分类黑色金属铁和铁为基的合金钢铸铁和铁合金有色金属除黑色金

分类：黑色金属——铁和铁为基的合金（钢、铸铁和铁合金）有色金属——除黑色金属以外的所有金属及其合金。其中钢铁占了95％碳钢：含碳量在0.0218％～2.11

％的铁碳合金。

一、碳钢中的常存元素1.锰Mn

0.25--0.80%有益。Mn(降低S的有害作用)↑热加工性能

固溶强化；使性能提高。屈服强度提高。2．硅Si

有益。脱氧→↓脆性，固溶强化，屈服强度提高。

3．硫——有害，985℃熔点

FeS→热脆１24．磷

有害，Fe3P

室温下<100℃，脆性大→冷脆5．O、N、HO2-↓机械性能，强度、塑性降低，有害元素N2——兰脆，若钢中存在Al、V、Ti↑→兰脆消失→强度，硬度提高H2——氢脆、白点，有害。二、碳钢的分类1.按钢的碳质量分数分低碳钢w(C)≤

0.25%

中碳钢0.25<w(C)

<0.6%高碳钢w(C)

>0.6%32．按钢的质量分普通碳素钢Ws、Wp≤0.45%优质碳素钢Ws、Wp≤0.35%高级优质钢（标A）Ws≤0.20%Wp≤0.30%

特级优质钢（标E）Ws≤0.15%Wp≤0.25%

3．按钢的用途分碳素结构钢（工程结构和机械零件用钢）碳素工具钢（刃具、量具和模具用钢）铸钢

4．按钢脱氧程度分：沸腾钢（标F）、镇静钢（标Z，可省略）

半镇静钢（标b）三、碳钢的牌号及用途1．碳素结构钢牌号:Q+数字—质量等级·脱氧程度符号例：Q235—A·F

（屈服强度235MPa,A级沸腾钢）（Q屈服点“屈”字拼音首字母。数字为屈服强度数值。质量等级A、B、C、D四级）Q215Q255Q195Q235Q275塑性好，钢板、钢筋、型钢、螺钉、螺帽。｛｛强度高的型钢、钢板做较大型构件。重要焊接结构件2．优质碳素结构钢钢号用平均碳质量分数的万分数的数字表示。如：08F

，30A，45，15Mn（F表沸腾钢）（0.30%C，后有“A”表高级优质钢）注：Mn指含Mn量高0.7～1.2％

（制作各种机器零件，一般进行热处理）08F

—塑性好，轧成薄板和钢带做冷冲压件

10，20

—冷冲压件，焊接件，渗碳处理。

35，45，40，50

—齿轮、轴类、连杆、销类件。

60，65

—小尺寸弹簧元件。3．碳素工具钢（WC0.65～1.35％）碳素工具钢生产成本较低；易于冷、热加工，在热处理后有相当高的硬度；在受热不大的情况下工作时有较好的耐磨性，所以得到广泛的使用。化学成分:

为了有足够高的硬度及较好的耐磨性，碳素工具钢一般含有0.65-1.35%C。含碳量越高，则钢的耐磨性越好，而韧性越差。常用的碳素工具钢有T7、T8、T9、T10、T11、T12及T13各类。随着数字的升高，钢的硬度与耐磨性增高，而韧性逐渐下降。碳素工具钢中加少量（0.35-0.60%）的锰，如T8Mn，可提高钢的淬透性，但含锰量过高会使钢的韧性下降。

钢号:T+数字数字为平均碳质量分数的千分数的数字T为“碳”字拼音首字母如：T10A,

T9,

T12Mn(A表示高级优质碳素工具钢）注：Mn指含Mn量高0.4～0.6％

T7，T8，强度，韧性较高，可制作冲头、凿子、榔头T9，T10，T11，强度，韧性适中，可制作钻头、刨刀、丝锥、手锯及冷作模具。T12，T13，硬度很高，韧性低，可制作锉刀、刮刀、量规。T10A四、合金钢

碳钢的不足：※

碳钢淬透性低，不适易形状复杂和尺寸大的工件。只能水冷，易变形开裂，性能不均，※强度和屈强比低※回火稳定性差。※不能满足特殊性能的要求。耐热、耐蚀、抗氧化、耐磨、红硬性等。（一）、合金钢的分类1、按合金元素质量分数总量分类2．按用途分类（1）低合金钢

总量低于5％

（2）中合金钢

总量5％～10％（3）高合金钢

总量大于10％

（1）合金结构钢（2）合金工具钢（3）特殊钢（低合金高强度结构钢、合金渗碳钢、合金调质钢、合金弹簧钢

、滚动轴承钢）（合金刃具钢、合金模具钢、合金量具钢）（不锈钢、耐热钢、耐磨钢）（二）、合金结构钢编号方法：Q+屈服强度+质量等级（A,B,C,D）

如：Q295Q345Q390Q420Q460合金渗碳钢合金调质钢合金弹簧钢两位数字+所加合金元素符号和其百分含量……类推（两位数字为平均碳质量分数的万分数，加A为高级优质。）（如合金元素含量少于1.5％时不标数）1.5％～2.49％标22.5％～3.49％标3……类推如：20CrMnTi20Cr2Ni4A40CrMo

60Si2Mn滚动轴承钢低合金高强度结构钢G+CR+数字

（“G”滚字拼音首字母）数字为Cr含量的千分数如：GCr6GCr9GCr15

低合金高强度结构钢1.成分特点

①低C:＜0.2%保证韧性、焊接性、冷成型性。

②合金元素以Mn为主、Mn和Si

产生固溶强化③加入V,Nb,Ti

等元素细化F晶粒和细化碳化物而沉淀强化④加入Cu抗腐蚀2.性能特点

①高强度:σs＞300MPa②高韧性③良好焊接性能和冷成形性能④耐大气腐蚀使用组织：P细＋F3.常见钢号及其应用Q295Q345Q390Q420Q460一般工程结构，桥梁、车辆，油罐、容器等

大型桥梁,船舶,压力容器，焊接结构.高压锅炉,高压容器，大型船舶合金渗碳钢1.成分特点①低C:0.1%～0.25%②加入提高淬透性元素Cr,Ni,Mn,B

③加入Mo,W,V,Nb,Ti等阻碍A晶粒长大和形成ｋ提高耐磨性

④Ni增加渗层塑性、韧性2.性能特点

①渗层硬度高,耐磨,抗接触疲劳,且有适当塑性,韧性②心部高韧性和足够强度③良好的热处理工艺性能。晶粒不宜长大，良好淬透性。3.热处理及使用态组织表层：ｋ＋M‘＋A’心部：①淬透，低C的M'②未淬透，T＋M'＋F(少量)4.典型钢号及其应用①低淬透性合金渗碳钢:20Cr,15Cr

冲击载荷小的耐磨件,如小轴,活塞销,小齿轮.②中淬透性:20CrMnTi

有良好的力学性能和工艺性能,适合高速较高载有冲击的耐磨件,如重要齿轮,连轴器,十字销头.③高淬透性:18Cr2Ni4WA20Cr2Ni4A

适合重载大截面重要耐磨件,如齿轮、柴油机曲轴,连杆等。

预先热处理：正火最终热处理：渗碳淬火+低温回火合金调质钢1.成分特点①中C：0.25%～0.50%以0.4左右为主。②加入提高淬透性元素Cr,Ni,Mn,Si,B

等。③加入Mo,W消除回火脆性。④加入强ｋ形成元素Ti,V,W.Mo提高回火稳定性和细化晶粒.⑤Ni,Si,Mn可强化Ｆ.2.性能特点

高水平综合机械性能,能满足多种和较复杂载荷的工作条件。3.应用

汽车，拖拉机，机床，工程机械等上的重要零件如：齿轮，轴类件，连杆，螺栓。4.典型钢号及其应用

①低淬透性:40Cr,40MnB一般尺寸重要零件,如齿轮,主轴②中淬透性:35CrMo38CrMnSi

载荷大的，截面尺寸较大的零件,如曲轴,连杆.齿轮轴。③高淬透性:37CrNi338CrMoAI40CrNiMoA40CrMnMo

适合大截面重载重要零件,如汽轮机主轴和叶轮5.热处理工艺及使用态组织调质—淬火+高温回火回火索氏体

可作为预先热处理或最终热处理最终热处理：高频或中频淬火+低温回火氮化处理合金弹簧钢1.成分特点①中高C:0.45%～0.70%②加入Si,Mn为主要元素:提高淬透性也提高屈强比。③加入Cr,W,V也提高淬透性。④加入Si-Cr不易脱C加入Cr-V细化晶粒,耐冲击,高温强度好。2.性能特点①高σe和σs,高屈强比。②高疲劳抗力。③足够塑韧性,能承受震动,冲击。④有较好淬透性,不易脱C,易绕卷成形。3.典型钢号及其应用①以Si,Mn合金化:65Mn,55Si2Mn,60Si2Mn,60Si2CrVA

用于汽车,拖拉机,机车的板簧和螺旋弹簧②以Cr,V合金化:50CrVA55CrMnA350℃以下重载,较大型弹簧,如高速柴油机气门弹簧.弹簧成型：①热成型②冷成型热处理：淬火+中温回火冷成型的做去应力退火滚珠轴承钢1.成分特点①高C:0.95%～1.10%②Cr为基本元素:提高淬透性;细化ｋ;提高耐磨性和接触疲劳抗力;增加Ａ'%③加入Si,Mn提高淬透性;加入V耐磨性,防止过热。④纯度要求极高⑤GCr15中含Cr%≈1.5%2.性能特点①高接触疲劳强度②高硬度和耐磨性③足够的韧性和淬透性④一定耐蚀能力和良好尺寸稳定性①Cr轴承钢:GCr6,GCr9,GCr15

中小型轴承,冷冲模,量具,丝锥.②添加Mn,Si,Mo,V的轴承钢:GCr15SiMo,GSiMnMoV

制造大型轴承.热处理工艺:

预先热处理:球化退火最终热处理：淬火+低温回火（三）、合金工具钢分为：合金刃具钢、合金模具钢、合金量具钢。牌号：一位数字（或没有数字）+合金元素符号+其含量百分数……一位数字表示碳质量分数的千分数没有数字表示碳质量分数大于1％合金元素含量如＞1.5％不标数如1.5％～2.49％标2如2.5％～3.49％标3如3.5％～4.49％标4………类推如9SiCrCrWMnCr12MoV5CrMnMoW18Cr4V刃具钢的基本要求是：

①高的耐磨性；

②高硬度；一般大于60HRC

③高的弯曲强度和足够的塑性、韧性；

④高的红硬性（热稳定性）。例如钻头：钻头为长杆状刀具，刃部长而薄，它在致密的金属中进行钻削。工作时承受很高的轴向压应力、扭转应力以及径向力引起的弯曲应力。钢材应具有足够高的弯曲强度和韧性。钻头在连续钻削时，其刃部与工件和切屑间的摩擦很厉害，产生热量不易散失，故对钻头用钢要求高的耐磨性和热稳定性。刃具钢的用途：各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、刨刀、钻头等合金刃具钢1、低合金工具钢低合金工具钢是在碳素工具钢的基础上添加合金元素而成的。成分特点：

①高C:0.9%～1.1%②加入Cr,Mn,Si提高淬透性③加入Si提高回火稳定性④加入W,V提高耐磨性⑤加入W,V细化晶粒性能特点：①高硬度:HRC＞60②高耐磨性③高热硬性④足够塑性和韧性典型钢号及其应用：

①9SiCr如,板牙,丝锥,冷冲模,木工工具,低速切削刃具②Cr,Cr06如,样板,铰刀,插刀,剃刀,刀片,刮刀,锉刀等.③CrWMn

如拉刀,冲模,样板,量规④W,W2,CrW

小麻花钻,低速切削刃具2、高速钢成分特点：①高C:0.7%～1.5%②加入Cr提高淬透性③加入W,Mo提高热硬性④加入V提高耐磨性在高速切削过程中，刀具的刃部温度可达600℃以上，低合金钢刃具已不能满足这种要求。因此，就必须选用高速钢（这是一种合金元素含量很高的刃具钢），它在600℃时，仍能使硬度保持HRC60以上，从而保证其切削性能和耐磨性。高速钢刀具的切削速度可比碳素工具钢和合金工具钢刀具增加1～3倍，而耐用性增加7～14倍，因此，高速钢在机械制造工业中被广泛地采用。性能特点：①高硬度:HRC＞60②高耐磨性③高热硬性④足够塑性和韧性典型钢号及其应用：①W18Cr4V车刀、铣刀、刨刀、钻头、拉刀、②W6Mo5Cr4V2丝锥、铰刀、钻头等耐磨性和韧性好作高速切削刃具丝锥机铰刀手铰刀高速钢钻头高速钢铣刀板牙合金量具钢2.性能要求：

①高硬度和高耐磨性②高尺寸稳定性，热处理变形小。1.用途：各种测量工具如卡尺、千分尺、量块、赛规等。3.成分特点：

高碳WC0.9％～1.5％

加入Cr、W、

Mn等提高淬透性。4.量具用钢10、20或50、55、60、60Mn、65Mn——样板或卡规T10A、T12A、9SiCr——一般量规和量块Cr、CrMn、GCr15——高精度量规和量块CrWMn——高精度形状复杂的量规和量块抗蚀量具4Cr13、9Cr18——（四）、特殊性能钢不锈钢1.抗腐蚀原理ｂ.金属腐蚀破坏的方式:ａ.金属腐蚀的方法(化学腐蚀、电化学腐蚀)①均匀腐蚀②晶间腐蚀③点腐蚀④应力腐蚀⑤腐蚀疲劳c.金属抗腐蚀的原理：①单相组织→原电池形成可能性↓、金属电极电位↑→抗腐蚀；②↓电极电位差、↑阳极电极电位；③表面保护膜→钝化d.不锈钢的合金化原理：①含C量尽可能低；一般0.1％～0.2％②加入Cr→含量＞12.5%电极电位跃升(如M不锈钢)；③含Cr量＞12.7%→单相F(如F不锈钢)；④加入Ni→单相A或F+A(如A不锈钢)；⑤加入Ti、Nb、B→晶界腐蚀↓2．常用不锈钢M不锈钢1Cr13,2Cr13用于汽轮机叶片、测量工具、不锈轴承、弹簧

,3Cr13,4Cr13、9Cr18手术器具及刀具.b.F不锈钢1Cr17、1Cr25、1Cr28

化工设备、食品工业c.A不锈钢1Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni9Ti化工、食品、医疗行业d.A－F不锈钢1Cr12Ni5Ti化工设备、热交换器。耐热钢

1、抗氧化钢:

钢的抗氧化性能：①要求氧化膜比较致密,不利于铁原子在氧化膜中的扩散;②要求氧化膜与金属基体有较好的结合,不容易破坏和脱落。提高钢抗氧化性能的途径；

③形成致密的氧化膜.①添加Cr,Al,Si合金元素；②提高钢氧化膜的稳定性,使FeO的形成温度高;有较强抗高温氧化性能,而不承受较大载荷的一类钢。

抗氧化钢的类型：

①铁素体型:

●Cr13钢--添加Si,Al→Cr13SiAl;●Cr18钢--添加Si,→Cr18Si2;●Cr25钢--添加Si,Al→Cr24Al2Si;②奥氏体型:●1Cr18Ni9型钢--添加Ni,Si→1Cr18Ni25Si2;●Fe-Al-Mn系;2、热强钢:在高温下工作,承受较大载荷的一类钢.钢的热强性能—

要求钢有较高的蠕变极限和高温持久强度，以及良好的高温疲劳性能。提高热强性的途径：

④通过碳化物和金属间化合物的弥散相强化。①增加Cr,Mo等元素的固溶强化；②降低S、P杂质元素含量；③用B、Ti、Zr进行晶界强化；热强钢的类型：

①低碳珠光体型热强钢--如:12Cr1MoV（锅炉用钢）②中碳珠光体型热强钢--如:35CrMoV（汽轮机转子用钢）③马氏体型热强钢------如:15Cr12WmoV（汽轮机叶片用钢）④奥氏体型热强钢------如:Cr18Ni10Mo.（汽轮机过热管道）耐磨钢（高锰钢）在强烈冲击载荷和严重磨损条件下工作的要求具有良好韧性和耐磨性的钢。1.成分特点WC1.0％～1.3％

WMn

11％～14％

2.性能特点有强烈的加工硬化，机加工困难，只能铸造成型。但铸态硬而脆。需作水韧处理。水韧处理将高锰钢加热到1000℃～1100℃，保温，使碳化物全部溶入A中，然后快速水冷，获得均匀的A组织。（不需回火）A组织塑性好，硬度低，但受到强烈冲击、严重摩擦和强大的压缩力时，表层A发生塑变产生强烈的加工硬化，而且还有马氏体产生，硬化效果非常强烈。可达52～56HRC，使耐磨性显著提高，而心部仍保持良好塑性，韧性的A状态。钢号：

ZGMn13、ZGMn12Cr2、ZGMn12Mo2应用:坦克、拖拉机履带板；挖掘机铲斗，防弹板，保险箱钢板。练习题1、说明下列钢的类别、含义？Q235-A.F、20、

45、60Mn、T8MnA、T13、Q345、20CrMnTi、

GCr15五、铸钢与铸铁（一）、铸钢主要用于制造形状复杂，需要一定强度，塑性和韧性的零件。如重型机械齿轮钢轮，轧辊，机座，缸体，阀体

等。牌号：“ZG”加平均碳质量分数的万分数表示，如：ZG25，

ZG25，机座，箱体

ZG35，飞轮，机架

ZG45，联轴器，气缸，齿轮，齿轮圈。ZG55，起重运输机中的齿轮，联轴器等（二）、铸铁概述碳质量分数大于2.11%的铁碳合金。铸铁的特点1、成分与组织的特点铸铁与碳钢相比，除了有较高的碳、硅含量外，还有较高的杂质元素硫和磷。铸铁中的碳主要有如下三种分布形式：①

溶于铁晶格的间隙中，形成间隙固溶体，如铁素体、奥氏体；②

与Fe生成化合物，如Fe3C碳化物；③

以游离的石墨形式析出。2、

铸铁组织铸铁的金属基体有珠光体、铁素体、铁素体＋珠光体，经热处理后有马氏体、贝氏体等组织，它们相当于钢的组织。

铸铁中石墨的形态可分为六种:

Ⅰ型为片状石墨;

Ⅱ型为蟹状石墨;

Ⅲ型为蠕虫状石墨;

Ⅳ型为聚集状(团絮状)石墨;

Ⅴ型为不规则或开裂状石墨;

Ⅵ型为球状石墨。

3、铸铁的性能特点铸铁的性能取决于铸铁的组织和成分。因此，铸铁的机械性能主要取决于铸铁基体组织以及石墨的数量、形状、大小及分布特点。石墨机械性能很低，硬度仅为HB3～5，抗拉强度为20Mpa，延伸率接近零

石墨

珠光体

铁素体抗拉强度MPa20800～1000350～400石墨与基体相比，其强度和塑性都要小得多，石墨减小铸铁件的有效承载截面积，同时石墨尖端易使铸件在承载时产生应力集中，形成脆性断裂。因此，铸铁的抗拉强度、塑性和韧性要比碳钢低，一般说来，石墨的数量越少，分布越分散，形状越接近球形，则铸铁的强度、塑性和韧性越高。

虽然铸铁的机械性能不如钢，但由于石墨的存在，却赋予铸铁许多为钢所不及的性能。如良好的耐磨性、高的消振性、低的缺口敏感性以及优良的切削加工性。此外，铸铁的碳含量高，其成分接近共晶成分，因此，铸铁的熔点低，约为1200℃左右，铁水流动性好；石墨结晶时体积膨胀，所以铸造收缩率小，其铸造性能优于钢。铸铁的分类铸铁是碳含量大于2.11％的铁碳合金，其中的碳有以化合态的渗碳体Fe3C析出,也有以游离态的石墨析出。根据铸铁中的碳在结晶过程中的析出状态以及凝固后断口颜色的不同，状态可分为三大类：白口铸铁；麻口铸铁；灰口铸铁

白口铸铁－碳除少量溶于铁素体外，其余全部以化合物状态的渗碳体析出,凝固后断口呈白亮的颜色，故称白口铸铁。麻口铸铁－碳既以化合状态的渗碳体析出，又以游离状态的石墨析出.

凝固后断口夹杂着白亮的渗碳体和暗灰色的石墨，故称为麻口铸铁。灰口铸铁－碳全部或大部分以游离状态的石墨析出，凝固后断口呈灰色，故称为灰口铸铁。白口铸铁的性质硬而脆，所以，工业上应用较少。灰口铸铁的性能除了与成分及基体组织有关外，还取决于石墨的形状、大小、数量及分布。球墨铸铁－石墨为球状；

可锻铸铁－石墨为团絮状；

蠕墨铸铁－石墨为蠕虫状。因此，灰口铸铁按石墨的形状和大小又可分为：灰铸铁

－石墨为片状；(常被称为灰口铸铁)铸铁中石墨的形成过程称为石墨化过程,

铸铁的化学成分和结晶时的冷却速度是影响石墨化和铸铁组织的主要因素。1、化学成分的影响

①碳和硅的影响:硅和碳都是强烈促进石墨化的元素。②锰的影响：锰是一个阻碍石墨化的元素。③硫的影响：

硫阻碍碳原子的扩散，是一个促进白口铸铁的元素，而且降低铁水的流动性，恶化铸造性能，④磷的影响：磷是一个促进石墨化不十分强烈的元素。2.冷却速度对铸件石墨化的影响铸件冷却速度越缓慢，即过冷度较小时，越有利于石墨化过程的充分进行。

（三）、常用铸铁灰口铸铁是石墨呈片状分布的铸铁，它是应用最广的一类铸铁。在各类铸铁的总产量中，灰铸铁所占的比重最大，约占80％以上。1、灰铸铁的组织是由片状石墨和金属基体组织所组成的。金属基体组织分为铁素体，铁素体＋珠光体和珠光体三种。灰铸铁件的机械性能不仅与石墨片的分布类型有关，而且还与石墨片的大小有关。灰铸铁片状石墨的大小分为8级，以1级为最粗，8级为最细。石墨片越粗，其机械性能越差。为了获得细片状的石墨，通常采用孕育处理。经过孕育处理（变质处理）的灰铸铁,称为孕育铸铁。孕育处理——在铸铁液中加入孕育剂，然后进行浇注生产的铸铁。其目的是细化组织和石墨，提高其强度，均匀组织，防止出现白口。2、灰铸铁的牌号灰铸铁的牌号用“灰铁”汉语拼音的第一个大写字母“HT”和一组数字来表示，HT100表示抗拉强度为100MPa的灰铸铁。分类

牌号

铸件

尺寸

σb

(MPa)σbb

(MPa)基体

石墨

应用

普通

灰铸铁

HT100任意

100260铁素体

粗片

机床座

普通

灰铸铁

HT20015～30200 400珠光体

中等汽缸、飞轮

孕育

铸铁

HT30015～30300 540珠光体

较细重荷机床床身

孕育

铸铁

HT40015～30400 680索氏体

细小齿轮、高压泵壳

可锻铸铁可锻铸铁是先将铁水浇铸成白口铸铁，然后经石墨化退火，使游离渗碳体发生分解形成团絮状石墨的一种高强度灰口铸铁。由于团絮状石墨对铸铁金属基体的割裂和引起的应力集中作用比灰铸铁小得多，因此，可锻铸铁具有较高的强度，特别是塑性（延伸率δ可达～12%)比灰铸铁高得多，有一定的塑性变形能力，因而得名可锻铸铁（或展性铸铁，又称为马铁）。常用可锻铸铁的大致化学成分范围如下：

2.4-2.7%C,1.4-1.8%Si,0.5-0.7Mn,<0.08%P,<0.25%S,<0.06%Cr.若其后加拼音“Z”，则表示珠光体可锻铸铁，随后两组数字分别表示最低