钢及其热处理

钢及其热处理的基本知识

1 钢

1.1 定义

钢——含碳量w c≤2.1%的铁碳合金

1.2 钢的分类

按冶炼方法分；按化学成分分；按用途分；按金相组织分；按品质分；按制造加工形式分1.2.1 按冶炼方法分

1）沸腾钢：脱氧不完全的钢，浇注时在钢锭模里产生沸腾。此钢材用以轧制普通碳素钢的型钢和钢板。

2）镇静钢：脱氧完全的钢，浇注时在钢液镇静，没有沸腾现象。一般合金钢和优质碳素钢都是镇静钢。

3）半镇静钢：脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，浇注时沸腾现象较沸腾钢弱。它的生产较难控制，故目前在钢的生产中所占比重不大。

1.2.2 按化学成分分

1.2.2.1 碳素钢

是指含碳量低于2%，并含有少量锰（Mn）、硅（Si）、硫（S）、磷（P）、氧（O）等杂质元素的铁碳合金。按含碳量不同可分为：

1）工业纯铁——含碳量w c≤0.02%

低碳钢——0.02%＜w c≤0.25%

中碳钢——0.25%＜w c≤0.60%

高碳钢——0.60%＜w c≤2%

1.2.2.2 合金钢

是指在碳素钢的基础上，为了改善钢的性能，在冶炼时特意加入一些合金元素（如铬（Cr）、镍（Ni）、硅（Si）、锰（Mn）、钼（Mo）、钨（W）、钒（V）、钛（Ti）、铌（Nb）……）而炼成的钢。按合金元素的总含量，可分为：

1）低合金钢——合金元素总质量分数≤5%

2）中合金钢——合金元素总质量分数5%~10%

3）高合金钢——合金元素总质量分数≥10%

各种主要合金元素的主要作用如下：

Al（铝）：细化晶粒和脱氧；提高高温抗氧化性；固溶强化作用

C（碳）：含量增加，钢的硬度和强度提高，但塑性和韧性下降

Cr（铬）：提高淬透性；增加高碳钢的耐磨性；是不锈耐酸钢及耐热钢的主要合金元素，但含量高时易产生脆性

Cu（铜）：时效强化；在不锈钢中可提高对酸的抗腐蚀性及对应力腐蚀的稳定性

Mn（锰）：细化珠光体组织以改善力学性能；明显提高钢的淬透性；但有增加晶粒粗化和回火脆性的不良倾向

Mo（钼）：提高钢的淬透性；降低回火脆性；提高抗有机酸及还原性介质腐蚀能力

N（氮）：表面渗氮，提高硬度及耐磨性，增加抗蚀性

Ni（镍）：提高塑性及韧性；改善耐腐蚀性；提高热强性，是热强钢及不锈耐酸钢的主要合金元素之一

P（磷）：固溶强化及冷作硬化作用很好；但降低冷冲压性能；增加回火脆性及冷脆敏感性

S（硫）：改善切削性；产生热脆现象，恶化钢的质量；影响焊接性能

Si（硅）：常用的脱氧剂；固溶强化作用；提高淬透性；对改善综合力学性能有利，提高弹性极限，增加自然条件下的耐蚀性；含量较高时，降低焊接性，且易导致冷脆Ti（钛）：固溶强化作用强，但降低固溶体的韧性；改善回火稳定性；提高耐热钢的抗氧化性和热强性，改善钢的焊接性

1.2.3 按用途分

1）结构钢

Ⅰ、碳素结构钢：包括Q195、Q215、Q235、Q255、Q275等。C含量0.06%~0.38%，Mn 含量0.25%~0.80%，Si含量0.30%~0.35%。多用于热轧制成钢板、钢带、型钢、榜钢等。Ⅱ、优质碳素结构钢：简称碳结钢。如08F、20钢、45钢、80钢、15Mn、65Mn……C 含量0.05%~0.90%，Mn含量0.25%~1.20%，Si含量0.17%~0.37%（沸腾钢除外，其要求为Si含量≤0.07%）。这类钢的组织均匀致密，质量好，但淬透性较差，因而不适于制造对性能要求较高的、截面尺寸较大的或形状较复杂的零件。碳结钢的性能主要取决于含碳量，含碳量越高，钢的强度、硬度越高，塑性、韧性越低。按含碳量不同，可分为低碳碳结钢、中碳碳结钢、高碳碳结钢。

Ⅲ、低合金高强度结构钢：包括Q295、Q345、Q395、Q420、Q460等。是指含有Mn、V、Nb、Ti等少量合金元素、用于工程和一般结构的钢种。

Ⅳ、合金结构钢

简称合结钢，是在碳素结构钢的基础上，适当加入一种或数种合金元素而制成的钢种。合结钢根据其含碳量、使用时的热处理工艺和用途的不同，大致可分为：

渗碳钢：主要为低碳合结钢，用这类钢制成的零部件，大都经过表面化学处理（渗碳或氰化）、淬火并低温回火，可以获得很硬的表面层（HRC60左右），而心部仍具有很好的韧性，使零部件既耐磨，又能承受较高交变载荷或冲击载荷。如20Cr。

调质钢：属于中碳合结钢。所制成的零部件经淬火及高温回火（或中温回火）后，可以获得很好的强度和良好的韧性，即具有良好的综合力学性能。如40Cr。

氮化钢：含铝的中碳合结钢，所制成的零部件需先经过调质或表面淬火处理，获得所需的力学性能，再经过最终切削加工，然后进行氮化处理，以进一步增加其表面硬度和耐磨性。如38CrMoAl。

结构钢除了上述4类以外，还有易切削结构钢、保证淬透性结构钢、焊接结构用耐候钢等等。

2）弹簧钢

用于制造弹簧和其他弹性元件的钢种。弹簧钢具有很高的屈服强度，高的疲劳强度，一定的韧性和塑性。其含碳量在0.46%~0.90%，此外还含有硅、锰、铬、钒、钨、钼等元素。如常用的65Mn。

3）滚动轴承钢

简称轴承钢，主要用于制造滚动轴承内、外套圈和滚动体（滚针、滚珠和滚柱）。高碳铬轴承钢是最常用的一种轴承钢，如常用的GCr15。

4）工具钢

一、碳素工具钢：冷、热加工性能好、耐磨性好、价格较低；淬透性低、耐热性差。

二、合金工具钢：淬透性和回火稳定性高，热处理开裂倾向小，耐磨性与热硬性较高。

三、高速工具钢：红硬性好。

5）不锈钢

即不锈耐酸钢。铬、镍的含量较高。

6）耐热钢

指高温下有良好的化学稳定性和较高的强度、能较好适应高温条件的特殊合金钢。