认识黑色金属材料

黑色金属在机械工业中应用较广。无论是钢还是铸铁，主要由铁和碳两种元素组成，统称为铁碳合金。除了铁和碳以外，还有少量的其他元素，如锰、硅、硫、磷。这些元素与铁共存在钢铁中，对材料的性能产生不同的影响。不含碳的纯铁较软，应用较少。碳在钢中的含量多少，对钢的强度影响较大。

一、学习目标

1．知识目标

熟悉碳素钢的分类、牌号、性能及用途；较清楚地了解合金钢、铸铁的分类、牌号，了解合金结构钢的性能用途；了解铁碳合金状态图的特征及应用。

2．能力目标

根据碳钢和合金结构钢的牌号，能分析它的成分、性能特点和大致用途。

3．态度目标

培养学生严谨细致、一丝不苟、实事求是的学习态度。

二、学习活动

活动一　认识钢的分类

1．按钢的化学成分分

（1）碳素钢

按钢的含碳量又分为以下3类：

①低碳钢：含碳量WC≤0．25%。

②中碳钢：含碳量WC＞0．25%～0．6%。

③高碳钢：含碳量WC≥0．6%。

（2）合金钢

如果含有合金元素，相应称为低合金钢、中合金钢和高合金钢。

（3）铸铁

碳含量大于2．11%的铁碳合金称为铸铁。它是工业上广泛使用的一种铸造金属材料。它比碳钢含有较多的硫、磷等杂质元素。铸铁具有良好的铸造性、耐磨性、减振性和切削加工性而应用广泛，但由于塑性、韧性较差，故适于铸造、却不适于用压力加工成形。

根据碳在铸铁中的存在形成，可将铸铁分为灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁。

2．按钢的品质分

（1）普通钢

普通钢：WS≤0．035%，WP≤0畅035%。

（2）优质钢

优质钢：WS≤0．030%，WP≤0畅030%。

（3）高级优质钢

高级优质钢：WS≤0．020%，WP≤0．025%

3．按钢的用途分

（1）结构钢

从制造成本和加工工艺角度出发，机械零件常用结构钢。选用低碳钢作塑性变形要求较高的零件。

（2）工具钢

选用中碳钢作为具有一定强度和硬度要求的零件。

（3）特殊性能钢

强度要求较高，又具有较好的塑性，则应用合金钢。对于一般重要的齿轮或轴选用中碳合金钢。

活动二　认识钢的编号

1．碳钢的编号方法

（1）碳素结构钢

碳素结构钢用Q代表屈服强度，如Q235。

（2）优质碳素结构钢

优质碳素结构钢用数字直接表示钢中碳的质量分数的0．01%。如45，35等表示钢中含碳的质量分数为0．45%，0．35%。

（3）碳素工具钢

碳素工具钢用T表示，如T8A钢。

（4）铸造碳钢

铸造碳钢用ZG表示，如ZG200唱400钢，表示屈服强度大于200MPa，抗拉强度大于400MPa。

如果数字后加注A，B等符号表示质量等级。A为高级。

2．合金钢的编号方法

（1）低合金高强度结构钢

低合金高强度结构钢，如Q390A。

（2）合金结构钢

合金结构钢，如40Cr，40表示含碳质量分数的0．01%；30CrMoA，合金的元素符号及含量的百分之1．5，末位加A表示优质。

（3）滚动轴承钢

滚动轴承钢，在含碳质量分数元素符号前加G，如GCr15。

（4）合金工具钢

合金工具钢，含碳质量分数小于1%，用一位数表示含碳质量分数的百分之零点几。含碳质量分数小于1%，不予标注。

（5）不锈钢

不锈钢，含碳较低，用“00”和“0”数字表示含碳质量分数，分别低于0．03%和0．08%，说明了为什么不锈钢刀具的刀刃硬度比较低，不能用来切割较硬材料的原因。

活动三　认识碳素钢

含碳质量分数小于2．11%而不特意加入合金元素的钢，称为碳素钢。

1．碳素结构钢

凡用于制造机械零件和各种工程结构件的钢，统称为结构钢。根据质量分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。

（1）普通碳素结构钢

普通碳素结构钢含碳质量分数较低，属于低碳钢，牌号前加Q表示，如Q215，Q235，Q275。普通碳素结构钢塑性好，但强度低，应用于建筑工程结构和机械零件，如图4．1所示。

图4．1　普通碳素结构钢零件

（2）优质碳素结构钢

优质碳素结构钢含碳质量分数较高，属于中碳钢，常用牌号有45，35钢。优质碳素结构钢刀具和零件如图4．2所示。

图4．2　优质碳素结构钢零件

2．碳素工具钢

碳素工具钢含碳质量分数在0．7%以上，硬度高，如T8A，T10A，T12A。碳素工具钢刀具和工具如图4．3所示。