| 第一章 合金结构的品种特性及用途
第一节 合金结构钢的特性
一、合金元素在合金结构钢中的作用
合金元素在合金结构钢中的主要作用可归纳为3个方面：①增加淬透性；②影响回火过程；③影响综合力学性能
（一）合金元素对淬透性的影响
碳是一种能有效增加淬透性的元素。其他常用合金元素提高淬透性的能力，大体按下列顺序增长：镍、硅、
铬、锰、钼、硼。
钢的淬透性来自所含各合金元素对淬透性的贡献。这种贡献只有当合金元素溶入奥氏体后才有可能表现出。
镍增大淬透性的效果较弱。铜对淬透性的贡献与镍相似。
硅能有效地增加高碳奥氏体的淬透性。当奥氏体碳含量和硅含量较低时，硅对淬透性的贡献较小。
锰对淬透性贡献显著，特别是当锰的含量超过0.8%时，锰对淬透性的贡献与镍相近。
铬对淬透性的影响，在低碳钢中略低于锰；在中碳钢时，其效果最好。
钼能有效地提高淬透性，与中碳钢相比，在高碳钢中钼有更大效果。镍与钼之间有强的交互作用。
钨在过冷奥氏体分解中所起的作用和与钼相似，其影响程度约为钼的一半（含量按重量百分比计算时）。同钼一样，钨在高碳钢中比在低碳钢中更为有效。
钛、铌和锆是强碳化物和强氧化物形成元素，其行为与钒相似，这些元素在奥氏体中的溶解度较小或很小，对淬透性的贡献也小。
硼在提高淬透性方面是一个强有力的元素，对淬透性的影响有其独特性和复杂性。硼在钢中有两种状态，即固溶态和结合态。只有当硼溶解在奥氏体中时才能起提高淬透性有作用，硼同氧和氮结合形成硼的氧化物和氮化物，使相当一部分硼含量处于结合态，闲而失去增加淬透性的能力，因此，要采取保护硼的方法。使硼保留为非结合态而转移到固溶体中，成为随后淬火后能对淬透性起作用的所谓“有效期”。
（二）合金元素对淬火钢回火转变的影响
合金结构钢与碳钢相比其特点在于有较高的抗回火软化能力，同时，在某些情况下。能显示出二次硬化现象。
合金结构钢之所以具有抗回火稳定性是因为在添加合金元素的情况下，马氏体分解、残余奥氏体转变及渗碳体析出、集聚，均不同程度地被推向较高的温度范围。
不同合金元素在减慢回火软化方面作用不同。非碳化物形成元素镍、铝和弱碳化物形成元素锰对回火钢的软化较小，在抗回火软化方面比较有效的是碳化物形成元素。
碳化物形成元素能较多地把碳保留在马氏体中，从而阻碍马氏体的分解。其中以强碳化物形成元素钒的作用最为明显，钨、钼其次，铬又次之。碳化物形成元素还阻碍残余奥氏体转变，阻碍了合金渗碳体的集聚，使含碳人物形成元素的钢能在更高的回火温度下保持细小的渗碳体颗粒。
非碳化物形成元素砖在回火转变中的作用比较独特，低温下硅扩散，添加硅可提高马氏体的分解温度，硅也阻碍渗碳体颗粒的集聚长大。
（三）钢中合金元素和杂质元素对淬火、回火后钢的力学性能的影响
钢中合金元素和杂质元素对钢力学性能的影响与钢的组织状态有密切关系。在淬火马氏体状态下，钢的硬度仅取决于马氏体中的碳含量而与其合金元素无关，但是，经回火后，在给定屈服强度下钢的塑性和韧性与钢的成分有密切关系。
碳是不利于调质钢冲击韧性的元素，杂质元素磷，对冲击韧性危害很大，调质钢中加入1.0%～1.5%锰后，冲击韧性可得到改善（如果未出现回火脆性）。铬含量从1%增加到4%对调质钢的的脆性转变温度无太大影响，镍显著降低脆性转变温度。钢中少量钼和钒并不增大脆性。
奥氏体晶粒大小对淬火、回火后钢的韧性有显著影响。当奥氏体晶粒细小时，才会有细小的马氏体组织和高的韧性。钢的晶粒粗化温度是合金结构钢重要的冶金质量指标之一。铝与氮结合形成弥散的AIN粒子，可提高晶粒粗化温度，钒、钛、锆、铌提高奥氏体晶粒粗化温度的作用比铝显著。为此，钒含量应不小于0.12%，钛、锆、铌的含量均应高于0.04%。
回火脆性对合金结构钢淬火、回火后的韧性有相当大的影响。在250-400℃回火出现的脆性称为低温回火脆性。有些人认为，低温回火脆性与钢中微量的锑、磷、锡、砷等元素在晶界上的富集与吸附有关。添加1.5%-2.0%硅，能将发生低温回火脆性的温度提高100℃左右。
在回火加热后缓慢冷却条件下，在450-600℃区间回火出现冲击韧性最低值，此现象称为高温回火脆性。高温回火脆性的本质是，回火时，钢中磷、锡、锑、砷等杂质元素沿原奥氏体晶界发生了偏聚，造成晶界弱化和脆化。一般认为，主要是在有一定碳含量并含有磷、锡、锑、砷等杂质元素合金钢中才出现比较显著的高温回火脆性，钢中的碳和合金元素通过影响杂质元素的晶界偏聚，从而对高温回火脆性产生影响。钛、铬、锰、镍等增加钢对高温回火脆性的敏感性，而钼、钨、钒等能减小敏感性，是降低高温回火脆性的元素。
二、合金结构钢基本性能
合金结构钢通常要求的和标准规定的性能主要有力学性能，及工艺性能，及低倍组织检验、高倍组织检验、无损检验等。
（一）力学性能
对合金结构钢来说，最重要的质量要求是钢的力学性能。
力学性能是钢在力作用下所显示与弹性和非弹性反应相关或涉及应力-应变关系的性能。力学性能包括强度、塑性、韧性和硬度等，其中强度是第一位的，它是工件设计和选材的主要依据。
1.强度
强度是金属抵抗永久变形和断裂的能力。常用的强度判据如屈服点、抗拉强度、规定非比例伸长应力、规定总伸长应力、规定残余伸长应力、蠕变极限、持久强度极限、疲劳强度、疲劳极限、疲劳寿命、断裂韧度等。常用的屈服强度，现在标准中己改用规定残余伸长应力或规定非比例伸长应力代替。强度单位为MPa.
屈服点：试样在试验过程中力不增加（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时的应力。
抗拉强度：试样拉断前承受的最大标称拉应力。以符号бb表示。
规定非比例伸长应力：试样标距部分的非比例伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。表不此应力的符号应附以角注说明，例如бp0.01，бp0.02等，分别表示规定非比例伸长率达到0.01%和0.02%时的应力。
规定总伸长应力：试样标距部分的总伸长（弹性伸长加塑性伸长）达到规定的原始标距百分比时的应力。表示此应力的符号应附以角注说明，例如，бr0.5，表示规定总伸长率达0.5%时的应力。
规定残余伸长应力：试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。表示此应力的符号应附以角注说明，例如，бr0.2，表示规定残余伸长率达0.2%时的应力。对于大多数机器零件，允许的残余塑性变形量为小于0.2%。所以，结构钢常用бr0.2表示屈服强度值.
蠕变极限：在规定温度下，引起试样在一定时间内蠕变总伸长率或恒定蠕变速率不超过规定值的最大应力。
持久强度极限：在规定温度下，试样达到规定时间而不断裂的最大应力。
N次循环的疲劳强度：从S-N曲线（应力与至破坏循环数的关系曲线）上所确定的恰好在N次循环睦失效的估计应力值。此值的使用条件必须与用来确定它的S-N曲线和测定条件相同。
疲劳极限：指定循环基数下的中值疲劳强度。循环基数一般取10的7次幂或更高一些。
疲劳寿命：材料疲劳失效时所经受的规定应力或应变的循环次数。
延性断裂韧度：按标准方法测定的JIc值定义为延性断裂韧度。它与裂纹开始扩展时的J值接近则裂纹起始稳态扩展时J的工程估计值。符号为JIc.
平面应变断裂韧度：在裂纹尖端平面应变条件下的裂纹扩展阻力。符号为KIc.
2.塑性
塑性为断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。常用的塑性判据有伸长率和断面收缩率。
伸长率：标准的伸长与原始标距的百分比。
断后伸长率：试样拉断后标距的伸长与原始标距的百分比，符号为δ。
断面收缩率：试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩减量与原始柜截面积的百分比，符号为ψ.
3.韧性
韧性为金属在断裂前吸收变形能量的能力。金属的韧性通常随加载速度提高、温度降低、应力集中程度加剧而减小。常用的韧性判据为冲击吸收功、冲击韧度。常用的冲击试验方法有夏比（V型缺口）冲击试验、夏比（U型缺口）冲击试验、艾氏冲击试验等。
冲击吸收功：规定形状和尺寸的试样在冲击试验力一次作用下折断时所吸收的功。单位为J。
冲击韧度：冲击试样缺口底部单位横截面积上的冲击吸收功。单位为J/cm的平方。
夏比（V型缺口）冲击试验：用规定高度的摆锤对处于简支梁状态的V型缺口试样进行一次性打击。测量试样折断时冲击吸收功的试验。此试验所测得的冲击吸收功用符号Akv表示。
夏比（U型缺口）冲击试验：用规定高度的摆锤对处于简支梁状态的U型缺口试样进行一次性打击。测量试样折断时冲击吸收功的试验。此试验所测得的冲击吸收功用符号Aku表示。
艾氏冲击试验：用规定高度的摆锤对处于悬臂梁状态的缺口试样进行一次性打击，测量试样折断时冲击吸收功的试验。
4.硬度
硬度为材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力，是衡量金属软硬的判 据，常用的硬度值有布氏硬度值、洛氏硬度值、维氏硬度值及肖氏硬度值等。
布氏硬度值：用球面压痕单位表面积上所承受的平均压力表示的硬度值。
洛氏硬度值：用洛氏硬度相应标尺刻度满量程值与残余压痕深度增量之差计算的硬度值。对于用金刚石圆锥压头进行的试验，洛氏硬度值为100-e；对于用钢球压头进行的试验。洛氏硬度值为130-e.常用的标尺洛氏硬度有A标尺洛氏硬度（HRA）、B标尺洛氏硬度（HRB）、C标尺洛氏硬度（HRC）。
维氏硬度值：用正四棱锥形压痕单位表面积上所承受的平均压力表示的硬度值。
肖氏硬度值：用冲头弹起的高度和规定高度的比值与肖氏硬度系数的乘积表示的硬度值。
（二）工艺性能
合金结构钢材标准中通常规定的工艺性能要求有，弯曲试验、反复弯曲试验、管弯曲试验有、顶锻试验、线材扭转试验、线材缠绕和松懈试验、管压扁试验、管卷扁试验、管扩口试验、管液压试验、杯突试验，以及淬透性、可焊性、切削加工性等。
弯曲试验：用规定尺寸弯心将试样弯曲至规定程度，检验金属承受变曲塑性变形的能力并显示其缺陷的试验。一般应规定弯心直径尺寸和弯曲角度及对弯曲处表面的要求。
反复弯曲试验：将试样一端夹紧。在规定半径的圆柱形表面上进行90℃的重复反问弯曲。检验金属（及覆盖层）的耐反复弯曲能力并显示具缺陷的试验。
管弯曲试验：在带槽弯心上将试样弯曲至规定程度，检验金属管承受弯曲塑性变形的能力并显示其缺陷的试验。
顶锻试验：对规定尺寸的试样进行锤击或锻打，检验金属在室温或热状态下承受顶锻塑性变形的能力并显示其缺陷的试验。在室温下进行的顶端试验称室温顶锻试验，亦称冷顶锻试验。在热状态下进行的顶端试验称热顶端试验。标准中一般应明确是室温（冷）顶锻还是热顶锻试验，并规定锻打的高度。
线材扭转试验：将试样两端夹紧，一端夹头围绕试样轴线旋转，检验金属线材在单向或交变方向扭转时承受塑性变形的能力并显示材料的均匀性、表面和内部缺陷的试验。
线材缠绕、松懈试验：将试样沿螺旋方向以紧密的螺旋圈缠绕在规定直径的芯杆上，检验有镀层和无镀层金属线材承受缠绕和松懈塑性变形能力并显示其缺陷及镀层结合牢固性的试验。管压扁试验：将金属管压扁至规定尺寸，检验其塑性变形能力并显示其缺陷的试验。
管卷边试验：将规定形状的顶心压入金属管一端，使管壁均匀卷至规定尺寸，检验管壁承受外卷塑性变形的能力并显示其缺陷的试验。
管扩口试验：将规定锥度的顶心压入金属管一端，使直径均匀地扩张至规定尺寸，检验金属管径向扩张塑性变形的能力并显示其缺陷的试验。
管液压试验：用水或规定液体充满金属管，在一定时间内承受规定压力，检验金属管质量及强度并显示其缺陷的试验。通常亦称水压试验也称封性试验。
杯突试验：用球形冲头将金属板或带状试验压入规定尺寸的冲模中直至出现穿透裂缝，测量杯突深度值的试验。杯突值是提杯突试验中裂缝开始穿透试样厚度（透光）时冲头的压入深度。
淬透性：指钢奥氏体化后接受淬火的能力，或奥氏体向马氏体转变的倾向，常用淬硬层的深度来说明。淬硬层的深度是指表面至半马氏体层（含50%马氏体及50%珠光体的区域）的距离。钢的淬透性主要取决于钢的化学成分、晶粒度大小及纯洁度等。对合金结构钢，检验淬透性的方法主要是国家标准（GB/T
225）规定的结构钢末端淬火试验方法（退称端淬法）。末端淬透性试验值以J HRC/d 表示，d表示跟淬火末端的距离，HRC为该处量得的洛氏硬度值。
可焊性：钢本身或与其他金属按规定的焊接方法进行焊接的可能性或难易程度。
切削加工性：金属材料用切削工具加工时所表现出来的性能。在切削或磨削时，容易达到较高的表面加工精度。而且工具不易损耗，切削容易脱落，切削力较小等，都表示该金属材料的切削加工性好。
（三）低倍组织检验
用肉眼（目视）或在不大于10倍的放大镜下检验金属的宏观组织和缺陷。常用的检验方法有酸蚀低倍检验、断口检验、塔形车削发纹检验及硫印试验等。
酸蚀低倍检验是将制备好的试样，用酸液腐蚀，以显示其宏观组织的检验。根据酸液温度不同，又分热酸蚀及冷酸蚀检验。低倍组织缺陷按GB/T
1979评级图对照评级。在酸蚀后的试片上可发现各种皮下及内部缺陷，如疏松、偏析、气泡、翻皮、缩孔残余、夹杂、裂缝、白点、折叠等等。
断门检验：将试样刻槽,并以锤或压力机使试样折断，然后用肉眼或10倍放大镜检查断口 情况，称断口检验。由断口上可显示出钢中是否存白点、夹渣、气泡、内裂、缩孔残余等缺陷，鉴定晶粒大小。。根据钢材种类用检验要求，试样可在淬火、调质、退火及热轧状态下折断，以能够真实地显示其缺陷为准。除某些特殊原因外，一般试样多在淬火后折断。检验方法标准规定：尺寸不大于40mm钢材，作横向断口；尺寸大于40mm钢材，作横向断门。断口的种类有：韧性断口、脆性断口、瓷状断口、层状断口、萘状断口、石状断口、石墨断口等。韧性断口（纤维状断口）是金属材料断裂前经过显著的塑性变形的断口，为正常质量的较好断口。
塔形车削发纹检验：将钢材车成规定的塔形或阶梯形试样，然后用酸蚀或磁粉法检验发纹，简称塔形检验。是用来检验钢材内部不同深度上发纹布情况的检验方法。标准规定试样总长度约为200mm，制成每阶梯长度为50mm的三阶梯试样。试验用钢材，直径不得小于16mm和不得大于150mm.
硫印试验：利用硫酸与钢中所含硫化物发生作用放出硫化氢气体，再与印相纸上银盐反应生成棕褐色的硫化物沉淀来检验钢中硫，并间接检验其他元素偏析及分析的方法叫硫印试验。
（四）高倍组织检验
也称金相显微组织检验。主要是鉴别钢的冶金质量和热加工、热处理工艺是否符合产品的质量要求。对检验中发现的高倍组织缺陷加以鉴定的分析后，可对钢的冶炼、热加工的热处理工艺提出改进措施。日常检验所积累的数据和经验也可为制定新工艺提供依据。对合金结构钢，通常进行的高倍组织检验有钢的奥氏体（本质）晶粒度、钢材实际晶粒度、脱碳层、非金属夹杂物、带状组织、魏氏组织等。
奥氏体（本质）晶粒度：在标准规定的试验条件下所得到的晶粒度尺寸，用以衡量钢的奥氏体晶粒长大的倾向。常用的显示方法为渗碳法和氧化法。渗碳法适用于渗碳钢，试样在强烈渗碳剂中，一般在930℃±10℃保温8h后，按规定冷却速度降温至600℃出炉，试样腐蚀后在磨面上按渗碳体网络量度晶粒大小。氧化法适用范围较广，试样制备成金相试样后，可在一般氧化性气氛的炉中经930℃±10℃保温3h，或在保护气氛中保温后再于氧化气氛中氧化，然后水冷，试样轻抛光后按氧化的晶粒边界轮廓评定晶粒大小。显示出晶粒的金相试片放大100倍，与标准图片对照评级。通常认为1-4级为本质粗晶粒钢。5级以上为本质细晶粒钢。
钢材实际晶粒度：指钢材交货状态（热加工或热处理后）所具有的实际晶粒尺寸。对于某些使用时承受较复杂的冷塑性变形的钢材（如深冲钢板等），要求有较均匀的实际晶粒。
脱碳层：热加工或热处理时，钢材表面与炉气作用后，失去全部或部分碳量，而造成钢材表面比内部的含碳量降低的脱碳层。标准中规定的脱碳层有全脱碳层和总脱碳层（全脱碳层+部分脱碳层）两种。
非金属夹杂物：钢中非金属夹杂物根据不源可分两大类，即外来非金属夹杂物和内在非金属夹杂物。外来非金属夹杂物是钢冶炼、浇注过程中炉渣及耐火材料浸蚀剥落后进入钢液而形成的，内在非金属夹杂物主要是冶炼、浇注过程中物理化学反应的生成物，如脱氧产物等等。常见的内在非金属夹杂物有以下几种；（a）氧化物，常见的为Al2O3；（b)硫化物，如FeS、MnS、（MnS•FeS）等；（c）硅酸盐，如硅酸亚铁（2FeO•SiO2）、硅酸亚锰（2MnO•SiO2）、铁锰硅酸盐（mFeO•nMnO•pSiO2）等；（d）氮化物，如TiN、ZrN等；点状不变形夹杂物等。
带状组织：经热加工后的低碳的结构钢显微组织中，铁素体和珠光体沿加工方向平行成层分布的条带组织，通称带状组织。带状组织使钢的力学性能呈各向异性，并降低钢的冲击韧性和断面收缩率。
（五）无损检验
常用的无损检验方法有：超声波检验、涡流检验、磁粉检验、射线检验、渗透检验等。
超声波检验：超声波在被检材料中传播时，根据材料的缺陷所显示的声学性质对超声波传播的影响来探测其缺陷的方法。通常用超声波检验低倍缺陷和表面缺陷。
涡流检验：利用在试件中的涡流，分析试件中质量状况的无损检验方法。
磁粉检验：利用漏磁和合适的检验介质发现试件表面和近表面的不连续性的无损检验方法。
射线检验：利用X射线等射线对金属内部缺陷进行的无损检验方法。
渗透检验：通过施加渗透剂，用洗浄剂除去多余的部分，如有必要，施加显像剂以得到零件上开口于表面的某些缺陷的无损检验方法。
|
