1、 近四十多年来，我国在材料工业的生产和科研方面已经取得了巨大成就。在金属材料生产方面已建立了符合我国资源特点的非合金钢、合金钢、低合金钢系列，其应用范围日益扩大，钢产量已越居世界前列。各种非铁金属和特殊性能合金在质量和品种上已经基本满足了社会发展的需要。第一节钢铁材料概述一、非合金钢 非合金钢又称碳素钢，是指碳的质量分数wC 1.5，不含特意加入的合金元素，而含有少量的S、P、Si、Mn等杂质的铁碳合金的总称。碳素钢有冶炼容易、资源丰富、价格低廉的特点，同时具备优良的性能。因此，在工程建筑、交通运输、机械制造和国防等部门得到广泛应用，被大量用于制造工程结构、机械零件和各种工具等。这类钢材常被加
2、工成角钢、槽钢、工字钢等各种型钢以及钢板、扁钢、棒材等供用户选用。碳素钢的产量约占全部钢产量的70%以上。1.碳的影响碳是钢中最主要的元素之一，对钢的性能起着决定性的作用，尤其是对力学性能的影响更为显著，如图3-1所示。由图3-1可知，在碳的质量分数小于0.77的碳素钢中。随碳的质量分数增加，钢的强度(Rm)和硬度(HBW)升高，而塑性(A、Z)和韧性(aK)降低。当碳的质量分数超过1.0以后，硬度虽继续升高，但强度、塑性和韧性都降低、脆性增大。这是由于wC1.0%后，析出的二次渗碳体以网状分布在珠光体晶粒周围的晶界上，削弱了晶粒结合力，加大了钢的脆性，从而也使强度急剧降低。2.杂质元素(S、
3、P)的影响 (1)硫的影响硫是钢中的主要杂质之一，对钢的性能影响很大。在室温下钢中的硫一般不溶于铁，而与铁化合生成低熔点(熔点约为1190)的化合物FeS；还会进一步与铁发生共晶，生成熔点更低的共晶体FeS-Fe(熔点为985)，共晶体分布在钢中晶粒间的界面上。(2)磷的影响磷也是钢中主要杂质之一，对钢的性能产生较大的影响。磷在高温时溶解于铁中，而低温时则以Fe3P(硬脆化合物)的形式析出于晶界上，削弱了晶界的强度，降低了金属的塑性和韧性。而且温度越低，脆性越明显。这种在常温下出现的脆性称为“冷脆性”。冷脆给低温下使用的金属带来了很大的危害，容易发生低温下的脆断现象，给冷变形加工也带来了开裂的
4、可能性。3.锰的影响 锰有较强的脱氧能力，常作为冶炼时的脱氧剂加入钢中，以提高钢液质量。锰在钢中能提高钢的强度和硬度。因此，适当提高锰在碳钢中的含量，有利于提高碳钢的强度，如优质碳素钢Mn的质量分数为0.71.2。如制造强度比较高的传动轴，可以用40Mn代替45钢制造。锰在钢中能与硫首先生产高熔点的(熔点为1620)硫化物MnS，从而减轻了硫在钢中的有害作用。所以，冶炼时加入适量的锰，不但能清除FeO，还能清除硫的有害影响。4.硅的影响 硅也有较强的脱氧能力，加入钢中能清除FeO，改善钢的质量。硅能提高钢的强度和硬度，故被看作钢中的有益元素。但是，硅能促使钢中碳化物Fe3C分解，从而破坏了钢的
5、组织，使钢的力学性能降低。所以，冶炼时要适当控制硅的含量，目前碳钢中Si的质量分数均小于0.4。从上述可知，钢的质量主要取决于S、P的含量，工业上常以它们的含量来确定钢的质量等级，将其分为普通钢、优质钢和高级优质钢。二、合金钢 现代工业和科技的迅速发展对材料提出越来越高的要求，不仅要求产品工作性能好、效率高、寿命长、体积小、重量轻、成本低，有的还必须适应在各种恶劣环境条件下工作。碳素钢虽然有许多优点，但不能满足一些特殊条件对材料物理、化学和工艺性能的要求，所以应用范围受到一定限制，从而发展了合金钢。为了改善和提高碳素钢的使用性能和工艺性能，在冶炼过程中特意加入一种或几种合金元素，这一类钢称为合
6、金钢。加入钢中的合金元素常见的有Mn、Si、Cr、W、Mo、V、Nb、Ni等。钢中加入合金元素能改善钢的使用性能和工艺性能，使合金钢得到碳素钢难以胜任的性能要求，一方面是因为合金元素与铁、碳相互作用改变了钢中各相的成分和性质；另一方面是因为合金元素在热处理过程中对各相和组织的形成条件发生深刻影响。1.合金元素与铁的作用(1)合金元素能溶解在铁中并强化铁素体和奥氏体所有的合金元素都能够不同程度地溶解在两种晶格的铁中，其中大部分合金元素的原子半径与铁相差不多(小于15)，都能或多或少地以置换式固溶于两种晶格的铁中。而原子半径比铁小得多的元素，如硼和氮，则以间隙式固溶于铁中。可以这样说，所有溶解于-
7、Fe形成合金铁素体的合金元素都能通过固溶强化的途径不同程度地改变铁素体的力学性能。图3-2表明几种合金元素对铁素体硬度的影响。可以看出除P外，Si、Mn的固溶强化效果最大，这正是Si、Mn在合金结构钢中应用广泛的主要原因之一。合金元素固溶于-Fe也起着强化合金奥氏体的作用。奥氏体合金化程度越高，固溶强化的效果越显著。这就是大部分合金钢在高温奥氏体状态受力变形时，其变形抗力比碳素钢高的原因。应当指出，用合金元素强化铁素体以提高钢室温强度的办法在一些不需要经受热处理的低碳合金结构钢中获得广泛应用，这类钢经热轧后的强度比相同含碳量的碳素钢的强度高约1/3以上。至于用合金元素强化奥氏体也已成为发展耐热
8、钢、提高钢高温强度的重要途径之一。(2)合金元素溶于铁，能改变铁的同素异构转变温度与碳的作用相仿，当合金元素溶于铁后，也能改变铁的同素异构转变温度。根据合金元素对铁的同素异构转变影响不同，可以分为两类。其中一类合金元素和碳的作用相同，它们使A4点上升，A3点下降，属于扩大相区元素。锰与铬对相区的影响如图3-3所示。这类元素有锰、镍、铜、氮等，其中多数元素和碳一样，当含量增多把相区扩大到一定程度，奥氏体就发生共析反应，或向其他晶格转变。至于锰和镍，随着含量的增多可以把相区扩大到室温，这时奥氏体便在室温条件下被稳定地保持下来。工业中含Mn、Ni量高的钢，如耐磨的高碳高锰钢、铬镍不锈钢和铬镍耐热钢等
9、，就属于奥氏体钢。2.合金元素与碳的作用 虽然合金元素能通过固溶于-Fe中提高铁素体的强度和硬度，但在无碳的情况下，强度、硬度的提高幅度远远不能满足某些产品(如刀具、弹簧)对硬度的要求。因此，必须通过形成碳化物来提高合金钢的强度与硬度。所以在合金钢中，碳仍然是提高强度与硬度的主要元素。下面我们就碳与合金元素的作用与碳对稳定状态下组织的影响进行讨论。(1)合金元素与碳结合，通过形成碳化物来强化铁素体基体按照与碳的结合能力，可将钢中合金元素分为两类：不形成碳化物的元素和形成碳化物的元素。钢中不形成碳化物的合金元素有Si、Al、Co、Ni和Cu，它们在钢中不仅本身不与碳生成碳化物，而且还具有促使渗碳
10、体分解形成石墨的倾向，例如Si和Ni。它们主要固溶于铁素体中。钢中只要有形成碳化物的元素存在，渗碳体(Fe3C)就不是唯一形式的碳化物，而是随着合金元素与碳的结合能力，以及合金元素和碳的含量等因素形成不同类型的碳化物。其中与碳结合能力很强的合金元素，如Ti、Nb、V，它们能与碳单独结合，形成所谓特殊碳化物，如TiC、NbC、VC。与碳结合能力中等程度的合金元素，如W、Mo和Cr，当它们含量较低时，则溶于渗碳体，形成合金渗碳体，如(FeMo)3C和(FeCr)3C。而当它们含量增高时，渗碳体晶格中容纳不下时，就形成复杂碳化物，如Cr7C3、Cr23C6等。(2)合金元素降低碳在奥氏体中的溶解度，
11、影响钢的组织和性能合金元素与碳作用的结果，不仅有的形成合金碳化物，并且几乎所有合金元素都不同程度地排挤奥氏体中的碳，即降低碳在合金奥氏体中的溶解度，这表现为铁碳相图上的E、S点向左移动，如图3-4所示。ES线上E点左移，意味着合金元素的存在打破了铁碳合金以wC为2.11作为钢和生铁的分界线，即在wC低于2.11时生铁中的共晶转变产物亦可出现在高碳合金钢中。例如，含wCr12和wW18的两种钢，E点所对应的硼wC相应为0.8和0.3。这样，当钢中wC分别高于0.8和0.3时，在钢的组织中就有莱氏体出现。在这里，出现了一个组织类型与碳素钢完全不同的钢种，即由于合金元素使E点左移，某些高碳合金钢就得
12、到莱氏体钢。3.合金元素对钢在冷却时奥氏体转变和马氏体形成的影响 所有固溶于奥氏体的合金元素(除钴外)都能不同程度地增加过冷奥氏体的稳定性，即减缓奥氏体向铁素体和碳化物的转变过程。图3-5为各种合金元素对奥氏体等温转变图位置(图3-5a)和形状(图3-5b)的影响的示意图。从图中可以看到，除Co外，合金元素的加入均使等温转变图向右移。其中Ni、Mn、Si、Cu等使等温转变图右移，但不改变其形状；Cr、Mo、W、V还改变等温转变图的形状。对于某些合金元素含量较高(总质量分数大于3)的钢，由于奥氏体稳定性高，淬火临界冷却速度降低，在空气冷却条件下就能获得马氏体组织，这类钢称为马氏体钢，其在空冷条件
13、下冷却速度与等温转变图如图3-6所示。4.合金元素对回火时组织变化影响 由于合金元素原子与铁、碳原子的相互作用，会影响钢淬火组织在回火时的转变过程。钢中合金元素对回火时的马氏体分解、残留奥氏体转变和碳化物集聚长大等转变起着阻碍或延缓的作用，即增加钢的回火稳定性。马氏体的硬度主要决定于它的碳的质量分数，而与合金元素含量关系很小。但是，合金元素在回火时阻碍或延缓马氏体中含碳量下降，使钢仍能保持高的硬度，即热硬性。含有铬、钼、钨、钒的合金钢，奥氏体经高温充分均匀化并淬火后，在500600回火时硬度有回升现象，如图3-7所示。这一现象称为二次硬化。它增三、钢的分类及编号 钢铁材料是国民经济中使用最为广
14、泛的金属材料，现代钢铁材料的发展也是极其迅速的。由于合金元素的多样性，加入钢中可以满足各种力学、物理、化学和工艺性能以及经济性的要求，而且随着市场需求的不断扩大和竞争的日益加剧，钢铁材料的品种与日俱增。1.钢的分类 对钢进行分类是为了满足各方面的要求。按照不同的目的，分类原则是不相同的。例如，按用途分类可满足使用者的要求；按金相组织和化学成分分类可便于检验和研究工作；按冶金方法分类有利于钢铁企业的管理等。当然，各种分类方法之间是有重叠的。目前国际上比较通用的分类是按化学成分分为非合金钢和合金钢，非合金钢和合金钢又按主要质量等级和主要性能或使用特性分类(GB/T 133042008，ISO 49
15、481和ISO 49482)。(1)按用途分类可分为以下三类。1)结构钢主要用于承受负荷的结构件。根据其使用的地点场合又可分为以下两类。工程构件用钢：用于建筑、桥梁、钢轨、车辆、船舶、电站、石油、化工等大型钢结构件或容器，其体积较大，一般需要进行焊接，通常不进行热处理。机器零件用钢：用于制造各种机器零件，如各种轴、盘、杆类零件、齿轮、轴承、弹簧等。这类钢材需经过机械加工或其他形式的加工后使用，一般要通过热处理进行强韧化以充分发挥钢材的潜力。(2)按金相组织分类有以下三种分类方法。1)按平衡组织分类可以分为亚共析钢、共析钢、过共析钢、莱氏体钢。2)按正火组织分类可以分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体
16、钢、奥氏体钢。但应注意，这种分类方法与钢材尺寸有关，因而是有条件的。通常是以?25mm直径的圆钢奥氏体化后在静止空气中冷却所得到的组织为准。这是因为正火空冷的冷却速度随钢材尺寸的不同而改变。3)按加热冷却时是否发生相变分类可以分为铁素体钢、奥氏体钢、半铁素体或半马氏体的复相钢。(3)按化学成分分类有以下两种分类方法。1)按钢中主要合金元素的名称分类可分为铬钢、锰钢、铬镍钢、铬锰硅钢等。2)按质量主要以杂质元素S、P的限制含量来划分，有A、B、C、D、E五个等级。(4)按冶炼方法分类根据冶炼方法和设备的不同，钢材可以分为转炉钢、电炉钢(包括电弧炉钢、感应炉钢)、真空感应炉钢、电渣炉钢等，平炉炼钢
17、已趋淘汰。2.钢的编号方法 钢材的种类繁多，需要进行编号予以标识。目前，世界各国的钢牌号表示方法大体上有两种，一种是用数字与元素化学符号(或代号)混合编号，中国、俄罗斯、德国等国采用此种方法；一种是按数字编号，美国、日本、英国等国家采用此种方法。为了与国际标准接轨，我国制订了数字编号的GB/T 176161998钢铁及合金牌号统一数字代号体系，与现行的GB/T 2212008钢铁产品牌号表示方法同时并用，两者均有效。(1)我国钢材编号的基本方法(GB/T 2212008)我国现行的钢铁材料表示方法是按国家标准(GB/T 2212008)规定，采用数字、化学元素符号和作为代号的汉语拼音字母相结合
18、的编号方法。1)碳素结构钢和低合金结构钢。这类钢分为通用钢和专用钢两类。通用结构钢表示方法是由屈服强度第一个字母Q、屈服强度数值、质量等级、脱氧方法符号四个部分按顺序组成。2)优质碳素结构钢。优质碳素结构钢以平均碳的质量分数的万分之几表示。3)碳素工具钢。碳素工具钢以符号T(碳)标识，其后以平均碳的质量分数的千分之几表示；含锰量较高的碳素工具钢，应将锰元素标出；高级优质钢末尾加“A”。4)合金结构钢。合金结构钢按平均含碳量、合金元素化学符号及含量的顺序表示，平均含碳量以万分之几表示，合金元素平均含量以百分之几表示。合金元素平均质量分数小于1.5时，仅标明元素名称而不注明含量。5)合金工具钢。合
19、金工具钢的含碳量是以千分之几表示的，这与合金结构钢是有区别的，而且当钢中的wC1.0时，不再标出含碳量；其合金元素的表示方法与合金结构钢相同。6)特殊性能钢。特殊性能钢与合金工具钢的表示方法基本相同。例如，0Cr13表示wC0.08%，wCr为12.513.5的不锈钢。(2)我国钢铁牌号统一数字代号体系(GB/T 176161998)由固定的6位符号组成统一数字代号，左边第一位用大写的拉丁字母作前缀(一般不使用“I”和“O”字母)。结构型式统一数字代号结构型式如下：第二节工程结构用钢 工程结构用钢的工作特点和性能要求是基本上长期承受静载荷，偶尔有动载荷，所以要求结构用钢要有较高的强度，一定的塑
20、性和抗过载能力；在寒冷地区使用的结构用钢，要求有较低的韧脆转变温度和良好的韧性；由于工程结构用钢需要进行焊接或冷压力加工，因此要求结构用钢要有良好的焊接性和冷变形性能；工程结构用钢长期使用于露天和野外，桥梁、船舶、石油钻井平台还长期与海水接触，因而还要求结构用钢要有良好的耐大气腐蚀性和耐海水腐蚀性能。随着工业发展和科技进步，工程结构用钢有了迅速的发展，其强韧性、焊接性、耐候性、耐海水腐蚀性等都有了很大的提高。历史上工程结构用钢的发展大体上经历了以下几个阶段。1)最早的工程结构用钢是采用铆钉连接，设计上追求强度，还没有认识到韧性，特别是韧脆转变温度对工程构件的重要意义，更没有考虑到大气腐蚀和海水
21、腐蚀的问题。因此，钢的含碳量普遍较高，一般wC约在0.3左右，有时wC甚至达到了0.5，钢材以热轧态供货。2)焊接技术的发展使之成为连接结构用钢的主要方法。从焊接性上考虑，要求降低钢中的含碳量，但为了保持强度，钢中的锰含量有所增加。3)在焊接结构的大量使用中发现了脆性断裂，特别是在二战时期的舰船上，这使人们认识到冲击韧度、脆性转变温度、断裂韧度的重要性。4)利用Ni、AlN细化晶粒的作用提高强韧性，可将屈服强度从225MPa提高到300MPa，韧脆转变温度降低到0，高强度结构钢具有良好的焊接性；耐候钢达到了不涂漆而耐大气腐蚀的水平。但是这种方法只能在正火状态使用。5)在保持原有的低碳、一定的含
22、锰量晶粒细化的前提下，利用NbC、VC、TiC的析出强化进一步提高钢的屈服强度。一、碳素结构钢 碳素结构钢按国家标准分为一般用途碳素结构钢和优质碳素结构钢。1.一般用途碳素结构钢 这类钢含有害杂质和非金属夹杂物较多，质量较低，但冶炼容易，生产周期短，转炉、平炉均能冶炼，价格低廉并有良好的工艺性能，而且力学性能也能满足一般使用要求。碳素结构钢的牌号，按国家标准GB/T 7002006的规定，由四部分组成：第一部分表示屈服强度的字母(Q)；第二部分为屈服强度的数值(单位为MPa)；第三部分为质量等级符号(A、B级，硫、磷含量较多；C、D级，硫、磷含量少，质量好)；第四部分为脱氧方法符号(“F”为沸
23、腾钢，“Z”为镇静钢，“TZ”为特殊镇静钢)。如：碳素结构钢一般以热轧空冷状态供应。新国标中脱氧方法取消了半镇静钢。Q195钢碳的含量低，塑性好，常用于制作铁钉及各种薄板；如黑铁皮、白铁皮(镀锌薄钢板)、可锻铸铁(镀锡薄钢板)等，适应冷作加工。此外，也可以用来代替08钢、10钢等优质碳素结构钢，用作冲压板材或焊接结构件。其余三种牌号的钢中，凡A级钢一般不用于制造需经锻压、热处理的工程结构或机器零件，只用于制作受力不大的螺钉、螺母、铆钉及不重要的渗碳零件等；B级以上的钢可以用来制作较重要的机器零件、船用板材，替代优质碳素结构钢以降低造价，也可以进行适当的热处理改善其性能。2.优质碳素结构钢 优质
24、碳素结构钢是目前机械制造行业的主要用钢之一。由于含碳量波动小，硫、磷的含量低，质量好，可以满足大多数零件的使用要求，并有良好的工艺性能，因此，又称机械用钢。优质碳素结构钢含碳量的范围比较宽，因此性能的差异比较大，用途也不同。按含锰量的高低，又可分为普通含锰量与较高含锰量两类，后者的强度比前者高，但塑性稍低。若锰的质量分数为0.71.2，那么在牌号后面需加上元素符号Mn来表示。如：优质碳素结构钢的实际应用，按含碳量的高低可以近似的分为三个层次，即：(1)低碳类优质碳素结构钢这类钢含碳量低，常用的低碳类优质碳素结构钢牌号、成分、力学性能，见表3-3。08F含碳量很低，强度、硬度低，塑性、韧性好，很
25、少直接制作机器零件使用，多数轧成板材，供冷冲压使用或制成容器、电器元件等。20钢含碳量低，强度、硬度略高于08F，塑性、韧性较好，但切削性能差，可用于制作承载小的渗碳零件，如小轴、轴套、链条的滚子、小齿轮等。(2)中碳类优质碳素结构钢中碳类优质碳素结构钢属于调质钢。这类钢碳的质量分数在0.250.60范围内，硫、磷、锰的含量与低碳类优质碳素结构钢相同。常用的中碳类优质碳素结构钢的牌号、成分及其力学性能见表3-4。这类钢由于含碳量适中，所以强度、硬度、塑性和韧性都较好，若经调质热处理后，可达到强度和硬度、塑性和韧性之间良好的配合，是制造要求具有综合力学性能零件的理想钢种，而且具有良好的切削加工性
26、能。(3)高碳类优质碳素结构钢高碳类优质碳素结构钢主要属于弹簧钢系列。这类钢碳的质量分数约在0.600.85范围内。这类钢由于含碳量高，所以强度、硬度高，而塑性、韧性差。但经过热处理或冷变形后，具有较高的强度、弹性和韧性，宜作弹簧及弹性零件，以及某些工具。如60钢属含碳量偏低的弹簧钢，尚有一定的塑性、可冷拉成钢丝，在冷态下制成弹簧。因冷拉后产生加工硬化、所以强度比较好，制成弹簧后不需进行淬火强化，只作适当的除应力处理即可使用。65Mn，由于增加了锰的含量，故强度较高，淬透性比较好，常以热轧状态供应，在热态下制成弹簧，再淬火强化。此外，也可以冷轧成钢板、钢带和钢丝，制作弹簧。65Mn也可以制作工
27、具，如钳工的划针等。二、低合金结构钢 低合金结构钢也称为低合金高强度钢，国外叫做High Strength Low Alloy Steel，简称HSLA钢。低合金结构钢的冶金生产比较简单，大部分用转炉冶炼，也可以用电炉熔炼，轧钢工艺与碳素结构钢相近。其屈服强度比碳素结构钢高50100，可以减轻钢结构的重量，节省钢材。并且合金元素，特别是价格高的合金元素用量少，价格便宜，因而低合金结构钢在工农业生产中的应用越来越广泛。1.低合金结构钢的性能要求 低合金结构钢的主要目的是为了减轻金属结构的重量，节省钢材，提高其可靠性。因此，首先要求这种钢具有高的屈服强度。低合金结构钢按屈服强度每增加约50MPa为
28、一个级别，分为Q295(300)、Q345(350)、Q390(400)、Q420(450)、Q460MPa等几个强度级别。国外还经常按抗拉强度级别分类。2.常见低合金高强度钢 1)Q295(300MPa级)钢(代替GB/T 15911988中规定的09MnV、09MnNb、09Mn2、12Mn等钢号)。12Mn钢是300MPa级中一个较好的钢种。综合力学性能好，生产工艺简单。可用于船舶、容器、油罐和其他金属结构。在温度450时，其屈服强度为200210MPa。12Mn钢在热轧状态、正火状态的各种性能满足中、低压锅炉钢板的性能要求，也可用于有低温要求的工程上。2)Q345(350MPa级)钢(
29、代替GB/T 15911988中规定的12MnV、14MnNb、16Mn、16MnRE18Nb等钢号)。16Mn钢是最具代表性、开发最早、使用最多的钢种，具有良好的综合力学性能和焊接性。其屈服强度比Q235钢提高50左右，耐大气腐蚀性提高约20%30，低温冲击韧度也比Q235钢优越。但其缺口敏感性较碳钢大，在有缺口存在时，疲劳强度降低，加工时应严格注意。3)Q390(400MPa级)钢(代替GB/T 15911988中的15MnV、15MnTi、16MnNb等钢号)。15MnV钢在热轧状态就具有良好的综合力学性能、可加工性和焊接性。在一定范围内，钢中的V能细化晶粒，形成的VC产生弥散硬化，从而
30、提高钢的强度。正火后，韧性提高，强度有所下降。为了获得良好的综合力学性能，对于厚度大于25mm的钢板，应在正火状态下使用，正火温度一般为880，抗拉强度大于600MPa，伸长率大于25。此类钢用于制造压力容器、船舶、桥梁、车辆、起重机械等。4)14MnMoV钢加入wMo0.5，提高了钢的屈服强度和高温力学性能，特别适合于生产厚度在60mm以上的厚钢板，以满足高压锅炉汽包及高压容器的需要。14MnMoVB钢加入Mo、B，使等温转变图上部的珠光体转变曲线右移，而对等温转变图下部的贝氏体转变曲线影响很小。正火后得到大量贝氏体组织，强度显著提高。Mn、V具有强化作用，屈服强度不仅能净化钢材，而且使钢表
31、面的氧化膜致密，使钢具有一定的耐热性，可在500以下使用，多用于石油、化工的中高温容器。3.特殊性能低合金高强度钢 特殊钢是指具有特殊化学成分、采用特殊工艺生产、具备特殊组织和性能、能够满足特殊需要的钢类。特殊钢在国民经济中占有极其重要的地位，是国民经济各部门不可缺少的重要基础材料，其产量、质量和品种反映出一个国家工业化和科学技术发展的水平，是一个国家工业化水平的重要标志之一。随着知识经济和高技术产业的迅猛发展，对特殊钢提出高性能、多样化、低成本、节约能源，并符合环保和可持续发展的要求。我国特殊钢行业经过 (1)耐候钢低合金耐候钢是以保证力学性能为主，适当提高耐大气腐蚀性以延长钢结构件使用寿命
32、的一类钢，分为焊接结构用耐候钢和高耐候钢两类。1)焊接结构用耐候钢是在钢中加入少量的合金元素，如Cu、Cr、Ni等，使其在金属基体表面上形成保护层，以提高钢材的耐候性能，同时保持钢材具有良好的焊接性能。为了改善钢的性能，可以添加一种或多种微量合金元素，添加量应符合国标规定。2)高耐候钢是在钢中加入少量的合金元素，如Cu、P、Cr、Ni等，使其在金属基体表面上形成保护层，以提高钢材的耐候性能，这类钢的耐候性能优于焊接结构用耐候钢。(2)耐海水腐蚀钢我国研制开发的耐海水腐蚀用钢中以10CrMoAl为代表性钢种。通过在海水管线、海水冷却器及某些制盐设备上的实际使用考验，10CrMoAl钢的使用寿命比
33、普通碳素钢提高一倍以上。由于海水腐蚀的复杂性，这些低合金钢只能比碳钢有所改善，不能真正解决耐海水腐蚀的问题。在实际使用中，还要靠涂装、阴极保护、包覆耐蚀合金或高分子合成材料，以及增加钢材厚度等措施加以弥补。(3)表面处理钢材钢的腐蚀都是从表面开始的。整体合金化加入的合金元素90以上没有发挥作用，反而增加了成本，有时还恶化了工艺性能。钢材表面镀涂耐蚀合金或有机涂料，既经济又能显著提高其耐蚀性。由于薄板使用量大面广，且表面腐蚀问题较为突出.(4)石油、天然气管道钢近年来，石油、天然气的管道输送发展迅速。在石油、天然气中，大都含有硫化氢气体，容易造成硫化氢应力腐蚀。为此，我国研制开发了PU系列耐硫化
34、氢腐蚀的低合金高强度管道钢，其抗拉强度达到900MPa。(5)工程机械用钢与可焊接高强度钢工程机械如挖掘机、推土机、起重运输机、混凝土机械等，其中的多种重要部件要求具有相当高的强度，如抗拉强度为6901080MPa，同时要求有高的耐磨性、良好的焊接性，即可焊、耐磨、高强度钢。(6)钢筋钢钢筋钢属于建筑结构用钢，制定有专门的规范和标准，有热轧光圆钢筋、热轧带肋钢筋和冷轧带肋钢筋、余热处理钢筋以及预应力混凝土用钢丝等。(7)钢轨钢钢轨钢一般都是wC0.550.75的高碳钢，在我国常将其划归为“低合金钢”。钢轨要求必须同时具有高强度和高耐磨性，并要求有十分良好的耐疲劳性能，其抗拉强度要求达到7859
35、80MPa，硬度达到270300HBW。第三节机器零件用钢及工模具用钢一、机器零件用钢 机器零件用钢是机械制造业广泛使用并且用量较大的钢种，常见的机器零件是汽车、拖拉机、机床、电站设备、矿山机械的轴类、齿轮、连杆、弹簧、紧固件、轴承等。下面将从生产工艺的角度对其进行介绍。1.调质钢 调质钢是指经过调质处理，即淬火并经高温回火后使用的结构钢。通过调质处理后所得组织为回火索氏体组织。调质钢通常具有良好的综合力学性能，是应用最为广泛的机器零件用钢。第一类是中碳钢，如5钢、40钢、45钢。其淬透性低，水淬临界直径1017mm，由于需要水淬，故热处理变形较大；强度低，伸长率为20时，抗拉强度约为8009
36、00MPa。但因其价格便宜，来源广泛，在机器制造业中广泛应用。对表面硬度要求高的零件，需要进行高频或火焰表面淬火。第二类是低合金调质钢，以40Cr钢为代表。其淬透性比碳钢有较大提高，油淬临界直径可达1730mm，水淬临界直径30mm以上。由于可用油淬，其热处理变形比碳钢要小；强度高于中碳钢，伸长率20时，抗拉强度可达1000MPa，具有较好的综合力学性能，较高的疲劳强度。2.渗碳钢、氮化钢及低淬透性钢 机器零件在工作时受到周期性变化的氛围力和弯曲力的作用，同时还与其他零件之间有相对的摩擦和磨损，并有很高的接触应力。这类机器零件要求有高的屈服强度、一定的冲击韧度、高的弯曲疲劳和接触疲劳强度极高的
37、耐磨性。对这类零件通常采用表面强化的方法来满足力学性能要求，如表面渗碳、碳氮共渗、氮化、表面淬火等。第一类：碳素渗碳钢，常用的有15钢、20钢。碳素渗碳钢淬透性低，故必须用水淬，从而使零件的变形量增大，所以一般只用于形状简单、强度要求不高的耐磨件，如套筒、小轴、链条等。第二类：低淬透性渗碳钢，常用的有20Cr、20MnV、20Mn2V、20CrNi等。这类钢具有一定的淬透性和心部强度，油冷时心部可以得到贝氏体组织。此类钢有代表性的是20Cr钢，目前被国内外广泛使用。20Cr钢与相同含碳量的碳素钢相比，其强度和淬透性均明显提高。第三类：中淬透性渗碳钢，常用的有20CrMn、20CrMnTi、20
38、CrMnMo、20MnTiB、20MnMoB、20MnVB等。这类合金渗碳钢具有较高的淬透性和心部强度，其心部极限强度为8001200MPa，是汽车、拖拉机、矿山机械、机床制造中应用最为广泛的渗碳钢，适合制造心部强度要求较高的齿轮。20MnCr5是从德国引进的钢号，相当于我国的20CrMn。其中，20CrMnTi钢在我国大量应用，国外则大量使用20CrMnMo钢。第四类：高淬透性渗碳钢，常用的有20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W等。这类钢中的20Cr2Ni4A和18Cr2Ni4W是两个性能优良的含Ni渗碳钢，Ni不但提高淬透性，而且在含量很高(质量分数达5)时仍能提高各种热处理状态下钢的韧性
39、，并可显著改善钢的冲击疲劳抗力。3.低碳马氏体型结构钢 低碳马氏体型结构钢是一类非常重要的钢种。一般中碳结构钢采用淬火+高温回火热处理，势必牺牲强度而保持较高的塑性和韧性；若采用淬火+低温回火，虽然可以获得高的强度，但又显得塑性、韧性不足。而低碳钢经淬火、低温回火形成的板条状位错马氏体、板条相界的残留奥氏体薄膜和板条内部析出的细小分散碳化物组织可以获得强度、韧性、塑性的最佳配合。4.冷镦冷锻和冷挤压用钢 在现代化的机器制造业(如汽车、拖拉机等行业)中，广泛采用冷锻冷镦或冷挤压工艺生产互换性较高的标准零件和其他零件，如螺钉、螺栓、齿轮等。冷锻冷镦和冷挤压工艺的优点在于：零件尺寸精度高，表面粗糙度
40、低，材料利用率高，生产量大，生产效率高，成本低，比常规的热锻和机械加工工艺简单。5.易切削钢 随着汽车工业和自动机床技术的发展，人们开发了各种切削性能良好的易切削钢以发挥自动机床的效能，提高切削速度，延长刃具的使用寿命，同时还为广泛应用高强度钢创造了条件。钢的切削性能主要取决于非金属夹杂物的类型、大小、形态、分布、体积分数等。钢中加入一定量的S、P、Pb、Bi、Se、Te、Ca等元素是改善钢的切削加工性能的有效方法。这些元素与钢中的其他元素形成非金属夹杂物或金属间化合物，或以自由金属态的形式存在。6.非调质钢与贝氏体钢 非调质钢与贝氏体钢均属于新型的机器零件用钢，其共同的特点在于简化生产工艺，
41、取消淬火高温回火工序，减少淬火变形及矫正的工作量，从而达到降低能耗和生产成本的目的。同时，这两类钢还具有很好的使用性能，如强韧性、高疲劳和耐磨损性。与合金调质钢相比，还有合金元素用量少的特点。7.弹簧钢 弹簧是机器上的重要部件，其主要作用是储存能量和减轻振动。弹簧可分为板弹簧和螺旋弹簧两种，其中螺旋弹簧又可分为压力、拉力、扭力弹簧三种。板弹簧的受力以反复弯曲应力为主，同时还承受冲击负荷和振动。板弹簧的棱角和中心孔处应力集中非常明显，其失效形式绝大多数是疲劳破坏。螺旋弹簧不论是受拉还是受压，其承受的应力主要是扭转应力，最大应力在螺旋弹簧的内表面。在动载荷作用下，弹簧的破坏形式是疲劳，疲劳源一般位
42、于弹簧的内表面。因此，提高疲劳强度是提高弹簧使用寿命的主要方法。8.轴承钢 轴承钢是机械工业中的基础零件之一，各种机械的转动部分都离不开轴承。随着现代技术的发展，滚动轴承的使用量越来越大，对轴承的要求也越来越高，如高精度、高可靠性、长寿命等。对某些特殊环境中使用的轴承，还要求具有耐高温、耐腐蚀、无磁性、耐低温、抗辐射等性能。9.特殊用途钢(1)耐磨钢由于磨损形式不同，工况条件各异，处于研究开发中的耐磨钢铁品种有数十种之多，它们大体上分属以下两种类别：耐磨钢，包括耐磨低合金钢、奥氏体锰钢、空冷贝氏体钢、奥氏体-贝氏体耐磨钢等；耐磨铸铁，包括高铬耐磨铸铁、抗磨中锰球铁、奥氏体-贝氏体球铁等。(2)
43、低温用钢随着科学技术的发展，在低温下使用的机械装备越来越多，对低温用钢的需求也越来越大，如制冷行业、液化石油气、各种液化气体(如液氢、液氧、液氮等)的储运和使用，以及低温超导装置等都需要低温用钢。(3)大锻件用钢在选择大锻件用钢时，应根据锻件的尺寸、力学性能的要求，零件的服役条件和工艺性能等因素来考虑。大锻件用钢的性能要求：锻件冶金质量好，材料性能均匀，不应有裂纹、白点、缩孔、折叠、过度的偏析以及超过允许的夹杂和疏松；锻件经最终热处理后，具有较低的残余应力。二、工模具用钢 对各种各样的材料进行加工，需要使用各种形式的工具，其中包括各种刃具，冷、热成形模具和量具等。工具加工的对象大部分是金属材料
44、，因而用来制造工具的钢，其硬度和耐磨性应高于被加工材料。工具钢按照其用途不同可分为刃具钢、量具钢、模具钢三大类。许多工具钢还被用来制造机器零件，以满足一些特殊使用条件的要求。如抗高温软化的弹簧、内燃机的阀门和各种类型的轴承等。刃具钢主要是用来制造切削加工的工具，如车刀、刨刀、铣刀、滚刀、钻头、丝锥、板牙、锯条和锉刀等。在切削加工中，刃具与工件相对运动，使被切削工件的局部形成切屑而脱离工件。因此，各种类型的刃具都不同程度地承受着压应力、弯曲应力、扭转应力以及冲击和振动，并产生强烈的机械摩擦等。刃具的正常失效形式是刃口部分磨钝；崩刃、折断和塑性变形则属于不正常的失效。刃具与工件之间强烈的摩擦产生大
45、量的热，使工件和刃具的温度同时升高。1.刃具钢 碳素工具钢的含碳量对其性能影响较大，含碳量越高，钢的耐磨性越好，而韧性越差。常用的碳素工具钢有T7、T8、T9、T10、T11 T12、T13，其中T7、T8钢的韧性较好，而耐磨性较低，适合制作一些受冲击负荷的刃具；T10、T11钢强度、硬度较高，耐磨性较好，有一定的韧性，适合制造耐磨性要求较高的刃具和工具，应用比较广泛；而T12和T13钢，淬火后有较多的剩余碳化物，硬度和耐磨性高，但韧性略显低一些，用于不受冲击载荷的工具。除了含碳量的影响外，钢中的杂质、成分偏析、非金属夹杂物以及渗碳体的形态和分布等均对碳素工具钢的性能有较大的影响。2.量具钢
46、量具钢是用来制造测量工件尺寸的工具，如量规、卡尺、塞规、样板等。量具是用来度量工件尺寸的工具，如卡尺、千分尺、块规、卡规等。量具在使用中经常与被测工件接触、摩擦、碰撞，量具本身也必须具有高的尺寸精度和尺寸稳定性。因此，量具的要求为：高的硬度(5864HRC)和耐磨性，避免因磨损而降低尺寸精度；高的尺寸稳定性，在长期使用或旋转中尺寸不能发生变化；足够的韧性，以避免因碰撞而损坏；有时还要求具有耐腐蚀性。1)一般量具形状简单，精度要求不高。尺寸较小的量具，采用碳素工具钢制造.2)精度要求高的量具常用低合金工具钢制造，如GCr15、CrWMn、Cr2、CrMn等。若尺寸稳定性和耐磨性要求特别高，可用C
47、r12MoV冷作模具钢或38CrMoAl氮化钢制造。3)在腐蚀条件下使用的量具，可选用马氏体不锈钢4Cr13、9Cr18钢制造。3.模具钢 模具钢按照其加工对象和工作温度分为：冷作模具钢、热作模具钢、塑料模具钢。1)冷作模具钢是用来制造使金属在常温状态下塑性变形的模具。冷作模具包括拉延、拔丝和压变模、冲裁模(落料、冲孔、修边模、冲头、剪刀模等)、冷镦模和冷挤压模等。这类模具要求高硬度、高的耐磨性及一定的热稳定性。2)热作模具钢要求模具有高的强度、高的疲劳抗力、高硬度和高的耐磨性，同时还要求有良好的热疲劳抗力、抗氧化性的热强性，以及高的淬透性，良好的导热性。3)塑料模具钢。塑料制品在电器、仪表和
48、日常生活中的使用极为广泛，塑料制品的8090都要用模具来生产制造。随着生产的发展，对塑料成形所用的塑料模具材料需求量越来越大，并对钢的质量和性能要求越来越高。因此，塑料模具钢的基本要求近似于冷作模具钢，例如要求有足够的强度、一定的韧性、良好的耐磨性、热处理变形要小等。塑料模具钢还要求具有镜面加工性能，塑料制品的表面粗糙度值要求很低，因此模具的表面必须加工成镜面.第四节铸铁 铸铁是指碳的质量分数大于2.11的铁碳合金(工业上常用铸铁的 wC为3.04.5)，此外，还含有相当数量的合金元素和杂质，如硅、锰、硫、磷等，尤其硅的含量比较高，最高可达 wSi3.0。铸铁作为机械制造工业的重要金属材料，广
49、泛应用在汽车、拖拉机、机床、重型机器、冶金矿山机械的制造中。如制造内燃机、柴油机的气缸壳、曲轴、机床床身、导轨、重型机器的机架、箱体、机座、轴承座等。按铸铁的重量百分数计算，约占钢铁产品的一半左右。铸铁之所以被如此广泛地应用，是与其具有许多优良性能分不开的，而铸铁的优良性能又决定于铸铁的组织。一、铸铁的组织与性能特点 铸铁实质上是由各种不同形状的石墨分布在钢的基体上所构成的混合组织。因此，随着钢的基体的组织不同以及石墨所具有的形态、大小、分布的不同，可以分为许多种类，并具有各自不同的性能。按基体的组织常可以分为铁素体基体、铁素体加珠光体基体、珠光体基体等；按石墨的形态又可以分为片状、团絮状和球
50、状，如图3-9所示。组织不同以及石墨所具有的形态、大小、分布的不同，可以分为许多种类，并具有各自不同的性能。按基体的组织常可以分为铁素体基体、铁素体加珠光体基体、珠光体基体等；按石墨的形态又可以分为片状、团絮状和球状，如图3-9所示。石墨强度、硬度很低，塑性、韧性几乎为零。所以，石墨在铸铁中犹如裂纹和空洞。故常把铸铁看作是基体上布满了裂纹和空洞的钢。石墨常用符号G表示。二、铸铁的分类 铸铁按其中碳的存在形式和石墨的形状分为白口铸铁、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁。此外还有含合金元素的合金铸铁。1.白口铸铁 白口铸铁组织中的碳几乎全部以渗碳体(Fe3C)形式存在，断口呈白亮状，故称白口铸铁。因为铸铁
