结构钢中碳及合金元素的作用

结构钢中碳及合金元素的作用

1. 结构钢中碳及合金元素的作用

（1）碳其主要作用是保证钢的硬度、强度与韧性。例如，普通低碳钢中的低碳就是为了保证钢的良好韧性、优秀的加工工艺性能（焊接与压力加工工艺性），调质钢中的中碳是为了保证经热处理后该钢具有良好的综合力学性能，渗碳钢中的低碳是为保证工件心部具有良好的韧性（而表面层的高硬度则由渗碳+相应的热处理工艺来保证），弹簧钢中的中、高碳是为保证钢的高强度（弹性极限、疲劳强度）。特例：滚动轴承钢中的高碳则是为了保证该钢的高硬度、高耐磨性，这又与工具钢相同。

（2）合金元素其主要作用可概括为：

主加元素（Cr、Mn、Ni、Si）——提高淬透性、强化铁素体；

辅加元素（W、Mo、V、Ti）——细化晶粒、进一步提高淬透性。

例如，在调质钢中主加元素的作用就是提高淬透性、强化铁素体（微量的合金元素B也具有此作用），这样可确保工件在较大截面上均可获得马氏体组织、从而使回火后该钢具有良好的综合力学性能，而辅加元素的作用则起到在淬火加热时可阻止奥氏体晶粒长大（即细化晶粒）、进一步提高钢的淬透性，同时W、Mo又具有防止第二类回火脆性的作用；弹簧钢中主加元素的作用除具有提高淬透性、强化铁素体外，还可提高钢的弹性极限、屈服强度的作用。［特例：滚动轴承钢中Ｃr 的主要作用是增加钢的淬透性、同时又起着细化晶粒、提高耐磨性的作用，而对大型轴承而言，还须在该钢中加入Ｓi 、Ｍn等以使淬透性进一步提高；低合金结构钢中主加元案为Ｍn 、Cr，因为该钢一般不经过淬火处理，故其作用应主要为固溶强化、细化晶粒、降低韧一脆转折温度的作用，而辅加元素Ｖ、Ｔi 、Ｎｂ、Ａl 等元素也起着细化晶粒．沉淀强化的作用。］

2.工具钢中碳及合金元素的作用

（1）碳其主要作用是保证高硬度与高耐磨性。〔特例：热作模具钢中含有中碳（0.3%—0.６％的碳），主要是为了保证较高的韧性及热疲劳抗力〕．

（2）合金元素其主要作用可概括为：

主加元素（Ｃｒ、W、Ｍｏ、V）——使钢具有高硬度和高耐磨性；

辅加元素（Ｃr 、Ｍn、Si 、Ni）——减少工具在热处理时的变形，增加钢的淬透性和回火稳定性。

例如：低合金刃具钢、冷作模具钢中合金元素的作用基本如此；高速钢中合金元素主要作用应分别牢记：W （Ｍo）——提高红硬性，Ｃr ——提高淬透性，Ｖ——提高耐磨性。

〔特例：热作模具钢中合金元素作用除与调质钢相似外，同时还具有：Ｃr 、Ｗ、Ｓi 提高

钢的高温强度和热疲劳抗力，W、Mo 、Ｖ等产生二次硬化，使之在较高温度下保持相当高的

硬度．〕

3.特殊性能钢中碳及合金元素的作用

（1）碳通过降低钢的含碳量，有利于保证钢的耐蚀性与耐热性。一般不锈钢、耐热钢中含碳量大多

≤0.2 %。因为随含碳量的增加，一方面可使钢的强度、硬度增加；另一方面，第二相碳化物的数量亦随之增加，它易产生晶间腐蚀（不锈钢中）或易使碳化物聚集长大、发生石墨化等（耐热钢中），故应使含碳量与合金元素相匹配。［特例：耐磨钢ZGMn13中含碳量为1.1—1.3%］。］

（2）合金元素其主要作用可概括为：

在不锈钢中，Ｃｒ、Ｎi、（Ｍｎ、N 代替部分Ni）提高耐蚀性（通过提高基体电极电位，形成单相组织等），Mo、Cu 提高钢在非氧化性介质中的耐蚀性，Ｔi 、Nb能形成稳定碳化物、防止晶间腐蚀。

在耐热钢中，Ｃr、Si 、Al提高钢的抗氧化性，Ｃｒ提高钢的组织稳定性、固溶强化效果，Ｍo 提高高温强度、固溶强化效果，V 、N ｂ、Ｔｉ等能形成强碳化物而起到弥散强化、提高高温强度作用，Ｂ、Ｒｅ等元素可提高晶界强度作用，而Ni（Ｍｎ）可以扩大奥氏体相区、使之形成单相奥氏体，从而提高钢的高温性能等。

5.4 如何识别钢种类别？

１. 根据碳含量表示法作初步分析

结构钢中的碳含量用两位数字，表示含碳量的万分之几；

工具钢中的碳含量用一位数字，表示含碳量的千分之几；

特殊性能钢中的碳含量亦用一位数字来表示含碳量的千分之几。

２. 依据所含的合金元素进一步细分

低合金结构钢、渗碳钢、珠光体耐热钢的含碳量都是万分之几，要区分它们只有通过合金化特点进一步判断。低合金结构钢中，合金元素的总含量一般均<3%，主要含Mn、V、Ti或 N等；渗碳钢中合金元素的作用：主加元素Cr、Mn、Ni、Si用以提高淬透性、强化铁素体，辅加元素W、Mo、V、Ti用以细化晶粒、进一步提高淬透性；而珠光体耐热钢则主要含Cr、W、V等合金元素，用以提高耐热性、高温强度等。

由于用途与性能要求不同，在结构钢中主加元素所起的主要作用而在工具钢中就变为辅加元素起辅助作用了，而特殊性能钢中合金元素总含量大多>10%即为高合金钢。

根据这些特点，我们就能识别一般钢种类型。常用钢号表示方法说明及举例详见表5－4所示。

表5－4 中国常用钢号表示方法说明及举例

5.5 铸铁的分类与组织特征

铸铁的分类与组织特征见表5-5示。

表5—5 铸铁的分类、组织特征与用途

5.6 常用铸铁的热处理及应用特点

1. 常用铸铁的热处理特点（见表5-6）

表5-6 各类铸铁的热处理特点

注：×表示不能；∨表示可以。

2. 常用铸铁的应用特点（见表5-7）

表5-7 从各类铸铁性能的相对比较看铸铁的应用

注：表中“∨”优，“○”良，“-”一般，“”差。

合金钢

碳钢中特意加入一些合金元素的钢，常用的合金元素铬Cr、锰Mn、硅Si、铝Al、硼B、钨W、钼Mo、钒V、钛Ti、铌Nb锆Zr和稀土元素Re等。

合金钢分三大类：1、合金结构钢；2、合金工具钢；3、特殊性能钢（一）合金结构钢

合金结构钢是在碳钢的基础上适当地加入一种或树种合金元素，如Cr、Mn、Si、Ni、Mo、V、Ti等，使之具有好的强度，足够地韧性和好的淬透性，好地回火稳定性，奥氏体稳定性。

合金结构钢分类：

1、普通低合金结构钢（含碳量低）：含碳量在0.10～0.25％之间的并含有少量多元合金元素（Si、Mn、Cu、Ni、Nb、Re）的低碳结构钢，主要用于焊接铆合结构。如：16Mn、09M

2、16MnCu、15MnTi、15MnV、10MnSiCu等。

2、机械制造结构钢：

a、渗碳钢：含碳量0.15～0.25％之间，主要有15＃、20＃、20Cr、

20 Cr MnTi、20 Cr Mn Mo、20 Mo B、25 MnTiB、12 CrNi3A、20Cr2Ni4A、18 Cr2 Ni4WA。经渗碳淬火及低温回火，用于表面耐