- 实用钢铁材料手册（第3版）
- 曾正明
- 7字
- 2020-06-24 23:02:48
第四章 常用钢种
一、结构钢
结构钢是用于制造各种工程结构及机器结构的钢，具有较好的强韧性和良好的加工性能，是工业上用途极广的钢种。工程结构钢一般不经热处理使用，对焊接性和耐蚀性的要求较高，主要采用碳素结构钢和低合金高强度结构钢；机器结构钢又分渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢等，一般在热处理后使用，大多采用优质碳素结构钢和优质合金结构钢。
1.碳素结构钢（GB/T700—2006）
（1）用途碳素结构钢原称普通碳素结构钢，是指钢中不含有特意加入的合金元素，主要用于建筑及工程结构的钢种。其在各类钢中产量最大、用途最广泛，且价格低廉，多轧制成钢棒（圆钢、方钢、扁钢、六角钢、八角钢等），型钢（工字钢、槽钢、角钢、L型钢等），异型型钢（轻轨、汽车车轮轮辋钢等）和钢板等，用于厂房、桥梁、船舶等建筑及工程结构。这类钢材一般不经热处理直接使用。
（2）牌号和化学成分（表4-1）
表4-1 碳素结构钢的牌号和化学成分
（3）力学性能（表4-2）
表4-2 碳素结构钢的力学性能
（续）
（4）材料选用（表4-3）
表4-3 碳素结构钢的特性和用途
2.优质碳素结构钢（GB/T699—1999）
优质碳素结构钢简称碳结钢，俗称优钢，是指钢中不含特意加入的合金元素，主要用于制造机器结构的钢种，也称机器制造用非合金钢，是应用最为广泛的一种优质结构钢。其性能主要取决于碳含量，碳含量越高，钢的强度、硬度越高，塑性、韧性越低。根据碳含量的不同，分为低碳碳结钢、中碳碳结钢和高碳碳结钢。低碳碳结钢有良好的塑性和韧性，常经表面热处理制造要求表面硬而耐磨，心部有良好韧性的零件，如销轴、受力不大的小齿轮等；碳含量较低的低碳钢，如08、08F、08Al等，有很好的塑性和冲压成形性能，是常用的冲压用钢，广泛用作汽车壳体、搪瓷器皿等。中碳碳结钢性能适中，经过调质热处理有较高的综合力学性能，常用来制造一些尺寸较小的调质零件，如小轴、齿轮等，也可在正火状态或经表面淬火制造一些对性能要求不高而尺寸较大的零件。高碳碳结钢有较高的强度和硬度，常用来制造弹簧和要求耐磨的零件，也大量用来拉制高强钢丝和制造钢丝绳。碳结钢的主要缺点是淬透性较差，因而不适于制造对性能要求较高的、截面尺寸较大的或形状较复杂的零件。
（1）牌号和化学成分（表4-4）
表4-4 优质碳素结构钢的牌号和化学成分
（2）力学性能（表4-5）
表4-5 优质碳素结构钢的力学性能
（3）物理性能（表4-6）
表4-6 优质碳素结构钢的物理性能（参考数值）
（4）材料选用（表4-7）
表4-7 优质碳素结构钢的特性和用途
（续）
（续）
（续）
（续）
3.低合金高强度结构钢（GB/T1591—2008）
（1）用途低合金高强度结构钢是钢中含有少量合金元素，主要用于建筑与工程结构的钢种。含碳的质量分数一般不大于0.20%，合金元素总的质量分数一般不大于3%，由于合金元素的作用，低合金高强度结构钢屈服强度比相同含碳量的碳素结构钢高25%～150%，用低合金高强度结构钢代替碳素结构钢使用，可以减轻结构自重，节约金属材料并延长结构使用寿命。此外，低合金高强度结构钢还有良好的韧性和焊接性，有的还具有耐蚀、耐低温等特性。
（2）牌号和化学成分（表4-8）
表4-8 低合金高强度结构钢的牌号和化学成分
（3）力学性能（表4-9、表4-10）
表4-9 低合金高强度结构钢的力学性能
表4-10 低合金高强度结构钢的力学和工艺性能
（4）材料选用（表4-11）
表4-11 低合金高强度结构钢的特性和用途
（续）
4.合金结构钢（GB/T3077—1999）
（1）用途合金结构钢是在优质碳素结构钢的基础上，适当加入一种或数种合金元素（总的质量分数不超过5%）而制成的钢种。合金元素主要用来提高钢的淬透性，通过适当的热处理可以使钢获得较高的强度和韧性。合金结构钢在一定程度上能使零件在整个截面上获得比较均匀的较高综合性能。因此，合金结构钢常用于制造尺寸较大、形状较复杂且用碳素结构钢难以满足性能要求的各种零件。
合金结构钢主要有渗碳钢、调质钢和渗氮钢三类。
渗碳钢也称为表面硬化钢，主要是低碳合金结构钢（碳的质量分数小于或等于0.25%），用这类钢制成的零部件，大都经过化学热处理（渗碳或碳氮共渗）、淬火并低温回火，可以获得很硬的表面层（60HRC以上），而心部仍具有良好的韧性，使零部件既耐磨，又能承受较高的交变载荷或冲击载荷，常用来制造齿轮、轴等。
调质钢中碳的质量分数一般在0.25%以上，属于中碳合金结构钢，所制成的零部件经淬火及高温回火的调质处理后，可以获得配合很好的高强度和良好的韧性，即具有良好的综合力学性能，常用于制造承受较大载荷的轴、连杆、紧固件等。
渗氮钢是含铝的中碳合金结构钢，所制成的零部件需先经过调质或火焰淬火、高频感应淬火处理，获得所需要的力学性能，再经过最终切削精加工，然后进行渗氮处理，以进一步增加其表面硬度和耐磨性。最常用的渗氮钢是38CrMoAl钢，可制造高耐磨性、高疲劳强度、高尺寸精密度的渗氮零件，如高压阀、镗床镗杆、磨床主轴等。
（2）牌号和化学成分（表4-12）
表4-12 合金结构钢的牌号和化学成分
（续）
（续）
（续）
（3）力学性能（表4-13）
表4-13 合金结构钢的力学性能
（续）
（续）
（4）物理性能（表4-14）
表4-14 合金结构钢的物理性能（参考数据）
（续）
（5）材料选用（表4-15）
表4-15 合金结构钢的特性和用途
（续）
（续）
（续）
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（续）
5.保证淬透性结构钢（GB/T5216—2004）
（1）用途保证淬透性结构钢是从优质碳素结构钢和合金结构钢中精选出部分牌号，根据用户的不同需求，仅对其淬透性予以相应保证的钢种。保证淬透性结构钢用末端淬火的方法测定钢的淬透性，为用户提供不同钢种的淬透性带及有关数据，以供用户进行选用和代用。
（2）牌号和化学成分（表4-16）
表4-16 保证淬透性结构钢的牌号和化学成分
（续）
（3）硬度（表4-17）
表4-17 退火或高温回火状态交货钢材的硬度
（4）工艺性能（表4-18）
表4-18 保证淬透性结构钢的淬透性指标
（续）
（续）
（5）材料选用（表4-19）
表4-19 保证淬透性结构钢的特性和用途
（续）
（续）
6.易切削结构钢（GB/T8731—2008）
（1）用途易切削结构钢简称易切钢，是一种容易切削加工的钢，它是适应机械加工自动化和流水作业而发展起来的钢种。易切钢主要用于金属自动切削机床进行高速切削的、加工批量大的、对性能要求不很高的零件，如螺栓、螺母等标准件及某些要求高尺寸精度、小表面粗糙度值的零件，如手表、照相机零件、精密仪器零件等。
（2）牌号和化学成分（表4-20）
表4-20 易切削结构钢的牌号和化学成分
（续）
（3）力学性能（表4-21～表4-23）
表4-21 热轧状态条钢和盘条的力学性能
（续）
表4-22 经热处理毛坯制成的Y45Ca试样的力学性能
表4-23 冷拉状态条钢和盘条纵向力学性能
（续）
（4）材料选用（表4-24）
表4-24 易切削结构钢的特性和用途
（续）
7.耐候结构钢（GB/T4171—2008）
（1）用途耐候结构钢即耐大气腐蚀钢，是在钢中加入少量的合金元素，如Cu、P、Cr、Ni等，使其在金属基体表面上形成保护层，以提高钢材的耐候性能，同时保持钢材具有良好的焊接性，适合于桥梁、建筑和其他结构件要求具有耐候性能的热轧钢材，包括钢板、钢带和型钢。
（2）牌号和化学成分（表4-25）
表4-25 耐候结构钢的牌号和化学成分
①为了改善钢的性能，可以添加一种或一种以上的微量合金元素，如添加质量分数为0.015%～0.060%的Nb，添加质量分数为0.02%～0.12%的V，添加质量分数为0.02%～0.10%的Ti，添加质量分数大于或等于0.020%的Al。若上述元素组合使用，则应至少保证其中一种元素的质量分数达到上述化学成分的下限规定。
②可以添加下列合金元素：Mo的质量分数小于或等于0.30%，Zr的质量分数小于或等于0.15%。
③添加Nb、V、Ti三种合金元素总的质量分数不应超过0.22%。
（3）力学性能（表4-26、表4-27）
表4-26 耐候结构钢的力学性能
注：a为钢材厚度。
表4-27 耐候结构钢的冲击性能
（4）材料选用（表4-28）
表4-28 耐候结构钢的特性和用途
8.弹簧钢（GB/T1222—2007）
（1）用途弹簧钢是专门用于制作各类弹簧（如螺旋弹簧、碟簧、板簧等）及各种弹性件（如片弹簧、弹簧垫、弹性挡圈、扭力簧杆等）的钢种。弹簧钢的材质有碳素弹簧钢、低合金弹簧钢、高合金弹簧钢（不锈钢）。
1）碳素弹簧钢：属于高含碳量（一般碳的质量分数大于0.6%）的碳素钢。其特点是强度、硬度、弹性、抗疲劳性能良好，生产工艺简单，价格低，可用于制成钢丝、薄板、钢带等。
2）低合金弹簧钢：钢中的合金元素的质量分数不超过5%，碳的质量分数比碳素弹簧钢低，为0.50%～0.70%，各项力学性能高于碳素弹簧钢。低合金弹簧钢的用量大、用途广。
3）高合金弹簧钢：属于特殊用途的弹簧，钢中合金元素的质量分数多超过10%。此类弹簧钢具有抗氧化、耐腐蚀、耐热、耐寒、无磁等特殊性能，属于不锈钢。
（2）牌号和化学成分（表4-29）
表4-29 弹簧钢的牌号和化学成分
（3）力学性能（表4-30、表4-31）
表4-30 弹簧钢的力学性能
表4-31 弹簧钢的交货硬度
（4）材料选用（表4-32）
表4-32 弹簧钢的特性和用途
（续）
（续）
9.冷镦和冷挤压用钢（GB/T6478—2001）
（1）用途在现代化的机械制造业（特别是汽车、拖拉机等制造业）中，除广泛地采用冷镦工艺来生产互换性较高的各种标准件（如螺栓、螺母、螺钉、销钉等）外，还采用冷挤压工艺生产各种零件。
冷镦和冷挤压生产工艺的特点是材料利用率高、产量大、成本低。但由于零件一次成形，要求钢材具有很高的塑性和高的表面质量，以保证零件易于成形，并得到高的尺寸和形状准确度。
（2）牌号和化学成分（表4-33）
表4-33 冷镦和冷挤压用钢的牌号和化学成分
（续）
①非热处理型钢的铝镇静钢，采用碱性电炉冶炼时，钢中硅含量wSi≤0.17%。
②表面硬化型钢还包括：ML10Al、ML15Al、ML15、ML20Al、ML20钢。
③Alt表示钢中全铝含量。如测定酸溶铝（Als）含量（质量分数）不小于0.015%，应认为是符合本标准的。
④钢中残余元素含量（质量分数）：铬、镍、铜各不大于0.20%。
⑤根据需方要求，ML15MnB钢的碳含量（质量分数）可降到0.12%～0.18%，但应在合同中注明。
（3）力学性能（表4-34～表4-37）
表4-34 非热处理型冷镦和冷挤压用钢热轧状态的力学性能
表4-35 表面硬化型冷镦和冷挤压用钢热轧状态的力学性能
表4-36 调质型钢的力学性能
（续）
表4-37 退火状态交货钢材的力学性能
（4）工艺性能（表4-38）
表4-38 表面硬化型、调质型（包括含硼钢）冷镦和冷挤压用钢的末端淬透性
（续）
（5）材料选用（表4-39）
表4-39 冷镦和冷挤压用钢的特性和用途
（续）
