【正文】 山 東 勝 利 職 業(yè) 學(xué) 院 機 械 基 礎(chǔ) 張立勇 第五節(jié) 黑色金屬材料 黑色金屬材料 :是指鐵碳合金材料，即鋼和鑄鐵。 鋼是指含碳量小于 %的鐵碳合金，按其化學(xué)成分和性能不同，可分為碳素鋼和合金鋼兩大類； 鑄鐵是指含碳量大于 %的鐵碳合金，按其碳在生鐵中存在的形態(tài)不同，鑄鐵可分為白口鑄鐵、灰口鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵等。 一、碳素鋼 碳素鋼（簡稱碳鋼）除了鐵和碳外，還含有少量的硫、磷、錳、硅等雜質(zhì) . 雜質(zhì)元素對碳鋼性能的影響 ⑴硫 硫是煉鋼時由原料進入鋼中的，它是一種有害元素，必須嚴(yán)格控制。因為它能與鐵形成共晶體（ FeS— Fe），熔點 985℃ 。當(dāng)把鋼加熱至 1000～ 1200℃ 進行熱加工時，由于該共晶體已經(jīng)熔化，結(jié)果導(dǎo)致鋼在熱狀態(tài)下脆斷，這一現(xiàn)象稱為熱脆性。 ⑵ 磷 磷也是煉鋼時由原料進入鋼中的，它是一種有害元素，能使鋼的塑性和韌性急劇降低，特別在低溫下尤為嚴(yán)重，這一現(xiàn)象稱為冷脆。 ⑶錳 錳是煉鋼時加脫氧劑帶入鋼中的，它是一種有益元素，可提高鋼的強度和硬度；與硫化合形成 MnS，減輕鋼中硫的有害作用。但錳在碳鋼中含量較少，對鋼的性能影響不大。 ⑷硅 硅也是在煉鋼時加脫氧劑帶入鋼中的，它也是一種有益元素，能使鋼的強度、硬度提高。但由于碳鋼中含硅量一般小于 %，對鋼的性能影響不明顯。 碳素鋼的分類、牌號及主要用途 ⑴按鋼的含碳量分： 1）低碳鋼：含碳量 ≤ %的鋼。具有良好的塑性和韌性，但強度、硬度較低。主要用于制造金屬結(jié)構(gòu)及一般的機械零件。 2）中碳鋼：含碳量為 ～ %的鋼。具有一定的強度和塑性、韌性，主要用于制造要求良好綜合機械性能的機械零件。 3）高碳鋼：含碳量 ≥ %的鋼。高碳鋼熱處理后具有很高的硬度、耐磨性，但塑性、韌性較低。主要用于制造工具。 工程用鋼 建筑、橋梁、船舶、車輛 滲 碳 鋼調(diào) 質(zhì) 鋼彈 簧 鋼滾動軸承鋼耐 磨 鋼 機器用鋼 結(jié) 構(gòu) 鋼 刃具鋼模具鋼量具鋼 工 具 鋼 不銹鋼耐熱鋼 特殊性能鋼 ⑵ 按用途分： ⑶ 按冶金質(zhì)量分 : 1）普通鋼 S≤% 、 P≤%. 2）優(yōu)質(zhì)鋼 S≤% 、 P≤%. 3）高級優(yōu)質(zhì)鋼 S≤% 、 P≤% 。 碳素鋼的品種繁多，為了生產(chǎn)、加工、選用及管理方便、我國國家標(biāo)準(zhǔn)對產(chǎn)品牌號的命名，采用漢語拼音字母、化學(xué)元素符號及阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的表示方法。此外、按冶煉脫氧程度不同，分為沸騰鋼、鎮(zhèn)定鋼和半鎮(zhèn)定鋼。 碳素鋼的牌號及用途 ⑴碳素結(jié)構(gòu)鋼 1)成分： ～ %C， P、 S 量較多。 2)性能：可焊性、塑性好。 3)熱處理：熱軋空冷態(tài)下使用。 4)使用狀態(tài)下組織： F+P 。 5)用途：常以熱軋型材使用，約占鋼材總量的 70%。用于建筑結(jié)構(gòu)，適合焊接、 鉚接、栓接等。 牌號 :Q+最低屈服強度值 +質(zhì)量等級符號 +脫氧方法符號 . Q表示“屈服強度”； 屈服強度值單位是 MPa； 質(zhì)量等級符號為 A、 B、 C、 D、 E。由 A到 E，其 P、 S含量依次下降，質(zhì)量提高。 脫氧方法符號：沸騰鋼 — F；鎮(zhèn)靜鋼 — Z；半鎮(zhèn)靜鋼 — b；特殊鎮(zhèn)靜鋼 — TZ。 如碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號表示為 Q235AF、 Q235BZ。 例如 Q235AF表示 :屈服強度 ≥ 235Mpa，質(zhì)量等級為 A級的 沸騰 碳素結(jié)構(gòu)鋼。 Q195鋼、 Q215鋼有一定的強度，塑性好。主要制作薄板、鋼筋、沖壓件。 Q235鋼強度較高，用于制作鋼筋、鋼板、不重要的機械零件。 Q255鋼、 Q275鋼強度高，用于制作建筑、橋梁等工程上質(zhì)量要求較高的焊接結(jié)構(gòu)件，以及摩擦離合器、主軸、剎車鋼帶等。 S? ⑵ 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 這類鋼對有害元素 硫 、 磷嚴(yán)格限制 ，非金屬夾雜物含量較少，塑性、韌性較好，主要用作 較重要 的機械零件。 牌號 :兩位數(shù)字 .這兩位數(shù)字表示鋼中平均含碳量的 萬分數(shù) 。若鋼中含錳量較高，還將 Mn元素的符號標(biāo)在兩位數(shù)字的后面。 例如， 45表示平均含碳量為 %的鋼，稱為 45鋼； 65Mn表示平均含碳量為 %的較高含錳量鋼，稱為 65錳鋼。 此類鋼按照含碳量不同，分別用于制造沖壓件、焊接件、軸、齒輪、螺栓、彈簧等機械零件。 ⑶ 碳素工具鋼 這類鋼主要用來制造刃具、量具和模具。這些工具都要求高硬度、高耐磨性及一定的韌性，為此工具鋼必須是 優(yōu)質(zhì) 的或 高級優(yōu)質(zhì) 的 高碳鋼 。 優(yōu)質(zhì)高碳工具鋼牌號 :用“ T+數(shù)字”表示， 高級優(yōu)質(zhì)高碳工具鋼牌號 :用“ T+數(shù)字 +A” 表示，其中 T表示碳素工具鋼，數(shù)字表示鋼中平均含碳量的 千分數(shù) ， A表示高級優(yōu)質(zhì)的意思，牌號有 T T8?T13 等 7種。例如， T7表示平均含碳量為 %的碳素工具鋼； T10A表示平均含碳量為 %的高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。 二、合金鋼 合金鋼 :是在冶煉碳素鋼的基礎(chǔ)上，在鋼中有意加入一定量的 一種 或 幾種 合金元素，從而具有某種 特定性能 的鋼。 加入鋼中的合金元素常見的有： Si、 Mn、 W、 Mo、 Ti、 Nb、 B、 Cu、 Al、 Co、 V、 Cr、 Ni、及 Re（稀土元素）等。 加入各種合金元素的作用是： 1）提高鋼的機械性能，如強度、硬度、韌性等； 2）改善鋼的熱處理工藝性能，如提高淬透性、減少淬火變形等； 3）獲得某些特殊性能，如耐腐蝕、抗氧化、耐熱等性能。 ⑴按用途分類 ①合金結(jié)構(gòu)鋼：用于制造重要的機械零件和工程構(gòu)件； ②合金工具鋼：用于制造重要的刃具、量具和模具； ③特殊性能鋼：具有特殊的物理性能和化學(xué)性能的鋼。 ⑵按合金元素含量分類 ①低合金鋼：合金元素總含量小于 5%。 ②中合金鋼：合金元素總含量 5~10%。 ③高合金鋼：合金元素總含量大于 10%。 合金結(jié)構(gòu)鋼 合金結(jié)構(gòu)鋼分 :低合金結(jié)構(gòu)鋼、合金結(jié)構(gòu)鋼（滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼）、彈簧鋼、滾動軸承鋼 等幾種。 牌號 :兩位數(shù)字 +元素符號 +數(shù)字。其中前兩位數(shù)字表示鋼中平均含量的 萬分數(shù) ，元素符號表示鋼中所含的合金元素，而后面的數(shù)字表示合金元素平均含量的 百分數(shù) 。 例如， 40Ｃ r表示平均含碳量為 ％、含鉻量小于 %； 60Ｓ i2Mn表示平均含碳量為 %，含硅量為 %，含錳量小于 %。 注 :當(dāng)合金元素的平均含量 小于 %時 ， 只標(biāo)明元素 ， 而不標(biāo)出含量 ，但滾動軸承鋼例外 .當(dāng)合金元素的平均含量為 ~%、 ~ %、~%、 ~%、 ?? 時，在相應(yīng)的合金元素符號后標(biāo) 5 ?? 等數(shù)字。如 20CrNi3。 高級優(yōu)質(zhì) 合金結(jié)構(gòu)鋼在牌號后加字母 A，如 60Si2MnA。 特級優(yōu)質(zhì) 合金鋼在牌號后加字母 E，如 30CrMnSiE。 ⑴ 低合金結(jié)構(gòu)鋼 低合金結(jié)構(gòu)鋼（又稱普通低合金結(jié)構(gòu)鋼） :是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上加入少量（不大于 3%）合金元素而形成的鋼。 含碳量 :較低（ C＜ ％），主加元素為錳，起固溶強化作用 . 性能 :較高的強度、韌性及良好的焊接性能、耐蝕性等特性。 應(yīng)用 :橋梁、車輛、船舶、壓力容器、建筑鋼筋等。 牌號 :表示方法與碳素結(jié)構(gòu)鋼相同。 例如， Q345鋼 表示屈服強度 ≥ 345Mpa的低合金結(jié)構(gòu)鋼。常用的低合金結(jié)構(gòu)鋼有 Q29 Q34 Q390等。 ⑵ 合金滲碳鋼 合金滲碳鋼 :經(jīng) 滲碳淬火、低溫回火后使用的鋼 。 性能 :表硬心韌 . 成分 :低碳 (~%C), 加 Cr、 Mn、 Ni、 B等元素 . 滲碳件的加工工藝路線為： 下料 → 鍛造 → 正火 → 機加 工 → 滲碳 → 淬火 +低溫回火 . 用途 : 低淬透性鋼： 20Cr。用于受力小的耐磨件，如柴油機的活塞銷、凸輪軸等。 中淬透性鋼： 20CrMnTi。用于中等載荷的耐磨件，如變速箱齒輪。 高淬透性鋼： 18Cr2Ni4WA。用于大載荷的耐磨件，如柴油機曲軸。 ⑶ 合金調(diào)質(zhì)鋼 合金調(diào)質(zhì)鋼 :調(diào)質(zhì)處理后具有優(yōu)良的綜合機械性能的合金鋼。 成分 :中碳 (~%C)， ① 提高淬透性： Mn、 Si、 Cr、 Ni、 B ② 強化鐵素體： Mn、 Si、 Cr、 Ni ③ 細化晶粒： Ti、 V ④ 防止第二類回火脆性： W、 Mo 調(diào)質(zhì)件的加工工藝路線為