黑色金属材料简介：碳素钢、工具钢和低合金高强度结构钢

（一）碳素钢

碳素钢是指含碳量在0.0218%～2.11%，并含有少量硅、锰、磷、硫等杂质的铁碳合金。工业上应用的碳素钢中含碳量一般不超过1.4%，因为含碳量超过1.4%后，钢会表现出很大的硬脆性，且加工困难，失去生产和使用价值。

碳素钢分类见表2-3-1。

表2-3-1　碳素钢分类表

注：1. 含碳量用WC表示。
2. 磷、硫的含量分别用WS、WP表示。

1. 普通碳素结构钢

普通碳素结构钢主要用于制造各种机械零件和工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件、机器零件等。它一般在供应状态下使用，必要时可进行锻造、焊接等热加工，也可通过热处理调整其力学性能，较典型的牌号是Q235。

普通碳素结构钢的牌号（即钢号）是用“Q+数字+（质量等级符号）+（脱氧方法符号）+（专门用途符号）”表示。

钢号冠以“Q”表示钢的屈服强度，“Q”后的数字表示屈服强度，单位为兆帕（MPa），如钢牌号Q235表示该钢的屈服强度值不小于235 MPa。

“质量等级符号”“脱氧方法符号”“专门用途符号”必要时才需要标注，如Q235-AF表示为A级沸腾钢。

普通碳素结构钢的牌号、化学成分和用途见附表1，普通碳素结构钢的力学性能见附表2。

2. 优质碳素结构钢

优质碳素结构钢一般用于制造各种比较重要的机械零件和工程构件，如45钢可以用于制造高强度的运动件（如空气压缩机的活塞、轴、齿轮、齿条、蜗杆等）。

优质碳素结构钢的牌号用“数字+（元素符号）+（脱氧方法符号）+（专门用途符号）”表示。

（1）钢号开头的两位数字表示钢中平均含碳量，以钢中平均含碳量的万分之几表示，如钢号为“45”的优质碳素结构钢的平均含碳量为0.45%，即含碳量为万分之四十五。

注意：由于“45”为钢号，不是顺序号，所以不能读成“45号钢”。

（2）锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰元素标出，如40Mn钢。

（3）沸腾钢、半镇静钢、镇静钢及专门用途的优质碳素结构钢应在钢号最后特别标出，如平均含碳量为0.1%的沸腾钢的钢号为“10F”。

优质碳素结构钢的牌号和应用见附表3。

3. 碳素工具钢

碳素工具钢的含碳量在0.65%～1.35%，为高碳钢，随着含碳量的提高，碳素工具钢中碳化物增加，耐磨性提高，但韧性下降。碳素工具钢一般用于制造刃具、模具和量具。

碳素工具钢的牌号一般用“T+数字”表示。

（1）“T”表示“碳素工具钢”，数字表示平均含碳量为千分之几，如“T8”其平均含碳量为千分之八。

（2）碳素工具钢都是优质以上质量的钢。高级优质钢在钢号后加“A”，如“T8A”。常用碳素工具钢的牌号、化学成分、热处理和用途见附表4。

（二）合金钢

为了改善钢的性能，在碳钢的基础上加入其他元素的钢叫合金钢。钢中加入的元素叫作合金元素，常见得合金元素有Si、Mn、Cr、Ni、W、Mo、V、Ti、Nb、Co、Al等。

合金钢分类见表2-3-2。

表2-3-2　合金钢分类

注：1. 合金元素总含量用W合表示；
2. 磷、硫的含量分别用WS、WP表示。

1. 合金结构钢

普通合金结构钢主要用于制造各类工程结构件和各种机械零件。按用途不同，合金结构钢可分为普通低合金高强度结构钢、优质合金结构钢、滚动轴承钢等。

（1）普通低合金高强度结构钢。

普通低合金高强度结构钢是在冶炼过程中增添一些合金元素，但总量不超过5%的钢材，其牌号表示方法与普通碳素结构钢相同。

加入合金元素后钢材强度可明显提高，使钢结构构件的强度、刚度、稳定性都能充分发挥，尤其在大跨度或者重负荷结构中，其优点更为突出。

普通低合金高强度结构钢有较高的强度，可以大幅度减轻结构质量，节约钢材，在工程结构中得到推广使用。

普通低合金高强度结构钢的化学成分、力学性能和用途见附表5。

（2）优质合金结构钢。

优质合金结构钢的牌号一般用“（专门用途符号）+数字+主要合金元素符号和数字+微量合金元素符号+（质量等级符号）+（专门用途符号）”表示。

① 钢号开头的两位数字表示钢的含碳量，表示平均含碳量为万分之几。

② 如果合金元素的百分含量小于1.5%则只标出元素符号，不标明元素含量，如牌号为“45Cr”的优质合金结构钢，表示含碳量为0.45%，Cr的百分含量小于1.5%；牌号为“60Si2Mn”的优质合金结构钢，表示含碳量为0.6%，含Si量等于2%，含Mn量小于1.5%。

③ 钢中的钒（V）、钛（Ti）、铝（Al）、硼（B）、稀土（RE）等合金元素，均属于微合金元素，虽然含量很低，仍应在钢号中标出，如20MnVB钢中钒含量为0.07%～0.125%，硼含量为0.001%～0.005%。

④ 高级优质钢应在钢号最后加“A”，以区别于一般优质钢。

（3）滚动轴承钢。

滚动轴承钢主要有高碳铬轴承钢和渗碳轴承钢。

① 高碳铬轴承钢的牌号用“G+Cr元素符号和数字”表示。“G”表示滚动轴承钢类，含碳量不标出，含铬量用千分之几表示，如“GCr9”表示含铬量为千分之九。

② 渗碳轴承钢用“G+数字+主要合金元素符号和数字+微量合金元素符号+（质量等级符号）”。渗碳轴承钢牌号除了“G”表示滚动轴承钢类，其他数字和符号含义和合金结构钢相同。“G”后的数字表示平均含碳量的万分之几，如“G20CrNi4A”钢表示含碳量为0.2%，Cr含量小于1.5%，Ni含量为4%的高级优质渗碳轴承钢。

滚动轴承钢主要用来制造各种滚动轴承元件，如轴承内外圈、滚动体（滚珠、滚柱、滚针），但保持架通常为08钢或10钢板冲制而成；也可用作其他用途，如形状复杂的工具，精密量具以及要求硬度高、耐磨性好的结构零件。

常用滚动轴承钢的成分、热处理和主要用途见附表6。(www.xing528.com)

2. 合金工具钢

对于低合金工具钢，如果含碳量大于1.0%时，不标含量；含碳量小于1.0%时，则用千分数表示，钢中合金元素表示方法，基本与合金结构钢相同。例如，“CrWMnA”表示含碳量大于1.0%，Cr、W、Mn的含量均小于1.5%的高级优质钢。“9SiCr”表示含碳量为0.9%，Si和Cr的含量均小于1.5%的合金工具钢。

但对铬含量较低的合金工具钢钢号，其铬含量以千分之几表示，并在表示含量的数字前加“0”，以便把它和一般元素含量按百分之几表示的方法区别开来，如“Cr05”工具钢号表示Cr的含量为千分之五。

高速工具钢的钢号一般不标出含碳量，只标出各种合金元素平均含量的百分数。如“W18Cr4V”。

合金工具钢主要用于制造刃具、模具和量具，也可用于制造柴油机燃料泵的活塞、阀门、阀座以及燃料阀喷嘴等。与碳素工具钢比，它具有淬透性好、耐磨性好、热硬性高和热处理变形小等优点。其按用途大致可分为低合金工具钢、高速工具钢、模具钢和量具钢几类。

3. 特殊性能钢

特殊性能钢是指具有特殊物理性能、化学性能的钢。这类钢不论在成分、组织和热处理工艺上都与一般钢有明显的不同，主要有不锈钢、耐候钢、耐热钢和耐磨钢。

不锈钢和耐热钢牌号采用合金元素符号和数字表示。一般用一位数字表示千分之几的平均含碳量。当含碳量WC≥1.00%时，用两位数字表示。合金元素含量表示同合金结构钢。

易切削不锈钢、易切削耐热钢在牌号前加“Y”。

（1）不锈钢。

不锈钢主要是指在空气、水、盐水溶液、酸及其他腐蚀性介质中具有高度化学稳定性的钢。城市轨道交通车辆的车体为了保证其防腐性能，通常采用不锈钢材料，如图2-3-2所示。

（2）耐候钢。

耐候钢即耐大气腐蚀钢，指通过添加少量耐蚀合金元素，如铜、铬、镍等，使其在大气中具有良好耐腐蚀性能的低合金高强度钢。耐候钢的耐蚀能力介于不锈钢和普通钢之间。不锈钢防腐的原理是不让钢材生锈，而耐候钢是让其生成致密的锈层，减缓空气和水进入内部，并且使用时间越长，耐蚀作用越突出。耐候钢除具有良好的耐候性外，还具有优良的力学、焊接等使用性能。

耐候钢分为“高耐候”和“焊接耐候”，分别在原碳素结构钢钢号之后加上“GNH”和“NH”。如Q295GNH、Q355GNH为高耐候钢，Q460NH、Q500NH为焊接耐候钢。

耐候钢适用于车辆、桥梁、集装箱、建筑、塔架等结构，也可用于制作螺栓连接、铆接和焊接的结构件。图2-3-3所示为铁路集装箱用耐候钢平车。

图2-3-2　不锈钢城轨交通车辆车体

图2-3-3　铁路集装箱用耐候钢平车

（3）耐热钢。

金属材料的耐热性包含高温抗氧化性和高温强度两方面的综合性能。高温抗氧化性是金属材料在高温下对氧化作用的抗力；而高温强度是金属材料在高温下对机械负荷作用的抗力。因此，耐热钢就是在高温下不发生氧化（不起皮），并对机械负荷作用具有较高抗力的钢。

（4）耐磨钢。

一般来说，耐磨钢主要是指在冲击载荷下发生冲击硬化的高锰钢，其化学成分特点是高碳、高锰。高碳可以提高耐磨性，高锰可以保证热处理后得到单相奥氏体。实践证明，高锰钢只有在全部获得奥氏体组织时才呈现出最为良好的韧性和耐磨性。

（三）铸 铁

铸铁是含碳量大于2.11%（一般含碳量为2.5%～5.0%），并含有硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。与钢相比，铸铁虽然抗拉强度、塑性、韧性较低，但具有优良的铸造性、切削加工性和减振性，生产成本也较低，因此在工业上得到了广泛的应用。

按碳的存在形式，铸铁一般可分为白口铸铁和灰口铸铁两大类。

白口铸铁中的碳，几乎全部以Fe3C的形式存在，断口呈银白色，性能硬而脆，很难进行切削加工，工业上很少用来制造机械零件，主要用作冶钢原料或可锻铸铁的毛坯。

灰口铸铁中的碳大部分或全部以自由状态的石墨形式存在，断口呈暗灰色。根据铸铁中石墨存在的形式不同，灰口铸铁又可分为普通灰口铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁和蠕墨铸铁。

本书主要介绍常用的灰口铸铁。

1. 普通灰口铸铁

普通灰口铸铁俗称灰铸铁，其石墨形态呈片状。普通灰口铸铁的牌号通常用“HT+数字”表示。其中，“HT”是“灰铁”的汉语拼音首字母，数字表示最低抗拉强度。如HT250表示最低抗拉强度为250 MPa的普通灰口铸铁。

普通灰口铸铁是一种价格便宜的结构材料，生产工艺简单，综合力学性能较低，但其减振性、耐磨性、铸造性以及切削加工性较好，主要用于制造承受压力的床身、箱体、机座、导轨等零件。图2-3-4所示为普通灰口铸铁铸件。

图2-3-4　普通灰口铸铁铸件

2. 可锻铸铁

可锻铸铁俗称玛钢、马铁，其石墨形态呈团絮状。可锻铸铁的牌号常用“KT+数字-数字”表示。“KT”是“可铁”的汉语拼音首字母，两组数字分别表示最低抗拉强度和最低伸长率。“KTH”表示黑心可锻铸铁；“KTZ”表示珠光体基体可锻铸铁。例如，“KTZ550-06”表示抗拉强度为550 MPa，最低伸长率为6%的珠光体可锻铸铁。

可锻铸铁强度、塑性和韧性优于普通灰口铸铁，通常用于制造一些形状比较复杂，要求承受冲击载荷的薄壁零件，如减速器壳、管接头等。但由于其生产周期长、工艺复杂、成本高，不少可锻铸铁零件已逐渐被球墨铸铁代替。

3. 球墨铸铁

球墨铸铁的石墨形态呈球状。球墨铸铁的牌号用“QT+数字-数字”表示。其中，“QT”是“球铁”的汉语拼音首字母，代表球墨铸铁，两组数字分别表示最低抗拉强度和最低断后伸长率，如“QT400-18”牌号表示最低抗拉强度为 400 MPa、最低断后伸长率为18%的球墨铸铁。

球墨铸铁是一种高强度铸铁材料，其综合性能接近于钢，用于铸造一些受力复杂，强度、韧性、耐磨性要求较高的零件。球墨铸铁已迅速发展为仅次于普通灰口铸铁的铸铁材料。工业生产中常说的“以铁代钢”的材料，主要是指球墨铸铁。球墨铸铁还能通过各种热处理改变其性能，主要用于各种动力机械的曲轴、凸轮轴、连接轴、连杆、齿轮、离合器片、液压缸体等零部件。图2-3-5所示为球墨铸铁铸件。

图2-3-5　球墨铸铁铸件

4. 蠕墨铸铁

蠕墨铸铁的石墨形态呈蠕虫状。蠕墨铸铁的牌号用“RuT+数字”表示。其中，“RuT”是“蠕铁”的汉语拼音缩写，数字表示最低抗拉强度。例如，“RuT420”牌号表示最低抗拉强度为420 MPa的蠕墨铸铁。

蠕墨铸铁的组织介于普通灰口铸铁与球墨铸铁之间的中间状态，所以蠕墨铸铁的性能也介于两者之间，即强度和韧性高于普通灰口铸铁，但不如球墨铸铁。

蠕墨铸铁的导热性比球墨铸铁要高得多，几乎接近灰铸铁，它的高温强度、热疲劳性能大大优于普通灰口铸铁，适用于制造承受交变热负荷的零件，如钢锭模、排气管和气缸盖等。图2-3-6（a）所示为空气压缩机蠕墨铸铁气缸盖。

蠕墨铸铁的减振能力优于球墨铸铁，铸造性能接近于普通灰口铸铁，铸造工艺简便，成品率高，且耐磨性较好，适用于制造重型机床床身、机座、活塞环、液压件等。图2-3-6（b）所示为铁路机车空气压缩机蠕墨铸铁活塞环。

图2-3-6　蠕墨铸铁铸件