碳素钢与合金钢 (2)优秀课件
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力学性能，同时也改变了钢的相变点和合金状态图。
2.1 合金元素在钢中的存在形式
➢ 强化铁素体
绝大多数合金元素都可或多或少地溶于铁素体中，形成合 金铁素体。合金元素的溶入，一是引起铁素体晶格畸变， 二是易于分布在晶体缺陷处，使位错移动困难，提高钢的 塑性变形抗力。固溶的结果，使铁素体的强度、硬度提高， 塑性、韧性有下降趋势。对常见的硅、锰、铬、镍而言， 其含量必须控制在一定范围，才能取得预期强化效果。
磷：炼钢时由生铁带入的杂质。磷能全部溶于铁素体，可提高铁素 体的强度、硬度，但急剧降低钢在室温下的塑性和韧性，使钢变脆， 称此现象为冷脆。故磷是一种有害元素，须严格控制其在钢中的含 量。
磷的有害作用在一定条件下可实现转化，如在易切钢中，把磷 的含量提高到ωP=0.05~0.15%，使铁素体脆化，可改善钢的切削 加工性。
其它元素（O、H、N）的作用：这些元素在钢中基本上是有害的。 [O]使钢的强度、塑性降低；[H]可使钢中出现白点和氢脆；[N]可 使钢产生兰脆。
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2 合金元素在钢中的作用
24.11.2020
在炼钢过程中有目的地加入的一些元素，称为合金元素。常用的合金
元素有锰（ωMn＞1%）、硅（ωSi＞0.5%）、铬、镍、钼、钨、钒、钛、 铝、钴、硼、稀土（RE）等。合金元素的加入，改变了钢的组织结构和
低合金钢 ωMe≤5％ 中合金钢 5％＜ωMe＜10％ 高合金钢 ωMe≥10％
按钢的质量分
普通质量钢 (ωs=0.035%-0.050％，ωp=0.035％-0.045％) 优质质量钢 (ωs≤0.035％，ωp≤0.035％) 高级优质钢 (ωs=0.020％-0.030％，ωp＝0.025％-0.030％) 特级优质钢 (ωs≤0.015％，ωp≤0.025％)
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硫虽然产生热脆，但对改善钢的切削加工性有利。如在硫的质 量分数较高(ωs=0.08~0.45%)的钢中适当提高锰的质量分数 （ωMn=0.7~1.55%)可形成较多的MnS，切削过程中MnS能起断 屑作用，可改善钢的切削加工性，依此特性开发出的钢称为易切削 钢。这些钢主要用于标准件的生产中。
➢ 形成合金碳化物
钒、铌、锆、钛为强碳化物形成元素，铬、钼、钨为中碳
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化物形成元素，锰为弱碳化物形成元素。
24.11.2020
合金碳化物有合金渗碳体和特殊碳化物两类。 合金渗碳体比渗碳体略为稳定，硬度也较高，是一般 低合金钢中碳化物的主要存在形式。 特殊渗碳体是与渗碳体完全不同的合金碳化物，通常 由中强或强碳化物形成元素与碳所形成。特殊碳化物，特 别是间隙相碳化物，比合金碳化物有更高的熔点、硬度与 耐磨性，并且更为稳定，不易分解。 合金碳化物的种类、性能和在钢中的分布形态直接影 响到钢的性能及热处理时的相变。如当钢中存在弥散分布 的特殊碳化物时，将显著提高钢的强度、硬度与耐磨性， 而不降低韧性，这有利于提高钢的使用性能。
碳素工具钢（刃具、模具和量具用钢）
工具钢
合金刃具钢
合金工具钢 合金模具钢
合金量具钢
不锈钢 特殊性能钢 耐热钢
耐磨钢
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2 钢中常存杂质元素及影响
24.11.2020
硅：能溶于铁素体，使铁素体强化，提高钢的强度和硬度。硅来自炼钢 时的生铁和脱氧剂硅铁。作为杂质存在时，硅的质量分数不超过0.5%， 多在ωSi=0.10-0.40% 。硅在钢中是有益元素，含量不多而作为杂质元 素存在时，对钢的性能影响不大。
沸腾钢（标F）
按钢脱氧程度分
镇静钢（标Z，可省略） 半镇静钢（标b）
特殊镇静钢（标TZ）
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按用途分
结构钢
工程结构用钢 机器零件用钢
普通碳素结构钢 合金结构钢(低合金高强度结构钢)
优质碳素结构钢 铸钢(0.15＜ωc＜0.60%) 合金结构钢（合金渗碳钢、合金调 质钢、合金弹簧钢，滚动轴承钢
锰：能溶于铁素体，使铁素体强化，也能溶于渗碳体，提高渗碳体硬度， 对钢有一定的强化作用。锰来自炼钢时的生铁和脱氧剂锰铁。锰在钢中 作为杂质元素存在时，其含量小于0.8%，是一种有益元素。
硫：来自于炼钢时的生铁和燃料。硫在固态下不溶于铁，以FeS形式存 在。FeS与Fe形成低熔点（985℃）共晶体Fe+FeS，且分布在奥氏体晶 界上。当钢在1000~1200℃进行压力加工时，由于低熔点共晶体熔化， 显著减弱晶粒之间的联系，出现晶界开裂，称此种现象为热脆。因此， 钢中硫的含量必须严格控制。炼钢时增加锰可消除硫所形成的热脆。Mn 与S形成高熔点（1620℃）的MnS，呈颗粒状分布在晶粒内，MnS在高 温时有一定塑性，可避免钢的热脆产生。
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2.2 合金元素对Fe-Fe3C相图的影响
钢中加入合金元素后，对铁碳合金相图的相区、相变温度、共析成分 等都有影响。
➢ 对临界温度的影响
降低临界温度A1、A3 Ni、Mn、Cu、Co、N等元素加入 后可使钢的A1、A3温度点降低，GS线向左下方移动，奥氏 体区扩大，这类元素大都具有面心立方晶格，当这些元素 在钢中的质量分数足够高时，将使A3降至室温以下，此时 钢为单相奥氏体组织，即奥氏体钢。该类钢具有特殊的性 能，如ZGMn13具有高耐磨性，1Cr18Ni9奥氏体钢具有 耐蚀、耐高温，并具有抗磁、无冷脆等特性。
提高临界温度A1、A3 Al、Si、Cr、W、Mo、V、Ti等元 素的加入可使钢的A1、A3温度升高，使铁素体相区扩大， 当钢中这些元素含量足够高时，钢的组织在高温及室温时 均为单相铁素体。
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➢ 改变Fe-Fe3C相图中S、E点位置 E点是钢与铸铁的分界点。碳质量分数超过此点的钢，
将出现莱氏体组织。几乎所有的合金元素均能使E点左移。 其中强碳化物形成元素如W、Ti、V、Nb的作用最为强烈。 对高合金钢W18Cr4V(ωC=0.7%-0.8%)， Cr12MoV(ωC=1.4%-1.7%)等，因E点的左移使其铸态组 织中出现了菜氏体，故此两钢均称为菜氏体钢。
机械制造基础
碳素钢与合金钢 (2)优秀课件
上海第二工业大学 机电工程学院
1 钢的分类与编号
24.11.2020
1.1 钢的分类
碳素钢（碳钢）：含碳量在0.0218％～2.11％的铁碳合金。 合金钢：在碳钢基础上添加适量合金后形成。
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24.11.2020
按化学成份分
碳素钢 合金钢
低碳钢 ωc≤0.25% 中碳钢 0.25＜ωc＜0.60% 高碳钢 ωc≥0.60%
2.1 合金元素在钢中的存在形式
➢ 强化铁素体
绝大多数合金元素都可或多或少地溶于铁素体中，形成合 金铁素体。合金元素的溶入，一是引起铁素体晶格畸变， 二是易于分布在晶体缺陷处，使位错移动困难，提高钢的 塑性变形抗力。固溶的结果，使铁素体的强度、硬度提高， 塑性、韧性有下降趋势。对常见的硅、锰、铬、镍而言， 其含量必须控制在一定范围，才能取得预期强化效果。
磷：炼钢时由生铁带入的杂质。磷能全部溶于铁素体，可提高铁素 体的强度、硬度，但急剧降低钢在室温下的塑性和韧性，使钢变脆， 称此现象为冷脆。故磷是一种有害元素，须严格控制其在钢中的含 量。
磷的有害作用在一定条件下可实现转化，如在易切钢中，把磷 的含量提高到ωP=0.05~0.15%，使铁素体脆化，可改善钢的切削 加工性。
其它元素（O、H、N）的作用：这些元素在钢中基本上是有害的。 [O]使钢的强度、塑性降低；[H]可使钢中出现白点和氢脆；[N]可 使钢产生兰脆。
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2 合金元素在钢中的作用
24.11.2020
在炼钢过程中有目的地加入的一些元素，称为合金元素。常用的合金
元素有锰（ωMn＞1%）、硅（ωSi＞0.5%）、铬、镍、钼、钨、钒、钛、 铝、钴、硼、稀土（RE）等。合金元素的加入，改变了钢的组织结构和
低合金钢 ωMe≤5％ 中合金钢 5％＜ωMe＜10％ 高合金钢 ωMe≥10％
按钢的质量分
普通质量钢 (ωs=0.035%-0.050％，ωp=0.035％-0.045％) 优质质量钢 (ωs≤0.035％，ωp≤0.035％) 高级优质钢 (ωs=0.020％-0.030％，ωp＝0.025％-0.030％) 特级优质钢 (ωs≤0.015％，ωp≤0.025％)
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硫虽然产生热脆，但对改善钢的切削加工性有利。如在硫的质 量分数较高(ωs=0.08~0.45%)的钢中适当提高锰的质量分数 （ωMn=0.7~1.55%)可形成较多的MnS，切削过程中MnS能起断 屑作用，可改善钢的切削加工性，依此特性开发出的钢称为易切削 钢。这些钢主要用于标准件的生产中。
➢ 形成合金碳化物
钒、铌、锆、钛为强碳化物形成元素，铬、钼、钨为中碳
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化物形成元素，锰为弱碳化物形成元素。
24.11.2020
合金碳化物有合金渗碳体和特殊碳化物两类。 合金渗碳体比渗碳体略为稳定，硬度也较高，是一般 低合金钢中碳化物的主要存在形式。 特殊渗碳体是与渗碳体完全不同的合金碳化物，通常 由中强或强碳化物形成元素与碳所形成。特殊碳化物，特 别是间隙相碳化物，比合金碳化物有更高的熔点、硬度与 耐磨性，并且更为稳定，不易分解。 合金碳化物的种类、性能和在钢中的分布形态直接影 响到钢的性能及热处理时的相变。如当钢中存在弥散分布 的特殊碳化物时，将显著提高钢的强度、硬度与耐磨性， 而不降低韧性，这有利于提高钢的使用性能。
碳素工具钢（刃具、模具和量具用钢）
工具钢
合金刃具钢
合金工具钢 合金模具钢
合金量具钢
不锈钢 特殊性能钢 耐热钢
耐磨钢
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2 钢中常存杂质元素及影响
24.11.2020
硅：能溶于铁素体，使铁素体强化，提高钢的强度和硬度。硅来自炼钢 时的生铁和脱氧剂硅铁。作为杂质存在时，硅的质量分数不超过0.5%， 多在ωSi=0.10-0.40% 。硅在钢中是有益元素，含量不多而作为杂质元 素存在时，对钢的性能影响不大。
沸腾钢（标F）
按钢脱氧程度分
镇静钢（标Z，可省略） 半镇静钢（标b）
特殊镇静钢（标TZ）
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24.11.2020
按用途分
结构钢
工程结构用钢 机器零件用钢
普通碳素结构钢 合金结构钢(低合金高强度结构钢)
优质碳素结构钢 铸钢(0.15＜ωc＜0.60%) 合金结构钢（合金渗碳钢、合金调 质钢、合金弹簧钢，滚动轴承钢
锰：能溶于铁素体，使铁素体强化，也能溶于渗碳体，提高渗碳体硬度， 对钢有一定的强化作用。锰来自炼钢时的生铁和脱氧剂锰铁。锰在钢中 作为杂质元素存在时，其含量小于0.8%，是一种有益元素。
硫：来自于炼钢时的生铁和燃料。硫在固态下不溶于铁，以FeS形式存 在。FeS与Fe形成低熔点（985℃）共晶体Fe+FeS，且分布在奥氏体晶 界上。当钢在1000~1200℃进行压力加工时，由于低熔点共晶体熔化， 显著减弱晶粒之间的联系，出现晶界开裂，称此种现象为热脆。因此， 钢中硫的含量必须严格控制。炼钢时增加锰可消除硫所形成的热脆。Mn 与S形成高熔点（1620℃）的MnS，呈颗粒状分布在晶粒内，MnS在高 温时有一定塑性，可避免钢的热脆产生。
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2.2 合金元素对Fe-Fe3C相图的影响
钢中加入合金元素后，对铁碳合金相图的相区、相变温度、共析成分 等都有影响。
➢ 对临界温度的影响
降低临界温度A1、A3 Ni、Mn、Cu、Co、N等元素加入 后可使钢的A1、A3温度点降低，GS线向左下方移动，奥氏 体区扩大，这类元素大都具有面心立方晶格，当这些元素 在钢中的质量分数足够高时，将使A3降至室温以下，此时 钢为单相奥氏体组织，即奥氏体钢。该类钢具有特殊的性 能，如ZGMn13具有高耐磨性，1Cr18Ni9奥氏体钢具有 耐蚀、耐高温，并具有抗磁、无冷脆等特性。
提高临界温度A1、A3 Al、Si、Cr、W、Mo、V、Ti等元 素的加入可使钢的A1、A3温度升高，使铁素体相区扩大， 当钢中这些元素含量足够高时，钢的组织在高温及室温时 均为单相铁素体。
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➢ 改变Fe-Fe3C相图中S、E点位置 E点是钢与铸铁的分界点。碳质量分数超过此点的钢，
将出现莱氏体组织。几乎所有的合金元素均能使E点左移。 其中强碳化物形成元素如W、Ti、V、Nb的作用最为强烈。 对高合金钢W18Cr4V(ωC=0.7%-0.8%)， Cr12MoV(ωC=1.4%-1.7%)等，因E点的左移使其铸态组 织中出现了菜氏体，故此两钢均称为菜氏体钢。
机械制造基础
碳素钢与合金钢 (2)优秀课件
上海第二工业大学 机电工程学院
1 钢的分类与编号
24.11.2020
1.1 钢的分类
碳素钢（碳钢）：含碳量在0.0218％～2.11％的铁碳合金。 合金钢：在碳钢基础上添加适量合金后形成。
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按化学成份分
碳素钢 合金钢
低碳钢 ωc≤0.25% 中碳钢 0.25＜ωc＜0.60% 高碳钢 ωc≥0.60%