机械制造基础 课件 1.4 常用钢铁材料

1.4常用钢铁材料主要内容：

钢的分类和编号方法结构钢工具钢不锈钢一、钢的分类及编号方法

编号原则：①根据编号可大致看出该钢的成分；

②根据编号可大致看出该钢的用途。

编号方法：汉语拼音字母＋化学元素符号＋阿拉伯数字具体如下：钢号中合金元素采用国际化学符号表示，例如：Si、Mn、Cr……，稀土元素用“Re”表示。产品名称、用途、冶炼和浇注方法等，一般采用汉语拼音

缩写字母表示。钢中主要合金元素含量（%）采用阿拉伯数字表示。（一）碳钢的分类和编号方法按化学成分低碳钢：wC＜0.25％中碳钢：wC＝0.25％～0.6％高碳钢：wC

＞0.6％按质量分类普通碳素钢：ws<0.035～0.05%；wp<0.035～0.045%优质碳素钢：ws<0.030～0.035%；wp<0.030～0.035%高级优质碳素钢：ws<0.02%；wp<0.03%按用途分类碳素结构钢优质碳素结构钢碳素工具钢硫、磷含量越低，钢材的质量越好。一、钢的分类及编号方法1.碳素结构钢屈服强度代号屈服强度值要求：主要保证力学性能，在牌号上直接体现。编号方法：Q＋数字（＋质量等级符号＋脱氧方法符号）质量等级符号：由A、B、C、D，钢中S、P含量依次

降低，质量越好。脱氧方法符号：F—沸腾钢；b—半镇静钢。例如：Q235-A•F为A级沸腾钢。一、钢的分类及编号方法2.优质碳素结构钢要求：保证化学成分和力学性能，一般需热处理后使用。编号方法：两位数字表示钢的平均含碳量的万倍。例如:“45”表示平均含碳量为0.45%的钢。

注：锰含量较高时，应将锰元素标出

wMn＝0.7～1.2％时标出，如15Mn、70Mn。特点：随钢号数字↑，wC↑，组织中P％↑,

F%↓，强度、硬度↑,塑性↓。一、钢的分类及编号方法3.碳素工具钢要求：保证化学成分和力学性能，需经热处理获得所需的性能。编号方法：T＋数字(＋A)，数字表示钢的平均碳含量的千倍。例:“T12”表示平均碳含量为1.2%的碳素工具钢。

注：①锰含量较高者，在钢号最后标出“Mn”，例如“T8Mn”。

②钢号后加注字母“A”，为高级优质碳素工具钢，

S、P含量比一般优质碳素工具钢低，例如“T12A”。特点：高碳（wC=0.65%~1.35%）随数字↑wC↑组织中P％↓Fe3C%↑硬度↑塑性↓一、钢的分类及编号方法1.合金结构钢：

两位数字＋合金元素符号＋数字（A）平均含碳量的万倍合金元素平均含量的百倍高级优质钢举例：

1．20CrMnTi：表示平均含碳量为0.20%，合金元素Cr、Mn、Ti的含量均低于1.5%；

2．60Si2Mn：表示平均含碳量为0.60%、合金元素Mn的含量低于1.5%、Si的含量为1.5％～2.5%的合金结构钢。

练习：40Cr、38CrMoAlA

（二）合金钢的牌号编制方法2.低合金高强度结构钢

Q×××（A～E）常用牌号：Q355Q390Q420Q4603.滚动轴承钢G＋Cr+数字＋其它合金元素

说明：①碳含量不标出②Cr后面的数字，表示其含量的千倍。例：GCr15、GCr9SiMn（二）合金钢的牌号编制方法4.合金工具钢和高速钢数字＋合金元素符号＋数字平均含碳量的千倍合金元素平均含量的百倍当WC≥1.0%时，含碳量不标出，如Cr12、CrWMn当WC＜1.0%时，以千分之几表示，如9SiCr、3Cr2W8V说明：用两位或三位数字表示碳含量最佳控制值，合金元素符号后面的数字表示该元素平均含量的百倍。一般，含碳量较低。5.不锈钢和耐热钢※练习：指出下列牌号钢的种类

Q235A·FQ35520Mn35CrMo40Cr65Mn45T8MnAT125CrMnMoW18Cr4V06Cr19Ni10

20Cr13GCr15二、结构钢

碳素结构钢优质碳素结构钢低合金高强度结构钢渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢用途性能要求成分特点热处理工艺使用性能思路:特点：具有适当的强度、良好的塑性和加工成型性能；价格低，用途广；一般在供应态下使用。1.碳素结构钢新牌号旧牌号性能特点及用途Q195A1；B1

塑性好，有一定强度；制作受力不大的零件（如螺钉螺母、垫圈等）、焊接件、冲压件及桥梁、建筑等结构件。Q215（A、B)A2；C2Q235（A、B、C)A3；C3Q255（A、B)A4；C4

强度较高；制作焊接件和承受中等载荷的零件，如小轴、销子、连杆、农机零件等。Q275C52.优质碳素结构钢特点：随钢号数字↑，wC↑，组织中P％↑F%↓，强度和硬度↑塑性↓。用于制造零件，一般经热处理后使用。

08、08F、10、10F钢：wC低，塑性韧性好，冷冲压性和焊接性好，主要用于制作冲压件和焊接件。例如，冷轧成薄板，用于仪器仪表外壳、汽车车身等。

15、20、25钢：低碳，强度低，塑性和韧性较高，焊接性和冷冲压性能好；可制作受力不大，但要求高韧性的零件，冷冲压件和焊接件。

30、35、40、45、50、55钢：中碳，经调质处理后，具有良好的综合力学性能，主要用于要求强度和塑韧性都较高的零件，如轴类、连杆类；要求零件表面高耐磨性，需调质处理后再“表面淬火＋低温回火”。这类钢在机械制造中应用最广泛，其中以45钢更为突出。

60、65、70、65Mn钢：高碳，属于弹簧钢，具有较高的强度、硬度和耐磨性，经“淬火＋中温回火”处理后，主要用于制作弹簧等弹性元件及耐磨零件。3.低合金高强度结构钢

用于制造在大气和海洋中工作的大型焊接结构件，如建筑结构、桥梁、车辆、船舶、输油输气管道、压力容器等。

用途：压力容器

性能要求

高的强度，足够的韧性;低冷脆转变温度，可抵抗大气腐蚀；良好的焊接性和冷冲压性能。低碳(≤0.2%C)，低合金（Me≤3%）主加元素Mn：产生固溶强化，降低冷脆转变温度。

微量V、Ti、Nb、Re：细化晶粒，提高强韧性。

Cu、P：可提高耐蚀性。

成分特点

一般不热处理，在热轧空冷状态下使用。使用态组织：S+F保证钢的韧性、焊接性和冷加工性能典型牌号及用途

Q355较低级别：16Mn最具有代表性，用量、产量最大，其派生钢种有16MnRe、16MnCu等；多用于船舶、车辆、桥梁等大型钢结构。

Q420级别：15MnVN、14MnVTiRe等，加入了钒、氮、稀土，提高强韧性，强度高于15MnTi。

Q460级别：如14MnMoVBRe，加入了钼和微量硼，正火后可得到贝氏体组织，然后再高温回火，提高塑性和韧性，焊接性好，适于制造400℃～500℃的锅炉、中温高压容器等。4.渗碳钢—用于制造渗碳零件的钢种

用途：

主要用于制作承受交变载荷，并在冲击和严重磨损条件下工作的零件，如汽车和重型机床齿轮、活塞销、内燃机的凸轮轴等。凸轮轴活塞销(20Cr)

性能要求

“表硬心韧”

零件表面硬度高，耐磨性好；心部具有良好的韧性和足够的强度，以承受冲击；良好淬透性和渗碳能力。一般渗碳件淬火后，表面渗碳层硬度≥58HRC，心部35～45HRC。

低碳（0.15～0.25%C）：保证心部足够的塑性和韧性；

主加Cr、Ni、Mn、B：强化基体，提高淬透性，保证心部强韧性；微量V、Ti、W、Mo：细化晶粒，防止渗碳时过热，提高耐磨性。

成分渗碳钢

热处理特点渗碳件的加工工艺路线：

下料→锻造→正火→机加工→渗碳→淬火+低温回火→精加工使用态组织表面：M回＋碳化物＋A残心部淬透时：低碳M回+F未淬透时：低碳M回＋T＋F

预备热处理组织：(P＋F)目的：调整硬度，改善切削加工性。

最终热处理组织—使用态组织目的：提高表面硬度和耐磨性，使心部具有足够的强韧性，并消除淬火应力。淬火温度:Ac1+30~50℃渗碳钢典型牌号及用途低淬透性钢：20、20Cr钢，用于受冲击力小的耐磨件，如活塞销、凸轮、滑块、小齿轮等。中淬透性钢：20CrMnTi，用于中等载荷耐磨件，如汽车变速箱齿轮。高淬透性钢：18Cr2Ni4WA、20Cr2Ni4A

。用于大截面、大载荷的耐磨件，如飞机、坦克中的曲轴，大模数齿轮等。汽车变速箱齿轮柴油机曲轴渗碳钢5.调质钢——经调质处理后使用的钢种用途：用于受力较复杂的重要结构零件。如机床主轴、火车发动机曲轴、汽车后桥半轴等轴类零件，以及连杆、螺栓、齿轮等。机床主轴连杆螺栓

性能要求中碳（0.25%～0.50%C），保证足够的强度、良好的塑、韧性；主加Cr、Ni、Mn、Si、B等，提高淬透性，固溶强化；辅加W、Mo、V、Al元素，细化晶粒，提高回火稳定性；调质钢

成分特点具有良好的综合力学性能高的强度，良好的塑性和韧性。

热处理工艺：一般调质件的加工工艺路线下料→锻造→退火或正火→粗加工→调质处理→精加工→装配预备热处理组织：P＋F目的：细化组织，改善切削加工性最终热处理组织：S回目的：获得良好综合力学性能

使用态组织对表面要求高的硬度、耐磨性的调质件，调质后需再表面淬火＋低温回火低淬透性调质钢：40Cr，这类钢的油淬临界直径最大为20～40mm，广泛用于制造一般尺寸的重要零件，如轴、齿轮、连杆、螺栓等。35SiMn、40MnB是为节约铬而发展的代用钢种。中淬透性调质钢：40CrNi、38CrMoAlA（渗氮用钢），这类钢的油淬临界直径最大为40～60mm，含有较多的合金元素，用于制造截面较大、承受较重载荷的零件，如曲轴、连杆等。高淬透性调质钢：40CrNiMoA，这类钢的油淬临界直径为60～100mm，多半为铬镍钢。铬、镍的适当配合，可大大提高淬透性，并能获得比较优良的综合机械性能。用于制造大截面、承受重负荷的重要零件，如汽轮机主轴、压力机曲轴、航空发动机曲轴等。分类及典型牌号6.

弹簧钢用途：

用于制造弹簧等弹性元件。性能要求：

具有高的弹性极限、屈强比和疲劳强度；足够的韧性。

成分特点：中高碳

含碳量：优质碳素钢为0.6%~0.9%C；合金弹簧钢为0.45%~0.7%C。

合金元素：Si、Mn、Cr、V、Nb、Mo、W。作用：①主加Mn、Si、Cr元素：提高淬透性，固溶强化②

Si：提高屈强比③

W、Mo、V元素：细化晶粒，提高回火稳定性常用牌号及用途常用牌号：65Mn、60Si2Mn，用于制造较大截面弹簧。

50CrVA，用于制造大截面、大载荷、耐热的弹簧。

汽车板簧火车螺旋弹簧大型热卷弹簧热处理特点

冷成形弹簧：冷拔→冷卷成形→去应力处理，用于小型弹簧。

热成型弹簧：热成型→淬火+中温回火→喷丸处理（使表面产生压应力）使用态的组织：回火屈氏体；用于大截面弹簧（>φ10mm），如汽车板簧。7.滚动轴承钢—制造滚动轴承的专用钢种用途：主要用于制作各类滚动轴承的内外套圈、滚动体。制造各种精密量具、冷冲模具、丝杠、冷轧辊和高精度的轴类等耐磨零件。滚针轴承滚柱轴承滚珠轴承性能要求：高而均匀的硬度、接触疲劳强度和耐磨性；足够的韧性，良好的淬透性；尺寸稳定性好。工作条件：轴承承受接触应力、交变载荷和强烈摩擦常用钢种及成分特点：高碳铬轴承钢：常用牌号GCr15、GCr15SiMn高碳(0.95~1.10%C)：形成足够多铬碳化物，强度、硬度、耐磨性↑主加Cr元素：细化晶粒，提高淬透性、接触疲劳强度和耐蚀性；大型轴承加入Mn、Si：进一步提高淬透性热处理工艺预备热处理：球化退火，获得P球，目的：改善组织，降低硬度（<210HBＷ），便于切削加工。最终热处理：淬火+低温回火（150～180℃），目的：淬火提高硬度和高耐磨性，低温回火消除淬火应力。使用态组织：M回＋细小粒状碳化物＋少量A残硬度可达61～65HRCGCr15钢：应用最广，制作中、小型轴承；GCr15SiMn钢：制作大型轴承零件。GCr15钢淬火＋低温回火显微组织常用牌号及应用滚动轴承钢三、工具钢碳素工具钢低合金工具钢高速钢冷作模具钢热作模具钢塑料模具钢工具钢刃具钢模具钢量具钢刃具：用于切削加工的工具，如车刀、刨刀、钻头；模具：用于压力加工的工具，如冲压模、注塑模、锻模；量具：测量尺寸的工具，如卡尺、千分尺、钢板尺。共性与不同（一）刃具钢—用来制造各种切削刀具的钢种工作条件及性能要求切削刀具种类繁多，工况条件各有特点，以车刀为例：工作条件：

（1）刀刃与工件之间发生剧烈的摩擦，造成严重的磨损；（2）刀刃部分温度高（高速切削时，温度达600度）；（3）进刀时，发生冲击与振动。失效形式：磨损，崩刃，刀具折断。性能要求：高的硬度、耐磨性(≥60HRC)；高的热硬性；高的抗弯强度，足够的强韧性。热硬性：又称红硬性，指刃具钢在高温下保持高硬度的能力，是衡量刃具钢使用寿命的重要指标。1.碳素工具钢特点：高碳（0.65~1.35%C），价格低，淬透性低，热硬性差硬度高（热处理后达60～65HRC)，耐磨性好用途：多用于制作刃部受热程度较低、截面不大于8mm的工具，如木工工具、钳工工具等手用工具，低速小进给量的机用工具，以及尺寸较小的模具和量具。牌号及用途举例：

T7、T8、T9：制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、锤子等。

T10、T11：制造低速切削工具，如钻头、丝锥、车刀等。

T12、T13：制造耐磨工具，如锉刀、锯条等。手锤锉刀手锯条

热处理工艺及使用态组织工艺过程：

锻造→

(正火)球化退火→粗加工→淬火+低温回火→精加工球化退火：预备热处理，粗加工之前进行；网状Fe3CⅡ严重时，

球化退火之前需先正火处理。

目的：①降低硬度，便于切削加工；②为淬火作组织准备。组织：球状珠光体淬火＋低温回火：最终热处理，粗加工后、精加工前进行；目的：提高硬度、耐磨性，低温回火消除淬火应力。

使用状态组织：M回+粒状Fe3C+少量A残水冷碳素工具钢碳素工具钢的缺点：淬透性低，热硬性差，刃部工作温度不超过200℃。碳素工具钢光镜下显微组织严重网状碳化物组织

T12钢正常淬火组织T12钢球化退火组织F+Fe3C2.低合金工具钢wC：0.75～1.50%；形成足够的合金碳化物，保证高硬度、高耐磨合金元素：Si、Cr、Mn、Mo、W、V

主加Si、Cr、Mn：固溶强化，提高淬透性；辅加Mo、W、V：细化晶粒，形成特殊碳化物，提高耐磨性。成分特点：高碳，低合金(合金元素总量≤3~5％)热处理工艺及组织

球化退火，淬火（油淬或盐浴等温淬火）加低温回火，

使用态组织：M回+颗粒状碳化物+少量A残碳素工具钢+少量合金元素

与碳素工具钢比较，低合金工具钢的淬透性、热硬性、使用温度提高（可达200℃～300℃）。常用牌号及应用举例：常用牌号：9SiCr、CrWMn、9Mn2V应用：

(1)各种薄刃刀具（板牙、丝锥等）

(2)截面较大、形状复杂、变形小的模具和量具板牙举例9SiCr圆板牙的生产工艺路线：锻造→球化退火→机械加工→淬火+低温回火→磨平面低合金刃具钢3.高速钢高速钢是高速切削用钢的代名词。常用牌号及用途W18Cr4V

：简称18-4-1，过热敏感性小，磨削性好，但由于热塑性差，通常适于制造一般高速切削刀具，如车刀、铣刀、绞刀等；W6Mo5Cr4V2：简称6-5-4-2，耐磨性、韧性和热塑性要好些，适于制作耐磨性和韧性很好配合的高速刀具，如齿轮铣刀、插齿刀等。铣刀齿轮铣刀孔钻铣刀成分特点：高C（wC=0.65~1.65%）高合金（＞10%）W、V、Cr、Mo：提高硬度、耐磨性Cr：提高淬透性，抗蚀性W、Mo、V：提高热硬性V：细化晶粒性能特点：高硬度、高耐磨性—“锋钢”高热硬性—“高速钢”高淬透性—“风钢”较高的强度，足够的韧性高速钢加工及热处理工艺特点

以W18Cr4V制造盘形齿轮铣刀为例，说明高速钢制作刀具的工艺路线及热处理工艺的制定。

齿轮盘形铣刀W18Cr4V制造盘形齿轮铣刀工艺路线目的：下料→锻造(反复锻造、三镦三拔)→球化退火→机加工→

→1280℃淬火→560℃三次回火→喷砂→磨削→成品降低硬度,改善切削加工性,并为淬火作组织准备。打碎粗大的鱼骨状碳化物，并使其均匀分布。减少残余A残的量，消除内应力、稳定组织，提高硬度。使碳化物溶解，获得高合金含量的M性能特点：硬度高，热硬性好，足够的强度和韧性。最终组织：细针状M回

+细小粒状碳化物+少量A残用来制造各种模具的工具钢统称为模具钢。模具钢冷作模具钢热作模具钢塑料模具钢（二）模具钢

用途：

制造在冷态下使金属或非金属变形的模具，如冷冲模、冷镦模、拉丝模、冷轧辊等。冷冲模具冷轧辊拉丝模T工作≯200℃～300℃1.冷作模具钢

性能要求冷作模具钢

硬度高，耐磨性好足够的强度和韧性淬透性好，热处理的变形小

高碳高铬模具钢（为主）成分特点及常用钢种碳素工具钢和低合金工具钢：制作尺寸小、形状简单、工作负荷不大的模具；常用牌号：T8A、T10A、T12A；

9Mn2V、9SiCr、CrWMn等。高速钢：热硬性要求高的模具性能特点：淬透性好，淬火变形小，耐磨性好；用途：广泛用于制造负荷大、尺寸大、形状复杂的冷作模具。典型牌号：Cr12、Cr12MoV

高碳高铬——

Cr12型冷作模具钢含碳量高：1.4～2.3%C，保证形成足够的铬碳化物，获得高的硬度和耐磨性。合金元素:高Cr，11～12%，提高淬透性、耐磨性，细化晶粒

Mo、V：进一步提高淬透性，细化晶粒

V：可形成VC，进一步提高耐磨性和韧性；成分特点：Cr12型钢加工及热处理工艺：反复锻造，球化退火，淬火＋低温回火使用态组织：M回+细小粒状碳化物+少量A残

使加热的固态或液态金属在压力下成形的模具，如热锻模、热压模、热挤压模、压铸模等。T工作

=400℃～600℃2.热作模具钢受力特点：高冲击、强摩擦、不均匀的热应变和热压力失效形式：高温氧化、崩裂、塌陷、磨损、龟裂等性能要求：①高的热硬性和热疲劳抗力，高温耐磨性好；

②高的抗氧化性和热强性，足够的韧性；

③高的淬透性，良好的导热性。热锻模

常用钢种：5CrNiMo：综合性能好，制造形状复杂、冲击载荷大的大型热锻模。5CrMnMo：以Mn代Ni，价格低，但塑韧性和淬透性不如5CrNiMo，用于中小型（截面尺寸≤300mm）热锻模。

3Cr2W8V：回火稳定性高，广泛用于压铸模及热挤压模的制造。热作模具钢成分特点：

含碳量：

0.3%～0.6%C，中碳，保证较高的硬度（35～52HRC）、良好的强韧性和高的热疲劳抗力。

合金元素及其作用：提高淬透性（Cr、Ni、Mn、Si、W、Mo）提高回火稳定性（Cr、Ni、Mo、W、V）提高高温强度、耐热疲劳性能（Mo、W、V）细化晶粒、增加钢的韧性（Ni、V）热处理特点:预备热处理：多次锻造后，完全退火或等温退火，组织为（P＋F）最终热处理：淬火+高温回火，获得良好综合力学性能使用态组织：回火索氏体，硬度要求一般在39～54HRC（三）量具钢制造各种量具的用钢，如千分尺、