1、1金 属 材 料钢 的 分 类钢 是 以 铁 、 碳 为 主 要 成 分 的 合 金 ， 它 的 含 碳 量 一 般 小 于 2.11%。钢 按 化 学 成 分 分 为 碳 素 钢 (简 称 碳 钢 )与 合 金 钢 两 大 类 。碳 钢 是 除 铁 、 碳 为 其 主 要 成 分 外 ， 还 含 有 少 量 的 锰 、 硅 、 硫 、 磷 等 杂质 。 碳 钢 具 有 一 定 的 机 械 性 能 ， 又 有 良 好 的 工 艺 性 能 ， 且 价 格 低 廉 。合 金 钢 是 在 碳 钢 基 础 上 ， 有 目 的 地 加 入 某 些 元 素 (称 为 合 金 元 素 )而 得到 的 多 元
2、 合 金 。 与 碳 钢 比 ， 合 金 钢 的 性 能 有 显 著 的 提 高 ， 故 应 用 日 益 广 泛 。合 金 元 素 的 作 用合 金 晶 粒 细 化 强 化 铁 素 体 回 火 稳 定 回 火 脆 性 强 度 硬 度 高 温 强 度 塑 性Mn 长 大 大 提 高 小 提 高 提 高 提 高低 碳 钢 提 高 、中 高 碳 钢 降低Si 小 最 大 提 高 提 高 提 高 稍 提 高 降 低Ni 小 提 高 小 提 高 小 提 高 提 高 稍 提 高 提 高Cr 小 中 等 提 高 提 高 提 高 提 高1.5%下 不降 低Mo 中 等 中 等 强 降 低 提 高 提 高0.6
3、 下 提高W 中 等 大 强 降 低 提 高 提 高 提 高v 大 小 强 稍 提 高 提 高 大 提 高 提 高Ti 最 大 稍 提 高 提 高 提 高Al 大 稍 提 高 稍 提 高 提 高 少 时 提 高B 长 大 提 高 提 高 降 低Co 大 中 等 提 高Nb 大 降 低 提 高C 长 大 提 高 降 低影 响 机 械 强 度 的 主 要 原 素 有 C、 Mn、 Cr。2一 .按 用 途 分 类按 钢 材 的 用 途 可 分 为 结 构 钢 、 工 具 钢 、 特 殊 性 能 钢 三 大 类 。结 构 钢 ： 1.用 作 各 种 机 器 零 件 的 钢 。 它 包 括 渗 碳 钢
4、 、 调 质 钢 、 弹 簧 钢 及滚 动 轴 承 钢 。2.用 作 工 程 结 构 的 钢 。 它 包 括 碳 素 钢 中 的 甲 、 乙 、 特 类 钢 及 普 通 低 合 金钢 。工 具 钢 ： 用 来 制 造 各 种 工 具 的 钢 。 根 据 工 具 用 途 不 同 可 分 为 刃 具 钢 、 模具 钢 与 量 具 钢 。特 殊 性 能 钢 ： 是 具 有 特 殊 物 理 化 学 性 能 的 钢 。 可 分 为 不 锈 钢 、 耐 热 钢 、耐 磨 钢 、 磁 钢 等 。二 .按 化 学 成 分 分 类按 钢 材 的 化 学 成 分 可 分 为 碳 素 钢 和 合 金 钢 两 大 类
5、 。碳 素 钢 ： 按 含 碳 量 又 可 分 为 低 碳 钢 (含 碳 量 0.25%)； 中 碳 钢 (0.25%含 碳 量 0.6%)； 高 碳 钢 (含 碳 量 0.6%)。合 金 钢 ： 按 合 金 元 素 含 量 又 可 分 为 低 合 金 钢 (合 金 元 素 总 含 量 5%)；中 合 金 钢 (合 金 元 素 总 含 量 =5% 10%)； 高 合 金 钢 (合 金 元 素 总 含 量 10%)。此 外 ， 根 据 钢 中 所 含 主 要 合 金 元 素 种 类 不 同 ， 也 可 分 为 锰 钢 、 铬 钢 、 铬 镍钢 、 铬 锰 钛 钢 等 。1. 低 合 金 钢 ：
6、含 合 金 13%， 含 碳 量 3%， 含 碳 量 0.30 。不 锈 钢 ： 含 合 金 13%， 含 碳 量 0.20.40 。三 .按 质 量 分 类按 钢 材 中 有 害 杂 质 磷 、 硫 的 含 量 可 分 为 普 通 钢 (含 磷 量 0.045%、 含 硫量 0.055%； 或 磷 、 硫 含 量 均 0.050%)； 优 质 钢 (磷 、 硫 含 量 均 0.040%)；高 级 优 质 钢 (含 磷 量 0.035%、 含 硫 量 0.030%)。此 外 ， 还 有 按 冶 炼 炉 的 种 类 ， 将 钢 分 为 平 炉 钢 (酸 性 平 炉 、 碱 性 平 炉 )，空 气
7、 转 炉 钢 (酸 性 转 炉 、 碱 性 转 炉 、 氧 气 顶 吹 转 炉 钢 )与 电 炉 钢 。 按 冶 炼 时 脱氧 程 度 ， 将 钢 分 为 沸 腾 钢 (脱 氧 不 完 全 )， 镇 静 钢 (脱 氧 比 较 完 全 )及 半 镇 静 钢 。钢 厂 在 给 钢 的 产 品 命 名 时 ， 往 往 将 用 途 、 成 分 、 质 量 这 三 种 分 类 方 法 结合 起 来 。 如 将 钢 称 为 普 通 碳 素 结 构 钢 、 优 质 碳 素 结 构 钢 、 碳 素 工 具 钢 、 高 级优 质 碳 素 工 具 钢 、 合 金 结 构 钢 、 合 金 工 具 钢 等 。金 属
8、材 料 的 机 械 性 能金 属 材 料 的 性 能 一 般 分 为 工 艺 性 能 和 使 用 性 能 两 类 。 所 谓 工 艺 性 能 是 指机 械 零 件 在 加 工 制 造 过 程 中 ， 金 属 材 料 在 所 定 的 冷 、 热 加 工 条 件 下 表 现 出 来的 性 能 。 金 属 材 料 工 艺 性 能 的 好 坏 ， 决 定 了 它 在 制 造 过 程 中 加 工 成 形 的 适 应能 力 。 由 于 加 工 条 件 不 同 ， 要 求 的 工 艺 性 能 也 就 不 同 ， 如 铸 造 性 能 、 可 焊性 、 可 锻 性 、 热 处 理 性 能 、 切 削 加 工 性
9、 等 。 所 谓 使 用 性 能 是 指 机 械 零 件 在 使用 条 件 下 ， 金 属 材 料 表 现 出 来 的 性 能 ， 它 包 括 机 械 性 能 、 物 理 性 能 、 化 学性 能 等 。 金 属 材 料 使 用 性 能 的 好 坏 ， 决 定 了 它 的 使 用 范 围 与 使 用 寿 命 。4在 机 械 制 造 业 中 ， 一 般 机 械 零 件 都 是 在 常 温 、 常 压 和 非 强 烈 腐 蚀 性 介 质中 使 用 的 ， 且 在 使 用 过 程 中 各 机 械 零 件 都 将 承 受 不 同 载 荷 的 作 用 。 金 属 材 料在 载 荷 作 用 下 抵 抗 破
10、 坏 的 性 能 ， 称 为 机 械 性 能 (或 称 为 力 学 性 能 )。金 属 材 料 的 机 械 性 能 是 零 件 的 设 计 和 选 材 时 的 主 要 依 据 。 外 加 载 荷 性 质不 同 (例 如 拉 伸 、 压 缩 、 扭 转 、 冲 击 、 循 环 载 荷 等 )， 对 金 属 材 料 要 求 的 机 械性 能 也 将 不 同 。 常 用 的 机 械 性 能 包 括 ： 强 度 、 塑 性 、 硬 度 、 冲 击 韧 性 、 多 次冲 击 抗 力 和 疲 劳 极 限 等 。 下 面 将 分 别 讨 论 各 种 机 械 性 能 。1.强 度强 度 是 指 金 属 材 料
11、 在 静 荷 作 用 下 抵 抗 破 坏 (过 量 塑 性 变 形 或 断 裂 )的 性能 。 由 于 载 荷 的 作 用 方 式 有 拉 伸 、 压 缩 、 弯 曲 、 剪 切 等 形 式 ， 所 以 强 度 也分 为 抗 拉 强 度 、 抗 压 强 度 、 抗 弯 强 度 、 抗 剪 强 度 等 。 各 种 强 度 间 常 有 一 定 的联 系 ， 使 用 中 一 般 较 多 以 抗 拉 强 度 作 为 最 基 本 的 强 度 指 针 。2.塑 性塑 性 是 指 金 属 材 料 在 载 荷 作 用 下 ， 产 生 塑 性 变 形 (永 久 变 形 )而 不 破 坏 的能 力 。3.硬 度硬
12、 度 是 衡 量 金 属 材 料 软 硬 程 度 的 指 针 。 目 前 生 产 中 测 定 硬 度 方 法 最 常 用的 是 压 入 硬 度 法 ， 它 是 用 一 定 几 何 形 状 的 压 头 在 一 定 载 荷 下 压 入 被 测 试 的 金属 材 料 表 面 ， 根 据 被 压 入 程 度 来 测 定 其 硬 度 值 。常 用 的 方 法 有 布 氏 硬 度 (HB)、 洛 氏 硬 度 (HRA、 HRB、 HRC)和 维 氏 硬度 (HV)等 方 法 。4.疲 劳5前 面 所 讨 论 的 强 度 、 塑 性 、 硬 度 都 是 金 属 在 静 载 荷 作 用 下 的 机 械 性 能
13、 指针 。 实 际 上 ， 许 多 机 器 零 件 都 是 在 循 环 载 荷 下 工 作 的 ， 在 这 种 条 件 下 零 件会 产 生 疲 劳 。5.冲 击 韧 性以 很 大 速 度 作 用 于 机 件 上 的 载 荷 称 为 冲 击 载 荷 ， 金 属 在 冲 击 载 荷 作 用下 抵 抗 破 坏 的 能 力 叫 做 冲 击 韧 性 。 金 属 材 料 断 面 尺 寸 对 机 械 强 度 的 影 响随 着 断 面 尺 寸 增 大 ， 机 械 性 能 降 低 。断 面 尺 寸 一 般 分 为 ：1 100mm2 100-300mm3 300-500mm4. 500-800mm温 度 对
14、金 属 材 料 的 影 响冷 硬 碎 ， 热 软 绵 。一 般 材 料 工 作 的 环 境 温 度 不 能 超 过 低 温 回 火 温 度 (150 250C)。 超过 此 温 度 ， 将 影 响 材 料 机 械 性 能 ， 耐 热 钢 除 外 。在 300C 以 上 ， 载 荷 时 间 长 ， 金 属 材 料 发 生 蠕 变 （ 塑 性 变 形 ） ， 产生 事 故 。金 属 材 料 的 焊 接 性 能 低 碳 钢 、 低 合 金 钢 1.521渗 氮 ： 在 氮 介 质 中 加 热 500 600C 保 温 ， 使 零 件 表 层 形 成 氮 化 物 的过 程 ， 有 整 体 和 局 部
15、渗 氮 工 艺 。目 的 ： 提 高 表 面 硬 度 、 耐 磨 性 、 疲 劳 强 度 （ 提 高 25%32%） 和 抗 腐 蚀能 力 。氮 化 通 常 利 用 专 门 设 备 或 井 式 渗 碳 炉 来 进 行 。 适 用 于 各 种 高 速 传 动 精 密齿 轮 、 机 床 主 轴 (如 镗 杆 、 磨 床 主 轴 )， 高 速 柴 油 机 曲 轴 、 阀 门 等 。氮 化 工 件 工 艺 路 线 ： 锻 造 退 火 粗 加 工 调 质 精 加 工 除 应 力 粗磨 氮 化 精 磨 或 研 磨 。由 于 氮 化 层 薄 0.60.7mm， 并 且 较 脆 ， 因 此 要 求 有 较 高
16、 强 度 的 心 部 组织 ， 所 以 要 先 进 行 调 质 热 处 理 ， 获 得 回 火 索 氏 体 ， 提 高 心 部 机 械 性 能 和 氮化 层 质 量 。钢 在 氮 化 后 ， 不 再 需 要 进 行 淬 火 便 具 有 很 高 的 表 面 硬 度 （ 大 于 HV850)及耐 磨 性 。氮 化 处 理 温 度 低 ， 变 形 很 小 ， 它 与 渗 碳 、 感 应 表 面 淬 火 相 比 ， 变 形 小得 多 。钢 的 碳 氮 共 渗钢 的 碳 氮 共 渗 ： 碳 氮 共 渗 是 向 钢 的 表 层 同 时 渗 入 碳 和 氮 的 过 程 。 它 是 利用 氨 气 在 加 热
17、时 分 解 出 活 性 氮 原 子 ， 被 钢 吸 收 后 在 其 表 面 形 成 氮 化 层 ， 同时 向 心 部 扩 散 。 习 惯 上 碳 氮 共 渗 又 称 为 氰 化 。低 温 气 体 碳 氮 共 渗 以 渗 氮 为 主 ， 共 渗 层 厚 度 0.020.06mm。 主 要 目 的是 提 高 合 金 工 具 钢 、 高 速 工 具 钢 、 刀 具 的 热 硬 性 和 耐 磨 性22中 温 气 体 碳 氮 共 渗 和 低 温 气 体 碳 氮 共 渗 (即 气 体 软 氮 化 )应 用 较 为 广 泛 。应 用 于 应 力 不 大 ， 磨 损 的 中 碳 钢 构 件 ， 共 渗 层 厚
18、 度 0.30.8mm。 中 温 气 体碳 氮 共 渗 的 主 要 目 的 是 提 高 钢 的 表 面 硬 度 和 耐 磨 性 ， 以 及 提 高 疲 劳 强 度 。高 温 气 体 碳 氮 共 渗 以 渗 碳 为 主 ， 用 于 应 力 大 的 中 碳 钢 和 合 金 钢 的 小 性构 件 ， 共 渗 层 厚 度 12mm。 主 要 目 的 是 提 高 钢 的 表 面 硬 度 和 耐 磨 性 ， 以 及提 高 疲 劳 强 度 。固 溶 热 处 理 ： 将 合 金 加 热 至 高 温 单 相 区 恒 温 保 持 ， 使 过 剩 相 充 分 溶 解到 固 溶 体 中 ， 使 合 金 中 各 种 相
19、 充 分 溶 解 ， 强 化 固 溶 体 并 提 高 韧 性 及 抗 蚀 性能 ， 消 除 应 力 与 软 化 ， 然 后 快 速 冷 却 ， 以 得 到 过 饱 和 固 溶 体 的 热 处 理 工 艺价 廉 的 碳 钢 通 过 渗 入 某 些 合 金 元 素 就 具 有 某 些 价 昂 的 合 金 钢 性 能 ， 可以 代 替 某 些 耐 热 钢 、 不 锈 钢 ； 工 模 具 则 几 乎 全 部 需 要 经 过 热 处 理 方 可 使 用 。目 前 ， 随 着 激 光 和 等 离 子 技 术 的 日 益 成 熟 ， 利 用 这 两 种 技 术 ， 并 在 普通 钢 工 件 表 面 涂 敷
20、一 层 其 他 耐 磨 、 耐 蚀 或 耐 热 涂 层 ， 以 改 变 原 工 件 表 面 性能 ， 这 种 新 技 术 称 为 表 面 改 性 。 23常用材料热处理力学性能（MPa） 硬度材料 热处理b s HB HRC15.20 450-55015Cr 750 50015MnV 750 50020Cr 850 55020Mn2 800 60020MnV 950 8005912CrNi3 950 70020CrNi3 950 75020CrMnTi 1100 85020MnVB 1100 90020CrMnMo 1200 90058-6312Cr2Ni4 1100 85020Cr2Ni4
21、1200 110018Cr2Ni4W 1200 85016SiMn2WV 1200 90015SiMn3MoWV 1200 900渗碳钢15CrMn2SiMo1. 渗碳 900-9502. 淬火 700-7503. 回火 180-2001200 90058-6335 560 300 156-20745 650 36050 700 40040Mn 800 52050Mn 800 55调质钢40Cr1. 淬火2. 回火1000 800210-2502435SiMn 900 75040MnB 1000 80040CrV 900 75030CrMoAl 1000 850250-35040CrNi 10
22、00 80040CrMn 1000 85035CrMo 1000 85042CrMo 1100 95030CrMnSi 1100 90037CrNi3 1150 100037SiMn2MoV 1000 85040CrNiMo 1000 85040CrMnMo1.淬火2.回火1000 850250-35055DTi 550 30060DTi 600 35070DTi正火表淬 700 400 54-5725 1000-160045 45-5015MnV 1353 113320Cr 1300-1450120020CrMnTi 1400-1500131020SiMn2MoVA 1512 1240 45
23、25Si2Mn2CrNiMoV 1765 1422 534HV淬火钢40CrNi2Mo 1900 1560 531HV65 1000 800 30-45S50CrMo 1000 700 56-6285 1100 900 40-5065 Mn 1000 800 35-4055Si2Mn 1300 1200 45-4860Si2Mn 1300 1200 45-4850CrVA 1300 1150 43-4560Si2CrVA 1900 1700 45-5255SiMnMoVA 1400 1300 46-48弹簧钢55SiMnVB1.淬火2.回火1400 1250 40-45GCr6GCr9轴承钢
24、GCr9SiMn1.淬火2.回火 62-6425GCr15GCr15SiMnGSiMnVGSiMnMoVGSiMnMoVRe0Cr13 500 3501Cr13 600 4202Cr13 660 4503Cr13 1600 1300 484Cr13 1680 1400 50马氏体不锈钢 9Cr181.淬火2.回火550Cr18Ni9 500 2001Cr18Ni9 550 2002Cr18Ni9 580 2201Cr18Ni9Ti 520 200奥氏体不锈钢Cr18Ni18Mo2Cu2Ti淬火650 230Cr17 400 250不锈钢铁素 Cr17Mo2Ti 退火 500 30015CrMo
25、 450 24012CrMoV 480 2601Cr12WMoV 750 6004Cr9Si2 900 6001Cr18Ni9Ti 520 2004Cr14Ni4W2MoTi 720 320耐热钢Cr20Ni44MoW1.淬火2.回火750耐磨钢 .淬火( 水韧处理) 560-700 300 180-200退火灰铸铁QT400-17 400 250 197QT420-10 420 270 207QT500-05退火500 350 147-241QT600-02 600 420 229-302QT700-02正火700 490 231-304QT800-02 调质 800 560 241-321
26、球墨铸铁QT1200-01 淬火 1200 840 38Q195Q215Q235Q255结构钢Q275正火、调质铜 QAl9-2 1.淬火26QAl9-4QAl10-3-1.5QAl10-4-42.回火QSn6.5-0.1QSn4-3QSi3-1QA17BZn15-20合金HPb59-1回火零件强度计算应力变化次数小于 1000 次的按静强度计算。循环基数一般为 2（10 6 10 7） 。根据零件受力状态确定计算强度的方法。材料特性近似式：许用拉应力和许用剪应力塑性材料： s/(1.52) )8.0-6.0( 脆性材料： b/(25) )1-8.0( 弯曲应力w（11.2）扭转剪应力j（0.
27、50.7 ）许用挤压应力：jy(1.72)许用接触应力：淬火钢 jc(2530)HRC MPa 钢 jc(1.52.5)HB MPa27疲劳应力：拉伸 弯曲 扭转材料对称 -1 脉动 m 对称 -1 脉动 m 对称 1- 脉动 -m结构钢 0.43b 1.3-1 0.49b 1.5-1 0.35b 1.1-1调质钢 0.41b 1.7-1 0.44b 1.7-1 0.3b 1.6-1滲碳钢 0.4b 1.6-1 0.41b 1.7-1 0.3b 1.4-1铸铁 0.25b 1.6-1 0.37b 1.8-1 0.36b 1.6-1疲劳应力另外方式：碳钢： -1（0.3 0.45）b 合金钢： -10.2(b+s)不锈钢： -10.27( b+s) 1-0.156 (b+s)球墨铸铁： -10.36 b 1-0.31 b脉动循环疲劳应力m（1.3 1.6） -1表面处理1 电镀：镀锌、铬、镉、铜等：保护金属表面不腐蚀和耐磨。2 电刷镀：3 热喷涂：4 电焊：冷加工1. 喷丸2. 滚压
