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1、三 常用金属材料碳钢含碳量小于 2.11的铁碳合金称为碳素钢，简称碳钢。碳素钢中的碳是最重要的成分，其含量对于钢的组织和性能有极大的影响。钢中含碳量愈多，则珠光体和渗碳体愈多，因而硬度愈高，塑性愈低。其次，在钢中还含有少量的杂质：硅 Si 、锰 Mn 、硫 S 、磷 P 。1. 常存杂质对钢性能的影响（1） 锰 Mn 有益元素脱氧能力较好，能清除钢中的氧化铁，降低钢的脆性。锰与硫化合成硫化锰 ，可减轻硫的有害作用，改善钢的热加工性能。锰大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，起固溶强化作用，提高钢的强度和硬度。（2） 硅 Si 有益元素 硅的脱氧能力比锰强，可有效清除氧化铁，改善钢的品质。大部分硅
2、溶于铁素体中，使钢的强度有所提高。 （3） 硫 S 有害元素 硫在钢中以硫化铁的形式存在，硫化铁的塑性很差，使钢变脆。尤其是硫化铁与铁形成低熔点的共晶体（FeS + Fe） ，熔点为 985 ，共晶体沿奥氏体晶界分布。在热加工时（锻造、轧制） ，当钢加热到 1000 1200时，这些低熔点的共晶体处于熔化状态，导致钢在加工时开裂，这种现象称为热脆。为了消除硫所形成热脆性，在炼钢时加入锰，形成高熔点（ 1620 ）的硫化锰。硫化锰在高温时，塑性好，热轧时沿着轧制方向呈条状分布，从而避免了热脆性。（4） 磷 P 有害元素磷有较强的固溶强化作用，使钢的强度和硬度显著增加。但是，磷在强化钢的同时，还使
3、钢脆化。即磷和铁可形成脆性很大的化合物 Fe3P，使室温（100以下）下钢的塑性、韧性急剧下降，这种现象称为冷脆。 2. 碳钢的分类、牌号和应用（1） 碳钢的分类 按含碳量分低碳钢： C0.25中碳钢： C0.25 0.60高碳钢： C0.60 按质量分普通钢： S0.055 、 P0.045 优质钢： S、P 0.04高级优质钢： S 0.03 、P 0.035 按用途分碳素结构钢（含碳量一般低于 0.7%）：用于制造各种机械零件和工程构件。 碳素工具钢（含碳量通常在 0.7%以上）：用于制作各种刃具、模具和量具等。铸钢（含碳量在 0.4%左右）：用于制作形状复杂、难以用压力加工方法成形的铸
4、钢件。 按冶炼方法分按炉别： 平炉钢、转炉钢、电炉钢。按脱氧程度： 沸腾钢（F） 、镇静钢（Z） 、半镇静钢（b） 。（2） 碳钢的牌号和应用 普通碳素结构钢这类钢的牌号是由代表屈服点的字母 Q、屈服点的数值、质量等级符号、脱氧方法符号等四部分按顺序组成。例：Q235AF 常用牌号：Q195、 Q215、 Q235、 Q255、 Q275 应用：Q195、Q215、Q235含碳量低，焊接性能好，有一定的强度，常轧制成薄板、钢筋、焊接用的钢管，用于桥梁、建筑等钢结构。Q255、Q275强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接。用于轧制成型钢或钢板等制作结构件，Q275 属中碳钢，能代替 30、40
5、钢制造稍重要的零件。 优质碳素结构钢优质碳素结构钢的钢号用两位数字表示。两位数字表示钢中平均含碳量的万分之几。例：45，表示平均含碳量为 0.45的优质碳素结构钢。常用牌号：08F、 10、15、20 、25、30、35、 40、45、50、55、60、65、70 等； 15Mn、20Mn、25Mn 、30Mn 、35Mn 、40Mn、45Mn 、50Mn、55Mn、60Mn 、65Mn 等。应用：08F ：用于制造冷冲压零件。如：汽车外壳、仪器仪表外壳。10 、15、20 ：用于制造冷冲压件和焊接件，也可渗碳后经热处理制造齿轮、轴类零件。35、40、45 、50、55：经调质处理，可获得良好
6、的综合力学性能，用制造齿轮、轴类零件。 65、70：用于制造弹簧、钢丝绳等。 碳素工具钢碳素工具钢的牌号用“T+数字+质量级别”表示，数字表示钢中平均含碳量的千分之几。例：T12A，表示平均含碳量为 1.2 的高级优质碳素工具钢。常用牌号：T7、 T7A、T8、T8A、T8Mn、T10 、T10A、T12、T12A 等。应用：T7、 T8：冲头、凿子；T10：车刀、钻头、手工锯条；T12、T13：精车刀、锉刀。碳素工具钢制造的刃具、量具、模具，必须要进行热处理。预备热处理：球化退火（T7 可采用完全退火） 。217 HBS最终热处理：淬火 + 低温回火。 60 65 HRC碳素工具钢用于制造尺
7、寸较小的手工工具，低速及小走刀量的机用刀具，尺寸较小的模具、量具。*（二） 合金钢 1. 合金元素在钢中的作用提高钢的淬透性；改善常温下的强度；改善高温或低温用钢的力学性能；提高钢的韧性；提高硬度和耐磨性；提高钢的抗腐蚀性。2. 低合金高强度结构钢和合金结构钢低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是在普通碳素钢的基础上加入少量合金元素（3）制成的。其力学性能优于普通碳素钢。与普通碳素钢相比，如果强度相同，可节约钢材 2025。性能特点低合金高强度结构钢的屈服强度比普通碳素结构钢高 25至 50 以上，特别是屈强比明显提高。由于含碳量低，低合金高强度结构钢具有良好的塑性、韧性和焊接性能，耐蚀性能也
8、比碳钢好。 牌号例：Q345（16Mn） （2） 合金结构钢合金结构钢牌号采用“数字+ 元素符号 +数字”的方法表示。前面两位数字表示平均含碳量万分之几，合金元素符号后面的数字表示其含量的百分数。当合金元素平均含量为 0.8 1.5 时，只标出元素符号，而不标出数字；当其平均含量1.5、2.5、3.5 等时，则在元素符号后面相应标出 2、3、4。例：20Cr，表示平均含碳量为 0.2 ，平均含铬量小于 1.5 的合金结构钢。 合金渗碳钢用于制造渗碳零件的合金钢。a. 常用合金渗碳钢：20CrMnTi b. 热处理特点：预备热处理：低、中淬透性的合金渗碳钢采用正火改善其起切削加工性；最终热处理：
9、渗碳后淬火加低温回火。例：载重汽车变速箱齿轮20CrMnTi 合金调质钢经调质处理后使用的中碳合金钢。a. 常用合金调质钢：40Cr b. 热处理特点：预备热处理：一般采用正火或完全退火，以改善切削加工性；最终热处理：淬火后高温回火。 例：机床主轴材料：调质钢或合金调质钢 45 或 40Cr 热处理：调质（ 淬火 + 高温回火 ） 金弹簧钢用于制造各种弹簧或弹性元件的合金钢。a. 常用合金弹簧钢：60Si2Mn，50CrVb. 弹簧的成型及热处理特点1. 冷成型弹簧的热处理2. 热成型弹簧的热处理（60Si2Mn）例：汽车弹簧材料：合金弹簧钢 60Si2Mn 或 50CrV热处理：淬火 + 中
10、温回火 滚动轴承钢（GCr15）用于制造滚动轴承中的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）和套圈的合金钢。a. 常用滚动轴承钢 GCr15b. 热处理特点预备热处理：球化退火（降低硬度，改善切削加工性能，并为淬火作好组织准备） 。 如钢中有网状组织，应先进行正火。 最终热处理：淬火及低温回火。 （精密零件在淬火后应进行冷处理。）3. 合金工具钢用于制造各种工模具的合金钢。合金工具钢牌号表示法与合金结构钢相似，只有含碳量的表示法不同。当其平均含碳量1.0时，则含碳量不标出； 当其平均含碳量1.0时，则牌号前的数字表示含碳量的千分之几；但高速钢例外，其平均含碳量 1.0也不标出。合金元素的表示法与合金结构钢相
11、同。 例 1：CrWMn 表示平均含碳量1.0 ，平均含铬、钨、锰均 1.5的合金工具钢。例 2：9SiCr 表示平均含碳量为 0.9 ，平均含硅、铬量均 1.5的合金工具钢。例 3：W18Cr4V 表示平均含碳量为 0. 70 0.80 ，含钨、铬、钒量分别为小于 18.5 、4.5 、1.5的高速工具钢。合金工具钢都属于高级优质钢，故不再在牌号中标出“A”字。 （1） 合金刃具钢低合金工具钢 a. 常用低合金工具钢：9SiCr、CrWMnb. 热处理特点低合金工具钢的加工工艺路线：锻造球化退火机加工淬火+低温回火。 高速工具钢（高速钢）高速钢突出的特点是热硬性高。当高速钢刃具温度升高至 6
12、00时，其硬度仍能保持在 60HRC 以上，因而可以在较高的切削速度下工作。高速钢由此而得名。高速钢在切削时，长期保持刃口锋利，所以又称“锋钢” 。a. 常用高速工具钢钨系高速钢 W18Cr4V用于制造一般的高速切削刃具，如：车刀、刨刀、麻花钻等。钨钼系高速钢 W6Mo5Cr4V2用于制造耐磨性与韧性配合较好的刃具，如：齿轮铣刀、插齿刀等。 b. 热处理特点预备热处理：等温球化退火高速钢中含大量合金元素，使 E 点显著左移，在铸态组织中出现粗大的鱼骨状莱氏体。属于莱氏体钢。鱼骨状的铸态组织大幅度降低了钢的力学性能，特别是韧性。高速钢铸态组织中的鱼骨状莱氏体不能用热处理的方法消除，只能采用反复锻
13、造的方法将其击碎，并使之均匀分布在基体上，才能消除其不良影响。最终热处理：高速钢最终热处理的特点：淬火温度非常高（1200 1300） ，回火温度也非常高（ 560 ） ，而且要进行三次回火。高速钢中合金元素含量多，在淬火加热时为减少热应力，防止工件变形与开裂，必须进行预热。高速钢淬火温度很高，是因为钢中合金碳化物稳定性很高，需加热到 1200以上，合金元素才会尽可能多地溶入奥氏体内。高速钢淬火后在 550 570回火，从马氏体中析出的碳化物会产生强烈的二次硬化现象，其硬度甚至超过淬火后的硬度。高速钢淬火后残余奥氏体的量高达 2025，第一次回火降到 10左右，第二次回火降到 3 5左右，第三
14、次回火降到 1 2 左右。（2） 合金模具钢根据模具的工作条件不同，合金模具钢可分为冷作模具钢和热作模具钢。 冷作模具钢冷作模具钢用于制造使金属在冷态下变形的模具，如：冷冲模、冷挤压模、冷镦模、拉丝模等。形状简单、尺寸较小的冷作模具可选用碳素工具钢 T10A 或低合金刃具钢 9SiCr、 CrWMn 及滚动轴承钢 GCr15 制造。形状复杂、尺寸精度要求高、热处理变形要求小、耐磨性要求高的冷作模具，一般采用 Cr12 型钢。Cr12 型钢与高速钢一样，也属于莱氏体钢。需经反复锻造来改善其分布状态。锻造后缓冷，然后进行等温球化退火，降低硬度，改善切削加工性能。Cr12 型钢的最终热处理是淬火和低
15、温回火。 热作模具钢用于制造热锻模、热压模的钢。热锻模（包括热挤模）使加热的固态金属在压力下成型的模具。5CrMnMo压铸模使液态金属在压力下成型的模具。3Cr2W8V （3） 合金量具钢量具是测量加工零件的工具，如：游标卡尺、千分尺、卡规、塞规等。量具在使用过程中经常与被测零件接触，受到磨损与碰撞，因此要求量具具有高硬度、高耐磨性。为了保证量具在使用与存放过程中不发生形状和尺寸的变化，保持其精度不变，还要求量具有高的尺寸稳定性。形状简单、尺寸较小、精度要求不高的量具（如：样板、卡规、低精度的卡尺、塞规等）可用碳素工具钢制造（T10A、T12A）高精度、形状复杂的量具，一般采用低合金工具钢制造（ 9SiCr 、 CrWMn）也可采用滚动轴承钢制造（GCr15） 。预先热处理：球化退火最终热处理：淬火+低温回火4. 特殊性能钢具有特殊的物理或化学性能，并兼有一定力学性能的合金钢。它包括不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。不锈钢在腐蚀性介质（大气或酸碱溶液）中，具有抵抗腐蚀性能的钢。 不锈钢按其组织状态分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢 等几大类。（1） 铁素体不锈钢常用铁素体不锈钢的含碳量0.15，含铬量为 12 13
