合金结构钢
用于制造重要工程结构和机器零件的合金结构钢是合金钢中用途最广、用量最大的一类钢。下面分别介绍低合金高强钢、合金调质钢、合金渗碳钢、弹簧钢、滚珠轴承钢的合金化原则、热处理特点、基本性能和主要用途。
一、低合金高强度钢
低合金高强钢又称为普低钢，英文缩写 HSLA，是一种低碳工程结构用钢，合金元素含量较少，一般在 3%以下，主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。用它来代替普碳钢，大大减轻结构质量，保证使用可靠、耐久。
1. 性能要求
1) 高强度
屈服强度在 300MPa 以上，强度高才能减轻结构自重、节约钢材和减少消耗。因此，在保证塑性和韧性的条件下，应尽量提高其强度。
2) 高韧性
用高强钢制造的大型工程结构一旦发生断裂，往往会带来灾难性的后果，所以许多在低温下工作的构件必须具有良好的低温韧性(即具有较高的解理断裂抗力或较低的韧脆转变温度)。而大型的焊接结构，因不可避免地存在有各种缺陷(如焊接冷、热裂纹)，必须具有较高的断裂韧性。
较低强度级别钢中，16Mn 最具有代表性。它是我国低合金高强钢中发展最早、使用最多、产量最大的钢种。使用状态的组织为细晶粒的铁素体—珠光体，强度比普通碳钢 Q235高 20%～30%，耐大气腐蚀性能高 20%～38%。用它制造工程结构质量减轻 20%～30%，如南京长江大桥、广州电视塔等。15MnVN 是具有代表性的中等强度级别的钢种。钢中加入 V、N 后，生成钒的碳氮化物，细化晶粒，又有析出强化作用，强度水平可提高一级，韧性和焊接性能也较好，用于制造大型桥梁、锅炉、船舶和焊接结构。
强度级别超过 500MPa 后，铁素体—珠光体组织难以满足要求，于是发展了低碳贝氏体型钢。加入 Cr、Mo、Mn、B 等元素，阻碍珠光体转变，使 C 曲线的珠光体转变区右移，而对贝氏转变影响较小，有利于在空冷条件下得到贝氏体组织，获得更高的强度，塑性和焊接性能也好，多用于高压锅炉、高压容器等。
4. 热处理特点
这类钢一般在热轧空冷状态下使用，不需要进行专门的热处理。在有特殊要时，如为了改善焊接区性能，可进行一次正火处理。
5. 发展趋势
低合金高强度钢由于其强度高，韧性好，焊接性能和加工性能优异，合金元素耗量少，并且不需进行复杂的热处理，已越来越受到重视。目前，这类钢发展趋势是：
(1) 通过微合金化与合理的轧制工艺结合起来，实行控制轧制和控制冷却，以达到更高的强度。在钢中加入少量的微合金化元素，如 V、Ti、Nb 等，通过控制轧制时的再结晶过程，使钢晶粒细化，达到既提高强度又改善塑性、韧性的最佳效果。
(2) 通过合金化改变基体组织，提高强度。在钢中加入较多 Cr、Mn、Mo、Si、B 等，使钢在热轧空冷的条件下得到贝氏体甚至低碳马氏体组织，在冷却过程中发生自回火过程，甚至不需要专门进行回火。
(3) 超低碳化。为保证韧性和焊接性能，含碳量进一步降低，甚至降到 10-6 数量级，此时必须采用真空冶炼或真空去气的先进冶炼工艺。在我国，由于微合金化元素资源十分丰富，所以低合金高强度钢在我国具有极其广阔的发展前景。
二、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、拖拉机变速齿轮，内燃机凸轮轴、活塞销等零件。这类零件工作时遭受强烈摩擦磨损和较大的交变载荷，特别是强烈的冲击载荷，其性能要求：
① 有较高的强度和塑性，以抵抗拉伸、弯曲、扭转等变形破坏；
② 要求表面有较高的硬度和耐磨性，以抵抗磨损及表面接触疲劳破坏；
③ 有较高的韧性以承受强烈的冲击作用；
④ 当外载荷是循环作用时，要求零件有好的抗疲劳破坏能力。
2. 主要钢种
渗碳钢需要通过渗碳达到表面强化，根据上述的性能要求，这类钢成分上一般是低碳或低碳合金结构钢。常用的渗碳零件包括齿轮、凸轮、活塞销等表面易于受到磨损破坏的活动零件。如常用作汽车齿轮的 20Cr、20CrMnTi 等钢材，常见钢种见表 7-4。
3. 合金化特点
渗碳钢"外硬里韧"的性能要求选择低含碳量并经过渗碳后其表面和整体力学性能均匀，高的淬透性。渗碳钢中常使用合金元素有 Cr、Mn、Ni、Mo、Ti、B 等，其中 Cr、Ni、Mn、B 等可提高材料淬透性，也可强化铁素体；而 Mo、Ti 等碳化物形成元素通过形成细小弥散的稳定碳化物细化晶粒，提高强度、韧性，如含碳量基本相同的 20、20Cr、20CrMnTi钢，其淬透性依次增加，且强韧性大大加强，用其制造的零件性能也大大提高。
4. 热处理和组织性能
合金渗碳钢热处理工艺为渗碳后直接淬火，再低温回火。对渗碳时容易过热的 20Cr、20Mn2 等需先正火消除过热组织，然后进行淬火和低温回火。热处理后，表面渗碳层的组织由合金渗碳体与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及零件截面尺寸有关。完全淬透时为低碳回火马氏体，硬度为 40HRC～48HRC。多数情况下是屈氏体、回火马氏体和少量铁素体，硬度为 25HRC～40HRC。心部韧性一般都高于 700kJ/m2。
三、合金调质钢
1. 工作条件及性能要求
调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其他机器上如齿轮、轴类件、连杆、高强螺栓等重要零件。大多承受多种和较复杂的工作载荷，要求具有高水平的综合力学性能。但不同零件受力状况不同，其性能要求有所差别，截面受力均匀的零件如连杆，要求整个截面都有较高的强韧性。截面受力不均匀的零件，如承受扭转或弯曲应力的传动轴，主要要求受力较大的表面区有较好的性能，心部要求可低些。因此性能上要求：
① 高的屈服强度及疲劳极限和良好的韧性塑性，即要求综合的力学性能。
② 局部表面要求一定的耐磨性。
③ 好的淬透性。
2. 成分特点及合金化原理
为达到强度和韧性的良好配合，合金调质钢的成分设计如下：
1) 中碳
含碳量一般在 0.25%～0.50%之间，以 0.40%居多。含碳量过低，不易淬硬，回火后强度不足，含碳量过高则韧性不够。
2) 合金元素的作用
调质钢的合金化经历了一个由单一元素到多元素复合加入发展过程，从 40→40Mn→40CrMn→40CrMnMo 或 40→40Cr→40CrNi→40CrNiMo 发展，合金元素主要作用是：
① 提高淬透性：在碳钢的基础上常单独或多元复合加入提高淬透性元素 Mn、Cr、Ni、Mo、Si、B 等，钢的淬透性增大，不仅使零件在截面上得到均匀的力学性能，而且能使用较缓和的冷却介质淬火，大大减小淬火变形开裂的倾向。
② 固溶强化：合金元素溶入铁素体形成置换固溶体，能使基体得到强化。虽然这种强化效果不及提高淬透性的贡献，但仍是有效的。在常用合金元素中以 Si、Mn、Ni 的强化效果最显著。
③ 防止第二类回火脆性：调质钢的高温回火温度正好处于第二类回火脆性温度范围，钢中所含的 Mn、Ni、Cr、Si、P 元素会增大回火脆性倾向。为了防止和消除回火脆性的影响，除在回火后采用快冷方法，还可在钢中加入 Mo 或 W，使第二类回火脆性大大减弱，这对于较大截面的调质钢特别有意义。
④ 细化晶粒：在钢中加入碳化物形成元素 W、Al、V、Ti 可以有效地阻止奥氏体晶粒在淬火加热时长大，使最终组织细化，降低了钢的韧脆转变温度。
3. 常用调质钢钢种及牌号
合金调质钢在机械制造业中是用量最大的一类钢种。我国常用调质钢按照淬透性的高低，大致分为三类：
1) 低淬透性调质钢
油淬临界直径最大为 30mm～40mm，最典型的钢种是 40Cr，广泛用于制造一般尺寸的重要零件。40MnB、40MnVB 钢是为节约铬而发展的代用钢，40MnB 的淬透性和切削加工性能较差。
2) 中淬透性调质钢
油淬临界直径最大为 40mm～60mm，含有较多合金元素，典型牌号有 35CrMo 等，用于制造截面较大的零件，例如曲轴、连杆等。加入 Mo 不仅使淬透性显著提高，而且可防止回火脆性。
3) 高淬透性调质钢
油淬临界直径为 60mm～100mm，多是铬镍钢。铬、镍的适当配合大大提高淬透性，并获得优良的力学性能，例如 37CrNi3。但对回火脆性十分敏感，因此不宜于作大截面零件。铬镍钢中加入适当的钼，例如 40CrNiMo 钢，不仅具有最好的淬透性和冲击韧性，还可消除回火脆性，用于制造大截面、重载荷的重要零件，如汽轮机主轴、叶轮和航空发动机轴等。
4. 热处理和组织性能
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)以及粗加工件的调质处理。预备热处理可以改善锻造件组织缺陷，获得细小索氏体组织。最终热处理组织为回火索氏体，其组织具有以下特点：
① 在铁素体基体上均匀分布粒状碳化物的弥散强化作用与溶入基体中的碳和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，减小裂纹在局部薄弱区域形成的可能性，使钢塑性和韧性良好。
③ 由淬火马氏体转变而来的铁素体晶粒细小，钢的韧脆转变温度低。
回火索氏体的组织特点，就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、螺栓材料，其加工工艺路线为：下料→锻造→退火→粗机加工→调质→精机加工→装配。预备热处理采用退火(或正火)目的是改善锻造组织，消除缺陷.细化晶粒；调整硬度、便于切削加工；为淬火作好组织准备。调质工艺采用 830℃加热、油淬，得到马氏体组织，然后在 525℃回火。为防止第二类回火脆性，在回火的冷却过程中采用水冷，最终使用状态下的组织为回火索氏体。
四、弹簧钢
弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和类似弹簧性能零件。
1. 使用条件及性能要求在机器设备中这类零件主要是利用弹性变形吸收能量以缓和振动和冲击，或依靠弹性储能来起驱动作用。根据工作要求，弹簧钢应有以下性能。
① 高的弹性极限，保证弹簧具有高的弹性变形能力和弹性承载能力，为此应具有高的弹性极限和屈强比。
② 高的疲劳极限，因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、斑疤和夹杂等缺陷。
③ 足够的塑性和韧性，以免受冲击时发生脆断。
此外，弹簧钢还应有较好的淬透性，不易脱碳和过热，容易绕卷成形以及在高温和腐蚀性条件下工作具有好的环境稳定性等。
2. 成分特点
合金弹簧钢的化学成分有以下特点：
为保证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、韧性降低，易发生脆断，疲劳抗力也下降。
② 加入以 Si、Mn 为主提高淬透性的元素，同时也提高屈强比，强化铁素体基体和提高回火稳定性。
③ 加入 Cr、W、V 为辅加合金元素，克服 Si、Mn 钢的不足(过热、石墨化倾向)。此外，弹簧钢的净化对疲劳强度有很大的影响，所以弹簧钢均为优质钢或高级优质钢。
3. 弹簧钢的热处理
弹簧的加工方法分为热成形和冷成形。热成形方法一般用于大中型弹簧和形状复杂的弹簧，热成形后再经淬火和中温回火。冷成形方法则适用于小尺寸弹簧，用已强化的弹簧钢丝冷成形后再进行去应力退火。
1) 热成形弹簧
以 60Si2Mn 制汽车板簧为例来说明。热成形弹簧的制造工艺路线(主要工序)是：扁钢剪断→机械加工(倒角钻孔等)→加热压弯→淬火中温回火→喷丸。板簧的成形往往是和热处理结合进行的，钢材加热到热加工温度，先进行压弯，当温度下降到 840℃～870℃时即入油淬火。为了防止氧化脱碳，提高弹簧的表面质量和疲劳强度，应尽量快速加热，并最好在盐浴炉或有保护气氛的炉中进行。弯片降温应控制在 30℃～50℃。淬火后的板簧应立即回火，回火温度在 500℃左右，因为此温度仍处于第二类回火脆性区，回火后应快冷。回火组织为回火屈氏体，硬度 42HRC～45HRC。板簧热处理后再进行喷丸，使其表面强化并形成残余压应力，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，提高钢的韧性和冲击强度，减小热处理变形。
2) 冷成形弹簧
将已经强化的弹簧钢丝用冷成形方法制造弹簧的工艺路线(主要工序)是：绕簧→去应力退火→磨端面→喷丸→第二次去应力退火→发蓝。这类弹簧钢丝按强化工艺可分为三种：铅浴等温冷拔钢丝、冷拔钢丝和油淬回火钢丝。这三种钢丝在成形后应进行低温退火(－般250℃～300℃，lh)以消除应力，稳定尺寸。因冷成形产生包申格效应而导致弹性极限下降的现象也因低温退火得以消除。
4. 典型钢种与牌号
常用弹簧钢的牌号见表 7-5。合金弹簧钢大致分为两类。
① 以 Si、Mn 元素合金化的弹簧钢代表性钢种有 65Mn 和 60Si2Mn 等。它们的淬透性显著优于碳素弹簧钢，可制造截面尺寸较大的弹簧。Si、Mn 的复合合金化，性能比只用Mn 的好。这类钢主要用作汽车、拖拉机和机车上的板簧和螺旋弹簧。
② 含 Cr、V、W 等元素的弹簧钢最有代表性的钢种是 50CrVA。Cr、V 的复合加入，不仅使钢具有较高的淬透性，而且有较高的高温强度、韧性和较好热处理工艺性能。因此，这类钢可制作在 350℃～400℃下承受重载较大型弹簧，如阀门弹簧、高速柴油机气门弹簧等。
五、滚珠轴承钢
轴承钢主要用来制造滚动轴承滚动体(滚珠、滚柱、滚针)、内外套圈等，属专用结构钢。化学成分上属于高碳合金钢，也用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件。
1. 工作条件及性能要求
轴承元件工况复杂苛刻，工作时实际受载面积很小 ，高集中交变载荷作用。因此对轴承钢的性能要求很严，主要有以下几方面：
① 高的接触疲劳强度，轴承元件如滚珠与套圈，运转时为点或线接触，接触处的压应力高达 1500MPa～5000MPa；应力交变次数 1min 达几万次甚至更多，往往造成接触疲劳破坏，产生麻点或剥落。
② 高硬度和耐磨性，滚动体和套圈之间不但有滚动摩擦，而且有滑动摩擦，轴承常常因过度磨损破坏，因此必须具有高而均匀的硬度。一般应为 62HRC～64HRC。
③ 足够的韧性和淬透性。
④ 在大气和润滑介质中有一定耐蚀能力。
⑤ 良好的尺寸稳定性。
2. 化学成分及合金化原理
① 含碳量高。为了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。为基本合金元素提高淬透性，铬呈细密、均匀状分布，提高钢的耐磨性特别是接触疲劳强度。但含铬量过高会增大残余奥氏体量和碳化物分布的不均匀性，使钢的硬度和疲劳强度反而降低。适宜含量为 0.40%～1.65%。
③ 硅、锰、钒等。铬、锰进一步提高淬透性，便于制造大型轴承。硅还可以提高钢的回火稳定性。钒部分溶于奥氏体中，部分形成碳化物碳化钒，提高钢的耐磨性并防止过热。无铬钢中皆含有钒。
④ 纯度要求极高。规定 wS＜0.02%，wP＜0.027%。非金属夹杂对轴承钢接触疲劳性能影响大，因此轴承钢一般用电炉冶炼，为提高纯度并采用真空脱气等新冶炼技术。
3. 热处理及性能
轴承钢的热处理主要为球化退火、淬火和低温回火。
1) 球化退火
目的不仅是降低钢的硬度，以利切削加工，更重要的是获得细的球状珠光体和均匀分布的过剩的细粒状碳化物，为零件的最终热处理作组织准备。在退火前原始组织中网状碳化物级别超过 3 级，应先正火消除再进行球化退火。
2) 淬火和低温回火
淬火温度要求十分严格，温度过高会过热，晶粒长大，使韧性和疲劳强度降低，温度过低，奥氏体溶解碳化物不足，钢的淬透性和淬硬性均不够。淬火加热温度在 840℃左右。淬火后立即回火(160℃±5℃)2.5h～3h。轴承钢经过淬火回火后的组织为极细的回火马氏体、均匀分布的细粒状碳化物以及少量的残余奥氏体。
4. 典型钢种和牌号
表 7-6 列出常用滚珠轴承钢牌号、化学成分、热处理及用途。我国轴承钢分为两类：
1) 铬轴承钢
最常用的为 GCr15，用于制造中、小轴承的内、外套圈及滚动体，此外也常用来制造冷冲模、量具、丝锥等。
2) 添加 Mn、Si、Mo、V 的轴承钢
如 GCr15SiMn，淬透性得到提高；为了节约铬，添加 Mo、V 得到无铬轴承钢，如GSiMnMoV 和 GSiMnMoVRe 等。
