钢的分类与编号 - 图文

第二节 钢的分类与编号

工业用钢按化学成分分为碳素钢(简称碳钢)和合金钢两大类。碳钢是含碳量小于2．11％的铁碳合金。钢中除铁、碳之外，还含有少量的锰、硅、硫、磷等杂质。由于碳钢价格低廉、便于获得、容易加工、具有较好的力学性能，因此得到了极广泛的应用。但是，随着现代工业和科学技术的发展，对钢的力学性能和物理、化学性能提出了更高的要求。碳钢即使经过热处理也不能满足要求，从而就发展了合金钢。所谓合金钢就是为了改善和提高碳钢的性能或使之获得某些特殊性能，在碳钢中特意加入某些合金元素而得到的多元的以铁为基的合金。由于合金钢具有比碳钢优良的特性，因而用量比率逐年增大。

钢的分类

钢的分类方法很多，常用的有以下几种。 1．按用途分类

按用途可把钢分为结构钢、工具钢、特殊性能钢。

结构钢又可分为工程用钢(如建筑工程用钢、桥梁工程用钢、船舶工程用钢、车辆工程用钢)，机器用钢(如调质钢、渗碳钢、弹簧钢、轴承钢、耐磨钢)。

工具钢根据用途不同，可分为刃具钢、模具钢、量具钢。 特殊性能钢可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢等。 2．按化学成分分类

按钢的化学成分分为碳素钢及合金钢。碳素钢又按含碳量分为低碳钢(wc≤0．25％)、中碳钢(wc＝0．25％一0，60％)、高碳钢(Wc>0．60％)。合金钢按合金元素总含量分为低合金钢(凹Wme<5％)、中合金钢(Wme＝5％一10％)、高合金钢(Wme>10％)。另外，根据钢中所含主要合金元素种类不同，也可分为锰钢、铬钢、铬钼钢、铬锰钛钢等。

3．按质量分类

主要按钢中的有害杂质磷、硫含量来分类。可分为普通钢(Wp≤0．045％，Ws≤0.05％)、优质钢(Wp．Ws均《0．035％)、高级优质钢(Wp， ws均《0.025％)。

4．按冶炼方法分类

可按炉别分为平炉钢、转炉钢、电炉钢。按脱氧程度可分为沸腾钢、镇静钢、半镇静钢。

5．按金相组织分类

钢的金相组织随处理方法不同而异。按退火组织分为亚共析钢、共析钢、过共析钢。按正火组织分为珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢及奥氏体钢。

钢的编号

我国钢材的编号是按碳含量、合金元素的种类和数量以及质量级别来编号的。依据国家标准规定采用国际化学符号和汉语拼音字母并用的原则。即钢号中的化学元素采用国际化学元素符号表示，如Si、Mn、Cr等。仅稀土元素例外，用“RE”表示其总含量。

1．普通碳素结构钢

该类钢牌号表示方法是由代表屈服点的字母(Q)、屈服点数值、质量等级符号(A，B，C，)及脱氧方法符号(F，b，Z，TZ)等四部分按顺序组成。如Q235—A、F，表示屈服点数值为235MPa的A级沸腾钢。质量等级符号反映碳素结构钢中磷、硫含量的多少，A、B、C、D质量依次增高。

2．优质碳素结构钢

该类钢的钢号用钢中平均含碳量的两位数字表示，单位为万分之一。如钢号45，表示平均含碳量为0．45％的钢。

对于含锰量较高的钢，须将锰元素标出。即指含碳量大于0．6％含锰量在0．9％～1．2％者及含碳量小于0．6％含锰量0．7％～1．0％者，数字后面附加汉字“锰”或化学元素符号“Mn”。如钢号25Mn，表示平均含碳量为0．25％，含锰量为0．7％～1．0％的钢。

沸腾钢、半镇静钢以及专门用途的优质碳素结构钢，应在钢号后特别标出，如15g即平均含碳量为0．15％的锅炉钢。

3．碳素工具钢

碳素工具钢是在钢号前加“碳”或“T”表示，其后跟以表示钢中平均含碳量的千分之几的数字。如平均含碳量为0．8％的该类钢，记为“碳8”或“T8”。含锰量较高者须注出。高级优质则在钢号末端加“高”或“A”，如“碳10高”或“T10A\。

4．合金结构钢

该类钢的钢号由“数字+元素+数字”三部分组成。前两位数字表示平均含碳量的万

分之几，合金元素以汉字或化学元素符号表示，合金元素后面的数字表示该元素的近似含量，单位是百分之几。如果合金元素平均含量低于1.5％时，则不标明其含量。当平均含量大于或等于1．5％至2．0％时，则在元素后面标“2”依次类推。如为高级优质钢，在钢号后面应加“高”或“A”。如36Mn2Si表示含碳量为0．36％，含锰量为1．5％～1．8％，含硅量为0．4％一0．7％的钢。----????

5．合金工具钢

该类钢编号前用一位数字表示平均含碳量的千分之几。当平均含碳量大于或等于1．0％时，不标出含碳量。如\钢的平均含碳量为0．85％～0．95％，而\钢中的平均含碳量为1．3％～1．5％。 高速钢的钢号，一般不标出含碳量，仅标出合金元素含量平均值的百分之几。如“W6M05Cr4V2’’。

6．滚动轴承钢

该类钢在钢号前冠以“滚”或“G”，其后为铬(Cr)+数字来表示，数字表示铬含量平均值的千分之几。如“滚铬15\，即是铬的平均含量为1．5％的滚动轴承钢。

7．不锈钢及耐热钢

这两类钢钢号前面的数字表示含碳量的千分之几，如\”表示该钢平均含碳量为0。9％。但碳含量≤0．03％及0．08％者，在钢号前分别冠以“00”及“0”。如\。

8．铸钢

铸钢的牌号前面是“ZG”二字，后面第一组数字表示屈服点，第二组数字表示抗拉强度。如\—400\表示其屈服强度为200MPa，抗拉强度为400MPa。

合金元素的作用――与第一节合并

1．合金元素对钢中基本相的影响

铁素体和渗碳体是碳钢中的两个基本相，合金元素加入钢中时，可以溶于铁素体内，也可以溶于渗碳体内。与碳亲和力弱的非碳化物形成元素，如镍、硅、铝、钴等，主要溶于铁素体中形成合金铁素体。而与碳亲和力强的碳化物形成元素，如锰、铬、钼、钨、钒、铌、锆、钛等，则主要与碳结合形成合金渗碳体或碳化物。

(1)形成合金铁素体

合金元素在溶人铁素体后，由于其与铁的晶格类型和原子半径有差异，必然引起铁素体晶格畸变，产生固溶强化，使铁素体的强度、硬度提高，但塑性、韧性却有下降趋势。图7—1和7—2为几种合金元素对铁素体硬度和韧性的影响。

―――― 合金元素(％)

由图可知，硅、锰能显著地提高铁素体的强度和硬度。但含硅量超过0．5％，含锰量超过1．5％时，将降低其韧性。而铬与镍比较特殊，在铁素体中的含量适当时(铬≤2％，镍≤5％)，在显著强化铁素体的同时仍能提高韧性。

(2)形成碳化物

碳化物是钢中的重要组成相之一，碳化物的类型、数量、大小、形状及分布对钢的性能有很重要的影响。在碳钢中，在平衡状态下，可以按碳含量不同，分为亚共析钢、共析钢、过共析钢。通过热处理又可改变珠光体中Fe3C片的大小，从而获得珠光体、索氏体、屈氏体等。 在合金钢中，碳化物的状况显得更重要。作为碳化物形成元素，在元素周期表中都是位于铁以左的过渡族金属，越靠左，则d层电子数越少，形成碳化物的倾向越强。

锰是弱碳化物形成元素，与碳亲合力比铁强，溶于渗碳体中，形成合金渗碳体(FeMn)3C。这种碳化物的熔点较低，硬度较低，稳定性较差。

铬、钼、钨属于中强碳化物形成元素，既能形成合金渗碳体，如(FeCr)3C等，又能形成各自的特殊碳化物，如Cr7C3、Cr23C6 MoC、WC等。这些碳化物的熔点、硬度、耐磨性以及稳定性都比较高。

铌、钒、钛是强碳化物形成元素，它们在钢中，优先形成特殊碳化物，如VC、NbC、TiC等。它们的稳定性最高，熔点、硬度和耐磨性也最高。

2．合金元素对热处理和力学性能的影响

合金钢一般都是经过热处理后使用的，主要是通过热处理改变钢的组织来显示合金元素的作用。

． (1)改变奥氏体区域

扩大奥氏体区域的元素有镍、锰、碳、氮等，这些元素使A1和A3温度降低，使S点、E点向左下方移动，从而使奥氏体区域扩大。图7—3表示锰对奥氏体区域位置的影响。

Mn％>13％或Ni％>9％的钢，其S点就能降到零点以下，在常温下仍能保持奥氏体状态，

称为奥氏体钢。由于A1、A3温度的降低，就直接地影响热处理加热的温度，所以锰钢、镍钢的淬火温度低于碳钢。又由于S点的左移，使共析成分降低，与同样含碳量的亚共析碳钢相比，组织中的珠光体数量增加，而使钢得到强化。由于E点的左移，又会使发生共晶转变的含碳量降低，在C％较低时，使钢具有莱氏体组织。

如在高速钢中，虽然含碳量只有0．7％～0．8％，但是由于E点左移，在铸态下会得到莱氏体组织，成为莱氏体钢。

图7—3 合金元素锰对／区的影响

缩小奥氏体区域的元素有铬、钼、硅、钨等，使A1和A3温度升高，使S点、E点向左上方移动，从而使奥氏体的淬火温度也相应地提高了。图7—4是铬对奥氏体区域位置的影响。当Cr％>13％(含碳量趋于零)时，奥氏体区域消失，在室温下得到单相铁素体，称为铁素体钢。

(2)对奥氏体化的影响

大多数合金元素(除镍、钴外)减缓奥氏体化过程。合金钢在加热时，奥氏体化的过程基本上与碳钢相同，即包括奥氏体的形核与长大，碳化物的溶解以及奥氏体均匀化这三个阶段，它是扩散型相变。钢中加入碳化物形成元素后，使这一转变减慢。一般合金钢，特别是含有强碳化物形成元素的钢，为了得到较均匀的，含有足够数量的合金元素的奥氏体，充分发挥合金元素的有益作用，就需更高的加热温度与较长的保温时间。

(3)细化晶粒

碳化物形成元素(如钒、钛、铌、锆等)容易形成稳定的碳化物，铝形成稳定的化合物A1N、A1203，它们都以弥散质点的形式分布在奥氏体晶界上？？？？？，对奥氏体晶粒长大起机械阻碍作用。因此，除锰钢外，合金钢在加热时不易过热。这样有利于在淬火后获得细小马氏体；有利于适当提高加热温度，使奥氏体中溶入更多的合金元素，以增加淬透性及钢的机械性能；同时也可减少淬火时变形与开裂的倾向。对渗碳零件，使用合金钢渗碳后，有可能直接淬火，以提高生产率。因此，合金钢不易过热是它的一个重要优点。

(4)对C曲线和淬透性的影响

图7—4 合金元素铬对／区的影响

大多数合金元素(除钴外)均使C曲线右移，临界冷却速度减小，从而提高钢的淬透性，通常对于合金钢就可以采用冷却能力较低的淬火剂淬火，即采用油淬火，以减少零件的淬火变形和开裂倾向。

图7—5 合金元素对C曲线的影响

合金元素不仅使C曲线位置右移，而且对C曲线的形状也有影响。非碳化物形成元

素和弱碳化物形成元素，如镍、锰、硅等，仅使C曲线右移，见图7—5(a)表示。而对于中强和强碳化物形成元素，如铬、钨、钼、钒等，溶于奥氏体后，不仅使C曲线右移，提高钢的淬透性，而且能改变C曲线的形状，将珠光体转变与贝氏体转变明显地分为两个独立的区域，见图7—5(b)。

合金元素对钢的淬透性的影响，由强到弱可排成下列次序：钼、锰、钨、铬、镍、硅、钒。通过复合元素，采用多元少量的合金化原则，对提高的淬透性会更有效。

(5)提高回火稳定性 ·

淬火钢回火时，抵抗硬度下降的能力称为回火稳定性。由于合金元素溶人马氏体，使原子扩散速度减慢，因而在回火过程中马氏体不易分解，碳化物不易析出，析出后也较难聚集长大，从而提高了钢的回火稳定性。由于合金钢的回火稳定性比碳钢高，若要求得到同样的回火硬度时，则合金钢的回火温度应比碳钢高，回火时间也应延长，因而内应力消除得好，钢的韧性和塑性指标就高。而当回火温度相同时，合金钢的强度、硬度就比碳钢高。

碳化物形成元素如铬、钨、钼、钒等，在回火过程中有二次硬化作用，即回火时出现硬度回升的现象。二次硬化实质上是一种弥散强化。二次硬化现象对需要较高红硬性的工具钢来说具有重要意义。

第三节 结构钢

结构钢包括工程用钢和机器用钢两大类。工程用钢主要用于各种工程结构，它们大都是用普通碳素钢和普通低合金钢制造的。这类钢具有冶炼简便、成本低，用量大的特点，这类钢使用时一般不进行热处理。而机器用钢一般都经过热处理后使用，主要用于制造机器零件，它们大都是用优质碳素钢和合金结构钢制造的。

一． 普通结构钢

1．普通碳素结构钢 · (1)用途

适用于一般工程用热轧钢板、钢带、型钢、棒钢等，可供焊接、铆接、栓接构件使用。 (2)成分特点和钢种

普通碳素结构钢平均含碳量为0．06％～0．38％，并含有较多的有害杂质和非金属夹杂物，但能满足一般工程结构及普通零件的性能要求，因而应用较广。表7—2为其牌号、化学成分与力学性能。

碳素结构钢一般以热轧空冷状态供应。Q195与Q275牌号的钢是不分质量等级的，出厂时同时保证力学性能和化学成分。

Q195钢碳含量很低、塑性好，常作铁钉、铁丝及各种薄板等。Q275钢属中碳钢，

强度较高，能代替30钢、40钢制造稍重要的零件。Q215、Q235、Q255等钢，当质量等级为A级时，出厂时保证力学性能及硅、磷、硫等成分，其他成分不保证。若为其他等级时，力学性能及化学成分均保证。

2．普通低合金结构钢 (1)用途

该类钢有高的屈服强度、良好的塑性、焊接性能及较好的耐蚀性。可满足工程上各种结构的承载大、自重轻的要求，如建筑结构、桥梁、车辆等。

(2)成分特点

低合金结构钢是在碳素结构钢的基础上加入少量(不大于3％)合金元素而制成，产品同时保证力学性能与化学成分。它含碳量(0．1％～0．2％)较低，以少量锰(0．8％～1．8％)为主加元素，含硅量较碳素结构钢为高，并辅加某些其他(铜、钛、钒、稀土等)合金元素。

(3)热处理特点

该类钢多在热轧、正火状态下使用，组织为铁素体十珠光体。也有淬火成低碳马氏体或热轧空冷后获得贝氏体组织状态下使用。

(4)钢种和牌号

常用普通低合金钢的钢号、成分、性能与用途见表7－3。

表7—3 常用普通低合金钢的钢号、成分、性能及用途(摘自YBl3—69)

注：①力学性能是指钢材厚度或直径≤16mm者(但15MnTi为尺寸≤25mm，15MnVN为尺寸≤10mm)。

②d为弯心直径，a为试样厚度。

16Mn是这类钢的典型钢号，它发展最早、用的最多、产量最大，各种性能匹配较好，屈服强度达350MPa，它比Q235钢的屈服强度高20％～30％，故应用最广。

二 优质结构钢

这类钢主要用于制造各种机器零件，如轴类、齿轮、弹簧和轴承等所用的钢种，也称机器制造用钢。这类钢根据化学成分分为优质碳素结构钢与合金结构钢。

1．优质碳素结构钢 (1)用途 ，

优质碳素结构钢主要用来制造各种机器零件。

(2)成分特点

优质碳素结构钢中磷、硫含量均小于0．035％，非金属夹杂物也较少。根据含锰量不同，分为普通含锰量(0．25％～0．8％)及较高含锰量(0．7％～1．2％)。这类钢的纯

洁度和均匀度较好，因而其综合力学性能比普通碳素结构钢优良。

(3)钢种和牌号

常用优质碳素结构钢的牌号、化学成分和力学性能见表7—4。

08F塑性好，可制造冷冲压零件。10、20冷冲压性与焊接性能良好，可作冲压件及焊接件，经过适当热处理(如渗碳)后也可制作轴、销等零件。35、40、45、50经热处理后，可获得良好的综合力学性能，可用来制造齿轮、轴类、套筒等零件。60、65主要用来制造弹簧。

优质碳素结构钢使用前一般都要进行热处理。 2．合金结构钢

合金结构钢是机械制造、交通运输、石油化工及工程机械等方面应用最广、用量最大的一类合金钢。合金结构钢常在优质碳素结构钢的基础上加入一些合金元素而形成。合金元素加入量不大，属中、低合金钢。

1)渗碳钢 (1)用途

渗碳钢主要用于制造汽车、拖拉机中的变速齿轮，内燃机上的凸轮轴、活塞销等机器零件。工作中它们遭受强烈的摩擦和磨损，同时承爱较高的交变载荷特别是冲击载荷。所以这类钢经渗碳处理后，应具有表面耐磨而心部抗冲击的特点。

(2)性能要求，

根据使用特点，渗碳钢应具有以下性能。

①渗碳层硬度高，并具有优异的耐磨性和接触疲劳抗力，同时要有适当的塑性和韧性。

②渗碳件心部有高的韧性和足够高的强度，心部韧性不足时，在冲击载荷或过载荷作用下容易断裂；强度不足时，则硬脆的渗碳层缺乏足够的支撑，而容易碎裂、剥落。

③有良好的热处理工艺性能，在高的渗碳温度(900～950℃)下奥氏体晶粒不易长大，并且具有良好的淬透性。

(3)成分特点

根据性能要求，渗碳钢的化学成分考虑如下。

①低碳，含碳量一般较低，在0．10％～0．25％之间，是为了保证零件心部有足够的塑性和韧性。

②加入提高淬透性的合金元素，以保证经热处理后心部强化并提高韧性。常加入元素有Cr(<2％)、Ni(<4％)、Mn(<2％)等。铬还能细化碳化物，提高渗碳层的耐磨性，镍则对渗碳层和心部的韧性非常有利。另外，微量硼能显著提高淬透性。

③加入少量阻碍奥氏体晶粒长大的合金元素，主要加入少量强碳化物形成元素V(<0．4％)、Ti(0．1％)、Mo(<0．6％)、W(<1．2％)等。形成的稳定合金碳化物，除了能防止渗碳时晶粒长大外，还能增加渗碳层硬度、提高耐磨性。

(4)热处理特点

以20CrMnTi制造的汽车变速齿轮为例。其工艺路线为：下料一锻造一正火一加工齿形一渗碳(930℃)，预冷淬火(830℃；)一低温回火(200℃)一磨齿。正火的目的在于改善锻造

组织，保持合适的加工硬度(HBl70～210)，其组织为索氏体+铁素体。齿轮在使用状态下的组织为：由表面往心部为回火马氏体十碳化物颗粒+残余奥氏体一回火马氏体十残余奥氏体一??而心部的组织分两种情况，在淬透时为低碳马氏体+铁素体？？？？。

(5)钢种及牌号

常用渗碳钢的钢号、热处理工艺规范及力学性能见表7—5。

表7—5 常用渗碳钢(900～950)渗碳钢号、渗碳热处理工艺规范及力学性能

碳素渗碳钢，多用15、20钢。这类钢价格便宜，但淬透性低，导致渗碳、淬回火后心部强度、表层耐磨性均不够高。主要用于尺寸小，载荷轻，要求耐磨的零件。

合金渗碳钢，常按淬透性大小分为三类。

低淬透性渗碳钢，水淬临界淬透直径为20～35mm。典型钢种为20Mn2、20Cr、20MnV等。用于制造受力不太大，要求耐磨并承受冲击的小型零件。

中淬透性渗碳钢，油淬临界淬透直径约为25～60mm。典型钢种有20CrMnTi、12CrNi3、20MnVB等，用于制造尺寸较大、承受中等载荷、重要的耐磨零件，如汽车中齿轮。

高淬透性渗碳钢，油淬临界淬透直径约100mm以上，属空冷也能淬成马氏体的马氏体钢。典型钢种有12Cr2Ni4、20Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA等，用于制造承受重载与强烈磨损的极为重要的大型零件，如航空发动机及坦克齿轮。

2)调质钢 (1)用途

调质钢经热处理后具有高的强度和良好的塑性、韧性，即良好的综合力学性能。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、高强螺栓等。 ·

(2)性能要求

调质钢件大多承受多种和较复杂的工作载荷，要求具有高水平的综合力学性能，但不同零件受力状况不同，其性能要求有所差别。截面受力均匀的零件如连杆，要求整个截面都有较高的强韧性。受力不均匀的零件，如承受扭转或弯曲应力的传动轴，主要要求受力较大的表面区有较好的性能，心部要求可低些。

(3)成分特点

为了达到强度和韧性的良好配合，合金调质钢的成分设计如下。 ①中碳

含碳量一般在0．25％～0．50％之间，以0．40％居多。碳量过低，不易淬硬，回火后强度不足；碳量过高则韧性不够。

②加入提高淬透性的合金元素Cr、Mn、Si、M、B等

调质件的性能水平与钢的淬透性密切有关。尺寸较小时，碳素调质钢与合金调质钢的性能差不多，但当零件截面尺寸较大而不能淬透时，其性能与合金钢相比就差的很远了。45钢和40Cr钢相比，40Cr的强度要比45钢高许多，同时具有良好的塑性和韧性。

③加入Mo、W消除回火脆性

含Ni、Cr、Mn的合金调质钢，高温回火慢冷时容易产生第二类回火脆性。合金调质钢一般用于制造大截面零件，由快冷来抑制这类回火脆性往往有困难。因此常加人Mo、W来防止，其适宜含量约为0．15％～0．30％Mo或0．8％一1．2％W。

(4)热处理特点

以东方红—75拖拉机的连杆螺栓为例，材质为40Cr，工艺路线为：下料一锻造一退火一粗机加工一调质一精机加工一装配。在工艺路线中，预备热处理采用退火(或正火)，其目的是改善锻造组织、消除缺陷、细化晶粒；调整硬度，便于切割加工；为淬火做好组织准备。

调质工艺采用830~3加热、油淬得到马氏体组织，然后在525~E回火。为防止第二类回火脆性，在回火的冷却过程中采用水冷，最终使用状态下的组织为回火索氏体。

对于调质钢，有时除要求综合力学性能高之外，还要求表面耐磨，则在调质后可进行表面淬火或氮化处理。这样在得到表面硬化层的同时，心部仍保持综合力学性能高的回火索氏体组织。

(5)钢种及牌号

常用调质钢的牌号、成分、热处理、性能与用途见表7-6。它在机械制造业中应用相当广泛，按其淬透性的高低，可分为三类。

①低淬透性调质钢

这类钢的油淬临界直径最大为30～40mm，最典型的钢种是40Cr，广泛用于制造一般尺

表格7－6

寸的重要零件。40MnB、40MnVB钢是为节省铬而发展的代用钢，40MnB的淬透性稳定较 差，切削加工性能也差一些。 ②中淬透性调质钢

这类钢的油淬临界直径最大为40—60mm，含有较多合金元素。典型牌号有35CrMo等，用于制造截面较大的零件，例如曲轴、连杆等。加入钼不仅使淬透性显著提高，而且可以防止回火脆性。

③高淬透性调质钢

这类钢的油淬临界直径为60—160mm，多半是铬镍钢。铬、镍的适当配合，可大大提高淬透性，并获得优良的机械性能，例如37CrNi3，但对回火脆性十分敏感，因此不宜于作大截面零件。铬镍钢中加入适当的钼，例如40CrNiMo钢，不仅具有最好的淬透性和冲击韧性，还可消除回火脆性，用于制造大截面、重载荷的重要零件，如汽轮机主轴、叶轮、航空发动机轴等。

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