常用工程材料 最终版

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1、 2.1 碳 钢一、碳钢中的常存杂质元素及其作用（1）硅和锰有益元素作用：脱氧剂，形成MnS，固溶强化， 减少FeO的影响。（2）硫和磷有害元素危害：形成低熔点的FeS，使钢产生热脆 ；使钢产生冷脆。硅（Si）（1）可清除钢中的FeO，脱氧能力比Mn强。它与钢液中的FeO能结成密度较小的硅酸 盐以炉渣的形式被除去。从而消除FeO对钢 的不良影响。 （2）硅能溶入铁素体中，使铁素体强化，从而 提高钢的强度和硬度，但降低塑性和韧性。当 含硅量不多时，其对钢的性能影响不大。 （3）总起来说，硅也是一种有益的元素。作为 杂质其含量应小于0.4%。锰（Mn）（1）可清除钢中的FeO，改善钢的品质。锰从F

2、eO中夺取氧形成MnO进入炉渣，从而把钢 中的FeO还原成铁，改善钢的质量 。 （2）减轻硫的有害作用，降低钢的脆性，改善钢的热 加工性能。（MnS在高温时有一定塑性，切削加工中 MnS能起断屑作用，因此改善了钢的切削加工性，这 类钢称作易切削钢) （3）在室温下锰能大部分溶入铁素体中形成含锰铁素 体的置换固溶体，使铁素体强化，提高钢的强度和硬 度。 （4）锰在碳钢中的质量分数一般为0.25%0.80%，最 高可达1.2%。总起来说，锰是一种有益的元素。2. 硫（S）、磷（ P） 是有害元素 S是在炼钢时由矿石和燃料带入钢中的 热脆 P是由矿石带入钢中的冷脆 衡量钢的质量的主要指标为含S、 P

3、量。S一般 控制在0.05%以下,P一般钢的含磷量控制在 0.045%以下。P,s （1）硫：可与铁生成FeS， FeS与Fe能形成低熔点（985）的共晶体，且分布在晶界上。当钢材在10001200 进行热压力加工时，由于共晶体熔化，从而导致热加工时开裂。这种金属在高温时出现脆裂的现象，称为“热脆”。（2）磷：在钢中能全部溶于铁素体中，提高铁素体的强度和硬度。但在室温下却使钢的塑性和韧性急剧下降（Fe3P而使钢的脆性增加 ），产生低温脆性，这种现象称为冷脆。 磷的有害作用在一定条件下可以转化，例 如钢中加入适量的磷还可以提高钢材的耐 大气腐蚀性能。 在炮弹钢中加入较多磷，可增大钢的脆性 ，使炮

4、弹在爆炸时碎片增多，从而增加了 杀伤力。二、碳钢的分类、牌号和用途（一）碳钢的分类 1.按碳的含量分类 2.按质量分类3.按用途分类（1）碳素结构钢 主要用于建筑、桥 梁等工程结构和各种机械零件（如齿轮、轴 、螺柱、弹簧等）。（2）碳素工具钢 主要用于种类刀具 、量具和模具。如丝锥、板牙、刮刀、锯 条、冲模等。（3）专用钢 包括锅炉钢、船用钢 、易切削钢等。4.按钢液脱氧程度分类（1）沸腾钢（F） 脱氧不完全，组织 不致密，成分不均匀，性能较差。（2）镇静钢（Z）脱氧完全，组织致 密，成分较均匀，性能较好。（3）半镇静钢（b） 脱氧程度介于 沸腾钢和镇静钢之间。（二）碳钢的牌号、性能及主要用途

5、1.普通碳素结构钢(GB/T7001988)表示方法：用Q、屈服数值、质量等级和脱氧 方法组成。牌号Q235D示例说明：Q钢的屈服点“屈”字汉语拼音字头；235最低屈服点值235MPa;D表示质量等级为D 级。有时牌号后面还要分别附加下列符号：F沸腾钢； b 半镇静钢；Z镇静钢； TZ特殊镇静钢。由于D级质量钢均为特殊镇静钢，故“TZ”符号 可以省略。如Q235DTZ可写为Q235-D。符号 “Z”有时亦可省略。常用碳素结构钢：Q195、Q215、Q235A、Q235B 塑性较好，有 一定的强度，通常轧制成钢筋、钢板、钢管等，可 用于做桥梁、建筑物等构件，也可用做普通螺钉、 螺帽、铆钉等。 Q

6、235C、Q235D 可用于重要的焊接件。 Q255、Q275 强度较高，可轧制成型钢、钢板 作构件用。 这类钢常在热轧状态下使用，不再进行热处理 。 但对某些零件，也可以进行正火、调质、渗碳等处理，以提高其使用性能。常用碳素结构钢钢板钢筋 建筑构件螺钉铆钉 钢桥梁2.优质碳素结构钢表示方法：用两位数字表示平均含碳量 的万分数，较高含锰量再加Mn。如：45钢，碳的平均含量为万分之四十 五，即0.45%。含锰较高的优质碳素结构钢要标出Mn ，例如：45Mn。优质碳素结构钢主要用来制造各种机器 零件。 常用优质碳素结构钢：螺栓齿轮曲轴 弹簧常用优质碳素结构钢： 08F 塑性好，可制造冷冲压零件；

7、10、20钢 冷冲压性与焊接性能良好， 可用作冲压件及焊接件，经过热处理（如渗 碳）也可以制造轴、销等零件； 35、40、45、50钢 经热处理后，可 获得良好的综合机械性能，用来制造齿轮 、轴类、套筒等零件；60、65钢 主要用来制造弹簧。 优质碳素结构钢使用前一般都要经过 热处理。 3.碳素工具钢碳素工具钢的碳质量分数在0.65%1.35%之 间。表示方法：用“T”加表示平均含碳量千分数的 数字，较高质量再加“A”。如T8，表示平均碳含量为0.80%的碳素工具钢 。碳素工具钢均为优质钢，若含硫、磷更低，则 为高级优质钢，在钢号后标注“A”字。例如，T12A 表示碳质量分数为1.2%的高级优

8、质碳素工具钢。碳素工具钢用来制造各种刃具、量具、模具 等。常用碳素工具钢：T7、T8 硬度较高、韧性较高，可制造 冲头、凿子、锤子等工具。 T9、T10、T11硬度高，韧性适中，可 制造钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及 冷作模具等。 T12、T13 硬度很高，韧性较低，可制 作锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。 碳素工具钢使用前都要进行热处理。常用碳素工具钢：锉刀 量规 钻头 4.铸钢表示方法：ZG （1）力学性能用最小屈服数值、最 小抗拉强度表示 ZG200400表示最小屈服强度200MPa、 最小抗拉强度400MPa的铸钢。 （2）化学成分用两位数字表示平均 含碳量的万分数和化学元素符号

9、及含量百 分数表示。ZG45表示平均含碳量为0.45的铸钢。铸钢主要用于制造形状复杂，需要一定强度、塑性和 韧性的零件，例如机车车辆、船舶、重型机械的齿轮、轴 ，以及轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等。 外壳 轧辊重型机械齿轮 合金钢的编号、性能和主要用途 牌号首部用数字标明碳质量分数。规定结构钢 以万分之一为单位的数字（两位数）、工具钢和特 殊性能钢以千分之一为单位的数字（一位数）来表 示碳质量分数，而工具钢的碳质量分数超过1%， 碳质量分数不标出。 在表明碳质量分数数字之后，用元素的化学符 号表明钢中主要合金元素，质量分数由其后面的数 字标明，平均质量分数少于1.5%时不标数，平均 质量分数为

10、1.5%2.49%、2.5%3.49% 时，相应地标以2、3。 合金结构钢40Cr，平均碳质量分数为0.40%， 主要合金元素Cr的质量分数在1.5%以下。 合金工具钢5CrMnMo，平均碳质量分数为 0.5%，主要合金元素Cr、Mn、Mo的质量分数 均在1.5%以下。专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明。 如：滚珠轴承钢，在钢号前标以“G”。 GCr15表示碳质量分数约1.0%、铬质量分数约 1.5%（这是一个特例，铬质量分数以千分之一 为单位的数字表示）的滚珠轴承钢。 Y40Mn，表示碳质量分数为0.4%、锰质 量分数少于1.5%的易切削钢等等。 对于高级优质钢，则在钢的末尾加“A”字 表明

11、，例如20Cr2Ni4A等。 （一） 合金结构钢 用于制造重要工程结构和机器零件的合 金钢称为合金结构钢。主要有低合金高强度 结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹 簧钢、滚珠轴承钢。 1.低合金结构钢A . 用途 主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉 、高压容器、输油输气管道、大型钢结构 等。 容器 船舶车辆 桥梁储气罐B. 成分特点 （1）低碳：由于韧性、焊接性和冷成形 性能的要求高，其碳质量分数不超过0.20%。（2） 加入以锰为主的合金元素。（3） 加入铌、钛或钒等辅加元素：少量 的铌、钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮化物 ， 有利于获得细小的铁素体晶粒和提高钢的强度 和韧性。此外，加入少

12、量铜（0.4%）和磷（0.1% 左右）等，可提高抗腐蚀性能。加入少量稀 土元素，可以脱硫、去气，使钢材净化，改 善韧性和工艺性能。（1）合金调质钢 . 用途 合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和 其它机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆 、螺栓等。 齿轮 曲轴汽车万向节 连杆. 性能要求 调质件大多承受多种工作载荷，受力情况比较复杂，要 求高的综合机械性能，即具有高的强度和良好的塑性、韧性。 合金调质钢还要求有很好的淬透性。但不同零件受力情况不同 ，对淬透性的要求不一样。. 成分特点 中碳：碳质量分数一般在0.25%0.50%之间，以 0.4%居多； 加入提高淬透性的元素Cr、Mn

13、、Ni、Si等：这些合金 元素除了提高淬透性外，还能形成合金铁素体，提高钢的强度 。如调质处理后的40Cr钢的性能比45钢的性能高很多； 加入防止第二类回火脆性的元素：含Ni、Cr、Mn的合 金调质钢，高温回火慢冷时易产生第二类回火脆性。在钢中加 入Mo、W可以防止第二类回火脆性，其适宜含量：Mo的质量 分数为0.15%0.30%，或W的质量分数为0.8%1.2%。d. 常用低合金高强度结构钢 Q345 （16Mn） 是我国低合金高强钢中用量最多 、产量最大的钢种。使用状态的组织为细晶粒的铁 素体珠光体，强度比普通碳素结构钢Q235约高 20%30%，耐大气腐蚀性能高20%38%。Q420 （

14、15MnVN） 中等级别强度钢中使用最多 的钢种。强度较高，且韧性、焊接性及低温韧性也较 好，被广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶等大型结构。强度级别超过500 MPa后，铁素体和珠光体组织 难以满足要求，于是发展了低碳贝氏体钢。加入Cr 、Mo、Mn、B等元素，有利于空冷条件下得到贝氏 体组织，使强度更高，塑性、焊接性能也较好，多 用于高压锅炉、高压容器等。e. 钢种及牌号 40Cr 低淬透性合金调质钢，油淬临界 直径为30 mm40 mm，用于制造一般尺寸 的重要零件。35CrMo 中淬透性合金调质钢，油淬临 界直径为40 mm60 mm，加入钼不仅可提 高淬透性，而且可防止第二类回火脆性。40

15、CrNiMo 高淬透性合金调质钢，油淬 临界直径为60 mm100 mm，铬镍钢中加 入适当的钼，不但具有好的淬透性，还可 消除第二类回火脆性。f. 热处理和组织性能 合金调质钢的最终热处理是淬火加高 温回火。合金调质钢淬透性较高，一般都 用油淬，淬透性特别大时甚至可以空冷， 这能减少热处理缺陷。合金调质钢的最终性能决定于回火温度 。 一般采用500 650 回火。通过选择回 火温度，可以获得所要求的性能。为防止第 二类回火脆性，回火后快冷（水冷或油冷） ，有利于韧性的提高。 40Cr钢经不同温度回火后的机械性能 （直径12，油淬）合金调质钢常规热处理后的组织是回火 索氏体。对于表面要求耐磨的零件（如齿 轮、主轴），再进行感应加热表面淬火及 低温回火，表面组织为回火马氏体。表面 硬度可达55 HRC58 HRC。合金调质钢淬透调质后的屈服强度约 为800 MPa， 冲击韧性在800 kJ/m2，心 部硬度可达22 HRC25 HRC。若截面 尺寸大而未淬透时，性能显著降低。 （2）合金渗碳钢a. 用途 主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮， 内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。这类零 件在工作中遭受强烈的摩擦磨损，同时又承受较 大的交变载荷，特别是冲击载荷。 拨叉 变速齿轮b. 性能要求表面渗碳层硬度高，以保证优异的耐 磨性和接触疲劳抗力，同时具有适当的塑性 和韧性。心部具有高的