Cr12或Cr12MoV，它们的牌号、成分、热处理及用途见表6-12。(4)热处理特点。冷模具钢的热处理特点与合金刃具钢类似。高碳高铬的Cr12型钢的热处理方案有两种。①一次硬化法。淬火加热温度在950℃〜1000℃，淬火后低温在150℃〜180℃时回火，硬度可达61~64HRC，使钢具有较好的耐磨性和韧性，适用于重载模具。②二次硬化法。在较高温度(1100℃~1150℃)下淬火，然后在510℃~520℃多次(一般为三次)回火，产生二次硬化，使硬度达上一页下一页返回6.4合金工具钢60~62HRC，红硬性和耐磨性都较高，但韧性较差。适用于在400℃~450℃温度下工作的模具。Cr12型钢经热处理后组织为回火马氏体、碳化物和残余奥氏体。2.热模具钢(1)化学成分特点。热模具钢的含碳量为wc=0.3%~0.6%，以保证足够的强度和韧性。其合金化主加元素为Cr、Ni、Mn、S等，辅加元素为Mo、W、V。合金元素的作用是提高淬透性(Cr、Ni、Mn、Si);提高回火稳定性(Cr、Ni、Mn、Si)；防止第二类回火脆性(Mo、W);产生二次硬化(W、Mo、V);阻止奥氏体晶粒长大(W、Mo、V)。(2)热模具的工作条件、失效方式和性能要求。实际上热模具和冷模具工作时受力方式是一样的，有冲击力、压应力、拉应力、摩擦力等。不同之处在于冷模具加工的是冷工件；热模具加工的是热工件，上一页下一页返回6.4合金工具钢变形抗力较小，但型腔表面与高温金属接触，可被加热至300℃~400℃，局部达500℃~600℃。反复加热、冷却，造成热应力引起热疲劳裂纹。其常见的失效方式是磨损、塌陷、崩裂及龟裂等，因此热模具钢主要的性能要求如下。①高的热硬性和高温耐磨性。②高的抗氧化能力，高的热强性和足够高的韧性。③高的热疲劳抗力。(3)热处理特点。热模具钢最终热处理是采用淬火+高温回火，得到回火索氏体组织，获得良好的综合力学性能。其实，热模具钢的成分、热处理方式都与调质钢相似，但分属于不同范围，故牌号表示上有差别，如40CrNiMo为调质钢、5CrNiMo为热作模具钢。(4)钢种、牌号与用途。用来制造热锻模具的材料为5CrMnMo、上一页下一页返回6.4合金工具钢5CrNiMo。5CrNiMo的淬透性要比5CrMnMo好些。用来制造热挤压模具的材料为4Cr5MoSiV、4Cr5W2SiV、3Cr2W8V。其淬透性更高，强韧性好，抗氧化和抗热疲劳性都好。常见的热模具钢牌号、成分及用途见表6-1