第二章 常用金属材料及热处理

第二章常用金属材料及热处理

金属材料是机械工程中应用最广泛的材料。它具有良好的力学性能、物理性能、化学性能和工艺性能，主要用于机械设备、港口建设、交通运输、建筑和军事工业等方面。

金属材料的机械性能又称力学性能，是金属材料在外力作用下表现出的能力，是我们机械产品设计与零部件选材的重要依据。常用的机械性能指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧性和疲劳强度等。

金属材料的热处理是指金属材料在固态下加热到一定温度，保温一定时间，然后以设定的冷却速度冷却下来，以改变其内部组织，从而获得所需性能的一种工艺方法。根据热处理所获得的内部组织和机械性能的不同，可以分为退火，正火，淬火，调质（淬火+高温回火）、回火和表面热处理。

2.1常用金属材料及用途

金属材料是应用最广泛的材料，目前仍占据材料工业的主导地位。包括黑色金属的型钢、钢板及钢带、钢管、钢丝、钢丝绳，有色金属的棒材、线材、板材、带材及箔材、管材等12大类。

黑色金属：如生铁、铁合金、铸铁、钢、合金钢等。钢和生铁都是以铁为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。

习惯上把碳含量＞2.11%的归类于铁，碳含量＜2.11%的归类于钢。当铁中含C在0.03%~1.2%范围时则为钢，含C在1.2%~2.5%的铁缺乏实用性，一般不进行工业生产。

2.1.1 碳素钢

1 碳素钢的分类方法如下：

2 普通碳素结构钢牌号及其用途

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，Q235表示屈服强度为235MPa。

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，磷的质量分数不同。其中A级钢含硫，磷的质量分数最高，D级钢含硫，磷的质量分数最低，即A,B,C,D表示钢材质量依次提高。这类钢最典型的钢号是Q235A。

3 优质碳素结构钢的牌号和主要用途

优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示钢的平均含碳的质量分数的万分数，例如，20钢，45钢等，其平均的碳质量分数分别为0.2%和0.45%。若钢中锰的质量分数较高，则在这类钢号后附加符号“Mn”，如，15Mn，45Mn等。优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件。常用碳素结构钢的牌号，机械性能及其用途见表2-1。

表2 -1 常用碳素结构钢牌号，机械性能及其用途

类别常用牌号

机械性能

用途屈服点

σa/MPa

抗拉强度

σb/MPa

伸长率

δ5/%

碳素结构

钢

Q195 (195) 315~390 33

塑性较好，有一定的强度，通常轧制成钢筋、

钢板、钢管等。可作为桥梁、建筑物等的构

件，也可用做普通螺钉、螺帽、铆钉等

Q215 215 335~410 31

Q235A

235 375~460 26

Q235B

Q235C 可用于重要的焊接件

Q235D

强度较高，可轧制成型钢、钢板，作构件用Q255 255 410~510 24

Q275 275 490~610 20

优质碳素结构钢08F 175 295 35 塑性好，可制造冷冲压零件

10 205 335 31 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

20 245 410 25

35 315 530 20

经调质处理后，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40 335 570 19

45 355 600 16

50 375 630 14

60 400 675 12

主要用来制造弹簧

65 410 695 10

2.1.2 合金钢

1.合金钢的分类方法如下

为了提高钢的性能，在碳素钢基础上特意加入合金元素所获得的钢种称为合金钢。合金钢的分类如下

2 合金结构钢的牌号

用“两位数（平均碳质量分数的万分之几）+元素符号+数字（该合金元素质量分数小于1.5%不标出；1.5%~2.5%标2；2.5%~3.5%标3，其余依次类推）”表示。

例如40Cr，表示碳的质量分数为0.40%，铬的质量分数<1.5%。

2.合金工具钢的牌号

1)碳的质量分数<1.0%时：用“一位数（表示碳质量分数的千分之几）+元素符号+数字”表示。

例如9Mn2V，第一位数表示碳质量分数为0.9%，锰的平均质量分数为2%，钒的平均质量分数<1.5%。

2)碳的质量分数>1.0%时，用“元素符号+数字”表示。

例如Cr12MoV，表示碳的平均质量分数>1.0%，铬的平均质量分数为12%，钼和钒的平均质量分数均<1.5%。

3)高速钢碳的平均质量分数小于1.0%时，其含碳量也不予标出，例如W18Cr4V钢，其碳的平均质量分数为0.7%~0.8%。

3.特殊钢性能钢的牌号

特殊性能钢的牌号和合金工具钢的表示方法相同，例如不锈钢2Cr13，其碳的平均质量分数为0.2%，铬的平均质量分数为13%。

某些特殊性能的钢的质量分数很小。当其碳的质量分数《0.10%时，用0表示；碳的质量分数《0.03%时，用00表示，例如0Cr18Ni9、00Cr30Mo2等。

4.特殊专用钢的牌号

为表示钢的用途，在钢的牌号前面冠以汉语拼音字母字头，而不标含碳量。合金元素含量的标注和上述也有所不同。例如滚动轴承钢前面标“G”（“滚”字汉语拼音的第一个字母）。如GCr15SiMn，牌号中铬元素后面的数字表示铬的质量分数为15%0，其他元素含量仍按百分数表示，即硅和锰的平均质量分数均<1.5%。

常用合金钢的牌号、机械性能及其用途见表2-2

表2-2 常用合金钢牌号、机械性能及其用途

2.1.3 铸钢

铸钢主要用于制造形状复杂，具有一定强度、塑性和韧性的零件，例如机车车辆、船舶和重型机械的齿轮、轴以及轧辊、机座、缸体、外壳、阀体等。碳素铸钢的成分、机械性能