常见工业用钢的性能及用途一、结构钢结构钢按用途分为工程构件用钢和机器零件用钢两大类。

1．工程构件用钢工程构件用钢是应用较广泛的钢种之一，用于国防、化工、石油、电站、车辆、造船、桥梁、建筑等国民经济部门，制造各种重要构件。

此类钢的发展历程大体经历如下几个阶段：①．最初，钢构件以铆接为主，设计依据是抗拉强度，很少考虑屈服强度、韧性和可焊性。

一般含碳量较高，约为0.3%。

②．当焊接技术普遍应用后，要求钢的可焊性好，同时要保证一定的强度，故钢的含碳量降低，含锰量增加。

③．针对焊接件出现脆性断裂，在钢中加入晶粒细化剂（如AlN），使钢的性能得到改善，屈服应力由225MPa提高到300 MPa，脆性转化温度降至0℃以下，从而提高了焊接件抗脆性断裂的能力。

④．在保持低碳、高锰、细晶的条件下，利用析出强化相进一步提高钢的屈服强度，通常加入Nb、V、Ti等合金元素。

⑤．利用微合金化技术，对钢进行控制轧制，降低终轧温度，可使钢的屈服强度达到450~500MPa，脆性转化温度下降到‐80℃。

工程构件用钢的成分要求为：在含碳量小于0.25%的碳钢中，加入微量的V、Ti、Nb、Zr、Ca、RE等元素。

其性能要求为：高的弹性极限、刚度、可焊性和冷变形性，好的耐大气、水腐蚀性，低的屈强比бs/бb以防脆断。

工程构件用钢包括普通碳素构件用钢和普通低合金构件用钢。

（1）普通碳素工程构件用钢普通碳素工程构件用钢简称普碳钢，产量约占钢总产量的70%，其中大部分用作机器零件。

由于普碳钢易于冶炼、价格低廉，性能也基本满足了一般工程构件的要求，所以在工程上用量很大。

为了满足工艺性能和使用性能的要求，含碳量一般均较低。

普碳钢通常以热轧状态供应，一般不经热处理强化，只保证机械性能及工艺性能便可。

其中的Q195、Q215有较高的延伸率，易于加工，常用做螺钉、炉体部件、农业机械等。

Q235～Q275具有较高的强度和硬度，延伸率也较大，大量用做建筑结构，轧制成工字钢、槽钢、角钢、钢板、钢管及其它各种型材。

而Q235钢J既有较高的塑性又有适中的强度，成为应用最广泛的一种普通碳素构件用钢，即可用做较重要的建筑构件、车辆及桥梁等的各种型材，又可用于制做一般的机器零件，也可进行热处理。

此外尚有一些专门用钢，如造船钢、桥梁钢、压力容器钢等。

它们除严格要求规定的化学成分和机械性能外，还规定某些特殊的性能检验和质量检验项目，例如低温冲击韧性、时效敏感性、气体、夹杂和断口等。

专门用钢一律为镇静钢。

（2）低合金高强度钢低合金高强度钢是一种含有少量合金元素，具有较高强度的构件用钢，由于强度高，所以1吨低合金高强度钢可顶1.2~2.0吨普碳钢使用，从而可减轻构件重量，提高使用的可靠性并节约钢材。

这类钢主要用来制造各种要求强度较高的工程结构，例如船舶、车辆、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。

它在建筑、石油、化工、铁道、造船、机车车辆、锅炉容器、农机农具等许多部门得到广泛的应用。

常用低合金高强度钢按其屈服强度的高低分为6个级别（300MPa、350 MPa、400 MPa、450 MPa、500 MPa、550~650 MPa），如表7-1所示。

在较低级别的钢中，16Mn最具有代表性。

16Mn是二十世纪三十年代发展起来的世界上第一种低合金高强度钢，它属于350 MPa级别，它是目前我国用量最多，产量最大的一种低合金高强度钢。

与300MPa级别的12Mn钢相比，由于C%和Mn %均稍有增加，所以强度指标也提高了。

在这类钢中，还有16Mn的派生钢种，16MnRe、16MnCu等，Re的主要作用是提高塑性和韧性，提高疲劳强度，降低冷脆转变温度，Cu的主要作用是通过钝化提高耐蚀性。

这类钢多用于船舶、车辆、桥梁等大型钢结构。

对400MPa级的15MnV、15MnTi等其含碳量与16Mn相当，但由于加入钒、铌、钛，能细化晶粒、产生第二相强化，使屈服强度提高，主要用于大型结构、中压容器等。

对450MPa级的15MnVN、14MnVTiRe等，由于钒、氮起细化晶粒和第二相强化作用，稀土又起净化晶界作用，提高塑、韧性，因此强化效果比15MnV、15MnTi还好。

300~450MPa级的普低钢均是在热轧状态下或在正火状态使用，组织为铁素体+珠光体（少量）。

钢中加入钼和微量硼，可推迟奥氏体冷却时的铁素体析出，而对贝氏体转变则影响不大，因此在正火后得到贝氏体组织，屈服强度达500MPa级，这类钢如18MnMoNb、14MnMoVBRe，由于焊接性好，广泛用于石油化工、中温高压容器等。

对于14CrMnMoVB，正火后得到贝氏体组织，然后再高温回火，以稳定组织，消除内应力，提高塑性和韧性。

这种钢适于制造400~500℃的锅炉、高压容器等。

（3）工程结构用钢的发展趋势低合金高强度钢由于其强度高，韧性和加工性能优异，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：a）通过微合金化与合理的轧制工艺结合起来，实行控制轧制，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，使钢的晶粒细化，达到既提高强度又改善塑韧性的最佳效果。

b）通过合金化改变基体组织，提高强度。

在钢中加入较多的其它元素，如Cr、Mn、Mo、Si、B等，使钢在热轧空冷的条件下即可得到贝氏体组织，甚至马氏体组织。

这种马氏体在冷却过程中可发生自回火过程，甚至不需要专门进行回火。

c）超低碳化。

为了保证韧性和焊接性能，含碳量进一步降低，甚至降到PPM级，此时必须采用真空冶炼，或真空去气的先进冶炼工艺。

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。

2．机器零件用钢指用于制造各种机器零件、如轴类零件、齿轮、弹簧和轴承等所用的钢种，也称为机器制造用钢。

机器零件用钢对机械性能的要求是多方面的，不但要求钢材具有高的强度、塑性和韧性，而且要求钢材具有良好的疲劳强度和耐磨性。

机器零件用钢一般都经过热处理后使用。

此外，机器零件用钢还要求具有良好的工艺性能，主要指切削加工性能和热处理工艺性能。

机器零件用钢包括优质碳素结构钢和合金结构钢。

按用途不同，分为渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、耐磨钢等。

（1）渗碳钢a）渗碳钢的工作条件及对性能的要求渗碳钢常用在受冲击和磨损条件下工作的一些机械零件，如汽车、拖拉机上的变速齿轮、内燃机上的凸轮、活塞销等，要求表面硬、耐磨，而零件心部则要求有较高的韧性和强度以承受冲击。

通常尺寸小的、受力小的，采用低碳钢，而尺寸大的、受力大的则采用低碳合金钢。

b）渗碳钢的成分和钢种常用的渗碳钢钢号、热处理工艺、力学性能及用途见表7-2。

为了满足“外硬内韧”的要求，这类钢一般都采用低碳钢，含碳量为0.1~0.25%，经过滲碳后，零件的表面变为高碳的，而心部仍是低碳的，通过淬火+低温回火后使用。

零件表面组织为回火马氏体+碳化物+少量残余奥氏体，硬度达HRC58~62，满足耐磨的要求，而心部的组织是低碳马氏体，保持较高的韧性，满足承受冲击载荷的要求。

对于大尺寸的零件，由于淬透性不足，零件的心部淬不透，仍保持原来的珠光体+铁素体组织；这时由于是低碳的，组织中铁素体占比例很大，因而韧性指标比较高，能满足“外硬内韧”的要求。

按照渗碳钢的淬透性大小，可分为三类：①．低淬透性渗碳钢。

典型钢种为20Cr，这类钢水淬临界直径<25mm，渗碳淬火后，心部强韧性较低，只适于制造受冲击载荷较小的耐磨零件，如活塞销、凸轮、滑块、小齿轮等。

②．中淬透性渗碳钢。

典型钢种为20CrMnTi，这类钢油淬临界直径约为25～60mm，主要用于制造承受中等载荷、要求足够冲击韧性和耐磨性的汽车、拖拉机齿轮等零件。

③．高淬透性渗碳钢。

典型钢种为20Cr2Ni4A，这类钢的油淬临界直径>100mm，主要用于制造大截面、高载荷的重要耐磨件，如飞机、坦克中的曲轴、大模数齿轮等。

c）渗碳钢的热处理渗碳钢的热处理规范一般是渗碳后进行直接淬火（一次淬火或二次淬火），而后低温回火。

碳素渗碳钢和低合金渗碳钢，经常采用直接淬火或一次淬火，而后低温回火；高合金滲碳钢则采用二次淬火和低温回火处理。

下面以应用广泛的20CrMnTi钢为例，分析其热处理工艺规范。

20CrMnTi钢齿轮的加工工艺路线为：下料→锻造→正火→加工齿形→滲碳，预冷淬火→低温回火→磨齿。

正火作为预备热处理其目的是改善锻造组织；调整硬度（HB170~210）便于机加工，正火后的组织为索氏体+铁素体。

最终热处理为滲碳后预冷到875℃直接淬火+低温回火，预冷的目的在于减少淬火变形，同时在预冷过程中，滲层中可以析出二次滲碳体，在淬火后减少了残余奥氏体量。

最终热处理后其组织由表面往心部依次为回火马氏体+颗粒状碳化物+残余奥氏体→回火马氏体+残余奥氏体→……。

而心部的组织分为两种情况，在淬透时为低碳马氏体+铁素体；未淬透时为索氏体+铁素体。

20CrMnTi钢经上述处理后可获得高耐磨性滲层，心部有较高的强度和良好的韧性，适宜制造承受高速中载并且抗冲击和耐磨损的零件。

如汽车、拖拉机的后桥和变速箱齿轮、离合器轴、伞齿轮和一些重要的轴类零件。

（2）调质钢a）调质钢的工作条件及对性能的要求采用调质处理，即淬火+高温回火后使用的优质碳素钢和合金结构钢，统称为调质钢。

淬火后得到位错与孪晶马氏体的混合组织，以及残余奥氏体和碳化物。

高温回火后，由于马氏体分解，碳化物弥散析出，残余奥氏体转变，内应力消除，最终得到回火索氏体组织，综合力学性能好，用于受力较复杂的重要结构零件。

如汽车后桥半轴、连杆、螺栓以及各种轴类零件。

对于截面尺寸大的零件，为保证有足够的淬透性，就要采用合金调质钢。

b）调质钢的成分特点和钢种调质钢的含碳量在0.30~0.50%之间，属中碳钢，含碳量在这一范围内可保证钢的综合性能，含碳量过低，则影响钢的强度指标，含碳量过高则韧性显得不足。

一般碳素调质钢的含碳量偏上限，对于合金调质钢，随合金元素的增加，含碳量趋于下限。

调质钢在机械制造中应用十分广泛，常用调质钢的钢号、热处理工艺、力学性能及用途见表7-3。

按淬透性的高低，调质钢大致可以分为三类：①．低淬透性调质钢。

典型钢种是40Cr，这类钢的油淬临界直径最大为30～40mm，广泛用于制造一般尺寸的重要零件，如轴、齿轮、连杆螺栓等。

35SiMn、40MnB是为节约铬而发展的代用钢种。

②．中淬透性调质钢。

典型钢种为40CrNi，这类钢的油淬临界直径最大为40～60mm，含有较多的合金元素，用于制造截面较大、承受较重载荷的零件，如曲轴、连杆等。

③．高淬透性调质钢。

典型钢种为40CrNiMoA，这类钢的油淬临界直径为60～100mm，多半为铬镍钢。