钢材的材料性能及牌号表示

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