合金钢（含有多种适量合金元素的钢材）
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更新时间：2023-07-27
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合金钢是指含有多种适量合金元素的钢材，这种合金元素可以改变钢材的物理性质和化学性质，从而赋予钢材更高的强度、韧性、耐磨性、耐腐蚀性、耐低温性、耐高温性、无磁性等性能。合金钢的种类很多，可以按照添加的合金元素种类和含量进行分类，如不锈钢、耐热钢、高锰钢、轴承钢等。相对于普通碳素钢，合金钢具有更高的性能和更广泛的应用领域。合金钢
本词条是多义词，共3个义项
含有多种适量合金元素的钢材
产生发展
合金钢
20世纪20年代以后，不锈钢和耐热钢在这段期间问世了。
第二次世界大战以后至60年代，主要是发展高强度钢和超高强度钢的时代，由于航空工业和火箭技术发展的需要，出现了许多高强度钢和超高强度钢新钢种，如沉淀硬化型高强度不锈钢和各种低合金高强度钢等是其代表性的钢种。60年代以后，许多冶金新技术，特别是炉外精炼技术被普遍采用，合金钢开始向高纯度、高精度和超低碳的方向发展，又出现了马氏体时效钢、超纯铁素体不锈钢等新钢种。
国际上使用的有上千个合金钢钢号，数万个规格，合金钢的产量约占钢总产量的10%，是国民经济建设和国防建设大量使用的重要金属材料。
合金元素
作用
1、碳（C）：钢中含碳量增加，屈服点和抗拉强度升高，但塑性和冲
击性降低，当碳含量超过0.23%时，钢的焊接性能变坏，因此用于焊接的低合金结构钢，含碳量一般不超过0.20%。碳量高还会降低钢的耐大气腐蚀能力，在露天料场的高碳钢就易锈蚀；此外，碳能增加钢的冷脆性和时效敏感性。
合金钢
2、硅（Si）：在炼钢过程中加硅作为还原剂和脱氧剂，所以镇静钢含有0.15－0.30%的硅。如果钢中含硅量超过0.50-0.60%,硅就算合金元素。硅能显著提高钢的弹性极限，屈服点和抗拉强度，故广泛用于作弹簧钢。在调质结构钢中加入1.0－1.2%的硅，强度可提高15－20%。硅和钼、钨、铬等结合，有提高抗腐蚀性和抗氧化的作用，可制造耐热钢。含硅1－4%的低碳钢，具有极高的导磁率，用于电器工业做矽钢片。硅量增加，会降低钢的焊接性能。
3、锰（Mn）：在炼钢过程中，锰是良好的脱氧剂和脱硫剂，一般钢中含锰0.30－0.50%。在碳素钢中加入0.70%以上时就算“锰钢”，较一般钢量的钢不但有足够的韧性，且有较高的强度和硬度，提高钢的淬性，改善钢的热加工性能，如16Mn钢比A3屈服点高40%。含锰11－14%的钢有极高的耐磨性，用于挖土机铲斗，球磨机衬板等。锰量增高，减弱钢的抗腐蚀能力，降低焊接性能。
5、硫（S）：硫在通常情况下也是有害元素。使钢产生热脆性，降低钢的延展性和韧性，在锻造和轧制时造成裂纹。硫对焊接性能也不利，降低耐腐蚀性。所以通常要求硫含量小于0.055%，优质钢要求小于0.040%。在钢中加入0.08-0.20%的硫，可以改善切削加工性，通常称易切削钢。
8、钼(Mo)：钼能使钢的晶粒细化，提高淬透性和热强性能，在高温时保持足够的强度和抗蠕变能力(长期在高温下受到应力，发生变形，称蠕变)。结构钢中加入钼，能提高机械性能。还可以抑制合金钢由于淬火而引起的脆性。在工具钢中可提高红性。
10、钒(V)：钒是钢的优良脱氧剂。钢中加0.5%的钒可细化组织晶粒，提高强度和韧性。钒与碳形成的碳化物，在高温高压下可提高抗氢腐蚀能力。
12、铌(Nb)：铌能细化晶粒和降低钢的过热敏感性及回火脆性，提高强度，但塑性和韧性有所下降。在普通低合金钢中加铌，可提高抗大气腐蚀及高温下抗氢、氮、氨腐蚀能力。铌可改善焊接性能。在奥氏体不锈钢中加铌，可防止晶间腐蚀现象。
15、铝(Al)：铝是钢中常用的脱氧剂。钢中加入少量的铝，可细化晶粒，提高冲击韧性，如作深冲薄板的08Al钢。铝还具有抗氧化性和抗腐蚀性能，铝与铬、硅合用，可显著提高钢的高温不起皮性能和耐高温腐蚀的能力。铝的缺点是影响钢的热加工性能、焊接性能和切削加工性能。
16、硼(B)：钢中加入微量的硼就可改善钢的致密性和热轧性能，提高强度。
17、氮(N):氮能提高钢的强度，低温韧性和焊接性，增加时效敏感性。
18、稀土(Xt)：稀土元素是指元素周期表中原子序数为57-71的15个镧系元素。这些元素都是金属，但他们的氧化物很象“土”，所以习惯上称稀土。钢中加入稀土，可以改变钢中夹杂物的组成、形态、分布和性质，从而改善了钢的各种性能，如韧性、焊接性，冷加工性能。在犁铧钢中加入稀土，可提高耐磨性。
影响
合金元素对钢热处理的影响
2、对奥氏体晶粒大小的影响——大多数合金元素有阻碍奥氏体晶粒长大的作用。但锰和硼却相反，可以促进奥氏体晶粒长大，所以，除锰钢外，合金钢在加热时不易过热。这样有利于在淬火后获得细马氏体；也有利于适当提高加热温度，使奥氏体中溶有更多的合金元素增加淬透性和提高钢的力学性能。
对钢加热和冷却时相变的影响
钢加热时的主要固态相变是非奥氏体相向奥氏体相的转变，即奥氏体化的过程。整个过程都和碳的扩散有关。合金元素中，非碳化物形成元素降低碳在奥氏体中的激活能，增加奥氏形成的速度；而强碳化物形成元素强烈妨碍碳在钢中的扩散，显著减慢奥氏体化的过程。
钢冷却时的相变是指过冷奥氏体的分解，包括珠光体转变（共析分解）、贝氏体相变及马氏体相变。仅举合金元素对过冷奥氏体等温转变曲线的影响为例，大多数合金元素，除钴和铝外，均起减缓奥氏体等温分解的作用，但各类元素所起的作用有所不同。不形成碳化物的（如硅、磷、镍、铜）和少量的碳化物形成元素（如钒、钛、钼、钨），对奥氏体到向珠光体的转变和向贝氏体的转变的影响差异不大，因而使转变曲线向右推移。
碳化物形成元素（如钒、钛、铬、钼、钨）如果含量较多，将使奥氏体向珠光体的转变显著推迟，但对奥氏体向贝氏体的转变的推迟并不显著，因而使这两种转变的等温转变曲线从“鼻子”处分离，而形成两个 C形。
对钢的晶粒度和淬透性的影响
影响奥氏体晶粒度的因素很多。钢的脱氧和合金化情况均与“奥氏体本质晶粒度”有关。一般来说，一些不形成碳化物的元素，如镍、硅、铜、钴等，阻止奥氏体晶粒长大的作用较弱，而锰、磷则有促进晶粒长大的倾向。碳化物形成元素如钨、钼、铬等，对阻止奥氏体晶粒长大起中等作用。强碳化物形成元素如钒、钛、铌、锆等，强烈地阻止奥氏体晶粒长大，起细化晶粒作用。铝虽然属于不形成碳化物元素，但却是细化晶粒和控制晶粒开始粗化温度的最常用的元素。
对钢的焊接性和被切削性的影响
焊接性和被切削性是衡量钢的工艺性能好坏的主要方面。凡能提高淬透性的合金元素均对钢的焊接性不利。因为在焊缝热影响区靠近熔合线一侧冷却时易形成马氏体等硬脆组织，有导致开裂的危险。另一方面，热影响区靠近熔合线处的晶粒因受高热容易粗化，因此，合金钢中含有可使晶粒细化的元素如钛、钒等是有益的。
钢中加入适量的硫、铅等元素可改善钢的被切削性（见易切削钢）。合金钢中的合金元素一般会使钢的硬度增加，因而增高切削抗力，加剧刀具磨损。通过改变钢的基体组织、夹杂物的种类、数量和形状可以影响钢的被切削性。
对钢的耐蚀性能的影响
铬是不锈耐酸钢和耐热钢的主要合金元素。合金钢中含铬量若达到12%左右，在钢的表面便形成致密的铬的氧化物，使钢在氧化性介质中的耐蚀性发生突变而大大提高。铬、铝、硅等元素，能提高钢的抗氧化性和抗高温气体的腐蚀性能，但过量的铝和硅则会使钢的热塑性变坏。镍主要用来形成和稳定奥氏体组织，使钢获得良好的力学性能、耐蚀性能和工艺性能。钼能使不锈耐酸钢很快钝化，提高对含有氯离子的溶液及其他非氧化性介质的耐蚀能力。钛、铌通常用来固定合金钢中的碳，使它生成稳定的碳化物，以减轻碳对合金钢耐蚀性能的有害作用。铜和磷配合使用时，可提高钢的耐大气腐蚀性能。
分类
调质钢
1．中碳型合金钢，合金元素含量较低；2．强度较高；3．用于高温螺栓、螺母材料等。
弹簧钢
1、含碳量比调质钢高；2经调质处理，强度较高 抗疲劳强度较高；3用于弹簧材料。
滚动轴承钢
1高碳型合金钢，合金含量较高；2具有高而均匀的硬度和耐磨性；3用于滚动轴承。
合金工具钢
又名量具钢 1高碳型合金钢，合金元素含量较低；2具有高的硬度和耐磨性，机加工性能好，稳定性好；3用于量具材料。
特殊性能钢不锈钢
1低碳高合金钢；2抗腐蚀性好；3用于抗腐蚀、部分可做耐热材料。
耐热钢
1低碳高合金钢；2耐热性能好；3用于耐热材料、部分可做抗腐蚀材料。
低温钢
1低碳合金钢，根据耐低温程度合金元素有高有低；2抗低温性好；3用于低温材料（专用钢为镍钢）。
根据碳化物的倾向分类
合金钢根据各种元素在钢中形成碳化物的倾向，可分为三类：
合金钢
这类元素只要有足够的碳，在适当的条件下，就形成各自的碳化物；仅在缺碳或高温的条件下，才以原子状态进入固溶体中。
②碳化物形成元素，如锰、铬、钨、钼等。这类元素一部分以原子状态进入固溶体中，另一部分形成置换式合金渗碳体，如(Fe，Mn)3C、(Fe，Cr)3C等，如果含量超过一定限度（除锰以外），又将形成各自的碳化物，如(Fe，Cr)7C3、(Fe，W)6C等。
③ 不形成碳化物元素，如硅、铝、铜、镍、钴等。这类元素一般以原子状态存在于奥氏体、铁素体等固溶体中。合金元素中一些比较活泼的元素，如铝、锰、硅、钛、锆等，极易和钢中的氧和氮化合，形成稳定的氧化物和氮化物，一般以夹杂物的形态存在于钢中。锰、锆等元素也和硫形成硫化物夹杂。钢中含有足够数量的镍、钛、铝、钼等元素时能形成不同类型的金属间化合物。有的合金元素如铜、铅等，如果含量超过它在钢中的溶解度，则以较纯的金属相存在。
根据相变点分类
钢的性能取决于钢的相组成，相的成分和结构，各种相在钢中所占的体积组分和彼此相对的分布状态。合金元素是通过影响上述因素而起作用的。对钢的相变点的影响 主要是改变钢中相变点的位置，大致可以归纳为以下三个方面：
①改变相变点温度。一般来说，扩大γ相(奥氏体)区的元素，如锰、镍、碳、氮、铜、锌等，使A3点温度降低,A4点温度升高；相反，缩小γ相区的元素，如锆、硼、硅、磷、钛、钒、钼、钨、铌等，则使A3点温度升高，A4点温度降低。惟有钴使A3和A4点温度均升高。铬的作用比较特殊，含铬量小于7%时使A3点温度降低，大于7%时则使A3点温度提高。
②改变共析点S的位置。缩小γ相区的元素，均使共析点S温度升高；扩大γ相区的元素，则相反。此外几乎所有合金元素均降低共析点S的含碳量，使S点向左移。不过碳化物形成元素如钒、钛、铌等（也包括钨、钼），在含量高至一定限度以后，则使S点向右移。
③改变γ相区的形状、大小和位置。这种影响较为复杂，一般在合金元素含量较高时，能使之发生显著改变。例如镍或锰含量高时，可使γ相区扩展至室温以下，使钢成为单相的奥氏体组织；而硅或铬含量高时，则可使γ相区缩得很小甚至完全消失，使钢在任何温度下都是铁素体组织。
牌号
结构钢
低合金结构钢
1、性能特点 较高的强度，足够的塑性和韧性、
良好的焊接性能。广泛应用建筑、桥梁等。
2、化学成分特点 低碳钢（含碳量<0.2%)；主
要合金元素为Mn(含量为1.25~1.5%)。
3、热处理特点 一般不进行热处理。
4、常用钢种 16Mn、15MnTi等。
合金渗碳钢
1、性能特点 用于制造表面硬而耐磨，心部韧性
好而耐冲击的零件，如齿轮、凸轮等。（具有
良好的渗碳能力和淬透性）
2、化学成分特点 低碳钢（含碳量0.1~0.25%)；
主要合金元素有Cr、Mn、Ti、V等，其主要作
用是提高淬透性和防止过热。
3、热处理特点 预先热处理为正火、渗碳后为淬
火加低温回火。
锻造-正火-加工齿形-局部镀铜-渗碳-预冷淬火、低温回火-喷丸-磨齿。
4、常用钢种 20Cr、20CrMnTi
20CrMnTi钢制汽车变速齿轮热处理工艺曲线，如图所示：
合金钢
工具钢
合金刃具钢
刃具钢应具有下列性能要求：
（1）高硬度（60HRC以上）
（2）高的耐磨性
（4）具有一定的强度、韧性和塑性
（一）低合金刃具钢
1、化学成分特点 高的含碳量（0.75~1.5%)；为了提高淬透性和回火稳定性，加入Cr、Mn、Si、
V、W等合金元素；
2、热处理特点 预处理为球化退火，最终热处理为淬火+低温回火。
1、化学成分特点 ①高C：0.7 %～1.5 %；②加入Cr提高淬透性；③加入W、Mo提高热硬性；
④加入V提高耐磨性。
2、热处理特点 退火+1270℃淬火+560℃～ 580℃回火（三次）。
3、典型钢种 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2
W18Cr4V 钢盘形铣刀淬火回火工艺曲线，如图所示：
合金钢
合金量具钢
2.量具在使用的过程中要经受磨损，要求具有较高的硬度和耐磨性，同时要有较高的尺寸稳定性。
3.为提高尺寸的稳定性，淬火后要进行冷处理。（－50℃~ － 78℃）。
与碳钢的区别
合金钢
合金钢是指钢中除含硅和锰作为合金元素或脱氧元素外，还含有其他合金元素，有的还含有某些非金属元素的钢。根据钢中合金元素含量的多少，又可分为低合金钢，中合金钢和高合金钢。
而碳钢主要指力学性能取决于钢中的碳含量，而一般不添加大量的合金元素的钢，有时也称为普碳钢或碳素钢。
碳钢也叫碳素钢，含碳量WC小于2%的铁碳合金。碳钢除含碳外一般还含有少量的硅、锰、硫、磷 按用途可以把碳钢分为碳素结构钢、碳素工具钢和易切削结构钢三类。按含碳量可以把碳钢分为低碳钢（WC ≤ 0.25%）,中碳钢（WC0.25%——0.6%）和高碳钢（WC>0。6%）
一般碳钢中含碳量较高则硬度越高，强度也越高，但塑性较低。
