机 械 工 程 导 论
第四章 合金钢
§ 1 概述
合金钢是为了改善和提高碳素钢的性能，在碳
素钢的基础上添加一定的合金元素所炼制的一
类钢。
机 械 工 程 导 论
碳素钢的主要缺点：
综合机械性能差
热稳定性差
耐腐蚀性差
淬透性差
不能满足某些特殊性能
机 械 工 程 导 论
一、合金钢的分类
机 械 工 程 导 论
二、合金钢的编号
不论结构钢或工具钢均采用：数字 +化学元素 +数字
的方法表示。
结构钢的含碳量用两位数字表示。
如 60Si2Mn;20CrMnTi
工具钢用一位数字表示，含碳量大于 1%时不标出。
如 5CrMnMo;Cr12
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§ 2 合金元素在钢中的作用
一、钢中的合金元素
为了合金化的目的而加入并且其含量有一
定范围的元素，称为合金元素。
根据合金元素与碳的亲和力关系，将其分为,
与 碳亲和力较强的元素称为碳化物形成元素，如 Zr,Nb、
Ti,V,W,Mo,Cr,Mn,Fe等 ;
与碳亲和力较小的元素称为 非碳化物形成元素，如 Ni,Co、
Cu,Si,Al,N,B等。
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二、合金元素的作用
合金元素固溶于铁素体，提高钢的强度，不降
低塑性
合金元素固溶于奥氏体，增加钢的稳定性
合金元素形成碳化物、非金属化合物
合金元素改变相变温度
合金元素改变共析点的位置
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§ 3 合金结构钢
合金结构钢是用于制造各种机器零件
和各类工程结构的钢。
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普低钢又称低合金高强度钢，英文缩写 HSLA钢。
从成分上看其为含低碳 (<0.2%)低合金 (<3%)元素钢
种，是为了适应大型工程结构（如大型桥梁，压力
容器及船舶锅炉等）以减轻结构重量，提高可 靠
性及节约材料的需要而发展起来的。
我国列入冶金部标准的普低钢，按屈服强度高低分
为 300MPa级,350MPa级,400MPa级，
450MPa级,500MPa级和 650MPa级六个级。
一、低合金结构钢
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二、机器制造用合金结构钢
合金渗碳钢
1.渗碳钢的工作条件及性能要求
渗碳钢，及由其制作的零件在渗碳热处理后才使用。这种
零件工作时，除要求较高强度可靠性外，还常常受到较大的
表面磨擦和冲击作用，故其性能要求：
(1) 有一定的强度和塑性，以抵抗拉伸，弯曲，扭转等变形
破坏；
(2) 要求表面有较高的硬度和耐磨性，以抵抗磨损及表面接
触疲劳破坏；
(3) 有较高的韧性以承受强烈的冲击作用；
(4) 当外载是循环作用时，要求零件有好的 抗疲劳破坏能
力。
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2,渗碳钢主要钢种
渗碳钢即需要渗碳表面强化的钢，根据上述的
性能要求，这类钢成分上一般是低碳或低碳合金
结构钢。常用的渗碳零件包括齿轮，凸轮，活塞
销等表面易于受到磨损破坏的活动零件。 如常用
作汽车齿轮的 20Cr,20CrMnTi 等钢材。
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调质钢
调质钢就是经过淬火加高温回火处理而使用的结
构钢，其经调质处理后的组织为回火索氏体 S回，
这种组织有良好的综合机械性能，即高强韧性的
统一。
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弹簧钢
1,弹簧的使用条件及性能要求
用以制造弹簧或类似弹簧性能零件的钢种称为弹
簧钢。在机器设备中这类零件的主要作用是：间断吸
收冲击能量，缓和机械振动及冲击作用以及周期性贮
存能量。常用零件如汽车叠板弹簧，仪表弹簧，汽阀
弹簧等。
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2,弹簧的主要失效形式为疲劳断裂和由于发生塑
性变形而失去弹性。因此其性能要求为：
(1) 高的屈服强度，疲劳强度和高的屈强比；
(2) 一定的塑性和韧性；
(3) 保证组织性能均匀，要求材料淬透性好；
(4) 另外在高温或腐蚀介质下工作时，材料应有
好的环境稳定性。
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滚动轴承钢
1,轴承钢的工作条件及性能要求
主要用于制造滚动轴承的钢称为轴承钢。滚动
轴承由内套、外套、滚动体及保持架组成，除保
持架常用低碳钢（ 08钢）板冲制成型外，均由轴
承钢制成。
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2,轴承钢及其合金化
为满足轴承钢高性能的要求常用轴承钢成分一
般如下：
(1) 高碳：一般含碳量为 0.95~1.15%，保证了马
氏体中足够的碳含量及足够的弥散碳化物，满足
了高硬度高耐磨要求；
(2) 加入 Cr,Mn,Si等合金元素：其中 Cr为主
加元素。 Cr,Si,Mn的主要作用是提高淬透性，
强化铁素体，提高碳化物稳定性；同时细化组织，
提高回火稳定性。但合金含量过高会使残余奥氏
体增多，导致钢硬度和零件的尺寸稳定性降低；
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§ 4 合金工具钢
一、刃具钢
二、模具钢
三、量具钢
（高的硬度、耐磨性、红硬性、强度、韧性）
（高尺寸稳定性、高硬度、高耐磨性、足够的韧性）
（冷模具钢：高硬度、高耐磨性、高强度、足够
的韧性、工艺性好）
（热模具钢：高温硬度、高温强度、高温下的耐磨性、
足够的韧性、抗氧化能力、热处理变形小）
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§ 5 特殊性能钢
特殊性能钢是指具有特殊物理化学性能并
可在特殊环境下工作的钢，如不锈钢,耐
热钢，耐磨钢及低温用钢等。
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一、不锈钢
1,不锈钢的使用条件及材料设计原则
在腐蚀性介质中能稳定不被腐蚀或腐蚀极慢的钢，
一般被称为不锈钢。材料在一般的酸碱环境中，
电化学作用是其腐蚀失效的主要原因。根据电化
学腐蚀的基本原理，对不锈钢通常采取以下措施
来提高其性能：
(1) 尽量获得单相的均匀的金属组织，从而不会产
生原电池作用。如在钢中加入大于 9%的 Ni可获得
单相奥氏体组织，提高了钢的耐蚀性。
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(2) 通过加入合金元素提高金属基体的电极电位。如
加入一定量的铬会达到这一目的；钢中含铬量与
其电极电位关系服从 n/8规律，即铬原子含量为
n/8时电位发生突变而升高，如当加入 13%Cr时钢
中铁素体电极电位由 -0.56V提高到 +0.2V，金属
腐蚀速率大大减小，使金属抗蚀性大大提高。
(3) 加入合金元素使金属表面在腐蚀过程中形成致
密保护膜如氧化膜（又称钝化膜），使金属基材
与介质隔离开，防止进一步腐蚀。如 Cr,Al,Si
等合金元素就易于在材料表面形成致密的氧化膜
如 Cr2O3,Al2O3,SiO2等。
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不锈钢中常加入的合金元素有 Cr,Ni,Ti,Mo,V、
Nb等。
铬是最重要的必加元素，它不但提高铁素体电位，
形成致密氧化膜，且在一定成分下也可获得单相铁
素体组织；
镍是扩大奥氏体区元素，用于形成单相固溶体，也
可提高材料电极电位，但镍稀缺；而钢中镍与铬常
配合使用则会大大提高其在氧化性及非氧化性介质
中的耐蚀性。
锰、氮也是奥氏体化元素，在钢中可部分代替镍的
作用。
钼则可增加钢钝化能力，提高钢在还原性介质中的
耐蚀性和抗晶间腐蚀能力。
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2,不锈钢的分类及常用不锈钢
(1) 不锈钢分类：按不锈钢正火（供应）状态的
组织分为：
? 马氏体形不锈钢（ Cr13型）；
? 铁素体型不锈钢（ Cr17,Cr25型）；
? 奥氏体不锈钢（ 18-8型）；
? 双相不锈钢及沉淀硬化型不锈钢。
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二、耐热钢
1,耐热钢工作条件及耐热性要求
在航空航天，发动机，热能工程，化工及军事
工业部门，有许多机器零件是在高温下工作的，
常常使用具有高耐热性的耐热钢。钢的耐热性包
括高温抗氧化性和高温强度两方面，即高温下对
氧化作用的抗力和高温下承受机械负荷的能力。
因此耐热钢既要求高温抗氧化性能好，又要求高
温强度高。
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(1) 高温抗氧化性：
金属的抗氧化性通常不是说其不氧化，而是其在高温
下表面迅速氧化形成一层致密的氧化膜，隔离了高
温氧化环境与钢基体的直接作用，使钢不再被氧化。
一般碳钢在高温下表面生成疏松多孔的氧化亚铁
(FeO)，易剥落，且环境中氧原子能不断地通过
FeO扩散至钢基体，使钢连续不断地被氧化。
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(2) 高温强度：
高温强度又称热强性，是钢在高温下抵抗塑性
变形和破断的能力，它通常以蠕变极限和持久强
度表示。
为了提高钢的高温强度，通常采用固溶强化，
沉淀析出相强化和晶界强化的方法，以阻碍原子
扩散及位错的运动。其中由于材料在高温下（大
于等强温度 Te）。其晶界强度低于晶内强度，晶
界成为薄弱环节。因此耐热钢的晶粒粒径应该是
不大不小，并且还可通过加入钼锆钒硼等晶界吸
附元素，降低晶界表面能，稳定和强化晶界。
除了能承受高温气体介质的作用外，还能承受
一定载荷作用的耐热钢及合金，又称作热强钢或
热强合金。
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三、低温耐寒钢
低温用钢主要是指用于钢铁，化学和能源
工业中存储运输液氧液氮等液化气体和液体
燃料的低温容器及运输设备。低温条件下要
求材料具有足够的低温强度，足够的低温韧
性，还要具有良好的焊接性和一定的耐蚀性。
第四章 合金钢
§ 1 概述
合金钢是为了改善和提高碳素钢的性能，在碳
素钢的基础上添加一定的合金元素所炼制的一
类钢。
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碳素钢的主要缺点：
综合机械性能差
热稳定性差
耐腐蚀性差
淬透性差
不能满足某些特殊性能
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一、合金钢的分类
机 械 工 程 导 论
二、合金钢的编号
不论结构钢或工具钢均采用：数字 +化学元素 +数字
的方法表示。
结构钢的含碳量用两位数字表示。
如 60Si2Mn;20CrMnTi
工具钢用一位数字表示，含碳量大于 1%时不标出。
如 5CrMnMo;Cr12
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§ 2 合金元素在钢中的作用
一、钢中的合金元素
为了合金化的目的而加入并且其含量有一
定范围的元素，称为合金元素。
根据合金元素与碳的亲和力关系，将其分为,
与 碳亲和力较强的元素称为碳化物形成元素，如 Zr,Nb、
Ti,V,W,Mo,Cr,Mn,Fe等 ;
与碳亲和力较小的元素称为 非碳化物形成元素，如 Ni,Co、
Cu,Si,Al,N,B等。
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二、合金元素的作用
合金元素固溶于铁素体，提高钢的强度，不降
低塑性
合金元素固溶于奥氏体，增加钢的稳定性
合金元素形成碳化物、非金属化合物
合金元素改变相变温度
合金元素改变共析点的位置
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§ 3 合金结构钢
合金结构钢是用于制造各种机器零件
和各类工程结构的钢。
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普低钢又称低合金高强度钢，英文缩写 HSLA钢。
从成分上看其为含低碳 (<0.2%)低合金 (<3%)元素钢
种，是为了适应大型工程结构（如大型桥梁，压力
容器及船舶锅炉等）以减轻结构重量，提高可 靠
性及节约材料的需要而发展起来的。
我国列入冶金部标准的普低钢，按屈服强度高低分
为 300MPa级,350MPa级,400MPa级，
450MPa级,500MPa级和 650MPa级六个级。
一、低合金结构钢
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二、机器制造用合金结构钢
合金渗碳钢
1.渗碳钢的工作条件及性能要求
渗碳钢，及由其制作的零件在渗碳热处理后才使用。这种
零件工作时，除要求较高强度可靠性外，还常常受到较大的
表面磨擦和冲击作用，故其性能要求：
(1) 有一定的强度和塑性，以抵抗拉伸，弯曲，扭转等变形
破坏；
(2) 要求表面有较高的硬度和耐磨性，以抵抗磨损及表面接
触疲劳破坏；
(3) 有较高的韧性以承受强烈的冲击作用；
(4) 当外载是循环作用时，要求零件有好的 抗疲劳破坏能
力。
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2,渗碳钢主要钢种
渗碳钢即需要渗碳表面强化的钢，根据上述的
性能要求，这类钢成分上一般是低碳或低碳合金
结构钢。常用的渗碳零件包括齿轮，凸轮，活塞
销等表面易于受到磨损破坏的活动零件。 如常用
作汽车齿轮的 20Cr,20CrMnTi 等钢材。
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调质钢
调质钢就是经过淬火加高温回火处理而使用的结
构钢，其经调质处理后的组织为回火索氏体 S回，
这种组织有良好的综合机械性能，即高强韧性的
统一。
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弹簧钢
1,弹簧的使用条件及性能要求
用以制造弹簧或类似弹簧性能零件的钢种称为弹
簧钢。在机器设备中这类零件的主要作用是：间断吸
收冲击能量，缓和机械振动及冲击作用以及周期性贮
存能量。常用零件如汽车叠板弹簧，仪表弹簧，汽阀
弹簧等。
机 械 工 程 导 论
2,弹簧的主要失效形式为疲劳断裂和由于发生塑
性变形而失去弹性。因此其性能要求为：
(1) 高的屈服强度，疲劳强度和高的屈强比；
(2) 一定的塑性和韧性；
(3) 保证组织性能均匀，要求材料淬透性好；
(4) 另外在高温或腐蚀介质下工作时，材料应有
好的环境稳定性。
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滚动轴承钢
1,轴承钢的工作条件及性能要求
主要用于制造滚动轴承的钢称为轴承钢。滚动
轴承由内套、外套、滚动体及保持架组成，除保
持架常用低碳钢（ 08钢）板冲制成型外，均由轴
承钢制成。
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2,轴承钢及其合金化
为满足轴承钢高性能的要求常用轴承钢成分一
般如下：
(1) 高碳：一般含碳量为 0.95~1.15%，保证了马
氏体中足够的碳含量及足够的弥散碳化物，满足
了高硬度高耐磨要求；
(2) 加入 Cr,Mn,Si等合金元素：其中 Cr为主
加元素。 Cr,Si,Mn的主要作用是提高淬透性，
强化铁素体，提高碳化物稳定性；同时细化组织，
提高回火稳定性。但合金含量过高会使残余奥氏
体增多，导致钢硬度和零件的尺寸稳定性降低；
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§ 4 合金工具钢
一、刃具钢
二、模具钢
三、量具钢
（高的硬度、耐磨性、红硬性、强度、韧性）
（高尺寸稳定性、高硬度、高耐磨性、足够的韧性）
（冷模具钢：高硬度、高耐磨性、高强度、足够
的韧性、工艺性好）
（热模具钢：高温硬度、高温强度、高温下的耐磨性、
足够的韧性、抗氧化能力、热处理变形小）
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§ 5 特殊性能钢
特殊性能钢是指具有特殊物理化学性能并
可在特殊环境下工作的钢，如不锈钢,耐
热钢，耐磨钢及低温用钢等。
机 械 工 程 导 论
一、不锈钢
1,不锈钢的使用条件及材料设计原则
在腐蚀性介质中能稳定不被腐蚀或腐蚀极慢的钢，
一般被称为不锈钢。材料在一般的酸碱环境中，
电化学作用是其腐蚀失效的主要原因。根据电化
学腐蚀的基本原理，对不锈钢通常采取以下措施
来提高其性能：
(1) 尽量获得单相的均匀的金属组织，从而不会产
生原电池作用。如在钢中加入大于 9%的 Ni可获得
单相奥氏体组织，提高了钢的耐蚀性。
机 械 工 程 导 论
(2) 通过加入合金元素提高金属基体的电极电位。如
加入一定量的铬会达到这一目的；钢中含铬量与
其电极电位关系服从 n/8规律，即铬原子含量为
n/8时电位发生突变而升高，如当加入 13%Cr时钢
中铁素体电极电位由 -0.56V提高到 +0.2V，金属
腐蚀速率大大减小，使金属抗蚀性大大提高。
(3) 加入合金元素使金属表面在腐蚀过程中形成致
密保护膜如氧化膜（又称钝化膜），使金属基材
与介质隔离开，防止进一步腐蚀。如 Cr,Al,Si
等合金元素就易于在材料表面形成致密的氧化膜
如 Cr2O3,Al2O3,SiO2等。
机 械 工 程 导 论
不锈钢中常加入的合金元素有 Cr,Ni,Ti,Mo,V、
Nb等。
铬是最重要的必加元素，它不但提高铁素体电位，
形成致密氧化膜，且在一定成分下也可获得单相铁
素体组织；
镍是扩大奥氏体区元素，用于形成单相固溶体，也
可提高材料电极电位，但镍稀缺；而钢中镍与铬常
配合使用则会大大提高其在氧化性及非氧化性介质
中的耐蚀性。
锰、氮也是奥氏体化元素，在钢中可部分代替镍的
作用。
钼则可增加钢钝化能力，提高钢在还原性介质中的
耐蚀性和抗晶间腐蚀能力。
机 械 工 程 导 论
2,不锈钢的分类及常用不锈钢
(1) 不锈钢分类：按不锈钢正火（供应）状态的
组织分为：
? 马氏体形不锈钢（ Cr13型）；
? 铁素体型不锈钢（ Cr17,Cr25型）；
? 奥氏体不锈钢（ 18-8型）；
? 双相不锈钢及沉淀硬化型不锈钢。
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二、耐热钢
1,耐热钢工作条件及耐热性要求
在航空航天，发动机，热能工程，化工及军事
工业部门，有许多机器零件是在高温下工作的，
常常使用具有高耐热性的耐热钢。钢的耐热性包
括高温抗氧化性和高温强度两方面，即高温下对
氧化作用的抗力和高温下承受机械负荷的能力。
因此耐热钢既要求高温抗氧化性能好，又要求高
温强度高。
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(1) 高温抗氧化性：
金属的抗氧化性通常不是说其不氧化，而是其在高温
下表面迅速氧化形成一层致密的氧化膜，隔离了高
温氧化环境与钢基体的直接作用，使钢不再被氧化。
一般碳钢在高温下表面生成疏松多孔的氧化亚铁
(FeO)，易剥落，且环境中氧原子能不断地通过
FeO扩散至钢基体，使钢连续不断地被氧化。
机 械 工 程 导 论
(2) 高温强度：
高温强度又称热强性，是钢在高温下抵抗塑性
变形和破断的能力，它通常以蠕变极限和持久强
度表示。
为了提高钢的高温强度，通常采用固溶强化，
沉淀析出相强化和晶界强化的方法，以阻碍原子
扩散及位错的运动。其中由于材料在高温下（大
于等强温度 Te）。其晶界强度低于晶内强度，晶
界成为薄弱环节。因此耐热钢的晶粒粒径应该是
不大不小，并且还可通过加入钼锆钒硼等晶界吸
附元素，降低晶界表面能，稳定和强化晶界。
除了能承受高温气体介质的作用外，还能承受
一定载荷作用的耐热钢及合金，又称作热强钢或
热强合金。
机 械 工 程 导 论
三、低温耐寒钢
低温用钢主要是指用于钢铁，化学和能源
工业中存储运输液氧液氮等液化气体和液体
燃料的低温容器及运输设备。低温条件下要
求材料具有足够的低温强度，足够的低温韧
性，还要具有良好的焊接性和一定的耐蚀性。
