第第 33 章 金属材料及其选用章 金属材料及其选用

金属材料的力学性能任务 1

影响金属材料性能的因素 任务 2

铁碳合金任务 3

钢的热处理任务 4

工业用钢任务 5

任务任务 1 1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能

阶段阶段 1 1 强度强度

阶段阶段 2 2 塑性塑性

阶段阶段 3 3 硬度硬度

阶段阶段 4 4 疲劳强度疲劳强度

阶段阶段 5 5 韧性韧性

金属材料的性能包括使用性能和工艺性能。使用性能是指金属材料在使用过程中所表现出的性能，主要有力学性能、物理性能（如导电性、导热性、热膨胀性等）和化学性能（如抗腐蚀、抗氧化性等）。材料的使用性能影响零件或工具的工作能力。工艺性能是指金属材料在各种加工过程中表现出来的性能，如热处理性能、铸造性能、锻造性能、焊接性能、压力加工性能、切削加工性能等。材料的工艺性能影响零件或工具制造的难易程度。

任务任务 1 1 金属材料的力学性能金属材料的力学性能

金属材料在载荷作用下所表现出来的性能，为力学性能。力学性能（亦称机械性能），是指金属材料具有的抵抗一定外力作用而不被破坏的性能。金属材料的力学性能主要有：强度、刚度、塑性、硬度、韧度和疲劳强度等。

阶段阶段 1 1 强度强度

强度是指金属在静载荷的作用下，抵抗塑性变形和断裂的能力。塑性变形是指金属在外力的作用下发生永久变形（不能恢复原状的变形）的能力。

拉伸试验可以测定出强度指标有：比例极限应力 、屈服点 、抗拉强度应力 等。不同的零件设计和选材所依据的强度指标是不一样的。

PS b

阶段阶段 2 2 塑性塑性

塑性指金属材料在静载荷作用时，在断裂前产生塑性变形的能力，塑性指标有延伸率 δ 和断面收缩率 ψ ，它们也是通过拉伸试验获得的。

1 ．延伸率

2 ．断面收缩率

%1000

01

l

ll

%1000

10

A

AA

阶段阶段 3 3 硬度硬度

硬度指金属材料抵抗外物压入其表面、造成局部塑性变形、压痕、划痕的能力，也是衡量金属材料软硬程度的一种力学性能指标。 材料的硬度是通过硬度试验得到的。工程上常用的有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

1 ．布氏硬度 HBS(HBW) 布氏硬度是在布氏硬度计上进行测量的，用一定直径的钢球或硬质合金球为压头，以相应的实验力压入试样表面，保持规定的时间后，卸除实验力，在试样表面形成压痕，以压痕球形表面所承受的平均负荷作为布氏硬度值，如图示。

22

2HBS(HBW)

dDDD

F

在做布氏试验时，只需测量出 d 值即可从有关表格上查出相应的布氏硬度值。压头为钢球时，为 HBS ，适用于布氏硬度 450 以下的材料；压头为硬质合金球时，为HBW ，适用于布氏硬度 650 以下的材料。

2 ．洛氏硬度 HR 洛氏硬度是用压头压入的压痕深度作为测量硬度值的依据，如图所示。可以直接从洛氏硬度计的表盘上读出，它是一个相对值，人们规定每0.002mm 压痕深度为一个洛氏硬度单位。洛氏硬度用 HRA 、 HRB 和HRC 来表示。

HRC 采用顶角为 120° 的金刚石圆锥体为压头，施加 150kgf 的外力，主要用于淬火钢等较硬材料的测定，常用硬度值为 20-67HRC ； HRA 采用外加载荷为60kgf ，用于测量高硬度薄层，常用硬度值为 70-85HRA ； HRB 采用直径1.588mm 的钢球， 100kgf 的外加载荷，用于硬度较低的材料，常用硬度值为25-100HRB 。

3 ．维氏硬度（ HV ）

维氏硬度测试的基本原理与布氏硬度相同，但压头采用锥面夹角 136° 的金刚石正四棱锥体，如图所示。

阶段阶段 4 4 疲劳强度疲劳强度 构件在低于屈服强度的交变应力作用下，经过较长时间工作，经一定循环次数后，无明显的塑性变形而发生突然断裂的现象，称为疲劳或疲劳断裂。

金属材料的疲劳破坏，首先是在其薄弱部位，如在应力集中或缺陷（划伤、夹渣、显微裂纹等）处产生微细裂纹，称疲劳源。在后续交变载荷的作用下，裂纹进一步扩展，达到一定临界尺寸时，突然发生脆性断裂。

试验证明，金属材料能承受的交变应力与断裂前的应力循环基数有关。当应力低到一定值时，材料可经无限次应力循环而不失效；此应力即为疲劳强度（疲劳极限）。对称弯曲疲劳极限用 σ-1 表示 。

阶段阶段 5 5 韧性韧性 韧性是指金属在断裂前吸收变形能量的能力，它表示材料抗冲击的能力。韧性评价指标是通过冲击试验确定的。 韧性常用的试验方法是摆锤式一次冲击试验法，它是在专门的摆锤试验机上进行的，如图所示。冲击试验缺口底部单位横截面积上的冲击吸收功，称为冲击韧度，用符号 αk表示，单位为 J/cm2 。

A

hhmg

A

Akk

)( 21

任务任务 2 2 影响金属材料性能的因素影响金属材料性能的因素

阶段阶段 1 1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构

阶段阶段 2 2 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶

阶段阶段 1 1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构1 ．晶体结构

固体材料按内部原子的聚集状态不同分为晶体和非晶体，金属是晶体。晶体结构就是晶体内部原子排列的方式及特征。

a ） 晶体中的原子排列 b ） 晶格 c ） 晶胞

2 ．金属中常见的晶体结构

（ 1 ）体心立方晶格：晶胞是一个立方体。具有这种晶格的金属有 α- 铁（ α-Fe ）、铬（ Cr ）、钨（W ）、钼（ Mo ）、矾（ V ）等。

（ 2 ）面心立方晶格：晶胞也是一个立方体。具有这种晶格的金属有 γ- 铁（ γ-Fe ）铝（ Al ）、铜（ Cu ）、镍（ Ni ）、金（ Au ）、银（ Ag ）等。 （ 3 ）密排六方晶格：晶胞是一个正六方柱体。具有这种晶格的金属有镁（ Mg ）、锌（ Zn ）、铍（ Be ）等。

体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格

3 ．金属的实际晶体结构

如果晶体内部的晶格位向（即原子排列的方向）完全一致，则称这块晶体为单晶体。单晶体只能用特殊的方法制得，如单晶硅、单晶锗等。实际使用的金属即使是体积很小，其内部都是由许多晶格位向不同的微小晶体组成，每个小晶体相当于一个单晶体，内部晶格位向是一致的，而小晶体之间的位向却不相同。这种外形呈多面体颗粒状的小晶体称为晶粒，晶粒之间的交界称为晶界，如下图所示。由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，其性能是位向不同的晶粒的平均性能，故可认为多晶体（金属）是各向同性的。

（ 1 ）多晶体结构

实际晶体中，原子的排列并不像理想晶体那样规则和完整。由于许多因素的影响，使某些区域的原子排列受到干扰和破坏，这种区域称为晶体缺陷。常见的晶体缺陷有晶界、间隙原子、晶格空位等，如下图所示。金属中的晶体缺陷对性能有很大的影响。例如晶界的抗腐蚀性差、熔点低等，但能提高金属的强度和硬度。

（ 2 ）晶体缺陷

阶段阶段 2 2 合金的晶体结构与结晶合金的晶体结构与结晶1 ．合金的基本概念

固体材料按内部原子的聚集状态不同分为晶体和非晶体，金属是晶体。晶体结构就是晶体内部原子排列的方式及特征。

（ 1 ）合金

（ 2 ）组元

（ 3 ）合金系

（ 4 ）相

（ 5 ）组织

2 ．合金的晶体结构

根据合金中各组元间的相互作用，合金的晶体结构大致可归纳为 3 类，即固溶体、金属化合物和机械混合物。

（ 1 ）固溶体

当溶质原子溶解在溶剂晶体中时，溶剂的晶格将发生畸变，增加了晶格变形抗力。原子尺寸相差大，化学性质不同，都使畸变增大，结果合金的强度、硬度和电阻增高，塑性，韧性下降。溶入的溶质原子越多，引起的晶格畸变也越大。这种由于溶质原子的溶入，使基体金属（溶剂）的强度、硬度升高的现象就叫固溶强化。

碳原子铁中形成的间隙固溶体

（ 2 ）金属化合物

组成合金的元素相互化合形成一种新的晶格组成的物质。它的晶体结构与性能，和原两组元都不同，如渗碳体（ Fe3C ）就是铁和碳组成的晶格复杂的碳化物，其晶格结构如下图所示。金属化合物一般具有高硬度和高脆性，当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。

Fe3C 的晶体结构

（ 3 ）机械混合物

由两种或两种以上的组元、固溶体或金属化合物按一定重量比例组成的均匀物质称为机械混合物。

纯金属、固溶体、金属化合物均是组成合金的基本相，在机械混合物中各组成部分（相）仍保持着它原有的晶格类型和性能，如铁素体和渗碳体形成珠光体。混合物的性能取决于组成混合物的各部分的性能，及其数量、大小、分布和形态。

3 ．纯金属的结晶

（ 1 ）结晶

指纯纯金属由液态转变成固态的过程，实质是金属的原子由近程有序状态（液态）转变成长程有序状态（晶态）的过程。

（ 2 ）冷却曲线金属液非常缓慢的冷却时，记录温度随时间而变化的曲线。

（ 3 ）过冷

在实际结晶过程中，金属液只有冷却到理论结晶温度（熔点）以下的某个温度时才结晶的现象。

（ 4 ）结晶过程

晶体形核和成长过程。

（ a ）液态金属 （ b ）形成晶核 （ c ）晶核长大 （ d ）部分结晶 （ e ）完全结晶

（ 5 ）细晶强化

晶粒的大小影响材料的力学、物理、化学性能，一般情况下，晶粒越细，强度和硬度越高，塑性和韧性越好。因为晶粒越细小，晶界就多，晶界处的晶体排列极不规则，界面犬牙交错，互相咬合，因而加强了金属之间的结合力。用细化晶粒的方法来提高金属材料的力学性能叫细晶强化。

金属凝固后的晶粒大小与凝固过程中形核的多少和晶核长大速度有关，晶核越多，长大速度越慢，晶粒越细。而过冷度越大，产生的晶核越多，晶核多，每个晶核长大受到制约，形成的晶粒就越细小。

在液浇注前，人为地向金属液中加入一定量的粉末物质（称变质剂），以促进形核，从而细化晶粒，改善金属组织和性能的方法称变质处理。

4 ．合金的结晶

合金的结晶过程如同纯金属一样，仍为晶核形成和晶核长大两个过程，结晶时也需要一定的过冷度，最后形成由多晶粒组成的晶体。但合金结晶后可形成不同类型的固溶体、金属化合物或机械混合物。

①纯金属结晶是在恒温下进行的，只有一个临界点。而合金则绝大多数都是在一定温度范围内进行结晶的，结晶开始与终了的温度不相同，有两个临界点。只有在某一特定成分的合金系中才会出现一个临界点。

合金与纯金属结晶的不同之处有：

②合金在结晶过程中，在局部范围内其化学成分有变化，当结晶终了后，整个晶体的平均化学成分与原合金的化学成分相同。

③合金结晶后的组织状态有三种：单相固溶体；单相金属化合物或同时结晶出两相机械混合物；结晶开始形成单相固溶体，剩余液体又同时结晶出两相机械混合物。

任务任务 3 3 铁碳合金铁碳合金

阶段阶段 1 1 铁碳合金的基本组织及其性能铁碳合金的基本组织及其性能

阶段阶段 2 2 铁碳合金状态图铁碳合金状态图

阶段阶段 3 3 铁碳合金状态图的应用铁碳合金状态图的应用

阶段阶段 1 1 铁碳合金的基本组织及其性能铁碳合金的基本组织及其性能

1 ．铁的同素异晶转变

钢和铸铁是工业生产中应用最广泛的金属材料，称为铁碳合金，因为形成钢和铸铁的主要元素是铁和碳。不同成分的铁碳合金具有不同的组织和性能。

某些金属如铁、钛、钴等在固态下发生的晶格结构的转变叫同素异晶（构）转变。金属的同素异构转变也是一种结晶过程，有一定的转变温度和过冷度；也有晶核的形成和长大两个阶段。故同素异构转变又称为重结晶。

铁的同素异晶转变

2 ．铁碳合金中的基本组织（ 1 ）铁素体（ F ）

（ 2 ）奥氏体（ A ）

（ 3 ）渗碳体（ Fe3C ）

（ 4 ）珠光体（ P ）

（ 5 ）莱氏体（ Ld ） 碳的质量分数大于 2.11% 的铁碳合金，从液态结晶过程中冷却到1148℃ 时，发生共晶转变，而形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体（机械混合物）称为莱氏体。

珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，是奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的。碳的质量分数平均为 0.77% ，是一种综合力学性能较好的组织。

渗碳体是铁碳合金中碳的主要存在形式，含碳量为 6.69% ，硬度很高（ HBS800 ），塑性、韧性几乎为零，脆性极大 。

碳溶于 γ-Fe 中的固溶体，用符号A 表示，它保持面心立方晶格结构。强度和硬度略高于铁素体，塑性、韧性较好，因此生产中常将工件加热到奥氏体状态进行锻造。

碳或其他溶质元素溶于 α-Fe 中构成的固溶体，保持体心立方晶格结构。性质接近纯铁，强度、硬度低，塑性、韧性好。

阶段阶段 2 2 铁碳合金状态图铁碳合金状态图 铁碳合金状态图（相图）是表示在平衡状态下（极缓慢冷却或加热的条件下），铁碳合金的化学成分、相、组织与温度的关系图，如图示。

1 ． Fe-Fe3C 相图上的特性线和点（ 1 ） ACD线为液相线（ 2 ） AECF线为固相线 （ 3 ） A 点（ 4 ） D 点 （ 5 ） C 点（ 6 ） ECF线为共晶线 （ 7 ） ES线（ Acm线） （ 8 ） S 点 （ 9 ） PSK线（共析线或 A1线） （ 10 ） GS线（ A3线） （ 11 ） G 点 （ 12 ） PQ线 （ 13 ） P 点

2 ． Fe-Fe3C 相图中的相区

3 ．铁碳合金的分类合金类别 工业纯铁

钢 白口铸铁

亚共析钢 亚共析钢 亚共析钢 亚共晶白口铸铁 共晶白口铸铁 过共晶白口铸铁

含碳量ωc （%）

≤0.02180.0218≤ωc≤2.11 2.11≤ωc≤6.69

＜ 0.77 0.77 ＞ 0.77 ＜ 4.3 4.3 ＞ 4.3

室温组织 F F+P P P+ Fe3CⅡ Ld ＇ +P+ Fe3CⅡ Ld＇ Ld ＇ + Fe3CⅠ

4 ．碳对铁碳合金组织和性能的影响

一般地，随着含碳量的增加，铁碳合金的强度、硬度提高，塑性、韧性降低。

阶段阶段 3 3 铁碳合金状态图的应用铁碳合金状态图的应用

Fe-Fe3C 相图反映了钢铁材料的组织随化学成分和温度变化的规律，因此在生产实际中为选材和制定铸造、锻压、焊接、热处理等加工工艺提供了重要的理论依据。

（ 1 ）在铸造中的应用。 根据相图可以确定各种成分的钢和铸铁的结晶温度，从而确定合金的浇注温度、凝固温度范围，进而判断流动性以及缩孔、缩松的倾向。共晶成分的合金，结晶温度较低，偏析较小，流动性好，因而铸造合金的成分常选用接近共晶成分。 （ 2 ）在锻造中的应用。钢中有奥氏体组织时，塑性好，变形抗力低，易于塑性变形，故常选择单相奥氏体区域的适当温度范围进行锻压加工。

任务任务 4 4 钢的热处理钢的热处理

阶段阶段 1 1 概述概述

阶段阶段 2 2 整体热处理整体热处理

阶段阶段 3 3 表面热处理和化学热处理表面热处理和化学热处理

阶段阶段 1 1 概述概述 热处理是采用适当的方法将固态金属或合金在一定介质中加热、保温和冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的工艺方法。

热处理按目的、加热和冷却方法等的不同，分为三类。（ 1 ）整体热处理。特点是对工件进行整体加热至内外温度相同，再用适当的方

法冷却。常用的热处理方法有退火、正火、淬火、回火。（ 2 ）表面热处理。特点是只对工件表面进行快速加热，目的是改变表层的组织

和性能。常用的热处理方法有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火。（ 3 ）化学热处理。特点是同时改变工件表层和化学成分、组织和性能。常用的

热处理方法有渗碳、渗氮、碳氮共渗等。

1 ．加热和冷却时的转变温度

金属或合金在加热或冷却过程中，发生相变的温度称为相变点或临界点。相变温度可由铁碳合金相图来确定。在实际加热和冷却时，合金有过冷和过热现象，加热时实际相变温度偏高，冷却时偏低。

加热和冷却速度越快，偏离理论相变温度越严重。常用Ac1 、 Accm 、 Ac3 表时加热时偏离的相变温度。用 Ar1 、 Arcm 、 Ar3 表示冷却时偏离的相变温度。

2 ．钢在加热时的组织转变 加热是热处理的第一道工序。加热的过程就是奥氏体化的过程：为使热处理获得所需的性能，将钢加热到临界温度以上，使室温组织转变为均匀的奥氏体的过程。

以共析钢为例，共析钢的组织室温时为珠光体（ F+Fe3C ），当加热到 Ac1线（ 727℃ ）以上时，珠光体转变为奥氏体，转变过程如图示。

若加热温度过高或保温时间过长，奥氏体晶粒将会长大。晶粒大的奥氏体冷却后组织粗大，使热处理后的材料力学性能变差，所以加热温度和保温时间不能过高和过长。

3 ．钢在冷却时的组织转变

钢经奥氏体化后，即使是同一化学成分的钢采用不同的冷却方法和冷却速度，冷却后将得到不同的组织，从而获得不同的性能。

热处理工艺中常用的冷却方式有连续冷却、等温冷却：

（ 1 ）连续冷却。 将已奥氏体化的钢以某种速度连续冷却，使其在临界点以下变温连续转变。

（ 2 ）等温冷却。 将已奥氏体化的钢迅速冷却到相变点以下的某个温度，进行保温，使过冷奥氏体在该温度下恒温转变。

阶段阶段 2 2 钢的整体热处理钢的整体热处理钢的整体热处理包括退火、正火、淬火、回火热处理等工艺。

1 ．退火 退火是将钢加热到 Ac3 （亚共析钢）、 Accm （过共析钢）以上某

一温度范围，保温一定时间，然后缓慢冷却（一般随炉冷却），得到接近平衡状态组织的热处理工艺。

退火的目的：

①降低钢的硬度，提高塑性，以利于切削加工及冷变形加工；②消除钢中的残余内应力，以防工件变形和开裂； ③改善组织，细化晶粒，改变钢的性能或为以后热处理做准备。

2 ．正火

正火是将工件加热到 Ac3 （亚共析钢）或 Accm （过共析钢）以上30 ～ 500C ，保温适当时间，在自由流通的空气中冷却，得到珠光体类组织的热处理工艺。

正火主要目的：

①对不太重要的零件，可细化晶粒，组织均匀，提高机械性能，作为最终热处理； ②对低碳钢火低碳合金钢，可提高硬度，改善切削加工性；③对于过共析钢或工具钢，可减少二次渗碳体，并使其不呈连续网状碳

化物，便于球化退火。

3 ．淬火

淬火是将钢加热到相变温度以上，保温一定时间，然后快速冷却以获得 氏体或 下贝氏体组织的热处理工艺。

淬火可提高工件的硬度和耐磨性，一般淬火后的工件再配合适当温度的回火，可获得较好的综合力学性能，如刀具、模具、轴和齿轮等的淬火热处理。淬火质量取决于加热温度和冷却方式。

淬透性是指钢在淬火后，获得淬透层（淬硬层）深度的能力。 淬硬性是指钢淬火时能达到的最高硬度。淬透性越好，淬硬层越深，淬硬性也越好。淬透性对钢的力学性能影响很大，所以，机械设计中选材时，要考虑材料的淬透性。

4 ．回火

回火是将淬火后的工件加热到 Ac1 以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。

（ 1 ）回火目的 淬火时冷却速度较快，工件内部产生很大的内应力，且淬火后的组织

不稳定，故淬火后必须回火。回火的目的是：①减少和消除淬火应力。②稳定工件尺寸，防止变形和开裂 。③获得工件所需的组织和性能，即获得要求的强度、硬度和韧性。

（ 2 ）回火的种类及应用①低温回火（加热温度为 150 ～ 2500C ）。用于各类高碳钢的工具、

模具、量具。 ②中温回火（加热温度为 350 ～ 5000C ）。 用于各种弹簧、弹簧夹

头及锻模。 ③高温回火（ 加热温度为 500 ～ 6500C ， ）。工厂一般把淬火和高

温回火叫调质处理。 用于重要的零件如轴、齿轮、连杆和螺栓。

阶段阶段 3 3 钢的表面热处理和化学热处理钢的表面热处理和化学热处理 表面热处理是为改变工件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺。表面淬火是最常用的表面热处理方法。

1 ．表面淬火

表面淬火是将工件的表面层淬硬到一定深度，而心部仍保持未淬火状态的一种局部淬火工艺方法。

表面淬火一般适用于表面硬而耐磨、心部具有较高韧性的零件，如曲轴、花键轴、凸轮、齿轮等。零件在表面淬火前一般需进行正火或调质处理，表面淬火后要进行低温回火。

按加热方法的不同，表面淬火分为感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火、电接触加热表面淬火、电解加热表面淬火等。

2 ．化学热处理

化学热处理是将工件置于活性介质中加热和保温，使介质中活性原子渗入工件表层，以改变其表面层的化学成分、组织结构和性能的热处理工艺。

根据渗入元素的类别，化学热处理可分为渗碳、氮化、碳氮共渗等。

化学热处理的主要目的，除提高钢件表面硬度，耐磨性以及疲劳极限外，也用于提高零件的抗腐蚀性、抗氧化性，以代替昂贵的合金钢。

任何化学热处理方法的物理化学过程基本相同，都要经过分解、吸收

和扩散三个过程。

任务任务 5 5 工业用钢工业用钢

阶段阶段 1 1 钢材的加工及生产过程钢材的加工及生产过程

阶段阶段 2 2 钢的分类、牌号及其应用钢的分类、牌号及其应用

阶段阶段 1 1 钢材的加工及生产过程钢材的加工及生产过程 钢是指以铁为主要元素，含碳量在 2.11% 以下，并含有其他元素的黑色金属材料。钢的品种多、规格齐全、性能好、价格低，并且能用热处理的方法改善性能，是工业中应用最广的材料。

1 ．炼钢方法

炼钢方法 热 源 主要原料 主 要 特 点 产 品

氧气转炉 氧化反应的化学热能 生铁、废钢

冶炼速度快、生产率高、成本低、品种多、质量较好、适用于大量生产

非合金钢低合金钢

电弧炉 电能 废钢 炉料通用性大，炉内气氛可控，脱氧好，质量优良、品种多 合金钢

2 ．钢的脱氧

钢液中的过剩氧气与铁生成氧化物，对钢的力学性能会产生不良影响，因此须在浇注前对钢液进行脱氧。按脱氧的程度不同，钢可分为特殊镇静钢（ TZ ）、镇静钢（ Z ）、半镇静钢（ bZ ）、沸腾钢（ F ）等四类。

（ 1 ）镇静钢。是脱氧完全的钢。这类钢锭化学成分均匀，内部组织致密，质量较高。

（ 2 ）沸腾钢。是脱氧不完全的钢。这类钢化学成分不均匀，组织不够致密，质量较差。

（ 3 ）半镇静钢。其脱氧程度和性能介于镇静钢和沸腾钢之间。

（ 4 ）特殊镇静钢。脱氧质量优于镇静钢，内部材质均匀，非金属夹杂物少，可满足特殊需要。

3 ．钢的浇注

钢液经脱氧后，少数用于浇注成铸钢件，其余浇注成钢锭或通过连铸法制成连铸坯。钢锭用于轧钢或锻造大型锻件的毛坯。连铸法由于生产率高，钢坯质量好，节约能源，生产成本低，得到广泛应用。

4 ．钢材 钢锭经过轧制，最终形成板材、管材、线材和其他材料。

（ 1 ）板材。分为厚板和薄板。 4 ～ 6㎜为厚板，常用于制造船舶和压力容器。 4㎜以下为薄板，分为冷轧和热轧钢板。

（ 2 ）管材。分为无缝钢管和有缝钢管。无缝钢管用于石油、锅炉等行业。有缝钢管用带钢焊接而成，用于煤气、自来水的管道。

（ 3 ）型材。常用的有方钢、圆钢、扁钢、角钢、槽钢、工字钢、钢轨等。

（ 4 ）线材。由圆钢经冷拔而成，如高碳钢丝用于制作弹簧丝或钢线绳等，低碳钢丝用于捆绑或编织等。

阶段阶段 2 2 钢的分类、牌号及应用钢的分类、牌号及应用

钢按化学成分分为非合金钢（碳钢）、低合金钢和合金钢；按用途分为结构钢、工具钢和特殊性能钢；按含碳量分为低碳钢（ ωc ＜ 0.25% ）、中碳钢（ ωc=0.25% ～ 0.60% ）、高碳钢（ ωc ＞ 0.60% ）

1 ．钢的分类

2 ．非合金钢

非合金钢是含碳量 ωc ＜ 2.11% ，并含有少量硅、锰、硫、磷等杂质元素的铁碳合金。碳钢按用途分为结构钢和工具钢；按质量分为普通质量非合金钢、优质非合金钢和特殊质量非合金钢。

含碳量在 0.06%∼0.38%之间，硫、磷含量较高，在供应状态下使用，不需热处理。常用于一般工程结构及普通零件。其牌号由代表屈服点的字母 Q 、屈服点的数值、质量等级符号 (A 、 B 、 C 、 D) 和脱氧方法符号(F 、 b 、 Z 、 TZ)组成。如 Q235--A·F ，表示其屈服点为 235MPa ，质量等级为 A 级，沸腾钢。

（ 1 ）普通碳素结构钢

（ 2 ）优质碳素结构钢

按化学成分和力学性能供应，杂质含量少，表面质量、组织结构的均匀性较好，需经热处理，用于制作重要的零件。其牌号采用两位数字来表示，表示该钢号的平均含碳量的万分数。这类钢按冶金质量分为优质钢、高级优质钢（ A ）、特级优质钢（ E ）；按含锰量不同分为普通含锰量（ 0.25% ～ 0.8% ）和较高含锰量（ 0.75% ～ 1.2% ）两种。当为较高含锰量时，在钢号后加 “Mn” 。如 20 钢，表示平均含碳为 0.2% ；65Mn 平均含碳量为 0.65% ，为较高含锰量。

为高碳钢， ωc=0.65% ～ 1.35% 。其牌号由字母“ T” （“碳”字汉语拼音字首）和数字组成，数字表示碳含量的千分数。碳素工具钢按质量分为优质碳素工具钢和高级优质碳素工具钢两类。若牌号末尾加“ A” ，则为高级优质碳素工具钢，如 T10A 。 这类钢经热处理后，具有较高的硬度和耐磨性，主要用于制作低速切削刃具、量具和对热处理要求较低的一般模具。

（ 3 ）碳素工具钢

（ 4 ）铸钢 铸钢含碳量为 ωc=0.15% ～ 0.6% 。其牌号首位为字母“ ZG”（“铸钢”十字的汉语拼音字首）。牌号其余部分有两种表示法：其一是用力学性能表示，在“ ZG” 后面有两组数字，第一组表示该牌号钢的最低屈服强度，第二组数字表示最低抗拉强度。如 ZG340-640 ，表示σs≥340MPa ， σb≥640 MPa 的铸钢。其二是用化学成分表示，在“ ZG” 的后面用一组数字表示铸钢平均含碳量的万分数（平均含碳量大于 1% 时不标出，平均含碳小于 0.1% 时第一位数字为“ 0” ）；在含碳量后面依次排列各主要合金元素符号及用整数表示的该元素含量的百分数。如 ZG15Cr1Mo1V ，表示平均含碳量ωc=0.15% 、 ωCr=1% 、 ωMo=1% 、 ωV ＜ 0.9% 的铸钢。

3 ．合金钢

为了改善钢的组织和性能，在炼钢时有意加入的元素，称合金元素。含有一种或数种有意添加的合金元素的钢称为合金钢。通常加入的合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛及稀士元素。

（ 1 ）合金钢分类 按合金元素含量分为低合金钢、合金钢，按用途分为结构钢、工具钢、特殊性能钢。

（ 2 ）低合金结构钢 低合金结构钢是一类可焊接的低碳低合金结构用钢，一般在热轧或正

火状态下使用。这类钢成本低，强度较高，广泛应用于建筑、桥梁、车辆、船舶石油、化工等行业。

低合金结构钢的牌号表示法与普通碳素结构钢相同，如 Q390A 表示σs≥390MPa 、质量为 A 级的低合金高强度结构钢。常用牌号有Q295 、 Q345 、 Q390 、 Q420 、 Q460 。

（ 3 ）合金结构钢 合金结构钢的牌号采用“数字 + 化学元素 + 数字”的方法。前面两位数字表示平均含碳量的万数，化学元素后面的数字表示合金元素含量的百分数。当合金元素平均含量小于 1.0% 时，不标出数字，当平均含量分别是 1. 5% ～ 2.4% 、 2. 5% ～ 3.4% 、 3. 5% ～ 4.4% 等时，则在相应化学元素符号后标出2 、 3 、 4 等。如 20CrMnTi 钢，表示钢中平均含碳量ωc=0.2% 、 ωCr 、 ωMn 、 ωTi 均小于 1. 5% 。

（ 4 ）合金工具钢 合金工具碳是在碳素工具钢的基础上加上合金元素（ Si 、 Cr 、 Mn 、 Mo 、

W 等）而成的钢种。由于合金元素的加入改善了钢的热处理性能，提高了钢的热硬性、耐磨性。合金工具钢按用途分为量具钢、模具钢、刃具钢。

合金工具钢牌号为数字 + 化学元素符号 + 数字。前面数字表示钢的平均含碳量，以千分数表示，但高于 1.0% 时不标出，牌号其余部分同合金结构钢。如5CrMnMo 表示含碳量 ωc=0.5% ， ωMn 、 ωMo含量小于 1. 5% 的钢。

（ 5 ）特殊性能钢 特殊性能钢是指具有某些特殊的物理、化学、力学性能，因而能在特殊的环境

中工作 .特殊性能钢牌号与合金工具钢基本相同，用“数字 + 化学元素符号 + 数字”表示。前面数字表示钢的平均含碳量，以千分数表示，但当平均含碳量小于0.03% 时标为“ 00” ，小于等于 0.08% 时标为 0 ，如 2Cr13 、 00 Cr17Ni14Mo2 、 0 Cr18Ni11Ti 等。

常用的特殊性能钢有不锈钢、耐热钢、耐磨钢。