钢铁材料及有色金属材料

合金钢：

一、 钢的合金化概论

目前常用的合金元素有：硅、锰、烙、镍、钨、钼、钒、钛、铌、锆、铝、铜、钴、氮、硼、稀土等 （一）、钢中的合金元素

钢是以铁为基础的合金，其点阵结构是由铁决定的。由于冶炼时所用的原材料冶炼方法和工艺操作等的影响，使其还有十多种或更多种元素。钢中除了碳可能还有其他元素【硅、锰、硫、磷、铜、镍等它一般作为杂质或残余元素对待，而不认为是合金元素】

锰可有生铁带入钢中 ，锰与硅还可以以脱氧剂的形式加入。残余元素的存在有时可以起到一定有益的作用（如镍、烙可以提高钢的淬透性），但在大多数情况下会产生不利的影响（残留的镍、烙、铜存在会对钢的焊接性冷变形加工形产生不利的影响），所以对于优质碳素钢都规定了残余元素的最高许可量。

在冶炼过程中，钢液不可避免的隐含微量的气体—氧、氮、氢。这些元素在钢中的含量虽然过少，但在一定的条件下或超过一定的含量后，都会对钢的性能显示重要影响，因此不能不加以考虑。 PS：【碳素钢】压力加工较方便，价格低，其机械性能可以满足多方面的要求，尤其是经过热处理后，性能有很大的改善，因此碳素钢的产量占90%以上。

【碳素钢局限】不锈、耐酸、耐磨物理性能、工艺性能、大尺寸、

高强度。

PS：【硫：降低韧性，可以用于易切钢中】

【合金钢高低的判别】合金元素小于或等于5%时低合金钢，5-10%中合金钢，大于10%高合金钢。 二、钢的分类

（一）、按用途分类：冶炼方法和设备的不同，工业钢分：平炉钢、转炉钢、电炉钢三大类，每一类还可以根据炉衬材料的不同分为：碱性和酸性。电炉钢还可以分为电弧炉钢、感应炉钢、真空感应炉钢、电渣炉钢等

（二）、按结构分类： 1、结构钢

（1）、建筑及工程用钢或者构建用钢。用作钢架、桥梁、钢轨、车辆、船舶等，属于这类钢的有普通碳素钢和部分普通低合金钢，这类钢很大一部分做成钢板或型材。

（2）、机器制造用钢，用作各种制造零件，包括轴承、弹簧等。

2、工具钢 （1）、量具刃具钢 （2）、冷模具钢 （3）、热模具钢 （4）、耐冲击工具用钢 3、特殊性钢

（1）、耐热钢，包括抗氧化钢和热强钢

（2）、不锈耐酸钢，电工用钢等 （三）、按金相组织

1、按平衡状态或退火状态的组织分类：亚共析钢、共析钢、过共析钢和菜氏体钢

2、按正火组织分类：珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢。但由于正火空冷的冷却速度随钢材尺寸的不同而不同，所以这种分类不是绝对的。

3、按加热冷却时有无相变和室温时的金属组织 （1）、铁素体钢，加热和冷却时始终保持铁素体 （2）、奥氏体钢，加热和冷却时始终保持奥氏体 （3）、复相钢，如半铁素体或半奥氏体 四、普通低合金结构钢

要求：（一）、良好的综合机械性能。采用普通低碳合金结构钢的主要目的是减轻金属结构的重量，提高其可靠性。所以要有【高的屈服强度和良好的机械性能】

（二）、普通低碳合金钢的屈服极限：300、350、450、500、550-650MN/m2，其中300-400常用。钢的屈服极限主要取决于其显微组织，目前普通低合金结构钢所打到的强度和组织关系：1、铁素体-珠光体（300-350）2、低碳贝氏体组织（450-650）3、低碳索氏体，这类钢经过调制处理（650-800） （三）、良好的工艺性能 （四）、良好的耐腐蚀性

合金元素在普通低碳合金钢中的作用 （一）：合金元素对钢的 机械性能的影响

目前工业上普遍采用的普通低碳合金钢很大一部分具有【铁素体-珠光体组织】在扎或者正火后得到最后的性能。其组织接近钢的平衡组织。

提高碳含量及增加珠光体数量，【碳的含量对钢的影响】：影响焊接性能、冷脆性，冲压性等，除个别钢外碳的含量限制在0.2%以下。在碳受限的情况下，要通过加入合金元素来提高钢的强度，总加入量不超过5%，一般在3%多为1-2%。

对于具有铁素体-珠光体的普通合金钢，合金元素对其强度的影响主要方式：(1)、铁素体的固溶化（2）、增加珠光体的相对量（3）、控制晶粒大小（4）、影响珠光体的分散度（5）、沉淀硬化 【低碳索氏体、低碳贝氏体（硼）、低碳马氏体】

【PS】提高普通碳素钢的另一途径：采用低碳合金钢淬火获得低碳马氏体，然后进行高温回火，或的低碳索氏体组织，从而得到良好的机械性能和焊接性能。

（二）、合金元素对焊接性能的影响

良好的焊接性能只要指：焊缝区在焊接冷却后不生成马氏体或其他介稳组织。一般钢结构焊接后的冷却速度是30-50/s。【在钢中加入钛、钒，由于能使晶粒细化能与碳结合成稳定的碳化物，而使淬透性降低，从而有利于得到良好的焊接性能】

【说明】焊接时，焊缝区由于温度的作用会引起晶粒增大，从而

增加焊后开裂的倾向，。钢中加入细化晶粒或阻碍晶粒长大的元素如：钼、钛、钒等有利于改变焊接性能。

（二）、合金元素对耐大气腐蚀的影响

钢中加入少量铜、磷、烙、镍、钼、铝等元素可以提高普通低合金的耐大气腐蚀性能，其中铜、磷最有效的元素。

【应用】

（一）、一般结构钢：有铁素体-珠光体组织，在热轧状态下使用，但对厚度超过20mm的钢板，最好进行正火处理，使组织均匀和性能稳定。【PS】钛含量大于0,.05%的钢需经正火使用。钛>0.05时，由于钛在高温时溶于固溶体中，冷却过程中不能完全析出，因此热轧后会引起很大的脆性。正火处理可以使钛由过熔体析出，形成碳化物相，提高韧性好塑性。

【说明】提高屈服极限1、增加碳含量2、通过硅-锰复合强化 16Mn韧性好、时效敏感性低、可焊性好。例：船舶、桥梁、车辆、大型容器、管道以及厂房的大型结构、重型机械设备、电站设备等焊接结构。A3碳素钢相比可以节省20-30%的材料，耐腐蚀高20-30%

（二）、耐大气腐蚀用钢：08MnPRe、12MnPRe、09MnCuPTi等，这些钢碳含量都很低具有一定的塑性，适用于压制薄壁结构件。强度的提高依赖锰、磷、铜的固溶强化。铜、磷、钛、稀土共存时，钢的耐大气腐蚀性更好，由于磷能增加钢的冷脆性，因此加入少量的钛以细化晶粒或加入少量稀土以改善钢的韧性，特别是低温韧性。

（三）、冲压用钢：要求需要刚才要具备良好的塑性、细晶粒组

【锰钢中加入钒】可以防止过热，细化晶粒，提高强度喝韧性。 【锰钢中加入钼、钨】提高淬透性，回火稳定性，调质后有较高的机械性能。

(六)、烙钢、烙钒钢、烙钼钢及烙钼铝钢

烙在一般合金结构钢中，只有部分溶于渗碳体，而大部分溶于铁素体。加入烙可以使珠光体转变温度上升，贝氏体转变温度下降，因而出现中间稳定区域。

锰和烙一样能提高退火和淬火、回火后钢的强度。烙含量较少时对钢的塑性和韧性影响较少或者略有提高，含量超过1-1.5%时，对塑性影响不大，但略使冲击韧性下降。烙钢有回火脆性。

15Cr和20Cr是渗碳钢，渗碳时钢中的烙能强烈的促使表面碳浓度升高，易形成网状碳化物，最好选择较缓和的渗碳剂。烙钢渗碳时心部晶粒会增大，所以除了形状简单，性能要求不高的零件可以直接淬火外，一般采用二次淬火（860-880°C油淬和770-820°C油淬）或一次性淬火（800-820°C），回火温度为(180-200°C)。烙钢渗碳后比碳钢具有较高的心部强度，表面具有较好的耐磨性能。15Cr和20Cr 用于制造需要高强度和耐磨损的零件，如：活塞销，凸轮，汽门推杆及工作速度较高的齿轮等。

40Cr钢是一种使用较广泛的钢，具有良好的综合机械性能和较高的淬透性，断面在50mm以下时，油淬后无自由铁素体析出。常用于制造曲轴，连杆和螺帽，进汽阀，齿轮和轴等较重要的调质零件 ，亦可进行碳氮共渗（830-850度°C油淬，180-200°C回火），制作

负荷不是很高的齿轮等传动件。另外40Cr钢在进行感应表面淬火时，在大量生产时应采用精选碳含量（0.37-0.42%）的钢，并经过调制。

45Cr和50Cr钢的强度较高，用于制造要求高强度或耐磨但冲击负荷不是很大的轴、齿轮等。

【烙钢加入钒】

20CrV钢渗碳使晶粒不宜增大，故可以提高心部韧性而表面耐磨性较好，渗碳后可直接淬火。

40CrV用作重要的调质零件，钒不能消除回火脆性，故回火后仍应快冷。

【烙中加入少量的钼（0.15-0.25%）】

20CrMo钢用作渗碳钢，耐磨性较好，可以做耐磨齿轮，常用作小型拖拉机的小模数齿轮。

30CrMo、35CrMo、42CrMo钢用于调质，有较高的淬透性，较好的强度和韧性，而并没有回火脆性的倾向。而30CrMo和35CrMo钢可以代替部分烙镍钢做截面较大和受高负荷的零件，如轴、主轴、齿轮、禁锢零件等。42CrMo钢具有更高的淬透性和强度，可以做截面更大和强度更高的锻件，如：机车牵引用的大齿轮，后轴，受负荷加大的连杆及弹簧夹、石油深井钻头接头等。

38CrMoAlA钢是一种典型的氮化钢，氮化钢用于制造要求特变耐磨的机械零件。碳化钢氮化不能获得足够高的硬度，因铁与氮形成的氮化物较不稳定（Fe2N、Fe4N），在温度较高的情

况下容易聚集粗化并分解。当钢中加入一些能生成氮化物的合金元素时，在低温氮化过程中在表层生成细小的分散的，本身硬度也和高的氮化，因而得到硬度很高的氮化层。

【由于氮化铝的质点较脆，氮化后表层容易剥落，故铝的加入量不宜过多0.7-1.2%】

【PS】铝的加入使钢材的冶炼，热加工和热处理过程复杂化。铝使钢液粘度增大，容易产生夹杂和铝分布不均匀而出现的点状偏折，造成钢锭表面质量变差和产生裂纹，因此含铝的钢材要求检查发纹、夹灰、晶粒度，对钢的低被组织要从严要求。烙在钢中主要提高淬透性和强度，钒可以细化晶粒，提高韧性。计入钼和钨可以防止在氮化温度长时间停留时在刚中引起的回火脆性，并进一步提高钢的淬透性和增加回火稳定性。【氮化钢中碳的含量一般在0.25-0.45%，并加入一些合金元素】

氮化钢的氮化层硬度较高，耐磨性远比渗碳层好，有与氮化是在调质后进行的，氮化后缓冷即可获得高的表面硬度，因此热处理后零件的变化及小。

38CrMoAlA使用广泛，氮化后表面硬度1100-1200HV，而且有高的热稳定性，其淬透性在油中可达到50mm。用于制造具有高耐磨性、高疲劳强度和处理后尺寸精确的氮化零件，如镗床的镗杆、蜗杆、磨床和自动车床的主轴、气缸套筒、齿轮、工作温度在450°以下的汽轮机的阀门杆、防模等。

38CrMoAlA钢在锻造后要进行退火，以改善组织，消除应

力和改善切削加工性，退火的温度范围为930-970°C，正火后如果硬度太高，加工困难，可以进行高温回火（700-720°C）。采用较高的退火和正火温度有利于消除铁素体的方向性，但增加脱碳层的深度。退火和正火后进行粗加工，然后进行调质。粗加工亦可在调制后进行。由于含铁素体的稳定性高，不宜融入奥氏体中，所以钢的淬火温度稍高，为930-950度，保持时间一般为合金钢的1.5倍。

38CrMoAlA钢在调试过程中防止出现粗大的铁素体和粗大的索氏体组织。若淬火温度太低，铁素体溶解不完，调质后将有大块铁素体存在,氮化是这些地方氮的浓度增高，硬度增加，脆性增大，容易剥落。淬火温度太高时，处加剧脱碳倾向外，由于奥氏体晶粒粗大，氮化后易出现网状氮化物，也增加脆性。淬火一般采用油冷，最好是60-70°C的热油中冷却，大截面零件可采用水，油冷，回火温度一般在600-680°C范围内，回火时间可以长些（2-4h以上），充分出去应力，减少氮化时的变形。

（七）、烙镍钢和烙镍钼（钨）钢

【PS】镍是不形成碳化物的合金元素，在平衡条件下镍几乎完全溶于铁素体中。镍钢在加热过程中晶粒不宜长大。

【镍的作用】：含量增高时，能适当提高强度上的同时，对塑性、韧性有良好的影响，尤其是低温冲击韧性值较高。

【烙镍钢】烙、镍的相互作用使钢的淬透性提高很多，远超

单独元素的作用。例：在调质烙镍用钢中烙、镍比在1:3时，及提高淬透性又提高强度、塑性和韧性，这对要求机械性能较高而且均匀的大截面零件特别有作用。 【烙镍钢的缺点】：

1、对白点的我生成比较敏感，大锻件锻后必须采取防止白

点生成的措施。

2、回火脆性倾向大，回火后必须油冷。注：截面很大是这

种方法没有效果。

【烙镍钢中加入钼或钨】提高淬透性

【用途】：20CrNi钢用于制造要求要较高强度和韧性的零

件 ；12CrNi2和12CrNi3用于制造较重要的渗碳零件，渗碳后可采用二次淬火（850-870°C油冷，780-810°C油冷）或一次淬火（780-800°C油冷或800-820°C油冷）；12CrNi3A钢属于珠光体钢也可以做调质钢。

30CrNi3A、37CrNi3A用作重要的调质零件，这种钢有较高

的淬透性，但因回火脆性，故用作大截面受限制。为了克服回火脆性的倾向，可以加入钨或钼，例：35CrNi3W钢（0.34-0.42%C、0.25-0.50%Mn、0.8-1.2%Cr、2.75-3.25%Ni、0.5-0.8%W）这种钢经过油淬和590度回火后有较高的机械性能，可以做更重要的零件，例：中速大马力柴油机的贯穿螺栓和汽缸盖螺栓等。

12Cr2Ni4A、20Cr2Ni4A：具有高硬度、韧性和淬透性，用

来制作尺寸比较大的渗碳零件，属于半马氏体钢。

压时，及要求塑性高，有要求冲压的零件表面的质量高。这类钢对成分、性能和组织有特殊要求。

冷冲压用钢板按其厚度分为薄板（4mm以下）、厚板（4-14mm）。钢板均需经过热轧，薄板中一些表面质量要求较高的需要进一步冷轧。

【Ps】：轿车和一些机器的外壳：良好的冲击性和表面质量，多采用冷轧碳素薄钢。另外一些零件形状比较复杂而且受力较大，例：汽车车架，要去钢板既有良好的冲击性还有良好的强度，多选用冲压性能好的热轧低合金或碳素厚板。

1、 冷轧薄钢板（冷轧和热轧薄板）

根据冷冲时的变形程度：普通拉伸、深拉延、最深拉延三种

碳含量增加是能使拉伸能力变坏，因此冷冲时绝大多数都是低碳钢。祥见：冷冲材料选用 【金相组织的影响】:

钢中的铁素体实际晶粒度的大小及其分布均匀度对钢板的冲压性能有显著地影响。铁素体晶粒太大，在深冲时容易引起裂纹和易产生桔皮状的粗糙便面，晶粒过细，钢中可能存在有很细的珠光体，使钢板的强度提高，冲压时会产生反冲。增加模具的消耗，一般认为6-7级晶粒度时最合适的，但不易达到，通常控制在5-8级范围内。晶粒大小很不均匀时，冷冲时变形不均匀易产生裂纹。

低碳钢板可能发生时效过程。在冷冲时，在少量变形的条件下会在表面出现粗的滑移带，这对于某些要求表面质量的冷冲零件时不允许的。在冲压复杂的零件时，为了避免这种情况，可以在冲前进行轻的压扎或采用铝镇静钢。

2、 热轧钢板

钢号：08F-50

对热轧钢板冲压性能影响最大的是碳。不宜用增加碳的方法来增加强度，应采用低合金高强度的钢。硫在钢中硫化物夹杂，在轧制中拉长，分割金属基体降低塑性，影响冲压性能。

3、冷镦用钢

目前广泛采用冷镦工艺生产互换性较高的标准件和其他零件，例：螺钉、螺帽、螺栓、销钉、铆钉等。冷镦工艺的优点是：材料的利用率高、产量高、成本低。要求冷镦用钢要有很高的塑性，提高的表面光洁度以及零件在冷镦过程中易于成型而不产生裂纹，同时又保证冷镦零件得到高的精度。

钢材的表面质量和内部缺陷是影响冷镦是开裂的主要原因，尤其是钢材表面质量更为重要。钢的碳含量对冷镦钢的性能影响很大，碳含量超过0.25%时，对冷镦变形较大的零件，应先将冷镦钢进行球化退火处理，以改善钢的塑性。 七、弹簧钢

（一）弹簧的工作条件与性能要求

弹簧的主要作用在于【储存能量、减轻震动】

【应用】：板弹簧：主要用于机车、汽车、拖拉机上，起着车轮和车架的连接作用。除了受静载荷外，还受地面不平引起的冲击载荷和振动，受力则以反复弯曲应力为主。断裂主要疲劳疲劳断裂，提高寿命的措施是提高其疲劳强度。

螺旋弹簧：承受的应力主要是扭转应力，在弹簧的内表面应力值最大。因此螺旋弹簧的破坏主要是疲劳，疲劳源一般在内表面。

【要求】：

1、 具有高的强度极限、弹性极限、高的屈服比 2、 具有高的疲劳极限、好的弹簧表面质量

3、 具有较好的工艺性能，具有一定的塑性和淬透性，过热敏

感性要小，不宜脱碳。 【按化学成分分类】：

1、碳素钢，碳含量（0.62-0.9%）锰含量（0.5-0.8%），硅含量（0.15-0.37%）。此外还可以使用碳素工具钢制造弹簧钢带和钢丝。

2、合金钢，碳含量（0.46-0.75%），最常加入的合金元素为锰、硅、烙。重要用途的弹簧钢还可以加入钒、钨、钼、铌等。

【按其供应状态和热处理方式】

1、 以热轧状态（不退火）供应多用于制造大型弹簧，如：汽

车、拖拉机、机车的车辆上的负荷弹簧或缓冲器等。钢材外形为圆钢，方钢，扁钢等，直径或厚度一般5-50mm，在热状态下加工成型后进行淬火和回火得到所需的机械性能。回火温度一般采用420-520°C这样可以完全的出去应力，同时得到高的弹性极限和适当的塑性。

2、 以退火的状态供应。对于较小（直径在0.5-14mm）尺寸的

弹簧可以软化退火后的钢条冷卷成型，在经过淬火回火处理，形状复杂成型手续较多的弹簧，热成型较困难，亦用退火钢材冷卷成型。常用的冷卷成型的退火钢材有，碳素及锰，硅锰、烙钒等合金弹簧钢。弹簧钢带(大部分为碳素钢，也有合金钢如：65Mn、60Si2Mn)亦有退火状态供应的，成型后均需淬火回火。

3、 以冷轧、冷压状态或淬火回火状态供应的经过强化的钢丝

或钢带。需经过冷卷得到所需的形状。应为钢丝或钢带具有很高的机械性能，冷卷后只进行温度为250-300°C的回火以消除冷拉（轧）和冷卷时的应力。

【PS】：弹簧钢丝的直径自0.14-8mm，均有热轧钢条经过冷拉制成的。弹簧钢带大部分是冷轧的，或者冷轧后经过淬火回火然后供应。所用钢材大部分材料为碳钢

（T7A-T12A），也有合金钢，如：65Mn、70SiCrA、60SiMn、50CrV等钢。钢带一般尺寸是：宽度:2-40mm/厚度：

0.1-1mm/宽厚：10-100mm 【弹簧的成分、性能和应用范围】

碳素钢经过热处理后可以得到较高强度和较好塑性和韧性的，但其淬透性较低，使其截面超过12-15mm时在油中便不能淬透，而在水中淬火容易裂开和变形，变形难以矫正。所以碳素钢弹簧一般应用于制造尺寸较小的板弹簧和螺旋弹簧。

65Mn为锰弹簧钢。

【于碳素刚比较】淬透性高、脱碳倾向小，但容易过热但有回火淬性的倾向。

【于硅锰钢比较】锰钢的强度于于弹性极限较低，

屈强比也较低，故适用于制造尺寸较大的弹簧。例如5-10mm的板簧片和线经7-15mm的螺旋弹簧。

锰钢弹簧钢用量较多的弹簧钢。在硅锰钢中硅的含

量较高，硅显著提高弹簧的弹性极限和屈服极限比，因为硅能提高回火稳定性并使析出碳化物不宜聚集。另外硅还可以仿制氧化，但却促进脱碳倾向，也不增加残余奥氏体量，增加奥氏体量会降低弹性极限。当钢中的硅、碳较高时，会出现石墨化现象，产生黑色断口。扎制后的硅锰钢还有一个特点，容易出现带状组织具有较大的各向异性，但制造承受较大冲击负荷的钢板时，这种各向异性反而有利。

65Si2MnWA钢中加入钨的作用在于提高回火稳定

性和热强性，并增加钢的淬透性，其最高工作温度是350°C。

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