碳钢基础知识

2.化学性能
• 金属材料的化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能。 1 耐腐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其他化学介质腐蚀作用 的能力，称为耐腐蚀 性。常见的钢铁生锈，就是腐蚀现象。 • 2 抗氧化性 金属材料抵抗氧化作用的能力，称为抗氧化性。 金属材料在加热时，氧化作用加速，如钢材在锻造、热处理、 焊接等加热作业时，会 发生氧化和脱碳，造成材料的损耗和 各种缺陷。因此，在加热坯件或材料时，常在其 周围形成一 种还原气体或保护气体，以避免金属材料的氧化。 3 化学稳定性 化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性的总称。金属 材料在高温下的化学 稳定性叫做热稳定性。用于制造在高温 下工作的零件的金属材料，要有良好的热稳定性。
Ao Ak ψ 100% Ak
3、 硬度
硬度是材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、 压痕或划痕的能力它衡量材料软硬的判据。 目前最常用的硬度试验法是布氏硬度试验法、 洛氏硬度试验法和维氏硬度试验法。
1）布氏硬度
F HBS( HBW ) A压
kgf/mm2
式中A压—压痕球形表面积，mm2 Ｄ—压头直径，mm2 ｄ—压痕平均直径，mm。
1.物理性能
• (1) 密度 金属的密度即是单位体积金属的质量，其 单位为ｋｇ／ｍ3。 根据密度的大小，金属材料可分为轻金属 和重金属。密度小于4.5ｇ／ｃｍ3 的金属叫 做轻金属， 如铝，钛等。
• (2)熔点 金属从固体状态向液体状态转变时的温度称为熔点。 熔点一般用摄氏温度（℃）表示。各种金属都有 其固定熔点。如铅的熔点为323 ℃，钢的熔点为１ ５３８ ℃。熔点对于冶炼、铸造、焊接和配制合 金等都很重要。 熔点低于 １０００ ℃的金属称为低熔点金属， 熔点在１０００～２０００ ℃的金属称为中熔点 金属，熔点 高于２０００ ℃的金属称为高熔点 金属。
HBS( HBW ) 2F π D（D D d ）
2 2
kgf/mm2 (试验力F单位用kgf)
（可从资源中心下载拉伸试验视频资料演示）
1）布氏硬度
布氏硬度的表示方法： 140HBS10／10000／30 500HBW5／7500 一般在零件图或工艺文件上标柱材料要求的布氏硬度值 时，不规定试验条件，只标出要求的硬度范围和硬度符号， 例如200～230HBS。 HBS用于测试硬度值小于450的材料；HBW用于测量硬度 值在450～650范围的材料。 布氏硬度主要用来测定铸铁、有色金属、以及退火、正 火和调质处理的钢材的硬度，如半成品和原材料。
• 金属材料传导电流的性能称为导电性。但各种金属 材料的导电性各不相同，其中以银为最好，铜、铝 次之，工业上用铜、铝做导电的材料。导电性差的 高电阻金属材料，如铁铬合金、镍铬铝、康铜和锰 铜等用于制造仪表零件或电热元件，如电炉丝。
• (6)磁性
金属导磁的性能称为磁性。具有导磁能力的金 属材料都能被磁铁吸引。铁、钴等为铁磁性材料， 锰、铬、铜、锌为无磁性或顺磁性材料。但对某些 金属来说，磁性也不是固定不变的，如铁在７６８ ℃以上就表现为没有磁性或顺磁性。 铁磁性材料可用于制作变压器、电机的铁心和测 量仪表零件等；无（顺）磁性材料可用做要求避免 磁场干扰的零件。
特别说明：各种硬度试验法测得的硬度值不能进行直接比 较，必须通过硬度换算表换算成一种硬度值后，方能比较硬度 高低。
4.韧性与疲劳强度
1）韧性
韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力,可用来衡量 金属材料抵抗冲击载荷能力。 韧性的判据通过冲击试验来测定。
40Cr钢冲击吸收功测定试验
（注：可从资源中心下载相关视频资料）
2.优质碳素结构钢 优质碳素结构钢牌号、性能特点及用途见表（每种牌号的 具体数值可查资料，这里仅按性能、用途类似的归纳作介绍）
3、碳素工具钢 牌号表示法：用“碳”的汉语拼音字首“T’加数字（表示 钢的平均Wc的千分数）表示，例如，T8A。 这类钢Wc＝0.65％～1.35％，一般均需热处理后使用，主 要制作低速切削刃具,以及对热处理变形要求低的一般模具、低 精度量具等。 碳素工具钢牌号、性能特点及用途见表
碳钢
• 钢铁材料是钢和铸铁的统称。 • 钢是以铁为主要元素，含碳量一般在2.11% 以下，并含有其他元素的材料。 • 铸铁是碳含量大于2.11%的铁碳合金。含碳 量2.11%通常是钢和铸铁的分界线。 • 根据化学成分，钢分为非合金钢、低合金 钢和合金钢。
一、碳钢的分类
高级优质
二、碳素结构钢 牌号表示方法：由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量 等级符号、脱氧方法符号四部分顺序组成。 质量等级有：A、B、C、D 脱氧方法有：F（沸腾钢）、b（半镇静钢）、Z（镇静钢）、 TZ（特殊镇静钢）。通常Z和TZ可省略。 例如：Q235－AF
2）屈服点 定义：是指试样在试验过程中力不增加还能继续伸长时 的应力。
Fs σs Ao
Fra Baidu bibliotek
MPa
式中 Fs —试样产生屈服现象时的拉伸力，单位N。 Ao—试样原始横截面积，单位mm2 条件屈服强度
σ r 0.2
Fr0.2 Ao
MPa
3）抗拉强度 定义：是指试样拉断前所能承受的最大拉应力。
Fb σb Ao
3）维氏硬度
HV 0.102
F F 0.189 2 Ao d
Kgf/mm2
式中 F—试验力，N Ao—压痕面积，mm2 d—压痕对角线的算术 平均值，mm。
以淬火、低温回火T8A钢为例，测量HV值 （从资源中心下载相关视频资料）
3）维氏硬度 维氏硬度值一般不标单位，在符号HV前写出硬度值。 维氏硬度试验因试验力小（常用49.03N），压痕浅，轮 廓清晰，数值准确，试验力选择范围大（49.03~980.7N）， 所以可测量从很软到很硬材料的硬度，维氏硬度值之间能直 接进行比较。 维氏硬度常用来测试薄片材料、金属镀层及零件表面硬 化层的硬度，但试验麻烦，不宜用于成批生产的常规检验。
5.疲劳强度 循环应力：应力的大小和方向随时间作周期性的变化。 零件在循环应力作用下，常在远小于该材料的σ b，甚 至小于σ S强度的情况下发生断裂的现象称为金属的疲劳， 金属疲劳的判据是疲劳强度。
试验证明，当σ 低于某一数值时，材料可经过无数次循 环应力作用而不断裂，这一应力称为疲劳强度。 在工程上，疲劳强度是指在一定的循环次数下不发生断 裂的最大应力。一般规定，钢铁材料的应力循环次数取108， 有色金属取107。
2、塑性 指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。塑性判据是 断后伸长率和断面收缩率。 1）断后伸长率 断后伸长率是指试样拉断后的伸长与原始标距的百分比。
l k lo δ 100% lo
2、塑性 指断裂前材料发生不可逆永久变形的能力。塑性判据是 断后伸长率和断面收缩率。 2）断后收缩率 断后收缩率是指试样拉断后，缩颈处横截面积的最大缩 减量与原始横截面积的百分比。
1.普通碳素结构钢 碳素结构钢牌号、性能特点及用途见下表
2.优质碳素结构钢
2.优质碳素结构钢 牌号表示法： 用两位数字表示钢平均含碳量的万分数，如40钢。 含锰量较高（WMn=0.7％～1.2％）的钢，在两位数字后面 写“Mn”，如 60Mn钢。 脱氧方法表示法同碳素结构钢。 高级优质钢，在牌号后面加“A”；特级优质钢，在牌号后 面加“E”。
• (4)热膨胀性 金属材料在受热时体积会增大，冷却时则 收缩，这种现象称为热膨胀性。各种金属的 热膨胀性能不同。 在实际工作中有时必须考虑热膨胀的影响。 例如，一些精密测量工具就要选用膨胀系数 较小的金属材料来制造；铺设铁轨、架设桥 梁、金属工件加工过程中测量尺寸等都要考 虑到热膨胀的因素。
• (5)导电性
合理设计零件结构、避免应 力集中、降低表面粗糙度值、进 行表面滚压、喷丸处理、表面热 处理等，可以提高工件的疲劳强 度。
3.力学性能
力学性能又称为机械性能，是指材料在力作用下所显示 的性能，主要有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。 (1)强度 强度是指金属抵抗永久变形（塑性变形）和断裂的能力。 常用的强度判据是屈服点（旧称屈服强度、屈服极限）和抗 拉强度。 测定强度判据的方法是拉伸试验。
拉伸曲线：拉伸力（F）和伸长量（l-lo）的关系曲线。
2）洛氏硬度
h HR C 0.002
式中，C为常数，压头是金刚 石圆锥时，C＝100；压头为淬火 钢球时,C＝130。
2）洛氏硬度
以淬火、低温回火GCr15钢为例，测量HRC值（从资源中心下载）
2）洛氏硬度 洛氏硬度无单位，需标明硬度标尺符号，在符号前面写 出硬度值，如60HRC、80HRA、90HRB。洛氏硬度各标尺之间没 有对应关系，不能直接比较硬度值的高低。 洛氏硬度试验操作简单、迅速、压痕小，主要用于测试 热处理后硬度较高的成品零件及较薄的工件，对于组织和硬 度不均匀的材料，硬度值波动较大，准确性不如布氏硬度值。
• (3)导热性 金属材料传导热量的能力称为导热性。一般 用热导率（导热系数）λ表示金属材料导热 性能的优劣。 热导率大的金属材料的导热性 好。在一般情况下，金属材料的导热性比非 金属材料好。金属的导热性 以银为最好，铜、 铝次之。 导热性好的金属散热也好，可用来制造散热 器零件，如冰箱、空调的散热片。
二、碳钢的性能
• 材料是机器的物质基础。金属材料的性能是选择 材料的主要依据。金属材料的性能一般分为工艺 性能和使用性能。工艺性能是指金属材料从冶炼 到成品的生产过程中，在各种加工条件下表现出 来的性能；使用性能是指金属零件在使用条件下 金属材料表现出来的性能。金属材料的使用性能 决定了它的使用范围。使用性能包括物理性能、 化学性能和力学性能。
MPa
式中 Fb —试样拉断前所能承受的最大拉伸力，单位N。 Ao—试样原始横截面积，单位mm2 屈强比（σ s/σ b） 工程上用的材料，除要求有较高的抗拉强度，还希望有 一定的屈强比（σs/σb） 。屈强比越小，零件可靠性越高，使 用中超载不会立即断裂。但屈强比太小，则材料强度的有效 利用率降低。
材料受外力作用后，导致材料内部之间产生的相互作用 力称为内力，其大小和外力相等、方向相反。 单位面积上的内力称为应力，用符号σ表示。 1）弹性极限 试样产生完全弹性变形时所能承受的最大应力。
σe
Fe Ao
MPa
式中Fe —试样产生完全弹性变形时所能承受的最大拉伸 力，单位N。 Ao—试样原始横截面积，单位mm2