金属工艺学 课件 2 铁碳合金

厚德博学追求卓越2铁碳合金主要内容金属及合金的晶体结构一金属的结晶二三铁碳合金相图及其应用四常用金属材料及选用五小结在福建省通北发现的石榴石单晶照片（图片来源于I网MeganForeman的照片）不锈钢显微组织单晶硅棒单晶硅圆片镍基单晶热处理后显微组织

铁碳合金是最重要的工程材料，钢和铸铁是制造机器设备的主要金属材料，与其它材料相比，其资源广泛、冶炼方便、价格低廉、性能优越。

铁碳合金是以铁、碳为主要组元组成的合金。其中，铁的含量大于95%，是最基本的组元。要了解钢和铸铁的本质，首先必须了解纯铁的晶体结构。金属的内部结构和组织状态是决定金属材料性能的一个重要因素。金属在固态下通常都是晶体，了解和掌握金属的晶体结构、结晶过程及其组织特点，是零件设计时合理选材的根本依据。一、金属及合金的晶体结构1.1

晶体结构

晶体（crystal）：由大量微观物质单位（原子、离子、分子等）按一定规则有序排列的结构。

晶体的原子排列是有序的，原子在三维空间作规则的、周期性的、重复排列，有一定的熔点和凝固点，性能趋向各向异性。

非晶体（Amorphoussolid）：指结构无序或者近程有序而长程无序的物质，组成物质的分子（或原子、离子）不呈空间有规则周期性排列的固体，它没有一定规则的外形。

非晶体原子排列杂乱无章，呈无序状态，没有固定的熔点和凝固点，性能趋向各向同性。1.1

晶体结构

晶体结构：晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式。

晶格：把原子排列抽象成一种空间格子，每个原子中心处在空间格子的结点上，这种假想的空间格架称为晶格。

晶胞：为了便于研究，从晶格中取出能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞。1.1

晶体结构

晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边的边长a、b、c和三条棱边的夹角α、β、γ等六个参数来描述。其中a、b、c为晶格常数，其大小以μm来度量。1.1

晶体结构

金属常见的晶格类型有体心立方、面心立方和密排六方。1.体心立方晶胞BCC（Body-CenteredCube）

(1/8)x8+1=2

属于这类晶格的金属有α-Fe（912℃以下的纯铁）、铬、钼、钒、钛等。这类晶格一般具有较高的熔点、相当的强度和良好的塑性。1.1

晶体结构

金属常见的晶格类型有体心立方、面心立方和密排六方。2.面心立方晶胞FCC（Face-CenteredCube）

(1/8)x8+(1/2)x6=4

属于这类晶格的金属有γ-Fe（912～1394℃时的纯铁）、铜、镍、金、银、铂、锗、锰、铅等。这类晶格一般具有很好的塑性。1.1

晶体结构

金属常见的晶格类型有体心立方、面心立方和密排六方。3.密排六方晶格HCP（HexagonalClosed-Packed）

属于这类晶格的金属有镁、锌、镉、铍等。这类晶格金属具有一定强度，但塑性较差。(1/6)x12+(1/2)x2+3=61.2

合金的晶体结构

合金：由两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素熔合在一起，构成具有金属特性的物质称“合金”。

组元：组成合金的基本元素称为“组元”。组元可以是纯元素，也可以是稳定的化合物。

例如，黄铜是铜和锌组成的合金，碳钢和铸铁是铁和碳组成的合金。

例如，铁、碳是钢和铸铁中的组元。合金中的稳定化合物（如Fe3C）也可作为组元。

合金系：由给定组元可按不同比例配制出一系列不同成份的合金，这一系列合金就构成一个合金系统，简称合金系。

例如，两组元组成的为二元系，三组元组成的为三元系等。1.2

合金的晶体结构

相：材料中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并与其他部分有界面分开的均匀组成部分称为“相”。

若材料是由成分、结构相同的同种晶粒构成，尽管各晶粒之间有界面隔开，但它们仍属同种相。若材料由成分、结构都不相同的几部分构成的，则它们应属不同的相。例如，纯金属是单相合金，钢在室温下由铁素体和渗碳体两相组成。

固态合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。

问题：（1）水、油混装在一个瓶子里是几个相？（2）将奶粉加热水冲一杯牛奶是几个相？例如，钢液为一个相，称为液相；但在结晶过程中液相和固态钢共存，此时，它们各是一个相。1.2

合金的晶体结构

组织：通常人眼看到或借助于显微镜观察到的材料内部的微观形貌（图像）称为组织。

人眼（或放大镜）看到的组织为宏观组织；用显微镜所观察到的组织为显微组织。组织是与相有紧密联系的，相是构成组织的最基本组成部分，当相的大小、形态与分布不同时，会构成不同的微观形貌（图像），各自成为独立的单相组织，或与别的相一起形成不同的复相组织。铁素体F铁素体F+珠光体P组织是材料性能的决定性因素。相同条件下，材料的性能随其组织的不同而变化。1.2

合金的晶体结构

合金的内部结构与纯金属不同，根据合金中各元素间相互作用的不同，合金结构可分为固溶体、金属化合物和机械混合物。1.固溶体

合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。

按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两种。（a）置换固溶体

（b）间隙固溶体1.2

合金的晶体结构

置换固溶体：溶质或杂质原子置换溶剂原子。

决定溶质原子在溶剂原子中溶解度的因素有：原子尺寸系数只有溶质与溶剂原子的原子半径相差不到±15%时，两者形成的固溶体中才会溶入较多的溶质原子。晶体结构为了得到较大的固溶度，两种金属的晶体结构必须相同。电负性两种金属元素的电负性相差越大，这两种金属越容易形成金属间化合物而是置换固溶体。化合价当其他因素相同时，溶剂更容易溶解具有较高化合价的溶质原子。1.2

合金的晶体结构

置换固溶体举例：

铜和镍混合形成的固溶体就是置换固溶体，这两种元素以任何比例混合都是完全互溶。原子尺寸系数

铜和镍的原子半径分别为0.128nm和0.125nm。晶体结构

铜和镍均为FCC晶体结构。电负性

铜和镍的电负性分别为1.9和1.8。化合价

铜最常见的价态为+1，镍最常见的价态为+2。1.2

合金的晶体结构

间隙固溶体：溶质或杂质原子填充于溶剂原子（基质原子）的间隙位置。

间隙杂质原子的直径必须远小于基质原子，才容易形成间隙固溶体。通常，间隙杂质原子的最大可溶浓度较低（小于10%）。

即使是非常小的间隙杂质原子，其体积往往也大于间隙位置的大小，因此间隙杂质原子会引发其周围基质原子的晶格畸变。

比如，碳原子添加到铁中时会形成间隙固溶体，其最大添加浓度约为2.11%，碳原子的原子半径远小于铁：0.071nm对0.124nm。

C溶入α-Fe或γ-Fe所形成的间隙固溶体分别为铁素体或奥氏体。

固溶体随着溶质原子的溶入，使晶格发生畸变。晶格畸变增大了位错运动的阻力，使金属滑移变形变得困难，导致材料的强度、硬度升高。1.2

合金的晶体结构

2.金属化合物

合金组元的原子按一定比例和一定位置关系相互作用形成的晶格类型和晶格特征完全不同于任一组元的新相即为金属化合物，属于单相组织。

金属化合物一般熔点高、硬度高、脆性大。合金中含有金属化合物时，其强度、硬度、耐磨性提高，但塑性、韧性下降。

铁碳合金中的渗碳体（Fe3c）属于金属化合物，Fe3c的结构既不是铁的结构，也不是碳的结构，而是其自身的一种复杂结构，通常作为强化相以片状、粒状、网状等分布在铁素体基体上。粒状渗碳体网状渗碳体1.2

合金的晶体结构

3.机械混合物

当组成合金的各组元在固态下既不相互溶解，又不形成化合物，而是按一定质量比、以混合物方式存在的结构形式称为机械混合物。机械混合物可以是纯金属、固溶体或金属化合物各自的混合，也可以是它们之间的混合。

机械混合物不是单相组织，组成混合物的各相均保持自身原有的晶体结构，其力学性能介于各相之间，取决于各相的性能和比例，并且与各相的形状、大小、数量和分布有关。机械混合物：铁素体片与渗碳体片交替排列的片状珠光体组织二、金属的结晶2.1

金属的结晶过程

金属在固态下一般都是晶体，即原子在空间呈规律性排列；而在液态下，金属原子的排列并不规则。

金属的结晶就是金属从液态转变为固态晶体的过程，也就是金属原子从不规则排列过渡到规则排列的过程。

在温度T0以上时，液态金属的温度是均匀下降的；当冷却到低于T0的某一个温度Tn时，液态物质开始结晶。冷却曲线上为什么会出现一水平线段？因为结晶时放出的结晶潜热保持系统温度不变，即在曲线上出现“平台”（潜热：物质发生相变时，在温度不变化时吸收或放出的热量）。2.1

金属的结晶过程

只有当结晶的驱动力达到一定值时，结晶过程才能进行。所以，结晶的必要而且充分的条件是具有一定的过冷度。

过冷度越大，液态和固态之间能量状态差就越大，促使液体结晶的驱动力就越大。液态物质要结晶，就必须冷却到温度T0以下，即必须冷却到低于T0以下的某个温度Tn才能结晶，这种现象称为过冷。T0：理论结晶温度Tn：实际结晶温度ΔT=T0-Tn（过冷度）

过冷度的大小与冷却速度密切相关。冷却速度越快，实际结晶温度就越低，过冷度就越大；反之，冷却速度越慢，过冷度越小。2.1

金属的结晶过程

ΔG*ΔG*——活化自由能，是形成稳定晶核所需要的最小自由能，也称为形核过程的能量势垒；2.1

金属的结晶过程

结晶温度越低，过冷度越大，临界晶核半径越小。也就说，过冷度越大，尺寸很小的晶核就可能成立和成长。在过冷度较小时，形核率很小，是因为所需形核功较大。当过冷度增加时，形核率随之增大。但当过冷度太大时，由于原子扩散困难，形核率随之下降。2.1

金属的结晶过程

液态金属的结晶过程是遵循“晶核不断形成和长大”这个结晶基本规律进行的。

当液相过冷至实际结晶温度后，经过一段孕育期，在液相内部开始出现许多有序排列的小原子团，称之为晶胚。当晶胚达到某一临界尺寸后，就成为可以稳定存在并自发长大的晶核，这一过程称为形核。原子团形核

晶核长大小晶粒晶粒（外形不规则的小晶体）2.1

金属的结晶过程

在金属结晶过程中，形核有两种形式：

1.自发形核（均质形核），即晶体核心是从液体结构内部自发长出的；

2.非自发形核（异质形核），即晶核依附于金属内存在的难溶固体微粒而生成。

通常自发形核和非自发形核是同时存在的，在实际金属和合金中，非自发形核比自发形核更重要，往往起优先及主导作用。2.1

金属的结晶过程

在实际结晶过程中，晶核在液体的许多地方独立形成，并有随机的位向。然后，每个晶核不断生长直到相互交接为止。

由于相邻晶核中原子排列位向不同，因此各晶核生长的结果不会产生一个连续的单晶，而形成由许多连续的小晶块组成的多晶体，这些小晶块即为晶粒，而分开各晶粒的界面就是晶界。Al7SiMg合金凝固过程形核模型建立及枝晶生长过程数值模拟

单晶体：若原子呈周期重复排列，且贯穿于整个样品没有中断。单晶中所有晶胞以相同的方式连接，并且具有相同的方向。2.1

金属的结晶过程

金属晶粒的粗细对其力学性能影响很大。一般来说，

同一成分的金属，晶粒越细，其强度、硬度越高，而且塑性和韧性也越好。

由于多晶体中的晶界的变形抗力较大，且每个晶粒的变形都要受到周围晶粒的牵制，故晶体的室温强度总是随着晶粒的细化（即晶界总面积的增加）而提高。

多晶体的屈服强度σs与晶粒平均直径之间的关系可用Hall-Petch公式来描述：

σ0为阻止位错滑移的晶格摩擦阻力；k为相邻晶粒位向差对位错运动的影响系数,也称晶界阻力，是与材料的种类性质以及晶粒尺寸有关的常数；d为平均晶粒直径；σs为屈服强度。2.1

金属的结晶过程

细化金属晶粒的措施：

（1）提高冷却速度，增大过冷度，以增加晶核的数目。

（2）在金属浇注之前，向金属液内加入变质剂（孕育剂）进行变质处理，以增加外来晶核。

（3）在金属液凝固过程中采用机械振动、超声振动、电磁搅拌等措施，破碎枝晶，增加晶核数目，从而细化晶粒。

（4）采用热处理或塑性加工的方法，使固态金属晶粒细化。2.1

金属的结晶过程

超声辅助处理铝合金A380的显微组织：树枝晶球化等轴晶

金属在固态下随着温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象，称为同素异构转变。2.2

纯铁的同素异构转变

1538℃1394℃912℃室温δ-Feγ-Feα-Fe体心立方面心立方体心立方

为了区别由液态金属转变为固态金属的初次结晶，常将同素异构转变称为二次结晶或重结晶。

同素异构转变是在固态下进行的，因此转变需要较大的过冷度；并且晶格变化会导致金属体积发生变化，转变时会产生较大的内应力。

同素异构转变的意义：纯铁的这种特性也影响到钢，所以可以对钢进行各种不同的热处理，即在加热和冷却的过程中通过改变其组织（晶体结构），最终达到改善其性能的目的。2.2

纯铁的同素异构转变

材料人的故事

航空发动机作为飞行器的核心，在现代航空飞行器的发展中扮演的角色也越来越重要，提高航空发动机的性能就必须提升其关键部件——涡轮叶片的性能。单晶涡轮叶片

涡轮叶片由于处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位而被列为第一关键件，并被誉为“皇冠上的明珠”。

涡轮叶片材料要具有足够的高温拉伸强度、持久强度和蠕变强度，要有良好的疲劳强度及抗氧化、耐燃气腐蚀性能和适当的塑性。此外，还要求长期组织稳定性、良好的抗冲击强度、可铸性及较低的密度。

除了高温条件，热端叶片的工作环境还处在高压、高负荷、高震动、高腐蚀的极端状态，因而要求叶片具有极高的综合性能，这就需要叶片采用特殊的合金材料(高温合金)，利用特殊的制造工艺(精密铸造加定向凝固)制成特殊的基体组织(单晶组织)，才能最大可能地满足需要。单晶涡轮叶片

涡轮叶片的发展经历了细晶强化、定向凝固和铸造单晶三个阶段。第三代镍基单晶高温合金

单晶涡轮叶片，目前世界上只有美国、俄罗斯、英国、法国、中国等少数几个国家能够制造。单晶涡轮叶片

2017年国家技术发明奖二等奖获得者、中国航发航材院李嘉荣团队

上个世纪90年代中期，我国高性能航空发动机涡轮叶片急需高性能材料，从清华攻读完博士学位后的李嘉荣和团队成员默默许下诺言——一定要把先进单晶高温合金和涡轮叶片搞出来，满足我国装备的急需。

探索总是难免失败，挫折多了，便有人怀疑技术方案，有人因为难度大、收入低而离开……作为带头人的李嘉荣与团队里的专家却始终坚信：“我们一定能搞出来。”三、铁碳合金相图及其应用

铁碳合金在液态时铁和碳可以无限互溶；在固态时根据含碳量的不同，碳可以溶解在铁中形成固溶体，也可以与铁形成化合物，或形成固溶体与化合物组成的机械混合物。3.1铁碳合金的基本相及组织

1.铁素体（Ferrite）铁素体是碳溶解在α-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，常用符号“F”表示。铁素体的溶碳能力很小，随着温度的升高溶碳能力增加，727℃时溶碳能力最大，达到0.0218％。0.01%C铁素体金相图铁素体的力学性能接近纯铁，强度、硬度很低，塑性和韧性很好，所以含有较多铁素体的铁碳合金（如低碳钢），易于进行冲压等塑性变形加工。3.1铁碳合金的基本相及组织

2.奥氏体（Austenite）奥氏体是碳溶解在γ-Fe中形成的间隙固溶体，常用符号“A”表示。奥氏体在1148℃时其溶碳能力最大，达到2.11％。在单纯铁碳合金中奥氏体存在于727℃以上。

奥氏体的硬度不高，塑性极好，因此通常把钢加热到奥氏体状态进行锻造。

奥氏体组织为不规则多面体晶粒，晶界较直。奥氏体金相图3.1铁碳合金的基本相及组织

3.渗碳体（Cementite）渗碳体是铁和碳形成的金属化合物Fe3C。渗碳体中碳的质量分数为6.69%，其硬度高(>800HBW)，脆性大，塑性很差。

渗碳体是碳钢中主要的强化相，根据生成条件不同渗碳体有条状、网状、片状、粒状等形态。它的形状、数量与分布等对钢的性能有很大的影响。

渗碳体又是一种亚稳定相，在一定的条件下会分解形成石墨状的自由碳和铁，即Fe3C→3Fe+C（石墨）。渗碳体金相图（条状）3.1铁碳合金的基本相及组织

4.珠光体（Pearlite）珠光体是铁素体和渗碳体两相组织的机械混合物，常用符号“P”表示。珠光体的碳的质量分数为0.77%。，其力学性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，有一定的塑性。

常见的珠光体形态是铁素体与渗碳体片层相间分布的，片层越细密，强度越高。片状珠光体金相图高碳钢经球化退火后得到球状（粒状）珠光体金相图3.1铁碳合金的基本相及组织

5.莱氏体（Ledeburite）

莱氏体是奥氏体+渗碳体的机械混合物，727℃以下时，是珠光体+渗碳体机械混合物。

铸铁合金溶液含碳量在2.11%以上时，缓慢冷到1148℃便凝固出共晶莱氏体；1148℃~727℃之间的莱氏体称为高温莱氏体（Ld）；727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体（Ld’）。莱氏体的力学性能与渗碳体相似，硬度很高，塑性极差，几乎为零。金相组织整体呈蜂窝状，奥氏体分布在渗碳体的基体上。莱氏体金相图3.2铁碳合金相图分析

1.二元合金相图

把各合金的结晶开始温度点连接起来，即为液相线；把结晶终了温度点连接起来，即为固相线。这样就构成了Pb-Sb二元合金相图。2.铁碳合金相图分析渗碳体的熔点1227共晶点共析线A1共析点纯铁的熔点1538共晶线ACD线—液相线AECF线—固相线碳在奥氏体中的最大溶解度A3线Acm线912FeFe3C钢铸铁共析钢亚共析钢过共析钢共晶铸铁亚共晶铸铁过共晶铸铁3.2铁碳合金相图分析

2.铁碳合金相图分析3.2铁碳合金相图分析

2.铁碳合金相图分析ACD线—液相线

不同成分铁碳合金开始结晶的温度线。AECF线—固相线

各种成分的合金均处在固体状态。结晶温度终止线。ECF水平线—共晶线含碳量为4.3%的液态合金冷却到此线时，在1148℃由液态合金同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共晶反应。PSK水平线—共析线（A1线）含碳量为0.77%的奥氏体冷却到此线时，在727℃同时析出铁素体和渗碳体的机械混合物，此反应称为共析反应。3.2铁碳合金相图分析

2.铁碳合金相图分析GS线—（A3线）

冷却时奥氏体析出铁素体的开始线。ES线—（Acm线）

碳在奥氏体中的溶解度线，实际上是冷却时由奥氏体中析出二次渗碳体的开始线。PQ线

碳在铁素体中的溶解度曲线。3.2铁碳合金相图分析

3.两种反应共晶反应（EutecticReactions）：一定成分的液相在一定的温度下同时结晶出两种成分和结构均不相同的固相的反应。1148℃L4.3%cA2.11%c+Fe3C6.69%c共晶反应的产物即莱氏体（Ld）3.2铁碳合金相图分析

3.两种反应共析反应（Eutectoid

Reactions）一定成分的固相在一定的温度下同时析出两种成分和结构均不相同的新的固相的反应。共析反应的产物即珠光体（P）A0.77%c

727℃3.2铁碳合金相图分析

4.典型铁碳合金相图的结晶过程分析3.2铁碳合金相图分析

4.典型铁碳合金相图的结晶过程分析

（1）共析钢(wc=0.77%)

结晶过程：L→L+A→A→P

相组成物：F和Fe3C

共析钢室温组织：100%的P，铁素体和渗碳体相的相对重量比为8:1。共析钢典型金相图3.2铁碳合金相图分析

（2）亚共析钢(0.0218%＜wc＜0.77%)

结晶过程：L→L+A→A→A+F→P+F

相组成物：F和Fe3C

亚共析钢室温平衡组织：先析铁素体（F）+珠光体（P），P的量随含碳量增加而增加。亚共析钢典型金相图3.2铁碳合金相图分析

（3）过共析钢(0.77%＜wc＜2.11%)

结晶过程：L→L+A→A→A+Fe3CII→P+Fe3CII

相组成物：F和Fe3C

共析钢室温组织为：珠光体（P）+二次渗碳体（Fe3CⅡ），Fe3CⅡ沿奥氏体晶界呈网状析出，使材料的整体脆性加大。过共析钢典型金相图3.2铁碳合金相图分析

（4）共晶铸铁(wc=4.3%)

结晶过程：L→Ld→Ld′

相组成物：F和Fe3C

共析钢室温组织为：低温莱氏体（Ld’）共晶铸铁典型金相图3.2铁碳合金相图分析

（5）亚共晶铸铁(2.11%＜wc＜4.3%)

结晶过程：L→L+A→A+Ld→A+Fe3CII+Ld→P+Fe3CII+Ld’

相组成物：F和Fe3C

亚共晶铸铁室温组织为：珠光体（P）+二次渗碳体（Fe3CⅡ）+低温莱氏体（Ld’）亚共晶铸铁典型金相图3.2铁碳合金相图分析

（5）过共晶铸铁(4.3%＜wc＜6.69%)

结晶过程：L→L+Fe3CI→Ld+Fe3CI→Fe3CI+Ld’

相组成物：F和Fe3C

亚共晶铸铁室温组织为：一次渗碳体（Fe3CI）+低温莱氏体（Ld’）过共晶铸铁典型金相图3.2铁碳合金相图分析

5.碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响

（1）碳量的质量分数对平衡组织的影响

铁碳合金随含碳量增高，其组织发生如下变化：3.2铁碳合金相图分析

5.碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响

（1）碳量的质量分数对平衡组织的影响

随着含碳量的增加，铁素体的量越来越少，渗碳体的量会越来越多，其相组成和组织组成都会发生变化，不仅其组织中的渗碳体的数量增加，而且渗碳体的分布和形态也在发生变化。（沿F晶界分布的基片）渗碳体的分布和形态也在发生变化:（分布在铁素体内的片层状）→共析（沿A晶界呈网状分布）→（为莱氏体的基体）→共晶（分布在莱氏体上的粗大片状）→3.2铁碳合金相图分析

5.碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响

（2）含碳量对铁碳合金力学性能的影响

室温下铁碳合金由铁素体和渗碳体两个相组成，铁素体是软、韧的相；渗碳体是硬、脆相，当两者以层片状组成珠光体时，珠光体兼具两者的优点，即具有较高的硬度、强度和良好的塑性、韧性。

铁碳合金中渗碳体是强化相，对于以铁素体为基体的钢来说，渗碳体的数量愈多，分布愈均匀，其强度愈高。

但如果渗碳体以网状分布于晶界上或呈粗大片状，尤其是作为基体时就使得铁碳合金的塑性、韧性大大下降，这就是过共析钢和白口铸铁脆性很高的原因。3.2铁碳合金相图分析

5.碳对铁碳合金平衡组织和性能的影响

（2）含碳量对铁碳合金力学性能的影响亚共析钢随含碳量增加，P量增加，钢的强度、硬度升高,塑性、韧性下降。0.77%C时,组织为100%P,钢的性能即P的性能。＞0.9%C，Fe3CⅡ为晶界连续网状，强度下降,但硬度仍上升。＞2.11%C，组织中有以Fe3C为基体的Ld’，

脆性高。四、常用的金属材料及选用4.1碳素钢

国家标准按照化学成分将钢分为非合金钢（碳素钢）、低合金钢、合金钢三大类，每类钢还将按照主要质量等级、主要性能和使用特性分成若干小类。

钢主要由生铁冶炼而成，由于其资源广泛、冶炼方便、容易加工、价格低廉、性能良好，在工业生产中得到了广泛的应用。1.杂质元素对碳钢性能的影响4.1碳素钢

碳素钢的碳质量分数在1.5%以下，除C之外，钢中常存的杂质元素有：Mn、Si、S、P等几种。Mn来自炼钢生铁及脱氧剂锰铁。Mn在钢中是一种有益的元素。Mn大部分溶于铁素体中，并使铁素体强化；Mn溶于Fe3C中，形成合金渗碳体，使钢的强度有所提高；Mn能与S形成MnS，能减轻S的有害作用。Si来自炼钢生铁和脱氧剂硅铁。Si与Mn一样能溶于铁素体中，使铁素体强化，从而使钢的强度、硬度、弹性提高，而塑性、韧性降低。P是生铁中带来的而在炼钢时又未能除尽的有害元素。P在钢中全部溶于铁素体中，虽可使铁素体的强度、硬度有所提高，但却使室温下钢的塑性、韧性急剧降低，并使钢的脆性转化温度有所升高，使钢变脆，这种现象称为“冷脆”。S是生铁中带来的而在炼钢时又未能除尽的有害元素。S不溶于铁，而以FeS形成存在，FeS会与Fe形成共晶，并分布于奥氏体的晶界上，压力加工时，共晶易熔化，使晶粒脱开，刚才变脆，称为热脆性。Mn元素Si元素S元素P元素1.杂质元素对碳钢性能的影响4.1碳素钢

杂质元素的控制：

在碳钢中含锰量通常＜0.80%；在含锰合金钢中，含锰量一般控制在1.0～1.2%范围内。当Mn含量不多，在碳钢中仅作为少量杂质存在时，对钢的性能影响并不明显。

在碳钢中含硅量通常＜0.35%。当Si含量不多，在碳钢中仅作为少量夹杂存在时，它对钢的性能影响并不显著。

钢中含硫量必须严格控制，普通钢含S量应≤0.055%，优质钢含硫量应≤0.040%，高级优质钢含硫量应≤0.030%。

普通钢含磷量应≤0.045%，优质钢含磷量应≤0.040%，高级优质钢含磷量应≤0.035%。2.碳素钢的牌号和用途4.1碳素钢

碳素钢按用途可分为如下三类：

（1）碳素结构钢

碳素结构钢的碳质量分数wc<0.38%，而以wc<0.25%的最为常用，即以低碳钢为主。这类钢在使用中一般不进行热处理，而是在供应状态下直接使用。

碳素结构钢主要保证力学性能，牌号体现力学性能。用代表屈服强度的“屈”字汉语拼音首字母Q和后面三位数字来表示，每个牌号中的数字表示该钢种厚度小于16mm时的最低屈服强度（MPa）。

在钢号尾部可用A、B、C、D表示钢的质量等级，A、B、C、D质量依次提高，其中A、B为普通级别，C、D为磷、硫低的优等级别，可用于较重要的焊接结构。

在牌号的最后还可用符号标志其冶炼时的脱氧程度，对未完全脱氧的沸腾钢标以符号“F”，对脱氧较完全的钢标以符号“B”，对已完全脱氧的镇静钢标以符号“Z”或不标符号。

例如：Q235-A·F表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢，Q235-C表示屈服强度为235MPa的C级镇静钢。2.碳素钢的牌号和用途4.1碳素钢

（2）优质碳素结构钢

优质碳素结构钢的硫、磷质量分数较小(<0.035%)，供货时既保证化学成分，又保证力学性能。这类钢材一般要经过热处理以提高力学性能，主要用于制造机器零件。

优质碳素结构钢的牌号是采用两位数字表示的，表示钢中平均含碳量的万分之几。

例如：45钢表示钢中含碳量为0.45%；08钢表示钢中含碳量为0.08%；若钢中含锰量较高，须将锰元素标出，如45Mn。

08、10、15、20等牌号属于低碳钢，其塑性优良，易于拉拔、冲压、挤压、锻造和焊接；有时也用于渗碳件。

40、45等牌号属于中碳钢，因钢中珠光体含量增多，其强度、硬度有所提高，而淬火后的硬度提高尤为明显。45钢常用来制造主轴、丝杠、齿轮、连杆、蜗轮、套筒、键和重要螺钉等。

60、65等牌号属于高碳钢，经过淬火、中温回火后，不仅强度、硬度显著提高，且弹性优良，常用于制造小弹簧、发条、钢丝绳、轧辊、凸轮等。4.1碳素钢优质碳素结构钢工程的应用举例实例1:用20钢制造自行车链条销钉将材料热轧，并进行机械加工，随后进行920℃的渗碳，水淬后180℃回火。经渗碳+淬火+低温回火后表面硬度高达60HRC，所以非常耐磨。4.1碳素钢优质碳素结构钢工程的应用举例实例2:用45钢制造凸轮轴热轧棒料模锻后正火处理，粗加工后调质处理，精加工后轴颈和凸轮进行表面淬火+低温回火。凸轮轴心部为回火索氏体，强韧性好。表面为回火马氏体，硬度高达58HRC，耐磨性好。4.1碳素钢优质碳素结构钢的工程应用举例实例3:用65钢制造弹簧

机加工成形后840℃加热淬火、500℃回火，组织为回火屈氏体。

屈服强度Rp0.2达800MPa，弹性好。4.1碳素钢

（3）碳素工具钢

碳素工具钢的含碳量高达0.7%〜1.3%，经淬火、低温回火后有高的硬度和耐磨性，常用于制造锻工、钳工工具和小型模具。

碳素工具钢的牌号以符号“T”（“碳”的汉语拼音首字母）开始，其后面的一位或两位数字表示钢中平均碳质量分数的千分数。

碳素工具钢一般均为优质钢。对于硫、磷含量更低的高级优质碳素工具钢，则在数字后面增加“A”表示，例如，T10A表示平均碳质量分数为1.0%的高级优质碳素工具钢。

T7、T7A、T8、T8A、T8MnA用于制造要求较高韧性、承受冲击负荷的工具，如小型冲头、凿子、锤子等。

T9、T9A、T10、T10A、T11、T11A用于制造要求中韧性的工具，如钻头、丝锥、车刀、冲模、拉丝模、锯条。

T12、T12A、T13、T13A钢具有高硬度、高耐磨性，但韧性低，用于制造不受冲击的工具如量规、塞规、样板、锉刀、刮刀、精车刀等。4.2低合金钢

合金钢是为了改善钢的某些性能，在碳素钢的基础上加入某些合金元素所炼成的钢。如果钢中的含硅量大于0.5%，或者含锰量大于1.0%，也属于合金钢。

低合金钢是指合金总含量较低（小于3%）、碳质量分数也较低的合金结构钢。这类钢通常在退火或正火状态下使用，成形后不再进行淬火、调质等热处理。

与碳质量分数相同的碳素钢相比，具有较高的强度、塑性、韧性和耐蚀性，且大多具有良好的焊接性，广泛用于制造桥梁、汽车、铁道、船舶、锅炉、高压容器、油缸、输油管、钢筋、矿用设备等。

低合金钢可分为低合金高强度结构钢、低合金耐候钢、低合金钢筋钢、铁道用低合金钢、矿用低合金钢等，其中低合金高强度结构钢应用最为广泛。

例如，Q355钢规定的最小上屈服强度约为355MPa，而碳素结构钢Q235的屈服强度约为235MPa，因此，用低合金高强度结构钢代替碳素结构钢，就可在相同载荷条件下，使构件减重20%〜30%，从而节省钢材、降低成本。

Q355钢可用于桥梁、船舶、压力容器、车辆等；Q390钢可用于桥梁、船舶、起重机、压力容器等；Q420钢可用于高压容器、船舶、桥梁、锅炉等。4.2低合金钢

武汉长江大桥使用碳素结构钢Q235（A3）钢制造。

我国自行设计和建造的南京长江大桥用强度较高的合金结构钢Q345（16Mn）钢制造。低合金高强度结构钢的工程应用实例1:长江大桥钢结构九江长江大桥则用更高强度的合金结构钢Q420（15MnVN）钢制造。4.2低合金钢

低合金高强度结构钢的工程应用国家体育场“鸟巢”钢结构用钢为Q460E/Z35。

该材料屈服强度

460MPa，质量等级为E级：w（P）0.025%、w（S）0.020%。-40℃时冲击吸收能量34J。

材料强韧性非常高，可防8级地震，由我国自主创新研发生产。实例2:“鸟巢”钢结构。4.3合金钢

当钢中合金元素超过低合金钢的限度时，即为合金钢。合金钢不仅合金元素含量高，且严格控制硫、磷等有害杂质的含量，属于优质钢或高级优质钢。

1.合金结构钢

合金结构钢常用于制造机器零件用的合金钢。常采用的合金元素为Mn、Cr、Si、Ni、W、V、Ti、B等，这些元素可增加钢的淬透性，并使晶粒细化，这样可使大截面零件经调质处理后，在整个截面上获得强、韧结合的力学性能。

低碳合金结构钢用于渗碳件，中碳合金结构钢用于调质件和渗氮件，高碳合金结构钢用于制造较大的弹簧。

合金结构钢的牌号通常以“数字+元素符号+数字”来表示。牌号中开始的两位数字表示钢的平均含碳量的万分数，元素符号及其后的数字表示所含合金元素及其平均含量的分数。当合金元素含量小于1.5%时，则不标其含量。高级优质合金钢则在牌号尾部增加符号“A”。滚动轴承钢的牌号表示方法与前述不同，在牌号前面加符号“G”表示“滚动轴承钢”，而合金元素含量用千分数表示。4.3合金钢

低碳合金结构钢（合金渗碳钢）的工程应用机加工后930℃渗碳，预冷至880℃