第9讲非合金钢、低合金钢

非合金钢
一、碳素结构钢
碳素结构钢的硫、磷含量较多，但碳含量低，由于冶炼容易，工艺性好，价格便宜，具有较高的强度和良好的塑性与韧生。

因此，碳素结构钢广泛用于一般建筑、工程结构及普通机械零件。

约占钢材总量的70％。

Q195、Q215、Q235塑性好，有一定的强度，用于制造受力不大的零件，如：螺钉、螺母、垫圈等，焊接件、冲压件及桥梁建筑等金属结构件。

Q255、Q275强度较高，用于制造承受中等载荷的零件，如：小轴、销子、连杆、农机零件等。

二、优质碳素结构钢
Ws、Wp均≤0.035％。

这类钢随钢号数字增加，其碳的含量增加，组织中的珠光体量增加，铁素体量减少，因此钢的强度也随之增加，而塑性指标越来越低。

08F、10F钢的含碳量低，塑性好，焊接性能好，主要用于制造冲压和焊接件。

15、20、25钢属于渗碳钢。

这类钢强度低，但塑性和韧性较高，焊接性和冷冲压性都好，可以制造各种受力不大，但要求高韧性的零件，此外还可用作冷冲压件和焊接件。

渗碳钢经渗碳、淬火＋低温回火后，表面硬度可达60HRC以上，耐磨性好，而心部具有一定的强度和韧性，可用来制作表面耐磨并能承受冲击载荷的零件。

30、35、40、45、50、55钢属于调质钢，经淬火＋高温回火后，具有良好的综合力学性能，主要用于要求强度、塑性和韧性都较高的机械零件，如轴类零件。

这类钢在机械制造中应用最广泛，其中以45钢更为突出。

60、65、70钢属于弹簧钢，经淬火＋中温回火后可获得高的规定非比例伸长应力，主要用于制造弹簧等弹性零件及耐磨零件。

三、碳素工具钢
这类钢的含碳量为Wc＝0.65％～1.35％，分优质碳素工具钢与高级优质碳素工具钢两类。

牌号后加“A”的属高级优质（Ws≤0.020％，Wp≤0.030％；对平炉冶炼的钢，Ws≤0.025％）。

碳素工具钢在机械加工前一般进行球化退火，组织为F+细小均匀分布的粒状渗碳体，硬度≤217HBS。

作为刃具，最终热处理为淬火（一般为760～780℃）＋低温回火（180℃），组织为回火马氏体＋粒状渗碳体＋少量残余奥氏体。

其硬度可达60～65HRC，耐磨性和加工性都较好，价格又便宜，生产上得到广泛应用。

碳素工具钢的缺点是热硬性差，当刃部温度高于250℃时，其硬度和耐磨性会显著降低。

此外，钢的淬透性也低，水中淬透临界直径约为20㎜并容易产生淬火变形和开裂。

因此，
碳素工具钢大多用于制造刃部受热程度较低的手用工具和低速，小进给量的机用工具，亦可制作尺寸较小的模具和量具。

四、碳素铸钢
有些机械零件，例如水压机横梁、轧钢机机架、重载大齿轮等，因形状复杂，难以用锻压方法成形，用铸铁又无法满足性能要求，此时可采用铸钢件。

碳素铸钢中含碳量为Wc＝0.15～0.60％。

碳的质量分数过高则塑性差，易产生裂纹。

ZG200－400有良好的塑性、韧性和焊接性能。

ZG230－450有一定的强度和较好的塑性、韧性、焊接性能良好，切削加工性尚可。

ZG270－500有较高的强度和较好的塑性，铸造性能良好，焊接性能尚好，切削加工性能好。

ZG310－570强度和切削加工性能良好，塑性和韧性较低，用于制作承受载荷较高的各种机械零件。

ZG340－640有高的强度、硬度和耐磨性，切削加工性中等，焊接性能较差，流动性好，裂纹敏感性较大。

低合金钢
一、低合金高强度结构钢
低合金钢高强度结构钢是在碳素结构钢的基础上加入少量合金元素（Mn为主加元素）而制成的。

产品同时保证力学性能与化学成分。

1、成分特点：
⑴低碳为保证有良好的塑性与韧性，良好的焊接性能和冷成形性能，低合金高强度结构钢中碳的含量一般均较低，大多数为Wc＝0.16％～0.20％。

⑵锰为主加元素，并辅加钒、钛、铌、硅、铝、铬、镍等。

这些元素的主要作用是：加入锰、硅、铬、镍元素为强第铁素体；加入钒、铌、钛、铝等元素为细化铁素体晶粒；合金元素使S点左移，增加珠光体数量；加入碳化物形成元素（钒、铌、钛）及氮化物形成元素（铝），使细小化合物从固溶体中析出，产生弥散强化作用。

2、性能特点：
⑴良好的综合力学性能，在确保良好的塑性、韧性条件下具有高的强度，特别是把屈服点提高到265N/㎜~460N/㎜2，以便减轻结构自重，增加承载能力，节约钢材，保证安全。

⑵良好的焊接性能，较好的耐大气腐蚀性能，良好的加工工艺性能
⑶较低的韧脆转变温度（碳素结构钢的韧脆转变温度一般为－20℃左右，而低合金高强度结构则一般为－30℃左右）。

这对北方高寒地区使用的构件及运输工具，具有十分重要意义。

二、易切削结构钢
易切削结构钢是在钢中加入一种或几种能够改善其切削加工性能的元素，从而具有良好的切削加工性的钢。

目前，通常加入的元素有S、Pb、Ca、P等，主要是利用这些元素本身或与其它元素形成一种对切削加工有利的夹杂物，来改善钢的切削加工性。

S是最广泛应用的易削添加元素。

当钢中含足够量的锰时，硫主要以MnS夹杂物微粒的形式分布在钢中，并在热加工时沿压延方向排列，它能中断基体的连续性，促使形成卷曲半径小而短的切屑，减少切屑与刀具的接触面积；它还能降低切削力和切削热，减少刀具磨损（因MnS本身硬度低，仅190HV，有润滑作用），降低表面粗糙度并提高刀具寿命；改善排屑性能。

但钢中硫的含量增加过多，会导致加工性能进一步变坏，如形成纤维组织、呈现各向异性；产生低熔点共晶，引起热脆。

因此，一般易切削结构钢中的含量限定在Ws＝0.08％～0.33％范围内，同时适当提高锰的含量（WMn＝0.60％～1.55％）与之配合。

铅在钢中孤立地呈细小颗粒状均匀分布，铅颗粒可中断钢基体的连续性；同时有润滑作用，减少摩擦和切削力，利于切削加工。

少量磷溶于铁素体，可提高其强度、硬度，降低塑性和韧性，使切削屑易断并易于排除，并使零件的较低的表面粗糙度值。

但其作用较弱，很少单独使用，一般都复合地加入含硫或含铅的易切削钢中，以进一步提高切削加工性能。

加入微量钙（Wca＝0.001％～0.006％）能改善钢在高速切削下的切削加工性。

因钙在钢中形成高溶点的钙铝硅酸盐夹杂物，在高速切削情况下能防止刀具的磨损，并生成具有润滑作用的某种保护膜，使刀具寿命显著延长。

易切削结构钢牌号以字母“Y”为首，后面数字为平均碳的质量分数的万倍，对锰的含量较高的，其后标出“Mn”；对添加易削元素Pb、Ca等，应在其后标出相应的元素符号。

易切削结构钢可进行最终热处理，但一般不进行预备热处理，以免损害其切削加工性。

三、低合金耐候钢
耐候钢即耐大气腐蚀的钢，是在低碳钢基础上主要加入少量的Cu、Cr、Ni、Mo等合金元素冶炼而成，这些元素的加入可以在钢的表面形成一层保护膜，从而提高钢的耐腐蚀能力。

按其主要性能和使用特性，耐候钢分为焊接结构用耐候钢和高耐候性结构钢两大类。

前者适于制造桥梁、建筑及其它要求耐候性的结构件，如12MnCuCr；后者适于制造车辆、建筑、塔架和其它要求耐候性的钢结构，可根据不同需要制成螺栓联接、铆接和焊接的结构件，如09CuPCrNiA。

四、低合金专业用钢
为使合金高强度结构钢适应某些专业的特殊需要，对低合金高强度结构钢的成分、工艺及性能作一些相应的调整和补充规定，从而派生出了门类众多的低合金专业用钢。

例如：锅炉、压力容器、船舶、桥梁、汽车、农机、自行车、矿山等专业用低碳钢，许多都已有了相应的国家标准。

第六节机械结构用合金钢和工程结构用合金钢
机械结构用合金钢主要用于制造各种机械零件，一般须经过热处理后再使用。

按其用途、热处理特点，机械结构用合金钢可分为渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢等。

一、合金渗碳钢
合金渗碳钢通常是指经渗碳淬火及低温回火后使用的合合金钢。

1.用途。

合金渗碳钢主要用来制造性能要求较高或截面尺寸较大，且在承受较强烈的冲击作用和磨损条件下工作的渗碳零件。

例如，制作承受动载荷和重载荷的汽车变速箱齿轮和汽车后桥齿轮等。

凡是要求表面具有高的硬度和耐磨性，心部具有较高的强度和足够韧性的零件，都可采用合金渗碳钢。

2.性能特点。

合金渗碳钢的渗碳层具有优异的耐磨必、抗疲劳性及适当的塑性和韧性未渗碳的心部具有足够的强度及优良的韧性。

如心部强度不足时，则对表面硬、脆的渗碳层缺乏足够的支撑，渗碳层易破坏、剥落。

心部韧性不足时，在冲击载荷或较大过载作用下容易断裂。

合金渗碳钢具有良好的热处理工艺性能，在渗碳温度（900～950℃）下奥氏体晶粒不易明显长大。

此外，还有良好的淬透性。

3.成分特点。

合金渗碳钢中碳的含量一般在Wc＝0.10％～0.25％之间，这是为了保证渗碳零件心部具有良好的韧性。

碳素渗碳钢的淬透性低，热处理对心部的性能改变不大，加入合金元素可提高钢的淬透性，改善心部性能。

常用的合金元素有铬、镍、锰和硼等，其中以镍的作用最好。

为了细化晶粒，还加入少量阻止奥氏体晶粒篚的强碳化物形成元素，如钛、钒、钼等，它们形成的碳化物在高温渗碳时不溶解，有效地抑制渗碳时的过热现象。

4.热处理特点。

渗碳钢的预备热处理一般采用正为处理，对高淬透性的渗碳钢，则采用空冷淬火＋高温回火，以获得回火索氏体组织，改善切削加工性能。

渗碳钢的最终热处理是渗碳＋淬火＋低温回火（180～200℃），表层碳的质量分数为0.85％～1.05％，热处理后表面硬度一般为58～64HRC，具有高的耐磨性，而心部硬度较低，具有良好的塑性和韧性。

5.常用合金渗碳钢。

按其淬透性大小，合金渗碳钢分为三类：
a）低淬透性合金渗碳钢如20Cr、20Mn2等，这类钢由于淬透性不高，心部性能不很好，只适于制造承受载荷不大的大小型耐磨零件，如活塞销、凸轮轴、滑块等。

b）中淬透性合金渗碳钢，如20CrMnTi、20SiMnVB等，这类钢含有合金元素较高，其淬透性和力学性能均较高，可用来制造承受中等载荷的受磨零件，如汽车变速齿轮、花键轴套、凸轮盘等。

c）高淬透性合金渗碳钢，如20Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA等，这类钢含有较多的铬、镍等元素。

其淬透性高，甚至空冷也能淬成马氏体，渗碳层和心部的性能都非常优异，主要用来制造承受重载荷及强烈磨损的重要大型零件，如飞机、坦克的发动机齿轮。

二、合金调质钢
合金调质钢是经调质后使用的合金钢。

1.用途。

合金调质主要用来制造一些重要零件，如机床的主轴、汽车底盘的半轴、柴油机连杆螺栓等。

零件均在多种载荷下工作，承受载荷情况复杂，因此，既要求零件具有良好的综合力学性能，又要有较高的韧性。

2. 性能特点。

合金调质钢的基本性能是具有良好的综合力学性能。

但在生产实践中，由于零件承受载荷的情况不同，具体的性能要求也有差异。

对截面承受载荷均匀的零件（连杆、联接螺栓等），要求整个截面都有较高强度和韧性，对截面承受载荷不均匀的零件（弯曲或扭转的轴），只要求承受载荷较大的零件表层有较好强度和韧性，其余地方要求不高。

因此，选材时还要考虑合金调质钢的淬透性要求。

3.成分特点。

合金调质钢的含碳量一般在Wc在0.25％～0.50％之间。

碳的质量分数过低不易淬硬，回火后达不到所需要的强度；如果碳的质量分数过高，则零件韧性较差。

合金调质钢的主加元素有铬、镍、锰、硅、硼等，以增加淬透性。

锰、铬、镍、硅等在钢中除增加淬透性外，还能强化铁素体，起固溶强化作用。

辅加元素有钼、钨、钒、铝、钛等。

钼、钨的主要作用是防止或减轻第二类回火脆性，并增加回火稳定性；钒、钛的作用是细化晶粒；加铝能加速渗氮过程。

4.热处理特点。

a）预备热处理。

调质零件锻造毛坯应进行预备热处理，对珠光体类钢可在AC3以上进行正火或退火。

马氏体钢则行在AC3以上进行一次空冷淬火，然后再在AC1以下进行高温回火，获得回火索氏体组织。

b）最终热处理。

一般采用淬火后进行500～650℃的高温回火，经获得回火索氏体，使钢件具有高的综合力学性能。

通常采用调质钢制造零件，除了要求较高的强度、韧性和塑性配合外，还在其某些部位（如轴类零件的轴颈或花键部分，齿轮的轮齿表面）要求良好的耐磨性时，则可再进行表面淬火和低温回火。

对耐磨性有更高要求，而所受冲击载荷不大、热处理后尺寸要求精确的某些精密零件（如镗床镗杆、磨床主轴等），还可采用38CrMoAl钢在整体调质进行渗氮处理。

5.常用合金调质钢。

a）低淬透性合金调质钢。

这类钢油淬临界直径为30～40㎜，调质后强度比碳钢高，常用作中等截面、要求力学性能比碳钢高的工件。

属于这类钢的有锰系、硅－锰系、铬系和含硼合金调质钢，如40Cr、40MnB、40MnVB等。

在机床中应用最广的是40Cr钢。

b）中淬透性合金调质钢。

这类钢油淬临界直径为40～60㎜，调质后强度很高，韧性也较好，可作截面积大、承受较重载荷的工件。

属于这类钢的有铬－钼系、铬－锰系、铬－镍系合金调质钢，如42CrMo、40CrMn、30CrMnSi、38CrMoAlA等钢种。

c）高淬透性合金调质钢。

这类钢油淬临界直径为60～100㎜，调质后强度最高，韧性也很好，可用作大截面、承受更大载荷的重要调质件。

常用的有40CrNiMoA、40CrMnMo、25Cr2Ni4WA钢等。