机电一体化
任课教师：刘金龙 | 2026年春季学期
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📌 钢的三种分类方法
钢的分类方法有三种，分别从成分、质量和用途角度划分。掌握这三种分类方法是理解钢材牌号的基础。
中碳钢：0.25%~0.60%C
高碳钢：>0.60%C
含碳量决定钢的强度和硬度
优质钢：S≤0.035%，P≤0.035%
高级优质钢：S≤0.025%，P≤0.025%
硫磷含量越低，质量越好
工具钢：刀具、模具、量具
特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢
📌 含碳量对钢性能的影响
含碳量是决定钢性能的关键因素。随着含碳量增加，钢的强度和硬度提高，但塑性和韧性下降，焊接性变差。
🔵 低碳钢（≤0.25%C）
代表牌号：Q195、Q215、Q235、Q275、08F、20钢
性能特点：强度低、塑性好、焊接性优良
典型应用：建筑钢筋、桥梁、车辆外壳、焊接结构件
检测注意：晶粒较细，超声检测效果较好
🟠 中碳钢（0.25%~0.60%C）
代表牌号：35钢、45钢、40Cr、40MnB
性能特点：强度较高，可热处理强化
典型应用：轴类、齿轮、连杆、螺栓
检测注意：淬火后硬度高，检测时需注意表面状态
🔴 高碳钢（>0.60%C）
代表牌号：T7、T8、T10、T12、65Mn
性能特点：硬度高、强度高、塑性差、焊接性极差
典型应用：弹簧、工具、钢丝绳、轨道
检测注意：淬火后可能存在淬火裂纹，需重点关注磁粉/渗透检测结果
📌 质量分类依据
钢的质量主要由有害杂质元素硫（S）和磷（P）的含量决定。S引起热脆，P引起冷脆，含量越低质量越高。
P≤0.045%
- 牌号：Q195~Q275系列
- 应用：建筑、桥梁、一般结构件
- 特点：成本低、产量大
- 检测：常规超声/射线即可
P≤0.035%
- 牌号：08~85、15Mn~70Mn
- 应用：轴、齿轮、弹簧
- 特点：力学性能较好
- 检测：需关注内部缺陷
P≤0.025%
- 牌号后加"A"：如T8A、CrWMnA
- 应用：精密工具、模具、轴承
- 特点：纯净度高、性能稳定
- 检测：要求更严格，需多种方法联用
P≤0.025%
- 牌号后加"E"：如G20CrNi2MoA
- 应用：航空、核电、军工
- 特点：超高纯净度
- 检测：最严格的NDT要求
📌 按用途分类是工程中最实用的分类方法
结构钢用于承受载荷的零件；工具钢用于制造刀具、模具；特殊性能钢具有特殊的物理或化学性能。
优质结构钢：08~85、15Mn~70Mn
合金结构钢：40Cr、20CrMnTi
用于建筑、桥梁、机械零件
合金工具钢：9SiCr、CrWMn
高速钢：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2
用于刀具、模具、量具
耐热钢：4Cr14Ni14W2Mo
耐磨钢：ZGMn13
用于特殊环境
汽车齿轮需要表面硬、心部韧，合金结构钢（如20CrMnTi）可通过渗碳淬火实现。
超过2.11%C即为铸铁，这是钢与铸铁的分界线。
低碳钢含碳量≤0.25%，高碳钢才>0.60%。
S与Fe形成FeS，熔点低，热加工时易开裂，称为热脆。
高级优质钢后缀是"A"（如T8A），特级优质钢后缀是"E"。
高碳钢焊接时易产生淬硬组织和裂纹，焊接性很差。
📌 Q系列牌号规则
Q = 屈服强度（Yield Strength）的首字母
数字 = 屈服强度值（MPa）
质量等级：A、B、C、D（A级最差，D级最好）
脱氧方法：F（沸腾钢）、b（半镇静钢）、Z（镇静钢，可省略）、TZ（特殊镇静钢）
塑性好，强度低
用于：铆钉、垫圈、冲压件
焊接性好
用于：薄板、焊接钢管
A级质量一般
用于：建筑结构、桥梁
B级可做常温冲击试验
用于：重要焊接结构
C级可做0℃冲击试验
用于：较重要结构
D级可做-20℃冲击试验
用于：重要低温结构
📌 优质碳素结构钢牌号规则
两位数字 = 平均含碳量的万分数
例如：45钢 = 含碳量约0.45%
08钢 = 含碳量约0.08%
65Mn = 含碳量约0.65% + Mn（锰）
优质碳素结构钢的硫磷含量更低，力学性能更稳定。
🔵 低碳优质钢
08、10、15、20钢
含碳量低，塑性好，焊接性优良
用于：冲压件、焊接件、渗碳件
20钢是渗碳钢的基础牌号
🟠 中碳优质钢
35、40、45、50钢
强度较高，可热处理强化
用于：轴、齿轮、连杆、螺栓
45钢是机械零件中最常用的钢种
🔴 高碳优质钢
60、65、65Mn、70钢
含碳量高，强度高，弹性好
65Mn是典型弹簧钢，淬火+中温回火后弹性极限高
用于：弹簧、钢丝绳、轨道垫板
📌 碳素工具钢牌号规则
T = 碳（Tan）素工具钢
数字 = 含碳量的千分数
例如：T8 = 含碳量约0.8%
T12 = 含碳量约1.2%
- 硬度：淬火后HRC 55~60
- 特点：韧性较好，不易崩刃
- 应用：凿子、锤子、木工工具
- 检测：关注淬火裂纹→磁粉
- 硬度：淬火后HRC 56~62
- 特点：硬度与韧性均衡
- 应用：普通刀具、冲头、锯条
- 检测：淬火+低温回火后检测
- 硬度：淬火后HRC 58~64
- 特点：硬度高，耐磨性好
- 应用：丝锥、板牙、车刀
- 检测：关注磨削裂纹→渗透
- 硬度：淬火后HRC 60~65
- 特点：硬度最高，但脆性大
- 应用：锉刀、刮刀、量具
- 检测：淬火应力裂纹→磁粉
🔧 案例A：建筑钢筋
材料：Q235B
选材理由：强度足够、焊接性好、成本低
检测方案：
• 原材料：拉伸试验+弯曲试验
• 焊接接头：超声检测（UT）
• 表面质量：目视检测（VT）
• 批量进场：见证取样复试
🔧 案例B：机床主轴
材料：45钢（调质处理）
选材理由：综合力学性能好，可热处理强化
检测方案：
• 内部缺陷：超声检测（UT）
• 表面裂纹：磁粉检测（MT）
• 硬度检验：洛氏硬度（HRC）
• 尺寸精度：三坐标测量
📌 常见合金元素及其作用
合金钢是在碳素钢基础上加入合金元素（Cr、Ni、Mn、Si、W、Mo、V、Ti等）以改善性能。不同元素有不同作用，经常多种元素同时加入。
• 提高淬透性
• ≥12%时形成钝化膜，提高耐腐蚀性
• 代表：GCr15、不锈钢
• 提高淬透性
• 稳定奥氏体组织
• 代表：不锈钢、耐热钢
• 提高强度
• 脱氧脱硫（炼钢时）
• 代表：65Mn弹簧钢
• 提高耐热性
• 脱氧作用
• 代表：弹簧钢、耐热钢
• 高温下保持硬度
• 形成硬质碳化物
• 代表：高速钢W18Cr4V
• 提高高温强度
• 提高耐腐蚀性
• 代表：不锈钢、高温合金
📌 合金钢牌号规则
数字+元素符号+数字
第一个数字 = 含碳量的万分数（工具钢为千分数）
元素符号 = 合金元素种类
元素后的数字 = 该元素含量的百分数（<1.5%时省略）
Cr含量约1%（<1.5%省略）
用途：轴类、齿轮、连杆
特点：淬透性好，强度高
Cr、Mn、Ti各约1%
用途：汽车齿轮、轴类
特点：渗碳钢，表面硬心部韧
Si含量2%，Mn约1%
用途：弹簧、板簧
特点：弹性极限高
Cr、W、Mn各约1%
用途：精密模具、量具
特点：变形小，耐磨
Cr含量4%，V约1%
用途：高速切削刀具
特点：红硬性好，600℃不软化
Si、Cr各约1%
用途：丝锥、板牙、钻头
特点：淬透性好，耐磨
📌 铁碳合金相图中的关键点和线
铁碳相图是理解钢的热处理和组织转变的基础。掌握关键点的温度、含碳量和含义是考试必考内容。
C点共晶1148，A点纯铁1538
E点（2.11%C）：钢与铸铁的分界线
C点（4.3%C，1148℃）：共晶转变点，L→Ld
A点（0%C，1538℃）：纯铁熔点
🔵 重要转变线
GS线（A3线）：奥氏体→铁素体开始线
SE线（Acm线）：碳在奥氏体中的溶解度曲线
PSK线（A1线）：共析转变线，727℃
ECF线：共晶转变线，1148℃
🟠 室温组织
亚共析钢（<0.77%C）：F+P
共析钢（0.77%C）：全部P
过共析钢（0.77%~2.11%C）：P+Fe₃CⅡ
白口铸铁（>2.11%C）：P+Fe₃C+Ld
Cr、Mn、Ni等元素都能提高淬透性，其中Cr效果最显著。
S点727℃，发生共析转变：A→P(F+Fe₃C)。
20CrMnTi是渗碳钢，表面硬度高、心部韧性好，适合齿轮。
Cr能形成碳化物提高硬度，≥12%时形成钝化膜耐腐蚀。
W使钢在600℃仍保持高硬度，适合高速切削。
E点2.11%C是碳在γ-Fe中的最大溶解度，也是钢与铸铁的分界。
共析钢在727℃发生共析转变，A→P。
📌 碳素工具钢特点
碳素工具钢含碳量高（0.65%~1.35%），淬火后硬度高，但红硬性差（温度超过200℃硬度就明显下降）。适合制作低速切削工具和手工工具。
韧性较好
用于：凿子、锤子、冲头
淬火温度：780~800℃
硬度与韧性均衡
用于：丝锥、板牙、手锯条
淬火温度：760~780℃
硬度最高，脆性大
用于：锉刀、刮刀、量具
淬火温度：760~780℃
极高硬度，极脆
用于：刻刀、拉丝模
很少使用
📌 合金工具钢特点
合金工具钢在碳素工具钢基础上加入合金元素，提高了淬透性、耐磨性和热硬性。适合制作形状复杂、要求热处理变形小的工具和模具。
🔵 9SiCr
成分：C≈0.9%，Si≈1.2%，Cr≈1.0%
特点：淬透性好，耐磨性高
应用：丝锥、板牙、钻头、冷冲模
热处理：860℃油淬+180℃回火
检测：表面裂纹→磁粉；硬度→洛氏
🟠 CrWMn
成分：C≥1%，Cr≈1%，W≈1.5%，Mn≈1%
特点：变形极小，耐磨性好
应用：精密模具、量具、拉刀
热处理：820~840℃油淬+170℃回火
检测：尺寸精度+表面质量
🔴 合金工具钢vs碳素工具钢
| 对比项 | 碳素工具钢 | 合金工具钢 |
|---|---|---|
| 淬透性 | 差，水淬易裂 | 好，可油淬 |
| 耐磨性 | 一般 | 好 |
| 热硬性 | 差（<200℃） | 较好（~300℃） |
| 变形 | 大 | 小 |
| 成本 | 低 | 高 |
📌 高速钢特点
高速钢是含有W、Mo、Cr、V等合金元素的高合金工具钢，最突出的特点是红硬性——在高温下（500~600℃）仍能保持高硬度，适合高速切削。
经典高速钢
红硬性：600℃仍HRC 60+
用于：车刀、铣刀、钻头
钼系高速钢（M2）
性能与W18Cr4V相近
成本更低，应用广泛
洛氏硬度（HRC）：压痕小，适合淬火钢、硬质合金等硬材料
维氏硬度（HV）：最精密，适合薄层、表面硬化层、科研
- 含碳量0.65%~1.35%
- 淬火后硬度HRC 55~65
- 红硬性差（>200℃软化）
- 用于低速切削、手工工具
- 检测：淬火裂纹→磁粉
- 含合金元素Cr、W、Mn、Si
- 可油淬，变形小
- 耐磨性优于碳素工具钢
- 用于模具、量具、丝锥
- 检测：尺寸精度+表面质量
- W、Mo、Cr、V高合金
- 600℃仍保持HRC 60+
- 适合高速切削刀具
- 淬火温度高（1270~1280℃）
- 检测：内部缺陷→超声
- WC+Co或WC+TiC+Co
- 硬度HRA 89~93（极高）
- 耐磨性极好，但脆性大
- 用于车刀刀片、拉丝模
- 检测：内部缺陷→超声
高速钢红硬性好，高温下仍保持高硬度，适合高速切削。
淬火钢硬度高，布氏压头易损坏，洛氏硬度C标尺最适合。
T12含碳量1.2%，淬火后硬度最高，适合制作锉刀。
碳素工具钢红硬性差，>200℃就软化；高速钢600℃仍保持硬度。
📌 不锈钢定义
不锈钢是在大气、水、酸、碱、盐等介质中耐腐蚀的钢。其耐蚀性主要依靠Cr元素——当Cr含量≥12%时，在钢表面形成致密的Cr₂O₃钝化膜，阻止进一步腐蚀。
含碳量较高（0.1%~1.0%）
有磁性，可热处理强化
用于：刀具、轴承、阀门
Ni含量8%~20%
无磁性，不能热处理强化
用于：化工容器、食品设备
含碳量低（<0.12%）
有磁性，不能热处理强化
用于：汽车排气系统、装饰板
📌 马氏体不锈钢牌号规则
数字+Cr+数字
第一个数字 = 含碳量的千分数
Cr后面的数字 = Cr含量的百分数
例如：3Cr13 = C≈0.3%，Cr≈13%
🔵 1Cr13 · 2Cr13
含碳量：0.1%~0.2%
特点：韧性好，耐蚀性较好
应用：汽轮机叶片、螺栓、阀门
热处理：950~1000℃淬火+700℃回火
检测：磁粉检测可用（有磁性）
🟠 3Cr13 · 4Cr13
含碳量：0.3%~0.4%
特点：硬度高，耐磨性好
应用：刀具、手术刀、轴承、喷嘴
热处理：1000~1050℃淬火+200℃回火
检测：淬火裂纹→磁粉检测
📌 奥氏体不锈钢特点
奥氏体不锈钢含Cr约18%、Ni约8~10%，室温下为奥氏体组织（面心立方结构）。无磁性，不能通过热处理强化，但耐蚀性极好，塑性和焊接性优良。
Cr18%、Ni9%
对应美标304
用于：食品设备、化工容器
加Ti防止晶间腐蚀
对应美标321
用于：高温设备
对应美标316
用于：海水环境、化工管道
📌 奥氏体不锈钢的晶间腐蚀
奥氏体不锈钢在450~850℃停留时，Cr₂₃C₆在晶界析出，导致晶界附近Cr含量降低（<12%），失去耐蚀性，称为晶间腐蚀。防止方法：①降低含碳量（<0.08%）；②加入Ti或Nb（稳定化处理）。
📌 铁素体不锈钢特点
铁素体不锈钢含Cr量12%~30%，含碳量很低（<0.12%），室温下为铁素体组织（体心立方结构）。有磁性，不能热处理强化，但耐应力腐蚀性能优于奥氏体不锈钢。
🔵 1Cr17
成分：Cr≈17%，C<0.12%
特点：耐大气腐蚀，有磁性
应用：汽车排气系统、家电外壳
检测：磁粉检测可用（有磁性）
对应美标：430
🟠 1Cr25Ti
成分：Cr≈25%，加Ti稳定化
特点：耐高温氧化，耐蚀性极好
应用：加热炉部件、燃烧室
检测：磁粉+渗透联用
优点：抗应力腐蚀开裂
内部超声射线，表面渗透目视
非铁磁性材料（奥氏体不锈钢、铝合金、铜合金）：优先渗透检测（PT）或涡流检测（ET）
内部缺陷：超声检测（UT）或射线检测（RT）
表面缺陷：目视检测（VT）或渗透检测（PT）
奥氏体是面心立方结构，无铁磁性。
不锈钢中Cr≥12%才能形成钝化膜。
奥氏体无磁性，磁粉检测无效，应改用渗透检测。
3Cr13是马氏体不锈钢，有磁性；304、316、0Cr18Ni9都是奥氏体不锈钢，无磁性。
📌 铸铁定义与分类
铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金。与钢相比，铸铁的熔点低、铸造性好、成本低，但强度和韧性较差。铸铁的分类主要依据石墨形态和基体组织。
强度低，脆性大
减震性好，耐磨
用于：机床床身、发动机缸体
强度高，韧性好
可替代部分钢材
用于：曲轴、齿轮、阀门
韧性较好
由白口铸铁退火得到
用于：管件、扳手、农具
硬度极高，脆性极大
不能切削加工
用于：磨球、轧辊、耐磨件
性能介于灰口和球墨之间
用于：排气管、制动盘
提高耐热、耐蚀、耐磨性
用于：耐热炉衬、耐酸泵
📌 灰口铸铁牌号规则
HT = 灰口铸铁（Hui Tie）
数字 = 最低抗拉强度（MPa）
例如：HT200 = 最低抗拉强度200MPa
用于：底座、手轮、支架
检测：目视为主
用于：机床床身、发动机缸体
检测：目视+渗透
用于：阀体、泵壳、飞轮
检测：超声困难
用于：高强度铸件、齿轮箱
检测：多种方法联用
📌 灰口铸铁的检测难点
片状石墨对超声波有强烈的散射和吸收作用，使超声检测困难。因此灰口铸铁的检测以目视检测（VT）和渗透检测（PT）为主，射线检测效果也较差。
灰铸铁检测靠目视
📌 球墨铸铁牌号规则
QT = 球墨铸铁（Qiu Tie）
第一组数字 = 抗拉强度（MPa）
第二组数字 = 伸长率（%）
例如：QT500-7 = 抗拉强度500MPa，伸长率7%
🔵 QT400-15 / QT450-10
特点：塑性好，韧性高
应用：汽车底盘零件、农机件
检测：超声可检测内部缺陷
相当于：低碳钢水平
🟠 QT500-7 / QT600-3
特点：强度较高，有一定塑性
应用：曲轴、齿轮、连杆
检测：超声+磁粉联用
相当于：中碳钢水平
🔴 QT700-2 / QT800-2 / QT900-2
特点：强度高，塑性低
应用：高强度曲轴、凸轮轴、轧辊
检测：多种方法联用
相当于：高强度合金钢水平
📌 可锻铸铁
可锻铸铁是由白口铸铁经长时间退火（900~1000℃保温后缓慢冷却）得到的。石墨呈团絮状，对基体割裂较小，韧性好于灰口铸铁。
🔵 KTH300-06
KTH = 黑心可锻铸铁
基体为铁素体，石墨团絮状
韧性好，强度较低
用于：管件、阀门、农具
🟠 KTZ450-06
KTZ = 珠光体可锻铸铁
基体为珠光体，强度较高
耐磨性优于黑心可锻铸铁
用于：耐磨件、曲轴、连杆
📌 白口铸铁
白口铸铁中碳全部以渗碳体（Fe₃C）形式存在，无石墨。硬度极高（HBW 400~600），但脆性极大，不能切削加工，只能铸造和磨削。
应用：磨球、轧辊、犁铧、耐磨衬板
检测：表面裂纹→磁粉检测（有磁性）；内部缺陷→超声困难（组织复杂）
📌 铸铁检测的特殊性
铸铁的组织不均匀（石墨+金属基体），对超声波有强烈的散射作用。因此铸铁的检测方法与钢有很大不同。
推荐检测：目视（VT）+渗透（PT）
超声（UT）效果差
射线（RT）效果一般
推荐检测：超声（UT）+磁粉（MT）
内部缩松→超声
表面裂纹→磁粉
推荐检测：目视+渗透+超声
组织较均匀
检测方法与球墨类似
推荐检测：磁粉（MT）+超声（UT）
硬度高，耐磨性好
表面裂纹→磁粉
📌 铸铁核心要点
| 类型 | 石墨形态 | 强度 | 韧性 | 检测方法 |
|---|---|---|---|---|
| 灰口铸铁 | 片状 | 低 | 差 | VT+PT |
| 球墨铸铁 | 球状 | 高 | 好 | UT+MT |
| 可锻铸铁 | 团絮状 | 中 | 较好 | VT+PT+UT |
| 白口铸铁 | 无（Fe₃C） | 极高 | 极差 | MT+VT |
球墨：QT+抗拉强度-伸长率
可锻：KTH/KTZ+抗拉强度-伸长率
团絮状→较好
蠕虫状→中等
球状→最好
球墨：超声可用→UT/MT
白口：硬度高→MT/VT
球墨铸铁 = "以铁代钢"
| 材料类型 | 磁性 | 内部检测 | 表面检测 | 注意事项 |
|---|---|---|---|---|
| 碳素钢/合金钢 | ✓ 有磁 | UT/RT | MT/PT | 粗晶粒影响UT灵敏度 |
| 马氏体不锈钢 | ✓ 有磁 | UT/RT | MT/PT | 淬火后硬度高 |
| 奥氏体不锈钢 | ✗ 无磁 | RT/ET | PT/ET | 粗晶使UT困难 |
| 铁素体不锈钢 | ✓ 有磁 | UT/RT | MT/PT | 耐应力腐蚀好 |
| 灰口铸铁 | ✓ 有磁 | 困难 | VT/PT | 石墨片散射超声 |
| 球墨铸铁 | ✓ 有磁 | UT/RT | MT/PT | 球状石墨UT可用 |
| 白口铸铁 | ✓ 有磁 | 困难 | MT/VT | 硬而脆，组织致密 |
| 铝合金 | ✗ 无磁 | UT/RT | PT/ET | 声速与钢不同 |
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钢的分类
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