这类合金钢竟然用途如此广泛，你知道吗？

合金结构钢

合金结构钢用于制造重要的工程结构和机器零件，是应用最广、产量最大的合金钢品种。下面分别介绍低合金高强度钢、合金调质钢、合金渗碳钢、弹簧钢和轴承钢的合金化原理、热处理特点、基本性能和主要用途。

1.低合金高强度钢

低合金高强度钢又称普通低钢，简称HSLA，是一种合金元素含量较低的低碳工程结构钢，一般在3%以下，主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、油气管道、大型钢结构等。用它代替普通碳钢可大大减轻结构质量，保证可靠耐久使用。

1.性能要求

1）强度高

屈服强度在300MPa以上。强度高可以减轻结构自重，节省钢材，降低消耗。因此，在保证塑性和韧性的条件下，应尽可能提高其强度。

2）高韧性

采用高强度钢制成的大型工程结构一旦断裂，往往会带来灾难性的后果，因此许多在低温下工作的构件必须具有良好的低温韧性(即高的抗解理断裂性能或低的韧脆转变温度)。大型焊接结构由于不可避免地存在各种缺陷(如焊接中的冷、热裂纹)，必须具有高的断裂韧性。

3）良好的焊接性能和冷成型性能

大型结构多采用焊接制成，焊接前往往需进行冷成型，焊接后不易进行热处理，因此要求钢材具有良好的焊接性能和冷成型性能。另外，许多大型结构用于大气中（如桥梁、集装箱）和海洋中（如船舶），要求有较高的耐腐蚀性能。

2.合金化特性

该类钢较低的碳含量既满足了工程构件用钢的工艺性能要求，又加入少量合金元素，主要是Mn，达到提高力学性能的目的。主要元素锰资源丰富，对强化铁素体有显著作用，还可降低钢的冷脆温度，增加珠光体量，进一步提高强度；在此基础上，加入极少量的V、Ti、Nb等强碳化物元素，阻止晶粒长大，产生第二相强化，不但提高了强度，而且消除了钢的过热倾向。例如Q235钢、16Mn、15MnV钢的碳含量相近，但当Q235中加入约1%的Mn（实际上只多加0.5%～0.8%）便成为16Mn钢，其强度提高约50%，达350MPa。 当16Mn中添加V（0.04%～0.12%）后，强度可提高到400MPa，此外在合金化过程中材料的其他性能也得到改善，大大提高了零件的可靠性和致密性，降低了原材料和能源的消耗，其经济效益和社会效益是可想而知的。

3. 钢材种类及牌号

我国行业标准（YB）列出的低合金高强度钢共有21种，按屈服强度从300MPa~650MPa分为6个牌号。1994年国家标准公布了低合金高强度钢新牌号，新旧牌号对比见表7-3。

较低强度级别钢中，最具代表性的是16Mn，它是我国低合金高强度钢中开发最早、用量最多、产量最大的钢种，使用中的结构为细晶粒铁素体-珠光体，强度比普通碳钢Q235提高20%～30%，耐大气腐蚀性能提高20%～38%，用它制造的工程结构重量减轻20%～30%，如南京长江大桥、广州电视塔等。15MnVN是中等强度级别代表性钢种，钢中加入V、N后，生成钒碳氮化物，细化晶粒，并有沉淀强化作用，强度级别可提高一个等级，韧性和焊接性能也较好，用于制造大型桥梁、锅炉、船舶及焊接结构等。

当强度级别超过500MPa时，铁素体-珠光体组织难以满足要求，于是开发了低碳贝氏体钢。添加Cr、Mo、Mn、B等元素，阻碍珠光体转变，使C曲线珠光体转变区右移，对贝氏体转变影响不大，有利于在空冷条件下获得贝氏体组织，获得较高的强度、塑性和焊接性能，多用于高压锅炉、高压容器等。

4.热处理特性

该类钢一般在热轧空冷状态下使用，不需要特殊的热处理。当有特殊要求时，如为了改善焊接区的性能，可进行正火处理。

5. 发展趋势

低合金高强度钢因具有强度高、韧性好、焊接性能和加工性能优良、合金元素消耗量低、不需进行复杂的热处理等特点，越来越受到重视。目前该类钢的发展趋势是：

（1）通过微合金化与合理的轧制工艺相结合，实施控轧控冷，达到提高强度的目的。在钢中添加少量的V、Ti、Nb等微合金元素，通过控制轧制过程中的再结晶过程，细化钢的晶粒，达到同时提高强度和塑性、韧性的最佳效果。

（2）通过合金化改变基体组织，提高强度。在钢中添加较多的Cr、Mn、Mo、Si、B等，使钢在热轧空冷条件下，获得贝氏体甚至低碳马氏体组织。冷却过程中会发生自回火过程，甚至不需要特殊回火。

（3）超低碳化。为保证韧性和焊接性能，碳含量进一步降低，甚至降低到10-6数量级。此时必须采用真空冶炼或真空脱气等先进的冶炼工艺。在我国，由于微合金元素资源丰富，低合金高强钢在我国具有极其广阔的发展前景。

2.渗碳钢

1、渗碳钢的使用条件及性能要求

渗碳钢用于制造汽车、拖拉机的传动齿轮、内燃机的凸轮轴、活塞销等零件。这些零件在工作过程中承受着强烈的摩擦磨损和很大的交变载荷，特别是强烈的冲击载荷。它们的性能要求是：

①具有较高的强度和塑性，能抵抗拉伸、弯曲、扭转等变形和破坏；

②要求表面具有较高的硬度和耐磨性，以抵抗磨损和表面接触疲劳损伤；

③具有较高的韧性，能承受强冲击；

④当外载荷呈周期性作用时，要求零件具有良好的抵抗疲劳损伤的性能。

2. 主要钢种

渗碳钢需经过渗碳处理，达到表面强化的目的。根据上述性能要求，该类钢一般为低碳或低碳合金结构钢。常用的渗碳零件有齿轮、凸轮、活塞销等表面易受磨损损坏的活动零件。如汽车齿轮常用20Cr、20CrMnTi等钢种。常见钢种见表7-4。

3.合金化特性

渗碳钢“外硬内韧”的性能要求是选择含碳量低、渗碳后表面和整体力学性能均匀、淬硬性高。渗碳钢常用的合金元素有Cr、Mn、Ni、Mo、Ti、B等。其中Cr、Ni、Mn、B等可提高材料的淬硬性，使铁素体强化；而Mo、Ti等碳化物形成元素，能形成细小弥散的稳定碳化物，细化晶粒，从而提高强度和韧性。例如含碳量基本相同的20、20Cr、20CrMnTi钢，淬硬性依次提高，强度和韧性大大增强，用其制造的零件性能也大大提高。

4.热处理与组织性能

合金渗碳钢的热处理工艺为渗碳后直接淬火，然后低温回火。对于渗碳时容易产生过热的20Cr、20Mn2等，需进行正火，消除过热组织，然后淬火、低温回火。热处理后表面渗碳层组织由合金渗碳体、回火马氏体及少量残余奥氏体组成，硬度为60HRC~62HRC。心部组织与钢的淬透性和零件的截面尺寸有关，充分淬硬时为低碳回火马氏体，硬度为40HRC~48HRC。多数情况下为屈氏体、回火马氏体及少量铁素体，硬度为25HRC~40HRC。心部韧性一般高于700kJ/m2。

3.合金调质钢

1.工作条件和性能要求

调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床等机械中的齿轮、轴、连杆、高强度螺栓等重要零件，它们大多承受多种复杂的工作载荷，要求有高水平的综合力学性能。但不同零件受力情况不同，其性能要求也不同。截面应力均匀的零件如连杆，要求整个截面都具有较高的强度和韧性。截面应力不均匀的零件如承受扭转或弯曲应力的传动轴，主要要求在受力较大的表面区域性能要好，心部要求可以低一些。因此，性能要求为：

①要求有较高的屈服强度和疲劳极限以及良好的韧性和塑性，即综合力学性能。

②局部表面要求有一定的耐磨性。

③淬硬性好。

2.成分特征及合金化原理

为了达到良好的强度与韧性的平衡，合金调质钢的成分设计如下：

1）中国碳

碳含量一般在0.25%~0.50%之间，以0.40%最为常见。碳含量过低则不易淬硬，回火后强度不足。碳含量过高则韧性不足。

2）合金元素的作用

调质钢的合金化经历了从单一元素到多元素复合添加的发展过程，从40→40Mn→40CrMn→40CrMnMo或40→40Cr→40CrNi→40CrNiMo。合金元素的主要作用有：

①提高淬硬性：在碳钢的基础上，常单独或组合添加Mn、Cr、Ni、Mo、Si、B等元素来提高淬硬性。钢的淬硬性提高，不但使零件在断面上具有均匀的力学性能，而且能用较温和的冷却介质进行淬火，大大减少淬火变形和开裂的倾向。

②固溶强化：​​合金元素溶入铁素体中形成置换固溶体，可以起到强化基体的作用。这种强化效果虽然不如提高淬硬性的贡献大，但仍然是有效的。在常用的合金元素中，以Si、Mn、Ni的强化效果最为显著。

③防止第二类回火脆性：调质钢的高温回火温度刚好处于第二类回火脆性温度范围，钢中含有的Mn、Ni、Cr、Si、P元素会增大回火脆性的倾向。为防止和消除回火脆性的影响，除采用回火后快速冷却的方法外，还可在钢中添加Mo或W，以大大减轻第二类回火脆性，这对截面较大的调质钢尤其有意义。

④细化晶粒：在钢中添加碳化物形成元素W、Al、V、Ti，能有效地阻止淬火加热过程中奥氏体晶粒的长大，从而细化最终组织，降低钢的韧脆转变温度。

3.常用调质钢牌号及等级

合金调质钢是机械制造行业应用最为广泛的一类钢种，我国常用的调质钢按淬硬程度大致分为三类：

1）低淬硬性调质钢

油淬最大临界直径为30mm～40mm，最典型的钢种为40Cr，广泛用于制造一般尺寸的重要零件，40MnB、40MnVB钢是为了节铬而开发的替代钢，40MnB淬硬性和切削性能较差。

2）中等淬硬性调质钢

油淬最大临界直径为40mm至60mm，含合金元素较多，典型牌号有35CrMo等，用于制造截面较大的零件，如曲轴、连杆等，添加Mo不但能明显提高淬硬性，还能防止回火脆性。

3）高淬硬性调质钢

油淬的临界直径为60mm～100mm，多为铬镍钢。铬和镍的适当组合，大大提高淬透性，获得优良的力学性能，如37CrNi3。但对回火脆性很敏感，不宜制作大截面零件。在铬镍钢中加入适量的钼，如40CrNiMo钢，不但具有最好的淬透性和冲击韧度，而且能消除回火脆性，用于制造截面较大、载荷较大的重要零件，如涡轮主轴、叶轮、航空发动机轴等。

4.热处理与组织性能

合金调质钢的热处理主要是毛坯的预备热处理（退火或正火）和毛加工件的淬火、回火。预备热处理可改善锻件的组织缺陷，获得细小的屈氏体组织。最终的热处理组织为回火屈氏体，其具有以下特点：

①均匀分布在铁素体基体中的粒状碳化物的弥散强化作用和溶解在基体中的碳与合金元素的固溶强化作用，使调质钢具有较高的屈服强度和疲劳强度。

②组织均匀，减少了局部薄弱部位产生裂纹的可能性，使钢材具有良好的塑性和韧性。

③淬火马氏体转变成的铁素体晶粒细小，钢的韧脆转变温度较低。

回火屈氏体的组织特征保证了调质钢良好的综合力学性能。以40Cr钢为例分析其热处理工艺规范。40Cr作为拖拉机上连杆、螺栓的材料，其加工路线为：下料→锻造→退火→粗加工→调质→精加工→装配。预备热处理的目的是为了改善锻件组织，消除缺陷，细化晶粒；调整硬度，便于切削加工；为淬火做好组织准备。调质工艺采用830℃加热油淬，获得马氏体组织，然后在525℃回火。为防止第二类回火脆性，回火冷却过程中采用水冷，最终使用状态的组织为回火屈氏体。

4.弹簧钢

弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧及具有类似弹簧性能的零件。

1.使用条件及性能要求在机械设备中，这些零件主要利用弹性变形来吸收能量以缓解振动和冲击，或依靠弹性储能来驱动。根据工作要求，弹簧钢应具备以下性能。

①高的弹性极限，为保证弹簧具有较高的弹性变形能力和弹性承载能力，应具有较高的弹性极限和屈服强度比。

②疲劳极限高，因为弹簧一般在交变载荷下工作。另外，弹簧钢表面不应有脱碳、裂纹、折叠、斑点、夹杂等缺陷。

③有足够的塑性和韧性，避免冲击时发生脆性断裂。

此外，弹簧钢还应具有良好的淬透性，不易发生脱碳和过热，易于卷绕成型，在高温和腐蚀条件下工作时具有良好的环境稳定性。

2. 成分特征

合金弹簧钢的化学成分具有以下特点：

为了保证有较高的弹性极限和疲劳极限，弹簧钢的含碳量应比调质钢高，一般为0.45%～0.70%。含碳量过高，塑性和韧性下降，易发生脆性断裂，抗疲劳性能也下降。

②添加Si、Mn等元素，提高淬透性，同时还可提高屈强比、强化铁素体基体、提高回火稳定性。

③添加Cr、W、V作为辅助合金元素，以克服Si、Mn钢的缺点（过热、石墨化倾向）。加之弹簧钢的净化度对疲劳强度影响很大，因此弹簧钢均为优质钢或高等级优质钢。

3.弹簧钢的热处理

弹簧的加工方法分为热成形和冷成形，大中型弹簧及形状复杂的弹簧一般采用热成形，热成形后进行淬火、中温回火处理；冷成形适用于小型弹簧，用加强型弹簧钢丝冷成形后进行消除应力退火。

1) 热成型弹簧

以60Si2Mn汽车板簧为例，热成型弹簧的制造工艺路线（主要工序）为：扁钢剪切→机加工（倒角及钻孔等）→加热弯曲→淬火中温回火→喷丸。板簧的成型常与热处理相结合，将钢材加热到热加工温度，先弯曲，当温度降到840℃～870℃时进行油淬。为防止氧化脱碳，提高弹簧的表面质量和疲劳强度，应尽可能快速加热，最好在盐浴炉或有保护气氛的炉中进行。弯曲板料的冷却应控制在30℃～50℃。板簧淬火后应立即回火，回火温度在500℃左右，因为此温度尚处于第二类回火脆性区，回火后应快速冷却。 回火组织为回火屈氏体，硬度为42HRC～45HRC。板簧在热处理后，通过喷丸强化其表面并形成残余压应力，减少表面缺陷的不良影响，提高疲劳强度。

弹簧钢采用等温淬火获得下贝氏体，提高了钢的韧性和冲击强度，减少了热处理变形。

2）冷成型弹簧

用强化弹簧钢丝冷成型制作弹簧的工艺路线（主要工序）为：卷绕弹簧→去应力退火→磨削端面→喷丸→二次去应力退火→发蓝。该类弹簧钢丝按强化工艺可分为铅浴等温冷拉钢丝、冷拔钢丝和油淬火回火钢丝三种。这三类钢丝在成型后均需进行低温退火（一般为250℃～300℃，1h），以消除应力，稳定尺寸。冷成型引起的由于包辛格效应而引起的弹性极限下降的现象也可采用低温退火来消除。

4. 典型钢种及牌号

常用弹簧钢的牌号如表7-5所示，合金弹簧钢大致分为两类。

①Si、Mn合金化的代表性弹簧钢有65Mn、60Si2Mn，它们的淬硬性明显优于碳素弹簧钢，可用来制造截面尺寸较大的弹簧。Si、Mn复合合金化比单独使用Mn合金化性能更佳，该类钢主要用作汽车、拖拉机、机车上的板簧、螺旋弹簧。

②含Cr、V、W等元素的弹簧钢中最具代表性的是50CrVA。Cr和V的复合添加，不仅使钢具有较高的淬透性，而且有较高的高温强度、韧性和较好的热处理工艺性能。因此，该类钢可用来制造在350℃~400℃承受重载荷的大型弹簧，如气门弹簧、高速柴油机气门弹簧等。

5. 轴承钢

轴承钢主要用于制造滚动体（球、滚子、滚针）、滚动轴承的内、外圈等，是一种特种结构钢，化学成分上属于高碳合金钢，也用于制造精密量具、冷冲压模具、机床丝杠等耐磨零件。

1.工作条件和性能要求

轴承零件的工作条件复杂、要求苛刻，工作时实际承载面积很小，且作用着高度集中的交变载荷，因此对轴承钢的性能要求十分严格，主要表现在以下几个方面：

①接触疲劳强度高。轴承零件如球、套圈在工作过程中，为点接触或线接触，接触点处的压应力高达1500MPa～5000MPa，1分钟内应力交变次数可达数万次甚至更多，常常引起接触疲劳损伤、点蚀或剥落。

②硬度高、耐磨。滚动体与套圈之间不仅有滚动摩擦，还有滑动摩擦。轴承常常因过度磨损而损坏，因此必须具有高而均匀的硬度。一般应为62HRC~64HRC。

③足够的韧性和淬硬性。

④在大气和润滑介质中具有一定的抗腐蚀性能。

⑤尺寸稳定性好。

2.化学成分及合金化原理

①含碳量高。为保证轴承钢的高硬度、高耐磨性和高强度，含碳量应较高，一般为0.95%～1.1%。

②铬。是提高淬透性的基本合金元素。铬细小而均匀地分布，提高了钢的耐磨性，特别是提高了接触疲劳强度。但铬含量过高，会使残余奥氏体量增多，碳化物分布不均匀，降低钢的硬度和疲劳强度。适宜含量为0.40%～1.65%。

③硅、锰、钒等。铬和锰进一步提高淬硬性，使制造大型轴承更加容易。硅还能提高钢的回火稳定性。钒部分溶解在奥氏体中，部分形成碳化物，提高钢的耐磨性，防止过热。无铬钢中含有钒。

④纯度要求极高。规定wS<0.02%，wP<0.027%。非金属夹杂物对轴承钢的接触疲劳性能影响很大，因此轴承钢一般采用电炉冶炼，并采用真空脱气等新型冶炼技术，提高纯度。

3.热处理与性能

轴承钢的热处理主要有球化退火、淬火和低温回火。

1）球化退火

其目的不仅是为了降低钢的硬度以利于切削加工，更重要的是获得细小的球状珠光体和均匀分布的过剩细粒碳化物，为零件的最终热处理准备组织。如果退火前原始组织中的网状碳化物级别超过3级，则应进行正火处理，将其消除后再进行球化退火。

2）淬火及低温回火

淬火温度要求很严格，温度过高会过热，晶粒长大，降低韧性和疲劳强度；温度过低，奥氏体中碳化物溶解不够，钢的淬硬性和淬硬性不够。淬火加热温度约840℃。淬火后立即回火（160℃±5℃），保温2.5h~3h。轴承钢淬火回火后的组织为极细小的回火马氏体、均匀分布的细粒碳化物及少量的残余奥氏体。

4. 典型钢种及牌号

表7-6列出常用球轴承钢的牌号、化学成分、热处理及用途。我国轴承钢分为两大类：

1) 铬轴承钢

最常用的是GCr15，用于制造中、小型轴承的内外圈和滚动体，也常用于制造冷冲压模具、量具、丝锥等。

2）添加Mn、Si、Mo、V的轴承钢

例如GCr15SiMn，提高了淬透性；为了节省铬，添加Mo、V，得到无铬轴承钢，如GSiMnMoV、GSiMnMoVRe等。