随着工业和科学技术的不断发展，对钢材的要求也越来越高。如大型重要的结构零件，要求具有更高的综合力学性能；切削速度较高的车刀，要求更高的硬度、耐磨性和红硬性；大型的电站设备、军事设备、化工设备、航空发动机械等，不仅要有高的力学性能，而且还要求具有耐蚀、耐热、抗氧化等特殊物理、化学性能。显然，碳钢不能满足这些要求，于是人们就研制各种合金钢，以适应日益发展的科学技术和工业生产的需要。
合金钢 （alloy steel）——钢里除铁、碳外，还加入了其他的合金元素。根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。合金元素的加入，克服了钢淬透性差、强度和屈强比较低、回火稳定性差、不能满足特殊性能要求等缺点，满足了日益发展的科学技术和工业生产及应用的要求，因此在现代工业、农业、科研、国防等各行各业中得到广泛应用。目前，钢中主要加入的元素有锰、铬、镍、钨、钼、钒、钛、铜、铝、硅、硼、氮、铌、稀土元素等。
视野拓展
稀土的英文是 “Rare Earth”，意即 “稀少的土”（图6-1）。其实这不过是18世纪人们对这组元素的错误认识。1787年后人们相继发现了若干种稀土元素，但相应的矿物发现却很少。由于当时科学技术水平的限制，人们只能制出一些不纯净的、像土一样的氧化物，故这组元素有了这么一个别致有趣的名字。其实稀土元素是钪、钇和镧等17种元素的总称。我国是稀土储量最丰富的国家，占全世界总储量的70％。内蒙古包头钢铁公司主要冶炼稀土金属，包头市有 “稀土之城”的美誉。稀土被人们称为新材料的 “宝库”，是各国科学家，尤其是材料专家最关注的一组元素，被美国、日本等国家有关政府部门列为发展高技术产业的关键元素。稀土除具有金属通用性以外，还具有自己的一些 “绝招”。钢中加入适量稀土，可细化晶粒，改善加工性能，提高钢的耐高温、抗腐蚀的本领。铸铁中加入稀土，可大大提高铸铁的塑性。另外，稀土还可很好地改善玻璃、陶瓷的性能。
图6-1 稀土
材料史话
合金钢历史
合金钢已有一百多年的历史了。工业上较多地使用合金钢材大约始于19世纪后半期。当时由于钢的生产量和使用量不断增大，机械制造业需要解决钢的加工切削问题，1868年英国人马希特 （R.F.Mushet）发明了成分为2.5％Mn-7％W的自硬钢，将切削速度提高到5m／min。随着商业和运输的发展，1870年在美国用铬钢 （1.5％～2.0％Cr）在密西西比河上建造了跨度为158.5m的大桥；由于加工构件时发生困难，稍后，一些工业国家改用镍钢 （3.5％Ni）建造大跨度的桥梁。与此同时，一些国家还将镍钢用于修造军舰。随着工程技术的发展，要求加快机械的转动速度，1901年在西欧出现了高碳铬滚动轴承钢。1910年又发展出了18W-4Cr-1V型的高速工具钢，进一步把切削速度提高到30m／min。可见合金钢的问世和发展，适应了社会生产力发展的要求，是和机械制造、交通运输和军事工业的需要分不开的。
20世纪20年代以后，由于电弧炉炼钢法被推广使用，为合金钢的大量生产创造了有利条件。化学工业和动力工业的发展，又促进了合金钢品种的扩大，于是不锈钢和耐热钢在这期间问世了。1920年德国人毛雷尔 （E.Maurer）发明了18-8型不锈耐酸钢，1929年在美国出现了Fe-Cr-Al电阻丝，到1939年德国在动力工业开始使用奥氏体耐热钢。第二次世界大战以后至20世纪60年代，主要是发展高强度钢和超高强度钢的时代，由于航空工业和火箭技术发展的需要，出现了许多高强度钢和超高强度钢等新钢种，如沉淀硬化型高强度不锈钢和各种低合金高强度钢等是其代表性的钢种。60年代以后，许多冶金新技术，特别是炉外精炼技术被普遍采用，合金钢开始向高纯度、高精度和超低碳的方向发展，又出现了马氏体时效钢、超纯铁素体不锈钢等新钢种。国际上使用的有上千个合金钢钢号，数万个规格，合金钢的产量约占钢总产量的10％，是国民经济建设和国防建设大量使用的重要金属材料。
合金元素对钢性能的影响
（1）合金元素对钢力学性能的影响。合金元素加入钢中可起到固溶强化、弥散强化等作用 （图6-2），从而提高钢的强度及高温强度。与碳钢相比，合金钢在相同韧性条件下具有更高的强度或在相同强度条件下具有更好的韧性。
（2）合金元素对钢热处理性能的影响。合金元素使钢的C曲线右移，提高钢的淬透性。合金钢的临界淬火直径较大，对截面较大的工件容易淬透，保证淬火质量。另外，钢淬火时可用冷速相对较小的油做冷却介质，有利于防止淬火应力过大造成的变形和开裂缺陷。
（3）合金元素对钢理化性能的影响。在钢中加入较多的合金元素可使钢具有一些特殊的物理、化学性能，得到不锈钢、耐热钢、耐磨钢、无磁性钢等特殊性能钢。
图6-2 合金元素对钢力学性能影响
（a）对硬度的影响；（b）对韧性的影响
（4）合金元素对钢切削加工性能的影响。适当提高钢中硫、锰的含量，形成均匀分布的硫化锰夹杂物可改善切削性能。也可在钢中加入适量的铅，使它弥散、均匀分布在钢中，提高切削钢的切削性能。
（5）合金元素对钢冷变形性能的影响。合金元素溶入钢基体中一般会使钢变硬变脆，导致冷形变加工困难。因此冷变形用钢要限制钢中碳、硅、硫、磷、镍、铬、钒、铜等元素的含量。
（6）合金元素对焊接性能的影响。焊接性能的好坏，主要由钢材的淬透性决定。如果淬透性高，焊缝附近热影响区内可能出现马氏体组织，易脆裂，使焊接性能下降。但钒、钛、铌、锆等元素，可细化熔化区的晶粒，改善焊接性能。
合金钢的性能特点及应用
合金钢具有如下性能特点。
（1）力学性能好。合金元素溶入铁后，形成合金铁素体，使铁素体的强度和硬度提高。此外合金元素能与碳形成较稳定的特殊碳化物，显著提高钢的强度、硬度和耐磨性，而对塑性和韧性影响不大。
（2）红硬性高。合金元素在淬火时大部分能溶入马氏体，因而在回火过程中，合金元素对扩散过程起阻碍作用，使马氏体不易分解，碳化物不易析出，使钢在回火过程中硬度下降较慢。淬火钢在回火过程中抵抗硬度下降的能力称为耐回火性。高的耐回火性使钢在较高的温度条件下，仍能保持高硬度和耐磨性。
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红硬性是指金属材料在高温（＞550℃）下保持高硬度（≥60HRC）的能力，也可称为热硬性。红硬性高的材料可用于制造切削速度高的刀具，在金属切削加工中发挥重要作用。
（3）淬透性好。合金元素 （除钴外）溶入奥氏体后，能增加过冷奥氏体的稳定性，从而使C曲线右移，减小钢的临界冷却速度，提高钢的淬透性。如45钢在水中仅能淬透18mm，而40Cr Ni Mo A在油中能淬透100mm。
（4）具有特殊的物理、化学性能。一些合金元素加入钢后，能使钢具有一些特殊的物理、化学性能。加入铬、镍、钼等合金元素可使钢有很好的耐腐蚀性和耐热性；若加入11％～14％的锰元素，钢将具有特别高的耐磨性。钢的这些特殊的物理、化学性能，使钢具有特殊的作用。
综上所述，合金元素的作用使合金钢具有较高的强度、较好的淬透性，有的合金钢具有耐热、耐蚀、耐磨等特殊性能，因此与碳钢相比，合金钢主要用于强度要求更高的工件、尺寸更大的工件或一些有特殊性能要求的工件。
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合金材料左右着战争的胜负。1916年第一次世界大战期间，法国索玛河畔的战场上，英、德两国军队用猛烈的炮火相互射击，双方的士兵都隐蔽在战壕里，谁也不敢 “越雷池一步”。9月15日黎明，英军又开始炮击，德军照常还击。突然，从英军阵地发出一阵隆隆的怪声。不一会儿，许多像大铁盒似的庞然大物向德军阵地直冲过来。这些大家伙没有轮子却能快速奔跑，炮弹不断从它的两侧飞出来，德军慌忙向它射击，可是子弹一打上就反弹回来，德军防线很快被突破。这种驰骋疆场、越障跨壕、不怕枪弹、无所阻挡、能攻能防的怪物就是坦克 （图6-3），它在战场上一出现就显示出巨大的威力。可是过了不久，所向披靡的英国坦克，出乎意料地被德国的一种特殊炮弹击穿了。英方很恼火，经反复化验才知道，德军炮弹壳里含有少量的金属钨，钨和钢中的碳结合，生成很硬的碳化钨，用这种钢制成的炮弹穿透力很强，所以能摧毁坦克。然而，“道高一尺，魔高一丈”。英国人在制造坦克装甲的钢中加入少量的铬、锰、镍和钼后，硬度超过了钨钢炮弹。这种钢板仅有原来钢板厚度的1／3，但防弹能力很强，德军炮弹再也打不透了。
图6-3 第一次世界大战中的坦克
练习与实践
一、选择题
1.合金钢制造的刀具的工作温度最高可达 （ ）。
A.200℃ B.250℃ C.600℃ D.1000℃
2.红硬性是指钢在高温下 （＞550℃）保持 （ ）。
A.高强度 B.高韧性
C.高抗氧化性 D.高硬度和高耐磨性
3.钢的红硬性主要取决于 （ ）。
A.钢的含碳量 B.马氏体的含碳量
C.残余奥氏体的含碳量 D.马氏体的耐回火性
4.淬火时，合金工具钢比碳素工具钢变形和开裂的倾向小，这是因为 （ ）。
A.这类钢的冶金质量好
B.含碳量比一般碳素工具钢低
C.淬透性好，可以用较低的冷却速度进行淬火冷却
二、判断题 （下列说法你认为对的打√，错的打×）
1.凡是存在合金元素的钢就是合金钢。 （ ）
2.红硬性是指金属材料在高温（＞550℃）下保持高硬度（≥60HRC）的能力。（ ）
3.比较重要或大截面的结构零件通常选用合金钢制造。 （ ）
4.钢中合金元素含量越多，则淬火后钢的硬度越高。 （ ）
5.合金元素溶于奥氏体后，均能增加过冷奥氏体的稳定性。 （ ）
三、简述与实践题
1.何谓合金钢？合金钢与碳钢相比，具有哪些优良性能？
2.合金元素为什么能提高钢的淬透性？淬透性好的钢有何实际意义？
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