第3章 金属材料 金属材料是最重要的工程材料，工业上将金属及其合金分为两大类： 黑色金属--铁和以铁为基的合金（钢、铸铁和铁合金）; 有色金属--包括黑色金属以外的所有金属及其合金。 金属材料中95%为钢铁，钢铁的工程性能比较优越，价格便宜，是应用最多的工程金属材料。国家标准GB/T 13304-1991中规定按化学成分分类，钢分为非合金钢、低合金钢、合金钢三大类。按习惯钢可分为碳素钢(简称碳钢)和合金钢两大类。 3.1 碳 钢 在工业上使用的钢铁材料中，碳钢占有重要的地位。铁碳合金中，碳质量分数大于0.02%、小于及等于2.11%的合金称为钢，常用碳钢的碳质量分数一般都小于1.3%，其强度和韧性均较好。与合金钢相比，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，故应用十分广泛。 3.1.1 碳钢的成分和分类1. 碳钢的成分 实际使用的碳钢，除Fe、C两个主要元素之外，还含有少量Mn、Si、S、P、H、O、N等非特意加入的杂质元素。它们对钢材性能和质量影响很大，必须严格控制在牌号规定的范围之内。 2. 碳钢的分类 碳钢主要有下列几种分类方法： (1) 按钢的碳质量分数分类 低碳钢--w(C)≤0.25% 中碳钢--0.25%＜w(C)≤0.6% 高碳钢--w(C)＞0.6% (2) 按钢的质量分类 普通碳素钢--w(S)≤0.040%; w(P)≤0.040% 优质碳素钢--w(S)≤0.035%; w(P)≤0.035% 高级优质碳素钢--w(S)≤0.030%; w(P)≤0.030% (3) 按钢的用途分类 碳素结构钢--用于制造各种工程构件(如桥梁、船舶、建筑构件等) 和机器零件(如齿轮、轴、连杆等) 碳素工具钢--用于制造各种工具(如刃具、量具、模具等) (4) 按钢的冶炼方法分类 平炉钢(用平炉冶炼) 转炉钢(用转炉冶炼)碱性转炉钢--冶炼时造碱性熔渣 酸性转炉钢--冶炼时造酸性熔渣 顶吹转炉钢--冶炼时吹氧 3.1.2 碳钢的牌号及用途1. 碳素结构钢 根据国家标准（GB 700-2006) ，碳素结构钢的牌号和化学成分如表3-1A所示。这类钢主要保证机械性能，故其牌号体现其机械性能。符号用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275MPa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、磷质量分数不同。其中A级钢中硫、磷含量最高，D级钢中硫、磷含量最低。若在牌号后面还标注字母“F" 、 "Z" 、 "TZ”等，则表示钢在冶炼时采用的脱氧方法，反映了钢的脱氧程度。例如Q235A·F表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。表3-1B列出了碳素结构钢的力学性能。表3-1A 碳素结构钢的牌号和化学成分(摘自GB/T 700-2006)牌 号统一数字 代号①等 级厚度(或直径) /mm脱氧方法化学成分(质量分数)/%，不大于CSiMnPSQ195U11952②--F、Z0.120.300.500.0350.040Q215U12152AU12155B-F、Z0.150.351.200.0450.0500.045Q235U12352AU12355BU12358CU12359D-F、Z0.220.20ZTZ0.170.351.400.0450.0500.0450.0400.0400.0350.035Q275U12752A-F、Z0.24U12755B≤40>40Z0.210.22U12758CU12759D-ZTZ0.200.351.500.0450.0500.0450.0450.0400.0400.0350.035 ① 钢铁牌号统一数字代号体系见附录4. ② 表中为镇静钢、特殊镇静钢牌号的统一数字，沸腾钢牌号的统一数字代号如下: Q195F--U11950; Q215AF--U12150, Q215BF--U12153; Q235AF--U12350, Q235BF--U12353; Q275AF--U12750. 表3-1B 碳素结构钢的力学性能(摘自GB/T 700-2006)牌 号等 级屈服强度ReH/(N/mm2)，不小于厚度(或直径)/mm≤16>16 ~40>40 ~60>60 ~100>100 ~150＞150 ~200抗拉强度 Rm/ (N/mm2)断后伸长率A/%，不小于厚度(或直径)/mm≤40>40 ~60>60 ~100>100 ~150＞150 ~200冲击试验(V型缺口)温度 /℃冲击吸收能量 (纵向)/J, 不小于Q195-195185----315~43033------Q215AB215205195185175165335~4503130292726--+2027Q235ABCD235225215215195185370~5002625242221--+200-2027Q275ABCD275265255245225215410~5402221201817--+200-2027 碳素结构钢的用途： Q195、Q215、Q235A、Q235B等钢塑性较好，有一定的强度。通常轧制成钢筋、钢板、钢管等，可用于桥梁、建筑物等构件，也可用作普通螺钉、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、钢板作构件用。 这类钢主要保证机械性能。一般情况下，在热轧状态使用，不再进行热处理。但对某些零件，也可以进行正火、调质、渗碳等处理，以提高其使用性能。 2. 优质碳素结构钢 优质碳素结构钢的钢号用平均碳质量分数的万分数的数字表示，例如，钢号“20”即表示碳质量分数为0.20%（万分之二十）的优质碳素结构钢。 若钢中锰的质量分数较高，则在钢号后加“Mn" ，如15Mn、45Mn等。 高级优质钢，特级优质钢分别以A、E表示，优质钢不用字母表示。 保证淬透性用钢用H表示。 如45AH表示碳质量分数为0.45%的保证淬透性的高级优质碳素结构钢。 优质碳素结构钢的化学成分见表3-2A，力学性能见表3-2B. 优质碳素结构钢的工程应用： 制造各种机器零件。 08F塑性好，可制造冷冲压零件。 10、20钢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。 35、40、45、50钢经热处理后，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。 60、65钢主要用来制造弹簧。 优质碳素结构钢使用前一般都要经过热处理。表3-2A 部分优质碳素结构钢的化学成分（摘自GB/T 699-1999) 牌 号统一 数字 代号化学成分/%CSiMnCrNiCu不大于08FU200800.05~0.1110FU201000.07~0.1315FU201500.12~0.1808U200820.05~0.1110U201020.07~0.1315U201520.12~0.1820U202020.17~0.2325U202520.22~0.2930U203020.27~0.3435U203520.32~0.3940U204020.37~0.4445U204520.42~0.5050U205020.47~0.5555U205520.52~0.6060U206020.57~0.6565U206520.62~0.7070U207020.67~0.7575U207520.72~0.8080U208020.77~0.8585U208520.82~0.9015MnU211520.12~0.1820MnU212020.17~0.2345MnU214520.42~0.5065MnU216520.62~0.70≤0.03≤0.07≤0.070.17~0.370.25~0.500.35~0.650.50~0.800.70~1.000.90~1.200.100.150.250.100.150.250.300.25表3-2B 部分优质碳素结构钢的热处理和力学性能(摘自GB/T 699-1999)牌号试样 毛坯 尺寸 /mm推荐热处理/℃力学性能正火淬火回火σb/ MPaσs/ MPaδ5/ %ψ/%AKU2/ J不小于钢材交货状态硬度 HBS 10/3000, 不大于未热处理钢退火钢08F25930--2951753560-131-10F25930--3151853355-137-15F25920--3552052955-143-0825930--3251953360-131-1025930--3352053155-137-1525920--3752252755-143-2025910--4102452555-156-2525900870600450275235071170-3025880860600490295215063179-续表 牌号试样 毛坯 尺寸/ mm推荐热处理/℃力学性能正火淬火回火σb/ MPaσs/ MPaδ5/ %ψ/%AKU2/ J不小于钢材交货状态硬度 HBS 10/3000, 不大于未热处理钢退火钢3525870850600530315204555197-40258608406005703351945472171874525850840600600355164039229197502583083060063037514403124120755258208206006453801335-2552176025810--6754001235-2552296525810--6954101030-2552297025790--715420930-26922975试样-8204801080880730-28524180试样-8204801080930630-28524185试样-8204801130980630-30225515Mn25920--4102452655-163-20Mn25910--4502752450-197-45Mn2585084060062037515403924121765Mn25830--735430930-285229 注: 1. 对于直径或厚度小于25mm的钢材，热处理是在与成品截面尺寸相同的试样毛坯上进行。 2. 表中所列正火推荐保温时间不少于30min，空冷；淬火推荐保温时间不少于30min, 75、80和85钢油冷，其余钢水冷；回火推荐保温时间不少于1h. 实例1: 20钢制造自行车链条销钉。热轧材料机加工后进行920℃渗碳，水淬后180℃回火。表面硬度达60HRC，耐磨。 实例2: 45钢制造凸轮轴。热轧棒料模锻后进行正火，粗加工后调质处理，精加工后轴颈和凸轮进行表面淬火、低温回火。凸轮轴心部为回火索氏体，强韧性好。表面为回火马氏体，硬度为58HRC，耐磨性高。 实例3: 65钢制造弹簧。机加工成形后840℃加热淬火、500℃回火。组织为回火屈氏体，σs达800MPa，弹性好。 3. 碳素工具钢 碳素工具钢的碳质量分数在0.65%～1.35%之间，钢号用平均碳质量分数的千分数的数字表示，数字之前冠以“T" (“碳”的汉语拼音字头）。例如，T9表示碳质量分数为0.9%（即千分之九）的碳素工具钢。 碳素工具钢均为优质钢，若含硫、磷更低，为高级优质钢，则在钢号后面标注A字。例如，T12A表示碳质量分数为1.2%的高级优质碳素工具钢。 碳素工具钢的牌号、化学成分、硬度见表3-3。碳素工具钢使用前都要进行热处理。预备热处理一般为球化退火，其目的是降低硬度(≤217HB)，便于切削加工，并为淬火做组织准备。最终热处理为淬火加低温回火。使用状态下的组织为回火马氏体加颗粒状碳化物及少量残余奥氏体，硬度可达60～65HRC. 表3-3 碳素工具钢的牌号、化学成分和性能(摘自GB/T 1298-2008)牌 号化学成分(质量分数)/%交货状态试 样 淬 火CMn其他退火退火后冷拉布氏硬度/HBW，不大于淬火温度 和冷却剂洛氏硬 度/HRC 不小于T70.65~0.74T80.75~0.84T8Mn0.80~0.90T90.85~0.94T100.95~1.04T111.05~1.14T121.15~1.24T131.25~1.35≤0.400.40~0.60≤0.40Si≤0.35 P≤0.035 S≤0.030187192197207217241800~820℃，水780~800℃，水760~780℃，水62 注: 高级优质钢在牌号后加“A" , w(P)≤0.030%, w(S)≤0.020%. 碳素工具钢成本低、耐磨性和加工性较好，但热硬性差(切削温度低于200℃)、淬透性低，只适于制作尺寸不大、形状简单的低速刃具。 碳素工具钢的工程应用： 制造各种刃具、量具、模具等。 T7、T8硬度高、韧性较高，可制造冲头、凿子、锤子等工具。 T9、T10、T11硬度高，韧性适中，可制造钻头、刨刀、丝锥、手锯条等刃具及冷作模具等。 T12、T13硬度高，韧性较低，可制造锉刀、刮刀等刃具及量规、样套等量具。 碳素工具钢使用前都要进行热处理。 实例1: T11钢制造刨刀。T11钢正火、球化退火后加工成形为刨刀，760℃加热淬火后180℃回火，最后进行磨削加工。组织为回火马氏体+粒状二次渗碳体+残余奥氏体，硬度高达60HRC，耐磨。 实例2: T10钢制造冷冲模具。T10钢锻造后进行正火，球化退火后机加工，淬火、低温回火，最后进行磨削、抛光。硬度高，耐磨。 3.2 合 金 钢3.2.1 概述1. 合金钢的分类 合金钢的分类方法很多。例如按合金元素质量分数多少，可分为低合金钢（合金元素总质量分数低于5%) 、中合金钢（合金元素总质量分数为5%～10%）和高合金钢（合金元素总质量分数高于10%) 。按所含的主要合金元素，可分为铬钢、铬镍钢、锰钢、硅锰钢等。按小试样正火或铸造状态的组织，可分为珠光体钢、马氏体钢、铁素体钢、奥氏体钢和莱氏体钢等。我国常采用按用途来分类，可分为结构钢、工具钢和特殊性能钢三大类。 2. 合金钢的编号 世界各国合金钢的编号方法不一样，附录5给出了各国常用钢号的对照表。 钢的牌号应反映其主要成分和用途。我国合金钢是按碳质量分数、合金元素的种类和质量分数以及质量级别来编号的，十分简单明了。 在牌号首部用数字标明碳质量分数。为了标明用途，规定结构钢以万分之一为单位的数字（两位数）、工具钢和特殊性能钢以千分之一为单位的数字（一位数）来表示碳质量分数，而工具钢的碳质量分数超过1%时，碳质量分数不标出。用元素的化学符号表明钢中主要合金元素，质量分数由其后面的数字标明，平均质量分数少于1.5%时不标数,平均质量分数为1.5%～2.49%、2.5%～3.49%、…时,相应地标以2、3、…，如40Cr为结构钢，平均碳质量分数为0.40%，主要合金元素Cr的质量分数在1.5%以下。5CrMnMo为工具钢,平均碳质量分数为0.5%,主要合金元素Cr、Mn、Mo的质量分数均在1.5%以下。CrWMn钢也是工具钢，平均碳质量分数大于1.0%，含有Cr、Mo、W，其质量分数均低于1.5%. 专用钢用其用途的汉语拼音字首来标明。例如，滚珠轴承钢在钢号前标以“G" . GCr15表示碳质量分数约1.0%、铬质量分数约1.5%(这是一个特例，铬质量分数以千分之一为单位的数字表示)的滚珠轴承钢。Y40Mn表示碳质量分数为0.4%、锰质量分数少于1.5%的易切削钢。 对于高级优质钢，则在钢的末尾加“A”表明，例如20Cr2Ni4A等。 少数特殊用途钢的编号方法有例外，例如属于特殊性能钢的耐热钢12Cr1MoV，其编号方法就与结构钢相同，但这种情况极少。 3.2.2 合金结构钢 合金结构钢用于制造重要工程结构和机器零件，是合金钢中用途最广、用量最大的一类钢。 1. 低合金高强度结构钢 (1) 用途 主要用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。用它来代替碳素结构钢，可大大减轻结构质量，节省钢材，保证使用可靠、耐久。 (2) 性能要求 ① 高强度 一般低合金高强度结构钢的屈服强度在300MPa以上，强度高才能减轻结构自重，节约钢材，降低费用。因此，在保证塑性和韧性的条件下，应尽量提高其强度。 ② 高韧性 为了避免发生脆断，同时使冷弯、焊接等工艺容易进行，要求伸长率为15%～20%，室温冲击韧度为600～800kJ/m2。对于大型焊接构件，因不可避免地存在各种缺陷（如焊接冷、热裂纹），还要求有较高的断裂韧性。 ③ 良好的冷成形性能和焊接性能 大型结构大都采用焊接制造，焊前往往要冷成形，而焊后又很难进行热处理，因此要求这类钢具有很好的冷成形性能和焊接性能。 ④ 低的冷脆转变温度 许多构件在低温下工作。为了避免低温脆断，低合金高强度结构钢应具有较低的韧-脆转变温度（即良好的低温韧性），以保证构件在较低的使用温度下，仍处在韧性状态。 ⑤ 良好的耐蚀性 许多构件在潮湿大气或海洋性气候条件下工作，而且用低合金高强度结构钢制造的构件的壁厚比碳钢构件小，所以要求有良好的抗大气、海水或土壤腐蚀的能力。 (3) 成分特点 ① 低碳 由于韧性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳质量分数一般不超过0.20%. ② 加入以锰为主的合金元素 我国的低合金高强度结构钢基本上不用贵重的Ni、Cr等元素，而以资源丰富的Mn为主要合金元素。锰除了产生较强的固溶强化效果外，因它大大降低奥氏体分解温度，细化了铁素体晶粒，并使珠光体片变细，消除了晶界上粗大的片状碳化物，提高了钢的强度和韧性。锰还使共析点的碳质量分数降低，从而与相同碳质量分数的碳钢相比，增加了珠光体的含量，提高了钢的强度。 ③ 加入铌、钛或钒等辅加元素 少量的铌、钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮化物，阻碍钢热轧时奥氏体晶粒的长大，有利于获得细小的铁素体晶粒；另外，热轧时部分固溶在奥氏体内，而冷却时弥散析出，可起到一定的强化作用，从而提高钢的强度和韧性。 此外，加入少量铜\和磷\，可提高抗腐蚀性能。加入少量稀土元素，可以脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能。 (4) 常用钢种 常用低合金高强度结构钢的牌号、化学成分、力学性能及用途见表3-4A、 表3-4B. 较低强度级别的钢中，以Q345 (16Mn）最具代表性。该钢使用状态的组织为细晶粒的铁素体＋珠光体，强度比普通碳素结构钢Q235高约20%～30%，耐大气腐蚀性能高20%～38%. 用它制造工程结构，重量可减轻20%～30%。低温性能较好。 Q420 (15MnVN）是中等级别强度钢中使用最多的钢种。钢中加入V、N后，生成钒的氮化物，可细化晶粒，又有析出强化的作用，强度有较大提高，而且韧性、焊接性及低温韧性也较好，广泛用于制造桥梁、锅炉、船舶等大型结构。 强度级别超过500MPa后，铁素体＋珠光体组织难以满足要求，发展了低碳贝氏体钢。加入Cr、Mo、Mn、B等元素，可阻碍奥氏体转变，使C曲线的珠光体转变区右移，而贝氏体转变区变化不大，有利于空冷条件下得到贝氏体组织，从而获得更高的强度，塑性，焊接性能也较好，多用于高压锅炉、高压容器等。 (5) 热处理特点 这类钢一般在热轧空冷状态下使用，不需要进行专门的热处理。在有特殊需要时，如为了改善焊接区性能，可进行一次正火处理。使用状态下的显微组织一般为铁素体＋细珠光体（索氏体）. 实例1: 1957年建成的武汉长江大桥使用碳素结构钢Q235 (A3）钢制造。我国自行设计和建造的南京长江大桥(1968年建成)用强度较高的合金结构钢Q345(16Mn)钢制造。1991年建成的九江长江大桥则用强度更高的合金结构钢Q420(15MnVN)钢制造。