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钢铁材料钢铁钢铁
第7章钢铁材料
铁是自然界中储藏量最多的金属元素之一，其储蓄量仅次于铝。
以铁为基的各种钢铁材料,由于具有不可替代的优良性能而成为工业领域中的支柱材料之一。
根据统计，在机械制造产品中，钢铁材料占95％。
随着近代科学技术的发展，钢铁材料也在迅猛发展，钢铁材料在可预见的未来仍将占据工程材料领域的主导地位。
铸铁具有优良的铸造性能、切削加工性能、减磨性与消震性，而且熔炼的工艺与设备简单、成本低。
目前，铸铁仍然是工业生产中最重要的工程材料之一。
若按整机质量百分比计算，在各类机械中，铸铁件约占40%〜70%;在机床和重型机械中，则可达70%〜90%。
本章旨在使读者对工业用钢及铸铁有较为系统的了解，为合理选材、用材打下基础。
7.1钢
7.1.1概述（合金元素在钢中的作用、钢的分类与编号）
1.钢中常存元素对钢性能的影响
在钢中，主加元素是FeC及合金元素，除此还有由炼钢原料带入及炼钢过程中残留下来的常存元素，都会对钢的性能产生极大的影响。
（1）锰（Mn）锰是炼钢时用锰铁脱氧而残留在钢中的，锰也经常作为合金元素而特意加入钢中。
锰的脱氧能力较好，能很大程度上减少钢中的FeO,还能与硫化合成MnS,减轻硫的有害作用。
在室温下锰
可以大部分溶入铁素体中形成固溶体，产生一定的强化作用。
所以，锰在钢中是一种有益元素。
在非合金钢中，锰作为常存元素时，其质量分数值规定为v1.00%o
（2）硅（Si）硅是炼钢时用硅铁脱氧而残留在钢中的，也可作为合金元素特意加入钢中。
硅的脱氧能力比锰强，可有效清除Feo。
硅在室温下大部分溶入铁素体，产生强化作用。
作为常存元素时，其质量分数值一般规定为v0.50%o
（3）硫（S）硫是在冶炼时由矿石和燃料中带入的有害杂质，炼钢时难以除尽。
硫在钢中常以FeS
的形式存在，FeS与Fe形成低熔点的共晶体，分布在奥氏体的晶界上，当钢材进行热加工时，共晶体过热甚至熔化，减弱了晶粒间联系，使钢材强度降低，韧性下降，这种现象称为热脆。
常加入锰来降低硫的有害作用。
（4）磷（P）磷是在冶炼时由矿石带入的有害杂质，炼钢时很难除尽。
磷能溶于a-Fe中，但当钢
中有碳存在时，磷在a-Fe中的溶解度急剧下降，磷的偏析倾向十分严重即使只有千分之几的磷存在，也会在组织中析出脆性很大的化合物F&P,并且特别容易偏聚于晶界上，使钢的脆性增加，冷脆转化温度
升高，即发生冷脆。
此外，炼钢过程中，少量炉渣、耐火材料及冶炼中反应物可能进入钢液，形成非金属夹杂物。
它们都会降低钢的力学性能，在冶金过程中应加以控制。
钢在冶炼时还会吸收和溶解一部分气体，如氧、氢、氮等，给钢的性能带来有害的影响。
尤其是氢，它使钢变脆（称为氢脆），也可使钢中产生微裂纹（称为白点）。
2.钢中合金元素的作用
（1）合金元素与铁的相互作用合金元素可以溶入铁素体中形成合金铁素体，产生固
溶强化作用。
合金元素溶入铁素体对其性能的影响如图7-1所示。
不同的合金元素与铁的相互作用的结果，也会对Fe-Fe3C相图产生不同的影响。
按照影响规律的不同
可分为两大类：
一类是缩小奥氏体相区的元素，包括Cr、MOWTi、Si、Al、B等，如图7-2a;另「
类是扩大奥氏体相区的元素，包括Ni、MnCo、Cu、Zn、N等，如图7-2b所示，同时，大部分的合
金元素还能使Fe-FesC相图中的S、E左移，既降低了共析点的含碳量及碳在奥氏体中的最大溶解度，从而使含碳量相同的碳钢和合金钢具有不同的组织。
（2）合金元素与碳的相互作用钢中碳常与铁形成FesC,而合金元素存在于钢
中时，也会与碳发生反应。
元素周期表中处于Fe左边的元素，比Fe具有更强的亲碳能力，它们在钢中
将优先形成碳化物，从强到弱顺序依次为：
HftZrtTitTa^Nb^MbCr宀Mn^Fe,它们称为碳化物形
成元素。
而处于Fe右边的元素由于其夺碳能力比Fe差而无法形成碳化物，只能固溶于Fe中，称为非碳
化物形成元素，如Ni、Al等。
当碳化物形成元素的含量较高时，可形成复杂碳化物，如CwG、Cr23G。
其中的中强或弱强碳化物形成元素则多形成简单而稳定的碳化物，如V（VC）、Nb（NbC）、Ti（TiC）等，这些
碳化物熔点及硬度很高。
图7-1合金元素对铁素体力学性能的影响
a）对硬度的影响b）对韧性的影响
图7-2合金元素对奥氏体区的影响
a）铬的影响b）锰的影响
当碳化物以微细质点分布于铁素体基体上时，产生弥散强化作用，而且合金碳化物极高的硬度和熔点显著提高了钢的耐磨性和耐热性。
此外，难熔的稳定碳化物分布在奥氏体晶界上，可有效地细化晶粒，改善钢的性能。
（3）合金元素对热处理工艺的影响
1合金元素对钢在加热时奥氏体化的影响
合金钢的奥氏体化过程基本上是由碳的扩散来控制的。
合金元素的加入对碳的扩散及碳化物的稳定性有直接影响。
少数非碳化物形成元素，WNi能增加碳的扩散速度，加速奥氏体的形成，而大部分合金
元素使碳的扩散能力降低，特别是强碳化物形成元素。
对含有这类元素的合金钢通常采用升高加热温度或延长保温时间的方法来促进奥氏体成分的均匀化。
合金元素对钢在热处理时的奥氏体晶粒度也有不同程度的影响，如P、Mn等促进奥氏体晶粒长大；
Ti、Nb、N等可强烈阻止奥氏体晶粒长大；WMO、Cr等对奥氏体晶粒长大起到一定的阻碍作用；Si、
CoCu等影响不大。
2合金元素对钢的淬透性的影响
实践证明，除Co、Al夕卜，能溶入奥氏体中的合金元素可减慢奥氏体的分解速度，使C曲线右移并降
低Ms点（如图7-3所示），因而都有可能提高钢的淬透性。
合金元素减缓奥氏体转变速度的原因，主要是由于合金元素溶入奥氏体后阻止了碳的析出和扩散的缘故。
图7-3合金元素对Ms点的影响
3合金元素对回火转变的影响
a.提高钢的回火稳定性回火稳定性是指钢对回火时发生软化过程的抵抗能力，由于合金元素能
使铁碳原子扩散速度减慢，使淬火钢回火时马氏体不易分解，析出的碳化物也不易聚集长大，保持一种较细小、分散的组织状态，从而使钢的硬度随回火温度的升高而下降的程度减弱。
因此，与碳钢相比，在同一温度回火时，合金钢的硬度和强度高，这有利于提高结构钢的强度、韧性和工具钢的红硬性。
b.产生二次硬化当含较多碳化物形成元素的高合金钢在500~600C度范围回火其硬度并不降低，
反而升高，这种现象称为二次硬化。
产生二次硬化的原因是因为这类钢在该温度范围内回火时，将析出细小、弥散的特殊化合物，如MQCWCVC等，这类碳化物硬度很高，在高温下也非常稳定，难以聚集
长大，具有高温强度。
如具有高热硬性的高速钢就是靠WMQV的这种特性来实现的.
c.
回火脆性合金元素对淬火钢回火后力学性能的不利影响是回火脆性。
在350C附近发生的脆性为第一类回火脆性，无论碳钢或合金钢，都会发生这种脆性，这种脆性产生
后无法消除，所以应尽量避免在此温度区间内回火。
在500~600C回火时，将发生第二类回火脆性，主要出现在合金结构钢（如铬钢、锰钢等）中。
当出现第二类回火脆性时，可将其加热至5QQ~6QQC经保温后快冷予以消除。
对于不能快冷的大型结构件，加入适量的W或Mo可有效地防止第二类回火脆性的发生。
3.钢的分类与编号
对品种繁多的钢进行科学地分类不仅关系到钢产品生产、使用和研究等工作，对我们现在学习和将
来合理选用钢材也具有重要的意义。
图7-4钢的分类关系图
（1）钢的分类我国有关钢分类的最新国家标准是1991年颁布实施的GB/T13304-91【钢分类】。
由于涉及领域不同，各种使用者所站的角度也不同，所以，钢的分类方法很多，我们将其中常用的部分
总结成如图7-4所示的关系图。
（2）钢的编号方法
我国钢号的编号，由三大部分组成：
化学元素符号、汉语拼音字母和阿拉伯数字。
化学元素符号：
用以表示钢中所含的合金元素种类。
汉语拼音字母；对钢的种类、性质、特点、要求等内容加以说明。
具体字母对应的涵义见表7-1。
（一）非合金钢（碳素钢）
1•普通碳素结构钢（简称普钢）
普通碳素结构钢牌号由Q屈服强度数值（钢材厚度或直径w16mm、质量等级符号（分A、BCD四级）和脱氧方法（F、b、Z、TZ,若为Z或ZT,则予以省略）等四部分按顺序组成。
例如，Q235-AF
表示屈服强度为235MPa沸腾钢、质量等级为A级的碳素结构钢。
表7-1钢号中汉语拼音字母涵义说明表
字母
代表涵义
位置
举例
字母
代表涵义
位置
举例
A、B、
CD、E
质量等级
尾
Q235-B
38CrMOAIA
F
热锻用非调质机械结构钢
首
F45V
BL
标准件用碳素钢
首
BL3
G
滚珠轴承钢
首
GCr15
b
半镇静钢
尾
08b
g
锅炉用钢
尾
20q
C
船舶用钢
首
C20
G
高压锅炉用钢
尾
20G
DG
电工用硅钢
首
DG5
H
焊接用钢
首
H08MnSi
DR
电工用热轧规钢
首
DR400-50
H
保证淬透性结构钢
尾
40CrH
DR
低温压力容器用钢
尾
16MnDR
HP
焊接气瓶用钢
首
HP295
DT
电磁纯铁
首
DT4A
JDR
家用电器用热轧钢
首
JDR540-50
d
低淬透性钢
尾
55Tid
K
矿山用钢
尾
20MnVK
F
沸腾钢
尾
15F
L
汽车大梁用钢
尾
08TiL
LG
铁路用粗制轮毂
首
LG60
T
碳素工具钢
首
T10
LNG
铝镍钻永磁合金
首
LNG34
U
铁路用钢轨
首
U71Mn
M
煤机用钢
首
M540
W
冷轧晶粒无取向磁性硅钢
中部
50W600
ML
冷镦（铆螺）钢
首
ML40
Y
易切削钢
首
Y15Pb
Q
屈服强度
首
Q235
YF
易切削非调质机械结构钢
首
YF35MnV
Q
轻轨钢
尾
55Q
YT
原料纯铁
首
YT2F
q
桥梁用钢
尾
16Mnq
Z
镇静钢
尾
45AZ
QG
冷轧晶粒取向磁性
硅钢
中部
30QG130
ZG
铸铁
首
ZG310-570
R
压力容器用钢
尾
15MnVR
ZGD
低合金铸钢
首
ZGD650-830
RT
日用搪瓷用钢
首
RT4
ZK
凿岩钎杆用中空钢
首
ZK55SiMnMo
S
石油天然气用钢
首
S290
ZU
铸钢轧辊首
Zu70Mn2
SM
塑料模具用钢
首
SM2Cr13
注：
阿拉伯数字：
①表示钢中碳含量及合金元素含量;
②表示材料的力学性能数值，如强度值。
伸长率等；
③表示材料的分类，排列序号。
2•优质碳素结构钢（简称优质碳结构钢或优钢）
优质碳素结构钢牌号用两位数字表示，这两位数字表示钢中的平均含碳量（C）的万分数。
如45号
钢表示平均含碳量为0.45%。
如果是高级优质钢，则在牌号后面加“A”表示。
如果是沸腾钢则加“F”。
含锰量较高时则在牌号后面加锰元素符号“Mn’。
优质碳素结构钢根据含碳量又可分为低碳钢（含碳量在0.25%以下）、中碳钢（含碳量为0.30%〜
0.50%）和高碳钢（含碳量为0.55%〜0.85%）。
3•碳素工具钢
碳素工具钢的编号是在T的后面附以数字来表示，数字代表钢中平均碳的质量分数Wc以0.1%为单
位。
例如，T12表示平均碳的质量分数Wc=1.2%的碳素工具钢。
如果是高级优质碳素工具钢，则在数字
后面附以A。
例如T12A表示平均碳的质量分数Wc=1.2%的高级优质碳素工具钢。
4.碳素铸铁
一般工程用铸造碳钢件的牌号由ZG和两组数字组成，前一组数字表示最低屈服强度（（Ts或（T0.2）,后一数字表示最低抗拉强度（tb）。
如ZG200-400表示最低屈服强度为200Mpa,最低抗拉强度为400MPa的碳素铸钢。
（二）合金钢
1.合金结构钢
合金结构钢的牌号采用“二位数字加元素符号加数字”表示。
前面二位数字表示钢的平均碳含量（C）的万分数，元素符号表示钢中所含的合金元素，而后面数字表示该元素平均含量的质量分数。
当合金元素含量小于1.5%时，牌号中只标明元素符号，而不标明含量，如果含量大于1.5%、2.5%、3.5%等，
则相应地在元素符号后面标注2、3、4等。
例如60Si2Mn（或60硅2锰），表示平均碳含量（C）为0.6%;
含硅量约为2%,含锰量小于1.5%。
2.合金工具钢
合金工具钢的牌号表示方法与合金结构钢相似，其区别在于用一位数字表示平均碳含量（C）的千分
数，当碳含量大于或等于1.00%时则不予标出。
如9SiCr（或9硅铬），其中平均碳含量（C）为0.9%,Si、Cr的含量都小于1.5%;Cr12MoV,表示平均碳含量（C）大于1.00%，铬含量约为12%,MoV的含量都小于1.5%的合金工具钢。
除此之外，还有一些特殊专用钢，为表示钢的用途在钢号前面冠以汉语拼音，而不标出含碳量。
如GCr15为滚珠轴承钢，“G'为“滚”的汉语拼音字首。
还应注意在滚珠轴承钢中，铬元素符号后面的数字表示铬含量的千分数，其他元素仍用百分数表示。
如GCr15SiMn,表示铬含量为1.5%，硅、锰含量均小
于1.5%的滚珠轴承钢。
合金钢一般均为优质钢。
合金结构钢若为高级优质钢，则在钢号后面加“A”，如38CrMoAIA。
合金
工具钢一般都为高级优质钢，所以其牌号后面不再标“A”。
第二节7.1.2碳素钢（非合金钢）
碳钢有结构钢和工具钢之分。
结构钢是制造一般机械零件和工程结构所用的钢，常采用普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。
工具钢主要用于制造刃具、量具和模具等。
这类钢属高碳钢，而且至少是优质碳素钢，性能要求高时采用高级优质碳素钢。
1.普通碳素结构钢（简称普钢）
该类钢对化学成分要求不甚严格，钢的磷、硫含量较高（P<0.045%,S<0.055%），但必须保证其力学
性能。
大部分用于工程结构，少部分用于机械零件。
普通碳素结构钢一般在供应状态下使用，必要时可进行锻造、焊接等热加工，亦可通过热处理调整其力学性能。
表7-2为碳素结构钢的牌号、化学成分、
力学性能及应用举例。
2.优质碳素结构钢（简称优质碳结构钢或优钢）
这类钢既要保证力学性能，又要保证化学成分，钢中的磷、硫含量较低（S、P含量均不大于0.0035%）。
其产量仅次于（普通）碳素结构钢，广泛用于较重要的机械零件，优质碳素结构钢使用前一般都要进行热处理。
部分优质碳素结构钢的力学性能和用途如表7-3所示。
较高含锰量的优质碳素结构钢可制作尺
寸稍大或强度要求略高的零件。
3.碳素铸钢
碳素铸钢是冶炼后直接铸造成毛坯或零件的碳钢。
碳素铸钢适用于形状复杂且韧性、强度要求较高
的零件，也常用于韧性、强度要求较高的大型零件。
碳素铸钢的含碳量（Wc）—般在0.15%〜0.60%范围内，过高则塑性差，易产生裂纹。
一般工程用铸钢件的成分、力学性能和用途如表7-4所示。
铸钢的热处理有退火、正火、正火+回火（正火后的回火实际上是去应力退火）或淬火+回火。
表7-2普通碳素结构钢的化学成分和力学性能
牌号
等级
化学成分/%
脱氧方法
力学性能
应用举例
Wc
Wsc
bs/
MPa
bb/
MPa
55/%
>
Q195
-
0.06〜
0.12
0.050
0.045
F、b、
Z
195
315〜390
33
承受载荷不大的金属结构件、铆钉、垫圈、地脚螺栓、冲压件及焊接件
Q215
A
0.09〜
0.15
0.050
0.045
F、b、
Z
215
335〜410
31
B
0.045
Q235
A
0.14〜
0.22
0.050
0.045
F、b、
Z
235
375〜460
26
金属结构件、钢板、钢筋、型钢、螺栓、螺母、短轴、心轴、Q235CD可用作重要焊接结构件
B
0.12〜
0.20
C
<0.18
0.040
0.040
Z
D
<0.17
0.035
0.035
TZ
Q255
A
0.18〜
0.28
0.50
0.045
Z
255
410〜510
24
键、销、转轴、拉杆、链轮、链环片等
B
0.45
Q275
—
0.28〜
0.38
0.050
0.045
Z
275
490
20
表7-3部分优质碳素结构钢的力学性能和用途
牌号
力学性能
应用举例
bs/MPa
bb/MPa
55/%>
¥/%
A/J
08
195
325
33
60
-
这类低碳钢由于强度低，塑性好，易于冲压与焊接，一般用于制造受力不大的零件，如螺栓、螺母、垫圈、小轴、销子、链等。
经过渗碳处理或氰化可用作表面要求耐磨、耐腐蚀的机械零件
10
205
335
31
55
-
15
225
375
27
55
-
20
245
410
25
55
-
25
275
450
23
50
71
30
295
490
21
50
63
这类中碳钢的综合力学性能和切削加工性均较好，
可用于制造受力较大的零件，如主轴、曲轴、齿轮、连杆、活塞销等
35
315
530
20
45
55
40
335
570
19
45
47
45
355
600
16
40
39
50
375
630
14
40
31
55
380
645
13
35
-
这类钢有较高的强度、弹性和耐磨性，主要用于制造凸轮、车轮、板弹簧、螺旋弹簧和钢丝绳等
60
400
675
12
35
-
65
410
695
10
30
-
70
420
715
9
30
-
注：
以上力学性能是正火后的试验测定值，但人值试样应进行调质处理
4.碳素工具钢
表7-5列出了碳素工具钢的牌号、成分与用途。
碳素工具钢的含碳量（Wc）—般在0.65%〜1.35%,
随着碳含量的增加（从T7到T13）,钢的硬度无明显变化，但耐磨性增加，韧性下降。
碳素工具钢的预先热处理一般为球化退火，其目的是降低硬度（V217HBS以便于切削加工、并为
淬火作组织准备。
但若锻造组织不良（如出现网状碳化物缺陷），则应在球化退火之前先进行正火处理，以除网状碳化物。
其最终热处理为淬火+低温回火（回火温度一般180C〜200C）,正常组织为隐晶回
火马氏体+细粒状渗碳体及少量残余奥氏体。
碳素工具钢的优点是：
成本低、冷热加工工艺性好，在手用工具和机用低速切削工具上有较广泛的应用。
但碳素工具钢的淬透性低、组织稳定性差且热硬性差、综合力学性能也欠佳，故一般只用于尺寸不大、形状简单、要求不高的低速切削工具。
表7-4碳素铸钢的成分、力学性能能和用途
铸钢牌号
化学元素最高含量/%
室温下力学性能最小值
用途举例
VC
W
Wn
W、W
bs或
0.2
/MPa
bb
/
MPa
5/%
书/%
Akv/J
ZG200-400
0.20
0.50
0.80
0.04
200
400
25
40
30
有艮好的塑性、韧性和焊接性能。
用于受力不大，要求韧性好的各种机械零件，如机座、变速箱壳等
ZG230-450
0.30
0.90
230
450
22
32
25
有一定强度和较好的塑性、韧性和焊接性。
用于受力不大，要求韧性较好的各种机械零件，如砧座、外壳、轴承盖、底板等
ZG270-500
0.40
270
500
18
25
22
有较高强度和较好的塑性，铸造性能良好，焊接性能尚好，切削性好，用作轧钢机机架、轴承座、连杆、曲轴、缸体等
ZG310-570
0.50
0.60
310
570
15
21
15
强度和切削性良好，塑性、韧性较低。
用于载荷较高的零件，如大齿轮，缸体、制动轮、辊子等
ZG340-640
0.60
340
640
10
18
10
有高的强度、硬度和耐磨性、切削性良好，焊接性较差，流动性好。
用作起重运输机齿轮、棘轮、联轴器等重要零件
表7-5碳素工具钢的牌号、成分、性能和用途
牌号
化学成分3M%
硬度
用途举例
C
Mn
Si
退火状态
试样淬火
HBS不大
于
淬火温度
/'C和冷却剂
HRC不小
于
T7、T7A
0.65〜0.74
<0.40
<0.35
187
800〜820
水
62
淬火、回火后，常用于制造能承受震动、冲击，并且在硬度适中情况下有较好韧性的工具，如凿子、冲头、木工工具、大锤等
T8、T8A
0.75〜0.84
<0.40
<0.35
187
780〜800
水
62
淬火、回火后，常用于制造要求有较高硬度和耐磨性的工具、如冲头、木工工具、剪切金属用剪刀等。
T8Mn
T8MnA
0.80〜0.90
0.40〜0.60
<0.35
187
780〜800
水
62
性能和用途和T8相似，但加入了锰提高淬透性，故可以制作横截面较大的工具。
T9、T9A
0.85〜0.94
<0.40
<0.35
192
760〜780
水
62
用于制造一定韧性的工具，如冲模、冲头、凿岩石用凿子等。
T10、T10A
0.95〜1.04
<0.40
<0.35
197
760〜780
水
62
用于制造耐磨性要求较高，不受剧烈震动，具有一定韧性及具有锋利刃口的各种工具，如
刨刀、车刀、钻头、丝锥、手锯锯条、拉丝模、冷冲模等。
T11、T11A
1.05〜1.14
<0.40
<0.35
207
760〜780
水
62
用途与T10钢基本相同，一般
习惯上采用T10钢
T12、T12A
1.15〜1.24
<0.40
<0.35
207
760〜780
水
62
用于制造不受冲击、要求咼硬度的工具，如丝锥、锉刀、刮刀、绞刀、板牙、量具等
T13、T13A
1.25〜1.35
<0.40
<0.35
217
760〜800
水
62
适用于制造不受震动、要求极高硬度的
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