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第六章 常用工程材料 工业中应用最广泛的金属材料是钢铁。本章主要介绍常用金属材料的分类、牌号、化学成分、力学性能和应用范围。 第一节 非合金钢 新的钢分类中已经用“非合金钢”一词取代“碳素钢”，但由于许多技术标准是在新的《钢分类》标准实施之前制订的，所以，为便于衔接和过渡，非合金钢的介绍仍按原常规分类进行。 非合金钢价格低廉、工艺性能好、力学性能能满足一般工程和机械制造的使用要求，是工业生产中用量最大的工程材料。 一、非合金钢中的常存杂质元素及其影响 实际使用的非合金钢并不是单纯的铁碳合金，由于冶炼时所用原料以及冶炼工艺方法等影响，钢中总不免有少量其他元素存在，如硅、锰、硫、磷、铜、铬、镍等，这些并非有意加入或保留的元素一般作为杂质看待。它们的存在对钢的性能有较大的影响。 1、锰（Mn） 钢中的锰来自炼钢生铁及脱氧剂锰铁。一般认为锰在钢中是一种有益的元素。在碳钢中含锰量通常＜0.80%；在含锰合金钢中，含锰量一般控制在1.0～1.2%范围内。锰大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，并使铁素体强化；另一部分锰溶于渗碳体中，形成合金渗碳体，提高钢的硬度；锰与硫化合成MnS，能减轻硫的有害作用。当锰含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时，它对钢的性能影响并不明显。 2、硅（Si） 也是来自炼钢生铁和脱氧剂硅铁，在碳钢中含硅量通常＜0.35%，硅和锰一样能溶于铁素体中，使铁素体强化，从而使钢的强度、硬度、弹性提高，而塑性、韧性降低。因此，硅也是碳钢中的有益元素。 3、硫（S） 硫是生铁中带来的而在炼钢时又未能除尽的有害元素。硫不溶于铁，而以FeS形成存在，FeS会与Fe形成低熔点（985℃）的共晶体（FeS-Fe）MnS，而且MnS在高温时具有塑性，这样避免了热脆现象。 4、磷（P） 也是生铁中带来的而在炼钢时又未能除尽的有害元素。磷在钢中全部溶于铁素体中，虽可使铁素体的强度、硬度有所提高，但却使室温下的钢的塑性、韧性急剧降低，在低温时表现尤其突出。这种在低温时由磷导致钢严重变脆的现象称为“冷脆”。磷的存在还会使钢的焊接性能变坏，因此钢中含磷量应严格控制，普通钢含磷量应≤0.045%，优质钢含磷量应≤0.040%，高级优质钢含磷量应≤0.035%。 但是，在适当的情况下，硫、磷也有一些有益的作用。对于硫，当钢中含硫较高（0.08～0.3%）时，适当提高钢中含锰量（0.6～1.55%），使硫与锰结合成MnS， 2、碳钢的牌号和用途 （1）碳素结构钢 用Q+数字表示，“Q”为屈服点，“屈”汉语拼音，数字表示屈服点数值。如：Q275，275MPa，若牌号后面标注字母A、B、C、Db”为半镇静钢，不标“F”和“b”的为镇静钢。如：Q235-A·F表示屈服点为235MPa的A235MPa的C级镇静钢。 碳素结构钢一般情况下都不经热处理，而是在供应状态下直接使用。通常Q195、Q215、Q235含碳量低，有一定强度，常扎制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等钢结构，也可制造普通的铆钉、螺钉、螺母、垫圈、地脚螺栓、轴套、销轴等等，Q255和Q275钢强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接。通常扎制成型钢、条钢和钢板作结构件以及制造连杆、键、销、简单机械上的齿轮、轴节等。 （2）优质碳素结构钢 优质碳素结构钢牌号由二位数字，或数字与特征符号组成。以二位数字表示平均碳的质量分数（以万分之几计）。沸腾钢和半镇静钢在牌号尾部分别加符号“F”和“b”，镇静钢一般不标符号。较高含锰量的优质碳素结构钢，在表示平均碳的质量分数的数字后面加锰元素符号。例如：WC=0.50%，WMn=0.70～1.00%的钢，其牌号表示为“50Mn”08、08F、10、10F钢，塑性、韧性好，具有优良的冷成型性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身，拖拉机驾驶室等；15、20、25钢用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞钢、样板等；30、35、40、45、50钢经热处理（淬火+高温回火）后具有良好的综合机械性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，用于制作轴类零件；55、60、65钢热处理（淬火+高温回火）后具有高的弹性极限，常用作弹簧。 （3）碳素工具钢 这类钢的牌号是由代表碳的符号“T”与数字组成，其中数字表示钢中平均碳的质量分数（以千分之几计）。对于较高含锰或高级优质碳素工具钢，牌号尾部表示同优质碳素结构钢。例如T12钢，表示WC=1.2%的碳素铸钢的牌号有两种表示方法：以强度表示的铸钢牌号，是由铸钢代号“ZG”与表示力学性能的两组数字组成，第一组数字代表最低屈服点，第二组数字代表最低抗拉强度值。例如ZG200-400，表示不小于200MPa，不小于400MPa，一般WC=0.15～