哈工大金属工艺学补充教材 第四章

第四章常用工程材料

4.1 钢铁材料

4.1.1 工业用钢

在铁碳合金中，碳质量分数小于2.11%的合金称为钢。碳钢冶炼简便，加工容易，价格便宜，而且在一般情况下能满足使用性能的要求，是应用最多的工程金属材料。

一、钢的分类

按化学成分分类，可分为碳素钢和合金钢两大类；按用途分类，可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢三类；按质量分类，主要分为普通钢、优质钢和高级优质钢三类。按照脱氧程度可分为镇静钢和沸腾钢等。

二、碳素钢

碳素钢（简称碳钢）的含碳量在1.5％以下，并含有硅、锰、磷、硫等杂质。

碳素钢分如下三类：

（1）碳素结构钢w c<0.38％，而以<0.25％的最为常用，即以低碳钢为主。尽管S、P等有害杂质的含量较高，但性能上扔能满足一般工程结构、建筑结构及一些机件的使用要求，且价格低廉，因此得到了广泛的应用。

常见碳素结构钢的牌号用Q+数字表示，其中“Q”为屈服点“屈”字的汉语拼音字首，数字表示屈服强度的数值。

例如，Q275表示屈服强度为275MPa的碳素结构钢。若牌号后面标注字母A、B、C、D，则表示钢材质量等级不同，即硫、磷含量不同。其中A级钢含硫、磷量最高，D级钢含硫、磷量最低，即A、B、C、D表示钢材质量依次提高。

Q235是用途最广的碳素结构钢，属于低碳钢，通常热轧成钢板、型钢、钢管、钢筋等。因其铁素体含量较多，故其塑性、韧性优良。常用来制造建筑构件，车辆，不重要的轴类、螺钉、螺母，冲压件，锻件，焊接件等。

（2）优质碳素结构钢S、P的含量较低（≤0.035％），主要用来制造较为重要的机件。

牌号用两位数字表示，即是钢中平均含碳量的万分数。例如20钢表示平均含碳量为0.20％的优质碳素结构钢。

08、10、15、20、25等牌号属于低碳钢，其塑性好，易于拉拔、冲压、挤压、锻造和焊接。其中20钢用途最广，常用来制造螺钉、螺母、垫圈、小轴以及冲压件、焊接件，有时也用于制造渗碳件。

30、35、40、45、50、55等牌号属于中碳钢，因钢中珠光体含量增多，其强度和硬度较前提高，淬火后的硬度可显著增高。其中，以45钢最为典型，它不仅强度、硬度较高，且兼有较好的塑性和韧性，即综合性能优良。45钢在机械结构中用途最广，常用来制造轴、丝杠、齿轮、连杆、套筒、键、重要螺钉和螺母等。

60、65、70、75等牌号属于高碳钢。它们经过淬火、回火后，不仅强度、硬度提高，且弹性优良，常用来制造小弹簧、发条、钢丝绳、轧辊等。

（3）碳素工具钢碳素工具钢的含碳量高达0.7％～1.35％，大多属于共析和过共析钢，它们淬火后有高的硬度（>60HRC）和良好的耐磨性，常用来制造锻工、木工、钳工工具和小型模具。

碳素工具钢的牌号是以符号“T”起首，其后面的一位或两位数字表示钢中平均含碳量的千分数。例如，T7表示平均含碳量为0.7％的碳素工具钢（属优质钢）。对于S、P含量更低的高级优质碳素工具钢，则在数字后面增加符号“A”表示，如T7A。

常用的碳素工具钢为T8、T10、T10A和T12等牌号。其中，T8属于共析钢，在上述

牌号中韧性最好，多用于制造承受冲击的工具。如錾子、锻工工具等；T10、T10A硬度较高，且仍有一定韧性，常用来制造钢锯条、小冲模等；T12硬度最高，耐磨性好，但脆性大，适用于制造不承受冲击的耐磨工具，如钢锉、刮刀等。

三、合金钢

合金钢是为改善钢的某些性能、特意加入一种或几种合金元素所炼成的钢。如果钢中的含硅量大于0.5％，或者含锰量大于1.0％，也属于合金钢。

1、合金结构钢

合金结构钢比碳素钢有更好的力学性能，特别是热处理性能优良，因此便于制造尺寸较大、形状复杂或要求淬火变形小的零件。

合金结构钢的牌号通常是以“数字＋元素符号＋数字”的方法来表示。牌号中起首的两位数字表示钢的平均含碳量的万分数，元素符号及其后的数字表示所含合金元素及其平均含量的百分数。若合金元素含量小于1.5％，则不标其含量。高级优质钢在牌号尾部增加符号“A”。例如，16Mn、20Cr、40Mn2、30CrMnSi、38CrMoAlA等。

2、合金工具钢

合金工具钢主要用来制造刃具、模具和量具。其合金元素的主要作用是增加钢的淬透性、耐磨性及红硬性。与碳素工具钢相比，它适合制造形状复杂、尺寸较大、切削速度较高或工作温度较高的工具和模具。

合金工具钢的牌号与合金结构钢类似，不同的是以一位数字表示平均含碳量的千分数，当含碳量超过1％时，则不标出。如9Cr2的平均含碳量为0.9％，CrWMn的平均含碳量为1.0％。

9SiCr、9Mn2V是常用的低合金刃具钢，主要用来制造丝锥、板牙等切削速度不高的工具和小的模具。W18Cr4V是典型的高速工具钢，其合金元素含量甚高。用这种钢制成的钻头、铣刀或拉刀，在切削温度高达600℃时，仍可保持高硬度，故可采用较高的切削速度进行切削。

4.1.2 铸铁

铸铁是含碳量大于2.11％的铁碳合金，其主要组成元素为铁、碳、硅和一定量的锰，而硫磷等杂质的含量也比普通碳钢要高。根据碳在铸铁中的存在形式及石墨的形态，可将铸铁分为白口铸铁、灰口铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和可锻铸铁等五大类。其中碳在白口铸铁中完全以碳化物的形式存在，极硬且脆，难以机械加工，很少使用。在工业中大量应用的是灰口铸铁，因全部或大部分碳以石墨形式存在，断口呈浅灰色，故称为灰口铸铁（灰铁），其产量占铸铁总产量80％以上。

一、灰口铸铁

普通灰口铸铁的组织由片状石墨和钢的基体组成，其片状石墨形态或直或弯且不连续。钢的基体根据石墨化进程不同可以是铁素体，铁素体＋珠光体或珠光体三种。灰铸铁的牌号以其力学性能来表示，以“HT”起首，表示灰铸铁，其后以三位数字表示其最低抗拉强度。例如HT200表示以φ30mm单个铸出的试棒测出的抗拉强度值大于200MPa（但小于300 MPa）。

与普通钢材相比，灰铸铁具有如下性能特征：力学性能差；优良的减振性和耐磨性；缺口敏感性小；工艺性能好。

二、可锻铸铁

可锻铸铁又称马铁，是将白口铸铁经石墨化退火而成的一种铸铁。由于其石墨呈团絮状，大大减轻了对金属基体的割裂作用，故其力学性能比灰铸铁高，抗拉强度得到显著提高，如σb一般达到300～400MPa，最高可达700 MPa，塑性、韧性也较高，（δ≤12％，αK≤30J/cm2），可锻铸铁就是因此而得名，其实它并不能真的用于锻造。可锻铸铁的牌号中，