第2章 常用黑色金属材料

材料、能源与信息是构建现代文明的三大支柱，而材料又是一切现代工程技术的基础和源泉。材料不仅是人类进化的标志，而且是社会现代化的物质基础与先导。自20世纪80

年代以来，人们又把新材料、生物工程和信息作为产业革命的重要标志，尤其是新材料

的研究、开发与应用可以反映一个国家的科学技术与工业水平，它关系到国家的综合国力与安全。工程材料主要是指结构材料，指用来制作零件和元件的材料。按组成特点分类，常用的工程材料有金属材料、非金属材料和复合材料三大类。2.1常用金属材料力学性能目前机械工程应用中离不开金属材料的支持，小到农具、机械零件、日常用品，大到飞机、导弹、火箭、卫星、核潜艇

等尖端武器以及原子能、通信、雷达等尖端技术所需的构件或部件大都是由金属材料制成。

各种材料由于化学成分、分子结构等不同，导致其表现出的使用性能均有差异，尤其是黑色金属材料，通过热处理后其性能变化更大，且黑色金属材料也是目前机械工程领域中应用最广泛的材料之一

，因此本章重点介绍黑色金属材料的基本知识。

金属材料的性能包含使用性能和工艺性能。

使用性能是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能，如力学性能、物理性能和化学性能。

工艺性能是指金属材料在制造工艺过程中，适应各种冷加工和热加工的性能。如铸造性能、锻造性能、焊接性能、切削加工性能、热处理工艺性能。

金属材料的力学性能(也称机械性能)是指金属材料在外力作用下其强度和变形方面所表现的性能，一般由试验来确定。室温下常用的力学性能有强度、塑性、弹性、刚度、硬

度、冲击韧性和疲劳强度等。

本节重点：金属材料的力学性能本节难点：各性能指标的物理意义和测定方法主要内容：金属材料的力学性能,包括材料的强度、硬度、塑性、冲击韧性、疲劳强度等。

强度金属材料在载荷作用下抵抗塑性变形或断裂的能力称为强度。抵抗能力越大，金属材料的强度越高。根据外力的作用方式，有多种强度指标，如抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度、抗压强度等，其中以拉伸试验所得的抗拉强度指标应用最为广泛，通常强度是依据国家标准GB/T228.1—2010《金

属

材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》的规定进行静拉伸试验获得的。为便于比较试验结果，试样必须按照国家标准加工成标准试样，

一种圆形截面的拉伸标准试样如图所示样如图2-1所示。

强度样如图2-1所示。

试验时在试样两端缓慢地施加试验力，使试样的标距部分受轴向拉力，沿轴向伸长，直至试样拉断为止。从完整的拉伸试验和力-伸长曲线可以看出，试样从开始拉伸到断裂要经过弹性变形阶段、屈服阶段、冷变形强化阶段、缩颈与断裂阶段。弹性变形阶段（oe段）屈服阶段(es段)均匀塑性变形阶段(sb段)局部塑性变形阶段(bk段)

强度

（

1、规定非比例伸长应力

金属材料符合虎克定律的最大应力称为比例极限（比例伸长应力），以

表示。由于不能用实验直接测定，故采用“规定非比例伸长应力”代之。“规定非比例伸长应力”是试样标距部分的非比例伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。

强度

2、屈服点和规定残余伸长应力

在拉伸过程中力不增加（保持恒定），试样仍能继续伸长时的应力称为材料的屈服点（屈服极限），以

表示。屈服点是具有屈服现象的材料特有的强度指标。是工程上极为重要的力学性能指标之一，也是大多数机械零件选材和设计的依据。

强度工业上使用的一些金属，如铸铁、高碳钢等，在进行拉伸试验时没有明显的屈服现象，也不会产生缩颈现象，这就需要规定一个相当于屈服点的强度指标，即规定残余伸长应力。例如

表示规定残余伸长率为0.2%时的应力。

强度

3、抗拉强度抗拉强度的物理意义是表征材料对最大均匀变形的抗力，表征材料在拉伸条件下所能承受最大力（拉断前承受）的标称应力值，是设计和选材的主要依据之一。

强度塑性塑性是指金属材料在外力作用下产生塑性变形(外力去除后不能恢复的变形)而不断裂的能力。金属材料的常用塑性指标有断后伸长率和断面收缩率.１、断后收缩率：试样拉断后，标距的伸长与原始标距的百分比称为断后伸长率，以δ表示。

由于拉伸试样的原始标距与试样原始直径之间具有不同的比例，因此试样分为长试样和短试样，表示方法也不一样。

2、断面收缩率：断面收缩率是指试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。断面收缩率用Ψ符号表示，Ψ值可用下式计算：塑性

金属塑性的好坏，对零件的加工和使用都具有重要的意义。塑性好的材料不仅能够顺利地进行锻压、轧制等成形工艺，而且在使用时万一超载，由于塑性好，能避免突然断裂。所以大多断机械零件除要求较高的强度外，还都必须具有一定的塑性。

材料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。一个小的金属表面或很小的体积内抵抗弹性变形、塑性变形或抵抗破裂的一种抗力，是一个由材料的弹性、强度、塑性、韧性等一系列不同力学性能组成的综合性能指标，衡量金属软硬程序的一种性能指标；硬度所表示的量不仅决定于材料本身，而且还取决于试验方法和试验条件。

硬度

布氏硬度布氏硬度的试验原理是用一定直径的淬火钢球或硬质合金球，以规定的试验力压入试样表面，经规定的保持时间后，去除试验力，测量试样表面压痕直径d，然后根据压痕直径d计算其硬度值。布氏硬度值是球面压痕单位表面积上所承受的平均压力。

硬度

当压头为淬火钢球时，硬度符号为HBS，适用于布氏硬度值低于450的金属材料，如灰铸铁、有色金属及经退火、正火和调质处理的材料；当压头为硬质合金钢时，硬度符号为HBW，适用于布氏硬度值为450~650的金属材料。

布氏硬度的标注方法是：测定的硬度值应标注在硬度符号前面。除了采用钢球直径D为10mm，试验力为3000Kgf（26.42kN），保持时间为10s的试验条件外，在其他条件下试验测得的硬度值，均应在硬度符号的后面用相应的数字注明压头直径、试验力大小和试验力保持时间。

布氏硬度硬度

布氏硬度测试方法因压痕面积较大，能反映出较大范围内被测试金属的平均硬度，故试验结果较精确。但因压痕较大，则不宜测试成品或薄片金属的硬度。主要适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软软的轴承合金。

洛氏硬度洛氏硬度的试验原理是以锥角为120度的金刚石或直径为1.588mm的淬火钢球压入试样表面。试验时，先加初试验力，然后加主试验力，压入试样表面之后，去除试验力，在保留试验力的情况下，根据试样压痕深度来衡量金属的硬度大小。

硬度

人为规定一常数K减去压痕深度h的值作为洛氏硬度指标，并规定每0.002mm为一个洛氏硬度单位，用符号HR表示，刚洛氏硬度值为：

洛氏硬度常用的标尺有：B、C、A三种。HRB轻金属，未淬火钢；HRC较硬金属，淬硬钢制品；HRA硬、薄试件。硬度洛氏硬度

洛氏硬度根据试验时选用的压头类型和试验力大小的不同分别采用不同的标尺进行标注。硬度数值写在符号的前面，HR后面写使用的标尺，如50HRC表示用“C”标尺测定的洛氏硬度值为50。洛氏硬度是目前工厂中应用最广泛的试验方法。其特点是：硬度试验压痕小，对损伤小，常用来直接检验成品或半成品的硬度；试验操作简便，可以直接从试验机上显示出硬度值，省去了繁琐的测量、计算和查表等工作。但是，由于压痕小，硬度值的准确性不如布氏硬度，因此，在测试洛氏硬度时通常都选取不同位置的三点测出硬度值，再计算平均值作为被测金属的硬度值。硬度的换算关系：1HRC≈10HB

硬度洛氏硬度

实际试验时，用测微计测出压痕对角线长度，算出两对角线长度的平均值后，查表就可得出维氏硬度。维氏硬度维氏硬度的试验原理是夹角为136度的正四棱锥体金刚石作为压头，以选定的试验力（49.03~98.07N）压入试样表面，经规定保持时间后，去除试验力，则试样表面上压出一个正四棱锥形的压痕，测量压痕两对角线的平均长度，计算硬度值。

2、维氏硬度的表示方法

维氏硬度是用正四棱锥压痕单位表面积上承受的平均压力表示硬度的，用符号HV表示。

硬度

维氏硬度的测量范围在5~1000HV。硬度数值写在符号的前面，试验条件写在符号的后面。对于钢及铸铁，当试验力保持时间在10~15s时，可以不标出。如：

640HV30表示：用30kgf（294.2N）试验力保持10~15s测定的维氏硬度值为640。

640HV30/20表示：用30kgf（294.2N）试验力保持20s测定的维氏硬度值为640。

维氏硬度适用范围宽，从极软的材料到极硬的材料都可以测量。尤其适用于零件表面层硬度的测量，如化学热处理的渗层硬度测量，其结果精确可靠。但测量效率较低，没有洛氏硬度方便，不适用于大批测量，也不适用于测量组织不均匀的材料（如灰铸铁）。

维氏硬度硬度

冲击韧性冲击韧性是指金属材料在冲击载荷作用下吸收塑性变形功和断裂功的能力，其指标以冲击韧度

ak

表示，

ak值越大，金属材料冲击韧性越好。冲击韧性是金属材料强度和塑性的综合表现。ak值低的金属材料称为脆性材料，断裂时无明显变形，有金属光泽，呈结晶状。ak值高的材料称为韧性材料，有明显塑性变形，断口呈灰色纤维状，无光泽。疲劳强度

疲劳是指金属材料在受到循环应力作用时，经过一定的循环周次后，往往在工作应力远

小于抗拉强度，甚至小于屈服强度的情况下发生断裂。

疲劳强度是指金属材料经无数次应力循环而不发生疲劳断裂的最高应力值。

疲劳断裂的特点是：不管是脆性材料还是韧性材料，其疲劳断裂都是突然发生的，无明

显的塑性变形，属低应力脆断，具有很大的危险性。

疲劳失效过程分为疲劳裂纹产生、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。

钢和铸铁是机械工业生产中广泛应用的金属材料，它们是以铁和碳两种元素为基本组元的复杂合金，统称为铁碳合金。

碳的质量分数2.11%通常是钢和铁的分界线。

钢中碳的质量分数小于2.11%，并含有其他元素。

铸铁是碳的质量分数大于2.11%的铁碳合金。a)型材

b)管材

c)板材

常见钢材类型2.2钢（含碳量小于2%,大于0.7%的铁、碳合金）1.钢碳素钢碳素结构钢碳素工具钢：T7、T8普通碳素结构钢如Q235、Q275等优质碳素结构钢低碳钢C＜0.25%如20合金钢合金结构钢合金工具钢、高速工具钢、硬质合金工具钢特类钢不锈钢，如2Cr13、滚动轴承钢，如GGr9SiMn、耐热钢，如3Gr18Ni25Si2等。合金结构钢如35CrMn2，40CrNiMoA(优质）低金结构钢如12Mn弹簧钢如60Si2MnA中碳钢0.6%＜C＜0.25%如45高碳钢0.6%＜C如60钢钢按化学成分可分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类。非合金钢又称碳素钢，是指碳的质量分数小于2.11%并含有少量的硫、磷、锰、硅等杂质元素的铁碳合金，其中硫、

磷是在炼钢时由原料带入钢中的杂质元素，锰、硅是在炼钢加入脱氧剂时带入的有益元素。

合金钢是指为了提高钢的性能，在普通碳素钢基础上适量加入一种或多种合金元素所获得的铁基合金。钢的分类方法有多种，常用的分类方法有如下三种。(1)按用途分类1)碳素结构钢：用于制造金属结构和机械零件。2)碳素工具钢：用于制造刀具、量具和模具。(2)按钢的含碳量分类1)低碳钢：碳的质量分数wc<0.25%。2)中碳钢：碳的质量分数wc=0.25%～0.6%。3)高碳钢：碳的质量分数wc>0.6%。(3)按钢的质量分类

碳素钢的质量是以磷、硫的含量来划分的，分为普通碳素钢、

优质碳素钢、高级优质碳素钢，见表2-1。

碳素钢的分类钢类质量分数Wpws普通碳素钢≤0.035%≤0.035%优质碳素钢≤0.030%≤0.030%高级优质碳素钢≤0.025%≤0.025%

凡用于制造机械零件各种工程结构件的钢都称为结构钢。

碳素结构钢易于冶炼，价格便宜，其性能基本能满足一般工程结构件的要求，主要用于制造各种金属构件和不重要、不需要热处理的机械零件，是目前产量最大、使用最多的一类钢种。

碳素结构钢和低合金高强度结构钢的牌号

由代表屈服强度的“屈”的汉语拼音字首+屈服强度数值+质量等级符号(A、B、C、D)+脱氧方法符号

(F—

沸腾钢、B—半镇静钢、

Z—镇

静

钢

、TZ—特殊镇静钢，其中Z和

TZ可省略)四部分组成，即

Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号。

屈服强度值的单位是

MPa。

质量等级符号为

A、B、C、D、E,由

A到

E,其

P、S含

量

依

次

下

降

，

质

量

逐

渐

提

高

。

碳

素

结

构

钢

牌

号

可

表

示

为

Q235AF、Q235BZ。

常用碳素结构钢

牌号等级下屈服强度R/MPa与旧标准用途Q195

——315～390A1用于制造承载较小的零件、铁丝、铁圈、垫圈、开白销、拉杆、冲压件及焊接件等Q215A335～410A2用于制造拉杆、套圈、垫圈、渗圈、渗碳零件及焊接件等BC2

Q235A

375～460A3

A、B级用于制造金属结构件、心部强度要求不高的渗碳件或碳氮共渗件、拉杆、连杆、吊钩、车钩、螺栓、螺母、套筒、轴以及焊接件；C、D级用于制造重要的焊接结构件BB3C——D—Q255A410~510A4用于制造传动轴、心轴、吊钩、拉杆、摇杆、楔等强度要求不高的零件BC4Q275

490~610C5用于制造轴类、链轮、齿轮、吊钩等强度要求高的零件碳素结构钢的牌号及用途常用碳素结构钢

优质碳素结构钢是用来制造较为重要机械零件的非合金结构钢，是碳的质量分数小于

0.8%的碳素钢，这种钢中所含的硫、磷及非金属夹杂质比碳素结构钢少，力学性能较优良。

优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万分之几，如45钢表示钢中平均碳的质量分数为万分之四十五(即0.45%)的优质碳素结构钢。优质碳素结构钢常用优质碳素结构钢的牌号、热处理及用途钢组牌号热处理种类硬度HBW(≤)用途

普通含锰量钢

15正火143塑性、韧性、焊接性能和冷压性能均极好，但强度较低，用于制造受力不大，韧性要求较高的零件、紧固件、冲压件及不要求热处理的低负荷零件，如螺栓、螺钉、拉条、法兰盘等正火回火

99～143

20正火156用于制造不承受很大应力而要求很高韧性的机械零件，如杠杆、轴套、螺钉、起重钩等；还可用于制造表面硬度高而心部有一定强度和韧性的渗碳零件正火回火103～156

45正火197～241用于制造要求强度较高，韧性中等的零件，通常在调质、正火状态下使用，淬火硬度一般在40～50HRC,如齿轮、齿条、链轮、轴、键、销、压缩机及泵的零件和轴辊等。可代替渗碳钢制造齿轮、轴、活塞销等，但需要进行过高频淬火或火焰表面淬火正火回火156～217

217~255

60

229~255具有相当高的强度和弹性，但在淬火时有产生断裂的倾向，仅小型零件才能进行淬火，大型零件多采用正火；用于制造轴、弹簧、垫圈、离合器、凸轮等，冷变形时塑性较低较高含锰量钢20Mn正火197此钢为高锰低碳渗碳钢，可用于制造凸轮轴、齿轮、联轴器、铰链、拖杆等

60Mn

正火

229~269此钢的强度较高，淬透性好，脱碳倾向性小，但有过热敏感性，容易产生淬火裂纹，并有回火脆性，用于制造螺旋弹簧、板簧、各种扁圆弹簧、弹簧环片以及冷拔钢丝和发条等优质碳素结构钢合金钢就是在碳素钢的基础上，为了改善钢的某些性能或使之具有某些特殊性能，在炼钢时适量加入元素。这些元素称为合金元素。它使钢具有较高的力学性能、淬透性和回火稳定性等，有的还具有耐热、耐酸、耐蚀等特殊性能。合金钢中加入的合金元素主要有硅(Si)、锰(Mn)、铬(Cr)、镍(Ni)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、钛(Ti)、铌(Nb)、钴(Co)、铝(Al)、硼

(B)及稀土元素(RE)等。合金钢合金元素在钢中主要以两种形式存在：一种形式是溶入铁素体中形成合金铁素体一种形式是与碳化合形成合金碳化物合金钢按用途分类可分为合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。①合金结构钢用作机械零件和各种工程构件，并且含有一种或数种一定量的合金元素

的钢。合金结构钢由于具有合适的淬透性，经适宜的金属热处理后，显微组织为均匀的索氏体、贝氏体或极细的珠光体，因而具有较高的抗拉强度和屈强比(一般在0.85左右),较

高的韧性和疲劳强度，较低的韧性-脆性转变温度，可用于制造截面尺寸较大的机械零件。②合金工具钢合金工具钢在碳素工具钢基础上加入铬、钼、钨、钒等合金元素以提高淬透性、韧性、耐磨性和耐热性的一类钢种。它主要用于制造量具、刀具、耐冲击工具和冷、热模具及一些特殊用途的工具。③特殊性能钢特殊性能钢具有特殊物理或化学性能，用来制造除要求具有一定的力学性能外，还要求具有特殊性能的零件。其种类很多，机械制造中主要使用不锈耐酸钢、耐热钢、耐磨钢。不锈耐酸钢包括不锈钢与耐酸钢。能抵抗大气腐蚀的钢称为不锈钢，而在一些化学介质

(如酸类等)中能抵抗腐蚀的钢称为耐酸钢。合金钢按合金元素总含量分类可分为低合金钢、中合金钢和高合金钢。①低合金钢：合金元素总质量分数<5%。②中合金钢：合金元素总质量分数=5%～10%。③高合金钢：合金元素总质量分数>10%。合金钢合金结构钢

牌号：

由两位数字(碳的质量分数)+元素符号(或汉字)+数字组成

前面两位数字表示钢中平均碳的质量万分数

元素符号(或汉字)表明钢中含有的主要合金元素

后面的数字表示该元素的平均质量分数注意：当钢中某合金元素平均质量分数小于1.5%时不用标注，平均质量分数为1

.5%～2

.5%、2.5%~3.5%…

时，则相应地标以2、3

…如下所示。合金钢合金钢多为优质钢，无须特殊表示。当合金钢为高级优质钢时，在其牌号尾加

A表示。必要时可将表示产品用途、特性或工艺方法的字符加在牌号尾部。第七章工业用钢－§7.1钢的分类和编号

合金结构钢（ConstructionalAlloySteel）用“数字＋元素符号＋数字”表示举例：

36Mn2Si平均含碳量的万分之几

平均wC=0.36%含有锰元素，平均wMn=2%含有硅元素，平均wSi<1.5%合金钢合金钢合金工具钢合金工具钢与合金结构钢的区别仅在于含碳量的表示方法。合金工具钢的牌号：

（无）数字＋元素符号＋数字+····”表示合金工具钢用一位数字表示平均碳的质量千分数当碳的质量分数≥1.0%时，则不予标出。在碳含量(以千分数计)前加数字“0”。当碳质量分数<1%时，则在编号前以一位数字表示碳的质量分数，以千分之几记。第七章工业用钢－§7.1钢的分类和编号

合金工具钢（AlloyToolSteel）用“数字＋元素符号＋数字”表示举例：

9Mn2V平均含碳量的千分之几

平均wC=0.9%含有锰元素，平均wMn=2%含有钒元素，平均wV<1.5%合金钢特殊性能钢合金钢特殊性能钢主要有：高强度钢、耐磨钢、耐热钢、耐蚀钢（不锈钢）等高强度钢

一般指抗拉强度σb＞1500Mpa，并具有一定韧性的钢。用于航空、火箭导弹等1）低合金高强度钢

碳质量分数为0.30％～0.50％，合金元素总量小于5.0％。如40CrNiMoA、45CrNiMoVA等。σb

＞1800MPa，一般用于制造小型零件，工作温度低于200℃；也可用作飞机结构用钢。2）中合金高强度钢这类钢一般用于制作热作模具及在500℃以下工作飞机、火箭零件3）高合金高强度钢

合金元素总量较高。常用的有基体钢和马氏体时效钢。

高强度钢3）高合金高强度钢

合金元素总量较高。常用的有基体钢和马氏体时效钢。1）基体钢：常用的基体钢有65Cr4W3Mo2VNb，可用于航空器上的紧固件等

2）马氏体时效钢：碳质量分数小于0.03％，合金元素总量为18％～25％，这类钢经淬火后可获得稳定的马氏体组织，并可通过时效处理，常用牌号有Ni25Ti2AlNb和Ni18Co9Mo5TiAl，主要用于超音速飞机和火箭壳体等重要材料及压铸模等。合金钢是指在冲击载荷作用下发生冲击硬化的高锰钢.常用的只有ZGMn13一个钢号.1、成分特点⑴

高碳：1.0~1.3%C

以保持高耐磨性。⑵高锰：11~14%Mn以保证形成奥氏体组织.耐磨钢高锰钢铸件高锰钢合金钢高锰钢广泛用于既要求耐磨又要求耐冲击的零件。如拖拉机的履带板、球磨机衬板、破碎机牙板、挖掘机铲齿和铁路辙岔等.

履带球磨机衬板挖掘机铲齿铁路辙岔破碎机牙板2.用途合金钢耐磨钢涡轮机机壳钢制法兰1、珠光体耐热钢常用钢号为15CrMo、12Cr1MoV，是低合金钢。用途：600℃以下的锅炉零件，压力容器，热交换器等。2、马氏体耐热钢常用钢号为1Cr13、1Cr11MoV、4Cr9Si2。用途：1Cr13、1Cr11MoV用于550℃以下汽轮机叶片；4Cr9Si2是汽车阀门用钢。3、奥氏体耐热钢最典型钢号是1Cr18Ni9Ti。合金钢耐热钢合金钢不锈钢在腐蚀介质中具有耐蚀性能的钢。化工管道的腐蚀裂解管内壁的高温腐蚀减薄1、马氏体不锈钢主要是Cr13型不锈钢钢号为1Cr13~4Cr13随含碳量提高，强度、硬度提高，耐蚀性下降。用于要求塑韧性较高的耐蚀件，如汽轮机叶片等。汽轮机叶片合金钢不锈钢2、铁素体不锈钢典型钢号如0Cr13、1Cr17等。耐酸蚀，抗氧化能力强，塑性好，但有脆化倾向。广泛用于硝酸和氮肥工业的耐蚀件。1Cr17削片刀合金钢不锈钢3、奥氏体不锈钢主要是18-8（18Cr-8Ni）型不锈钢。具有良好的耐蚀性，冷热加工性及可焊性。高的塑韧性,无磁性。常用钢种为1Cr18Ni9、1Cr18Ni9Ti广泛用于化工设备及管道.

不锈钢带按合金结构钢的用途和热处理特点可分为合金渗碳钢、合金调质钢、

合金弹簧钢和超高强度钢等。合金结构钢

合金渗碳钢

合金渗碳钢是指经过渗碳、淬火、低温回火后使用的低碳合金结构钢，具有外硬内韧的性能，用于承受冲击的耐磨件，如汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等。

含碳量为0.1%--0.2%，主加元素为Cr、Mn、钛、钒，提高了淬透性，使晶粒细化，耐磨性提高。以20Cr、20CrTiMn为最广。变速齿轮拨叉合金调质钢

含碳量为0.25%--0.5%,主加元素为Cr、Mn、Si、Ni等以提高淬透性和强化铁素体.调质钢具有良好的综合力学性能。

合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如齿轮、轴类件、连杆等。

曲轴

连杆

合金结构钢合金弹簧钢

它具有高的弹性、疲劳强度及冲动韧度。含碳量为0.5%--0.7%,主加元素为Cr、Mn、Si等以提高淬透性和弹性极限。

合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种弹簧和弹性元件。

拉力弹簧

离合器弹簧

合金结构钢超高强度钢是指下屈服强度大于1370MPa、抗拉强度

大于1500MPa的特

殊质量合金结构钢。按其化学成分和强韧化机制可分为低合金超高强度钢(30CrMnSiNi2A等)、二次硬化型超高强度钢(4Cr5MoSiV等)、马氏体时效钢(如

Ni25Ti2AINb等)和超高强度不锈钢(07Cr15Ni7Mo2Al等)四类。超高强度钢主要用于制造航空和航天工业中重要

零件，如35Si2MnMoVA,其抗拉强度可达1700MPa,可用于制造飞机的起落架、框架、发

动机曲轴等。超高强度钢合金结构钢滚动轴承钢

主要用来制造滚动轴承的滚动体（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等，属专用结构钢。

碳质量分数一般为0.95%--1.10%，以保证其高硬度、高耐磨性和高强度。铬为基本合金元素，铬含量为0.40%--1.65%。高碳低铬。如：GCr15合金结构钢

将熔炼好的钢液直接铸成零件或毛坯的铸件称作铸钢件。

铸钢按其化学成分可分为铸造合金钢和铸造碳钢，也可以按其使用特性分为铸造工具钢、铸造特殊钢、工程与结构用铸造

碳钢和铸造合金钢等。

铸钢的牌号用ZG后面加两组数字组成，如ZG200-400,表示屈服强度不低于200MPa,抗拉强度不低于400MPa的铸钢。

与铸铁相比，铸钢件的抗拉强度、塑性、韧性都较高，因此一般用在铸造形状复杂、力学性能要求较高的场合。

如果制造高拉伸强度或动态载荷部件、重要的压力容器铸件和在低温或高温下承担重载荷的核心部件时，原则上优先使用铸钢件。同时，与锻钢件相比，铸钢件的力学性能在各个方向相差不大，比锻钢件占有优势。铸钢钢的热处理钢的热处理是指将钢在固态下加热到预定温度，保温一定时间，再以不同速度冷却来改变钢的内部组织，从而改善其使用性能和工艺性能的一种工艺方法。与其他加工工艺(如

锻造、铸造、焊接、切削加工等)不同，它的目的不是改变材料或零件的外形尺寸，而是改变内部组织和性能。

影响钢的热处理的因素有加热温度、加热速度、保温时间、冷却速度等。根据热处理的

目的、加热和冷却方式的不同，常见钢的热处理工艺有退火、正火、淬火、回火以及表面热处理等。钢的热处理工艺整体热处理表面热处理退火表面淬火化学热处理正火感应淬火渗碳淬火火焰淬火渗氮回火接触电阻加热淬火等碳氮共渗渗金属(铌、钒)钢的退火退火是指将钢件加热至适当温度，保温一定时间，然后缓慢冷却(炉冷)

的热处理工艺。退火的目的是消除钢件的内应力，降低钢件的硬度，提高塑性；细化晶粒改善组织及切削加工性能，为后续工序做好组织准备。退火的种类很多，常用的有完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火、去应力退火、再结晶退火。一般将退火作为预备热处理工序，安排在铸造、锻造、焊接等工序之后，粗加工之前。钢的正火

正火是指将钢件加热至奥氏体化后在空气中冷却的热处理工艺。

正火的目的是细化晶粒，提高其硬度，消除钢件中的网状碳化物(或渗碳体)，为后续工序做好组织准备。

对于低、中碳钢

(wc≤0.6%)，正火的目的与退火相同；对于过共析钢，正火主要用于消除网状二次渗碳体，为球化退火做好组织准备；对于普通结构零件，正火可作为最终热处理工艺。淬火是指将钢件加热至奥氏体化后以适当方式冷却获得马氏体或(和)贝氏体组织的热处理工艺。

常用的淬火冷却介质有油、水、盐类水溶液、硝盐浴、碱浴、聚乙烯醇水溶液和空气等。

淬火可与回火工艺合理配合，使钢件获得较高的硬度和耐磨性，提高弹性和韧性，以达到强化材料的目的。钢的淬火钢的回火回火是指将淬火后的钢件重新加热到规定的温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。根据钢材在回火时的加热温度不同，可将回火分为低温回火、中温回火和高温回火。

回火主要有如下：1)降低钢件脆性，减少或消除内应力，防止钢件的变形和开裂。2)稳定钢件组织，调整硬度。3)稳定钢件尺寸。4)降低钢件的硬度，以改善切削加工性能。钢的表面热处理表面热处理是指为了改善钢件表面的组织和性能，仅对其表面进行热处理的工艺。通常分为表面淬火和化学热处理两种类型。(1)表面淬火

表面淬火是指仅对钢件表层进行淬火的工艺。它将钢件表层快速加热，

在热量尚未大量传到内部的情况下，使表层达到淬火温度，迅速淬冷，获得预定淬火组织的热处理工艺。

表面淬火的目的是使钢件表面获得高硬度和高耐磨性，而心部保持较好的塑性和韧性。

钢件的表面淬火多用于要求耐磨性高、抗扭转、抗弯曲疲劳和接触疲劳的零部件。钢

件表面淬火前一般经正火或调质处理。(2)化学热处理

化学热处理是指将钢件置于适当的活性介质中加热、保温，使一种或几种元素渗入它的表层，以改变其化学成分，改善组织和性能的热处理工艺。目前常用的化学热处理有渗碳、渗氮、碳氮共渗等。工程铸铁

铸铁：含碳量大于2.11%的铁碳合金。实际应用的铸铁中还会含有较多的Si、Mn和其他一些杂质元素。

同钢相比，铸铁熔炼简便，成本低廉，具有优良的铸造性能、很高的耐磨性、良好的减振性和切削加工性能，因而获得较为广泛的应用。2.3铸铁举例：一、铸铁的石墨化及其形成途径成分相同的铁液在冷却过程中:冷却速度越慢，析出石墨的可能性越小；冷却速度越快，析出渗碳体的可能性越大。

石墨的晶体结构示意图二、石墨形成的三个阶段液态石墨化阶段，从熔液中直接结晶出石墨。第一阶段：第二阶段：第三阶段：中间石墨化阶