工程材料第5章

第5章工業(yè)用鋼5.1雜質(zhì)元素與合金元素在鋼中的作用

5.2鋼的分類與牌號

5.3結(jié)構(gòu)鋼——工程結(jié)構(gòu)用鋼

5.4結(jié)構(gòu)鋼——機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼

5.5工具鋼

5.6特殊性能鋼

知識窗——功能材料

自測習(xí)題

5.1雜質(zhì)元素與合金元素在鋼中的作用

由于冶煉工藝的原因，鋼中會殘留一定量的硅、錳、硫、磷、非金屬夾雜物及氣體元素等，這些元素不是有意加入的，一般稱作雜質(zhì)元素。為使金屬具有某些性能，特意要加入合金元素(包括超過規(guī)定含量的雜質(zhì)元素)，鋼中常用的合金元素有：錳(Mn)、硅(Si)、銅(Cu)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、鎢(W)、鉬(Mo)、釩(V)、鈦(Ti)、鈮(Nb)、鋯(Zr)、鈷(Co)、鋁(Al)、硼(B)、稀土元素(Re)等，有時硫、磷、氮等也稱為合金元素。合金元素的含量根據(jù)性能要求而定，鉻、鎳、錳等有時可以超過10%，而硼的含量一般為0.0005%～0.0035%；實踐中，常加入我國資源豐富的元素，如硅、錳、鉬、鎢、釩、硼及稀土元素等。

5.1.1常存雜質(zhì)元素對鋼性能的影響

1．錳的影響錳是煉鋼過程中作為脫氧劑帶入的，在碳素鋼中錳的含量通常為0.25%～0.8%。錳在鋼中大部分溶于鐵素體，使鐵素體固溶強(qiáng)化；小部分溶于滲碳體，形成合金滲碳體，提高其硬度；錳還能改變相圖位置，增加并細(xì)化珠光體，從而提高鋼的強(qiáng)度和硬度。錳可與硫化合形成MnS，降低硫的有害作用。因此，一般認(rèn)為，錳是鋼中的有益元素。但Mn含量高時，可增加鋼的過熱傾向。

2．硅的影響硅也是由煉鋼過程帶入的，在鎮(zhèn)靜鋼(用鋁、硅鐵和錳鐵脫氧的鋼)中，硅含量為0.10%～0.40%；在沸騰鋼(只用錳鐵脫氧的鋼)中，硅含量為0.03%～0.07%。硅能溶于鐵素體，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，從而使鋼的強(qiáng)度、硬度及彈性提高。硅是鋼中的有益元素。

3．硫的影響在鋼中，硫很難溶于鐵素體，主要以FeS(1190℃)的形態(tài)存在。FeS塑性差，使鋼的脆性增大；FeS與Fe可形成低熔點(985℃)的共晶體分布在奧氏體晶界上。鋼加熱到1000～1200℃進(jìn)行壓力加工時，晶界共晶體已經(jīng)熔化，加工過程中就會沿晶界開裂，這種現(xiàn)象稱為熱脆性。因此，硫是鋼中的有害元素，鋼中的含硫量不超過0.05%。為了消除硫的有害作用，鋼中必須加入一定量的錳。硫和錳的親和力較強(qiáng)，易形成熔點高的MnS(1620℃)，呈粒狀分布在晶粒內(nèi)，避免形成FeS而產(chǎn)生熱脆。

4．磷的影響鋼中的磷能全部溶于鐵素體中，產(chǎn)生強(qiáng)烈的固溶強(qiáng)化，使鋼的強(qiáng)度、硬度提高，但使鋼在室溫下的塑性、韌性急劇下降，使鋼變脆，這種現(xiàn)象稱為冷脆性，在低溫時冷脆更為嚴(yán)重。因此，磷是鋼中的有害元素。硫和磷是鋼中的有害元素，在鋼中應(yīng)嚴(yán)加控制。但事物不是絕對的，在易切削鋼中，適當(dāng)增加硫、磷的含量可以改善鋼的切削加工性能，延長刀具的使用壽命。

5.1.2合金元素在鋼中的作用1．合金元素在鋼中的存在形式1)固溶體合金元素在鋼中能夠溶于鐵素體、奧氏體或馬氏體中形成固溶體，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化。合金元素溶于鐵素體稱為合金鐵素體，合金鐵素體產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，P、Si、Mn的固溶強(qiáng)化效果最明顯，能顯著提高鐵素體的強(qiáng)度和硬度；但當(dāng)含量超過一定值后，鐵素體的塑性急劇下降，因此，鋼中這些元素應(yīng)加以限制。鉻和鎳在一定范圍內(nèi)(wCr≤2%，wNi≤5%)時，不僅能夠強(qiáng)化鐵素體，而且鋼的韌性也得到提高。

2)金屬化合物合金元素在鋼中可以形成各種金屬化合物，其中和碳相互作用形成合金碳化物是最重要的。根據(jù)合金元素是否形成碳化物，將合金元素分為非碳化物形成元素和碳化物形成元素兩大類。非碳化物形成元素主要包括Ni、Si、Cu、Al、Co等，一般形成固溶體。

碳化物形成元素根據(jù)和碳親合力的強(qiáng)弱分為弱碳化物形成元素、中強(qiáng)碳化物形成元素和強(qiáng)碳化物形成元素。Mn為弱碳化物形成元素，一般溶入滲碳體，形成合金滲碳體(Fe,Mn)3C；Cr、Mo、W等是中強(qiáng)碳化物形成元素，含量較少時傾向形成合金滲碳體，如(Fe,Cr)3C等，含量多時形成特殊碳化物，如

Cr23C6、Cr7C3等；V、Nb、Zr、Ti是強(qiáng)碳化物形成元素，只要鋼中有碳存在，就會形成特殊碳化物，如VC、TiC等。

碳化物一般具有硬而脆的特點，尤其是特殊碳化物具有高熔點、高硬度和高耐磨性。碳化物的種類、數(shù)量、形態(tài)、大小和分布直接影響鋼的性能及熱處理特點，屬于鋼中的主要強(qiáng)化相。例如，鋼中彌散分布的特殊碳化物將顯著增加鋼的強(qiáng)度、硬度與耐磨性。某些鋼中還形成非金屬夾雜物，例如Al2O3、SiO2等；此外，鋼中有些元素既難溶于鐵，也不易形成化合物，以游離態(tài)存在，如Pb、Cu等。

2．合金元素對Fe-Fe3C相圖的影響1)合金元素對奧氏體相區(qū)的影響鎳、鈷、錳等合金元素的加入使奧氏體相區(qū)擴(kuò)大，如圖5-1(a)所示；鉻、鎢、鉬、釩、鈦、硅等等合金元素的加入使奧氏體相區(qū)縮小，如圖5-1(b)所示。

圖5-1合金元素對奧氏體相區(qū)的影響

2)合金元素對相圖中S點和E點位置的影響大多數(shù)合金元素含量的增加都使Fe-Fe3C相圖的S點和E點位置向左移動。擴(kuò)大奧氏體相區(qū)的元素使相圖的S、E點向左下方移動，而縮小奧氏體相區(qū)的元素使相圖的S、E點向左上方移動。如圖5-2所示，Mn使S、E點向左下方移動，Cr使S、E點向左上方移動。

圖5-2Mn、Cr對奧氏體相區(qū)的影響

S點左移降低了共析鋼的含碳量，使亞共析鋼獲得共析鋼組織，例如在含碳量為0.4%的鋼中加入一定量的合金元素后可以成為共析鋼，從而提高鋼的強(qiáng)度，改善力學(xué)性能；E點左移降低了奧氏體的最大溶碳量，使含碳量小于2.11%的鐵碳合金組織中出現(xiàn)萊氏體，例如，高速鋼(W18Cr4V)含碳量為0.7%～0.8%，由于大量合金元素的存在，其鑄態(tài)中出現(xiàn)萊氏體，這種鋼稱為萊氏體鋼。

3．合金元素對鋼熱處理的影響1)對鋼加熱轉(zhuǎn)變的影響大多數(shù)合金元素減緩了奧氏體化的過程。合金元素的原子在鋼中擴(kuò)散困難，同時它還降低了碳在鋼中的擴(kuò)散速度，使鋼的奧氏體化不易進(jìn)行。要發(fā)揮合金元素的作用，使合金元素溶入奧氏體，加熱時，合金鋼往往需要更高的加熱溫度和較長的保溫時間。另外，一些合金元素還阻礙奧氏體晶粒的長大，在加熱時不易過熱，對鋼以后的熱處理有利。例如，合金滲碳鋼在滲碳以后，就可直接淬火，降低了成本，提高了生產(chǎn)效率。

2)合金元素對過冷奧氏體轉(zhuǎn)變的影響除鈷以外，大多數(shù)合金元素溶入奧氏體中，提高了奧氏體的穩(wěn)定性，使鋼的C曲線右移。如圖5-3所示，非碳化物形成元素只使C曲線右移；大多數(shù)碳化物形成元素不僅使C曲線右移，還使C曲線形狀發(fā)生變化，出現(xiàn)兩個鼻尖。

圖5-3合金元素對C曲線的影響

合金元素提高了鋼的淬透性。由于合金元素使鋼的C曲線右移，馬氏體臨界冷卻速度降低，從而提高了鋼的淬透性。目前，淬透性好的鋼，大多采用“多元少量”的合金化原則。鋼淬透性高時的應(yīng)用有：①

對于尺寸較大的零件，可增加脆硬深度，滿足性能要求；②

淬火時，可用冷卻能力較緩的介質(zhì)，降低淬火應(yīng)力，減少工件變形與開裂；③

某些合金鋼過冷奧氏體非常穩(wěn)定，C曲線右移較多，即使空冷也能形成馬氏體組織，這類鋼稱作馬氏體鋼或空淬鋼。

3)合金元素對回火轉(zhuǎn)變的影響(1)提高了鋼的回火穩(wěn)定性。淬火鋼在回火時抵抗強(qiáng)度、硬度下降的能力稱為回火穩(wěn)定性，也叫耐回火性。這是由于溶入馬氏體的合金元素的原子擴(kuò)散速度很慢，使馬氏體分解困難，碳化物不易析出，析出后也難聚集長大。這樣，相同條件回火后，合金鋼的強(qiáng)度、硬度往往高于相同含碳量的非合金鋼。合金鋼在回火時，如果要得到和非合金鋼相同的硬度，就需要加熱到更高的溫度，保溫更長的時間。

(2)產(chǎn)生二次硬化。淬火鋼在回火的某個階段，硬度不下降，反而升高的現(xiàn)象稱為二次硬化。二次硬化現(xiàn)象通常發(fā)生在高合金鋼中，回火溫度達(dá)到500～600℃，溶入馬氏體中的強(qiáng)碳化物形成元素從馬氏體中析出，形成彌散分布的特殊碳化物(Mo2C、W2C、VC等)，這些碳化物數(shù)量大、彌散度高，并和馬氏體保持共格關(guān)系，使鋼的硬度不但不下將反而升高。如圖5-4所示為Mo產(chǎn)生的二次硬化現(xiàn)象。

圖5-4合金元素對回火硬度的影響

(3)產(chǎn)生第二類回火脆性。某些合金鋼在450～650℃回火時出現(xiàn)韌性下降的現(xiàn)象，稱為第二類回火脆性(高溫回火脆性)，如圖5-5所示。第一類回火脆性，無論非合金鋼還是合金鋼都會出現(xiàn)，而第二類回火脆性主要在含鉻、鎳、錳、硅的調(diào)質(zhì)鋼中出現(xiàn)。

圖5-5回火溫度對鋼沖擊韌性的影響

第二類回火脆性產(chǎn)生的原因一般認(rèn)為與雜質(zhì)或某些合金元素向晶界偏聚有關(guān)。實踐證明，各類合金結(jié)構(gòu)鋼都有產(chǎn)生第二類回火脆性的傾向，只是程度有所不同。目前，防止第二類回火脆性的方法有：提高鋼的純度；小截面工件回火后采用快冷(油冷或水冷)；大截面工件加入一定量的鎢或鉬。

5.2鋼的分類與牌號

5.2.1鋼的分類鋼的品種很多，其分類方法也很多，常用的有：按化學(xué)成分分為：非合金鋼(過去稱碳素鋼)、低合金鋼、合金鋼三大類。按用途分為：結(jié)構(gòu)鋼(工程結(jié)構(gòu)用鋼和機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼)、工具鋼和特殊性能鋼等。按質(zhì)量(硫、磷的含量)分為：普通質(zhì)量鋼、優(yōu)質(zhì)質(zhì)量鋼、高級優(yōu)質(zhì)鋼和特級質(zhì)量鋼等。按鋼中碳的含量分為：低碳鋼(wC≤0.25%)、中碳鋼(wC=0.25%～0.60%)、高碳鋼(wC＞0.60%)。

按鋼中合金元素的總含量分為：低合金鋼(wMe≤5%)、中合金鋼(wMe=5%～10%)、高合金鋼(wMe＞10%)。按合金元素的種類分為：錳鋼、鉻鋼、硅錳鋼、硼鋼、鉻鎳鋼等。我國關(guān)于鋼分類的國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T13304—1991《鋼分類》是參照ISO4948/1、ISO4948/2制定的。鋼的分類分為“按化學(xué)成分分類”和“按主要質(zhì)量等級和主要性能及使用性能分類”兩部分。

1．按化學(xué)成分分類根據(jù)表5-1的分類，用“非合金鋼”代替了傳統(tǒng)的“碳素鋼”。在新分類以前所制定的有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)中均采用“碳素鋼”，有的仍屬現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，“碳素鋼”仍然在用。

表5-1合金元素規(guī)定的質(zhì)量分?jǐn)?shù)界限(摘自GB/T13304—1991)

2．按主要質(zhì)量等級、主要性能及使用性能分類1)非合金鋼按主要質(zhì)量等級分為：普通質(zhì)量非合金鋼、優(yōu)質(zhì)質(zhì)量非合金鋼、特殊質(zhì)量非合金鋼。普通質(zhì)量非合金鋼中S、P含量較高(wS≤0.045%，wP≤0.045%)；優(yōu)質(zhì)質(zhì)量非合金鋼生產(chǎn)過程中按規(guī)定控制質(zhì)量，但不需要嚴(yán)格控制；特殊質(zhì)量非合金鋼需要嚴(yán)格控制質(zhì)量與性能，鋼中S、P含量低(wS≤0.025%，wP≤0.025%)，還有一些特殊要求。按主要性能及使用性能分為：以規(guī)定最高強(qiáng)度(或硬度)為主要特性的非合金鋼、以規(guī)定最低強(qiáng)度為主要特性的非合金鋼、以限制碳含量為主要特性的非合金鋼、其他非合金鋼等。

2)低合金鋼按主要質(zhì)量等級分為：普通質(zhì)量低合金鋼、優(yōu)質(zhì)質(zhì)量低合金鋼、特殊質(zhì)量低合金鋼。普通質(zhì)量低合金鋼質(zhì)量無特殊規(guī)定，合金元素含量較少，不規(guī)定熱處理條件；優(yōu)質(zhì)質(zhì)量低合金鋼和優(yōu)質(zhì)非合金鋼類似，生產(chǎn)過程按規(guī)定控制質(zhì)量；特殊質(zhì)量低合金鋼要嚴(yán)格控制質(zhì)量與性能，特別是硫、磷含量(wS≤0.020%，wP≤0.020%)。按主要性能及使用性能分為：可焊接的低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼、低合金耐候[1]鋼、低合金鋼筋鋼、鐵道用低合金鋼、礦用低合金鋼等。

3)合金鋼合金鋼分類很多，通常根據(jù)用途、合金元素含量、冶金質(zhì)量等進(jìn)行分類。按質(zhì)量分為：優(yōu)質(zhì)合金鋼和特殊質(zhì)量合金鋼兩類。按性能和用途分為：工程結(jié)構(gòu)用合金鋼、機(jī)械結(jié)構(gòu)用合金鋼、合金工具鋼和特殊性能鋼等。我國對鋼主要按質(zhì)量和用途分類，這里總結(jié)如表5-2。

表5-2工業(yè)用鋼的主要分類(摘自GB/T13304—1991)

5.2.2工業(yè)用鋼的牌號表示方法

1．非合金鋼(1)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號的表示方法為：Q＋數(shù)字＋質(zhì)量等級符號＋脫氧方法Q表示屈服點的漢語拼音首位字母；數(shù)字表示屈服點數(shù)值；質(zhì)量等級符號分為A、B、C、D、E，其中A級鋼中S、P含量最高，而E級鋼中S、P含量最低；脫氧方法有F(沸騰鋼)、B(半鎮(zhèn)靜鋼)、Z(鎮(zhèn)靜鋼)、TZ(特殊鎮(zhèn)靜鋼)。例如：Q235AF表示屈服點σs≥235MPa，A級質(zhì)量的沸騰碳素結(jié)構(gòu)鋼。

(2)優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號的表示方法為：兩位數(shù)字+Mn(或不加)兩位數(shù)字表示鋼中平均含碳量的萬分?jǐn)?shù)；Mn表示較高含錳量(0.70%～1.20%)，沒有Mn表示普通含錳量。例如：45表示平均含碳量為0.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼；60Mn表示平均含碳量為0.60%，較高含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。

(3)碳素工具鋼牌號的表示方法為：T+數(shù)字+A(或不加)T表示“碳”的漢語拼音字首；數(shù)字表示鋼含碳量的千分?jǐn)?shù)；A表示高級優(yōu)質(zhì)鋼(不加A表示優(yōu)質(zhì)鋼)。例如：T8表示平均含碳量為0.80%的優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼；T8A表示平均含碳量為0.80%的高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。

(4)碳素鑄造牌號的表示方法為：ZG+數(shù)字1-數(shù)字2ZG表示為“鑄鋼”的漢語拼音字首；數(shù)字1表示鑄鋼的最小屈服強(qiáng)度值；數(shù)字2表示鑄鋼的最小抗拉強(qiáng)度值。例如：ZG200-400表示最小屈服強(qiáng)度為200MPa，最小抗拉強(qiáng)度為400MPa的碳素鑄鋼。

2．低合金鋼(1)低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼牌號的表示方法為：Q＋數(shù)字＋質(zhì)量等級符號低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼牌號與碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示方法一致，只是屈服點數(shù)值更大一些，沒有脫氧方法符號，均為鎮(zhèn)靜鋼或特殊鎮(zhèn)靜鋼。例如：Q345C表示屈服點σs≥345MPa的C級低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。

(2)耐候鋼牌號的表示方法為：Q＋數(shù)字＋NHQ表示屈服點的漢語拼音首位字母；數(shù)字表示屈服點數(shù)值；NH表示為“耐候”的漢語拼音字首。例如：Q355NH表示屈服點σs≥355MPa的焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼。

(3)易切削結(jié)構(gòu)鋼牌號的表示方法為：Y＋數(shù)字＋元素符號Y表示“易”的漢語拼音字首；數(shù)字表示鋼中含碳量的萬分?jǐn)?shù)；元素符號表示加入的主要元素。例如：Y15表示平均含碳量為0.15%的易切削結(jié)構(gòu)鋼；Y40Mn表示平均含碳量為0.40%，加入的主要元素為Mn的易切削結(jié)構(gòu)鋼。

3．合金鋼(1)合金結(jié)構(gòu)鋼牌號的表示方法為：兩位數(shù)字＋元素符號及數(shù)字

兩位數(shù)字表示含碳量的萬分?jǐn)?shù)；元素符號后面的數(shù)字表示該元素的平均含量，合金元素的含量小于1.5%時，一般不加數(shù)字，1.5%～2.5%表示為2，2.5%～3.5%表示為3，依此類推。例如：20CrMnTi表示平均含碳量為0.20%，合金元素Cr、Mn、Ti的含量均小于1.5%的合金滲碳鋼；60Si2Mn表示平均含碳量為0.60%，平均含Si量為2%，含錳量小于1.5%的合金彈簧鋼。

(2)合金工具鋼牌號的表示方法為：

一位數(shù)字(或沒有)＋元素符號及數(shù)字一位數(shù)字表示鋼含碳量的千分?jǐn)?shù)，當(dāng)含碳量大于或等于1%時，則不予標(biāo)出；其他與合金結(jié)構(gòu)鋼表示相同。例如：CrWMn表示平均含碳量大于等于1.0%，平均含Cr、W、Mn量均小于1.5%的冷作模具鋼(一種合金工具鋼)。

(3)高速工具鋼牌號的表示方法為：元素符號1及數(shù)字＋元素符號2及數(shù)字＋……高速工具鋼不標(biāo)含碳量，其他與合金工具鋼表示方法一致。例如：W18Cr4V表示平均含鎢量18%，平均含鉻量4%，含釩量小于1.5%的高速工具鋼。

(4)滾動軸承鋼牌號的表示方法為：G+Cr數(shù)字＋合金元素及數(shù)字G表示“滾”的漢語拼音字首，Cr后面的數(shù)字表示平均含鉻量的千分?jǐn)?shù)；其余合金元素表示方法與合金結(jié)構(gòu)鋼相同。例如：GCr15表示平均含鉻量為1.5%?的滾動軸承鋼；GCr15SiMn表示平均含鉻量為1.5%，平均含Si、Mn量均小于1.5%的滾動軸承鋼。

(5)特殊性能鋼牌號的表示方法為：數(shù)字＋合金元素及數(shù)字一位數(shù)字表示含碳量的千分?jǐn)?shù)，與工具鋼相同；另外，當(dāng)wC≤0.08%時表示為“0”，當(dāng)wC≤0.03%時表示為“03”，當(dāng)wC≤0.01%時表示為“01”。例如：4Cr9Si2表示平均含碳量為0.40%，平均含鉻量為9%，平均含硅量為2%的耐熱鋼；0Cr19Ni9表示平均含碳量小于等于0.08%，平均含鉻量為19%，平均含鎳量為9%的不銹鋼；01Cr19Ni11表示平均含碳量小于等于0.01%，平均含鉻量為19%，平均含鎳量為11%的不銹鋼。

表5-3鋼材名稱在牌號中采用的符號表示(摘自GB/T221—2000)

5.3結(jié)構(gòu)鋼

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工程結(jié)構(gòu)用鋼

5.3.1碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼用于制造一般工程結(jié)構(gòu)及普通機(jī)械零件，通常熱軋成扁平成品或各種型材(圓鋼、方鋼、工字鋼、鋼筋等)。表5-4列出了碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、成分及性能。

表5-4碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、成分及性能(摘自GB/T700—1988)

表5-4碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、成分及性能(摘自GB/T700—1988)

Q195、Q215鋼通常軋制成薄板、鋼筋等供應(yīng)，可用于制作螺釘、鉚釘、地腳螺栓、墊塊及輕負(fù)荷的沖壓零件和焊接結(jié)構(gòu)件等；Q235、Q255鋼可以制作螺栓、螺母、拉桿、銷子、吊鉤和不太重要的機(jī)械零件以及建筑結(jié)構(gòu)中的螺紋鋼、工字鋼、槽鋼、鋼筋鋼等，C、D級用于重要的焊接件；Q275鋼可部分替代優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼20～35鋼使用，由于制作強(qiáng)度較高的零件，如鏈輪、齒輪、軸類、吊鉤等。按《鋼分類》新標(biāo)準(zhǔn)，這類鋼中A、B級和Q195、Q275在無特殊要求時屬于普通質(zhì)量非合金鋼，其余是優(yōu)質(zhì)非合金鋼。

5.3.2低合金結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼又稱低合金高強(qiáng)度鋼。低合金結(jié)構(gòu)鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上添加了少量合金元素(一般3%以下)而制成的，具有較高強(qiáng)度的工程結(jié)構(gòu)用鋼。低合金結(jié)構(gòu)鋼是為了適應(yīng)大型工程結(jié)構(gòu)(如大型橋梁、壓力容器及船舶等)以減輕結(jié)構(gòu)重量，提高可靠性及節(jié)約材料的需要而發(fā)展起來的。表5-5列舉了合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號、力學(xué)性能及用途。

表5-5低合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號、力學(xué)性能及用途(摘自GB/T1591—1994)

表5-5低合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號、力學(xué)性能及用途(摘自GB/T1591—1994)

表5-5低合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號、力學(xué)性能及用途(摘自GB/T1591—1994)

從成分上看，低合金結(jié)構(gòu)鋼為低碳(wC≤0.20%)、低合金元素(wMe＜3%)鋼種。低含碳量是為了滿足工程結(jié)構(gòu)件用鋼塑性、韌性、焊接性和冷變形的工藝性能要求；再加入以Mn為主的少量合金元素，達(dá)到了提高力學(xué)性能的目的。主加元素錳資源豐富，且有顯著的強(qiáng)化鐵素體效果，還可降低鋼的冷脆溫度，使珠光體數(shù)量增加，進(jìn)一步提高強(qiáng)度；在此基礎(chǔ)上還可加入極少量強(qiáng)碳化物元素如V、Ti、Nb等，細(xì)小碳化物質(zhì)點產(chǎn)生彌散強(qiáng)化，不但提高了強(qiáng)度，還細(xì)化了基體的晶粒，使鋼具有良好的塑性和韌性；加入的稀土元素Re可以起到消除有害雜質(zhì)，改善夾雜物的形態(tài)及分布的作用。如Q235鋼、Q345鋼(16Mn)、Q390鋼(15MnV)鋼的含碳量相當(dāng)，但往Q235中加入約1%的Mn(實際只相對多加了0.5%～0.8%)時，就成為Q345鋼，而其強(qiáng)度卻增加近40%，達(dá)345MPa；在16Mn的基礎(chǔ)上再多加釩(0.04%～0.12%)，就成為Q390鋼，材料強(qiáng)度又增加至390MPa。

低合金結(jié)構(gòu)鋼不僅強(qiáng)度增加，在合金化過程中材料的其他性能也有所改善，大大提高了工程構(gòu)件的可靠性和緊湊性，減少了原材料消耗和能源消耗。例如，武漢長江大橋采用Q235制造，其主跨跨度128m；南京長江大橋采用Q345(16Mn)制造，主跨跨度160m；而九江大橋用Q420(15MnVN)建造，主跨跨度達(dá)到216m。低合金結(jié)構(gòu)鋼大多在熱軋或正火狀態(tài)下使用，組織為鐵素體+珠光體，也有在淬火回火狀態(tài)下使用的。

5.3.3耐候鋼耐候鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入少量銅、鉻、鎳、鉬等合金元素，使其在金屬表面形成一層保護(hù)膜，從而具有一定的耐大氣腐蝕的鋼種。有時還加入微量釩(V)、鈦(Ti)、鈮(Nb)、鋯(Zr)等元素。我國耐候鋼分為焊接結(jié)構(gòu)用耐候鋼(GB/T4172—2000)和高耐候鋼(GB/T4171—2000)兩類。表5-6列出了耐候鋼的牌號及用途。

表5-6耐候鋼的牌號及用途(摘自GB/T4172—2000、GB/T4171—2000)

5.3.4碳素鑄鋼碳素鑄鋼一般用于制造一些形狀復(fù)雜，力學(xué)性能要求較高的工程構(gòu)件或一些機(jī)械零件。這些零件的特點是形狀復(fù)雜，很難用鍛壓或機(jī)械加工方法成型；力學(xué)性能較高，也不能用鑄鐵來鑄造。目前鑄鋼廣泛用于重型機(jī)械、礦山機(jī)械、運(yùn)輸機(jī)械、冶金機(jī)械等，如受力機(jī)架、閥體、載荷較高的大齒輪等。碳素鑄鋼按用途分為一般工程用碳素鑄鋼(GB/T11352—1989)和焊接結(jié)構(gòu)用碳素鑄鋼(GB/T7659—1987)。表5-7列舉了碳素鑄鋼的牌號、性能及用途。

表5-7碳素鑄鋼的牌號、性能及用途

5.3.5其他工程結(jié)構(gòu)鋼由于工程結(jié)構(gòu)的一些特殊需要，對低合金結(jié)構(gòu)鋼的成分、工藝及性能作了相應(yīng)的調(diào)整和補(bǔ)充規(guī)定，從而發(fā)展了門類眾多的低合金專用鋼，例如鍋爐、壓力容器、船舶、橋梁、汽車、農(nóng)機(jī)、自行車、礦山、鋼筋等專用鋼，已形成國家標(biāo)準(zhǔn)。汽車用鋼是一類用量極大的專業(yè)用鋼，廣泛用于汽車大梁、托架及車殼等結(jié)構(gòu)件。主要包括：沖壓性能良好的低強(qiáng)度鋼(發(fā)動機(jī)罩等)、微合金化鋼(汽車大梁等)、低合金雙相鋼(輪轂、大梁等)及高延性高強(qiáng)度鋼(車門、擋板等)四類。隨著經(jīng)濟(jì)全球化，我國有一些工程結(jié)構(gòu)鋼按國際標(biāo)準(zhǔn)制造，如造船用鋼采用國際符號作標(biāo)準(zhǔn)。

5.4結(jié)構(gòu)鋼——機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼

5.4.1優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼按含錳量不同，分為普通含錳量(0.25%～0.80%)和較高含錳量(0.70%～1.20%)兩組。表5-8列舉了優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、主要成分及性能。

表5-8優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、主要成分及性能(摘自GB/T699—1999)

1.滲碳鋼1)滲碳鋼的性能要求滲碳鋼即需要滲碳淬火、低溫回火后使用的鋼。由滲碳鋼制作的零件在滲碳熱處理后才使用，這種零件工作時，除要求較高強(qiáng)度可靠性外，還常常受到較大的表面摩擦和沖擊作用，故其性能要求為：①

要求表面有較高的硬度(≥58HRC)和耐磨性，以抵抗磨損及表面接觸疲勞破壞；②

有一定的強(qiáng)度和塑性，以抵抗拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形破壞；③

有較高的韌性以承受強(qiáng)烈的沖擊作用；④

當(dāng)外載是循環(huán)作用時，要求零件有好的抗疲勞破壞能力；⑤

良好的熱處理工藝性。

2)滲碳鋼的成分特點及主要鋼種滲碳鋼“外硬內(nèi)韌”的力學(xué)性能要求可通過選擇低含碳量鋼并經(jīng)過滲碳后滿足，這類鋼一般是低碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼或低碳合金結(jié)構(gòu)鋼。滲碳鋼的成分特點為：①

含碳量一般為0.1%～0.25%，保證零件心部有足夠的塑性和韌性。②

滲碳鋼主加合金元素Cr、Mn、Ni、B等可大大提高材料的淬透性，淬火時心部得到低碳馬氏體，使心部具有足夠的強(qiáng)度；少量附加元素Mo、W、V、Ti等強(qiáng)碳化物形成元素則可形成細(xì)小彌散的穩(wěn)定碳化物，提高表面的耐磨性，滲碳時可阻止奧氏體晶粒長大，起到細(xì)化晶粒的作用。

常見滲碳鋼的牌號、推薦熱處理、力學(xué)性能及用途如表5-9所示。根據(jù)滲碳鋼熱處理時淬透性大小分為三類：(1)低淬透性滲碳鋼。這類鋼的水淬臨界直徑約為25～35mm。用于受力不太大，對心部性能要求不高的小尺寸耐磨零件，例如導(dǎo)柱、小齒輪、小軸、活塞銷、缸套等。常用鋼種有20、20Cr、20Mn2、20MnV等。

(2)中淬透性滲碳鋼。這類鋼的油淬臨界直徑約為25～60mm。用于承受高速中載、沖擊和劇烈摩擦下工作的零件，例如汽車、拖拉機(jī)的變速齒輪、齒輪軸、凸輪等。常用鋼種有20CrMnTi、20CrMnMo、20MnVB、12CrNi3等。(3)高淬透性滲碳鋼。這類鋼的油淬臨界直徑約為100mm以上，甚至空冷也能得到馬氏體。用于制造大截面、承受重載荷和強(qiáng)烈摩擦的零件，如飛機(jī)、坦克的變速箱齒輪、柴油機(jī)曲軸、連桿、缸頭螺栓等。這類鋼有12Cr2Ni4、20Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA等。

表5-9常見滲碳鋼的牌號、熱處理、性能及用途(摘自GB/T3077—1999)

3)滲碳鋼的熱處理及用途滲碳鋼的預(yù)先熱處理通常為正火；但對于高淬透性的馬氏體鋼，則采用空冷后于650高溫回火形成回火索氏體組織，便于加工。滲碳鋼的最終熱處理：滲碳＋淬火＋低溫回火。對于滲碳后晶粒不易長大的鋼(20CrMnTi等)采用直接淬火；滲碳后晶粒長大的鋼(20等)及滲碳后需要加工的鋼采用一次淬火；性能要求高的零件采用二次淬火(應(yīng)用較少)。

某載重汽車變速齒輪材料為20CrMnTi，其加工工藝流程為：下料—→鍛造—→正火—→機(jī)械加工齒形—→滲碳(930℃)—→預(yù)冷淬火(830℃)—→低溫回火(200℃)—→磨削精加工—→裝配。預(yù)備熱處理正火后的組織為F+S，目的是改善鍛造組織，并得到合適的硬度(170～210HBS)，以利于機(jī)械加工；齒輪最終熱處理后得到的組織為：表面為M回＋碳化物顆粒＋Ar(殘余奧氏體)，淬透時心部組織為低碳M回＋F，未淬透時則為F＋S。這樣表面具有高的硬度和耐磨性，心部淬透時獲得低碳M回，具有很好的綜合力學(xué)性能，滿足了汽車齒輪的性能要求。

2.調(diào)質(zhì)鋼1)調(diào)質(zhì)鋼的性能要求調(diào)質(zhì)鋼就是經(jīng)過淬火加高溫回火處理而使用的結(jié)構(gòu)鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理后的組織為回火索氏體。許多機(jī)器設(shè)備上的重要零件，如機(jī)床主軸，汽車拖拉機(jī)后橋半軸、曲軸、連桿、高強(qiáng)度螺栓等都使用調(diào)質(zhì)鋼，這些零件工作時常承受較大的彎矩，還可能同時傳遞扭矩；經(jīng)常受交變應(yīng)力作用，常發(fā)生疲勞破壞；在啟動工作或剎車時有較大沖擊；有些軸類零件與軸承配合時還會有摩擦磨損。因此其性能要求為：①

高的屈服強(qiáng)度及疲勞極限，良好的韌性、塑性，即有較高的綜合力學(xué)性能；②

局部表面有一定的耐磨性；③

較好的淬透性。

2)調(diào)質(zhì)鋼的成分特點及主要鋼種調(diào)質(zhì)鋼通常為中碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和中碳合金結(jié)構(gòu)鋼。調(diào)質(zhì)鋼的成分特點是：①

調(diào)質(zhì)鋼含碳量一般為0.25%～0.50%，保證零件調(diào)質(zhì)后有優(yōu)良的強(qiáng)度韌性配合，含碳量過低，強(qiáng)度不夠，含碳量過高，塑性和韌性降低。②

調(diào)質(zhì)鋼主加合金元素Mn、Si、Cr、Ni、B等，主要作用是提高鋼的淬透性，另外還有固溶強(qiáng)化的作用(強(qiáng)化鐵素體)；少量附加元素Mo、W、V、Ti等強(qiáng)碳化物形成元素形成穩(wěn)定碳化物，起到細(xì)化晶粒和提高回火穩(wěn)定性的作用，W、Mo還可抑制第二類回火脆性的發(fā)生。

常用調(diào)質(zhì)鋼牌號、熱處理、性能及用途見表5-10，根據(jù)其熱處理時的淬透性大小分為三類：(1)低淬透性調(diào)質(zhì)鋼。這類鋼淬透性低，45鋼水淬臨界直徑約為10～15mm，40Cr等油淬臨界直徑約為20～40mm。45鋼適用于載荷較低、形狀簡單、尺寸較小的調(diào)質(zhì)零件；40Cr、40MnB、35SiMn等作中等截面變動載荷的工件。

(2)中淬透性調(diào)質(zhì)鋼。這類鋼的油淬臨界直徑約為40～60mm。調(diào)質(zhì)后強(qiáng)度很高，用于制作截面較大、承受重載的調(diào)質(zhì)零件。常用的有35CrMo、40CrNi、38CrMoAl等。(3)高淬透性調(diào)質(zhì)鋼。這類鋼的油淬臨界直徑大于等于60～100mm，用于制造大截面、承受重載荷的重要調(diào)質(zhì)零件。常用的有40CrMnMo、37CrNi3、25Cr2Ni4WA等。

表5-10常用調(diào)質(zhì)鋼的牌號、熱處理、性能及用途(摘自GB/T3077—1999)

3)調(diào)質(zhì)鋼的熱處理調(diào)質(zhì)鋼的預(yù)先熱處理：通常為正火(或退火)，得到細(xì)小索氏體組織；但對于高淬透性的馬氏體鋼，則采用空冷后高溫回火形成回火索氏體組織，便于加工。調(diào)質(zhì)鋼的最終熱處理：通常用調(diào)質(zhì)(淬火＋高溫回火)，調(diào)質(zhì)后組織為回火索氏體，使零件整體綜合力學(xué)性能大大提高。調(diào)質(zhì)零件若還需要表面有良好的耐磨性時，則應(yīng)在調(diào)質(zhì)處理后精加工前再進(jìn)行表面淬火或化學(xué)熱處理(如氮化處理)等；有時還采用噴丸、滾壓等提高疲勞強(qiáng)度。一些車床齒輪或精密齒輪類零件(對表面及整體性能要求都較高)常選用調(diào)質(zhì)鋼并按上述工藝之一制造。

此外，我國還發(fā)展了非調(diào)質(zhì)鋼(GB/T15712—1995)及低碳馬氏體鋼等新鋼種，以滿足綜合性能要求。非調(diào)質(zhì)鋼不進(jìn)行淬火、回火處理，簡化了生產(chǎn)工藝，且易于切削，代替調(diào)質(zhì)鋼降低了生產(chǎn)成本，例如YF35MnV(切削加工用非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼)、F40MnV(熱鍛用非調(diào)質(zhì)機(jī)械結(jié)構(gòu)鋼)；低碳馬氏體鋼淬火低溫回火后具有良好的綜合力學(xué)性能，還具有低的缺口敏感性、耐低溫性、優(yōu)良的冷成型性及焊接性，例如20SiMn2MoVA制成的吊環(huán)，ML15MnVB制成的連桿螺栓、半軸螺栓等。

5.4.2彈簧鋼與滾動軸承鋼1.彈簧鋼1)彈簧鋼性能要求用以制造彈簧和各種彈性元件的鋼種稱為彈簧鋼。在機(jī)器設(shè)備中這類零件的主要作用是：利用彈性變形吸收能量，減緩機(jī)械振動等。常用零件有汽車疊板彈簧、儀表彈簧、汽閥彈簧等。彈簧的主要失效形式為疲勞斷裂和由于發(fā)生塑性變形而失去彈性。因此其性能要求為：①

高的彈性極限和高的屈強(qiáng)比以保證良好的彈性；②

高的疲勞強(qiáng)度；③

一定的塑性和韌性以防止沖擊斷裂；④

在高溫或腐蝕介質(zhì)下工作時，材料應(yīng)有好的環(huán)境穩(wěn)定性。

2)彈簧鋼的成分特點及主要鋼種彈簧鋼也分為碳素彈簧鋼和合金彈簧鋼兩類。由于這類零件性能以強(qiáng)度要求為主，故其成分特點是：①

一般碳素彈簧鋼含碳量為0.6%～0.9%，合金彈簧鋼含碳量為0.45%～0.70%，熱處理后具有高的彈性極限與疲勞強(qiáng)度。②

彈簧鋼以Si、Mn、Cr為主要合金化元素，作用是提高淬透性，強(qiáng)化鐵素體F，并提高回火穩(wěn)定性；Mo、W、V為輔加合金元素，克服Si引起的脫碳、Mn引起的過熱，V還能細(xì)化晶粒。

表5-11列舉了常用彈簧鋼的牌號、熱處理、性能及用途。彈簧鋼主要分為碳素彈簧鋼和合金彈簧鋼。(1)碳素彈簧鋼。一般為優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中的高碳鋼，這類鋼價格便宜，熱處理后具有一定的強(qiáng)度，但淬透性差，適宜作界面較小的不重要彈簧，65Mn應(yīng)用較廣。(2)合金彈簧鋼。以60Si2Mn為代表的硅錳系彈簧鋼有較高的淬透性而價格不高，應(yīng)用最多；鉻系列彈簧鋼有更高的淬透性，一定的耐熱性，用于大截面重要彈簧，常用材料有50CrVA、60Si2VA等。

表5-11常用彈簧鋼的牌號、熱處理、性能及用途(摘自GB/T1222—1984)

3)彈簧鋼的熱處理彈簧鋼按其成型方法分為冷成型(強(qiáng)化后成型)和熱成型(成型后強(qiáng)化)兩類。其相應(yīng)加工和熱處理工藝為：(1)熱成型彈簧。截面大于10mm彈簧，一般加熱到奧氏體區(qū)進(jìn)行熱卷成型，并使成型溫度略高于淬火溫度，利用余熱淬火，然后進(jìn)行中溫回火，得到回火托氏體組織，保證了高的彈性極限和足夠韌性；由于加熱過程易造成表面氧化和脫碳等缺陷，故一般還要補(bǔ)充進(jìn)行一道表面噴丸處理，這樣可大大提高其疲勞強(qiáng)度和壽命。如汽車板簧，用60Si2Mn熱成型后，經(jīng)噴丸處理可使其壽命提高3～5倍。

(2)冷成型彈簧。截面小于10mm的小型彈簧，如果是熱處理強(qiáng)化后供應(yīng)的彈簧鋼絲，則冷拔或冷卷成型之后只進(jìn)行低溫回火；如果是退火供應(yīng)的彈簧鋼絲，就要和熱成型彈簧一樣進(jìn)行淬火+回火處理。

2.滾動軸承鋼1)滾動軸承鋼的性能要求

滾動軸承由內(nèi)圈、外圈、滾動體及保持架組成，制造滾動體及內(nèi)外套圈的鋼稱為軸滾動承鋼(保持架常用低碳鋼08板沖制成型)。高速運(yùn)轉(zhuǎn)的滾動軸承工作時，實際受載面積很小，有很高的集中交變載荷的作用；接觸部位不僅有滾動摩擦，還有滑動摩擦。因此其工作時性能要求為：①

高而均勻的表面硬度(61～65HRC)以提高耐磨性；②

高的彈性極限和接觸疲勞強(qiáng)度；③

足夠的韌性；④

足夠的淬透性和耐蝕性。

2)滾動軸承鋼的成分特點及主要鋼種為滿足軸承鋼高性能的要求，常用軸承鋼成分一般如下：①

高碳(一般為0.95%～1.15%)，滿足了高硬度高耐磨要求。②

Cr為主加元素，Cr、Si、Mn的主要作用是提高淬透性，強(qiáng)化鐵素體，同時細(xì)化組織，提高回火穩(wěn)定性；Cr含量過高會使殘余奧氏體Ar增多，導(dǎo)致鋼硬度和零件的尺寸穩(wěn)定性降低。③

高的接觸疲勞性能要求對材料微小缺陷十分敏感，材料中的非金屬夾雜應(yīng)盡量避免，即應(yīng)大大提高其冶金質(zhì)量，嚴(yán)格控制其S、P含量(wS＜0.02%，wP＜0.02%)。

表5-12高碳鉻軸承鋼的牌號、熱處理、性能及用途(摘自GB/T1222—1984)

3)滾動軸承鋼的熱處理

以常用的GCr15鋼為例，其加工工藝過程為：鍛造—→正火＋球化退火—→機(jī)械加工—→淬火＋冷處理—→低溫回火—→磨削—→穩(wěn)定化處理。預(yù)先熱處理為：正火+球化退火。正火的目的是細(xì)化組織并消除鍛造缺陷；球化退火的目的是降低硬度便于切削加工，同時為最終熱處理作好組織準(zhǔn)備。最終熱處理為：淬火+低溫回火，精密軸承需要在淬火后進(jìn)行冷處理，以減少殘余奧氏體的量。GCr15油淬得到隱晶狀馬氏體后立即于-80～-60℃低溫冷處理，再低溫回火，此時其顯微組織為回火馬氏體+細(xì)小彌散碳化物，提高了韌性，穩(wěn)定了組織和尺寸；磨削后的穩(wěn)定化處理在120～150℃進(jìn)行，保溫10～20h，目的是進(jìn)一步穩(wěn)定尺寸并消除磨削應(yīng)力。

5.4.3其他機(jī)械結(jié)構(gòu)用鋼

1．易切削鋼易切削鋼是指具有優(yōu)良切削加工性能的專用鋼種。它是在鋼中加入一種或幾種元素，利用其本身或與其它元素形成一種對金屬切削加工有利的夾雜物，使切削抗力降低，切屑易脆斷，從而改善鋼的切削加工性。目前，常用元素是硫、磷、鉛，也用鈣、硒、碲等。易切削鋼主要適用于在自動機(jī)床上進(jìn)行大批量生產(chǎn)的不太重要的零件，如Y12、Y15屬于硫磷復(fù)合低碳易切削鋼，用來制造螺栓、螺母、銷等標(biāo)準(zhǔn)件和緊固件。由于不斷研制新型易切削鋼(合金易切削鋼、易切削不銹鋼等)，其應(yīng)用不斷擴(kuò)大，如Y45Ca比45鋼提高生產(chǎn)效率一倍以上，可制造重要的零件。表5-13列舉了易切削結(jié)構(gòu)鋼的牌號、性能及用途。

表5-13常用易切削結(jié)構(gòu)鋼牌號、性能及用途(摘自GB/T8731—1988)

2.冷沖壓用鋼冷沖壓用鋼是指在冷態(tài)下成形各種沖壓零件所用的鋼。這類鋼要求材料具有高的塑性，有時還要求有一定的承載能力，沖壓零件表面要求平滑光潔。冷沖壓鋼含碳量小于0.20%～0.30%，變形量大、形狀復(fù)雜的多采用含碳量小于0.05%～0.08%的鋼；質(zhì)量要求高的零件，材料的雜質(zhì)元素要嚴(yán)格控制。常用的冷沖壓鋼有Q195、Q215、08F、08、08Al、10、15、20等。用量大的是08F和08Al，形狀簡單、外觀要求不高的用8F；沖壓性能要求高，外觀要求嚴(yán)的用08Al(用鋁脫氧)；變形不大的一般沖壓件用10、15、20；要求不高的輕負(fù)荷沖壓件可用Q195、Q215等。

3.超高強(qiáng)度鋼超高強(qiáng)度鋼一般指σb≥1500MPa或σs≥1400MPa的合金結(jié)構(gòu)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)格控制冶金質(zhì)量、化學(xué)成分和熱處理工藝等，提高鋼的強(qiáng)度而形成的鋼種。由于強(qiáng)度提高，可以減輕使用的重量，主要用于制造飛機(jī)起落架、機(jī)翼大梁、火箭及發(fā)動機(jī)殼體與武器的炮筒、槍筒、防彈板等。超高強(qiáng)度鋼通常按化學(xué)成分和強(qiáng)韌化機(jī)制分為低合金超高強(qiáng)度鋼、二次硬化型超高強(qiáng)度鋼、馬氏體時效鋼和超高強(qiáng)度不銹鋼等四類。

低合金超高強(qiáng)度鋼是在合金調(diào)質(zhì)鋼的基礎(chǔ)上加入一定量的合金元素制成。其含碳量小于0.45%，保證足夠的塑性、韌性；加入合金元素可提高淬透性、回火穩(wěn)定性和韌性；熱處理采用淬火加低溫回火。例如30CrMnSiNi2A鋼，熱處理后σb＝1700～1800MPa，是航空工業(yè)應(yīng)用最廣的一種低合金超高強(qiáng)度鋼。二次硬化型大多含有強(qiáng)碳化物形成元素，經(jīng)高溫淬火和高溫回火產(chǎn)生二次硬化提高鋼的強(qiáng)度。這類鋼有Cr-Mo-V型、Ni-Co型等，如4Cr5MoSiV(平均含碳量0.40%)。

馬氏體時效鋼含碳量極低(＜0.03%)，含大量鎳(18%～25%)，并含有鉬、鈦、鈮、鋁等時效強(qiáng)化元素。這類鋼淬火后在450～500℃時效處理，組織為低碳馬氏體基體上彌散分布極細(xì)的金屬化合物。因此，這類鋼有極高的強(qiáng)度，良好的塑性、韌性及較高的斷裂韌度，可以冷、熱壓力加工，焊接性良好，是制造超音速飛機(jī)和火箭殼體的重要材料。如Ni25Ti2AlNb(Ni25)和Ni18Co9Mo5TiAl(Ni18)等是典型鋼種，時效處理后抗拉強(qiáng)度在2000MPa左右。

5.5工

具

鋼

5.5.1刃具鋼

1．碳素工具鋼常用的碳素刃具鋼有T8、T8A、T10、T12等，如表5-14所示。碳素工具鋼滿足一般工具加工條件，其價格便宜，耐磨性及加工性好。其中含碳量越高，鋼的碳化物越多，耐磨性好，但韌性變差。碳素刃具鋼的熱處理主要包括：

表5-14碳素工具鋼的成分、熱處理、性能及用途(摘自GB/T1298—1986)

??(2)碳素工具鋼以退火狀態(tài)交貨，雙方也可商定。預(yù)備熱處理：一般為球化退火，如果有網(wǎng)狀碳化物，則應(yīng)進(jìn)行正火＋球化退火。組織為鐵素體F＋細(xì)小均布的粒狀滲碳體，硬度小于217HB，便于加工。最終熱處理：淬火+低溫回火，組織為M回＋粒狀滲碳體＋少量Ar，硬度大于等于62HRC。碳素刃具鋼的紅硬性差，刃部溫度大于200℃，其硬度耐磨性顯著降低，且淬透性差。故其一般只用于手工工具、低速或小走刀量的機(jī)械加工工具和小尺寸模具、量具，用于加工低硬度材料。

2．低合金刃具鋼為克服碳素工具鋼的缺點，在碳鋼基礎(chǔ)上加入少量的Cr、Si、Mn、W、Mo、V等合金元素(一般不超過3%～5%)就形成低合金刃具鋼。表5-15列舉了常用低合金刃具鋼的牌號、熱處理、性能及用途。

表5-15合金刃具鋼的主要成分、熱處理、性能及用途(摘自GB/T1299—2000)

低合金刃具鋼成分特點為：①

高的含碳量，保證鋼具有高硬度及形成足夠的合金碳化物，提高了耐磨性；②

鋼中常加入Cr、W、Si、Mn、V等合金元素，大大提高了鋼的淬透性和回火穩(wěn)定性，并細(xì)化了晶粒。低合金刃具鋼的熱處理與碳素刃具鋼類似，處理后的組織狀態(tài)也類似，只是熱處理工藝參數(shù)有所不同。與碳素工具鋼相比，有較高的淬透性，較小的淬火變形，較高的強(qiáng)度與耐磨性，紅硬性(一般小于300℃)有所提高，但仍屬于低速切削刃具鋼。例如，應(yīng)用較多的9SiCr鋼淬透性好，油淬透直徑達(dá)40～50mm，且鐵素體組織細(xì)化，碳化物細(xì)化并均勻分布，使其強(qiáng)韌性得到提高；同時加入Si后其回火穩(wěn)定性提高，鋼在250～300℃仍能保持60HRC以上。

3.高速工具鋼1)性能及成分特點低合金刃具鋼基本上解決了碳素工具鋼淬透性低、耐磨性不足的缺點，紅硬性也有一定程度提高，但仍滿足不了高速切削和高硬度材料加工的生產(chǎn)需求。為適應(yīng)高速切削，發(fā)展了高速工具鋼，簡稱高速鋼。高速鋼突出的特點是紅硬性高，刃部溫度達(dá)600℃時，其硬度仍維持在55～60HRC；具有高的硬度和耐磨性；淬透性優(yōu)良，甚至空冷也得到馬氏體(也稱“風(fēng)鋼”)；高速鋼強(qiáng)度比碳素工具鋼提高30%～50%。

高速鋼的成分特點是：①

高碳(含碳量為0.70%～1.60%)，其作用是保證基體能溶入足夠的碳，以獲得高碳馬氏體，形成足量碳化物，提高耐磨性、紅硬性。②

W、Mo含量很高(10%以上)，主要用于提高鋼的紅硬性，1%的Mo可代替2%的W。含大量W、Mo的馬氏體有很高的回火穩(wěn)定性，且在500～600℃回火時析出彌散細(xì)小穩(wěn)定的特殊碳化物，具有二次硬化效應(yīng)，大大提高了材料的高溫強(qiáng)度和耐磨性。③

Cr含量為4%左右，主要在奧氏體化時溶入奧氏體，大大提高鋼的淬透性，同時回火時也能形成細(xì)小的碳化物，提高材料的耐磨性。④

V，其碳化物十分穩(wěn)定，可細(xì)化晶粒；能部分溶于奧氏體，回火時產(chǎn)生二次硬化；可顯著提高鋼的硬度、耐磨性、紅硬性。⑤

生產(chǎn)中還常加入Ti、Co、Al、B等合金元素，它們都以提高材料硬度和紅硬性為主要目的。

2)常用高速鋼高速鋼按其成分特點可分為鎢系、鎢鉬系和超硬系等，我國目前主要應(yīng)用的高速鋼是鎢系高速鋼W18Cr4V(即18-4-1)和鎢鉬系高速鋼W6Mo5Cr4V2(6-5-4-2)、W9Mo3Cr4V(9-3-4-1)三個鋼號。表5-16是常用高速鋼的成分、熱處理及性能特點。

表5-16高速工具鋼的成分、熱處理、性能(摘自GB/T9943—1988)

W18Cr4V屬于鎢系高速鋼，是發(fā)展最早、應(yīng)用最廣的高速鋼，適合制造一般的高速切削刃具，如車刀、銑刀、刨刀、拉刀、絲錐、板牙等，但碳化物較粗大，熱塑性差，熱加工難，不適合作薄刃刃具、大型刃具等。W6Mo5Cr4V2屬于鎢鉬系高速鋼，正逐步替代W18Cr4V，其碳化物分布較均勻(耐磨性好)，有良好的熱塑性，但加熱易脫碳和過熱，紅硬性稍差，適合制造齒輪銑刀、插齒刀、麻花鉆頭等；W9Mo3Cr4V也屬于鎢鉬系高速鋼，有良好的熱塑性，含鉬低不易脫碳，具有18-4-1和6-5-4-2的共同優(yōu)點，應(yīng)用越來越多。

3)高速鋼的鍛造與熱處理高速鋼中大量合金元素的存在使其鑄態(tài)組織中含有大量共晶萊氏體(如圖5-6所示)，故稱萊氏體鋼。共晶碳化物呈魚骨狀，脆性大，用熱處理方法是不能消除的，一般通過反復(fù)鍛造打碎，使之均勻。

圖5-6高速鋼的鑄態(tài)組織

高速鋼預(yù)先熱處理：鍛后必須緩冷，并進(jìn)行球化退火，消除了內(nèi)應(yīng)力，獲得索氏體+粒狀碳化物組織，硬度為207～255HBS，可以進(jìn)行機(jī)械加工。高速鋼的最終熱處理：合理的淬火+回火。高速鋼的導(dǎo)熱性較差，淬火加熱必須預(yù)熱以防止產(chǎn)生變形、開裂；高速鋼淬火溫度高，保證有足夠碳化物溶入奧氏體，使奧氏體中固溶碳和合金元素含量高；淬火冷卻多用分級淬火或油淬，正常淬火組織為隱晶狀馬氏體+粒狀碳化物+大量殘余奧氏體，硬度為61～63HRC；高速鋼通過產(chǎn)生二次硬化來保證它的熱硬性，回火通常采用三次550～570℃高溫回火，高速鋼回火后組織為極細(xì)的M回+較多粒狀碳化物+少量Ar(小于1%～3%)，回火后硬度為63～66HRC。圖5-7所示是高速鋼W18Cr4V的淬火、回火工藝曲線。

圖5-7高速鋼的淬火、回火工藝曲線

5.5.2模具鋼

1.冷作模具鋼1)冷作模具鋼的工作條件和性能要求冷作模具鋼主要是指冷沖模、冷鐓模、冷擠壓模、拉深模、拉絲模等所用的鋼。模具工作時溫度不高，工作部分受到很大的壓力、摩擦力、拉力、沖擊力，尤其是模具刃口受到強(qiáng)力的摩擦和擠壓。工作條件與刃具用鋼比較類似，性能要求高硬度、高耐磨性，較高的強(qiáng)韌性等；但由于模具在冷態(tài)下工作，對材料紅硬性要求不高，但磨損面大，摩擦力更大；工作時受到?jīng)_擊大，且模具形狀復(fù)雜，尺寸常常較大，因此冷作模具鋼較刃具鋼需要更高的耐磨性，更高的強(qiáng)韌性，而且要求淬透性高，熱處理變形應(yīng)盡可能小。

2)常用冷作模具鋼按冷作模具鋼使用條件，大部分刃具用鋼都可以用來制造某些冷作模具。表5-17列舉了部分冷作模具鋼的成分、熱處理、性能及用途。

表5-17冷作模具鋼的成分、熱處理、性能及用途(摘自GB/T1299—2000)

(1)碳素工具鋼。碳素工具鋼以T10A為主，加工性能好，價格低廉；但淬透性較低，耐磨性差，淬火變形大，使用壽命短。因此，適合制造尺寸不大、形狀簡單、工作負(fù)荷不大的模具。(2)低合金冷作模具鋼。低合金冷作模具鋼主要有9CrWMn、CrWMn、9Mn2V等。CrWMn鋼中錳、鉻、鎢等元素的加入，提高了淬透性和耐磨性；另外，合金元素使鋼的Ms降低，淬火后有較多的殘余奧氏體，淬火變形小。9Mn2V不含Cr，價格較低，常代替CrWMn，適合制作尺寸較大、形狀復(fù)雜、易變形高精度的模具，也可作不劇烈受熱、變形小、耐磨性高的刃具，如長絲錐、長鉸刀、拉刀等。

(3)?Cr12型冷作模具鋼，如Cr12、Cr12MoV等。Cr12型鋼成分中含碳1.45%～2.30%，含鉻11%～13%，形成足夠的鉻碳化物，能細(xì)化晶粒并提高耐磨性，且可大大提高鋼的淬透性(油淬臨界直徑200mm，空冷也能淬硬)，淬火變形?。涣硗?，有些鋼還加入1%的Mo、V等合金元素能進(jìn)一步細(xì)化晶粒，使碳化物分布均勻，從而進(jìn)一步提高耐磨性和韌性。因此這類鋼可用于制作截面大、負(fù)荷大的冷沖模、擠壓模、滾絲模和剪裁模等。

Cr12型鋼為萊氏體鋼，其鑄態(tài)的網(wǎng)狀共晶碳化物和鑄造組織缺陷(碳化物不均)必須在模具成型前反復(fù)鍛造來改善。Cr12型鋼的熱處理包括：預(yù)備熱處理常用球化退火，目的是消除應(yīng)力，降低硬度以便于切削加工，組織為球狀珠光體＋均勻分布碳化物；最終熱處理一般采用淬火＋低溫回火，組織為M回＋彌散粒狀碳化物＋少量Ar。值得注意的是，這類鋼的熱處理往往比較復(fù)雜，要確定合理的熱處理工藝以滿足不同結(jié)構(gòu)和尺寸模具的要求。高溫淬火＋高溫回火或低溫淬火＋低溫回火是常采用的兩種方式。圖5-8說明了Cr12MoV鋼在不同淬火和回火溫度時的硬度的變化情況。

圖5-8淬火、回火溫度對Cr12MoV硬度的影響

2.熱作模具鋼1)熱作模具用鋼的工作條件和性能要求熱作模具是指在高溫下對金屬進(jìn)行熱加工的模具，如錘鍛模、熱擠壓模、壓鑄模和熱沖裁模等。這類模具工作時會反復(fù)受熱和冷卻，大多工作溫度在200～700℃，同時還會在熱態(tài)下受到摩擦沖擊等作用，因此其主要性能要求是：①

良好的綜合力學(xué)性能。這主要在于模具工作時要承受較大載荷，且會受沖擊，對強(qiáng)韌性都有較高要求。②

高的熱疲勞抗力和耐磨性。模具工作時循環(huán)冷卻加熱的應(yīng)力及表面氧化等會引起材料的破壞失效，即熱疲勞失效。③

淬透性高。這是為了保證模具整體較高的力學(xué)性能；同時還要求熱作模具鋼導(dǎo)熱性好，減少熱應(yīng)力并避免型腔表面溫度過高。

2)常用熱作模具鋼根據(jù)性能要求，熱作模具鋼一般使用中碳合金調(diào)質(zhì)鋼，含碳量為0.30%～0.60%，保證了淬火、回火后鋼材的硬度和韌性；在模具材料中還常加入Cr、Ni、Mn、Mo、Si等合金元素以提高淬透性及材料的整體性能均勻性，提高回火穩(wěn)定性并有固溶強(qiáng)化作用，Cr、W、Mo還形成碳化物提高了材料的耐磨性；合金元素還可提高材料的共析溫度，保證材料高溫組織和性能穩(wěn)定性，提高了模具抗熱疲勞能力。常用的熱作模具鋼是：5CrMnMo及5CrNiMo(其在截面尺寸較大時使用)一般作錘鍛模；對壓鑄模鋼常用3Cr2W8V、4Cr5MoSiV和4CrW2Si。表5-18為常用熱作模具鋼的選材舉例。

表5-18熱作模具鋼的成分、熱處理、性能及用途(摘自GB/T1299—2000)

3.塑料模具鋼1)塑料模具用鋼的性能要求塑料模具是指用于制造塑料制品的模具。按塑料原材料性能和成型方法分為熱塑性塑料模和熱固性塑料模兩種。熱固性塑料模一般是在加熱(160～250℃)、加壓條件下進(jìn)行工作的，承受摩擦、一定的沖擊與腐蝕；熱塑性塑料模工作溫度一般在150℃以下溫度下持續(xù)受熱，壓力和摩擦較小。但值得注意的是含有氯、氟的塑料在壓制時常析出有害的氣體，對模腔有較大的腐蝕作用。塑料模具一般較復(fù)雜，制造成本高，而原材料費(fèi)用只占模具成本的極小部分，因此一般優(yōu)先選用工藝性能好、性能穩(wěn)定的鋼種。

由上述塑料模具的工作條件，對塑料模具鋼有如下性能要求：模具有足夠的強(qiáng)度和韌性；較高的硬度和耐磨性，模面要有一定的表面硬化層，硬度一般在38～55HRC；一定的耐熱性和耐蝕性；良好的切削加工性，保證尺寸精度和表面粗糙度；良好的熱處理工藝性能及表面處理工藝性，工藝簡單，變形小等。

2)常用塑料模具用鋼塑料模具用鋼包括：滲碳型20、20Cr、12CrNi3A、20CrNiMo等；調(diào)質(zhì)型45、40Mn、40Cr、4Cr5MoSiV、38CrMoAl等；淬硬型T7A、T8A、T10A、5CrNiMo、9SiCr、9CrWMn、GCr15、3Cr2W8V、Cr12MoV等；預(yù)硬型3Cr2Mo、Y20CrNi3AlMnMo(SM2)、5NiSCa、Y55CrNiMnMoV(SM1)等；耐蝕性3Cr13、2Cr13、0Cr16Ni4Cu3Nb(PCR)、1Cr18Ni9等；時效硬化型18Ni140級(18Ni類型)、10Ni3MnCuAl(PMS)、06Ni16CrMoVTiAl(06Ni)等。

目前列入國家標(biāo)準(zhǔn)的塑料模具用鋼為3Cr2Mo(GB/T1299—2000)，相當(dāng)于美國的P20，該鋼屬于中碳鋼，具有良好的強(qiáng)韌性及較好的硬度和耐磨性；合金元素Cr提高淬透性，形成碳化物，提高模具的耐磨性；Mo細(xì)化晶粒，減少變形，防止回火脆性。3Cr2NiMo是3Cr2Mo的改進(jìn)型，有更高的淬透性、強(qiáng)韌性和耐蝕性。這類鋼主要用作中、小型或大型復(fù)雜、精密塑料模具。塑料模具發(fā)展很快，目前國家標(biāo)準(zhǔn)和一些行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)推薦部分塑料模具用鋼，也引用了一些國外通用鋼種。表5-19列舉了一些塑料模具用鋼。

表5-19常用塑料模具用鋼

5.5.3量具鋼1．量具鋼性能要求量具是用于測量工件尺寸的工具，如卡尺、千分尺、塊規(guī)及塞規(guī)等。量具一般有如下的性能要求：量具最基本的要求是保證長期存放和使用中尺寸不變，形狀不變，即要求高的尺寸穩(wěn)定性；量具存放和使用時具有高的硬度和耐磨性，有一定的韌性和耐蝕性。

2．常用量具用鋼為滿足上述要求，量具鋼一般可采用含碳量高的鋼，保證鋼淬火后的硬度和耐磨性；為了保證尺寸穩(wěn)定性，應(yīng)用淬火變形小的鋼再配合適當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚒?1)低合金工具鋼(包含滾動軸承鋼)。這是常用的鋼種，其中8MnSi、9SiCr、Cr2等可以制造各種量具，高精度、形狀復(fù)雜的量具采用微變形鋼合金工具鋼(如CrWMn、CrMn等)和滾動軸承鋼GCr15制造。

(2)碳素工具鋼。淬火變形大，淬透性小，適合制作形狀簡單、尺寸較小、精度要求不高的量具，如T10A、T12A等。(3)滲碳鋼(滲碳淬火)及中碳鋼(表面淬火)。這些鋼的心部有良好的韌性，做直尺、卡規(guī)、樣板等易受沖擊的量具，如15、20、15Cr滲碳淬火，55、65、60Mn調(diào)質(zhì)后表面淬火。(4)不銹鋼。常用于精度高、耐蝕性高的量具，如4Cr13、9Cr18等。

3．量具用鋼的熱處理量具鋼通常具有高的含碳量，其熱處理先用球化退火，最后進(jìn)行淬火、低溫回火，淬火、回火后得到穩(wěn)定均勻的馬氏體組織；高精度量具，如塊規(guī)等，淬火、回火后還要進(jìn)行穩(wěn)定化退火(110～150℃，24～36h)，保證尺寸穩(wěn)定性。此外熱處理時還應(yīng)注意：量具淬火加熱溫度應(yīng)盡可能低一些，淬火一般不采用分級淬火和等溫淬火，淬火后進(jìn)行冷處理，盡量減少殘余奧氏體的量；許多量具在最終熱處理后一般要進(jìn)行電鍍鉻防護(hù)處理，可提高表面的裝飾性和耐磨、耐蝕性。

5.6特

殊

性

能

鋼

5.6.1不銹鋼1．金屬的腐蝕腐蝕通常分為化學(xué)腐蝕和電化學(xué)腐蝕兩類，大部分金屬的腐蝕屬于電化學(xué)腐蝕。電化學(xué)腐蝕是金屬與電解質(zhì)溶液接觸時所發(fā)生的腐蝕現(xiàn)象，腐蝕過程伴隨有電流產(chǎn)生，而化學(xué)腐蝕過程中不產(chǎn)生電流。電極電位不同的金屬或金屬內(nèi)部不同的相在電解質(zhì)溶液存在時，將形成原電池或微電池，電極電位低的金屬或相將成為陽極而不斷被腐蝕，電極電位高的成為陰極而不被腐蝕。

根據(jù)電化學(xué)腐蝕的基本原理，對不銹鋼通常采取以下措施來提高其耐蝕性能：(1)盡量獲得單相的均勻的組織，從而不會產(chǎn)生微電池作用。如在鋼中加入一定的Ni可獲得單相奧氏體組織，提高了鋼的耐蝕性。(2)提高金屬基體的電極電位。鋼中含鉻量與其電極電位關(guān)系服從n/8規(guī)律，即鉻原子數(shù)含量為n/8(n=1，2，3，…)時電位發(fā)生突變而升高，如鐵素體中含鉻原子個數(shù)為1/8(即wCr

=11.7%)時鋼中鐵素體電極電位由-0.56V提高到+0.2V，使金屬耐蝕性明顯提高。

(3)形成鈍化膜。加入合金元素使金屬表面在腐蝕過程中形成致密保護(hù)膜如氧化膜，使金屬材料與介質(zhì)隔離開，防止進(jìn)一步腐蝕。如Cr、Al、Si等合金元素就易于在材料表面形成致密的氧化膜Cr2O3、Al2O3、SiO2等。

2.不銹鋼的分類及常用不銹鋼不銹鋼按組織特點分為馬氏體型不銹鋼、鐵素體型不銹鋼、奧氏體型不銹鋼、雙相不銹鋼及沉淀硬化型不銹鋼。常用不銹鋼牌號、熱處理及用途見表5-20。

表5-20常用不銹鋼牌號、熱處理、性能及用途(摘自GB/T1220—1992)

表5-20常用不銹鋼牌號、熱處理、性能及用途(摘自GB/T1220—1992)

(1)馬氏體型不銹鋼。其含鉻量為12%～18%，含碳量為0.1%～1.0%。鋼的含碳量增加，耐蝕性下降，但鋼的強(qiáng)度、硬度和耐磨性得到改善；鉻含量降低，則耐蝕性下降。常見的鋼種有Cr13型(1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13等)和Cr18型(7Cr17、9Cr18、9Cr18Mo等)不銹鋼，這類鋼有較好的力學(xué)性能、熱加工性、切削加工性能和一定的耐蝕性，價格較低，應(yīng)用廣泛。1Cr13和2Cr13等低碳不銹鋼具有優(yōu)良的抗大氣、蒸汽等介質(zhì)腐蝕能力，可進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，常用作為耐蝕結(jié)構(gòu)件，如汽輪機(jī)葉片、螺栓、螺母、鍋爐管附件等；3Cr13、4Cr13、9Cr18等進(jìn)行淬火+低溫回火后，具有高的硬度，用于耐磨、耐蝕類零件，如醫(yī)療機(jī)械、量具、滾動軸承、塑料模具等。

(2)鐵素體型不銹鋼。其含鉻量為12%～30%，含碳量小于0.15%，從室溫加熱到高溫(1000℃左右)組織無明顯變化，保持單相鐵素體，耐蝕性優(yōu)于馬氏體不銹鋼，但力學(xué)性能不高。常見的鋼種有Cr13型(0Cr13Al等)、Cr17型(1Cr17、1Cr17Mo等)和Cr28-30型(01Cr30Mo2、01Cr27Mo)不銹鋼。鉻含量越高，碳含量越低，耐蝕性越好；為了提高耐蝕性，還可加入合金元素Mo、Ti、Cu等。從表5-20中，可以看出，01Cr30Mo2是具有耐強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的耐酸鋼。鐵素體型不銹鋼主要用于對力學(xué)性能要求不高而耐蝕要求高的環(huán)境下，如用于硝酸和氮肥等化工生產(chǎn)結(jié)構(gòu)件。

(3)奧氏體不銹鋼。在Cr18Ni8型(簡稱18-8)鋼基礎(chǔ)上發(fā)展起來的鋼種，GB/T1220—1992中已超過30種，是應(yīng)用最廣的不銹鋼。由于鎳的加入，擴(kuò)大了奧氏體相區(qū)，在室溫下就能得到亞穩(wěn)定的單相奧氏體組織。18-8型不銹鋼退火狀態(tài)呈奧氏體＋少量碳化物組織，而碳化物的存在將大大降低鋼的耐蝕性，因此它通常要采用1100℃加熱并水冷，使碳化物不析出而獲得單項奧氏體組織(稱固溶處理)。

奧氏體不銹鋼在450～850℃加熱或焊接時，容易在晶界處析出鉻碳化物Cr23C6，使晶界附近貧鉻，引起晶間腐蝕。降低鋼的含碳量可以防止形成碳化物，從而預(yù)防晶間腐蝕；鋼中常加入一定量的Ti、Nb等強(qiáng)碳化物元素，形成極穩(wěn)定的彌散碳化物(固溶處理之后，進(jìn)行穩(wěn)定化退火，析出碳化物)，抑制了鉻碳化物的析出，也可以避免晶間腐蝕的發(fā)生。

奧氏體不銹鋼不僅耐蝕性好，而且其冷成型和焊接性也較好，廣泛用于制造化工設(shè)備、管道等；奧氏體不銹鋼具有很強(qiáng)的加工硬化特性，因此可以通過加工硬化實現(xiàn)材料的強(qiáng)化，另外它還具有較好的耐熱性；奧氏體型不銹鋼切削加工性能很差，這是因為奧氏體易粘刀，又易加工硬化，同時導(dǎo)熱性差。

(4)其他類型不銹鋼：①

鐵素體-奧氏體(雙相)不銹鋼。這類鋼具有鐵素體型不銹鋼和奧氏體型不銹鋼各自的一些優(yōu)點，但其優(yōu)越性只有在正確的加工條件和合適的環(huán)境中才能保證。0Cr26Ni5Mo2、1Cr18Ni11Si4AlTi等都屬于雙相不銹鋼。②

沉淀硬化型不銹鋼。這類鋼主要用作要求高強(qiáng)度、高硬度而又耐蝕的化工機(jī)械設(shè)備的零配件及某些航空航天設(shè)備零件和軍工機(jī)械中。如0Cr17Ni4Cu4Nb、0Cr17Ni7Al等均屬于這類鋼。這類鋼含Ni較低，經(jīng)熱處理可形成不穩(wěn)定的奧氏體甚至馬氏體，經(jīng)時效可沉淀析出金屬間化物(如Ni3Al、Ni3Nb等)，使材料強(qiáng)化而不失其耐蝕性，其抗拉強(qiáng)度可達(dá)1250～1600MPa。

5.6.2耐熱鋼1．鋼的耐熱性(1)高溫抗氧化性。鋼的抗氧化性是指鋼在高溫下表面迅速氧化形成一層致密的氧化膜，隔離了高溫氧化環(huán)境與鋼基體的直接作用，使鋼不再被氧化。一般向鋼中加入Cr、Si、Al等元素后，鋼在高溫氧化環(huán)境下表面就容易生成高熔點、致密的且與基體結(jié)合牢固的Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜，或與鐵一起形成致密的復(fù)合氧化膜，阻止了氧的擴(kuò)散。高溫工作時受力較小的一些爐用構(gòu)件用鋼常加入大量的耐氧化元素，其又稱為耐熱不起皮鋼，如1Cr3Si、1Cr13SiAl、1Cr18Si2、1Cr25Si2、3Cr18Ni25Si2等。

(2)高溫強(qiáng)度(又稱熱強(qiáng)性)。高溫強(qiáng)度是鋼在高溫下抵抗塑性變形(蠕變)和破斷的能力。提高鋼高溫強(qiáng)度的方法包括：加入Mo、W、Cr、Co等元素產(chǎn)生固溶強(qiáng)化；加入Nb、Ti、V、Ni、Al等形成化合物產(chǎn)生彌散強(qiáng)化；一般高溫下晶界強(qiáng)度低于晶內(nèi)強(qiáng)度，因此在鋼中加入B、RE等使晶界凈化并強(qiáng)化。

2．常用耐熱鋼耐熱鋼按使用性能分為抗氧化鋼和熱強(qiáng)鋼；耐熱鋼按組織特點可分為鐵素體型、珠光體型、馬氏體型和奧氏體型等多種類型。表5-21列舉了一些耐熱鋼的牌號、熱處理及用途。

表5-21常用耐熱鋼牌號、熱處理及用途(摘自GB/T1221—1992)

表5-21常用耐熱鋼牌號、熱處理及