北京化工大学：《工程材料》课程电子教案（PPT教学课件）第三章 金属材料1/3

本次课内容 第3章金属材料 3.1碳钢 1、碳钢的成分和分类 2、碳钢的牌号及用途 1、 碳素结构钢 2、 优质碳素结构钢 3.2合金钢 3、 碳素工具钢 1、合金钢的分类和编号 1、低合金高强度结构钢 2、合金渗碳钢 2合金钢结构钢 3合金调质钢 4公非调质机械结构钢 5、 合金弹簧钢 6、滚动轴承钢 金属材料的分类、牌号、成分、组织、性能、用途、热处理

本次课内容 第3章 金属材料 3.1 碳钢 1、碳钢的成分和分类 2、碳钢的牌号及用途 1、碳素结构钢 2、优质碳素结构钢 3.2 合金钢 3、碳素工具钢 1、合金钢的分类和编号 2、合金钢结构钢 1、低合金高强度结构钢 2、合金渗碳钢 3、合金调质钢 4、非调质机械结构钢 5、合金弹簧钢 6、滚动轴承钢 金属材料的分类、牌号、成分、组织、性能、用途、热处理

第3章金属材料(metals) 碳钢(carbon steels) Fe-e3C相图 Ferrous metals) 黑色金属 合金钢(alloys) 铸钢(cast steels) 铸铁(cast irons) 金属材料 铝及铝合金Aluminum alloys) 铜及铜合金(Copper alloys) LA-Me相图 (Nonferrous metals) L 有色金属 钛及钛合金(Titanium alloys) 0 +0 镁及镁合金(Magnesium alloys) a+β 镍及镍合金Nickelalloys) 轴承合金(Cast bearing metals)

第3章 金属材料(metals) 金 属 材 料 碳钢(carbon steels) 合金钢（alloys） 铸钢（cast steels） 铸铁（cast irons） 铝及铝合金(Aluminum alloys) 铜及铜合金(Copper alloys) 钛及钛合金(Titanium alloys) 镍及镍合金(Nickel alloys) 有 色 金 属 (Nonferrous metals ) Fe-Fe3C相图 L Al-Me相图 L +α α+β α 黑 色 金 属 (Ferrous metals) 镁及镁合金(Magnesium alloys) 轴承合金(Cast bearing metals)

注意高碳钢和高碳马氏体含碳量 3.1碳钢(carbon steels) 的区别！ 3.1.1碳钢的成分和分类 低碳钢(low-carbon steels) 成分 C含量 中碳钢(medium-carbon steels) 高碳钢(high-carbon steels) 优质碳素结构钢 普通碳素钢(plain carbon steels) S、P 类 优质碳素钢(quality carbon steels)) 含量 高级优质碳素钢igh~) 高级优质碳素工具钢 冷脆：P生成Fe3P,在 100℃以下使钢的塑 碳素结构钢(carbon structural steels) 性和韧性急剧下降。 用途 碳素工具钢(carbontool steels)

3.1 碳钢(carbon steels) 3.1.1 碳钢的成分和分类 低碳钢（low-carbon steels） 中碳钢(medium-carbon steels) 高碳钢（high-carbon steels） 普通碳素钢(plain carbon steels) 优质碳素钢(quality carbon steels) 高级优质碳素钢(high ~) 碳素结构钢(carbon structural steels) 碳素工具钢(carbon tool steels) 优 质 碳 素 结 构 钢 高 级 优 质 碳 素 工 具 钢 C含量 S、P 含量 用途 成 分 分 类 热脆：S生成FeS,其与 Fe形成985℃的低熔 点共晶体存在于晶界 上，在热加工时，会 导致钢的开裂。 冷脆：P生成Fe3P,在 100 ℃以下使钢的塑 性和韧性急剧下降。 注意高碳钢和高碳马氏体含碳量 的区别!

3.1碳钢(carbon steels) U11950等6为位统一格式的数字 代号便于计算机管理。 3.1.2碳钢的牌号和用途 1、碳素结构钢 GB/T700-2006 碳素结构钢(Carbon structural steels) 化学成分（质量分数）%，不大于 机械性能（厚≤） 牌号 等 级 6 用途 热处理 Mn Si Os (16mm) 40mm） Q195 0.12 0.040 0.035 195 33 轧制成钢筋、 A 0.050 钢板、钢管 一般情况 Q215 0.15 0.045 215 31 B 0.045 等，用于桥 下不再进 梁、建筑物 行热处理 A 0.22 0.050 等构件或螺 0.045 B 0.20 0.045 钉、铆钉等 但对某些 Q235 235 26 0.17 0.040 0.040 零件，可 可用于重要 以进行正 0.17 0.035 0.035 的焊接件 火、调质、 0.24 0.050 0.045 渗碳等处 理，以提 B 0.21 0.045 0.045 Q275 275 22 轧制成型钢、 高其使用 0.22 0.040 0.040 钢板作构件 性能。 D 0.20 0.035 0.035

GB/T 700-2006 碳素结构钢( Carbon structural steels) 牌号 等 级 化学成分(质量分数) /%，不大于 机械性能（厚≤） 用途 热处理 C Mn Si S P σs (16mm ) δ (40mm ) Q195 0.12 0.040 0.035 195 33 轧制成钢筋、 钢板、钢管 等，用于桥 梁、建筑物 等构件或螺 钉、铆钉等 一般情况 下不再进 行热处理 但对某些 零件，可 以进行正 火、调质、 渗碳等处 理，以提 高其使用 性能。 Q215 A 0.15 0.050 0.045 215 31 B 0.045 Q235 A 0.22 0.050 0.045 235 26 B 0.20 0.045 C 0.17 0.040 0.040 可用于重要 D 0.17 0.035 0.035 的焊接件 Q275 A 0.24 0.050 0.045 275 22 轧制成型钢、 钢板作构件 B 0.21 0.045 0.045 C 0.22 0.040 0.040 D 0.20 0.035 0.035 3.1.2 碳钢的牌号和用途 1、碳素结构钢 Q235-A·F F\b\TZ\Z 质量等级：A、B、C、D，质量 依次提高。 U11950等6为位统一格式的数字 3.1 碳钢(carbon steels) 代号便于计算机管理

按照GB/T699-1999,Mn含量介 3.1碳钢(carbon steels) 于0.7~1.0%的标出Mn。 3.1.2碳钢的牌号和用途 2、优质碳素结构钢 GB/T699-1999 优质碳素结构钢(Quality carbon structural steels) 化学成分，% 牌号 机械性能与用途 热处 Mn Si S Cr 理 08F 0.050.11 塑性好，冷冲压件，如搪瓷盆 10 0.070.13 冷冲压性与焊接性能良好， 一 作冲压件及焊接件，经过渗 般 20/20Mn 0.170.23 碳等热处理也可以制造轴、 情况 销等零件 下都 要进 35/35Mn 0.32-0.39 ≤ ≤ 热处理后，可获得良好 行热 40/40Mn 0.370.44 0.035 0.035 的综合机械性能，用来 处理， 45/45Mn 0.42-0.50 制造齿轮、轴类、套筒 常用 等零件 正火、 50/50Mn 0.470.55 (淬火 60/60Mn 0.570.65 +回火) 主要用来制造弹簧件 65/65Mn 0.620.70

GB/T 699-1999 优质碳素结构钢( Quality carbon structural steels) 牌号 化学成分，% 机械性能与用途 热处 C Mn Si S P Cr 理 08F 0.05~0.11 ≤ 0.035 ≤ 0.035 塑性好, 冷冲压件,如搪瓷盆 一般 情况 下都 要进 行热 处理， 常用 正火、 (淬火 +回火) 10 0.07~0.13 冷冲压性与焊接性能良好， 作冲压件及焊接件，经过渗 碳等热处理也可以制造轴、 销等零件 20/20Mn 0.17~0.23 35/35Mn 0.32~0.39 热处理后，可获得良好 的综合机械性能，用来 制造齿轮、轴类、套筒 等零件 40/40Mn 0.37~0.44 45/45Mn 0.42~0.50 50/50Mn 0.47~0.55 60/60Mn 0.57~0.65 主要用来制造弹簧件 65/65Mn 0.62~0.70 3.1.2 碳钢的牌号和用途 2、优质碳素结构钢 3.1 碳钢(carbon steels) 按照GB/T 13304.1分类，Mn含 量小于1.0%的为非合金钢。 按照GB/T 699-1999，Mn含量介 于0.7～1.0%的标出Mn

3.1碳钢(carbon steels)) 注意Q235A与T8A的区别 3.1.2碳钢的牌号和用途 3、碳素工具钢 GB/T1298-2008碳素工具钢(Carbon too1 steels) 化学成分（质量分数）1% 牌号 机械性能与用途 热处理 Mn Si S 0.65-0.74 T8 0.750.84 硬度高、韧性较高， 一般情况 制造冲头、凿子、锤子 下热处理： T8Mn 0.800.90 正火 T9 0.850.94 1、制造普通铁钉材料（Q195、45、65) 球化退火 T10 0.95-1.04 2、制造普通螺母、螺钉材料(Q235、08、60Mn) 3、制造小轿车便携备用油箱材料(08F、T10、80) 淬火+低 T12 1.151.24 4、制造曲轴材料(08F、45、Q235) 温回火 T13 1.25-1.35 5、制造钳工锉刀材料(T7、T12、Q235) 注：高级优质钢在牌号后加“A”,其S、P含量分别不大于0.020%、0.030%，如“T8A

GB/T 1298-2008 碳素工具钢( Carbon tool steels) 牌号 化学成分（质量分数）/ % 机械性能与用途 热处理 C Mn Si S P T7 0.65~0.74 ≤ 0.030 ≤ 0.035 硬度高、韧性较高， 制造冲头、凿子、锤子 一般情况 下热处理： 正火 ↓ 球化退火 ↓ 淬火+低 温回火 T8 0.75~0.84 T8Mn 0.80~0.90 T9 0.85~0.94 硬度高，韧性适中，可制造丝 锥、手锯条等刃具及冷作模具 T10 0.95~1.04 T12 1.15~1.24 硬度高，韧性较低，可制作锉 T13 刀、刮刀等刃具及量规等量具 1.25~1.35 注：高级优质钢在牌号后加“A”，其S、P含量分别不大于0.020%、 0.030% ，如“T8A”。 3.1.2 碳钢的牌号和用途 3、碳素工具钢 注意Q235A与T8A的区别 1、制造普通铁钉材料（Q195、45、65） 2、制造普通螺母、螺钉材料（Q235、08、60Mn） 3、制造小轿车便携备用油箱材料（08F、T10、80） 4、制造曲轴材料（08F、45、Q235） 5、制造钳工锉刀材料（T7、T12、Q235） 3.1 碳钢(carbon steels)

● 3.2合金钢(alloys) 3.2.1合金钢的分类和编号 > 提高钢的淬透性 >提高钢的强度和屈强比 >提高钢的回火稳定性 加入合金元素的目的 >满足特殊性能要求 Me含量 低/中高合金钢 合金钢的分类 主要Me元素 铬/铬镍/锰/硅锰钢 正火铸态显微组织 P/M/A/Ie4钢 合金钢的编号 用途 结构工具特殊性能钢 首部用数字标明碳质量分数 主要M元素及其质量分数 高级优质钢，尾加“A” 结构钢 18 Cr2Ni4W 工具钢 5 CrMnMo 专用钢：GCr15Y40Mn等

3.2 合金钢(alloys) 3.2.1 合金钢的分类和编号 低/中/高合金钢 铬/铬镍/锰/硅锰钢 Me含量 加入合金元素的目的 合金钢的分类 合金钢的编号 P/M/A/le钢 主要Me元素 正火/铸态显微组织 ➢ 提高钢的淬透性 ➢ 提高钢的强度和屈强比 ➢ 提高钢的回火稳定性 ➢ 满足特殊性能要求 用途 结构/工具/特殊性能钢 首部用数字标明碳质量分数 主要Me元素及其质量分数 高级优质钢,尾加“A” 结构钢 18 Cr2Ni4W A 工具钢 5 CrMnMo 专用钢：GCr15/Y40Mn等

3.2合金钢(alloys) 3.2.2合金结构钢 1、低合金高强度结构钢 GB/T1591-2008 低合金高强度结构钢(High strength low alloy structural steels) 化学成分，% 机械性能 牌号 旧牌号 用途 热处理 Mn Si 6 0.18 低碳：W(e)<0.2% 12MnV Q345 345 21 16Mn 桥、船舶、车 般 低合金：WMe)<3% 辆、建筑结构 0.20 在 18Nb 主加元素Mn 空 Q390 固溶强化及细化晶粒 390 15MnV 19 桥、船、容器、 冷状 15MnVTi 起重设备 态下 阻止A晶粒长大及弥散硬化 使用， Q420 Ti、V、Nb 0.20 420 18 15MnVN 桥、船、高压 0.20 容器、管道、 锅炉、 不需 Q460 460 17 14MnMoV 1.80 化工容器 要专 0.11 门的 ≤ 锅炉蒸汽包 热处 Q690 0.12 690 0.18 2.00 液化石油气罐 理

用途 性能要求 结构件 ✓桥梁 ✓车辆 ✓船舶 ✓锅炉 ✓高压容器 ✓油气管道 ✓高强度 ✓高韧性 ✓良好的焊接性能 ✓良好的冷成型能力 ✓良好的低温韧性 ✓良好的耐腐蚀能力 GB/T 1591-2008 低合金高强度结构钢(High strength low alloy structural steels) 牌号 化学成分，% 机械性能 旧牌号 用途 热处理 C Mn Si V Nb Ti σs δ Q345 0.18 ~ 0.20 ≤ 1.70 0.15 0.07 0.20 345 21 12MnV 16Mn 18Nb 桥、船舶、车 辆、建筑结构 一般 在热 轧空 冷状 态下 使用， 不需 要专 门的 热处 理 Q390 ≤ 0.20 0.20 390 19 15MnV 15MnVTi 桥、船、容器、 起重设备 Q420 420 18 15MnVN 桥、船、高压 容器、管道、 Q460 ≤ 1.80 0.11 460 17 14MnMoV 锅炉、 化工容器 Q690 ≤ 0.18 ≤ 2.00 0.12 690 / 锅炉蒸汽包 液化石油气罐 3.2.2 合金结构钢 1、低合金高强度结构钢 主加元素Mn 固溶强化及细化晶粒 阻止A晶粒长大及弥散硬化 Ti、V、Nb 低碳:W(c) <0.2% 低合金:W(Me) <3% 3.2 合金钢(alloys)

3.2合金钢(alloys) 3.2.2合金结构钢 2、合金渗碳钢 用途 性能要求 传动件 √表面渗碳层硬度高 √车辆变速齿轮 √心部高的韧性和强度 V曲轴 √良好的热处理工艺性能 V活塞 片 东风eq140自卸污泥车 东风eq系列曲轴

用途 性能要求 传动件 ✓车辆变速齿轮 ✓曲轴 ✓活塞 ✓表面渗碳层硬度高 ✓心部高的韧性和强度 ✓良好的热处理工艺性能 3.2.2 合金结构钢 2、合金渗碳钢 东风eq140自卸污泥车 东风eq系列曲轴 3.2 合金钢(alloys)

3.2合金钢(alloys) 3.2.2合金结构钢 2、合金渗碳钢 GB/T3077-1999合金结构钢(A11oy structural steels) 化学成分w/% 热处理 机械性能 泰 牌号 渗 回 用途 Mn Si Cr Ni 淬火 20Mn2 低碳：W(c)=0.1%-0.25% 880油 785 590 低粹透性 小变速 0.17- 20Cr 800油 835 540 齿轮、 0.24 提高淬透性 小轴、 20MnV Mn、Cr,Ni 880油 785 590 活塞销 20CrMn 0.17- 阻止A晶粒长大及沉淀硬化 850油 930 735 中透性 变速齿 20CrMnTi 0.23 TiV、W、Mo 930 870油 200 1080 850 轮、轴、 10 0.17- 蜗杆、 20MnTiB 860油 1130 930 变速箱 0.24 0.13 高粹透性 18Cr2Ni4WA 850空 1180 835 0.19 大型变 速齿轮、 0.17-~ 20Cr2Ni4 880油 1180 1080 轴 0.23

GB/T 3077-1999 合金结构钢( Alloy structural steels) 类 别 牌号 化学成分w/% 热处理 机械性能 用途 C Mn Si Cr Ni V 其 它 渗 碳 淬火 回 火 σb σs δ 低 淬 透 性 20Mn2 0.17~ 0.24 930 880油 200 785 590 10 小变速 齿轮、 小轴、 活塞销 20Cr 800油 835 540 20MnV 880油 785 590 中 淬 透 性 20CrMn 0.17~ 0.23 850油 930 735 变速齿 轮、轴、 蜗杆、 变速箱 20CrMnTi 870油 1080 850 20MnTiB 0.17~ 0.24 860油 1130 930 高 淬 透 性 18Cr2Ni4WA 0.13~ 0.19 850空 1180 835 大型变 速齿轮、 20Cr2Ni4 0.17~ 轴 0.23 880油 1180 1080 提高淬透性 Mn、Cr、Ni 阻止A晶粒长大及沉淀硬化 Ti、V、W、Mo 3.2.2 合金结构钢 2、合金渗碳钢 低碳:W(c) = 0.1%~0.25% 3.2 合金钢(alloys)