结构钢的种类 结构钢的种类 PAGE PAGEPAGE 5 结构钢的种类 第一节 结构钢的种类、规格、用途 结构钢是指符合特定强度和可成形性等级的钢。可成形性以抗拉试验中断后伸长率表示。结构钢一般用于承载等用途，在这些用途中钢的强度是一个重要设计标准。结构钢包括碳素结构钢、合金结构钢、低合金结构钢、耐热结构钢等。 一结构钢、碳素结构钢 碳素结构钢是碳素钢的一种。含碳量约％～％，个别可高达％。 碳素钢是指碳含量低于2%，并有少量硅、锰以及磷、硫等杂质的铁碳合金。工业上常指含碳量小于％，除铁、碳和限量以内的硅、锰、磷、硫等杂质外，不含其他合金元素的钢。 碳素钢的性能主要取决于含碳量。含碳量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性和可焊性降低。与其它钢类相比，碳素钢使用最早，成本低，性能范围宽，用量最大。 （一）分类 1．按含碳量分为： （1）低碳钢(碳含量为％～％) (含碳量小于%时称为工业纯铁。 （2）中碳钢（碳含量为％～％） （3）高碳钢（ 碳含量为％～％） 2．按质量分为： （1)普通碳素钢，其有害杂质磷 、硫含量均小于％。包括： 甲类钢：A类钢，保证力学性能 乙类钢：B类钢，保证化学成分 特类钢：C类钢，保证力学性能和化学成分） 如：Q235A,Q235B，Q235C，Q235D，SS400等。 (SS400:第一个S表示钢(Steel)，第二个S表示“结构”（Structure），400为下限抗拉强度400MPa，整体表示抗拉强度为400 MPa的普通结构钢)。 （2)优质碳素钢，有害杂质磷、硫含量均小于％；高级优质碳素钢，有害杂质磷、硫含量小于％－－如：45，S50C，S45c，P20等等。 3．按用途分为 （1）碳素结构钢 主要用于制造各种结构件和机器零件，一般属低碳钢和中碳钢； （2）碳素工具钢 用于制造刀具、量具、模具等，一般属高碳钢。 （二）普通碳素结构钢 简称普通碳素钢，这种钢含有害杂质（P、S等）和非金属夹杂物较多，但价格便宜，用途很多，用量很大，主要用于铁道、桥梁、各类建筑工程，制造承受静载荷的各种金属构件及不重要不需要热处理的机械零件和一般焊接件。它的含碳量多数在％以下，含锰量不超过％，强度较低，但塑性、韧性、冷变形性能好。除少数情况外，一般不作热处理，直接使用。多制成条钢、异型钢材、钢板等。 1．牌号 这类钢主要保证力学性能，故其牌号体现其力学性能。碳素结构钢的牌号，由代表屈服点的汉语拼音字母“Q”、屈服点数值、质量等级符号和脱氧方法四个部分按顺序组成。质量等级符号用A、B、C、D表示，质量等级不同，含S、P的量依次降低，钢材质量依次提高。其中A级的硫、磷含量最高，D级的硫、磷含量最低，脱氧方法符号用F、b、Z、TZ表示， F是沸腾钢， b是半镇静钢，Z是镇静钢，TZ是特殊镇静钢。Z与TZ符号在钢号组成表示方法中予以省略。 例如Q235-A·F表示屈服点为235Mpa的A级沸腾钢，Q235-C表示屈服点为235Mpa的C级镇静钢 碳素结构钢按照钢材屈服强度分为5个 Q195、 Q215A、Q215 Q235A、Q235B、 Q235C、 Q255A、Q255 Q275 每个牌号由于质量不同分为A、B、C、D等级，最多的有四种，有的只有一种。 2．用途： 碳素结构钢一般情况下都不经热处理，而在供应状态下直接使用。通常Q195、Q215、Q235钢碳的含量低，焊接性能好，塑性、韧性好，有一定强度，常轧制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等结构和制造普通螺钉、螺母等零件。Q255和Q275钢碳的质量分数稍高，强度较高，塑性、韧性较好，可进行焊接，通常轧制成型钢、条钢和钢板作结构件以及制造简单机械的连杆、齿轮、联轴节、销等零件。 （三）优质碳素结构钢。 这种钢含有害杂质（P、S等）和非金属夹杂物较少，机械性能比较均匀和优良，力学性能好，可经热处理后使用。 1．牌号 用两位数字表示，这两位数字表示该钢的平均含碳量万分数。例如：45表示平均含碳量为%的优质碳素结构钢；08表示平均含碳量为%的优质碳素结构钢； 根据含锰量分为普通含锰量(小于％)和较高含锰量％～％)两组。较高含锰量钢在牌号后面标出元素符号“Mn”。例如50Mn。 若为沸腾钢或专用钢，则在牌号后面标出规定的符号。如：10F系平均含碳量为%的优质碳素结构钢，沸腾钢；20g系平均含碳量为%的优质碳素结构钢，锅炉用钢。 2．用途 含碳量在％以下，多不经热处理直接使用，或经渗碳、碳氮共渗等处理，制造中小齿轮、轴类、活塞销等；含碳量在％～％，典型钢号有40，45，40Mn，45Mn等，多经调质处理，制造各种机械零件及紧固件等；含碳量超过％，如65，70，85，65Mn，70Mn等，多作为弹簧钢使用。 08～25属于低碳钢，这类钢的强度、硬度、塑性、韧性及焊接性良好，主要用于易于接受各种加工如锻造，焊接和切削。常用于制造链条，铆钉，螺栓，轴等。大多不经热处理用于工程结构件，有的经参碳和其他热处理用于要求耐磨的机械零件。其冷成形性良好，可采用卷边、折弯、冲压等方法进行加工。 30～55属于中碳钢，具有较高的强度、硬度，热加工及切削性能良好，经调质处理后，可获得良好的综合机械性能。焊接性能较差。塑性和韧性随着含碳量的增加而降低。可不经热处理，直接使用热轧材、冷拉材，亦可经热处理后使用。 60钢以上的牌号属高碳钢，具有较高的强度、硬度和弹性，焊接性不好，切削性差，冷变形塑性差，主要用于制造弹簧及耐磨件。 二、合金结构钢 随着科学技术的不断发展，对钢提出了越来越高的要求。如：良好的综合机械性能，及高强度、高韧性、耐磨，耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。所以碳钢已不能满足上述要求，必须采用各种合金钢。 为了改善钢的某些性能或使之获得某些特殊性能，而在炼钢时有意加入的元素，称为合金元素。含有合金元素的钢，叫合金钢。 根据添加元素的不同，并采取适当的加工工艺，可获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。 合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。 （一）合金钢 1．合金元素在钢中的主要作用 （1）强化铁素体 （2）形成合金碳化物 （3）细化晶粒 （4）提高钢的淬透性 （5）提高钢的回火稳定性 2．分类 （1）按合金元素含量多少分为 低合金钢（含量＜5％） 中合金钢（含量5％～10％） 高合金钢（含量＞10％） (2）按质量分为 优质合金钢、特质合金钢； (3）按特性和用途分为 合金结构钢、不锈钢、耐酸钢、耐磨钢、耐热钢、合金工具钢、滚动轴承钢、合金弹簧钢和特殊性能钢（如软磁钢、永磁钢、无磁钢）等。 3.合金钢牌号 我国合金钢牌号采用碳含量、合金元素的种类及含量、质量级别来编写。合金结构钢的牌号采用两位数字（碳含量）+元素符号（或汉字）+数字表示。前面两位数字表示钢的平均含碳量的万分数；元素符号（或汉字）表明钢中含有的主要合金元素，后面的数字表示该元素的含量。 表 示 方 法 说 明 (1)合金元素含量小于%时不标，平均含量为%～%，%～%……时，则相应地标出2，3……例如： 40Gr钢为合金结构钢，平均含碳量为%，主要合金元素为铬，其含量在%以下。 60Si2Mn钢为合金结构钢，平均含碳量为%，主要合金元素锰含量小于%，平均含硅量为2%。 (2)合金工具钢的牌号和合金结构钢的区别仅在于碳含量的表示方法，它用一位数字表示平均含碳量的千分数，当含碳量大于等于%时，则不予标出。例如： 9SiGr钢为合金工具钢，平均含碳量为%，主要合金元素为硅、铬，含量均小于%。 Gr12MnV钢为合金工具钢，平均含碳量大于等于%，主要合金元素铬的平均含量为12%，钼和钒的含量均小于%。 (3)高速钢平均含碳量小于%时，其含碳量也不予标出。例如： W18Gr4V 钢的平均含碳量为%～%。 (4)特殊性能钢的牌号和合金工具钢的表示方法相同。例如： 不锈钢2Gr13表示含碳量为%，平均含铬量为13%。 当含碳量为%～%时，含碳量用0表示，含碳量小于等于%时，用00表示，例如： 0Gr18Ni9钢的平均含碳量为%～%；00Gr30Mo2钢的平均含碳量为%。 (5)特殊专用钢，为表示钢的用途，在钢的牌号前面冠以汉语拼音字母字头，而不标含碳量，合金元素含量的标注也和上述有所不同。滚动轴承钢前面标“G”（“滚’”字的汉语拼音字母字头）例如： GGr15表示 铬元素后面的数字是表示含铬量千分数，其他元素仍按百分数表示。 GGr15SiMn表示含铬量为%，硅、锰含量均小于%的滚动轴承钢。 （二）合金结构钢 1.合金结构钢用途 用于制造重要工程结构和机器零件的钢称为合金结构钢。 合金结构钢要求具有较高的屈服强度、抗拉强度和疲劳强度，还有足够的塑性和韧性。 一般采用电弧炉和氧气顶吹转炉冶炼，要求高的采用炉外精炼、电渣重熔或真空处理、真空感应炉冶炼或双真空冶炼、合适的热处理。 这类钢的合金元素含量都相当高，主要有耐蚀钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢以及具有其他特殊物理和化学性能的特殊钢。 合金结构钢广泛用于船舶、车辆、飞机、导弹、兵器、铁路、桥梁、压力容器、机床等结构上。 合金结构钢比碳素钢有更好的力学性能，特别是热处理性能优良。 合金结构钢按用处可分为工程用钢和机械制造用钢两类。 2.工程用钢，又称低合金结构钢 这类钢是含少量合金元素的低碳结构钢，故又名普通低合金结构钢。 主要用于各种工程结构，如建筑钢架、桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。 (1）性能要求 1) 高强度：一般屈服强度在300MPa以上。 2) 高韧性：要求延伸率为15%～20%， 对于大型焊接构件，还要求有较高的断裂韧性。 3) 良好的焊接性能和冷成型性能。 4) 低的冷脆转变温度。 5) 良好的耐蚀性。 (2）成分特点 1) 低碳：由于韧性、焊接性和冷成形性能的要求高，其碳含量不超过%。 2) 加入以锰为主的合金元素。 3) 加入铌、钛或钒等辅加元素：少量的铌、钛或钒在钢中形成细碳化物或碳氮化物，有利于获得细小的铁素体晶粒和提高钢的强度和韧性。 此外，加入少量铜（≤%）和磷（%左右）等，可提高抗腐蚀性能。加入少量稀土元素，可以脱硫、去气，使钢材净化，改善韧性和工艺性能。 (3）热处理特点 这类钢一般在热轧空冷状态下使用，不需要进行专门的热处理。使用状态下的显微组织一般为铁素体+索氏体。 (4）常用低合金结构钢分类 1）低合金高强度结构钢 主要牌号： Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。 此类钢中除含有一定量硅或锰基本元素外，还含有其他适合我国资源情况的元素。如钒（V）、铌（Nb）、钛（Ti）、铝（Al）、钼（Mo）、氮（N）、和稀土（RE）等微量元素。按化学成分和性能要求，其牌号由Q295A、B，Q345A、B、C、D、E，Q390A、B、C、D、E，Q420A、B、C、D、E，Q460C、D、E等钢级表示，其含义同碳素结构钢。 V、Nb、Ti、Al等细化晶粒微量元素，在此类钢中除A、B级钢外，其C、D、E级钢中至少应含有其中的一种；为了改善钢的性能，A、B级钢中亦可以加入其中的一种。另外，此类钢的Cr、Ni、Cu残余元素含量各不大于%。Q345A、B、C、D、E是此类钢的代表牌号，其中A、B级钢通常称16Mn；C级以上钢需加入一个以上微量元素，其力学性能中增加1项低温冲击性能。 此类钢同碳素结构钢比，具有强度高、综合性能好、使用寿命长、应用范围广、比较经济等优点。该钢多轧制成板材、型材、无缝钢管等。 2）耐候钢，即耐大气腐蚀钢 钢的合金成份及重量百分比含量为： C：～ Si：～ Mn：～ S≤、P≤ Cu：～ 、Al＜ 其余为Fe和微量杂质。 主要用于铁道、车辆、桥梁、塔架等长期暴露在大气中使用的钢结构。 耐候钢通过Cu、 Mn、Si、Al等合金化，并简单调整普通低碳钢(Q235钢)的部分元素含量，在不需改变Q235钢生产工艺条件下，就能生产出具有良好的耐大气腐蚀性能、综合机械性能的经济耐候钢。 耐候钢（即耐大气腐蚀钢）是介于普通钢和不锈钢之间的价廉物美的低合金钢系列，与不锈钢相比，耐候钢只有微量的合金元素，诸如磷、铜、铬、镍、钼、铌、钒、钛等，合金元素总量仅占百分之几，而不像不锈钢那样，达到百分之十几，因此价格较为低廉。耐候钢由普碳钢添加少量铜、镍等耐腐蚀元素而成，具有优质钢的强韧、塑延、成型、焊割、耐磨耐蚀、高温、疲劳等特性；耐候性为普碳钢的2～8倍，涂装性为普碳钢的～10倍，能减薄使用、使用或简化涂装使用。该钢种具有耐锈，使构件抗腐蚀延寿、减薄降耗，省工节能的特性，使构件制造者、使用者受益。产品供制造集装箱、铁道车辆、石油井架、海港建筑、采油平台及化工石油设备中含硫化氢腐蚀介质的容器等结构件。 高耐候性结构钢常用牌号： 09CuPCrNi-A、09CuPCrNi-B、09CuP、09CuPrCNi-A、09CuPCrNi-B/09CuP。 焊接结构用耐候钢常用牌号： 16CuCr、12MnCuCr、15MnCuCr、15MnCuCr-QT、。 （三）合金渗碳钢 合金渗碳钢是用来制造既有优良的耐磨性、耐疲劳性，还有能承受冲击载荷的作用的零件，如：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。这类零件在工作中遭受强烈的摩擦磨损，同时又承受较大的交变载荷，特别是冲击载荷。 碳素渗碳钢（C=%～%）由于淬透性差，仅能在表层获得高的硬度，心部韧性差，在冲击载荷或过载作用下容易断裂；强度不足时，则较脆的渗碳层易碎裂、剥落。故只能制造小零件，尺寸大的零件需要合金渗碳钢。 合金渗碳钢碳含量一般为%～%，使零件心部有足够的塑性和韧性。加入Cr、Ni、Mn、B等，提高淬透性，Ti、V、W、Mo等元素，阻碍奥氏体晶粒的长大，形成稳定的合金碳化物。表面渗碳层硬度高，以保证优异的耐磨性和接触疲劳抗力，同时具有适当的塑性和韧性。 常用合金渗碳钢牌号 20Cr低淬透性合金渗碳钢。这类钢的淬透性低，心部强度较低。 20CrMnTi中淬透性合金渗碳钢。这类钢淬透性较高、过热敏感性较小，渗碳过渡层比较均匀，具有良好的机械性能和工艺性能。 18Cr2Ni4WA和20Cr2Ni4A高淬透性合金渗碳钢。这类钢含有较多的Cr、Ni等元素，淬透性很高，且具有很好的韧性和低温冲击韧性。 合金渗碳钢的热处理工艺一般都是渗碳后直接淬火，再低温回火。热处理后，表面渗碳层的组织为合金渗碳体+回火马氏体+少量残余奥氏体组织，硬度为60HRC～62HRC。心部组织与钢的淬透性及零件截面尺寸有关，完全淬透时为低碳回火马氏体，硬度为40HRC～48HRC；多数情况下是屈氏体、回火马氏体和少量铁素体，硬度为25HRC～40HRC。心部韧性一般都高于700KJ/m2。 （四）合金调质钢 合金调质钢用于制造一些受力复杂的承受多种工作载荷的重要零件。要求高的综合机械性能，即具有高的强度和良好的塑性、韧性。含碳量过低，硬度不足，含碳量过高，则韧性不足。 合金调质钢中加入Cr、Mn、Ni、Si元素等，不但提高淬透性，还能形成合金铁素体，提高钢的强度。加入少量Ti、V、W、Mo等碳化形成元素，可阻碍奥氏体晶粒的长大，提高钢的回火稳定性，以进一步改善钢的性能。调质处理后的40Cr钢的性能，其强度比40钢提高了20%。； 合金调质钢主要用于制造汽车、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、螺栓等。 1.常见合金调质钢牌号 (1) 40Cr 低淬透性调质钢：这类钢的油淬临界直径为30mm～40mm，用于制造一般尺寸的重要零件。 (2) 35CrMo 中淬透性合金调质钢：这类钢的油淬临界直径为40mm～60mm，加入钼不仅可提高淬透性，而且可防止第二类回火脆性。 (3) 40CrNiMo 高淬透性合金调质钢：这类钢的油淬临界直径为60mm-100mm 此外还有45Mn2、30CrMnSi、40MnVB、30CrMnTi、38CrMoAlA。 2.热处理和组织性能 合金调质钢的最终热处理是淬火加高温回火（调质处理）。合金调质钢淬透性较高，一般都用油，淬透性特别大时甚至可以空冷，这能减少热处理缺陷。 合金调质钢的最终性能决定于回火温度。一般采用500℃～650℃ 合金调质钢常规热处理后的组织是回火索氏体。对于表面要求耐磨的零件（如齿轮、主轴），再进行感应加热表面淬火及低温回火，表面组织为回火马氏体。表面硬度可达55HRC～58HRC。 合金调质钢淬透调质后的屈服强度约为800MPa, 冲击韧性在800kJ/m2，心部硬度可达22HRC～25HRC。若截面尺寸大而未淬透时，性能显著降低。 （五）合金弹簧钢 弹簧是各种机械和仪表中的重要零件，是利用弹性变形吸收能量以缓和振动和冲击，或依靠弹性储存能量以起驱动作用。即在规定的范围之内，弹性变形的能力使其承受一定的载荷，在载荷去除之后不出现永久变形。 弹簧钢是指由于在淬火和回火状态下的弹性，而专门用于制造弹簧和弹性元件的钢。 合金弹簧钢是在碳素钢的基础上，通过适当加入一种或几种合金元素来提高钢的力学性能、淬透性和其他性能，如力学性能(特别是弹性极限、强度极限、屈强比)、抗弹减性能(即抗弹性减退性能，又称抗松弛性能)、疲劳性能、淬透性、物理化学性能(耐热、耐低温、抗氧化、耐腐蚀等)。以满足制造各种弹簧所需性能的钢。 合金弹簧钢含碳量～%之间。加入锰、硅提高钢的淬透性，同时也提高钢的弹性极限，加入铬、钒和钨等它们不仅使钢材有更高的淬透性，不易过热，而且有更高的高温强度和韧性。 合金弹簧钢的基本组成系列有，硅锰弹簧钢、硅铬弹簧钢、铬锰弹簧钢、铬钒弹簧钢、钨铬钒弹簧钢等。在这些系列的基础上，有一些牌号为了提高其某些方面的性能而加入了钼、钒或硼等合金元素。 合金弹簧钢常用来制造尺寸较大的弹簧。 常用的合金弹簧钢有55Si2Mn、60 Si2Mn、50CrVA等牌号。 （六）滚动轴承钢 用于制造滚动轴承的滚动体和内外套圈的钢，也用来制造各种工具和耐磨零件。 滚动轴承在工作中需承受很高的交变载荷，滚动体与内外圈之间产生强烈摩擦，同时又工作在润滑剂介质中。因此，滚动轴承钢具有高的硬度和耐磨性、高的弹性极限和接触疲劳强度、足够的韧性和一定的耐蚀性。 轴承的尺寸精度高，因此也要求滚动轴承钢的内部组织、成分均匀，热处理后有良好的尺寸稳定性。 常用的滚动轴承钢是含碳％～％、含铬％～％的高碳低铬轴承钢，如加入合金元素铬是为了提高淬透性，并在热处理后形成细小均匀分布的碳化物，以提高钢的硬度、接触疲劳强度和耐磨性。 为了满足轴承在不同工作情况下的使用要求，还发展了特殊用途的轴承钢，如制造轧钢机轴承用的耐冲击渗碳轴承钢、航空发动机轴承用的高温轴承钢和在腐蚀介质中工作的不锈轴承钢等。

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