钢
出处:按学科分类—工业技术 北京出版社《现代综合机械设计手册上》第440页(14719字)
1.2.1 碳素结构钢
原称的普通碳素钢,在GB700-88中改称为碳素结构钢。碳素结构钢与优质碳素结构钢的异同见表
2.1-6。 碳素结构钢的牌号、化学成分及机械性能,应符合表2.1-7、2.1-8的规定。GB700-88的牌号表示法以及对各牌号所规定的技术要求等不同于GB700-79。新旧标准牌号对照如表2.1-9所示。
表2.1-6 碳素结构钢和优质碳素结构钢的异同
表2.1-7 碳素结构钢的牌号、质量等级、化学成分规定
注:①Q235A、B级沸腾钢锰含量上限为0.60%。
②沸腾钢硅含量不大于0.07%;半镇静钢硅含量不大于0.17%;镇静钢硅含量下限值为0.12%,
③D级钢应含有足够的形成细晶粒结构的元素,例如酸溶铝含量不小于0.015%或全铝含量不小于0.02%。
④钢中残余元素铬、镍、铜含量应各不大于0.30%,氧气转炉钢的氮含量应不大于0.008%、砷的残余含量应不大于0.080%。
表2.1-8 碳素结构钢的机械性能(摘自GB 700-88)
注:①表中符号B为试样宽度,a为钢材厚度(直径)。
②表列为钢材热轧状态的机械性能值。进行拉伸和弯曲试验时,钢板和钢带应取横向试样,δ5允许比表值降低1%(绝对值)。型钢应取纵向试样。
③对厚度不小于12mm的钢板、钢带、型钢或直径不小于16mm的棒钢做冲击试验时,应采用10mm×10mm×55mm试样;对厚度为6mm至小于12mm的钢板、钢带、型钢或直径为12mm至小于16mm的棒钢做冲击试验时,应采用5mm×10mm×55mm的小尺寸试样。
④夏比(V型缺口)冲击功值按一组三个试样单值的算术平均值计算,允许其中一个试样单值低于规定值,但不得低于规定值的70%。用小尺寸试样做冲击试验时,其试验结果应不小于规定值的50%。
⑤各牌号A级钢的冷弯试验,仅在有要求时才进行。当做厚度或直径大于20mm钢材的冷弯试验时,试样经单面刨削使其厚度达到20mm,进行试验时,未加工面应在外面。
表2.1-9 新旧GB700标准牌号对照(参考件)(摘自GB 700-88)
优质碳素结构钢按其含锰量的不同,可分为普通含锰量钢和较高含锰量钢。优质碳素钢大多用于热处理的重要零件,也应用于深压延的冷冲零件,不同化学成分的优质碳索结构钢的机械性能见表2.1-10、2.1-11,其用途见表2.1-12.
表2.1-10 优质碳素结构钢机械性能、化学成分(摘自GB 699-88)
注:①表中所列牌号钢的含镍、铜量均不大于0.25%,热压力加工用钢的含铜量应不大于0.20%。冷冲压用沸腾钢含硅量不大于0.03%。
②表中所列为钢材的纵向力学性能。75、80及85钢的性能是用热处理(淬火+回火)试样所测得,而其余均是用热处理(正火)试样所测得(不包含冲击韧性)。
③试样毛坯尺寸均为25mm(除75、80及85钢的试样毛坯尺寸留有加工余量)。对于直径或厚度小于25mm的钢材,热处理是在和成品截面尺寸相同的试样毛坯上进行。
④表中所列25~50钢、25Mn~50Mn钢的冲击韧性是用热处理(淬火+回火)试样所测得的。直径小于16mm的圆钢或厚度小于12mm的钢材,不作冲击韧性试验。
⑤表列力学性能仅适用于截面尺寸不大于80mm的钢材。对大于80mm(<250mm)的钢材,允许其伸长率(d5)及断面收缩率(ψ)较表中的规定分别降低2个单位及5个单位。
⑥08钢也可用铝脱氧冶炼镇静钢,含锰量下限为0。25%,含硅量不小于0.03%,含铝量为0.02~0.07%,此时牌号为08A1。
⑦08~25钢可供应含硅量不大于0.17%的半镇静钢,其牌号为08b~25b。
表2.1-11 优质碳素钢部分钢号不同截面尺寸的机械性能(供参考)
注:表中数据除表面淬火硬度外,系摘自Q/zB60-73
表2.1-12 优质碳素结构钢的分类、特点及用途
1.2.2 低合金钢
低合金钢的合金含量较低,根据GB/T13304-91,其合金含量的界限值应符合表2.1-13的规定。低合金钢按照其质量等级,可分为普通质量、优质及特殊质量低合金钢三类。其主要含意见表2.1-14;主要的质量等级和性能分类及举例列于表2.1-15;几种常用低合金钢的代表钢号及其化学成分见表2.1-16;其各组的特点、用途及机械性能分别见表2.1-17~2.1-21;部分专业用钢的标准号及钢号见表2.1-22。
表2.1-13 低合金钢合金元素规定含量界限值(摘自GB/T13304-91)
注:①La系元素含量,也可为混合稀土含量总量。
②当技术条件对钢的化学成分规定为最低值或范围时,应以最低值作为规定含量进行分类;当化学成分规定为最高值时,则应以最高值的0.7倍作为规定含量进行分类。
③当Cr、Cu、MoNi四种元素中,有两种、三种或四种同时规定在钢中时,所有这些元素规定含量的总和应不大于规定的两种、三种或四种元素最高含量界限值总和的70%,否则应划入合金钢,此原则也适用于Nb、Ti、V、Zr四种元素,
表2.1-14 低合金钢质量等级含意(摘自GB/T13304-91)
注:①力学性能的规定值指厚度为3~16mm钢材的纵向或横向试样测定的性能。
②观定的抗拉强度、屈服强度特性值只适用于可焊接的低合金高强度结构钢。
表2.1-15 低合金钢的主要分类及举例(摘自GB/T13304-91)
表2.1-16 部分低合金钢的钢号与化学成分
表2.1-17 低合金高强度结构钢的特点和用途示例
表2.1-18 低合金高强度结构钢的机械性能(摘自GB 1591-88)
注:①15MnVN钢的机械性能是指热处理状态的。
②进行拉伸和弯曲试验时,钢板和钢带应取横向试样,伸长率允许比表值降低1%。型钢应取纵向试样。
③冲击试验按一组三个试样算术平均值计算。允许其中一个试样单值低于规定值,但不得低于规定值的70%。
④钢材厚度≥12mm或直径≥16mm,冲击试样尺寸应为10×10×55(mm);钢材厚度为6~<12mm或直径为12mm~<16mm,冲击试样尺寸则应为5×10×55(mm)。
表2.1-19 低温压力容器用低合金厚钢板的机械性能(摘自GB 3531-83)
注:①冲击功值为一组三个试样的算术平均值。单个试样冲击功值应不小于规定值的70%。
表2.1-20 低合金耐候钢的特点和用途
表2.1-21 低合金耐候钢的机械性能(摘自GB 4171-84.GB 4172-84)
表2.1-22 低合金结构钢及低合金专业用钢部分有关标准及其中所列低合金钢钢号
1.2.3 合金结构钢
合金结构钢按冶金质量的不同,可分为优质钢、高级优质钢(牌号后加“A”)和特级优质钢(牌号后加“E”,应经电渣重熔冶炼)。它们的区别在于钢中的硫、磷及残余铜、铬、镍含量的不同,如表2.1-23所示。
表2.1-23 合金结构钢规定S、P及残余元素的含量
注:①平炉冶炼的高级优质钢P≤0.030%。
②热压力加工用钢的铜含量应不大于0.20%。
按照为满足零件综合机械性能和表面硬度而采取热处理方式的不同,又可将合金结构钢分为合金调质结构钢和合金渗碳结构钢。一般调质钢的含碳量在0.25~0.5%之间,按其淬透性的高低分为:
①低淬透性合金调质钢。其油淬临界直径一般在30~40mm以下,典型钢号有35Mn2、40Mn2、45Mn2、50Mn2、27SiMn、35SiMn、42SiMn、40B。45B、50B、40MnB、45MnB、40MnVB、30Cr、35Cr、40Cr、45Cr、38CrSi、40CrV等。
②中淬透性合金调质钢。其油淬临界直径一般在40~60mm左右,典型钢号有35CrMo、42CrMo,35CrMoV、40CrMn、30CrMnSi、40CrNi、45CrNi等。
③高淬透性合金调质钢。其油淬临界直径大于60~100mm,有的可高达200mm左右,典型钢号有30CrNi3、37CrNi3、40CrMnMo、40CrNiMo。45CrNiMoV、25Cr2Ni4W、30Mn2MoW等。
渗碳钢的含碳量低,一般为0.1~0.25%,渗碳钢的合金元素含量一般不大于3%、多数属于低合金渗碳钢,仅有少数含合金元素为5~7%的中合金渗碳钢,按其淬透性和强度的高低,合金渗碳钢可分为:
①低淬透性、低强度渗碳钢。其水中淬透直径小于35mm,σb近似为800~1000MPa,如20Cr、20Mn2、20MnV等钢。
②中淬透性、中强度渗碳钢。在油中淬透直径为25~60mm,σb近似为1000~1200MPa,如20MnTiB,20MnVB、20CrMnTi20CrMnMo等钢。
③高淬透性、高强度渗碳钢。在油中淬透直径大于100mm,甚至可在空冷条件下淬透,σb在1200MPa以上,如20Cr2Ni4、18Cr2Ni4WA等钢。
选择材料时,应考虑零件的截面尺寸与钢材的临界淬透直径必须相适应。合金结构钢的牌号及机械性能见表2。1-24,合金调质结构钢及合金渗碳结构钢的特性及应用举例分别见表2.1-25及2.1-26。
表2.1-24 合金结构钢的牌号及机械性能(摘自GB 3077-88)
注:①钢材尺寸小于试样毛坯尺寸时,用原尺寸钢材进行热处理,直径小于16mm的圆钢和厚度≤12mm的方钢、扁钢,不作冲击韧性试验。
②表中所列为钢材的纵向力学性能。适用于截面尺寸≤80mm的钢材。尺寸81~100mm的钢材,允许其伸长率、断面收缩率及冲击功(冲击值)较表中的规定分别降低1个单位、5个单位及5%。尺寸101~150mm的钢材,允许其δ5、ψ、Az(ak)较表中的规定分别降低2个单位、10个单位及10%,尺寸151~250mm的钢材,允许其d5、ψ、At(ak)较表中的规定分别降低3个单位、15个单位及15%。
③表中所列热处理温度允许调整范围:淬火±15℃,低温回火±30℃,高温回火±50℃,
④硼钢在淬火前可先经正火,铬锰钛钢第一次淬火可用正火代替,
⑤拉力试验时钢上没有发现屈服,无法测定屈服点σs情况下,允许测定标称屈服强度σ0.2.
⑥根据需要,25MnTiBRE可不加入稀土,钢的牌号为25MnTiB,力学性能和供应状态硬度按25MnTiBRE的规定。
表2.1-25 主要合金调质钢的特点和用途
表2.1-26 主要合金渗碳钢的特点和用途
1.2.4 保证淬透性结构钢
按照已颁布的“保证淬透性结构钢技术条件”(GB5216-85),可根据需要对表中所列的钢号,选用截面尺寸≥30mm的保证淬透性热轧或锻制结构钢条钢。保证淬透性结构钢按钢类分为优质碳素结构钢和合金结构钢;按冶金质量分为优质钢和高级优质钢(在牌号后加“A”);按使用加工方法分为压力加工用钢和切削加工用钢,保证淬透性结构钢的代号为“H”,如40CrH、40CrAH等。其牌号、化学成分及硬度值见表2.1-27,保证淬透性结构钢含硼钢材的冲击值及热处理制度见表2.1-28,钢的淬透性指标见表2.1-29,
表2.1-27 我国的保证淬透性结构钢钢号、化学成分及硬度值(摘自GB 5216-85)
注:①表中各钢号Si含量均为0.17~0.37%。
②45H钢P、S≤0.040%,残余Cr、Ni、Cu≤0.25%。
③优质合金结构钢P、S≤0.035%,残余Ni、Cu≤0.30%,Cr≤0.35%;平炉、转炉冶炼的钢允许S≤0.04%。高级优质合金结构钢P、S≤0.030%,残余Cr≤0.35%,Ni≤0.30%,Cu≤0.25%。
④热压力加工用钢的Cu含量应不大于0.20%。
表2.1-28 保证淬透性结构钢含硼钢材的冲击值及热处理制度(摘自GB 5216-85)
表2.1-29 保证淬透性结构钢的淬透性指标(摘自GB 5216-85)
注:本表的数值系用预备热处理过的毛坯制成Φ25mm标准试样试验所得。
1.2.5 冷镦钢
冷镦钢是直径为5.5~40mm的冷镦用优质碳素结构钢和合金结构钢热轧钢材。其牌号及机械性能见表2.1-30。
表2.1-30 冷镦钢的牌号及机械性能(摘自GB 6478-86)
注:①直径大于和等于25mm的钢材,试样毛坯尺寸为25mm,直径小于25mm的钢材,则按钢材的实际尺寸。
②表中所列热处理温度允许调整范围:淬火±20℃,低温回火±30℃,高温回火±50℃但ML15MnB。ML15MnVB钢淬火、回火温度允许调整范围为±20℃。
③硼钢淬火前可进行正火,
④根据需方要求,经供需双方协议,直径大于或等于15mm的合格钢材可作冲击韧性检验。
⑤ML15MnB、ML15MnVB钢的机械性能仅供参考,不作交货依据。
1.2.6 易切削结构钢
见表2.1-31。
表2.1-31 易切削钢的牌号、机械性能和应用举例(摘自GB 8731-88)
注:①Y40Mn钢冷拉状态的机械性能是指冷拉条钢高温回火状态的性能。
1.2.7 滚动轴承钢
见表2.1-32.2.1-33。
表2.1-32 滚动轴承钢的化学成分及硬度值
表2.1-33 滚动轴承钢的特性及应用
1.2.8 弹簧钢
弹簧钢分热轧弹簧钢和冷拉弹簧钢两类。淬透性钢材应在牌号后加注字母“Z”,如55CrMnAz。未指明时,则按机械性能为准。弹簧钢的牌号、机械性能及其硬度见表2.1-34,弹簧钢的特点及用途举例见表2.1-35。
表2.1-34 弹簧钢的牌号、机械性能及交货状态的硬度(摘自GB 1222-84)
注:①表列性能是用热处理毛坯制成试样所测定钢材的纵向力学性能。
②表中所列力学性能适用于截面尺寸不大于80mm的钢材。大于80mm的钢材,允许其伸长率、断面收缩率较表中的规定分别降低1个单位及5个单位。
③除规定热处理温度上下限外,表中热处理温度允许偏差为:淬火±20℃,回火±50℃,根据需方特殊要求,回火可按±30℃进行。
④30W4Cr2VA除抗拉强度外,其他性能检验结果供参考。
⑤带*的指标其试样可采用下列试样中的一种:若按GB 228-76《金属拉力试验法》作拉伸试验时,所测δ值供参考。试样一:标距为50mm,平行长度60mm,直径14mm,肩部半径大于15mm。试样二:标距为,平行长度1.2倍标距长度,肩部半径大于15mm。
⑥55SiMnVB钢热轧材,其布氏硬度HB不大于341的,其重量不超过交货量10%的允许交货。
⑦对于55SiMnVB和55Si2MnB钢需进行淬透性试验。试验结果:55SiMnVB钢在距末端9mm处洛氏硬度不小于HRC52;55Si2MnB钢在距末端6mm处洛氏硬度不小于HRC52。如供方能保证合格,可不作该项检验。
表2.1-35 弹簧钢的分类、特点与用途
1.2.9 工具钢
碳素工具钢的牌号、硬度与用途见表2.1-36。合金工具钢见表2.1-37。
表2.1-36 碳素工具钢的牌号、硬度与用途(摘自GB 1298-86)
注:钢材以退火状态交货。截面尺寸小于5mm的退火钢材不作硬度试验。
表2.1-37 合金工具钢的牌号、硬度及用途(摘自GB 1299-85)
注:①Cr12Mo1V1;820℃预热,1000℃(盐浴)或1010℃(炉控气氛)加热,保温10~20min空冷,200℃回火。
②Cr5Mo1V;790℃预热,940℃(盐浴)或950℃(炉控气氛)加热,保温5~15min空冷,200℃回火。
③4Cr3Mo3SiV:790℃预热,1010℃(盐浴)或1020℃(炉控气氛)加热,保温5~15min空冷,550℃回火。
④4Cr5MoSiV和4Cr5MoSiV1:790℃预热,1000℃(盐浴)或1010℃(炉控气氛)加热,保温5~15min空冷,550℃回火。
⑤钢材以正火状态交货,对7Mn15Cr2A13V2WMo可以热轧状态交货。
高速工具钢棒材的标准为GB9943-88,其牌号及硬度见表2.1-38。高速工具钢锻件标准为GB9942-88,其牌号有W18Cr4V、W9Mo3Cr4V、W6Mo5 Cr4V2。高速工具钢钢板标准为GB9941-88,其牌号有W18Cr4V、W9Mo3Cr4V,W6Mo5Cr4V2及W6Mo5Cr4V2A1。
表2.1-38 高速工具钢棒的牌号及硬度(摘自GB 9943-88)
注:①回火温度为550~570℃时,回火2次,每次1h;回火温度为540~560℃时,回火2次,每次2h;回火温度为530~550℃时,回火3次,每次2h。
②热轧、锻制、冷拉钢棒以退火状态交货,或热轧、锻制钢棒退火后再经其他加工方法(剥皮、轻拉、磨光或抛光等)加工后交货。
③本标准适用于不大于120mm的热轧、锻制、剥皮、冷拉及银亮高速工具钢棒。
表2.1-39 各类高速钢的特点与用途
1.2.10 不锈钢
根据成分与组织的特点,不锈钢可分为五大类型:
①奥氏体型。这是应用最广泛的一类不锈钢。由于通常含有18%左右的Cr和8%以上的Ni,因此也常被称为18-8型不锈钢。这类钢具有很高的耐蚀性,并具有优良的塑性、韧性和焊接性。虽然强度不高,但可通过冷变形强化。这类钢在450~800℃加热时,晶界附近易出现贫铬区,往往会产生晶间腐蚀。为此,常采取加入Ti或Nb以及发展超低碳不锈钢(含碳量≤0.03%)等防止措施。此外,这类钢应进行固溶处理(950~1100℃加热,然后用水迅速冷却至室温),以获得单相奥氏体。
②奥氏体—铁素体型。这类双相钢的主要优点是,具有比奥氏体不锈钢高1倍的屈服强度。如果晶粒特别细小(如3~10μm),在950℃附近将显示出超塑性,其拉伸的延伸率可达500%。这类钢的耐蚀性与奥氏体不锈钢相近,但具有更高的抗应力腐蚀性能及良好的焊接性,不易产生因晶界贫铬而导致的晶间腐蚀。其缺点是热加工时较为困难等。
③铁素体型。这类钢含Cr17~30%,含碳<0.15%,加热至高温也不发生相变,不能通过热处理来改变其组织和性能,通常是在退火或正火状态使用。这类钢具有较好的塑性,但强度不高,对硝酸、磷酸有较高的耐蚀性。
④马氏体型。这类钢含Cr12~14%,含C0.1~0.4%,正火组织为马氏体。马氏体不锈钢具有较好的机械性能,有很高的淬透性,直径不超过100mm均可在空气中淬透。
⑤沉淀硬化型。这类钢的成分与18-8型不锈钢相近,但含Ni量略低,并加入少量Al、Ti、Cu等强化元素。从高温快冷至室温时,得到不稳定的奥氏体或马氏体。在500℃左右时效,可析出大量细小弥散的碳化物,使钢在保持相当高的耐蚀性的同时具有很高的强度。这类钢还具有优良的工艺性能。
各种类型不锈钢棒的牌号、机械性能及硬度分别见表2.1-40~2.1-45,特性和用途见表2.1-46。
表2.1-40 经固溶处理的奥氏体型不锈钢棒的力学性能(摘自GB 1220-84)
注:表中所列数值仅适用于直径、边长、内切圆直径或厚度小于或等于180mm的钢棒,大于180mm的钢棒,其数值按供需双方协议规定。
表2.1-41 经固溶处理的奥氏体—铁素体型不锈钢棒的力学性能(摘自GB 1220-84)
注:表中所列数值仅适用于直径、边长、内切圆直径或厚度小于或等于75mm的钢棒,大于75mm的钢棒,其数值按供需双方协议规定。
表2.1-42 经退火的铁素体型不锈钢棒的力学性能(摘自GB 1220-84)
注:表中所列数值仅适用于直径、边长、内切圆直径或厚度小于或等于75mm的钢棒。大于75mm的钢棒,其数值按供需双方协议规定。
表2.1-43 经淬火回火的马氏型不锈钢的力学性能(摘自GB 1220-84)
注:表中所列数值仅适用于直径、边长、内切圆直径或厚度小于或等于75mm的钢棒。大于75mm的钢棒,其数值按供需双方协议规定。
表2.1-44 经退火的马氏体型不锈钢棒的硬度(摘自GB 1220-84)
表2.1-45 沉淀硬化型不锈钢的力学性能(摘自GB 1220一84)
注;表中所列数值仅适用于直径、边长、内切圆直径或厚度小于或等于75mm的钢棒。大于75mm的钢棒,其数值按供需双方协议规定。
表2.1-46 不锈钢的特性和用途(摘自GB 1220-84)(参考件)
1.2.11 耐热钢
耐热钢是具有高温抗氧化性和一定高温强度等优良性能的特殊钢。不同类型的耐热钢使用于不同的温度。一般来说,马氏体耐热钢在300~600℃范围内使用;铁素体、奥氏体耐热钢用于600~800℃;800~1000℃则常用镍基高温合金。
各种类型耐热钢的牌号、机械性能及硬度分别见表2。1-47~2.1-51。
表2.1-47 经固溶处理的及经固溶处理后进行时效处理的奥氏体型耐热钢的力学性能(摘自GB 1221-84)
注:①对于1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni11Ti和0Cr18Ni11Nb,需方在合同中注明时可进行稳定化处理,此时的热处理温度为850~930℃。
②对于超出表中规定适用尺寸范围的钢棒,其力学性能数值由供需双方协议规定。
表2.1-48 经退火的铁素体型耐热钢棒的力学性能(摘自GB 1221-84)
表2.1-49 经退火的马氏体型耐热钢棒的硬度(摘自GB 1221-84)
表2.1-50 经淬火、回火处理的马氏体型耐热钢的力学性能(摘自GB 1221-84)
表2.1-51 沉淀硬化型耐热钢的力学性能(摘自GB 1221-84)
表2.1-52 耐热钢的特性和用途(摘自GB 1221-84)(供参考)
1.2.12 铸钢
一般工程用铸造碳钢的牌号、性能及应用举例见表2.1-53,表2.1-54;
表2.1-53 一般工程用铸造碳钢的牌号及化学成分(摘自GB 11352-89)
注:①对上限每减少0.01%的碳,允许增加0.04%的锰.对zG200-400锰最高至1.00%,其余四个牌号锰最高至120%
②残余元素总量不超过1.00%,如需方无要求,残余元素可不进行分析。
表2.1-54 一般工程用铸造碳钢的机械性能、特点及应用举例(摘自GB 11352-89)
注:①表中所列的各牌号性能,适应于厚度为100mm以下的铸件。当铸件厚度超过100mm时,表中规定的δo.2屈服强度仅供设计使用。
②表中Akv—-冲击吸收功(V型),ak--冲击韧性(U型)。
合金铸钢
低合金铸钢的牌号、化学成分以及机械性能和应用举例分别见表2.1-55、2.1-56。
表2.1-55 合金铸钢的牌号及化学成分(摘自JB/ZQ 4297-86)
注:残余元素含量Ni≤0.30%,Cr≤0.30%,Cu≤0.25%,Mo≤0.15%,V≤0.05%。
表2.1-56 合金铸钢的室温机械性能及应用举例(摘自JB/zQ 4297-86)
表2.1-57列出高锰铸钢的牌号和化学成分,铸件必须进行水韧处理,其加热温度为1060~1100℃,用水冷却。水韧处理后试样的机械性能应符合表2.1-58的规定。高锰钢铸件适用于承受冲击载荷和耐磨损的零件,但它几乎不能加工,且焊接性差。
表2.1-57 高锰钢铸件的牌号及化学成分(摘自GB 5680-85)
注:ZGMn13系铸造高锰钢,“一”后阿拉伯数字表示品种代号。
不锈耐酸钢铸件的牌号、化学成分及机械性能参见GB 2100-80;耐热钢铸件的牌号、化学成分及机械性能见GB 8492-87。
表2.1-58 高锰钢铸件的机械性能(摘自GB 5680-85)