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第四章常用金属材料§1.碳素钢（碳钢）碳素钢的合金元素含量低，碳素钢中的碳质量分数小于2.11％，通常碳素钢中还含有C、Si、Mn、S、P等合金元素。一.碳素钢的分类及各元素对钢性能的影响1．碳素钢的分类碳素钢可按碳质量分数、质量和用途等不同进行分类。低碳钢=0.25%中碳钢0.25%~.065%高碳钢=0.60%①按碳质量分数分类普通质量钢S=0.025%;P=0.045%;优质钢S+0.035%;P=0.035%高级优质钢S+0.02%;P0.030%;②按质量分类碳素结构钢优质碳素结构钢碳素结构钢铸造碳钢③按用途分类2．碳素钢中各元素对钢性能的影响碳素钢中碳是主要元素，对钢的性能起主要作用。通常钢中还含有Mn、Si、S、P等元素，它们对钢的性能有一定的影响。(1)C的影响如图4-1所示。碳质量分数小于0.9％时，随碳质量分数的增加，钢的强度、硬度呈直线上升，而塑性、韧性下降。当碳质量分数大于0.9％时，硬度继续上升，而强度开始下降，塑性、韧性继续下降。（2）Mn的影响是碳素钢中的有益元素。碳素钢中通常Mn含量在0.25％～0.80％,最高可达0.70％～1.2％。Mn与S、O可形成MnO、MnS，可起到脱氧去硫的作用，从而可降低钢的热脆性；Mn可溶于铁素体中形成置换固溶体，使铁素体固溶强化，从而提高钢的强度和硬度。（3）Si的影响Si是钢中的有益元素。Si可溶于铁素体中，使钢得到固溶强化。（4）S的影响S是钢中的有害元素。S与Fe几乎不溶解，常以FeS形式存在于钢中。FeS与Fe在钢中形成低熔点的共晶体（熔点983℃），分布在晶界上，在始锻温度1000～1200℃进行加热时，共晶体（FeS+F）将熔化，使钢产生热脆现象。这种热脆现象的出现导致钢在锻造时发生开裂，所以钢中的含S量必须严格控制。（5）P的影响P是钢中的有害元素。P能溶于铁素体，使铁素体固溶强化，可提高钢的强度和硬度，但塑性、韧性急剧下降。P形成的Fe3P极脆。含P量高时，在室温或较低温度进行加热时易变脆开裂，称为冷脆。所以含P量必须严格控制。二.碳素结构钢与优质碳素结构钢1．碳素结构钢碳素结构钢是工程中应用最多的钢种，约占钢总产量的70％～80％，其中大部分用作工程结构件，少量用作普通零件。碳素结构钢的牌号由钢的屈服强度的拼音字首“Q+σS+质量等级+脱氧方法”组成。为区分质量等级，在数值后加A、B、C、D四个等级。为区分脱氧方法，在等级后加F（沸腾钢）、b（半镇静钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）；Z、TZ在牌号中不标出。碳素结构钢的用途：Q195、Q215、Q235A、Q235B等钢塑性较好，有一定的强度，通常扎制成各种型材，如钢板、钢管等，大量用于桥梁、建筑、车辆等行业；也可用于制造普通螺钉、螺帽、铆钉等。Q235C、Q235D可用于重要的焊接件。Q235、Q275强度较高，可轧制成型钢、钢板作结构件用。这类钢只保证力学性能。一般情况下，在热轧状态使用，不再进行热处理。2．优质碳素结构钢一般用平炉或电炉进行冶炼。其中S＜0.035％、P＜0.035％，化学成分加以严格控制，塑性、韧性较高，多用于制造重要的零件。碳的含量根据要求不同而定。这类钢既保证化学成分，又保证力学性能。这类钢HBS、σS、σb高，经热处理后力学性能较好。钢的牌号用2位数字表示，数字表示钢的平均含碳量的万分数。牌号自08～80，中间为5进制，共33种。不同牌号的优质碳素结构钢，因含碳量不同其力学性能有较大差别。08、10钢，含碳量很低，故强度低而塑性很好，可用来制作冲压件。15～25钢，属低碳钢，σb不高，而塑性韧性较好，具有良好的冲压性和可焊性，可用来制作强度要求不高而有一定塑性和韧性的零件，如冲压件、螺钉、螺帽、钢管、钢带等。这类钢经渗碳淬火后可获得表面硬度高而心部韧性好的性能，常用作渗碳用钢，亦称碳素渗碳钢。30～50钢，属中碳钢，经调质处理后使用，可获得既有一定强度和硬度，又有一定塑性和韧性良好配合的综合力学性能，亦称碳素调质钢，可制作锻件、热冲压件、冷镦件、齿轮、轴类等零件。55～80钢，其含碳量较高，强度高而塑性低，具有一定的耐磨性，经热处理后有很高的弹性极限，常用于制造各种弹性零件，亦称碳素弹簧钢。也可用作耐磨零件和机车车轮等。三.碳素工具钢碳素工具钢含碳量较高（0.65％～1.35％）。碳素工具钢按S、P含量分为2组：第一组是高级优质钢：S≤0.020％,P≤0.030％；第二组是优质钢：S≤0.030％，P≤0.035％。碳素工具钢的牌号是用“碳或T+数字”表示，数字表示钢的平均碳质量分数的千分数。若是高级优质碳素工具钢，则在钢号数字后加一个“高”或“A”，如T8A或碳8高。如有T8Mn或T8MnA，则表示碳质量分数为0.8％,含Mn量较高的碳素工具钢或高级碳素工具钢。碳素工具钢一般经淬火+低温回火后使用，硬度大于64HRC。随着碳质量分数的增加，热处理后钢的耐磨性提高，而塑性、韧性降低。由于碳素工具钢的淬透性不高，故适用于小尺寸的模具、刀具和量具等。T7、T8硬度高，韧性较高，可制作冲头、凿子、锤子等工具；T9、T10、T11硬度高，韧性适中，可制作钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具等；T12、T13等硬度高，韧性较低，可制作锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。工作温度一般不超过180℃，否则硬度急剧下降四.铸造碳钢用于铸造的碳素钢称为铸造铸钢，简称铸钢。对于形状复杂，而性能要求较高的零件，用锻件及铸件的材料达不到要求时，可选用铸钢件来制造。碳素铸钢一般是亚共析钢，碳质量分数在0.15％～0.60％之间.铸钢的牌号是用铸钢2字的拼音首字“ZG”加2组数字组成，第一组数字表示屈服强度，第二组数字表示抗拉强度。如ZG230——450表示铸钢屈服强度σS为230MPa和抗拉强度σb为450MPa。五.低淬透性含钛优质碳素结构钢低淬透性含钛优质碳素结构钢的淬透性很低。常用于制作小模数齿轮，淬火后淬硬层可沿齿面分布，而齿根及齿轮心部未淬硬而具有较好的塑性和韧性，得到表面硬度高，耐磨性好，心部强韧的性能。小模数齿轮如选用碳素结构钢来制造，淬火后整个齿轮都被淬硬并具有脆性，在冲击载荷作用下容易导致齿根断裂。这类钢含钛量较高，ωTi=0.03％～0.12％,不含其他合金元素,经济性好,因此,广泛用于制造汽车、拖拉机等的小模数齿轮和轴等零件。低淬透性含钛优质碳素结构钢的牌号以2位数字加D、Ti表示。数字表示平均碳质量分数为万分数，D表示低淬透性，Ti表示含钛量。如55DTi表示平均碳质量分数为0.55％的低淬透性含钛优质碳素结构钢。§2.低合金钢与合金钢一.低合金钢与合金钢的分类、牌号及合金元素在钢中的作用低合金钢与合金钢是以合金元素含量多少区分的，低合金钢又可按质量等级和主要特性分为：普通质量低合金钢、优质低合金钢、特殊质量低合金钢。合金钢也可按质量等级分为：优质合金钢、特殊质量合金钢。在实际生产中常将低合金钢与合金钢混合按用途和性质分类，统称为合金钢。合金钢按用途和性能分类如下。2．合金钢的编号编号方法原则采用“数字+化学元素符号+数字”的方法。（1）合金结构钢前面数字表示钢的平均碳质量分数的万分数，元素符号表示钢中所含的合金元素，直接用化学符号（或汉字）表示，化学符号后面的数字表示合金元素平均含量的百分数。合金元素的平均含量≥1.5％、≥2.5％、≥3.5％…时，则相应以2，3，4…表示。如0.37％～0.45％C,0.80％～1.10％Cr的铬钢，以40Cr（或40铬）表示；含0.57％～0.65％C,1.5％～2.0％Si、0.80％～1.10％Mn的硅锰钢,以60Si2Mn（或60硅2锰）表示；12CrNi3表示平均碳质量分数为0.20％、Cr＜1.5％、Ni≥3.0％。如含S、P量较低的高级优质钢，则在钢号的末尾加以符号“A”或“高”字，如20Cr2Ni4A，表示平均碳质量分数为0.20％、Cr=2.0％、Ni=4.0％的高级优质合金钢；又如12Mn2A，表示平均碳质量分数为0.12％、Mn=2.0％的高级优质合金钢。（2）滚动轴承钢与易切钢滚动承钢的牌号由滚字的拼音字首“G+平均铬质量分数的千分数”组成，平均碳质量分数不标出。如GCr15（滚铬15）表示平均含铬量为1.5％的滚动轴承钢易切钢在牌号前加易字的拼音字首“Y”，后面数字表示平均碳质量分数的万分数。（3）合金工具钢合金工具钢的编号方法与合金结构钢相似，区别的是平均碳质量分数≥1.0％时不标出，＜1.0％时以千分数表示。如9SiCr表示平均碳质量数为0.9％，Si、Cr的平均含量＜1.5％；CrMn表示平均碳质量分数≥1.0％，Cr、Mn平均含量＜1.5％。对于高速钢不论碳质量分数多少，均不标出。（4）特殊性能钢特殊性能钢的编号方法也与合金工具钢基本相似，牌号前面的数字表示平均碳质量分数的千分数。如9Cr18表示平均碳质量分数为0.9％，平均含铬量为18％。当平均碳质量分数≤0.03％及0.08％时，在钢号前分别标以“00”及“0”。如00Cr18Ni10表示平均碳质量分数≤0.03％、含铬量为18％、含镍量为10％；又如0Cr19Ni9表示平均碳质量分数≤0.08％、平均含铬量为19％、平均含镍量为9％。3．合金元素在钢中的作用合金钢中常用的合金元素有Mn、Si、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr、Ni、RE等。这些合金元素在钢中与碳、铁的作用对钢的相变、组织和性能起着重要的影响。（1）合金元素对钢的基本相的影响碳钢中的基本相为F、Fe3C、A（高温）。钢中加入合金元素后，合金元素与基本相作用生成合金相，主要有合金铁素体、合金渗碳体、合金奥氏体。1）对铁基固溶体的影响合金元素能溶于α-Fe和γ-Fe形成铁基固溶体。与碳钢相似，铁基固溶体可进行多形态转变，固溶度也不同，组成合金钢的各种组织。C、N与Fe形成间隙固溶体，其他合金元素与Fe形成置换固溶体。合金元素溶入铁素体形成合金铁素体，使其性能发生很大的变化。若合金元素原子半径与铁的原子半径相差较大时，则晶格畸变就大，固溶体强化效果就大，则钢的硬度上升也显著。合金元素含量适当时可提高钢的韧性，若合金元素超过含量时韧性降低，故合金元素的含量应严格控制。合金元素溶入奥氏体中可使过冷奥氏体的稳定性增加，从而提高合金的淬透性。2）对碳化物的影响合金钢中碳化物的类型、数量、形态及分布状况对钢的力学性能影响很大。根据合金元素与碳的亲和力大小，分为：非碳化物元素，如Ni、Si、Al、Cu、Co、N、B等，这类元素主要形成铁基固溶体，不形成碳化物。碳化物形成元素，如Ti、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn、Zr、Fe等，其中：Cr、Mn属弱碳化物形成元素，含量小时，可形成铁基固溶体，含量多时一部分溶入渗碳体形成合金渗碳体，当含量较多时形成特殊碳化物；Ti、Mo、W、V、Nb为强碳化物形成元素，含量少时形成合金渗碳体，含量多时大部分形成特殊碳化物。渗碳体是亚稳定的化合物，渗碳体中的Fe和C的亲和力较弱。当合金元素溶入渗碳体中后可增加Fe和C的亲和力，提高渗碳体的稳定性。合金元素还能阻止奥氏体晶粒的长大，以获得细晶组织。特殊碳化物的结构稳定，合金元素与碳之间有很强的亲和力。其特点是高熔点、高硬度，稳定性好，加热时不易聚集长大，并能阻止奥氏体晶粒长大。（2）合金元素对Fe-C状态图的影响合金元素的加入对铁碳合金状态图的相区、相变温度、共析成分等都有影响。影响奥氏体区域，可将合金元素分为2大类：①凡能扩大A区的合金元素可使N点上升，E、S点向左移，G点、A1线下降。主要有Mn、Ni、Co、C、N、Cu等元素。当钢中这类合金元素含量达到一定程度时，在室温下可获得稳定的奥氏体组织，称为奥氏体钢。②凡能缩小并封闭A区的合金元素可使N点降低，E、S点向右移，G点、A1线升高主要有Cr、Si、V、Mo、W、Ti、Al等元素。当钢中这类合金元素含量达到一定程度时，在室温下可获得单相铁素体组织，称为铁素体钢。由于在高合金钢中可得到奥氏体钢和铁素体钢，而使钢具