《工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)》課件-第5章

第5章工業(yè)用鋼5.1概述5.2工業(yè)結(jié)構(gòu)用鋼5.3機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼5.4工具鋼5.5特殊性能鋼5.6工程應(yīng)用案例———結(jié)構(gòu)鋼在建筑工程中的應(yīng)用習(xí)題與思考題5

5.1概述

機(jī)械產(chǎn)品所用材料中，鋼材占很大比例。工業(yè)用鋼按化學(xué)成分可分為碳素鋼和合金鋼兩大類。碳素鋼(簡(jiǎn)稱碳鋼)是C的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.2%~2.06%之間，并含有少量Si、Mn、P、S等雜質(zhì)元素的鐵碳合金。碳鋼冶煉、加工簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，并且通過熱處理可以得到不同的性能來滿足工業(yè)生產(chǎn)上的各種需要，因此得到了極廣泛的應(yīng)用。但工業(yè)的發(fā)展特別是國(guó)防、交通運(yùn)輸、動(dòng)力、石油、化工等工業(yè)的發(fā)展，對(duì)材料提出了高強(qiáng)度，抗高溫、高壓、低溫，耐腐蝕、磨損等性能的要求。

碳鋼的應(yīng)用遇到了越來越多的困難。碳鋼的性能主要有以下幾方面的不足：

(1)淬透性低。一般情況下，碳鋼淬火要求水冷，水淬的最大淬透直徑為15~20mm。因此在制造大尺寸和形狀復(fù)雜的零件時(shí)，不能保證性能的均勻性和幾何形狀不變。

(2)強(qiáng)度和屈強(qiáng)比低。強(qiáng)度低使工程結(jié)構(gòu)和設(shè)備笨重。Q235鋼的σs

≥240MPa，而低合金結(jié)構(gòu)鋼16Mn的σs

≥360MPa。屈強(qiáng)比低，說明強(qiáng)度的有效利用率低。40碳鋼的σs/σb

為0.43，而合金鋼35CrNi3Mo的σs/σb

可達(dá)0.74。

(3)回火穩(wěn)定性差。由于回火穩(wěn)定性差，碳鋼在進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理時(shí)，為了保證較高強(qiáng)度而回火溫度應(yīng)降低時(shí)，韌性又隨之下降，為了保證較好韌性而回火溫度應(yīng)提高時(shí)，強(qiáng)度又偏低，所以碳鋼的綜合機(jī)械性能水平不高。

(4)不能滿足某些特殊性能的要求。碳鋼在抗氧化、耐腐蝕、耐熱、耐低溫、耐磨以及特殊電磁性能等方面往往較差，不能滿足特殊使用要求。

為了提高碳鋼的力學(xué)性能，改善碳鋼的工藝性能或使其獲得某些特殊物理、化學(xué)性能，有意地在鋼中加入一定量的合金元素，將含有這種合金元素的碳鋼稱為合金鋼。由于合金鋼具有比碳素鋼更優(yōu)良的性能，因而合金鋼的使用比例在逐年增大。

5.1.1鋼的分類

合金鋼種類繁多，為了便于生產(chǎn)、管理和使用，必須進(jìn)行分類。合金鋼的分類方法有多種，按所含合金元素的多少，可分為低合金鋼(合金元素總質(zhì)量小于5%)、中合金鋼(合金元素總質(zhì)量為5%~10%)和高合金鋼(合金元素總質(zhì)量高于10%)；按所含主要合金元素，可分為鉻鋼、鎳鋼、錳鋼、硅錳鋼等；按正火或鑄造狀態(tài)的組織，可分為珠光體鋼、馬氏體鋼、鐵素體鋼、奧氏體鋼和萊氏體鋼等。合金鋼最常用的是按用途分類，可分為合金結(jié)構(gòu)鋼、合金工具鋼和特殊性能鋼三大類。

(1)合金結(jié)構(gòu)鋼是專用于制造各種工程結(jié)構(gòu)(船舶、橋梁、車輛、壓力容器等)和機(jī)器零件(軸、齒輪、連接件等)的鋼種，主要包括低合金結(jié)構(gòu)鋼、合金滲碳鋼、合金調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼、易切削鋼、超高強(qiáng)鋼、低溫鋼等。

(2)合金工具鋼是專用于制造各種加工工具的鋼種，包括刃具鋼、模具鋼和量具鋼等。

(3)特殊性能鋼是指具有特殊物理、化學(xué)或力學(xué)性能的鋼種，包括不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼等。

5.1.2工業(yè)用鋼牌號(hào)

鋼的牌號(hào)反映其主要成分和用途。我國(guó)合金鋼是按碳含量、合金元素的種類和數(shù)量以及質(zhì)量級(jí)別來編號(hào)的。在牌號(hào)首部用數(shù)字標(biāo)明鋼的碳含量。為了表明用途，規(guī)定結(jié)構(gòu)鋼以萬分之一為單位的數(shù)字(兩位數(shù))、工具鋼和特殊性能鋼以千分之一為單位的數(shù)字(一位數(shù))來表示碳含量(與碳鋼編號(hào)一樣)。當(dāng)工具鋼的碳含量超過1%時(shí)，碳含量不標(biāo)出。在標(biāo)明碳含量的數(shù)字之后，用元素符號(hào)表示鋼中主要合金元素，含量由其后的數(shù)字標(biāo)明。當(dāng)合金元素的平均含量少于1.5%時(shí)，不標(biāo)數(shù)；當(dāng)平均含量為1.5%~2.49%、2.5%~3.49%時(shí)，相應(yīng)地標(biāo)以2、3。

根據(jù)以上編號(hào)方法，

40Cr鋼為結(jié)構(gòu)鋼，平均碳含量為0.40%；主要合金元素為Cr，其含量在1.5%以下。5CrMnMo鋼為工具鋼，平均碳含量為0.5%;含有Cr、Mn、Mo三種主要合金元素，含量皆在1.5%以下。CrWMn鋼亦為工具鋼，平均碳含量大于1.0%，含有Cr、W、Mn合金元素，含量都小于1.5%。

專用鋼以其用途的漢語拼音字首來標(biāo)明。例如，滾珠軸承鋼在鋼號(hào)前標(biāo)以“G”字。GCr15表示碳含量約為1.0%、鉻含量約為1.5%(鉻含量以千分之一為單位的數(shù)字表示)的滾珠軸承鋼。Y40Mn表示碳含量約為0.40%、錳含量少于1.5%的易切削鋼。

對(duì)于高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，則在鋼號(hào)的末尾加“A”表明，例如20Cr2Ni4A等。

要比較精確地確定鋼的種類、成分及大致用途，除了需要熟悉鋼的編號(hào)方法外，還要對(duì)各類鋼的碳含量及所含合金元素的特點(diǎn)有所了解。另外，少數(shù)有特殊用途的鋼的編號(hào)方法例外。例如，屬于特殊性能鋼的耐熱鋼12Cr1MoV，其編號(hào)方法就與結(jié)構(gòu)鋼相同，但這種情況極少。

5.1.3雜質(zhì)與合金元素在鋼中的作用

碳鋼中除鐵外并非只含碳元素，其中或多或少還含有一些雜質(zhì)元素，如Si、Mn、S、P等，它們的存在會(huì)影響鋼的性能。

1.Si、Mn的影響

硅、錳是隨煉鋼過程中脫氧而進(jìn)入鋼中的元素，它們均可以固溶于鐵素體中，使鐵素體的強(qiáng)度、硬度增強(qiáng)，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，對(duì)鋼的性能有利。但硅與氧的親和力很強(qiáng)，可形成SiO2

；錳與硫的親和力很強(qiáng)，可形成MnS。SiO2

和MnS都是鋼中的夾雜物，對(duì)鋼的性能不利。因此碳鋼中的硅、錳含量一般為wSi=0.1%~0.4%和wMn

=0.25%~0.8%。

2.S、P的影響

硫、磷是由生鐵中帶來而在煉鋼時(shí)又未能除盡的有害元素。硫不溶于鐵，而與鐵可形成熔點(diǎn)為1190℃的FeS。FeS常與γFe形成低熔點(diǎn)(985℃)共晶體，分布在奧氏體晶界上。當(dāng)鋼材在1000~1200℃鍛造或軋制時(shí)，共晶體會(huì)熔化，使鋼材變脆，沿奧氏體晶界開裂，這種現(xiàn)象稱為熱脆。適當(dāng)增加鋼中錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，使Mn與S優(yōu)先形成高熔點(diǎn)(1620℃)的MnS，從而可避免熱脆。另外，嚴(yán)格控制鋼中含硫量，使之不形成或很少形成FeS化合物，亦可減小硫的有害作用。磷在鋼中全部固溶于鐵素體中，雖然有較強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用，但它劇烈地降低鋼的塑性和韌性，特別是低溫韌性，使鋼在低溫下變脆，這種現(xiàn)象稱為冷脆。磷還可使鋼中的偏析加重。此外，硫、磷均降低鋼的焊接性能。

3.氮、氫、氧的影響

N2

、H2

、O2

存在于鋼中，將嚴(yán)重影響鋼的性能，降低鋼材質(zhì)量。

N在鐵素體中的溶解度很小，并隨溫度下降而減小。因此，

N的逸出會(huì)使鋼產(chǎn)生時(shí)效而變脆。一般可在煉鋼時(shí)采用Al和Ti脫N，使N形成AlN2

和TiN2

，以減少N存在于鐵素體中的數(shù)量，從而減輕鋼的時(shí)效傾向，這種方法稱為固氮處理。

H在鋼中既不溶于鐵素體，也不生成化合物，它是以原子狀態(tài)或分子狀態(tài)出現(xiàn)的。微量的H能使鋼的塑性急劇下降，出現(xiàn)所謂的氫脆現(xiàn)象。若它以分子狀態(tài)出現(xiàn)，則會(huì)造成局部的顯微裂紋，斷裂后在顯微鏡下可觀察到白色圓痕，這就是所謂的白點(diǎn)。它有可能使鋼突然斷裂，造成安全事故。在煉鋼時(shí)進(jìn)行真空處理是減少含氫量的最有效方法。

O通常以FeO、MnO、SiO2

、Al2O3

等氧化物夾雜的形式存在于鋼中而成為微裂紋的根源，降低了疲勞強(qiáng)度，會(huì)對(duì)鋼的性能產(chǎn)生不良影響。

5.2工業(yè)結(jié)構(gòu)用鋼

5.2.1概述結(jié)構(gòu)鋼按化學(xué)成分可分為碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼。結(jié)構(gòu)鋼按用途又可分為工程用鋼和機(jī)器用鋼兩大類。工程用鋼主要是用于各種工程結(jié)構(gòu)，它們大多是用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼制造的。這類鋼冶煉簡(jiǎn)便，成本低，適用于工程用鋼批量大的特點(diǎn)，使用時(shí)一般不進(jìn)行熱處理。而機(jī)器用鋼大多采用優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼，一般都經(jīng)過熱處理后使用。

5.2.2碳素結(jié)構(gòu)鋼

碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母、屈服點(diǎn)數(shù)值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)、脫氧方法符號(hào)等四部分按順序組成。表5－1所示是碳素結(jié)構(gòu)鋼的化學(xué)成分。其中，

Q表示屈;A、B、C、D表示質(zhì)量等級(jí)；

F表示沸騰鋼；

b表示半鎮(zhèn)靜鋼；

Z表示鎮(zhèn)靜鋼;TZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼。例如，

Q235A·F表示碳素結(jié)構(gòu)鋼，其屈服強(qiáng)度σs

為235MPa(試樣尺寸為16mm)、質(zhì)量級(jí)別為A的沸騰鋼。

碳素結(jié)構(gòu)鋼適用于一般工程用熱軋鋼板、鋼帶、型鋼、棒鋼等，可供焊接、鉚接、栓接構(gòu)件使用。雖然這類鋼的硫、磷含量以及金屬夾雜物較多，但是由于其容易冶煉，工藝性好，價(jià)格便宜，在力學(xué)性能上一般能滿足普通機(jī)械零件及工程結(jié)構(gòu)件的要求，因此用量很大。

為了適應(yīng)各種專門用途，在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上對(duì)成分和性能稍加調(diào)整，可發(fā)展為某些專用鋼。如鍋爐用鋼，用g表示;容器用鋼，用R表示;船舶用鋼，用C表示(分為2C、3C、4C、5C等)。

5.2.3低合金結(jié)構(gòu)鋼

低合金結(jié)構(gòu)鋼是在低碳的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上添加一定量的合金元素(如Mn、Si、Cr、Mo、Ni、Cu、Nb、Ti、V、Zr、B、P和N等，但添加總量不超過5%，一般在3%以下)，以強(qiáng)化鐵素體為基體，控制晶粒長(zhǎng)大，提高強(qiáng)度和塑性、韌性。其強(qiáng)度明顯高于相同含碳量的普通碳素結(jié)構(gòu)鋼。例如，

Q235鋼的屈服強(qiáng)度

σs

=235MPa，而常用的低合金結(jié)構(gòu)鋼的屈服強(qiáng)度σs

=300~400MPa。若用低合金結(jié)構(gòu)鋼來代替碳素結(jié)構(gòu)鋼，就可在相同受載條件下使結(jié)構(gòu)質(zhì)量減輕20%~30%。

低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼包括普通低合金結(jié)構(gòu)鋼和其他一些優(yōu)質(zhì)低合金高強(qiáng)度鋼，其強(qiáng)度高于含碳量相當(dāng)?shù)奶妓劁?，但塑性、韌性和焊接性良好，適用于較重要的鋼結(jié)構(gòu)，如壓力容器、發(fā)電站設(shè)備、管道、工程機(jī)械、海洋結(jié)構(gòu)、橋梁、船舶和建筑結(jié)構(gòu)等。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼一般在熱軋后狀態(tài)下供貨，以滿足用戶對(duì)沖擊韌度的特殊要求。如需要更高的強(qiáng)度，也可以在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下供貨。

普通低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的漢語拼音字母(Q)、屈服點(diǎn)數(shù)值和質(zhì)量等級(jí)符號(hào)(A、B、C、D、E)三個(gè)部分按順序排列，如Q345C、Q345D。

優(yōu)質(zhì)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)可以采用兩位阿拉伯?dāng)?shù)字(以萬分之幾計(jì)平均含碳量)和標(biāo)準(zhǔn)的元素符號(hào)組成。Q345是這類鋼的典型牌號(hào)，它發(fā)展得最早，應(yīng)用得最多，產(chǎn)量也最大。與Q295相比，由于C%和Mn%均稍有增加，因此其強(qiáng)度指標(biāo)也提高了。這類鋼均在熱軋后使用，使用狀態(tài)下的顯微組織是鐵素體加少量珠光體，多用于石油化工設(shè)備、橋梁、船舶、車輛等大型鋼結(jié)構(gòu)。這類鋼一般在熱軋、控軋、正火及正火加回火狀態(tài)下供貨。Q420、Q460的C、D、E級(jí)鋼也可按淬火加回火狀態(tài)供貨。表5－2所示為低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能。

表5－2低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能

5.2.4工程用鑄造碳鋼

鑄造碳鋼(簡(jiǎn)稱鑄鋼)是冶煉后直接鑄造成形而不需鍛軋成形的鋼種。對(duì)于一些形狀復(fù)雜、綜合力學(xué)性能要求較高的大型零件，在加工時(shí)難于用鍛軋方法成形，在性能上又不允許用力學(xué)性能較差的鑄鐵制造，因而可采用鑄鋼，如機(jī)車車輛、船舶、重型機(jī)械齒輪、軸、軋輥、機(jī)座、缸體、外殼、閥體等。

鑄鋼按化學(xué)成分的不同可分為碳素鑄鋼和合金鑄鋼。碳素鑄鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常在0.12%~0.62%之間。為了提高鑄鋼的力學(xué)性能，可在碳素鑄鋼的基礎(chǔ)上加入Mn、Si、Cr、Ni、Mo、Ti、V等合金元素在而形成合金鑄鋼。當(dāng)要求特殊的物理、化學(xué)性能和特殊力學(xué)性能時(shí)，可加入較多的合金元素形成特殊鑄鋼，如耐蝕鑄鋼、耐熱鑄鋼(參見GB8492－87)、耐磨鑄鋼(常指高錳鋼，如ZGMn13)等。

鑄造碳鋼的牌號(hào)、力學(xué)性能及用途列于表5－3中。這類鑄鋼常用于制造結(jié)構(gòu)件(如機(jī)座、箱體等)，通常不進(jìn)行熱處理。用于制造機(jī)器零件的鑄造碳鋼(如ZG15、ZG25、ZG55)和鑄造合金鋼(如ZG20SiMn、ZG40Cr、ZG35CrMo等)一般應(yīng)進(jìn)行正火或退火處理，以細(xì)化晶粒，消除魏氏組織與殘余應(yīng)力。重要零件還應(yīng)進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，如要求表面耐磨的零件可進(jìn)行相應(yīng)的表面處理。

鑄鋼與鑄鐵相比，其強(qiáng)度、塑性、韌性較高，但流動(dòng)性差，收縮性大，熔點(diǎn)高，所以鑄造性較差，它只用于制造形狀復(fù)雜，并需要一定強(qiáng)韌性的零件。

5.3.1概述

機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼是用來制作各種機(jī)器零件的鋼種，是機(jī)械制造行業(yè)中用量最大的鋼種。根據(jù)用途和熱處理工藝的不同，機(jī)器零件用鋼可分為調(diào)質(zhì)鋼、滲碳鋼、彈簧鋼、滾動(dòng)軸承鋼、低碳馬氏體鋼、貝氏體鋼、超高強(qiáng)度鋼、耐磨鋼和易切鋼等。

5.3機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼

對(duì)不重要的機(jī)器零件，當(dāng)綜合力學(xué)性能要求不高時(shí)，可選用中碳鋼，經(jīng)正火即可。綜合力學(xué)性能要求較高的零件，如各類軸、連桿、螺栓等，應(yīng)選用中碳中合金鋼的調(diào)質(zhì)鋼，采用調(diào)質(zhì)處理。對(duì)于表面要求耐磨，心部要求較高強(qiáng)韌性的零件，如變速箱齒輪，應(yīng)選用低碳或低碳合金，采用滲碳、淬火和低溫回火的熱處理工藝。對(duì)要求有高的彈性極限和疲勞強(qiáng)度的彈簧，應(yīng)選用較高含碳量的碳鋼或合金鋼，采用淬火和中溫回火的熱處理工藝。對(duì)要求有高硬度、高耐磨性、高的接觸疲勞抗力及適當(dāng)韌性的滾動(dòng)軸承，應(yīng)選用高碳的滾動(dòng)軸承鋼制作，經(jīng)淬火后低溫回火。

5.3.2優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼(wS

≤0.035%，

wP

≤0.035%)主要用于制造各種比較重要的機(jī)器零件和彈簧。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、成分、性能如表5－4所示。

優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的力學(xué)性能主要取決于碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及熱處理狀態(tài)。從選材角度來看，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，其強(qiáng)度、硬度越低，塑性、韌性越高，反之亦然。錳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的鋼，強(qiáng)度、硬度也較高。一般情況下，

08~25鋼屬低碳鋼，這些鋼具有良好的塑性和韌性，強(qiáng)度、硬度較低，其壓力加工性能和焊接性能優(yōu)良，主要用于制造沖壓件、焊接件和對(duì)強(qiáng)度要求不高的機(jī)器零件。

當(dāng)對(duì)零件的表面硬度和耐磨性要求較高，同時(shí)整體要求高韌性時(shí)，可選用滲碳鋼(15鋼、20鋼)經(jīng)滲碳、淬火加低溫回火后使用。30~55鋼屬于中碳鋼，具有較高的強(qiáng)度、硬度和較好的塑性、韌性，通常要經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理(淬火后高溫回火)后使用，因而也叫做調(diào)質(zhì)鋼。它主要用于制造受力較大的機(jī)器零件(如軸、齒輪、連桿等)。60鋼及碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)更高的鋼屬高碳鋼，具有更高的強(qiáng)度、硬度及耐磨性，且其彈性很好，但塑性、韌性、焊接性能及切削加工性能均較差。它主要用于制造要求較高強(qiáng)度、耐磨性及彈性的零件(如鋼絲繩、彈簧、工具)。wMn

較高的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其性能和用途與wC

相同而wMn

較低的鋼基本相同，但其淬透性稍好，可用于制造截面尺寸稍大或?qū)?qiáng)度要求稍高的零件。

5.3.3機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼

1.合金滲碳鋼

滲碳鋼是指經(jīng)滲碳、淬火和低溫回火后使用的結(jié)構(gòu)鋼。滲碳鋼基本上都是低碳鋼和低碳合金鋼。滲碳鋼主要用于制造高耐磨性、高疲勞強(qiáng)度和要求具有較高心部韌性(即表硬心韌)的零件，如各種變速齒輪及凸輪軸等。

合金滲碳鋼是在低碳滲碳鋼(如15、20鋼)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。低碳滲碳鋼淬透性低，經(jīng)滲碳、淬火和低溫回火后，雖可獲得高的表面硬度，但心部強(qiáng)度低，只適用于制造受力不大的小型滲碳零件。而對(duì)于性能要求高，尤其是對(duì)整體強(qiáng)度要求高或截面尺寸較大的零件，則應(yīng)選用合金滲碳鋼。

合金滲碳鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常在0.10%~0.25%之間，以保證心部有足夠塑性和韌性。合金元素主要有Cr、Ni、Mn、Si、B、Ti、V、Mo、W等。其中Cr、Ni、Mn、Si、B的主要作用是提高淬透性，可使較大截面零件的心部在淬火后獲得具有高強(qiáng)度、優(yōu)良的塑性和韌性的低碳(板條)馬氏體組織。這種組織既能承受很大的靜載荷(由高強(qiáng)度保證)，又能承受大的沖擊載荷(由高韌性保證)，從而克服了低碳滲碳鋼零件心部得不到有效強(qiáng)化的缺點(diǎn)。Ti、V、W、Mo的主要作用是形成高穩(wěn)定性、彌散分布的特殊碳化物，防止零件在高溫長(zhǎng)時(shí)間滲碳時(shí)奧氏體晶粒的粗化，從而起到細(xì)晶強(qiáng)韌化和彌散強(qiáng)化作用，并進(jìn)一步提高表層耐磨性。滲碳件的表層強(qiáng)化是通過滲碳、淬火和低溫回火后，獲得具有高硬度、高耐磨性的高碳回火馬氏體實(shí)現(xiàn)的。

滲碳鋼可根據(jù)淬透性高低分為低淬透性滲碳鋼、中淬透性滲碳鋼和高淬透性滲碳鋼。低淬透性滲碳鋼在水中的臨界淬透直徑為20~35mm，中淬透性滲碳鋼在油中的臨界淬透直徑為25~60mm，高淬透性滲碳鋼在油中的臨界淬透直徑在100mm以上。常用滲碳鋼的牌號(hào)、熱處理、力學(xué)性能及用途如表5－5所示。

滲碳件熱處理后，其表面組織為細(xì)針狀回火高碳馬氏體+粒狀碳化物+少量殘余奧氏體，硬度為58~64HRC；心部按鋼淬透性的不同可為“鐵素體+屈氏體”或低碳馬氏體，硬度為30~45HRC。

2.合金調(diào)質(zhì)鋼

合金調(diào)質(zhì)鋼是在中碳調(diào)質(zhì)鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，適用于對(duì)強(qiáng)度要求高、截面尺寸大的重要零件。合金調(diào)質(zhì)鋼為中碳合金鋼，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常在0.25%~0.50%之間(以保證既強(qiáng)又韌)。合金元素主要有Mn、Si、Cr、Ni、B、Ti、V、W、Mo等。其中，主加元素Mn、Si、Cr、Ni、B等的主要作用是提高鋼的淬透性，并產(chǎn)生固溶強(qiáng)化;輔加合金元素Ti、V、W、Mo等的主要作用是形成高穩(wěn)定性碳化物，阻止淬火加熱時(shí)奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，起細(xì)晶強(qiáng)韌化作用，

Mo、W還能防止產(chǎn)生高溫回火脆性。

合金元素還可明顯地提高鋼的抗回火能力，使鋼在高溫回火后仍能保持較高硬度。

根據(jù)淬透性的高低可將合金調(diào)質(zhì)鋼分為低淬透性調(diào)質(zhì)鋼、中淬透性調(diào)質(zhì)鋼、高淬透性調(diào)質(zhì)鋼。它們?cè)谟椭械呐R界淬透直徑分別為20~40mm、40~60mm、60~100mm。

常見調(diào)質(zhì)鋼的牌號(hào)、熱處理、力學(xué)性能和用途如表5－6所示，表中列出了45鋼的數(shù)據(jù)，以便比較。此類鋼常采用調(diào)質(zhì)處理，在回火索氏體狀態(tài)下使用，有時(shí)也在回火屈氏體、回火馬氏體狀態(tài)下使用。部分鋼種(如45MnV、35MnS)通過控制鍛造工藝參數(shù)直接生產(chǎn)零件，也可達(dá)到調(diào)質(zhì)的性能。有些鋼種(如20CrMnTi、20MnV、15MnVB、27SiMn等)處理成低碳馬氏體或貝氏體后，也可代替調(diào)質(zhì)鋼在常溫下使用。

3.合金彈簧鋼

合金彈簧鋼是因?yàn)槠渲饕糜谥圃鞆椈啥妹?。彈簧鋼?yīng)具有高的彈性極限、高的疲勞強(qiáng)度和足夠的塑性與韌性。

彈簧鋼一般為高碳鋼、中碳合金鋼和高碳合金鋼(以保證彈性極限及一定韌性)。高碳彈簧鋼(如65、70、85鋼)的碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常較高，以保證高的強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度和彈性極限，但其淬透性較差，不適于制造大截面彈簧。由于合金彈簧鋼有合金元素的強(qiáng)化作用，因此碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)通常在0.45%~0.70%之間，而碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過高會(huì)導(dǎo)致塑性、韌性下降較多。

合金彈簧鋼中含有Si、Mn、Cr、B、V、Mo、W等合金元素，既可提高淬透性，又可提高強(qiáng)度和彈性極限，可用于制造截面尺寸較大、對(duì)強(qiáng)度要求高的重要彈簧。常用的彈簧鋼的牌號(hào)、熱處理、力學(xué)性能和用途如表5－7所示。

彈簧鋼的熱處理、彈簧成形方法與彈簧鋼的原始狀態(tài)密切相關(guān)：冷成型(冷卷、冷沖壓等)彈簧，因彈簧鋼已經(jīng)冷變形強(qiáng)化或熱處理強(qiáng)化，只需進(jìn)行低溫去應(yīng)力退火處理即可;熱成型彈簧通常要經(jīng)淬火、中溫回火熱處理(得到回火屈氏體)，以獲得高的彈性極限。目前，已有低碳馬氏體彈簧鋼的應(yīng)用。對(duì)于耐熱、耐蝕應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)選不銹鋼、耐熱鋼、高速鋼等高合金彈簧鋼或其他彈性材料(如銅合金等)。

4.其他結(jié)構(gòu)鋼

1)易切削結(jié)構(gòu)鋼

易切削鋼中含較多的S、P、Pb、Ca等元素。S(wS

為0.04%~0.33%)在鋼中通常以(MnFe)S、MnS微粒形式存在，

Pb(wPb

為0.15%~0.35%)通常以Pb微粒(3μm)均勻分布于鋼中。這些硫化物和鉛微?？芍袛噤摶w的連續(xù)性，切削時(shí)形成易斷、易排出的切屑，切屑不易黏附在刀刃上，有利于降低零件表面的粗糙度。同時(shí)它還具有自潤(rùn)滑作用，可減小摩擦力，減小刀具磨損，延長(zhǎng)刀具壽命。

P(wP

為0.04%~0.15%)在鋼中主要溶于基體相鐵素體中，可使鐵素體的塑性、韌性明顯降低，使切屑易斷易排，并能降低零件表面粗糙度。鋼中的Ca(wCa

為0.002%~0.006%)在高速切削時(shí)能在刀具表面形成具有減摩作用的保護(hù)膜，可顯著減小刀具磨損，延長(zhǎng)刀具壽命。顯然，上述元素的加入大多降低了鋼的強(qiáng)韌性、壓力加工性及焊接性。常見的易切削鋼的牌號(hào)有Y12、Y12Pb、Y15、Y15Pb、Y20、Y35、Y40Mn、Y45Ca(GB8731－88)。

易切削鋼常用于制造受力較小，強(qiáng)度要求不高，但要求尺寸精度高、表面粗糙度低且進(jìn)行大批量生產(chǎn)的零件(如螺栓等)。這類鋼在切削加工前不進(jìn)行鍛造和預(yù)先熱處理，以免損害其切削加工性能，通常也不進(jìn)行最終熱處理(Y45Ca常在調(diào)質(zhì)后使用)。

2)超高強(qiáng)度鋼

超高強(qiáng)度鋼是在合金結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，通過嚴(yán)格控制材料冶金質(zhì)量、化學(xué)成分和熱處理工藝而發(fā)展起來的，以強(qiáng)度為首要要求并輔以適當(dāng)韌性的鋼種。工程上一般將屈服強(qiáng)度超過1380MPa或抗拉強(qiáng)度超過1500MPa的鋼稱為超高強(qiáng)度鋼。它主要用于制造飛機(jī)起落架、機(jī)翼大梁、火箭、發(fā)動(dòng)機(jī)殼體和武器(炮筒、槍筒、防彈板)等。為了保證極高的強(qiáng)度要求，這類鋼材充分利用了馬氏體強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、化合物彌散(或沉淀或時(shí)效)強(qiáng)化與溶質(zhì)固溶強(qiáng)化等多種機(jī)制的復(fù)合

強(qiáng)化作用，而改善韌性的關(guān)鍵是提高鋼的純凈度(降低S、

P雜質(zhì)含量和非金屬夾雜物含量)，細(xì)化晶粒(如采用形變熱處理工藝)，并減小對(duì)碳的固溶強(qiáng)化的依賴程度(故超高強(qiáng)度鋼一般是中低碳，甚至是超低碳鋼)。

按化學(xué)成分和強(qiáng)韌化機(jī)制不同，超高強(qiáng)度鋼可分為四類，如表5－8所示。

5.3.4滾動(dòng)軸承鋼

1.性能要求

用于制造滾動(dòng)軸承的鋼稱為軸承鋼。滾動(dòng)軸承是一種高速轉(zhuǎn)動(dòng)的零件，工作時(shí)接觸面積很小，不僅有滾動(dòng)摩擦，而且有滑動(dòng)摩擦，承受很高、很集中的周期性交變載荷，所以常常是接觸疲勞破壞。因此對(duì)滾動(dòng)軸承鋼的要求：

(1)有高而均勻的硬度(61~65HRC)和耐磨性;

(2)有高的彈性極限和接觸疲勞強(qiáng)度;

(3)有足夠的韌性和淬透性;

(4)在大氣及潤(rùn)滑劑中，有一定的抗腐蝕能力;

(5)對(duì)鋼的冶金質(zhì)量要求很高，要求鋼的純度高，組織均勻性好，雜質(zhì)少，硫和磷的含量低，碳化物均勻。

2.成分及鋼種

常用的軸承鋼的化學(xué)成分、熱處理工藝及用途如表5－9所示。通常所說的軸承鋼是指高碳鉻鋼，為了保證有足夠的硬度，鋼含碳量為0.95%~1.10%，同時(shí)加入0.4%~1.65%的Cr，用以提高淬透性，并使合金碳化物Fe·C等均勻彌散地分布，提高耐磨性。對(duì)于大型軸承(鋼球直徑>30~40mm;套圈壁厚>12mm，外徑>250mm)，加入硅、錳等元素，進(jìn)一步提高淬透性，硅還能顯著提高鋼的強(qiáng)度極限、彈性極限和回火抗力，并保持較好的韌性。若加入鉬則效果更好。

軸承鋼的牌號(hào)用GCr+數(shù)字表示。其中，

G表示滾動(dòng)軸承，

Cr表示含鉻，數(shù)字表示含鉻量的千分之幾。例如，

GCr15表示含鉻量是1.5%的滾動(dòng)軸承鋼。常用的牌號(hào)有GCr6、GCr9、GCr15、GCr15SiMn，其中GCr15應(yīng)用最廣泛。根據(jù)我國(guó)的資源情況，充分發(fā)揮多元合金化作用，試制了無鉻軸承鋼，牌號(hào)有GSiMnV、GSiMnMoV、GSiMnVRE，經(jīng)試用表明，其性能接近GCr15。

3.熱處理特點(diǎn)

軸承鋼的熱處理主要是球化退火、淬火和低溫回火。軸承鋼鍛造后的組織是索氏體+少量粒狀二次滲碳體，鍛后硬度為255~340HB，切削加工性差。球化退火的目的是降低硬度(HB<210)，便于切削加工，同時(shí)消除鍛造缺陷，為淬火做好組織準(zhǔn)備。最終熱處理是加熱到840℃，在油中淬火，并在淬火后立即進(jìn)行低溫回火(160~180℃)，回火后的硬度>61HRC。使用狀態(tài)下的組織是回火馬氏體+粒狀碳化物+少量殘余奧氏體。對(duì)于精密軸承，為了穩(wěn)定尺寸，可在淬火后進(jìn)行冷處理(-60~-80℃)，以消除殘余奧氏體，避免由于殘余奧氏體的分解而造成尺寸變化；在磨削加工后再進(jìn)行120℃左右的時(shí)效處理，進(jìn)一步消除內(nèi)應(yīng)力，以達(dá)到尺寸的穩(wěn)定。

5.4工具鋼

工具鋼是用來制造刀具、模具和量具的鋼。工具鋼按化學(xué)成分可分為碳素工具鋼、低合金工具鋼、高合金工具鋼等;按用途可分為刃具鋼、模具鋼、量具鋼。

5.4.1刃具鋼

1.刃具鋼的性能要求

(1)高的硬度。

不論是車刀、銑刀還是鉆頭，都要切削金屬材料，刃具的硬度就必須大于被切材料的硬度，一般要求HRC>60。由于鋼淬火后的硬度主要取決于含碳量，而合金元素的作用并不大，因此刃具鋼的含碳量都較高，一般為0.6%~1.5%，甚至更高。

(2)高耐磨性。

耐磨性直接影響刃具的使用壽命和生產(chǎn)效率，若銑刀磨損達(dá)一定程度就會(huì)失效，車刀磨損后就需經(jīng)常磨刀。耐磨性與硬度有關(guān)，同時(shí)也取決于碳化物的性質(zhì)、數(shù)量、大小、分布。要求在高碳的回火馬氏體基體上均勻分布細(xì)小而硬的碳化物顆粒，以提高鋼的耐磨性。

(3)高的熱硬性。

所謂熱硬性，是指刃具在高溫下保持高硬度的能力。刃具在切削金屬時(shí)產(chǎn)生切削熱，在刃部有時(shí)達(dá)600°C左右或更高。在高溫下，刃具的硬度下降就無法繼續(xù)切削，因此要求刃具在高溫下仍能保持足夠高的硬度，即要求刃具材料具有良好的熱硬性。

(4)適當(dāng)?shù)捻g性。

刃具在切削過程中會(huì)受到彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、震動(dòng)等作用，因此要求其具有一定的韌性和塑性，以承受沖擊等復(fù)雜應(yīng)力的作用，避免脆性斷裂和崩刃。

用于刃具的材料有碳素工具鋼、低合金工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金等。

2.碳素工具鋼

1)成分與鋼種

碳素工具鋼的含碳量為0.65%~1.35%，

Si為0.35%，

Mn為0.4%。硫、磷的含量是優(yōu)質(zhì)鋼的含量范圍(S%0.03%，

P%0.035%)。含碳量越高，則碳化物量越多，耐磨性就越高，但韌性越差。因此受沖擊的工具應(yīng)選用含碳量低的。

碳素工具鋼的牌號(hào)冠以碳或T，其后為數(shù)字，表示含碳量的千分之幾；牌號(hào)后加A字的屬高級(jí)優(yōu)質(zhì)，要求S%0.

02%，

P%0.03%。例如，

T8A表示C%=0.8%的碳素工具鋼。有T7、T7A、T8、T8A、…、T13A，共8個(gè)鋼種、16個(gè)牌號(hào)，如表5－10所示。一般來說，沖頭、鑿子選用T7、T8等，車刀、鉆頭可選用T10，而精車刀、銼刀則選用T12、T13之類。

2)熱處理

預(yù)備熱處理:機(jī)械加工之前，進(jìn)行球化退火(T7可采用完全退火)，組織為鐵素體基體+細(xì)小均布的粒狀滲碳體，硬度<217HBW。

最終熱處理:機(jī)械加工之后，進(jìn)行淬火(780℃)+低溫回火(180℃)，組織為回火馬氏體+粒狀滲碳體+少量殘余奧氏體(一般T7有2%~3%，

T12有5%~8%)。

碳素工具鋼經(jīng)熱處理后，硬度可達(dá)60~65HRC，其耐磨性和加工性都較好，價(jià)格又便宜，因此在生產(chǎn)上得到了廣泛應(yīng)用。碳素工具鋼的缺點(diǎn)是熱硬性差，當(dāng)刃部溫度大于200°C時(shí)，硬度、耐磨性會(huì)顯著降低。另外，由于淬透性差(直徑厚度在15~20mm以下的試樣在水中才能淬透)，

尺寸大的就淬不透，而形狀復(fù)雜的零件，水淬容易變形和開裂，所以碳素工具鋼大多用于受熱程度較低的、尺寸較小的手工工具，低速及小走刀量的機(jī)用工具，也可作尺寸較小的模具和量具。

3.低合金工具鋼

為了克服碳素工具鋼淬透性低、熱硬性低、耐磨性低等缺點(diǎn)，可在碳素工具鋼的基礎(chǔ)上加入少量的合金元素，一般不超過3%~5%，就形成了低合金工具鋼。

低合金工具鋼牌號(hào)的表示方法基本同于合金結(jié)構(gòu)鋼，不同的是，牌號(hào)左側(cè)的數(shù)字用一位數(shù)字表示平均含碳量的千分之幾，而且含碳量1%時(shí)不標(biāo)注。

1)成分及鋼種

低合金工具鋼的含碳量一般為0.75%~1.50%，含碳量高，主要是為了保證鋼的高硬度，保證形成足夠的合金碳化物，因而耐磨性高;而含合金元素相對(duì)比較高的，主要是為了保證鋼具有足夠的淬透性。通常，鋼中加的合金元素有Si、Mn、Cr、Mo、W、V等。其中，

Si、Mn、Cr、Mo的主要作用是提高淬透性；

Si、Mn、Cr可強(qiáng)化鐵素體；

Cr、Mo、W、V可細(xì)化晶粒使鋼進(jìn)一步強(qiáng)化，提高鋼的強(qiáng)度；作為碳化物形成元素，

Cr、Mo、W、V等在鋼中形成合金滲碳體和特殊碳化物，從而提高鋼的硬度和耐磨性。常用低合金工具鋼的牌號(hào)、成分、熱處理與用途如表5－11所示。

2)熱處理

預(yù)備熱處理：鍛造后進(jìn)行球化退火。

最終熱處理：淬火+低溫回火，其組織為回火馬氏體+未溶碳化物+殘余奧氏體。與碳素工具鋼相比較，由于合金元素的加入，低合金工具鋼的淬透性提高了，因此可采用油淬火，淬火后的硬度與碳素工具鋼都處在同一范圍，但淬火變形、淬火開裂的傾向小。

4.高速鋼

高速鋼是一類具有很高耐磨性和很高熱硬性的工具鋼，在高速(如50~80m/min)切削條件下，刃部溫度達(dá)到500~600℃時(shí)仍能保持很高的硬度，使刃口保持鋒利，從而保證高速切削，高速鋼也由此得名。

高速鋼為高碳合金鋼，高速鋼中的高碳(wC

=0.7%~1.6%)可保證鋼在淬火、回火后具有高的硬度和耐磨性。高速鋼中含有大量合金元素(W、Mo、Cr、V、Co、Al等)，其主要作用如下:

(1)提高熱硬性。

提高熱硬性的元素主要是W和Mo，加熱淬火后得到含有大量W和Mo的馬氏體，在回火溫度達(dá)560℃左右時(shí)(對(duì)此鋼仍得回火馬氏體)析出彌散分布的高硬度、高耐熱的W2C和Mo2C，具有明顯的彌散強(qiáng)化效果，產(chǎn)生二次硬化，其回火硬度甚至比淬火硬度還高HRC2~3。同時(shí)，W2C和Mo2C在500~600℃溫度范圍內(nèi)非常穩(wěn)定，不易聚集長(zhǎng)大，仍保持彌散強(qiáng)化效果，因而具有良好的熱硬性。

(2)提高鋼的淬透性。

提高淬透性的元素主要是Cr。Cr在退火高速鋼中多以Cr23

C6

方式存在，在淬火加熱時(shí)幾乎全部溶入奧氏體，可增大過冷奧氏體的穩(wěn)定性，提高鋼的淬透性，使其在空氣中冷卻也能獲得馬氏體。實(shí)踐表明，最佳wCr為4%。加熱時(shí)溶入奧氏體中的W、Mo等元素也可提高鋼的淬透性。

(3)提高鋼的耐磨性。

提高耐磨性的元素主要是V。V的碳化物VC硬度極高，對(duì)提高鋼的硬度和耐磨性有很大的作用。W2C和Mo2

C對(duì)提高鋼的耐磨性也有較大貢獻(xiàn)。

(4)防止奧氏體晶粒粗化。

退火高速鋼中約有30%的各種合金碳化物，均具有較高的穩(wěn)定性，尤其是W、Mo、V形成的Fe3

W3C、Fe3Mo3C、VC穩(wěn)定性很高，加熱到1160℃時(shí)才能較多地溶入奧氏體。淬火加熱時(shí)，通常約有10%的未溶碳化物，可阻礙奧氏體晶粒的長(zhǎng)大，使奧氏體在高溫加熱時(shí)仍保持細(xì)小晶粒，這對(duì)提高強(qiáng)度、保持韌性具有重要意義。

常用的高速鋼牌號(hào)有:W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V(詳見GB9943－88)。

高速鋼的熱處理較為特別，通常要在1170~1300℃加熱淬火后于560℃進(jìn)行3~4次回火，以保證具有高的熱硬性。使用的狀態(tài)組織為回火馬氏體+粒狀碳化物+少量殘余奧氏體。

5.4.2模具鋼

模具鋼是指主要用于制造各種模具(如冷沖模、冷擠壓模、熱鍛模等)的鋼。根據(jù)用途模具鋼可分為冷作模具鋼、熱作模具鋼和成形模具鋼等。下面僅簡(jiǎn)單介紹冷作模具鋼和熱作模具鋼。

1.冷作模具鋼

冷作模具鋼是指主要用于制造冷沖模、冷擠壓模、拉絲模等使被加工材料在冷態(tài)下進(jìn)行塑性變形的模具用鋼。冷作模具鋼應(yīng)具有高強(qiáng)度、高硬度、高耐磨性、一定的韌性和較高的淬透性。

常用的冷作模具鋼有碳素工具鋼和合金工具鋼。碳素工具鋼(如T8A)用于制造要求不太高、尺寸較小、對(duì)受沖擊要求較高的模具；合金工具鋼中的9Mn2V、CrWMn主要用于制造要求較高、形狀較復(fù)雜、尺寸較大的模具；而淬透性更好、淬火變形更小的Cr12、Cr12MoV、Cr4W2MoV用于制造要求更高的大型模具。高速鋼及基體鋼(如65Nb)等也可用于冷作模具。常用冷作模具鋼的牌號(hào)、熱處理、力學(xué)性能和主要用途如表5－12所示。

冷作模具鋼多在淬火、低溫回火狀態(tài)下使用，

Cr12、Cr12MoV也可高溫淬火后在510~520℃多次回火以產(chǎn)生二次硬化，析出的碳化物能顯著提高鋼的耐磨性，其使用的狀態(tài)組織同刃具鋼。此外，為了提高耐磨性，部分鋼種還可進(jìn)行滲氮處理。

2.熱作模具鋼

熱作模具鋼是指用于制造熱鍛模、壓鑄模、熱擠壓模等使被加工材料在熱態(tài)下成形的模具用鋼。熱作模具鋼應(yīng)具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性和韌性、較高的熱硬性和高的熱疲勞抗力。熱作模具鋼為中碳合金鋼。中碳成分(wC為0.3%~0.6%)可保證較高的強(qiáng)度、硬度，合適的塑性、韌

性以及熱疲勞抗力。Cr、Ni、Mn、Mo、W、V等合金元素可提高鋼的淬透性、強(qiáng)度和回火穩(wěn)定性，

Mo可防止高溫回火脆性，

W、Mo、V還能產(chǎn)生二次硬化，提高鋼的熱硬性。

熱作模具鋼通常在淬火后中溫或高溫回火狀態(tài)下(組織為回火屈氏體或回火索氏體)使用，也可為高硬度、高耐磨的回火馬氏體基體(對(duì)某些專用模具鋼)，以獲得較高的強(qiáng)度、硬度，以及良好的塑性、韌性。應(yīng)該指出，

4Cr5MoSiV(

H11)、4Cr5MoSiV1(H13)、4Cr5W2VSi以及Cr3Mo3VNb等新型空冷硬化熱作模具鋼以其優(yōu)良的性能，有取代傳統(tǒng)熱作模具鋼的趨勢(shì)。常用熱作模具鋼的牌號(hào)、熱處理、力學(xué)性能和主要用途如表5－12所示。

5.5特殊性能鋼

5.5.1不銹鋼不銹鋼是指在自然環(huán)境或一定工業(yè)介質(zhì)中耐腐蝕(電化學(xué)腐蝕及化學(xué)腐蝕)的鋼種，是典型的耐蝕合金。它是在碳鋼基礎(chǔ)上加入Cr、Ni、Si、Mo、Ti、Nb、Al、N、Mn、Cu等形成的。其中，

Cr是保證“不銹”的主要元素，當(dāng)鋼中Cr含量達(dá)一定量(wCr>12%)時(shí)，不僅使基體電極電位大大提高(從而減小了腐蝕原電池形成的可能性)，而且在氧化性介質(zhì)中還會(huì)使鋼表面快速形成致密、穩(wěn)定、牢固的Cr2O3

膜，以減小或阻斷腐蝕電流(這是耐蝕的主要原因)。

一定量的Cr(或與其他元素配合)可使鋼在室溫下形成單相鐵素體或奧氏體，而不利于腐蝕原電池的產(chǎn)生，可進(jìn)一步提高耐蝕性。由于Cr為強(qiáng)碳化物形成元素，易與碳反應(yīng)而使溶入基體中原子態(tài)的Cr含量降低，甚至低于12%，所以鋼中碳愈少，

Cr愈多，則愈耐蝕(但會(huì)使強(qiáng)度硬度降低)。為此，大多數(shù)不銹鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)均很低。特別地，

Cr

2O3

膜易受氯等鹵族元素的離子穿透及破壞。同時(shí)，Cr在非氧化性酸(如鹽酸、稀硫酸)和堿中鈍化能力較差，會(huì)使不少不銹鋼在含此類離子的介質(zhì)中易產(chǎn)生點(diǎn)蝕、應(yīng)力腐蝕、晶界腐蝕等；而含少量Mo、Nb、Ti或更多Cr的不銹鋼及雙相不銹鋼，則對(duì)此類介質(zhì)的耐蝕性有所提高，強(qiáng)度也有所增加。

不銹鋼按正火后組織的不同，可分為馬氏體型、鐵素體型、奧氏體型、奧氏體鐵素體型(其強(qiáng)韌性、抗應(yīng)力腐蝕性較好)和沉淀硬化型(其強(qiáng)度、硬度更高)五種(GB1220－92)。下面主要介紹馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼。

1.馬氏體不銹鋼

馬氏體不銹鋼的碳含量范圍較寬，

wC=0.1%~1.0%，

wCr=12%~18%。由于合金元素單一，故此類鋼只在氧化性介質(zhì)(如大氣、海水、氧化性酸)中耐蝕，在非氧化性介質(zhì)(如鹽酸、堿溶液等)中會(huì)因達(dá)不到良好的鈍化而使耐蝕性很低。鋼的耐蝕性隨鉻含量的降低和碳含量的增加而受到損害，但其強(qiáng)度、硬度和耐磨性則隨C的增加而改善。

常見馬氏體不銹鋼有低、中碳的Cr13型(如1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13)和高碳的Cr18型(如9Cr18、9Cr18MoV等)。此類鋼的淬透性良好，即空冷或油冷便可得到馬氏體，鍛造后須經(jīng)退火處理來改善其切削加工性。在工程上，一般將1Cr13、2Cr13進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，得到回火索氏體組織，作為耐蝕結(jié)構(gòu)零件使用(如螺栓、汽輪機(jī)葉片、水壓機(jī)閥等);而對(duì)3Cr13、4Cr13及9Cr18進(jìn)行“淬火+低溫回火”處理，獲得回火馬氏體，用以制造高硬度、高耐磨性和一定耐蝕性結(jié)合的零件或工具(如醫(yī)療器械、量具、塑料模、滾動(dòng)軸承、餐刀、彈簧等)。

馬氏體不銹鋼與其他類型不銹鋼相比，具有價(jià)格最低、可熱處理強(qiáng)化(即強(qiáng)度、硬度較高)的優(yōu)點(diǎn)，但其耐蝕性較低，塑性加工與焊接性能較差。

2.鐵素體不銹鋼

鐵素體不銹鋼的碳含量較低(wC

<0.15%)、鉻含量較高(wCr

=12%~30%)，因而耐蝕性優(yōu)于馬氏體不銹鋼。此外，

Cr是鐵素體形成元素，致使此類鋼從室溫到高溫(1000℃左右)均為單相鐵素體，這進(jìn)一步改善了耐蝕性;但使其不可進(jìn)行熱處理強(qiáng)化，故強(qiáng)度與硬度低于馬氏體不銹鋼，而塑性加工、切削加工和焊接性較好。因此，其主要用于對(duì)力學(xué)性能要求不高，而對(duì)耐蝕性和抗氧化性有較高要求的零件，如耐硝酸、有機(jī)酸及其鹽、堿、硫化氫、磷酸的結(jié)構(gòu)件和抗高溫氧化結(jié)構(gòu)件。它也常用于民用設(shè)備如裝飾型材及廚具等方面。

常用的鐵素體不銹鋼有0Cr13、1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等。為了進(jìn)一步提高其在非氧化性酸中的耐蝕性，也可加入Mo、Ti、Cu等其他合金元素(如1Cr17Mo2Ti)。鐵素體不銹鋼一般是在退火或正火狀態(tài)下使用。熱處理、焊接或鍛造時(shí)，應(yīng)注意的主要問題是其脆性問題(如晶粒粗大導(dǎo)致的脆性、σ相析出的脆性、475℃脆性等)。

鐵素體不銹鋼的成本雖略高于馬氏體不銹鋼，但因其不含貴金屬元素Ni，故其價(jià)格遠(yuǎn)低于奧氏體不銹鋼，實(shí)際應(yīng)用僅次于奧氏體不銹鋼。

3.奧氏體不銹鋼

奧氏體不銹鋼原是在Cr18Ni8(簡(jiǎn)稱188)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，具有低碳(絕大多數(shù)wC<0.12%)，高鉻(wCr

>17%~25%)和較高鎳(wNi=8%~29%)的成分特點(diǎn)。由此可知，此類鋼具有最佳的耐蝕性，對(duì)苛性堿(熔融堿除外)、硫酸及硝酸鹽、硫化氫、磷酸、醋酸、大多數(shù)無機(jī)酸及有機(jī)酸、100℃以下的中低濃度硝酸及850℃以下高溫空氣環(huán)境耐蝕性很好，并有良好的抗氫、氮能力，而對(duì)還原性介質(zhì)(如鹽酸、稀硫酸)則不太耐蝕。Ni的存在使鋼在室溫下為單相奧氏體組織，這進(jìn)一步改善了鋼的耐蝕性，并且還賦予了奧氏體不銹鋼優(yōu)良的低溫韌性、高的加工硬化能力、耐熱性和無磁性等特性，冷塑性、加工性和焊接性能較好，但切削加工性差。奧氏體不銹鋼在化工設(shè)備、裝飾型材等方面應(yīng)用廣泛。

奧氏體不銹鋼的典型牌號(hào)有1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti及0Cr18Ni9等。加入Mo、Cu、Si等合金元素，可顯著改善不銹鋼在非氧化性酸等介質(zhì)中的耐蝕性(因Cr在其中的鈍化能力較差)，如00Cr17Ni12Mo2。因Mn、N與Ni同為奧氏體形成元素，為了節(jié)約Ni資源，國(guó)內(nèi)外研制了許多

節(jié)鎳型和無鎳型奧氏體不銹鋼，如1Cr17Mn9、Cr17Mn13Mo2N和1Cr18Mn10Ni5Mo3N甚至Mn30Al10Si等，而Mn、N的加入還提高了其在有機(jī)酸中的耐蝕性。因奧氏體不銹鋼的切削加工性較差，為此還發(fā)展了改善切削加工性的易切削不銹鋼，如Y1Cr18Ni9、Y1Cr18Ni9Se等。

奧氏體不銹鋼退火組織為奧氏體+碳化物，該組織不僅強(qiáng)度低，而且耐蝕性也有所下降。為了使耐蝕性得到保證，須進(jìn)行固溶處理——高溫(1050~1150℃)加熱使碳化物溶解，再快速冷卻得到單相奧氏體的組織。但其強(qiáng)度較低(σb≈600MPa)，強(qiáng)度潛力未充分發(fā)揮。奧氏體不銹鋼雖然不可熱處理(淬火)強(qiáng)化，但因其具有強(qiáng)烈的加工硬化能力，故可通過冷變形方法使之顯著強(qiáng)化(σb

升至1200~1400MPa)，隨后必須進(jìn)行去應(yīng)力退火(300~350℃加熱后空冷)，以防止出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。

5.5.2耐熱鋼

熱鋼是指用于制造在高溫條件下使用的零件或構(gòu)件的鋼。耐熱鋼應(yīng)具有良好的抗氧化能力和高溫強(qiáng)度。

耐熱鋼多為中碳合金鋼、低碳合金鋼(wC較高則使塑性、抗氧化性、焊接性及高溫強(qiáng)度下降)，所含合金元素主要有Cr、Ni、Mn、Si、Al、Mo、W、V等，這些合金元素均可產(chǎn)生固溶強(qiáng)化作用。其中的Cr、Si、Al在高溫下可被優(yōu)先氧化形成致密的氧化膜，將金屬與外界氧氣隔離，避免氧化的進(jìn)一步發(fā)生。Mo、V、W、Ti等元素可與碳結(jié)合形成穩(wěn)定性高、不易聚集長(zhǎng)大的碳化物，起彌散強(qiáng)化作用。

同時(shí)，這些元素大多數(shù)可提高鋼的再結(jié)晶溫度，增大基體相中原子之間的結(jié)合力，提高晶界強(qiáng)度，從而提高鋼的高溫強(qiáng)度。若含少量稀土(RE)元素，則其性能會(huì)進(jìn)一步提高。

按使用特性不同，耐熱鋼分為抗氧化鋼和熱強(qiáng)鋼;按組織不同，耐熱鋼又可分為鐵素體類耐熱鋼(又稱αFe基耐熱鋼，包括珠光體鋼、馬氏體鋼及鐵素體鋼)和奧氏體類耐熱鋼(又稱γFe基耐熱鋼)。

5.5.3耐磨鋼

磨損是機(jī)械工程上廣泛存在的問題，通常有磨料磨損、磨蝕磨損、黏著磨損、表面疲勞磨損等，但到目前尚未形成獨(dú)立的鋼類。只是根據(jù)工作條件、磨損類型不同，選擇不同的鋼種。

采用低碳合金鋼經(jīng)滲碳淬火低溫回火，可制造“里韌外硬”的耐磨性較高的零件，如齒輪、銷子等。采用中碳鋼和中碳合金鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)和表面淬火可制造要求強(qiáng)度和耐磨性高的零件，如負(fù)荷較大的軸類、齒輪等。采用高碳鋼和高碳合金鋼，經(jīng)淬火+低溫回火可制造要求耐磨性更高的零件，如用GCr15制作噴油嘴等。

這里要介紹的耐磨鋼是指在沖擊和磨損條件下使用的高錳鋼，如球磨機(jī)的襯板、破碎機(jī)的顎板、挖掘機(jī)的斗齒、拖拉機(jī)和坦克的履帶板、鐵路的道岔、防彈鋼板等。高錳鋼的主要成分是含碳量為1%~1.3%，含錳量為11%~14%。這種鋼由于機(jī)械加工困難，基本上是鑄造后使用，其牌號(hào)為ZGMn13，其中ZG表示鑄鋼，

Mn13表示含錳量為13%，規(guī)定含碳量1%時(shí)前面不寫數(shù)字。這種鋼的鑄態(tài)組織是奧氏體+碳化物(沿晶界析出)，故其性能既硬又脆，耐磨性并不好。實(shí)踐證明，只有使高錳鋼全部獲得奧氏體，使用時(shí)才能顯示出良好的韌性和耐磨性。

為此，要施行水韌處理，即把鋼加熱到1100°C，使碳化物完全溶解在奧氏體中，水冷后可獲得均勻的過飽和單相奧氏體。這時(shí)，其強(qiáng)