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這類合金元素在鋼中，
一是可溶入滲碳體中形成合金滲碳體，如(Fe,Mn)3C、(Fe,Cr)3C等，是低合金鋼中存在的主要碳化物，比滲碳體的硬度高，且穩(wěn)定。
二是強(qiáng)碳化物形成元素與碳形成特殊碳化物，如TiC、NbC、VC、MoC、WC、Cr3C6等，它們具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、穩(wěn)定性好，主要存在于高碳高合金鋼中，產(chǎn)生彌散強(qiáng)化，提高鋼的強(qiáng)度 、硬度和耐磨性。
（3）其它：如稀土元素，鋼號中統(tǒng)一用Re表示。

2．合金元素在鋼中的作用
作用機(jī)理比較復(fù)雜，可歸納以下幾個(gè)方面：
（1）阻礙晶粒奧氏體晶粒長大，細(xì)化晶粒；
（2）提高淬透性 （Co除外）；
（3）提高回火穩(wěn)定性，防止回火脆性；
（4）提高鋼的使用性能，使之具有耐熱、抗腐蝕、高耐磨等特殊的性能；
（5）提高鋼的強(qiáng)韌性。金屬材料的強(qiáng)化是通過阻礙位錯(cuò)的移動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，主要方法有：
? 固溶強(qiáng)化，提高強(qiáng)度和硬度；
? 細(xì)晶強(qiáng)化，提高強(qiáng)韌性；
? 位錯(cuò)強(qiáng)化，位錯(cuò)密度增加，提高強(qiáng)度；
? 彌散強(qiáng)化（第二相強(qiáng)化），細(xì)小均勻的第二相硬質(zhì)點(diǎn)分布在基體上，阻礙位錯(cuò)移動(dòng)面強(qiáng)化；
? 加工硬化，金屬產(chǎn)生塑性變形后位錯(cuò)密度增加，晶料變得細(xì)碎，使金屬的強(qiáng)度硬度提高。
大多數(shù)的合金元素較好利用了上述前四種強(qiáng)化機(jī)制。如合金鋼淬火時(shí)，形成馬氏體，馬氏體中含較高的位錯(cuò)密度，馬氏體的形成分割了A的晶粒，使之細(xì)小，馬氏體中碳的過飽和產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，回火時(shí)析出的碳化物顆粒又產(chǎn)生彌散強(qiáng)化，等等。

第三節(jié)  結(jié)構(gòu)鋼
結(jié)構(gòu)鋼按用途分為工程結(jié)構(gòu)鋼和機(jī)器結(jié)構(gòu)鋼兩大類。
一、 工程結(jié)構(gòu)鋼
用于制作各種工程構(gòu)件的鋼稱為工程結(jié)構(gòu)鋼，如制作房屋、橋梁、起重機(jī)機(jī)械、鍋爐、壓力容器、鉆井架、車輛構(gòu)件等，所以又稱工程構(gòu)件用鋼或建筑工程用鋼，包括碳素結(jié)構(gòu)鋼和低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼。
1． 碳素結(jié)構(gòu)鋼
見第四章碳鋼的分類、編號及用途。

2． 低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼
用途：在大氣和海洋中工作的的大型焊接結(jié)構(gòu)件，如建筑結(jié)構(gòu)、橋梁、車輛 、船舶 、輸油輸氣管道、壓力容器等。
性能特點(diǎn)：強(qiáng)度高，良好的塑性、韌性、冷沖壓性能及焊接性能 ，可抵抗大氣腐蝕。
成分特點(diǎn)：
低碳（<0.2%），保證良好的塑性；
合金元素：以Mn為主，強(qiáng)化鐵素體基體，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化；加入少量的Ti、V、Nb、Re等，細(xì)化晶粒，提高強(qiáng)韌性。

牌號：Q＋數(shù)字＋（質(zhì)量等級符號A、B、C、D、E）
共11個(gè)牌號，6個(gè)等級，以強(qiáng)度等級分類，如表所示。
熱處理工藝特點(diǎn)：一般在熱軋空冷狀態(tài)下使用，必要時(shí)經(jīng)正火處理后使用。正火處理的溫度在Ac3+（30～50）℃，使用態(tài)組織為（P+F）。
典型牌號及用途：
（1）在Q345較低級別的鋼中，16Mn鋼具有代表性，是目前我國用量鋼多、產(chǎn)量鋼大的一種低合金高強(qiáng)度鋼。其派生鋼種有16MnRe、16MnCu等，Re的主要作用是提高塑性和韌性，提高疲勞強(qiáng)度，降低冷脆轉(zhuǎn)變溫度，Cu的主要作用是通過鈍化提高耐蝕性。這類鋼多用于船舶、車輛、橋梁等大型鋼結(jié)構(gòu)。
（2）對Q420級的15MnVN、14MnVTiRe等，加入了釩、氮起到細(xì)化晶粒和第二相強(qiáng)化作用，稀土又起凈化晶界作用，提高強(qiáng)韌性，因此強(qiáng)度高于15MnTi。
（3）Q460級的鋼種，如14MnMoVBRe，加入鉬和微量硼元素，可推遲奧氏體冷卻時(shí)的鐵素體析出，而對貝氏體轉(zhuǎn)變則影響不大，正火后得到貝氏體組織，然后再高溫回火，以穩(wěn)定組織，消除內(nèi)應(yīng)力，提高塑性和韌性，焊接性好，適于制造400～500℃的鍋爐、中溫高壓容器等。
工程結(jié)構(gòu)用鋼的發(fā)展趨勢：
低合金高強(qiáng)度鋼由于其強(qiáng)度高，韌性和加工性能優(yōu)異，合金元素耗量少，并且不需進(jìn)行復(fù)雜的熱處理，已越來越受到重視。目前，這類鋼發(fā)展趨勢是：
（a）通過微合金化與合理的軋制工藝結(jié)合起來，實(shí)行控制軋制，以達(dá)到更高的強(qiáng)度。
（b）通過合金化改變基體組織，提高強(qiáng)度。在鋼中加入較多的其它元素，如Cr、Mn、Mo、Si、B等，使鋼在熱軋空冷的條件下即可得到貝氏體組織，甚至馬氏體組織。這種馬氏體在冷卻過程中可發(fā)生自回火過程，甚至不需要專門進(jìn)行回火。
（c）超低碳化。為了保證韌性和焊接性能，含碳量進(jìn)一步降低，甚至降到PPM級，此時(shí)必須采用真空冶煉，或真空去氣的先進(jìn)冶煉工藝。

二、 機(jī)器結(jié)構(gòu)鋼
指用于制造各種機(jī)器零件，如軸類零件、齒輪、彈簧和軸承等所用的鋼種，又稱機(jī)器零件用鋼，包括優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼。
機(jī)器零件用鋼不但要求鋼材具有高的強(qiáng)度、塑性和韌性，良好的疲勞強(qiáng)度和耐磨性；而且還要求具有良好的切削加工性能和熱處理工藝性能。機(jī)器零件用鋼一般都經(jīng)過熱處理后使用。
按用途不同，分為滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼、軸承鋼等。

1． 滲碳鋼
用途：主要作于制作承受交變載荷、很大的接觸應(yīng)力，并在沖擊和嚴(yán)重磨損條件下工作的零件，如汽車、重型機(jī)床齒輪、活塞銷，內(nèi)燃機(jī)的凸輪軸等。
性能要求：“表硬心韌”。 要求零件表面硬度高、耐磨，心部則具有較高的韌性和足夠的強(qiáng)度以承受沖擊。一般滲碳件表面滲碳層淬火后硬度≥58HRC，心部35～45HRC。
成分：Wc＝0.15—0.25%，保證心部塑韌性；
主加元素Cr、Ni、Mn、B，強(qiáng)化基體，提高淬透性，保證心部強(qiáng)韌性；
微量元素V、Ti、W、Mo，防止?jié)B碳時(shí)過熱，細(xì)化晶粒，提高耐磨性。
分類和典型牌號：                
低淬透性滲碳鋼，典型鋼種20、20Cr，其水淬臨界直徑20－35mm，滲碳淬火后，心部強(qiáng)韌性較低，只適于制造受沖擊載荷較小的耐磨零件，如活塞銷、凸輪、滑塊、小齒輪等。
中淬透性滲碳鋼，典型鋼種為20CrMnTi，其油淬臨界直徑約為25～60mm，主要用于制造承受中等載荷、要求足夠沖擊韌性和耐磨性的汽車、拖拉機(jī)齒輪等零件。
高淬透性滲碳鋼，典型鋼種為18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A，其油淬臨界直徑>100mm，主要用于制造大截面、高載荷的重要耐磨件，如飛機(jī)、坦克中的曲軸、大模數(shù)齒輪等。
 常用牌號：15、20、20Cr、20CrMnTi、20MnTiB等，通常尺寸小、受力小的零件，采用低碳鋼，而尺寸大的、受力大的則采用低碳合金鋼。
熱處理特點(diǎn)：
預(yù)備熱處理，一般是正火，組織為P＋F，目的是調(diào)整硬度，改善組織和切削加工性能；
鋼終熱處理，一般是滲碳后直接淬火＋低溫回火。其組織為：
表面組織為“M回＋細(xì)小碳化物＋少量Ar”,
心部組織依鋼的淬透性及工件尺寸而定，淬透時(shí)為低碳M回，未淬透為低碳M回＋F＋P。
應(yīng)用舉例：
下面以應(yīng)用廣泛的20CrMnTi鋼為例，分析其熱處理工藝規(guī)范。
20CrMnTi是中淬透性鋼，適宜制造承受高速中載并且抗沖擊和耐磨損的零件。如汽車、拖拉機(jī)的后橋和變速箱齒輪、離合器軸、傘齒輪和一些重要的軸類零件。
用20CrMnTi鋼制作齒輪的加工工藝路線如下：
下料→鍛造→正火→機(jī)加工齒形→滲碳，預(yù)冷淬火＋低溫回火→磨齒。
預(yù)備熱處理為正火，正火后的組織為（S＋F），其目的是改善鍛造組織；調(diào)整硬度（170～210HBS）便于機(jī)加工。
鋼終熱處理為滲碳后預(yù)冷到875℃直接淬火＋低溫回火；預(yù)冷的目的在于減少淬火變形，同時(shí)在預(yù)冷過程中，滲層中可以析出二次滲碳體，在淬火后減少了殘余奧氏體量。鋼終熱處理后組織由表面到心部為“M回＋細(xì)小碳化物＋少量A殘→M回+少量A殘→低碳M＋F＋P。

2． 調(diào)質(zhì)鋼
采用調(diào)質(zhì)處理，即淬火+高溫回火后使用的優(yōu)質(zhì)碳素鋼和合金結(jié)構(gòu)鋼，統(tǒng)稱為調(diào)質(zhì)鋼。
應(yīng)用：用于受力較復(fù)雜的重要結(jié)構(gòu)零件。如機(jī)床主軸、火車發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸、汽車后橋半軸等軸類零件，以及連桿、螺栓、齒輪等。
性能要求：具有良好的綜合力學(xué)性能，即高的強(qiáng)度、良好塑性和韌性。
成分特點(diǎn)：
碳含量：中碳Wc：0.25～0.5％，保證熱處理后具有足夠的強(qiáng)度、良好的塑性和韌性。含碳量太低，強(qiáng)度硬度不足；太高，塑性、韌性降低；為達(dá)到兩者兼顧，取中碳范圍。一般碳素調(diào)質(zhì)鋼的淬透性低，含碳量偏上限；合金調(diào)質(zhì)鋼淬透性好，隨合金元素的增加，含碳量趨于下限，如30CrMnSi、38CrMoAl。
合金元素：主加Cr、Ni、Mn、Si、Al等，提高淬透性，調(diào)質(zhì)處理后有良好的綜合力學(xué)性能；輔加W、Mo元素，防止高溫回火脆性，細(xì)化晶粒，提高回火穩(wěn)定性。
分類及典型牌號：按淬透性的高低，調(diào)質(zhì)鋼大致可以分為三類：
①低淬透性調(diào)質(zhì)鋼。典型鋼種45、40Cr，這類鋼的油淬臨界直徑鋼大為30～40mm，廣泛用于制造一般尺寸的重要零件，如軸、齒輪、連桿螺栓等。35SiMn、40MnB是為節(jié)約鉻而發(fā)展的代用鋼種。
②中淬透性調(diào)質(zhì)鋼。典型鋼種40CrNi，這類鋼的油淬臨界直徑鋼大為40～60mm，含有較多的合金元素，用于制造截面較大、承受較重載荷的零件，如曲軸、連桿等。
③高淬透性調(diào)質(zhì)鋼。典型鋼種40CrNiMoA，這類鋼的油淬臨界直徑為60～100mm，多半為鉻鎳鋼。鉻、鎳的適當(dāng)配合，可大大提高淬透性，并能獲得比較優(yōu)良的綜合機(jī)械性能。用于制造大截面、承受重負(fù)荷的重要零件，如汽輪機(jī)主軸、壓力機(jī)曲軸、航空發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸等。
鋼種的選擇根據(jù)零件的工作載荷大小及其尺寸、形狀來確定的。載荷大、尺寸大、形狀復(fù)雜的零件，為保證有足夠的淬透性，就要采用合金調(diào)質(zhì)鋼。
熱處理工藝特點(diǎn)：
（1）預(yù)備熱處理：采用完全退火或正火（高淬透性的調(diào)質(zhì)鋼正火后應(yīng)再高溫回火），其目的是細(xì)化晶粒，改善組織；調(diào)整硬度，改善切削加工性能。組織（P+F）。

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