金属材料讲义-钢材教材

金属材料讲义—钢材余松敏一、钢材的规格和型号钢结构用钢材主要为热轧成型的钢板和型钢，冷轧成型的钢板和冷弯成型的薄壁型钢。

金属装饰用钢材主要为冷轧成型的不锈钢板和热轧成型的不锈钢型钢，1．钢板钢板有薄钢板、中、厚钢板、扁钢（或带钢）之分，其规格如下：薄钢板：厚度0.35—4 mm，宽度500—1500 mm，长度0.4—5 m。

中钢板：厚度4.5—20 mm，宽度600—3000 mm，长度4—12 m。

厚钢板：厚度大于20mm —60mm，宽度600—3000 mm，长度4—12 m。

特厚板：厚度大于60mm，宽度600—3000 mm，长度4—12 m。

扁钢：厚度4—60 mm，宽度12—200 mm，长度3—9 m。

例如—100 80 3或平板100 80 3表示长100 mm宽80 mm厚度为3 mm的平板。

2．角钢角钢分等边角钢和不等边角钢二种。

等边角钢以肢宽和肢厚表示，如∠50 5即为肢宽50 mm，肢厚5 mm的等边角钢。

不等边角钢则是以二肢的宽度和厚度表示，如∠100 80 8，即为长肢宽100 mm，短肢宽80 mm，肢厚8 mm的不等边角钢。

我国目前生产的等边角钢肢宽20 —200 mm，肢厚3—24 mm，不等边角钢肢宽25 16—200 125 mm，肢厚3—18 mm。

角钢的长度一般为3—9 m。

一般我们标记5号角钢为∠5#，常表示为∠50 50 5的等边角钢，∠80 80 8的等边角钢标记为∠8#（8号角钢），如不按此惯例选用的角钢，则必须标示肢厚。

3．工字钢工字钢有普通工字钢、轻型工字钢和宽翼缘工字钢（H型钢）三种。

普通工字钢用号数表示，例如I18表示工字钢高度为180mm，18号以上的工字钢，同一号数有二种或三种不同的腹板厚度，分别用a、b或a、b、c表示，例如I32a表示工字钢高度为320mm，腹板厚度为a(9.5 mm)，I32b表示工字钢高度为320mm，腹板厚度为b (11.5 mm)。

H型钢的表示方法为高度、宽度、腹板厚度和翼板厚度，例如H300 300 11 19，表示高度为300 mm，宽度为300 mm，腹板厚度为11 mm，翼板厚度为19 mm的H型钢。

工字钢和H型钢长度一般为3—9 m。

4．槽钢槽钢有普通槽钢和轻型槽钢二种，也用号数表示，例如 18表示槽钢截面高度为180 mm。

同工字钢一样，槽钢同一号数也有二种或三种不同的腹板厚度，分别用a、b或a、b、c表示，例如 32c表示槽钢高度为320mm，腹板厚度为c(12 mm) 。

槽钢长度一般为3—9 m。

5．圆管、方管和矩型管圆管一般用外径和壁厚表示，例如 30 2表示圆管外径为30 mm，壁厚为2 mm 的钢管。

方管和矩型管则用外形尺寸和壁厚表示，例如 30 2表示边长为18 mm，壁厚为1 mm的方管。

60 30 3表示长边为60 mm，短边为30 mm，壁厚为3 mm的矩型管。

圆管、方管和矩型管的长度一般为3—9 m。

二、钢材的机械（力学）性能1．强度钢材的强度主要用屈服强度和抗拉强度表示。

屈服强度就是钢材在受载变形后能否恢复常态的临界强度，低于此数值，钢材在受载变形后能恢复原样，高于此数值，钢材在受载变形后不能恢复原样。

抗拉强度就是钢材在受载变形后开始被破坏的临界强度，低于此数值，钢材在受载变形后，虽不能恢复原样，但还没被破坏；高于此数值钢材在受载变形后开始被破坏。

2．塑性钢材的塑性指标主要用伸长率（延伸率）表示。

伸长率数值大表示钢材的塑性好，在受载变形后不会马上被破坏；伸长率数值小表示钢材的塑性差，在受载变形后会马上被破坏。

3. 硬度硬度表示材料抵抗硬物体压入其表面的能力。

它是金属材料的重要性能指标之一。

一般硬度越高，耐磨性越好。

常用的硬度指标有布氏硬度、洛氏硬度和维氏硬度。

⑴布氏硬度用HB表示，硬度一般较低。

⑵洛氏硬度用HRC表示，硬度一般较高。

⑶维氏硬度用HV表示，硬度也较高。

三、常用钢材的主要化学成分1．碳（C）钢的强度随含碳量的增加而提高，但钢的塑性、冷弯、冲击韧性和疲劳强度却要降低，可焊性能也变差。

钢材的含碳量低，可焊性好，一般含碳量低于0.25%的低碳钢和低合金钢都适合于焊接。

碳素钢视含碳量的多少分为：低碳钢（C ≤ 0.25%）中碳钢（C = 0.25%—0.60%）高碳钢（C ≥ 0.60%）2．硅（Si）硅能提高钢的强度而不降低其塑性，但含量过高反而不利，会使钢的冷脆性增加，可焊性变差，抗腐蚀能力降低。

硅的含量一般在0.10%—0.30% 范围内。

3．锰（Mn）锰能提高钢的强度，消除部分硫的有害影响，含量过高也很不利，它将使钢变得脆而硬，可焊性降低。

锰的含量一般在0.30%—0.60% 范围内。

4．硫（S）硫使钢在高温时变脆，当温度为800—1000︒C时，硫使钢出现裂纹，不利于铆、焊和热加工。

如果硫含量过高，还将降低钢的冲击韧性和疲劳强度。

硫的含量一般不超过0.05%。

5．磷（P）磷使钢在低温时变脆，当温度低于-20︒C时就很明显，磷使钢的塑性降低，冷弯性能和可焊性能变差。

硫的含量一般不超过0.045%。

四、常用钢的种类和牌号1．普通碳素钢常用的碳素结构钢牌号为Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。

Q表示屈服点，数值表示屈服强度值。

数值高表示钢材强度高，硬度也高，塑性却低。

碳素结构钢牌号常在数值后带等级号A、B、C、D，例如Q215-A、Q235-B，A级比较差，D级最好，不标等级号时，均认可为A级。

2．优质碳素钢优质碳素钢与普通碳素钢的区别，主要在于钢中含杂质元素较少，硫、磷含量也少（≤0.04%），具有较好的综合性能。

优质碳素钢的牌号用钢中平均含碳量的万分数表示，例如，45号钢表示平均含碳量为0.45%。

3．合金钢合金钢内除碳外，为了改善钢的质量，加入一定数量的合金元素，如硅（Si）、锰（Mn）、铬（Cr）、钼（Mo）、钛（Ti）、钒（V）等。

这类加入合金元素的钢称为合金钢，根据合金元素总量的多少可分为：低合金钢（合金元素总量< 5%）中合金钢（合金元素总量5 —10%）高合金钢（合金元素总量> 10%）按照含有害元素硫、磷量的多少又可分为：普通合金钢（S ≤ 0.050%；P≤ 0.045%）优质合金钢（S ≤ 0.030—0.045%；P≤ 0.035—0.040%）高级优质合金钢（S ≤ 0.020—0.030%；P≤ 0.030—0.035%）工程结构中常用的是普通低合金钢，它是在普通碳素钢中添加少量的一种或数种合金元素，用以提高其强度、耐腐蚀性、耐磨性和低温冲击韧性。

普通低合金钢的含碳量一般较低，在0.2%左右，以便于钢材的加工和焊接。

例如16锰（16 Mn），具有较高的屈服强度和抗拉强度，良好的塑性和冲击韧性，并具有耐腐蚀、耐低温等性能，加工制造和焊接性能均优。

4．不锈钢⑴不锈钢的分类不锈钢的种类繁多，按金相组织结构可分为几类：①奥氏体型：如201、202、302、304、310、316等；②马氏体或铁素体型：如410、416、426、420、430等；⑵不锈钢的防腐不锈钢的含铬量比较高，是靠其表面形成的一层极薄而坚固细密的稳定的富铬氧化膜（防护膜）来防止腐蚀生锈。

一旦有某种原因，这种薄膜遭到了不断地破坏，也会产生锈蚀。

比如：①不锈钢表面存积着含有其他金属元素的粉尘或异类金属颗粒的附着物。

②不锈钢表面粘附有机物汁液（如瓜菜、面汤、痰等）。

③不锈钢表面粘附含有酸、碱、盐类物质（如装修墙壁的碱水、石灰水喷溅）。

④在有污染的空气中（如含有大量硫化物、氧化碳、氧化氮的大气）。

以上情况均可造成不锈钢表面防护膜的破坏引发锈蚀。

所以，为确保不锈钢表面永久光亮，不被锈蚀，我们建议：①经常对装饰不锈钢表面进行清洁擦洗，去除附着物，消除引发修饰的外界因素。

②海滨地区要使用316材质不锈钢，316材质能抵抗海水腐蚀。

③市场上有些不锈钢管化学成分不能符合相应国家标准，达不到304 材质要求。

因此也会引起生锈，这就需要用户认真选择有信誉厂家的产品⑶不锈钢为什么也会带磁?人们常用磁铁吸附不锈钢材，验证其优劣和真伪，吸附无磁，认为是好的，货真价实；吸者有磁性，则认为是冒牌假货。

其实，这是一种极其片面的、不切实际的错误的辨别方法。

奥氏体不锈钢材是无磁或弱磁性的，而马氏体或铁素体不锈钢材则是有磁性的。

另外，304不锈钢经过冷加工，组织结构也会向马氏体转化，冷加工变形度越大，马氏体转化越多，钢的磁性也越大。

如同一批号的钢带，生产Φ76管，无明显磁感，生产Φ9.5管。

因泠弯变形较大磁感就明显一些，生产方矩形管因变形量比圆管大，特别是折角部分，变形更激烈磁性更明显。

要想完全消除上述原因造成的304钢的磁性，可通过高温固溶处理并恢复稳定的奥氏体组织，从而消去磁性。

特别要提出的是，因上面原因造成的304不锈钢的磁性，与其他材质的不锈钢，如430、碳钢的磁性完全不是同一级别的，也就是说304不锈钢的磁性始终显示的是弱磁性。

这就告诉我们，如果不锈钢带弱磁性或完全不带磁性，应判别为304或316材质；如果与碳钢的磁性一样，显示出强磁性，应判别为不是304材质。

⑷不锈钢板表面代码的含义①热轧不锈钢板1C板。

表示为热轧不锈钢板。

采用热轧工艺，经过热处理，未去除氧化皮的不锈钢板，即表面覆盖有轧制氧化皮的不锈钢板。

1D板。

表示为热轧不锈钢板。

采用热轧工艺，经过热处理, 用酸洗方法去除氧化皮的不锈钢板。

即表面无氧化皮的不锈钢板。

②冷轧不锈钢板2D板。

表示为冷轧不锈钢板。

采用冷轧工艺，经过热处理和酸洗的不锈钢板。

即表面比较光滑的不锈钢板。

2B板。

表示为冷轧不锈钢板。

采用冷轧工艺，经过热处理和酸洗，并且双面经过精轧的不锈钢板。

即双面表面都光滑的不锈钢板。

AB板。

表示为冷轧不锈钢板。

采用冷轧工艺，经过热处理和酸洗，并且单面经过精轧的不锈钢板。

即单面表面光滑的不锈钢板。

五、有关钢的热处理的名词1.退火将钢加热到一定温度并保温一段时间，然后使它慢慢冷却，称为退火。

钢的退火是将钢加热到发生相变或部分相变的温度，经过保温后缓慢冷却的热处理方法。

退火的目的，是为了消除组织缺陷，改善组织使成分均匀化以及细化晶粒，提高钢的力学性能，减少残余应力；同时可降低硬度，提高塑性和韧性，改善切削加工性能。

所以退火既为了消除和改善前道工序遗留的组织缺陷和内应力，又为后续工序作好准备，故退火是属于半成品热处理，又称预先热处理。

2.正火正火是将钢加热到临界温度以上，使钢全部转变为均匀的奥氏体，然后在空气中自然冷却的热处理方法。

它能消除过共析钢的网状渗碳体，对于亚共析钢正火可细化晶格，提高综合力学性能，对要求不高的零件用正火代替退火工艺是比较经济的。

3.淬火淬火是将钢加热到临界温度以上，保温一段时间，然后很快放入淬火剂中，使其温度骤然降低，以大于临界冷却速度的速度急速冷却，而获得以马氏体为主的不平衡组织的热处理方法。