(二)合金钢
碳钢综合机械性能不高，淬透性小，又不具
备抗腐、耐热等特殊性能，故航空及机械重要产品多采用合金钢制造。
合金钢是指为提高钢的机械性能与工艺性能，或者为获得某些特殊物理、化学性能，特地向碳钢中加入定量其他元素（称合金元素）的钢。在合金钢中，常加入的合金元素有锰（Mn）、硅（Si）、铬（Cr）、镍（Ni）、钼（Mo）、钨（W）、钒 （V）、钛（Ti）、铌（Nb）、锆（Zr）、稀士元素（Re）等。
1.合金元素在钢中的作用
（1）形成合金铁素体
大多数合金元素都能不同程度地溶于铁素体中，形成合金铁素体。其中，原子直径较小的合金元素（多为非金属元素，如N、B等）与铁形成间隙固溶体，原子直径较大的合金元素（多为金属元素，如Mn、Ni等）与铁形成置换固溶体。合金元素溶于铁素体后，引起铁素体晶格的畸变，从而产生固溶强化的效应，使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性降低。如果合金元素的种类和含量适当，则可使钢材强化的同时也不降低塑性和韧性或降低甚少。
(2) 形成合金碳化物
不少合金元素还能溶于渗碳体中形成合金渗碳体，如（Fe、Mn）3C、（Fe、Cr）3C等，或是形成特殊碳化物，如WC、TiC、VC等。合金渗碳体的晶体结构与渗碳体相同，但比渗碳体具有更高的硬高和耐磨性，而且更为稳定，不易分解。特殊碳化物的稳定性比合金渗碳体的更高，当这些碳化物在钢中弥散分布时，会产生弥散强化的效应，能显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，而不降低韧性。
(3) 细化晶粒
除Mn外，绝大多数合金元素形成难溶化合物，在钢加热、组织转变为奥氏体时，这些难溶化合物稳定地分布在奥氏体的晶界上，阻碍了奥氏体晶粒的长大，从而得到细晶粒的钢，提高了钢的综合力学性能。
(4) 提高钢的淬透性
除Co外，大多数合金元素可以溶于奥氏体中，不同程度地延缓奥氏体的等温转变，增加过冷奥氏体的稳定性，使“C”曲线右移，降低了钢的临界淬火冷却速度，从而大大提高钢的淬透性。
表4-4 常用合金元素对钢材性能的影响
|
合金元素
|
溶于铁素体
|
形成碳化物
|
含量（％）
|
对钢性能的影响
|
|
Si
|
▼
|
＿
|
0.2～0.7
≥2.0
|
提高强度
提高强度和改善磁性
|
|
S
|
▼
|
＿
|
0.08～0.15
|
改善切削加工性
|
|
B
|
▼
|
-
|
0.001～0.003
|
显著提高热处理的淬透性
|
|
Ni
|
▼
|
-
|
2.0～5.0
12～20
|
提高韧性
产生并提高抗腐蚀性
|
|
Mn
|
▲
▲
▲
|
▲
|
0.25～0.40
>1.0
|
与硫化合成MnS，消除硫的热脆性
提高淬透性
|
|
Cr
|
▲
▲
|
▲
|
0.5～2.0
4～18
|
提高强度、韧性和淬透性
产生并提高抗腐蚀性
|
|
Mo
|
▲
▲
|
▲
▲
|
2.0～5.0
|
提高淬透性
形成稳定碳化物，细化晶粒
|
|
W
|
▲
▲
|
▲
▲
|
6～18
|
形成稳定碳化物，提高红硬性
|
|
V
|
▲
|
▲
▲
▲
|
0.15
|
形成稳定碳化物，细化晶粒
保持韧性，提高强度、硬度与红硬性
|
|
Ti
|
▲
|
▲
▲
▲
|
0.06～0.08
|
形成稳定碳化物，细化晶粒
提高强度、硬度
|
注：箭头多少表示倾向性大小
(5) 提高钢的回火稳定性
钢的回火稳定性是指淬火钢在回火时抵抗软化的能力。合金元素溶于马氏体后，使原子扩散速度减慢，在回火时马氏体不易分解，碳化物不易析出，析出后也难聚集长大。因此，在同一回火温度下，合金钢的强度和硬度下降比碳钢少，即合金钢比碳钢具有较高的回火稳定性。
(6) 赋于钢特殊的物理、化学性能
钢中某些合金元素达到一定量时，钢的组织和性能会发生某些特殊变化，使钢材具有一些特殊的物理、化学性能，如耐磨性、耐热性、耐磨蚀性、具有高导磁率等。
常用合金元素在钢中所起的具体作用如表4-4所示。
2.合金钢的分类、牌号和用途
(1) 合金钢的分类
合金钢的分类方法很多，但最常用的
是以下两种分类方法。
按合金钢中合金元素含量分：低合金钢：合金元素总含量小于5％
中合金钢：合金元素总含量5％～10％、
高合金钢：合金元素总含量大于10％
按合金钢的性能和用途分：合金结构钢
合金工具钢
特殊性能钢
(2) 合金结构钢的牌号和用途
A.合金结构钢
合金结构钢是在碳素结构钢的基础上加入一些合金元素而形成的钢。由于合金元素的加入，提高了钢的淬透性，所以采用合金结构钢制造的各类机械零件，有可能在整个载面上得到均匀一致的良好的综合机械性能，即具有高强度的同时又有高的韧性，从而保证零件的长期安全使用。
合金结构钢通常按具体用途的不同又可分为多种类型，最常使用的有低合金高强度结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢和滚动轴承钢。
a.低合金高强度结构钢
低合金高强度结构钢是在碳素结构钢基础上加入少量合金元素（主要有Mn、V、Ti、Nb、Cu等），由于少量合金元素的加入，使钢的强度有了显著地提高，所以称这类钢为低合金高强度钢。
低合金结构钢的牌号与碳素结构钢相似，是由代表屈服强度的汉语拼音字首“Q”、屈服强度数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）三个部分按顺序排列，从A至E钢中硫、磷含量逐渐减少。例如，Q345A表示屈服强度为345MPa的A级低合金结构钢。低合金结构钢屈服强度一般都大于275MPa。
低合金高强度结构钢的性能特点是比强度（强度与密度之比）高，并且具有较高的塑性和韧性，所以广泛用于建造桥梁、制造车辆和船舶等，如南京长江大桥就是采用Q345A制造的，随着生产的发展其使用范围已扩大到锅炉、高压容器、油管、大型钢结构等产品。
低合金高强度结构钢通常以热轧、正火或淬火加回火等状态供货，并在供货状态下使用，不再进行热处理。
b.合金渗碳钢
合金渗碳钢的牌号采用两位数字、元素符号、数字顺序排列的方式表示，其中两位数字是钢中平均含碳量的万分数，元素符号表示所添加的元素，元素符号后面的数字表示该元素在钢中平均含量的百分数。凡合金元素平均含量小于1.5％时，则只标明元素符号，不标含量，如果含量在1.5%～2.5%之间，则以2表示，如果含量在2.5%～3.5%之间，则以3表示……。例如，12Cr2Ni4表示平均含碳量为0.12%,平均含铬2％，含镍4％的合金渗碳钢。
合金渗碳钢的含碳量一般都很低，在0.15%～0.25%，属于低碳钢，保证了渗碳零件的心部具有良好的韧性和塑性，另外，为了提高钢心部的强度，可在钢中加入一定量的合金元素，如Cr、Ni、Mn、Mo、W、Ti等。
合金渗碳钢是因为在热处理工序上要进行渗碳后淬火加低温回火而得名，通过渗碳、淬火和低温回火处理后，心部是低碳淬火组织，保证了高韧性和足够的强度，而表层则是高碳回火马氏体，获得了很高的硬度和耐磨性。
合金渗碳钢很适合制造要求表面高硬度和高耐磨性，而心部要求较高强度和适当韧性，即“表硬里韧”的零件，如汽车、拖拉机上的变速箱齿轮，内燃机上的凸轮、活塞销等。
表4-5 部分合金结构钢的牌号、热处理特点、力学性能及用途
|
类类别
|
钢号
(试样毛坯尺寸㎜)
|
热处理
|
机械性能(不小于)
|
用途举例
|
|
σs
(MPa)
|
σb
(MPa)
|
δ5
(%)
|
Ak
(J)
|
|
渗
碳
钢
|
20Cr
(15)
|
渗碳+淬火+低温回火
|
540
|
835
|
10
|
47
|
齿轮、小轴、活塞销、蜗杆
|
|
20CrMnTi
(15)
|
渗碳+淬火+低温回火
|
850
|
1080
|
10
|
55
|
主传动齿轮、活塞销、凸轮
|
|
20MnVB
(15)
|
渗碳+淬火+低温回火
|
885
|
1080
|
10
|
55
|
替代20CrMnTi
|
|
调
质
钢
|
40Cr
(25)
|
淬火+高温回火
|
785
|
980
|
9
|
47
|
重要齿轮、轴、曲轴、连杆
|
|
30CrMnSi
(25)
|
淬火+高温回火
|
885
|
1080
|
10
|
39
|
高速齿轮、轴、离合器零件
|
|
38CrMoAl
(30)
|
淬火+高温回火
|
835
|
980
|
14
|
71
|
高级氮化用钢、蜗杆、阀门
|
|
40MnVB
(25)
|
淬火+高温回火
|
785
|
980
|
10
|
47
|
替代40Cr钢
|
|
弹
簧
钢
|
50Mn2
(25)
|
淬火+中温回火
|
785
|
930
|
9
|
39
|
截面<Φ12mm螺旋、板弹簧、Φ20～25mm弹簧
|
|
55Si2Mn
|
淬火+中温回火
|
1200
|
1300
|
δ10，6
|
-
|
工作温度低于230℃
|
|
60Si2Mn
|
淬火+中温回火
|
1200
|
1300
|
δ10，6
|
-
|
工作温度低于230℃
|
|
50CrVA
(25)
|
淬火+中温回火
|
1130
|
1280
|
10
|
-
|
Φ30～50mm弹簧
|
c.合金调质钢
合金调质钢的牌号表示方法与合金渗碳钢相同，如40CrMn。
合金调质钢的含碳量一般在0.35%～0.50%之间，属于中碳钢，使钢在淬火和回火后既保证了较高的强度和硬度又避免了韧性差易断裂的不足，从而保证了调质钢零件获得良好的综合机械性能。合金凋质钢中通常加入的合金元素有：Cr、Ni、Si、Mn、B、Mo、V、Al等。
合金调质钢是因为在热处理上要进行调质处理而得名，通过调质处理，可以获得回火索氏体组织，从而具有良好的综合机械性能。
合金调质钢适合于制造要求能承受较大的交变应力、冲击性载荷及具有中高强度和韧性配合的零件，如飞机、汽车、拖拉机、机床和其它机械设备上的重要零件。
d.合金弹簧钢
合金弹簧钢的牌号表示方法与合金渗碳钢、合金调质钢相同，如60Si2Mn。
合金弹簧钢的含碳量一般在0.45%～0.70%之间，常加入的合金元素有Si、Mn、Cr、V、等，尤以Mn、Si元素应用最广。这些元素不仅提高钢的淬透性，而且在配以合理热处理后，可以细化钢材晶粒，使钢的σs与σb的比值接近于1，从而使合金弹簧钢具有足够的弹性和韧性，Si元素在这方面的作用最为突出，因此许多合金弹簧钢都含有较多的硅，而硅具有容易导致脱碳及石墨化的缺点，合金弹簧钢中不单独加入Si元素，通常是与其他元素（如Mn）同时加入.
合金弹簧钢常进行淬火加中温回火处理，从而获得回火屈氏体以保证良好弹性，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。
常用合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢的牌号、热处理特点、力学性能及用途见表4-5。表中数据摘自GB3077-1999及GB3077-88。
e.滚动轴承钢
我国目前应用最广的轴承是高碳铬轴承，高碳铬轴承钢的牌号用“滚”字汉语拼音字首“G”、铬元素符号以及其平均含量千分数表示。例如GCr15表示含铬量1.5%左右的滚动轴承钢。滚动轴承钢的含碳量较高（wc=0.95%～1.10%）从而保证硬度及耐磨性，加入铬提高的淬透性，并使铬碳化合物均匀细小。
滚动轴承钢主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等，也可用于制造精密量具、冷冲模、机床丝杠等耐磨件，我国常用的高碳铬轴承钢的牌号如表4-6所示。表中数据摘自GB3077-88。
表4-6 我国常用高碳铬轴承钢的牌号、化学成分、热处理特点及用途
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牌号
|
化学成分ωмe×100
|
热处理
|
用途举例
|
|
C
|
Si
|
Mn
|
Cr
|
淬火温度/℃
|
回火温度/℃
|
硬度/HRC
|
|
GCr9
|
1.00～1.10
|
0.15～0.35
|
0.25～0.45
|
0.90～1.25
|
810～830
水,油
|
150～170
|
62～66
|
一般工作条件下小尺寸的滚动体和内、外套圈
|
|
GCr9SiMn
|
1.00～1.10
|
0.45～0.75
|
0.95～1.25
|
0.90～1.25
|
810～830
水,油
|
150～180
|
61～65
|
一般工作条件下的滚动体和内外套圈，广泛用于汽车、拖拉机、内燃机、机床及其它工业设备上的轴承
|
|
GCr15
|
0.95～1.05
|
0.15～0.35
|
0.25～0.45
|
1. 1.40 ～
1.65
|
825～845
油
|
150～170
|
62～66
|
|
GCr15SiMn
|
0.95～1.05
|
0.45～0.75
|
0.05～1.25
|
1.40～1.65
|
825～845
油
|
150～180
|
﹥62
|
大型轴承或特大型轴承（外径﹥410mm）的滚动体和内外套圈
|
B.合金工具钢
用来制造各种刃具、模具、量具等工具的合金钢称为合金工具钢。合金结构钢主要要求高的强度和韧性，因而钢的含碳量不太高，一般都是低碳或中碳,而合金工具钢则不同，主要要求高硬度和高耐磨性，一般都是高碳钢.此外，对于切削刀具用钢还要求具备很好的红硬性，即在较高温度下仍保持高硬度的能力，所加入的合金元素主要是使钢具有高硬度和高耐磨性，同时还能提高淬透性的一些碳化物形成元素，如Cr、W、Mo、V等。有些钢中也加入一些Mn和Si，主要目的是增加钢的回
火稳定性。
合金工具钢按用途不同分为：刃具钢、模具钢和量具钢三种，牌号由钢中平均含碳量的千分数值、元素符号、数字顺序排列组成。当钢的平均含碳量大于或等于1%时，不再标注。合金元素符号后面的数字表示该元素平均含量的百分数，当合金元素平均含量小于1.5%时，不标注。例如，9SiCr表示平均含碳量为0.9%，平均含硅、铬量均小于1.5%的合金工具钢。需要指出的是高速钢，无论其含碳量多少，在牌号中都不标出，如W18Cr4V。
