6.1 鋼的分類與編號
6.1.1 鋼的分類
鋼的種類繁多，為了便于生產、使用、管理，可按以下幾種方法分類。
1.按化學成分分類
按化學成份可將鋼分為碳素鋼和合金鋼。碳素鋼根據含碳量分為低碳鋼、中碳鋼和高碳鋼。合金鋼根據合金元素含量分為低合金鋼、中合金鋼和高合金鋼。
2.按質量分類
鋼的質量是以硫、磷的含量來劃分的。根據硫、磷的含量可將鋼分為普通質量鋼、鋼、鋼和特級鋼。
3.按冶煉方法分類
根據冶煉所用煉鋼爐不同，可將鋼分為平爐鋼、轉爐鋼和電爐鋼。
4.按金相組織分類
在退火組織可將鋼分為亞共析鋼、共析鋼和過共析鋼。按正火組織可將鋼分為珠光體鋼、貝氏體鋼、馬氏體鋼、鐵素體鋼、奧氏體鋼和萊氏體鋼等。
5.按用途分類
按用途可將鋼分為結構鋼、工具鋼和特殊性能鋼。

6.1.2 鋼的分類
1.鋼鐵產品牌號表示方法
我國鋼的牌號一般采用漢語拼音字母、化學元素符號和阿拉伯數字相結合的方法表示。
碳素結構鋼和低合金高強度結構鋼
這兩類鋼采用屈服點的拼音字母“Q” ，屈服點數值(單位為MPa)和表6-2中規定的質量等級脫氧方法等符號表示，按順序組成牌號。例如碳素結構鋼牌號為Q23F、Q235BZ等；低合金鋼高強度結構鋼牌號表示為Q345C、Q345D等。
質量等級由A到E磷硫含量質量提高。碳素結構鋼牌號中表示鎮靜鋼的符號”Z”和表示特殊鎮靜鋼的符號“TZ”可以省略，低合金高強度結構鋼都是鎮靜鋼或特殊鎮靜鋼，其牌號中沒有表示脫氧方法的符號。
根據需要，低合金高強度結構鋼的牌號也可采用兩位阿拉伯數字（表示平均含碳量的萬分之幾）和化學元素符號，按順序表示，如16Mn等。

碳素結構鋼
碳素結構鋼的牌號以兩位數表示，這兩位數字表示鋼的平均含碳量的萬分之幾。
沸騰鋼和半鎮靜鋼在牌號尾部分別加符號“F”和“b”。如平均含碳量為0.08%的沸騰鋼，其牌號表示為“08F”；平均含碳量為0.01%的半鎮靜鋼，其牌號表示為“10b”。鎮靜鋼一般不表示符號，如平均含碳量為0.45%的鎮靜鋼，其牌號表示為“45”。
鋼的含錳量為0.70%～1.00%時，在牌號后加錳元素符號，如“50Mn”。鋼在牌號后加字母“A”。特級鋼在牌號后加字母“E”如“45E”。

合金結構鋼和合金彈簧鋼
合金結構鋼和合金彈簧鋼牌號由兩位數字（表示平均含碳量的萬分之幾）加上其后帶有百分含量數字的合金元素符號組成。

工具鋼
①碳素工具鋼
碳素工具鋼的牌號由字母“T”與其后的數字組成，如“T9”。鋼在牌號后加字母“A”如“T10A”。
②合金工具鋼和高速工具鋼
合金工具鋼和高速工具鋼牌號的表示方法與合金結構鋼基本相同，但一般不標明含碳量數字，如“Cr12MoV”（平均含碳量為1.60%）“W6Mo5Cr4V2”（平均含碳量為0.85%）當合金工具鋼的含碳量小于1.00%時，含碳量用一位數字標明，表示平均含碳量的千分之幾，如“8MnSi”。
平均含鉻量小于1%的合金工具鋼，在含鉻量（以千分之一為單位）前加數字“0”，如“Cr06”。

軸承鋼
高碳鉻軸承鋼的牌號以字母“G”打頭，牌號中不標明含碳量，鉻含量以千分之一為單位，如“GCr15”的平均含鉻量為1.5%。滲碳軸承鋼牌號的表示方法與合金結構鋼相同，僅在牌號頭部加字母“G”如“G20CrNiMo”。

不銹鋼和耐熱鋼
不銹鋼和耐熱鋼的牌號由表示平均含碳量的數字（以千分之一為單位）與其后帶有百分含量的合金元素符號組成。合金元素含量表示方法同合金結構鋼。含碳量的表示方法為：當平均含碳量≥1.00%時，用兩位數字表示，如“11Cr17”（平均含碳量為1.10%）；當1.00%＞平均含碳量≥0.1%時，用一位數字表示，如“2Cr13”（平均含碳量偽0.20%）；當含碳量上限＜0.1%時，以“0”表示，如“0Cr18Ni9”（含碳量上限為0.08%）；當0.03%≥含碳量上限＞0.01%（超低碳），以“03”表示，如“03Cr19Ni10”（含碳量上限為0.03%）；當含碳量上限≤0.01%時（極低碳），以“01”表示，如“01Cr19Ni11”（含碳量上限為0.01%）。

鑄 鋼
以強度為主要特征的鑄鋼牌號為“ZG”（表示“鑄鋼“二字）加上兩組數字，*組數字表示zui低屈服強度值，第二組數字表示zui低抗拉強度值，單位均為MPa如“ZG200-400”。以化學成分為主要特征的鑄鋼的牌號為“ZG”加上兩位數字，這兩位數字表示平均含碳量的萬分之幾。合金鑄鋼牌號在兩位數字后加上帶有百分含量數字的元素符號。當合金元素平均含量為0.9%～1.4%時，除錳只標符號不標含量外，其他元素需在符號后標注數字1；當合金元素平均含量大于1.5%時，標注方法同合金結構鋼，如“ZG15Cr1Mo1V”、“ZG20Cr13”。
 
6.2 鋼中的雜質與合金元素
6.2.1 鋼中常存雜質元素對性能的影響
鋼中常存雜質元素主要是指錳、硅、硫、磷及氮、氫、氧等。這些元素在冶煉時或者由原料、燃料及耐火材料中帶入鋼中，或者由大氣進入鋼中，或者脫氧時殘留于鋼中，它們的存在會對鋼的性能產生影響。
1.硅和錳的影響
硅和錳在鋼中均為有益元素，能溶于鐵素體中起固溶強化作用，提高鋼的強度和硬度。
2.硫和磷的影響
硫和磷在鋼中都是有害元素。硫在鋼中以FeS的形式存在，使鋼變脆，產生熱脆性。控制在0.05％以下，MnS對斷屑有利。磷可溶于鐵素體中，使鋼的強度、硬度顯著增加。但使鋼脆化，產生冷脆性。
3. 氣體元素的影響
氮：室溫下氮在鐵素體中溶解度很低，鋼中過飽和的氮在常溫放置過程中會以Fe4N形式析出而使鋼變脆，稱為時效脆化。在鋼中加入Ti、V、Al等元素可使氮以這些元素氮化物的形式被固定，從而消除時效傾向。
氧： 氧在鋼中主要以氧化物夾雜的形式存在，氧化物夾雜與基體的結合力弱，不易變形，易成為疲勞裂紋源。
氫：常溫下氫在鋼中的溶解度很低。當氫在鋼中以原子態溶解時，降低韌性，引起氫脆。當氫在缺陷處以分子態析出時，會產生很高的內壓，形成內裂紋，其內壁為白色，稱為白點或裂紋。

6.2.2 合金元素在鋼中的主要作用
1.合金元素對鋼中基本相的影響
鐵素體和滲碳體是碳素鋼中兩個基本相，合金元素進入鋼中將對這兩個基本相的成分、結構和性能產生影響。
（1）溶于鐵素體，起固溶強化作用
加入鋼中的非碳化物形成元素及過剩的碳化物形成元素都將溶于鐵素體，形成合金鐵素體，起固溶強化作用。從幾種合金元素對鐵素體硬度和韌性的影響可以看出，Si、Mn的固溶強化效果zui顯著，但其含量超過一定值后，鐵素體的韌性將急劇下降，而Cr、Ni在適當的含量范圍內不但能提高鐵素體的硬度，而且還能提高其韌性。因此為了獲得良好的強化效果，應控制固溶強化元素在鋼中的含量。
（2）形成碳化物
加入到鋼中的合金元素，除溶入鐵素體外，還能進入滲碳體中，形成合金滲碳體，如鉻進入滲碳體形成(Fe,Cr)3C。當碳化物形成元素超過一定量后，將形成這些元素自己的碳化物。合金元素與碳的親和力從大到小的順序為：Zr、Ti、Nb、V、W、Mo、Cr、Mn、Fe。合金元素與碳的親和力越大，所形成化合物越穩定、熔點、分解溫度、硬度、耐磨性就越高。在碳化物形成元素中，鈦、鈮、釩是強碳化物形成元素，所形成的碳化物如TiC、VC等；鎢、鉬、鉻是中碳化物形成元素，所形成碳化物如Cr23C6、Cr7C3、W2C等；錳、鐵是弱碳化物形成元素，所形成的碳化物如Fe3C、Mn3C等。碳化物是鋼中的重要組成相之一，其類型、數量、大小、形態及分布對鋼的性能有著重要的影響。
 
2.合金元素對鐵碳相圖的影響
(1) 對奧氏體相區的影響
加入到鋼中的合金元素，依其對奧氏體區的作用可分為兩類。
一類是擴大奧氏體相區的元素，如Ni、Co、Mn、N等，這些元素使A1、A3點下降，A4點上升。當鋼中的這些含量足夠高（如Mn含量大于13%或Ni含量大于9%）時，A3點降到零度以下，因而室溫下鋼具有單相奧氏體組織，稱為奧氏體鋼。
另一類是縮小奧氏體相區的元素，如Cr、Mo、Si、Ti、W、Al等，這些元素是A1、A3點上升，A4點下降。當鋼中的這些元素含量足夠高（如Cr含量大于13%）時，奧氏體相區消失，室溫下鋼具有單相鐵素體組織，稱為鐵素體鋼。
(2)對S點和E點位置的影響
幾乎所有合金元素都使E點和S點左移，即這兩點的含碳量下降。由于S點的左移，使含碳量低于0.77%的合金鋼出現過共析組織（如4Cr13），在退火狀態下，相同含碳量的合金鋼組織中的珠光體量比碳鋼多，從而使鋼的強度和硬度提高。同樣由于E點的左移，使含碳量低于2.11%的合金鋼出現共晶組織，成為萊氏體鋼，如W18Cr4V（含碳量為0.7%～0.8%）。

3.合金元素對鋼中相變過程的影響
對鋼加熱時奧氏體化過程的影響
① 對奧氏體形成速度的影響
大多數合金元素（鎳、鈷以外）都減緩鋼的奧氏體化過程。因此合金鋼在熱處理時要相應地提高加熱溫度或延長保溫時間，才能保證奧氏體化過程的充分進行。
② 對奧氏體晶粒長大傾向的影響
碳、氮化物形成元素阻礙奧氏體的長大。合金元素與碳和氮的親和力越大，阻礙奧氏體晶粒長大的作用也越強烈，因而強碳化物和氮化物形成元素具有細化晶粒的作用。Mn 、P對奧氏體晶粒的長大起促進作用，因此含錳鋼加熱時應嚴格控制加熱溫度和保溫時間。
 
對鋼冷卻時過冷奧氏體轉變過程的影響
① 對C曲線和淬透性的影響
除Co外，凡溶入奧氏體的合金元素均使C曲線右移，鋼的臨界冷卻速度下降，淬透性提高。淬透性的提高，可使淬火的冷卻速度降低，這有利于減少零件的淬火變形和開裂傾向。合金元素對鋼淬透性的影響取決于該元素的作用強度和溶解量，鋼中常用的提高淬透性元素為Mn、Si、Cr、Ni、B。如果采用多元少量的合金化原則，對提高鋼的淬透性將會更為有效。
對于中強和強碳化物形成元素（如鉻、鎢、鉬、釩等），溶于奧氏體后，不僅使C曲線右移，而且還使C曲線的形狀發生改變，使珠光體轉變與貝氏體轉變明顯地分為兩個獨立的區域。
②對Ms、Mf點的影響
除Co、Al外，所有溶于奧氏體的合金元素都使Ms、Mf點下降，使鋼在淬火后的殘余奧氏體量增加。一些高合金鋼在淬火后殘余奧氏體量可高達30%~40%，這對鋼的性能會產生不利的影響，可通過淬火后的冷處理和回火處理來降低殘余奧氏體量。

對淬火鋼回火轉變過程的影響
① 提高耐回火性
淬火鋼在回火過程中抵抗硬度下降的能力稱為耐回火性（也稱回火穩定性）。由于合金元素阻礙馬氏體分解和碳化物聚集長大過程，使回火時的硬度降低過程變緩，從而提高鋼的耐回火性。因此，當回火硬度相同時，合金鋼的回火溫度比相同含碳量的碳鋼高，這對于消除內應力是有利的，而當回火溫度相同時，合金鋼的強度、硬度要比碳鋼高。
② 產生二次硬化
含有高W、Mo、Cr、V等元素的鋼在淬火后回火加熱時，由于析出細小彌散的這些元素碳化物以及回火冷卻時殘余奧氏體轉變為馬氏體，使鋼的硬度不僅不下降，反而升高，這種現象稱為二次硬化。二次硬化使鋼具有熱硬性，這對于工具鋼是非常重要的。
③ 防止第二類回火脆性
如第5章所述，在鋼中加入W、Mo可防止第二類回火脆性，這對于需調質處理后使用的大型件有著重要意義。

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