第二章 钢铁材料

2.1 钢

2.1.1 非合金钢

2.1.1.1 非合金钢的定义

• 碳的质量分数 < 2.11%
• 不含特意添加的合金元素

2.1.1.2 非合金钢的分类

• 按碳的质量分数分
  • 低碳钢：Wc ≤ 0.25%
  • 中碳钢：Wc = 0.25% ~ 0.60%
  • 高碳钢：Wc ≥ 0.6%
• 按主要质量等级分
  • 普通质量非合金钢
    • Ws ≤ 0.050%，Wp ≤ 0.045%
    • 生产过程中不规定特别质量要求
  • 优质非合金钢
    • Ws ≤ 0.035%，Wp ≤ 0.035%
    • 生产过程有质量要求，主要用于机械结构件
  • 特殊质量非合金钢
    • Ws ≤ 0.025%，Wp ≤ 0.025%
    • 生产过程中严格控制质量与性能
• 按用途分
  • 碳素结构钢：用于制造机械零件和金属结构
  • 非合金工具钢（碳素工具钢）：用于制造刀具、量具、模具
  • 铸造碳钢：用于形状复杂、强度要求较高的铸件
• 其他分类方式
  • 按专业用途：锅炉用钢、矿用钢、钢轨钢、压力容器用钢等
  • 按脱氧方法：沸腾钢、镇静钢、特殊镇静钢

2.1.1.3 非合金钢牌号表示方法

• 碳素结构钢（普通质量）
  • 牌号格式：Q + 屈服强度值 + 质量等级 + 脱氧方法
  • 示例：Q235AF
    • Q：表示屈服强度
    • 235：屈服强度为 235 MPa
    • A：质量等级（A、B、C、D，D 级最优）
    • F：脱氧方法为沸腾钢（Z 为镇静钢，TZ 为特殊镇静钢，Z、TZ 可省略）
  • 常见牌号：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275
  • 应用：桥梁、高压线塔、房屋框架、螺栓、螺母、垫片、铆钉、链轮、模具拉杆、安全销
• 优质碳素结构钢（优质非合金钢）
  • 牌号格式：两位数字表示平均碳的质量分数（万分之几）
  • 示例：08F（平均 Wc = 0.08%，F 为沸腾钢），45（平均 Wc = 0.45%）
  • 常见牌号：低碳钢（08F、20）、中碳钢（45）、高碳钢（60、70、80）
  • 应用：机械零件，可进行热处理提高性能
• 非合金工具钢（碳素工具钢）
  • 牌号格式：T + 数字（数字表示碳的质量分数千分之几）
  • 示例：T7（平均 Wc = 0.7%），T10A（平均 Wc = 1.0%，A 为高级优质钢）
  • 常见牌号：T7、T8、T9、T10、T12、T13
  • 应用：刀具、量具、模具
• 铸造碳钢
  • 牌号格式：ZG + 屈服强度值 - 抗拉强度值
  • 示例：ZG200-400（屈服强度 ≥ 200 MPa），ZG340-640（屈服强度 ≥ 340 MPa）
  • 应用：大型齿轮、飞轮、火车车轮、车钩、电动机机座、截止阀阀体、变速箱壳体
• 易切削钢
  • 特点：加入 S、Pb、Sn、Ca 等元素，提高切削性能
  • 牌号：Y12、Y20、Y35、Y40Mn 等

2.1.1.4 元素对非合金钢的影响

• 有益元素：Si、Mn → 提高强度、硬度
• 有害元素：
  • S → 引起“热脆性”
  • P → 引起“冷脆性”
• 硫、磷含量是划分非合金钢质量等级的重要依据

2.1.1.5 非合金钢的性能与用途总结

• 碳素结构钢
  • 典型牌号：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275
  • 碳含量：低碳（Wc ≤ 0.25%）
  • 性能特点：强度中等，塑性、韧性好，焊接性能优良，价格低廉。
  • 主要用途：建筑结构（桥梁、房屋框架、钢结构厂房）；工程结构（高压线塔、护栏、广告牌支架）；普通机械零件（螺栓、螺母、铆钉、轴套、垫片）；轻型结构件（支架、拉杆、连接件）。
• 优质碳素结构钢
  • 典型牌号：08F、15、20、45、60、70、80、85
  • 碳含量：低碳至中高碳（0.08%～0.85%）
  • 性能特点：
    • 低碳钢 (08F、15、20)：塑性好，焊接性好，强度较低，易于冷加工。
    • 中碳钢 (如45钢)：综合力学性能良好，可通过热处理（调质）强化，具有良好的切削加工性。
    • 高碳钢 (60、70、80、85)：强度、硬度高，塑韧性较低，耐磨性和弹性好。
  • 主要用途：
    • 低碳钢：冷冲压件（汽车外壳、电器壳体）、容器（储罐、管道）、焊接件（焊接结构件）。
    • 中碳钢：轴类零件（传动轴、主轴）、齿轮（变速箱齿轮、传动齿轮）、连杆（发动机连杆、机械连杆）、机床零件（导轨、滑块）。
    • 高碳钢：弹簧（螺旋弹簧、板簧）、高强度结构件（高强度螺栓、销轴）、工具坯料（工具手柄、连接件）。
• 非合金工具钢（碳素工具钢）
  • 典型牌号：T7、T8A、T9、T10A、T12、T13
  • 碳含量：高碳（Wc ≥ 0.7%）
  • 性能特点：高硬度（淬火后达62～65HRC），耐磨性好，热硬性差（>200℃硬度下降），淬透性低。
  • 主要用途：
    • 手工工具：锤子、凿子、冲头、锉刀、锯条、刨刀、扳手、钳子。
    • 刀具：低速切削刀具（车刀、刨刀、钻头）、木工工具（木工锯、木工刨刀）、农用工具（镰刀、锄头）。
    • 量具：卡规、样板、量规、塞规、环规。
    • 模具：小型冲头、凹模、小型拉伸模、简单压铸模。
• 铸造碳钢
  • 典型牌号：ZG200-400、ZG230-450、ZG270-500、ZG310-570、ZG340-640
  • 碳含量：中低碳（约0.2%～0.6%）
  • 性能特点：
    • 低碳铸造钢 (ZG200-400)：塑性、韧性较好，强度较低，焊接性能好。
    • 中高碳铸造钢 (ZG340-640)：强度、硬度较高，耐磨性好，铸造性能较差。
  • 主要用途：
    • 重型机械零件：大型齿轮（矿山机械、重型机床）、大型飞轮（发动机、冲床）、机架结构（机床床身、压力机机架）。
    • 工程设备：铁路设备（火车车轮、车钩）、建筑机械（挖掘机斗齿、履带板）、起重设备（吊钩、滑轮）。
    • 设备基础件：动力设备（电机机座）、传动系统（变速箱壳体、减速器箱体）、流体设备（截止阀阀体、泵壳）。
• 易切削钢
  • 典型牌号：Y12、Y20、Y30、Y35、Y40Mn、Y45Ca
  • 碳含量：中低碳（约0.12%～0.45%）
  • 性能特点：切削加工性能优异（切削力小，排屑顺畅，刀具寿命长，表面质量好），力学性能略低。
  • 主要用途：
    • 自动机床加工零件：螺丝、螺母、垫圈、轴销、套筒、衬套。
    • 办公设备零件：复印机/打印机齿轮、轴套、导轨。
    • 家用电器零件：钟表齿轮、轴、小五金件（锁芯、铰链）、电子产品连接器。

非合金钢：又称碳素钢，是钢铁材料中最基本、用量最大的一类。

2.1.2 低合金钢与合金钢

2.1.2.1 定义

• 低合金钢：合金元素总量 ≤ 5%，强调高强度、高韧性、良好焊接性。
• 合金钢：合金元素总量 > 5%，赋予特殊性能或显著改善综合性能。

2.1.2.2 常用合金元素及其作用

• 硅 (Si)：提高弹性极限、耐热性，脱氧剂。
• 锰 (Mn)：提高强度、韧性、淬透性，脱硫剂。
• 铬 (Cr)：提高耐蚀性、抗氧化性、淬透性。
• 镍 (Ni)：提高韧性、耐蚀性，稳定奥氏体。
• 钼 (Mo)：提高热强性、淬透性，防止回火脆性。
• 钨 (W)：提高红硬性、耐磨性。
• 钒 (V)：细化晶粒，提高强度、韧性。
• 钛 (Ti)、铌 (Nb)：细化晶粒，防止晶间腐蚀。
• 硼 (B)：显著提高淬透性。

2.1.2.3 低合金钢主要类型

• 低合金高强度结构钢
  • 核心特点：低碳(wc<0.2%) + 少量Mn为主合金化。
  • 牌号体系：Q + 屈服强度值 + 质量等级。质量等级：A→B→C→D→E→F 依次提高。
  • 典型牌号：Q355（桥梁、建筑通用）、Q460（鸟巢、大型场馆）、Q690D（重型工程机械）。
  • 主要用途：大型工程结构、压力容器、车辆、船舶。
• 低合金耐候钢
  • 技术原理：Cu、Cr、P等元素促进致密氧化膜形成。
  • 牌号标记：数字后加 NH（耐候）或 GNH（高耐候）。
  • 典型牌号：Q355NH（电力铁塔）、Q295GNHL（集装箱、铁道车辆）。
  • 应用优势：免涂装或减少维护，延长使用寿命。
• 低合金专业用钢
  • 汽车大梁钢：09MnREL、16MnL（轻量化、高承载）。
  • 钢筋用钢：20MnSi、20MnSiV（Ⅲ级螺纹钢主力）。
  • 铁道用钢：重轨(U71Mn、U75V)、轻轨(55Q、45SiMnP)。

2.1.2.4 合金钢主要类型

• 机械结构用合金钢
  • 合金渗碳钢
    • 成分：低碳(0.1-0.25%C) + Ni、Cr、Mn提高淬透性。
    • 热处理：渗碳 + 淬火 + 低温回火。
    • 组织：表面高碳马氏体（高硬度），心部低碳马氏体/贝氏体（高韧性）。
    • 典型牌号：20Cr（一般渗碳件）、20CrMnTi（汽车齿轮主力）、20CrMnMo（重型齿轮）。
  • 合金调质钢
    • 成分：中碳(0.3-0.5%C) + Cr、Mn、Ni、B提高淬透性。
    • 热处理：淬火 + 高温回火（500-650℃）。
    • 性能：强韧性最佳配合（回火索氏体组织）。
    • 典型牌号：40Cr（应用最广）、40MnB（替代40Cr）、35CrMo（重要调质件）。
  • 合金弹簧钢
    • 成分：高碳(0.5-0.7%C) + Si、Mn提高弹性极限。
    • 热处理：淬火 + 中温回火（350-500℃）。
    • 典型牌号：55Si2Mn（汽车板簧主力）、60Si2Mn（重型车辆板簧）、50CrVA（高级弹簧）。
  • 超高强度钢：强度等级σb≥1500MPa，用于航空起落架、火箭壳体。
• 高碳铬轴承钢
  • 性能要求：高硬度、高耐磨性、高接触疲劳强度、尺寸稳定性好。
  • 典型牌号：GCr15（中小型轴承，占80%以上）、GCr15SiMn（大型轴承）。
  • 热处理：球化退火 + 淬火 + 低温回火。
• 合金工具钢与高速钢
  • 合金工具钢：量具刃具钢(9SiCr)、冷作模具钢(Cr12MoV)、热作模具钢(5CrNiMo)、塑料模具钢(3Cr2Mo)。
  • 高速工具钢：核心特性为红硬性（600℃保持高硬度）。
  • 典型牌号：W18Cr4V（通用刀具）、W6Mo5Cr4V2（复杂刀具）。
• 不锈钢与耐热钢
  • 不锈钢：
    • 铬不锈钢 (马氏体/铁素体)：12Cr13（餐具、刃具）、68Cr17（刀具、轴承）。
    • 铬镍不锈钢 (奥氏体)：06Cr19Ni10(304)（厨具、建筑装饰）、022Cr17Ni12Mo2(316L)（化工设备）。
  • 耐热钢：
    • 抗氧化钢：26Cr18Mn12Si2N（炉用构件）。
    • 热强钢：15CrMo、12Cr1MoV（锅炉管道、汽轮机叶片）。
• 铸造合金钢
  • 高锰钢 (ZGMn13)：抗冲击磨损，用于破碎机颚板、铁路道岔。使用时表面加工硬化，内部保持韧性。

2.1.2.5 牌号表示方法体系 (GB/T标准)

• 低合金高强度结构钢：Q + 上屈服强度值 + 质量等级。例：Q355NH、Q460C。
• 合金结构钢：两位数字(wc万分之几) + 合金元素 + 数字(含量%)。含量<1.5%不标。例：20MnVB、40Cr、37SiMn2MoV。
• 合金工具钢：碳含量(<1%标千分数) + 合金元素符号及含量。例：9Mn2V、5CrNiMo。
• 高速工具钢：合金元素符号及含量，不标碳含量。例：W18Cr4V。
• 轴承钢：G + Cr含量(千分之几) + 其他元素。例：GCr15、GCr15SiMn。
• 不锈钢与耐热钢：碳含量精确标注，wc≤0.03%标三位小数。例：06Cr19Ni10、12Cr13。

2.2 铸铁

2.2.1 铸铁基础概念

• 定义与组成
  • 碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金。
  • 工业成分：wc = 2.5%～4.0%。
  • 石墨形态决定铸铁类别。
• 主要性能特点
  • 优点：优良的铸造性能、切削加工性、减振性、耐磨性、低的缺口敏感性、较高的抗压强度、成本低廉。
  • 缺点：塑性、韧性差，抗拉强度较低，焊接性能差。

2.2.2 分类

• 灰铸铁 (片状石墨)
  • 基本特征：石墨形态为片状，断口暗灰色。
  • 性能：抗拉强度、塑性、韧性低，抗压强度接近钢；优良铸造性、切削性、减振性。
  • 牌号格式：HT + 数字。数字表示最低抗拉强度(MPa)。例：HT150、HT250。
• 可锻铸铁 (团絮状石墨)
  • 基本特征：白口铸铁经长时间退火处理，石墨呈团絮状。
  • 性能：强度和塑性韧性优于灰铸铁。
  • 牌号格式：KT□ + 数字 - 数字。□为 H(黑心) 或 Z(珠光体)。例：KTH300-06、KTZ550-04。
• 球墨铸铁 (球状石墨)
  • 基本特征：浇注前加球化剂处理，石墨呈球状。
  • 性能：综合性能最好，接近铸钢。
  • 牌号格式：QT + 数字 - 数字。例：QT400-15、QT600-3、QT900-2。
• 蠕墨铸铁 (蠕虫状石墨)
  • 基本特征：石墨呈蠕虫状，性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。
  • 牌号格式：RuT + 数字。例：RuT300、RuT450。
• 特殊铸铁：白口铸铁
  • 基本特征：无石墨，碳全部以渗碳体存在。
  • 性能：硬度极高，脆性极大，难以加工。工业中很少直接使用。

2.2.3 铸铁的牌号与应用

• 灰铸铁

  • 典型牌号：HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350
  • 应用：机床床身、机架、箱体、汽车发动机缸体、气缸盖、飞轮、制动盘、管道、管件、阀门、泵体、压缩机缸体

• 可锻铸铁

  • 典型牌号：
    • 黑心可锻铸铁：KTH300-06、KTH330-08、KTH350-10
    • 珠光体可锻铸铁：KTZ450-06、KTZ550-04、KTZ650-02
  • 应用：汽车后桥壳、转向节臂、轮壳、前后轮毂、减速器壳、拖拉机离合器壳、制动器支架、低压阀门、管件、纺织机械零件

• 球墨铸铁

  • 典型牌号：QT400-15、QT450-10、QT500-7、QT600-3、QT700-2、QT800-2、QT900-2
  • 应用：汽车发动机曲轴、凸轮轴、连杆、变速箱齿轮、后桥半轴、底盘零件、大型齿轮、轧钢机机架、矿山机械零件、高压阀门、泵体、压缩机缸体

• 蠕墨铸铁

  • 典型牌号：RuT420、RuT380、RuT340、RuT300、RuT260
  • 应用：汽车发动机缸盖、气缸体、制动盘、排气管、玻璃模具、钢锭模、金属型、轧钢机轧辊、造纸机压辊、高压阀门、泵体

2.3 钢铁材料的性能与用途总结

钢的性能与用途总结

• 低碳钢（Wc ≤ 0.25%）

  • 性能：强度低、塑性好、焊接性好、冷加工性能好
  • 用途：制造要求塑性好、焊接性好的零件，如钢板、钢管、容器、机械零件中的铆钉、螺栓、螺母、垫片

• 中碳钢（Wc = 0.25% ~ 0.60%）

  • 性能：强度较高、塑性较好、韧性中等、切削加工性能好
  • 用途：制造要求强度、塑性、韧性综合性能好的零件，如轴、齿轮、连杆、曲轴、销子、丝杠

• 高碳钢（Wc ≥ 0.6%）

  • 性能：强度高、硬度高、塑性差、韧性差、切削加工性能差
  • 用途：制造要求高硬度、高耐磨性的零件，如刀具、量具、模具、弹簧、钢丝绳

铸铁的性能与用途总结

• 灰铸铁

  • 性能：抗压强度高、抗拉强度低、塑性差、韧性差、切削加工性能好、铸造性能好、减振性能好
  • 用途：制造承受压力的零件，如机床床身、机架、箱体、汽车发动机缸体

• 可锻铸铁

  • 性能：强度较高、塑性较好、韧性较好、切削加工性能好、焊接性能较差
  • 用途：制造承受冲击载荷的零件，如汽车后桥壳、转向节臂

• 球墨铸铁

  • 性能：强度高、塑性好、韧性好、切削加工性能好、焊接性能较差
  • 用途：制造要求强度、塑性、韧性综合性能好的零件，如汽车发动机曲轴、凸轮轴

• 蠕墨铸铁

  • 性能：强度较高、塑性较差、韧性较差、导热性好、耐热疲劳性能好
  • 用途：制造要求导热性好、耐热疲劳性能好的零件，如汽车发动机缸盖、气缸体