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钢材的材料性能及牌号表示

更新时间:2009-05-26 09:00:00 信息编号:2482
钢材的材料性能及牌号表示
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一、钢材的材料性能
    为更合理使用金属材料,充分发挥其作用,必须掌握各种金属材料制成的零、构件在正常工作情况下应具备的性能(使用性能)及其在冷热加工过程中材料应具备的性能(工艺性能)。材料的使用性能包括物理性能(如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等)、化学性能(耐用腐蚀性、抗氧化性),力学性能也叫机械性能。材料的工艺性能指材料适应冷、热加工方法的能力。 
    1.机械性能 
    机械性能是指金属材料在外力作用下所表现出来的特性。 
    (1)强度:材料在外力(载荷)作用下,抵抗变形和断裂的能力。材料单位面积受载荷称应力。 
    (2)屈服点(бs):称屈服强度,指材料在拉抻过程中,材料所受应力达到某一临界值时,载荷不再增加变形却继续增加或产生原长度0.2%的变形时的应力值,单位用牛顿/毫米2( n/mm2 )表示。
    (3)抗拉强度(бb)也叫强度极限指材料在拉断前承受最大应力值。单位用牛顿 / 毫米2 ( n/mm2 )表示。 
    (4)延伸率(δ):材料在拉伸断裂后,总伸长与原始标距长度的百分比。 
    (5)断面收缩率(ψ)材料在拉伸断裂后、断面最大缩小面积与原断面积百分比。 
    (6)硬度:指材料抵抗其它更硬物压力其表面的能力,常用硬度按其范围测定分布氏硬度(hbs、hbw)和洛氏硬度(hka、 hkb、hrc)。
    (7)冲击韧性(ak):材料抵抗冲击载荷的能力,单位为焦耳/厘米2( j/cm2 )。 
    2.工艺性能 
    工艺性能指材料承受各种加工、处理的能力的那些性能。 
    (1)铸造性能:指金属或合金是否适合铸造的一些工艺性能,主要包括流性能、充满铸模能力;收缩性、铸件凝固时体积收缩的能力;偏析指化学成分不均性。
    (2)焊接性能:指金属材料通过加热或加热和加压焊接方法,把两个或两个以上金属材料焊接到一起,接口处能满足使用目的的特性。 
    (3)顶气段性能:指金属材料能承授予顶锻而不破裂的性能。 
    (4)冷弯性能:指金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂性能。弯曲程度一般用弯曲角度α(外角)或弯心直径 d 对材料厚度 a 的比值表示, a 愈大或 d/a 愈小,则材料的冷弯性愈好。 
    (5)冲压性能:金属材料承受冲压变形加工而不破裂的能力。在常温进行冲压叫冷冲压。检验方法用杯突试验进行检验。 
    (6)锻造性能:金属材料在锻压加工中能承受塑性变形而不破裂的能力。 
    3.化学性能 
    指金属材料与周围介质扫触时抵抗发生化学或电化学反应的性能。 
    (1)耐腐蚀性:指金属材料抵抗各种介质侵蚀的能力。 
    (2)抗氧化性:指金属材料在高温下,抵抗产生氧化皮能力。
二、钢材添加元素及其对性能的影响
    钢材的质量及性能是根据生产需要而确定的,不同的性能,可以通过添加不同的元素以及调整元素的含量来实现。
    1.生铁
    生铁中除铁外,还含有碳、硅、锰、磷和硫等元素。这些元素对生铁的性能均有一定的影响。
    碳(c):在生铁中以两种形态存在,一种是游离碳(石墨),主要存在于铸造生铁中,另一种是化合碳(碳化铁),主要存在于炼钢生铁中,碳化铁硬而脆,塑性低,含量适当可提高生铁的强度和硬度,含量过多,则使生铁难于削切加工,这就是炼钢生铁切削性能差的原因。石墨很软,强度低,它的存在能增加生铁的铸造性能。
    硅(si):能促使生铁中所含的碳分离为石墨状,能去氧,还能减少铸件的气眼,能提高熔化生铁的流动性,降低铸件的收缩量,但含硅过多,也会使生铁变硬变脆。
    锰(mn):能溶于铁素体和渗碳体。在高炉炼制生铁时,含锰量适当,可提高生铁的铸造性能和削切性能,在高炉里锰还可以和有害杂质硫形成硫化锰,进入炉渣。
    磷(p):属于有害元素,但磷可使铁水的流动性增加,这是因为硫减低了生铁熔点,所以在有的制品内往往含磷量较高。然而磷的存在又使铁增加硬脆性,优良的生铁含磷量应少,有时为了要增加流动性,含磷量可达1.2%。
    硫(s):在生铁中是有害元素,它促使铁与碳的结合,使铁硬脆,并与铁化合成低熔点的硫化铁,使生铁产生热脆性和减低铁液的流动性,故含硫高的生铁不适于铸造细件。铸造生铁中硫的含量规定最多不得超过0.06%(车轮生铁除外)。
    2.钢
    钢除含碳以外,还含有少量锰(mn)、硅(si)、硫(s)、磷(p)、氧(o)、氮(n)和氢(h)等元素。这些元素并非为改善钢材质量有意加入的,而是由矿石及冶炼过程中带入的,故称为杂质元素。这些杂质对钢性能是有一定影响,为了保证钢材的质量,在国家标准中对各类钢的化学成分都作了严格的规定。
    (1)硫
    硫来源于炼钢的矿石与燃料焦炭。它是钢中的一种有害元素。硫以硫化铁(fes)的形态存在于钢中,fes和 fe形成低熔点(985℃)化合物。而钢材的热加工温度一般在1150~1200℃以上,所以当钢材热加工时,由于 fes化合物的过早熔化而导致工件开裂,这种现象称为“热脆”。含硫量愈高,热脆现象愈严重,故必须对钢中含硫量进行控制。高级优质钢:s<0.02%~0.03%;优质钢:s<0.03%~0.045%;普通钢:s<0.055%~0.7%以下。
    (2)磷
    磷是由矿石带入钢中的,一般说磷也是有害元素。磷虽能使钢材的强度、硬度增高,但引起塑性、冲击韧性显著降低。特别是在低温时,它使钢材显著变脆,这种现象称“冷脆”。 冷脆使钢材的冷加工及焊接性变坏,含磷愈高,冷脆性愈大,故钢中对含磷量控制较严。高级优质钢: p<0.025%;优质钢: p<0.04%;普通钢: p<0.085%。
    (3)锰
    锰是炼钢时作为脱氧剂加入钢中的。由于锰可以与硫形成高熔点(1600℃)的 mns,一定程度上消除了硫的有害作用。锰具有很好的脱氧能力,能够与钢中的feo成为mno进入炉渣,从而改善钢的品质,特别是降低钢的脆性,提高钢的强度和硬度。因此,锰在钢中是一种有益元素。一般认为,钢中含锰量在0.5%~0.8%以下时,把锰看成是常存杂质。技术条件中规定,优质碳素结构钢中,正常含锰量是0.5%~0.8%;而较高含锰量的结构钢中,其量可达0.7%~1.2%。
    (4)硅
    硅也是炼钢时作为脱氧剂而加入钢中的元素。硅与钢水中的feo能结成密度较小的硅酸盐炉渣而被除去,因此硅是一种有益的元素。硅在钢中溶于铁素体内使钢的强度、硬度增加,塑性、韧性降低。镇静钢中的含硅量通常在0.1%~0.37%,沸腾钢中只含有0.03%~0.07%。由于钢中硅含量一般不超过0.5%,对钢性能影响不大。
    (5)氧
    氧在钢中是有害元素。它是在炼钢过程中自然进入钢中的,尽管在炼钢末期要加入锰、硅、铁和铝进行脱氧,但不可能除尽。氧在钢中以feo、mno、sio2、al2o3等夹杂形式,使钢的强度、塑性降低。尤其是对疲劳强度、冲击韧性等有严重影响。 
    (6)氮
    铁素体溶解氮的能力很低。当钢中溶有过饱和的氮,在放置较长一段时间后或随后在200~300℃加热就会发生氮以氮化物形式的析出,并使钢的硬度、强度提高,塑性下降,发生时效。钢液中加入al、ti或v进行固氮处理,使氮固定在aln、tin或vn中,可消除时效倾向。
    (7)氢
    钢中溶有氢会引起钢的氢脆、白点等缺陷。白点常在轧制的厚板、大锻件中发现,在纵断面中可看到圆形或椭圆形的白色斑点;在横断面上则是细长的发丝状裂纹。锻件中有了白点,使用时会发生突然断裂,造成不测事故。因此,化工容器用钢,不允许有白点存在。氢产生白点冷裂的主要原因是因为高温奥氏体冷至较低温时,氢在钢中的溶解度急剧降低。当冷却较快时,氢原子来不及扩散到钢的表面而逸出,就在钢中的一些缺陷处由原子状态的氢变成分子状态的氢。氢分子在不能扩散的条件下在局部地区产生很大压力,这压力超过了钢的强度极限而在该处形成裂纹,即白点。
    为了合金化而加入的合金元素,最常用的有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒,钛,铌、硼、铝等。现分别说明它们在钢中的作用。
    (1)铬
    铬可提高钢的强度和硬度,提高钢的高温机械性能,使钢具有良好的抗腐蚀性和抗氧化性,阻止石墨化,提高淬透性。
    (2)镍
    可提高钢的强度而不显著降低其韧性,降低钢的脆性转变温度,即可提高钢的低温韧性,改善钢的加工性和可焊性,提高钢的抗腐蚀能力,不仅能耐酸,而且能抗碱和大气的腐蚀。
    (3)钼
    钼对铁素体有固溶强化作用,提高钢热强性,抗氢侵蚀的作用,提高钢的淬透性。
    (4)钨
    提高强度,提高钢的高温强度和抗氢性能,使钢具有热硬性,因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。
    (5)钒
钒具有热强性,能显著地改善普通低碳低合金钢的焊接性能。
    (6)钛
    钛能改善钢的热强性,提高钢的抗蠕变性能及高温持久强度,并能提高钢在高温高压氢气中的稳定性。使钢在高压下对氢的稳定性高达600℃以上,在珠光体低合金钢中,钛可阻止钼钢在高温下的石墨化现象。因此,钛是锅炉高温元件所用的热强钢中的重要合金元素之一。
    (7)铌
    铌和碳、氮、氧都有极强的结合力,并与之形成相应的极为稳定的化合物,因而能细化晶粒,降低钢的过热敏感性和回火脆性,有极好的抗氢性能,铌能提高钢的热强性。
    (8)硼  
    提高钢的淬透性,提高钢的高温强度,强化晶界的作用。
    (9)铝
    铝是用作炼钢时的脱氧定氮剂,细化晶粒,抑制低碳钢的时效,改善钢在低温时的韧性,特别是降低了钢的脆性转变温度,提高钢的抗氧化性能。铝还能提高对硫化氢的抗腐蚀性。
三、钢铁产品牌号表示方法
    1.我国钢号表示方法概述 
    钢牌号简称钢号,是对每一种具体钢产品所取的名称,是人们了解钢的一种共同语言。我国的钢号表示方法,根据国家标准《钢铁产品牌号表示方法》(gb221-79)中规定,采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法表示。即:①钢号中化学元素采用国际化学符号表示,例si,mn,cr……等。混合稀土元素用“re”(或“xt”)表示。②产品名称、用途、冶炼和浇注方法等,一般采用汉语拼音的缩写字母表示。③钢中主要化学元素含量(%)采用阿拉伯数字表示。 
    2.我国钢号表示方法的分类说明 
    (1)碳素结构钢 
    碳素结构钢的表示方法如下:①由q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号组成。它的钢号冠以“q”,代表钢材的屈服点,后面的数字表示屈服点数值,单位是mpa例如q235表示屈服点(σs)为235 mpa的碳素结构钢。②必要时钢号后面可标出表示质量等级和脱氧方法的符号。质量等级符号分别为a、b、c、d。脱氧方法符号:f表示沸腾钢;b表示半镇静钢:z表示镇静钢;tz表示特殊镇静钢,镇静钢可不标符号,即z和tz都可不标。例如q235-af表示a级沸腾钢。③专门用途的碳素钢,例如桥梁钢、船用钢等,基本上采用碳素结构钢的表示方法,但在钢号最后附加表示用途的字母。 
    (2)优质碳素结构钢 
    优质碳素结构钢的表示方法如下:①钢号开头的两位数字表示钢的碳含量,以平均碳含量的万分之几表示,例如平均碳含量为0.45%的钢,钢号为“45”,它不是顺序号,所以不能读成45号钢。②锰含量较高的优质碳素结构钢,应将锰元素标出,例如50mn。③沸腾钢、半镇静钢及专门用途的优质碳素结构钢应在钢号最后特别标出,例如平均碳含量为0.1%的半镇静钢,其钢号为10b。
    (3)碳素工具钢 
    碳素工具钢的表示方法如下:①钢号冠以“t”,以免与其他钢类相混。②钢号中的数字表示碳含量,以平均碳含量的千分之几表示。例如“t8”表示平均碳含量为0.8%。③锰含量较高者,在钢号最后标出“mn”,例如“t8mn”。④高级优质碳素工具钢的磷、硫含量,比一般优质碳素工具钢低,在钢号最后加注字母“a”,以示区别,例如“t8mna”。
    (4)易切削钢 
    易切削钢的表示方法如下:①钢号冠以“y”,以区别于优质碳素结构钢。②字母“y”后的数字表示碳含量,以平均碳含量的万分之几表示,例如平均碳含量为0.3%的易切削钢,其钢号为“y30”。③锰含量较高者,亦在钢号后标出“mn”,例如“y40mn”。
    (5)合金结构钢 
    合金结构钢的表示方法如下:①钢号开头的两位数字表示钢的碳含量,以平均碳含量的万分之几表示,如40cr。②钢中主要合金元素,除个别微合金元素外,一般以百分之几表示。当平均合金含量<1.5%时,钢号中一般只标出元素符号,而不标明含量,但在特殊情况下易致混淆者,在元素符号后亦可标以数字“1”,例如钢号“12crmov”和“12cr1mov”,前者铬含量为0.4-0.6%,后者为0.9-1.2%,其余成分全部相同。当合金元素平均含量≥1.5%、≥2.5%、≥3.5%……时,在元素符号后面应标明含量,可相应表示为2、3、4……等。例18cr2ni4wa。③钢中的钒v、钛ti、铝al、硼b、稀土re等合金元素,均属微合金元素,虽然含量很低,仍应在钢号中标出。例如20mnvb钢中。钒为0.07-0.12%,硼为0.001-0.005%。④高级优质钢应在钢号最后加“a”,以区别于一般优质钢。⑤专门用途的合金结构钢,钢号冠以(或后缀)代表该钢种用途的符号。例如铆螺专用的30crmnsi钢,钢号表示为ml30crmnsi。
    (6)低合金高强度钢 
    低合金高强度钢的表示方法如下:①钢号的表示方法,基本上和合金结构钢相同。②对专业用低合金高强度钢,应在钢号最后标明。例如16mn钢,用于桥梁的专用钢种为“16mnq”,汽车大梁的专用钢种为“16mnl”,压力容器的专用钢种为“16mnr”。
    (7)弹簧钢 
    弹簧钢按化学成分可分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢两类,其钢号表示方法,前者基本上与优质碳素结构钢相同,后者基本上与合金结钢相同。 
    (8)滚动轴承钢 
    ①钢号冠以字母“g”,表示滚动轴承钢类。②高碳铬轴承钢钢号的碳含量不标出,铬含量以千分之几表示例如gcr15。渗碳轴承钢的钢号表示方法,基本上和合金结构钢相同。 
    (9)合金工具钢和高速工具钢 
    ①合金工具钢钢号的平均碳含量≥1.0%时,不标出碳含量;当平均碳含量<1.0%时,以千分之几表示。例如cr12、crwmn、9sicr、3cr2w8v。②钢中合金元素含量的表示方法,基本上与合金结构钢相同。但对铬含量较低的合金工具钢钢号,其铬含量以千分之几表示,并在表示含量的数字前加“0”,以便把它和一般元素含量按百分之几表示的方法区别开来。例如cr06。③高速工具钢的钢号一般不标出碳含量,只标出各种合金元素平均含量的百分之几。例如钨系高速钢的钢号为“w18cr4v”。钢号冠以字母“c”者,表示其碳含量高于未冠“c”的通用钢号。 
    (10)不锈钢和耐热钢 
    ①钢号中碳含量以千分之几表示。例如“2cr13”钢的平均碳含量为0.2%;若钢中含碳量≤0.03%或≤0.08%者,钢号前分别冠以“00”及“0”表示之,例如00cr17ni14mo2、0cr18 ni9等。②对钢中主要合金元素以百分之几表示,而钛、铌、锆、氮……等则按上述合金结构钢对微合金元素的表示方法标出。 
    (11)焊条钢 
    它的钢号前冠以字母“h”,以区别于其他钢类。例如不锈钢焊丝为“h2cr13”,可以区别于不锈钢“2cr13”。 
    (12)电工用硅钢 
    ①钢号由字母和数字组成。钢号头部字母dr表示电工用热轧硅钢,dw表示电工用冷轧无取向硅钢,dq表示电工用冷轧取向硅钢。②字母之后的数字表示铁损值(w/kg)的100倍。③钢号尾部加字母“g”者,表示在高频率下检验的;未加“g”者,表示在频率为50周波下检验的。例如钢号dw470表示电工用冷轧无取向硅钢产品在50赫频率时的最大单位重量铁损值为4.7w/kg。 
    (13)电工用纯铁 
    ①它的牌号由字母“dt”和数字组成,“dt”表示电工用纯铁,数字表示不同牌号的顺序号,例如dt3。 ②在数字后面所加的字母表示电磁性能:a——高级、e——特级、c——超级,例如dt8a。
    3.部分常用钢的牌号
    (1)碳素结构钢:    
    q195    q195f、q195b、q195
    q215    q215af、q215ab、q215a、q215bf、q215bb、q215b
    q235    q235af、q235ab、q235a、q235bf、q235bb、q235b、q235c、q235d
    q255    q255a、q255b
    q275    q275
    (2)低合金高强度结


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