汽车材料教学课件

汽车材料目录页CONTENTSPAGEPART02钢PART01金属材料力学性能PART04有色金属及其合金PART05PART03铸铁典型金属材料的汽车零件目录页CONTENTSPAGEPART07汽车燃料PART06汽车常用基础材料PART08汽车润滑油材料PART09汽车工作油液

金属材料力学性能01第一部分金属材料的力学性能金属材料的力学性能是指在力的作用下，材料所表现出来的一系列力学性能指标，反映了金属材料在各种形式外力作用下抵抗变形或破坏的某些能力。金属材料的力学性能包括强度、塑性、硬度、冲击韧度和疲劳等项目。情境一：强度和塑性强度是指金属材料在载荷作用下抵抗破坏（永久变形或断裂）的性能。塑性是指金属材料在载荷作用下产生塑性变形（永久变形）而不破坏的能力。一、拉伸试验金属材料的强度和塑性指标可通过拉伸试验测得。拉伸试验是用静拉伸力对试样进行轴向拉伸，测量拉伸力和相应的伸长，并测量其力学性能的试验。试验在拉伸试验机上进行，图1-1为电子拉伸试验机。

图1-1电子拉伸试验机试验时用被测金属材料的标准试样，拉伸试样的形状通常有圆柱形和板状两类。图1-2所示为圆柱形拉伸试样。在圆柱形拉伸试样中d0为试样直径，ℓ0为试样的标距长度，根据标距长度和直径之间的关系，试样可分为长试样（l0=10d0）和短试样（l0=5d0）。直径为d0，标距长度为l0的试样（如图1-3a）装夹在拉伸试验机上，缓慢增加拉伸力，试样标距的长度将逐渐增加，直至被拉断。再将两段试样对接起来，标距将增至lk，断裂处横截面直径减至dk

（如图1-3b）。同时记录装置记录下拉伸过程中的力—伸长曲线。图1-2圆柱形拉伸试样图1-3拉伸过程试样形变图二、力-伸长曲线在试验过程中，电子试验机自动记录了每一瞬间负荷F和变形量ΔL，并给出了它们之间的关系曲线，故称为拉伸曲线（或拉伸图）。拉伸曲线反映了材料在拉伸过程中的弹性变形、塑性变形和直至拉断时的力学特性。汽车不仅仅解决了人们的出行问题，它甚至是一个民族、一个国家工业发展的标致。我们以奥迪汽车为例来说明汽车的发展历程。图1-4为低碳钢的拉伸曲线。由图可见，低碳钢试样在拉伸过程中，可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。

图1-4低碳钢的拉伸曲线观察拉伸试验和力—伸长曲线，会发现在拉伸试验开始阶段，即当载荷不超过Fe时，拉伸曲线oe为一直线，在该阶段试样的伸长量与载荷成正比地增加，如果卸除载荷，试样变形消失，恢复到原来的尺寸，即试样处于弹性变形阶段。当载荷超过Fe后，试样将进一步伸长，但此时若卸除载荷，弹性变形消失，而有一部分变形却不能消失，即试样不能恢复到原来的长度，称为塑性变形或永久变形。当载荷增加到Fs时，试样开始明显的塑性变形，在拉伸曲线上出现一段水平（或锯齿形）的线段，即在拉伸力不再增加的情况下，试样的塑性变形仍然增加，这种现象称为屈服。Fs称为屈服拉伸力。

超过屈服拉伸力后，试样抵抗变形的能力将会增加，此现象为冷变形强化，即恢复抵抗拉伸力的能力。当载荷继续增加到某一最大值Fb时，试样的局部截面缩小，产生了颈缩现象。由于试样局部截面的迅速减少，故载荷也逐渐降低，当达到拉伸曲线上的k点时，试样就被拉断。Fb是试样拉断前能承受的最大拉伸力，称为极限拉伸力。

三、强度指标1.屈服点和规定残余伸长应力金属材料抵抗拉伸力的强度指标有屈服点、规定残余伸长应力、抗拉强度。屈服点是指在外力作用下开始产生明显塑性变形的最小应力。即试样在试验中力不增加（保持恒定）仍能继续伸长（变形）时的应力，用σS表示，单位为Mpa（或N/mm2)。即

σS=FS/S0式中：FS—试样屈服时的拉伸力，即拉伸曲线中S点所对应的外力（N）S0—试样的原始截面积（mm2）某些金属材料，在拉伸试验中不出现明显的屈服现象，无法确定其屈服点σs，如高碳钢、铸铁等。所以国标中规定一个相当于屈服点的强度指标，即规定残余伸长应力（条件屈服强度）。规定残余伸长应力指试样卸除拉伸力后，其标距部分的残余伸长达到规定的原始标距百分比时的应力。以试样塑性变形量为试样标距长度的0.2%时为例,σr0.2表示规定残余伸长率为0.2%时的应力。σr0.2的确定方法如图1-5所示，在拉伸曲线横坐标上截取C点，使OC=0.2%L0，过C点作oe斜线的平行线，交曲线于S点，则可找出相应的载荷F0.2，从而计算出σr0.2。图1-5条件屈服强度2.抗拉强度抗拉强度是金属材料断裂前所承受的最大应力，故又称强度极限，常用σb来表示，单位为Mpa（或N/mm2)。即σb=Fb/S0

式中：Fb—指试样所承受的最大拉伸力，即拉伸曲线上b点所对应的外力（N）。S0—试样的原始横截面积（mm2）屈服强度和抗拉强度在机械设计和选择、评定金属材料时有重要意义，因为金属材料不能在超过其σS的条件下工作，否则会引起机件的塑性变形；金属材料也不能超过其σb的条件下工作，否则会导致机件的破坏。脆性金属材料的σr0.2也难测得，所以在使用脆性金属材料制造机械零件时，常以σb作为选材和设计的依据。四、塑性指标

试样拉断后，弹性变形消失，但塑性变形仍保留下来。工程上用试样拉断后的变形表示材料的塑性指标。1.延伸率试样拉断后，标距长度的增加量与原标距长度的百分比称为伸长率，用符号

表示：式中

L1

——试样拉断后对接的标距长度(mm)；

L0

——试样原标距长度(mm)；拉伸试样的原始标距L0与原始直径d0之间通常有一定的比例关系。L0=10d0时，称为长试样；L0=5d0时，称为短试样。使用长试样测定的延伸率率用符号

10表示，通常写成

；使用短试样用符号

5表示。同一材料延伸率

5>

10。2.断面收缩率试样拉断后，横截面积的缩减量与原横截面积的百分比称为断面收缩率，用

表示：式中

S0——原横截面面积（mm2）S1——试样断口处的最小横截面面积（mm2）。

、

是衡量材料塑性变形能力大小的指标，

、

大，表示材料塑性好δ<2～

5%属于脆性材料，如铸铁、混凝土、石料等；δ≈5～

10%属于韧性材料；δ>10%属于塑性材料，如钢材、铜、铝等。金属材料的塑性好坏，对零件的加工和使用都具有重要的实际意义。塑性好的材料不仅能顺利地进行锻压、轧制等成型工艺，而且在使用时一旦超载，由于塑性变形，能避免突然断裂，保证机件工作时的安全可靠。情境二：金属材料的硬度硬度是物理学专业术语，是指材料局部抵抗硬物压入其表面的能力称为硬度。

硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标，它是指金属表面抵抗局部塑性变形或破坏的能力。硬度是检验毛坯或成品件、热处理件的重要性能指标。机械制造业中所用的各类刃具、量具、模具都应具备足够的硬度，才能满足使用性能的要求。机械零件中的齿轮、凸轮、曲轴等也必须具备一定硬度，以保证足够的耐磨性。硬度分类①划痕硬度主要用于比较不同矿物的软硬程度，方法是选一根一端硬一端软的棒，将被测材料沿棒划过，根据出现划痕的位置确定被测材料的软硬。定性地说，硬物体划出的划痕长，软物体划出的划痕短。②压入硬度主要用于金属材料，方法是用一定的载荷将规定的压头压入被测材料，以材料表面局部塑性变形的大小比较被测材料的软硬。由于压头、载荷以及载荷持续时间的不同，压入硬度有多种，主要是布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等几种。③回跳硬度主要用于金属材料，方法是使一特制的小锤从一定高度自由下落冲击被测材料的试样，并以试样在冲击过程中储存（继而释放）应变能的多少（通过小锤的回跳高度测定）确定材料的硬度。一、布氏硬度布氏硬度试验通常使用数显布氏硬度试验方法，试验机如图1-6所示。数显布氏硬度试验是用一定直径的钢球，以规定试验力压入被试验物体的表面，经规定的保持试验力时间后，卸除试验力，用测微目镜测量试件表面的压痕直径d,即可从显示屏上直接得到硬度值。

图1-6数显布氏硬度试验机布氏硬度试验原理如图1-7所示。布氏硬度值HBS或HBW是试验力F除以压痕球形表面积所得的商，即：式中F——压入载荷(N)；D——压头直径(mm)；

布氏硬度值的单位为MPa,一般不标出单位，只写明硬度的数值。图1-7布氏硬度试验原理注意：在进行布氏硬度试验如选择压头为淬火钢球，布氏硬度用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450以下的材料，如灰铸铁、有色金属及已经退火、正火和调质处理的钢材等；压头为硬质合金球时，用HBW表示，适用于布氏硬度值在450～650之间的材料。布氏硬度的标注方法：符号HBS或HBW之前为硬度值，符号后面按以下顺序用数值表示。试验条件/球体直径/试验力/试验力保持时间(10～15s不标注)。例如：125HBSl0/1000/30表示用直径的淬火钢球在1000kgf(9.807kN)试验力作用下保持30s测得的布氏硬度值为125；500HBW5／750表示用直径硬质合金球在750kgf(9.807kN)试验力作用下保持10～15s测得的布氏硬度值为500。布氏硬度试验的优缺点：布氏硬度试验的优点是测出的硬度值准确可靠，因压痕面积大，能消除因组织不均匀引起的测量误差；布氏硬度试验的缺点是压痕大，不适宜测量成品件或太小太薄的试样硬度，且测量速度较慢，测得压痕直径后还需计算或查表。二、洛氏硬度

洛氏硬度通常使用数显洛氏硬度试验方法，试验机如图1-8所示。金属洛氏硬度试验是生产中应用最广泛的一种试验方法。它是用顶角为120°的金刚石圆锥体或一定直径的淬火钢球作压头，以规定的试验力使其压入试样表面，根据压痕的深度确定被测金属的硬度值。

图1-8数显洛氏硬度试验机图1-9表示洛氏硬度试验原理。图中1-1位置为在初试验力作用下，压头压入深度为h1的位置；1-2位置为在总试验力（初试验力+主试验力）作用下，压头压入深度h2时的位置；3-3位置为卸载主试验力后，由于被测金属弹性变形恢复，而使压头略为提高的位置。这时压头实际压入试样的深度为h3，故由主试验力引起的塑性变形产生的残余压痕深度h=h3-h1。当载荷和压头一定时，所测得的残余压痕深度h(单位：mm)愈大，表示材料硬度愈低。一般来说人们习惯数值越大硬度越高，为此，用一个常数K(对HRA和HRC,K为0.2；对HRB，K为0.26)减去h，规定每0.002mm深为一个硬度单位，洛氏硬度计算公式是：式中：k-常数(对HRA和HRC,K=0.2；对HRB，K=0.26)N-给定标尺的刻度满量程数值，A、C标尺为

100；B标尺为130h-残余压痕深度（mm）图1-9洛氏硬度试验原理

根据所加的载荷和压头不同，从而组成几种不同的洛氏硬度标尺。其中常用的是A、B、C三种标尺。表1-1列出三种标尺的试验条件和应用范围（GB/T230.1-2004）。标尺硬度符号所用压头总试验力F/N适用范围①HR应用范围AHRA120°金刚石圆锥588.420～88碳化物、淬火工具钢、硬质合金、浅层表面硬化钢BHRBΦ钢球980.720～100软钢、铜合金、铝合金、可锻铸铁CHRC120°金刚石圆锥147120～70淬火钢、调质钢、深层表面硬化钢表1-1常用洛氏硬度标尺的试验条件和应用①HRA、HRC所用刻度盘满刻度为100，HRB为130。根据国标GB230-83和ISO推荐标准R80规定，洛氏硬度符号HR前面的数字为硬度值，后面的字母表示级数。如60HRC表示C标尺测定的洛氏硬度值为60。洛氏硬度试验操作简便、迅速，效率高，可以测定软、硬金属的硬度；压痕小，可用于成品检验。但压痕小，测量组织不均匀的金属硬度时，重复性差，测得的硬度值不够准确，一般需测三次以上，取其平均值，而且不同的硬度级别测得硬度值不可直接比较大小。三、维氏硬度布氏硬度试验不适合测定硬度较高的金属。洛氏硬度试验虽可测定各种金属硬度，但由于采用不同的压头、总试验力和标尺，不同级别的硬度值没有简单的换算关系，不便比较。为了能在同一种硬度标尺上测定由软到硬材料的硬度值，特制定了维氏硬度试验法。维氏硬度通常使用数显维氏硬度试验机进行检测，如图1-10所示。

维氏硬度试验原理与布氏硬度相同，同样是根据压痕单位面积上所受的平均载荷计量硬度值，不同的是维氏硬度的压头采用金刚石制成的锥面夹角为136°的正四棱锥体，如图1-11所示。维氏硬度试验在维氏硬度试验机上进行。试验时，根据试样大小、厚薄选用(5～120)×9.8N载荷压入试样表面，经规定时间后去除载荷，用附在试验机上测微计测量压痕对角线长度d，然后通过查表或根据下式计算维氏硬度值：HV=F/A=(1.8544×0.102×F/d2)MPa式中

A——压痕的面积(mm)d——压痕对角线的长度(mm)F——试验载荷(N)

情境三：金属材料的冲击韧性和疲劳生产中许多机器零件，都是在冲击载荷(载荷以很快的速度作用于机件)下工作。试验表明，载荷速度增加，材料的塑性、韧性下降，脆性增加，易发生突然性破坏断裂。因此，这种情况使用的材料就不能用静载荷下的性能来衡量，而必须用抵抗冲击载荷的作用而不破坏的能力，即冲击韧性来衡量。

一、金属材料的冲击韧性1.夏比冲击试验夏比冲击试验是在摆锤式冲击试验机（图1-12）上进行的。试验原理见图1-13所示，将标准试样放在冲击试验机的两支座上，使试样缺口背向摆锤冲击方向，然后把质量为m的摆锤提升到H高度，摆锤由此高度下落时将试样冲断,并升到h高度。。因此冲断试样所消耗的功（冲击吸收功）为Ak=mg(H–h)。金属的冲击韧性ak就是冲断试样时在缺口处单位面积所消耗的功即：ak=Ak/S(J/cm2)式中

ak——冲击韧性(J/cm2)S——试样缺口处原始截面积(cm2)

Ak——冲断试样所消耗的功(J)冲击吸收功Ak值可从试验机的刻度盘上直接读出。通常把冲击吸收功值较低的材料称为脆性材料，冲击吸收功值较高的材料成为韧性材料。图

1-12冲击试验机

图1-13冲击试验原理图2.韧脆转变温度金属材料的冲击吸收功Ak值的大小代表了材料的冲击韧性高低。材料的冲击韧性值除了取决于材料本身之外，还与环境温度及缺口的状况密切相关。所以，冲击韧性除了用来表征材料的韧性大小外，还用来测量金属材料随环境温度下降由塑性状态变为脆性状态的冷脆转变温度，也用来考查材料对于缺口的敏感性。材料的冲击韧性随温度下降而下降。在某一温度范围内Ak值发生急剧下降的现象称为韧脆转变，发生韧脆转变的温度范围称为韧脆转变温度，冲击吸收功与温度之间的关系曲线如图1-14所示。金属的韧脆转变温度越低，说明金属的低温抗冲击性能就越好。图1-14冲击吸收功—温度曲线二、疲劳

实际工作过程中，许多机器零件都是在循环载荷下工作的，如轴类、弹簧、齿轮、滚动轴承等。虽然零件所承受的交变应力数值小于材料的屈服强度，但在长时间运转后也会发生断裂，这种现象叫疲劳断裂。它与静载荷下的断裂不同，断裂前无明显塑性变形，因此具有更大的危险性。疲劳破断常发生在金属材料最薄弱的部位，如热处理产生的氧化、脱碳、过热、裂纹；钢中的非金属夹杂物、试样表面有气孔、划痕等缺陷均会产生应力集中，其先形成微裂源，并随着应力的循环周次增加，裂纹不断扩展，使零件承受载荷的有效面积不断减小，最后当减小到不能承受外加载荷时，突然发生断裂。疲劳失效过程可分为疲劳裂纹的产生、扩展和断裂三阶段，形成断口如图1-15所示。(A)疲劳源区(B)扩展区(C)终断区图1-15疲劳断裂的宏观断口

为了提高疲劳强度，加工时要降低零件的表面粗糙度和进行表面强化处理，如表面淬火、渗碳、氮化、喷丸等，使零件表层产生残余的压应力，以抵消零件工作时的一部分拉应力，从而使零件的疲劳强度提高。研究疲劳问题时，需要测定疲劳曲线。交变应力大小和断裂循环周次之间的关系通常用疲劳曲线（σ­—N曲线）来描述，如图1-16所示。曲线表明，当应力低于某一值时，即使循环次数无穷多也不发生断裂，此应力值称为疲劳强度或疲劳极限。光滑试样的对称弯曲疲劳极限用σ-1表示。在疲劳强度的测定中，不可能把循环次数做到无穷大，而是规定一定的循环次数作为基数，超过这个基数就认为不再发生疲劳破坏。常用钢材的循环基数为107，有色金属和某些超高强度钢的循环基数为108。图1-16σ—N曲线第二部分钢金属材料通常分为黑色金属和有色金属两大类：①黑色金属又称钢铁材料，包括含铁90％以上的工业纯铁，含碳2％～4％的铸铁，含碳小于2％的碳钢，以及各种用途的结构钢、不锈钢、耐热钢、高温合金、精密合金等。广义的黑色金属还包括铬、锰及其合金。②有色金属又称非铁金属，指除铁、铬、锰以外的所有金属及其合金，通常分为轻金属、重金属、贵金属、半金属、稀有金属和稀土金属等。如铜、铝、镁及其合金。钢在我国汽车工业中仍占主流地位。汽车用钢主要有结构钢、特殊用途钢、合金钢等，主要用于制造车架、车轴、车身、齿轮、罩板、外壳等零件。情境一：钢的基础知识一、钢铁材料的生产图2-1钢铁材料生产过程示意图钢铁材料是机械工程材料中应用最为广泛的金属材料，它通过冶炼和轧制等生产方法获得。钢铁是铁和碳的合金。钢铁材料按碳的质量分数ωc（含碳量）进行分类，包括工业纯铁（ωc<0.0218%）、钢（ωc=0.0218%～2.11%）和生铁（ωc>2.11%）。图2-1为钢铁材料生产示意图。自然界中的铁矿石经高炉冶炼得到生铁，它是炼钢和铸造的原材料。经炼钢炉通过氧化作用降低生铁中的碳和杂质元素的含量就炼成钢水，然后铸成钢锭，经轧制成不同规格的钢材进行供应，少数钢锭经锻造形成锻件进行供应。1.炼铁

炼铁用的主要原料为铁矿石。铁矿石是自然界中含铁较多且具有冶炼价值的矿物。炼铁的实质就是从铁矿石中提取铁及其他有用元素形成生铁的过程。高炉炼铁的原料主要是铁矿石（Fe3O4）、燃料（焦炭）和熔剂（石灰石）。炼铁的基本过程包括燃料燃烧、铁的还原和增碳、杂质的混入、造渣等。首先在烧结车间制备铁矿石。铁矿石被压碎碾成标准化的颗粒，被烧结或粘合在一起。烧结的铁矿石随后被压碎，并按一层焦炭、一层矿石的交替方式，被加入高炉中。高炉中在高温（1200℃左右）高压作用下，致使几乎是100%含碳量的焦炭开始燃烧。这便产生了碳的氧化物（CO），它通过除氧过程的化学反应把铁从铁矿石中还原出来。高炉冶炼出的铁不是纯铁，铁中含有碳、硅、锰、硫、磷等元素，称为生铁（也叫“铣铁”）。生铁是高炉冶炼的主要产品，按含硅（Si）量划分铁号，分为炼钢生铁（Wsi<1.25%）和铸造生铁（Wsi=1.25%～3.2%）。2.炼钢

炼钢的本质是利用氧化作用降低生铁中的碳和其他元素，使其化学成分达到标准规定的要求，从而改善其性能。现代炼钢方法主要有转炉炼钢法和电炉炼钢法。钢液经脱氧后，除少数用来浇注成铸钢件外，其余浇注成钢锭或通过连铸法制成连铸坯。钢锭用于轧钢或锻造毛坯。钢锭经过轧制最终形成板材、管材、型材、线材和其他材料。二、铁碳合金的相与组织组成工业纯铁虽然塑性好，但强度低，所以很少用它制造机械零件。在工业上应用最广的是铁碳合金。所谓铁碳合金就是以铁为基体，有不同碳含量的合金。（一）铁碳合金的基本组织铁碳合金在液态时铁和碳可以无限互溶；在固态时根据碳的质量分数不同，碳可以溶解在铁中形成固溶体，也可以与铁形成化合物，或者形成固溶体与化合物组成的机械混合物。铁碳合金中的Fe和C可形成铁素体（F）、奥氏体（A）、渗碳体三个基本相。这些基本相以机械混合物的形式结合还可形成珠光体（P）和莱氏体（Ld)。铁碳合金中这些基本组织性能各异，其数量、形态、分布直接决定了铁碳合金的性能。1.铁素体碳溶于

-Fe中形成的间隙固溶体称为铁素体，常用符号F表示。铁素体仍保持

-Fe的体心立方晶格，碳溶于

-Fe的晶格间隙中。由于体心立方晶格原子间的空隙较小，碳在

-Fe中的溶解度也较小，在727℃时，溶碳能力为最大

c＝0.0218％，随着温度降低，

-Fe中的碳的质量分数逐渐减少，在室温时只能微量溶解。铁素体晶体结构和显微组织如图2-2、2-3所示。铁素体的力学性能与工业纯铁相似，即塑性、韧性较好，强度、硬度较低。图2-2铁素体晶体结构图2-3铁素体显微组织2.奥氏体碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体，用符号A表示。奥氏体仍保持γ-Fe的面心立方晶格。由于面心立方晶格间隙较大，故奥氏体的溶碳能力较强。在1148℃时溶碳能力为最大c＝2.11％，随着温度下降，γ-Fe中的碳的质量分数逐渐减少，在727℃时碳的质量分数为0.77％。奥氏体晶体结构和显微组织如图2-4、2-5所示。奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围为727～1394℃，显微组织为多边形晶粒，是一个硬度较低塑性较高的相，适用于锻造。生产中利用奥氏体塑性好的特点，常将钢加热到高温奥氏体状态进行塑性加工。图2-4奥氏体晶体结构图图2-5

奥氏体显微组织

3.渗碳体铁与碳形成的金属化合物Fe3C称为渗碳体，用Fe3C表示。渗碳体中的

c=6.69％，熔点为1227℃，是一种具有复杂晶体结构的间隙化合物。渗碳体晶体结构和显微组织如图2-6、2-7所示。渗碳体的硬度很高，但塑性和韧性几乎等于零。渗碳体是钢中主要强化相，在铁碳合金中存在形式有：粒状、球状、网状和细片状。其形状、数量、大小及分布对钢的性能有很大的影响。渗碳体是一种亚稳定相，在一定的条件下会分解，形成石墨状的自由碳和铁：Fe3C→3Fe十C(石墨)，这一过程对铸铁具有重要的意义。图2-6渗碳体晶体结构图2-7渗碳体显微组织

4.珠光体珠光体是由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号“P”表示。珠光体显微组织如图2-8所示。，珠光体是奥氏体冷却时，在727℃发生共析转变的产物，碳质量分数平均为

c=0.77%。珠光体力学性能介于铁素体与渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性和韧性较好。图2-8珠光体显微组织

图2-9莱氏体显微组织

5.莱氏体莱氏体是由奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。莱氏体是碳的质量分数

c=4.3%的铁碳合金冷却到1148℃时共晶转变的产物，存在于1148℃～727℃之间的莱氏体称为高温莱氏体，用符号“Ld”表示，组织由奥氏体和珠光体组成；存在于727℃以下的莱氏体称为变态莱氏体或称低温莱氏体，用符号“Ldˊ”表示，组织由渗碳体和珠光体组成。莱氏体显微组织如图2-9所示。与渗碳体相似，硬度很高，塑性极差，几乎为零。（二）铁碳合金相图分析碳的质量分数＞6.69％的铁碳合金脆性极大，没有使用价值。另外，Fe3C中的碳的质量分数为6.69％，是个稳定的金属化合物，可以作为一个组元，因此研究的铁碳合金相图实际上是Fe-Fe3C相图，如图2-10所示。图2-10铁碳合金相图相图中的AC和CD线为液相线，AE和ECF线为固相线。相图中有四个单相区：液相区(L)、奥氏体区(A)、铁素体区(F)、渗碳体区(Fe3C)。1.相图由共晶、共析转变组成：（1）

c=(2.11～6.69)％的铁碳合金，缓冷至1148℃(ECF共晶线)都发生共晶转变：Lc→AE十Fe3C转变的产物是奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体(Ld)。（2）

c＞0.0218％的铁碳合金，缓冷至727℃(PSK共析线)都发生共析转变：As→Fp十Fe3C转变的产物是铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体(P)。共析温度以A1表示。

2.铁碳合金中还有三条重要的特性线：

（1）ES线

它是碳在奥氏体中溶解度曲线。在1148℃时，奥氏体中碳的质量分数为2.11％，而在727℃时，奥氏体中碳的质量分数为0.77％。故凡是碳的质量分数

＞0.77%的铁碳合金自1148℃冷至727℃时，都会从奥氏体中沿晶界析出渗碳体，称为二次渗碳体(Fe3CII)。ES线又称Acm线。（2）PQ线

它是碳在铁素体中的溶解度曲线。在727℃时，铁素体中的碳的质量分数为0.0218％，而在室温时，铁素体中碳的质量分数为0.0008％。故一般铁碳合金由727℃冷至室温时，将由铁素体中析出渗碳体，称为三次渗碳体(Fe3CIII)。在碳的质量分数较高的合金中，因其数量极少可忽略不计。（3）GS线

它是合金冷却时自奥氏体中开始析出铁素体的析出线，通常称为A3线。

Fe-Fe3C相图主要特征点及含义见表2-1所示。表2-1Fe-Fe3C相图中特征点符号温度/℃碳的含量

c100说明A15380纯铁的熔点C11484.3共晶点D12276.69渗碳体熔点E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69渗碳体的成分G9120

-Fe、γ-Fe同素异构转变点K7276.69渗碳体的成分P7270.0218碳在

-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点Q室温0.0008碳在

-Fe中的溶解度

（三）铁碳合金的分类

按其碳的质量分数和显微组织的不同，铁碳合金相图中的合金可分成工业纯铁、钢和白口铸铁三大类，即含碳量低于0.0218%的为工业纯铁，含碳量在0.0218%～2.11%的为碳钢，含碳量大于2.11%的为铸铁。1.工业纯铁：

c＜0.0218％。2.钢：0.0218％＜

c＜2.11％。钢又分为：（1）亚共析钢：0.0218％＜

c＜0.77％；（2）共析钢：

c＝0.77％；（3）过共析钢：0.77％＜

c＜2.11％。3.白口铸铁：2.11％＜

c＜6.69％。白口铸铁又分为：（1）亚共晶白口铸铁：2.11％＜

c＜4.3％；（2）共晶白口铸铁:

c＝4.3％；（3）过共晶白口铸铁:4.3％＜

c＜6.69％。三、碳的质量分数对铁碳合金组织、性能的影响（一）碳的质量分数对平衡组织的影响由Fe-Fe3C相图可知,随着碳的质量分数的增加，铁碳合金显微组织发生如下变化：F→F十Fe3CIII→F十P→P→P+Fe3CII→P十Fe3CII十Ld′→Ld′→Ld′十Fe3C从图2-10中看出，当碳的质量分数增加时，不仅组织中Fe3C相对量增加，而且Fe3C大小、形态和分布也随之发生变化，即由分布在F晶界上(如Fe3CIII)，变为分布在F的基体内(如P)，进而分布在原A的晶界上(如Fe3CII)，最后形成Ld′时，Fe3C已作为基体出现，即碳的质量分数不同的铁碳合金具有不同的组织，因此它们具有不同的性能。如图2-11所示。图2-11碳的质量分数对平衡组织的影响

（二）碳的质量分数对力学性能的影响碳的质量分数对钢的力学性能影响如图2-12所示。钢中碳的质量分数增加，高硬度的Fe3C增加，低硬度的F减少，故钢的硬度呈直线增加，而塑性、韧性不断下降。在亚共析钢中，随着碳的质量分数增加,强度高的P增加，强度低的F减少，因此强度随碳的质量分数的增加而升高。当碳的质量分数为0.77％时，钢的组织全部为P，P的组织越细密，则强度越高。但当碳的质量分数为0.77＜

c＜0.9％时，由于强度很低的、少量的、一般未连成网状的Fe3CII沿晶界出现，所以合金的强度增加变慢；当

c＞9％时，Fe3CII数量增加且呈网状分布在晶界处，导致钢的强度明显下降。图2-12碳的质量分数对钢的力学性能影响

（三）碳的质量分数对工艺性能的影响1.切削加工性金属的切削加工性能是指其经切削加工成工件的难易程度。一般要从允许的切削速度、切削力、表面粗糙度等几个方面进行评价，材料的化学成分、硬度、韧性、导热性以及金属的组织结构和加工硬化程度等对其均有影响。低碳钢中F较多，塑性好，切削加工时产生切削热大，易粘刀，不易断屑，表面粗糙度差，故切削加工性差。高碳钢中Fe3C多，刀具磨损严重，故切削加工性也差。中碳钢中F和Fe3C的比例适当，切削加工性较好。在高碳钢Fe3C呈球状时，可改善切削加工性。一般认为，钢的硬度大致为240HB时切削加工性能较好。

2.可锻性金属可锻性是指金属压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能。当钢加热到高温得到单相A组织时，可锻性好。低碳钢中铁素体多可锻性好，随着碳的质量分数增加金属可锻性下降。奥氏体具有良好的塑性，易于塑性变形。钢加热到高温可获得单相奥氏体组织，具有良好的锻造性能。因此钢材的始锻或终锻温度一般在固相线以下100℃～200℃范围内。终锻温度不能过低，以免因温度过低而使塑性变差，产生裂纹。一般对亚共析钢终锻温度控制在GS线以上较近处，对过共析钢控制在SE线以上较近处。白口铸铁无论在低温或高温，其组织都是以硬而脆的渗碳体为基体，其锻造性能很差。不能通过锻造进行变形。

3.铸造性能金属的铸造性包括金属的流动性、收缩性和偏析倾向等。（1）流动性流动性是指液态金属充满铸型的能力。在化学成分中，碳对流动性影响最大，随着含碳量的增加，钢的结晶温度范围增大，流动性应该变差。铸铁因其液相线温度比钢低，其流动性总是比钢好。亚共晶铸铁随含碳量的提高，结晶温度范围缩小，流动性也随之提高。共晶铸铁结晶温度最低，同时又是在恒温下凝固，流动性最好；过共晶铸铁随着含碳量的提高，流动性变差。（2）收缩性铸铁从浇注温度至室温的冷却过程中，其体积和线尺寸减小的现象称为收缩性。收缩是铸造合金本身的物理性质，使铸件产生缺陷，如缩孔、缩松、残余内应力、变形和裂纹。

3.铸造性能金属的铸造性包括金属的流动性、收缩性和偏析倾向等。（1）流动性流动性是指液态金属充满铸型的能力。在化学成分中，碳对流动性影响最大，随着含碳量的增加，钢的结晶温度范围增大，流动性应该变差。铸铁因其液相线温度比钢低，其流动性总是比钢好。亚共晶铸铁随含碳量的提高，结晶温度范围缩小，流动性也随之提高。共晶铸铁结晶温度最低，同时又是在恒温下凝固，流动性最好；过共晶铸铁随着含碳量的提高，流动性变差。（2）收缩性铸铁从浇注温度至室温的冷却过程中，其体积和线尺寸减小的现象称为收缩性。收缩是铸造合金本身的物理性质，使铸件产生缺陷，如缩孔、缩松、残余内应力、变形和裂纹。金属从浇注温度冷却到室温要经历3个互相联系的收缩阶段。①液态收缩：从浇注温度到开始凝固(液相线温度)这一温度范围内的收缩为液态收缩。②凝固收缩：从凝固开始到凝固终止(固相线温度)这一温度范围内的收缩称凝固收缩。

③固态收缩：从凝固终了到冷却到室温这一温度范围内的收缩称为固态收缩。液态收缩和凝固收缩表现为合金体积的缩小，其收缩量用体积分数表示，称为体收缩。它们是铸件产生缩孔、疏松缺陷的基本原因。合金的固态收缩虽然也是体积变化，但它只引起铸件外部尺寸的变化，其收缩量通常用长度百分数表示，称为线收缩。它是铸件产生内应力、变形和裂纹等缺陷的基本原因。4.可焊性随着钢中的碳的质量分数增加，钢的塑性下降，可焊性下降。所以，为了保证获得优质焊接接头，应优先选用低碳钢(碳的质量分数＜0.25％的钢）。碳素钢02情境二：碳素钢碳素钢（简称碳钢）是指含碳量小于2.11％的铁碳合金。工业上应用的碳素钢碳含量一般不超过1.4%。这是因为含碳量超过此量后，钢表现出很大的硬脆性，并且加工困难，失去生产和使用价值。碳素钢的性能主要取决于含碳量，含碳量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性和可焊性降低。一、杂质元素对钢性能的影响1.锰（Mn）元素的影响锰是炼钢时脱氧而残留在钢中的元素。锰是一个有益的元素，在钢中的含量一般为0.25％～0.8％。锰具有一定的脱氧能力，能使钢中的氧化铁还原成铁，锰还能溶于铁素体中强化铁素体以改善钢的质量。锰与硫化合成为MnS（熔点为1620℃），高温时MnS有一定塑性，因此可减轻硫的有害作用，降低钢的脆性，改善钢的热加工性能。

2.硅(Si)元素的影响硅也是作为脱氧剂加入钢中的。硅的脱氧能力比锰还要强，能消除氧化铁夹杂对钢质量的不良影响。硅与锰一样，能溶解于铁素体中，使铁素体强化，从而提高钢的强度和硬度，但降低塑性和韧性，所以钢中硅的含量一般小于0.4％。3.硫(S)元素的影响硫在钢中是有害杂质，它不溶于铁，而与铁形成化合物(FeS)，易使钢材变脆，因而在锻压时，使钢材强度大幅度降低，这种现象称为热脆。为了避免热脆，必须严格控制钢中含硫量。4.磷(P)元素的影响磷是从矿石中带入钢中的杂质，在炼钢时也难于除尽。磷在钢中是有害杂质，它能使室温下钢的塑性、韧性急剧降低。在低温时，磷会使钢的塑性、韧性降的更低，这种现象为冷脆。含磷量过高的钢，焊接时易产生裂纹，降低了钢的可焊性。因此，要严格控制钢中的含磷量。此外，钢在整个冶炼过程中，都与空气接触，因而钢液中总会吸收一些气体，如氮、氧、氢等。它们对钢的质量都会产生不良影响。尤其是氢对钢的危害性更大，它使钢变脆(称为氢脆)，也可使钢中产生微裂纹(称为白点)，严重影响钢的力学性能，使钢易于脆断。二、碳素钢分类碳钢的分类主要有三种方法：1.按含碳量分类低碳钢ωC≤0.25％；中碳钢ωC=0.25～0.6％；高碳钢ωC＞0.60％。2.按质量分类主要根据有害杂质硫、磷在钢中的含量的多少来分类。普通碳素钢ωs≤0.05％，ωp≤0.045％；优质碳素钢ωs、ωp≤0.035％；高级优质碳素钢ωs≤0.02％，ωp≤0.03％。3.按用途分类碳素结构钢：主要用作各种工程构件、桥梁、建筑构件和机器零部件等，一般为中、低碳钢。碳素工具钢：主要用于制作各种刃具、量具、模具，一般为高碳钢。三、钢的牌号1.我国钢号表示方法钢的牌号简称钢号，是对每一种具体钢产品所取的名称。我国的钢号表示方法，根据国家标准《GB-T221-2008钢铁产品牌号表示方法》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，例如Si，Mn，Cr……等。混合稀土元素用“RE”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。

（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

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235MPa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

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

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

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）铸造碳钢

其牌号用“ZG”代表铸钢二字汉语拼音首位字母，后面第一组数字为屈服强度(单位N/mm2)，第二组数字为抗拉强度(单位N/mm2)。例如ZG200-400，表示屈服强度σs(或σ0.2)≥200N/mm2，抗拉强度σb≥400N/mm2的铸造碳钢件。四、碳素钢的性能及主要用途1.碳素结构钢碳素结构钢主要制造各种工程构件（如桥梁、船舶、建筑用钢）和机器零件（如齿轮、轴、螺钉、螺母、曲轴、连杆等）。这类钢一般属于低碳和中碳钢，分普通碳素结构钢和优质碳素结构钢。

（1）普通碳素结构钢碳含量较低，而硫、磷等有害杂质的含量较高，故强度不高，但塑性、韧性较好，焊接性能好，价格低廉，因此用量很大。在力学性能上一般能满足普通机械零件及工程结构件的要求，约占钢材总量的70％。这类钢中的S、P和非金属夹杂物含量比优质碳素结构钢多，在相同含碳量及热处理条件下，其塑性、韧性较低。加工成形后一般不进行热处理，大都在热轧状态下直接使用，通常轧制成板材、带材及各种型材。其中牌号Q195与Q275碳素结构钢是不分质量等级的，出厂时既保证力学性能，又保证化学成分。而Q215、Q235、Q255牌号的碳素结构钢，当质量等级为“A”、“B”级时，只保证力学性能，化学成分可根据需方要求作适当调整；而Q235的“C”、“D”级，则力学性能和化学成分都应保证。D级（

s≤0.035％，

p≤0.035％）质量等级最高，达到了碳素结构钢的优质级。

Q195钢的碳的质量分数很低，塑性好。常用作螺钉、螺母及各种薄板，也可用来代替优质碳素结构钢08或10钢，制造冲压件、焊接结构件。Q275钢强度较高，可代替30钢、40钢用于制造较重要的某些零件，以降低原材料成本。（2）优质碳素结构钢这类结构钢的含硫、磷量较低(

s＜0.030%、

p＜0.035%)，非金属夹杂物较少，钢的品质较高，塑性、韧性都比(普通)碳素结构钢好，主要用来制造较重要零件，使用前一般都要热处理。其中45钢常用来制造中等强度、韧性的零件，如齿轮、曲轴、螺栓、螺母、连杆等。65钢常用来制造直径小于12mm的弹簧。08F、10F钢的碳的质量分数低，塑性好，焊接性能好，主要用于制造冲压件和焊接件。15、20、25钢属于渗碳钢，这类钢强度较低，但塑性和韧性较高，焊接性能及冷冲压性能较好。可以制造各种受力不大，但要求高韧性的零件；此外还可用作冷冲压件和焊接件。渗碳钢经渗碳、淬火加低温回火后，表面硬度可达60HRC以上，耐磨性好，而心部具有一定的强度和韧性，可用来制作要求表面耐磨并能承受冲击载荷的零件。30、35、40、45，50、55钢属于调质钢，经淬火加高温回火后，具有良好的综合力学性能，主要用于要求强度、塑性和韧性都较高的机械零件，如轴类零件，这类钢在机械制造中应用最广泛，其中以45钢更为突出。60、65、70钢属于弹簧钢，经淬火加中温回火后可获得高的弹性极限、高的屈强比，主要用于制造弹簧等弹性零件及耐磨零件。优质碳素结构钢中较高锰的一组牌号(15Mn～70Mn)，其性能和用途与普通锰的一组对应牌号相同，但其淬透性略高。汽车上常用碳素结构钢见表2-2。表2-2

汽车常用碳素结构钢的牌号、性能及用途类别钢号抗拉强度

/MPa布氏硬度HBS工艺性淬火硬度范围/HRC汽车中应用举例普通碳素钢Q235—焊接性好,切削加工性不好,良好的韧性和锻造性—车厢板件、制动器底板、拉杆、销、键、法兰轴、螺钉等优质碳素钢08327131焊接性好,切削加工性差,良好的韧性和冷冲性—驾驶室、油箱、离合器等1537214356～62(渗碳)离合器分离杠杆、风扇叶片、驻车制动杆等35529187切削加工性好4559719730～4045～55凸轮轴、曲轴、转向节主销等

2.碳素工具钢

碳素工具钢是指用于制作刃具、模具和量具的碳素钢。碳素工具钢根据使用目的的不同可分为碳素刃具钢、碳素模具钢和碳素量具钢。碳素刃具钢是指用于制作切削工具的碳素工具钢，碳素模具钢是指用于制作冷、热加工模具的碳素工具钢，碳素量具钢是指用于制作测量工具的碳素工具钢。这类钢的碳的质量分数为

c＝0.65％～1.35％，按质量可分优质碳素工具钢与高级优质碳素工具钢两类。牌号后加“A”的属高级优质碳素工具钢。T7、T8钢多用于制造承受冲击负荷的工具，如凿子、锤子、冲头等。

T9～T11钢多用于制造要求中等韧性的工具，如形状简单的小冲模、手工锯条等。

T12、T13耐磨性最高，但韧性最低，所以多用于制造不受冲击负荷的量具、锉刀、刮刀等。高级优质碳素工具钢（T7A～T13A），由于其淬火时产生裂纹的倾向较小，因此多用于制造形状较为复杂的工具。

3.易切削钢易切削钢是易被（车、铣、拉、刨、钻等）切削加工的钢种，又叫自动机床加工用钢，简称自动钢，它是为适应机械加工自动化和流水作业线生产而产生的。易切削钢主要用于制作受力较小而对尺寸和光洁度要求严格的仪器、仪表、手表零件、汽车、机床和其他各种机器上使用的，对尺寸精度、光洁度要求严格，而对机械性能要求相对较低的标准件，如螺栓、阀门、衬套、销钉、管接头、弹簧座垫等。其特点是碳、锰、硅成分均属一般碳素钢含量，但硫、磷的含量却较之要高出数倍，如硫有的高达0.30%，磷高达0.15%，由于硫、磷含量的增高，增加了钢的易切削性能，因而大大提高机床的切削速度。易切削钢可划分为硫系、硫磷系、钙硫系、铅系和硒等。

4.铸造碳钢（简称铸钢）铸造碳钢一般用于制造形状复杂、机械性能要求比铸铁高的零件，例如水压机横梁、轧钢机机架、重载大齿轮等，这种机件用锻造方法难以生产，用铸铁又无法满足性能要求，只能用碳钢采用铸造方法生产。铸造碳钢中碳的质量分数一般为

c＝0.15％～0.60％。碳的质量分数过高则塑性差，易产生裂纹。情境三：

合金钢碳钢虽然能满足生产的一般需求，但是一些重要工作场合的零件，或有耐热、耐蚀、高磁性或无磁性、高耐磨性等特殊要求的零件，这时就无法满足需要。

为了改善钢的性能，炼钢时有目的地加入一些合金元素所形成的钢称为合金钢。合金钢通过热处理能获得优良的力学性能及一些特殊的物理、化学性能。常加入的合金元素有：钛（Ti）、钒（V）、铌（Nb）、钨（W）、钼（Mo）、铬（Cr）、锰（Mn）、铝（Al）、钴（Co）、硅（Si）、硼（B）、氮（N）及稀土元素。一、合金钢的分类及编号1.合金钢分类合金钢的种类繁多，分类方法有多种，常见的分类方法有：（1)按用途分类①合金结构钢

合金结构钢用于制造各种机械零件和工程结构件。②合金工具钢

合金工具钢用于制造各种工具。③特殊性能钢

特殊性能钢是指具有一些特殊性能的钢（2）按合金元素总含量分类①低合金钢

低合金钢的合金元素总含量ωMe<5%。②中合金钢

中合金钢合金元素总含量ωMe=5%～10%。③高合金钢

高合金钢合金元素总含量ωMe>10%。2.合金钢编号（1）低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢的牌号是用代表屈服强度的汉语字母“Q”、屈服强度值（单位MPa）、质量等级符号（A、B、C、D、E）三个部分按顺序排列。其中Q345各种性能配合较好，故应用最广泛。（2）合金结构钢除了低合金高强度结构钢外，其它合金结构钢的牌号由三部分组成，即两位数字+元素符号+数字。前两位数字表示合金结构钢的平均含碳量的万分数，合金元素符号后两数字表示该合金元素平均含量的百分数。当合金元素平均含量小于1.5%时，只标注出合金元素符号，不标注数字。如是高级优质钢，则在钢号后面加符号“A”。特级优质钢则加符号“E”。例如60Si2Mn表示平均含碳量为0.6%，平均含硅量≥1.5%，平均含锰量小于1.5%的合金结构钢。（3）合金工具钢合金工具钢中的平均含碳量<1%时，用一位数字表示平均含碳量的千分数，当平均含碳量>1%时，不标注含碳量。合金元素的标注方法同合金结构钢。如9SiCr，表示平均含碳量为0.9%，硅、铬含量均小于1.5%的合金工具钢；Cr12MoV表示平均含碳量>1%，平均铬含量约12%；钼、钒含量小于1.5%的合金工具钢。（4）滚动轴承钢高碳铬轴承钢，在牌前冠以“G”符号。当含碳量小于1%时，在“G”符号前用一位数字表示含碳量的千分数；当含碳量大于１%时，不标注含碳量。含铬量用千分数表示（两位数）。其它合金元素表示方法同合金结构钢。如GCr15SiMn表示平均含碳量大于1%，平均铬含量为1.5%，硅锰含量小于1.5%的高碳铬滚动轴承钢。9GCr18表示平均含碳量为0.9%，平均含铬量为1.8%高碳铬滚动轴承钢。（5）特殊用途钢特殊用途钢中，耐热钢、不锈钢牌号表示方法和合金工具钢基本相同，只是当其平均含碳量ωc≤0.03%和平均含碳量ωc≤0.08%时，在牌号前分别冠以“00”和“0”。如0Cr19Ni9表示平均含碳量小于或等于0.08%，平均含铬量约等于19%，平均含镍量约等于9%的不锈钢。00Cr13表示平均含碳量小于或等于0.03%，含铬量约等于13%的不锈钢。合金钢的分类、编号、常用热处理及应用见表2-3。钢种分类编号原则钢种举例常用热处理应用举例合金钢合金结构钢低合金结构钢数字表示含碳量的万分数，化学元素符号表示主加元素，后面的数字表示所加元素的百分数16Mn／桥梁渗碳钢20Cr渗碳后淬火、低温回火活塞销调质钢40Cr调质进气阀弹簧钢55Si2Mn淬火后中温回火汽车板簧滚动轴承钢G表示滚动轴承钢，数字表示含碳量的千分数GCr15淬火后低温回火轴承内圈易切削结构钢Y表示易切削结构钢，数字表示含碳量的万分数Y30调质切削加工生产线合金工具钢刃具钢数字表示含碳量的千分数，化学元素符号表示主加元素，后面的数字表示所加元素的百分数9SiCr淬火后低温回火丝锥碳含量0.7～1.4%，主加碳化物形成元素W、Cr、V、MoW18Cr4V高温淬火后三次回火铣刀模具钢数字表示含碳量的千分数，化学元素符号表示主加元素，后面的数字表示所加元素的百分数Cr12整体调质，表面氢化冷冲模特殊性能钢不锈钢5CrMnMo淬火后多次回火

热锻模耐热钢1Cr18Ni9Ti固溶处理医疗器械1Cr11MoV调质锅炉吊钩耐磨钢ZGMn13水韧处理挖掘机的铲斗表2--3合金钢的分类、编号、常用热处理及应用举例二、合金元素在钢中的作用

在冶炼钢的过程中有目的地加入一些元素，这些元素称为合金元素。常用的合金元素有：锰（wMn＞1％）、硅（wSi＞0.5％）、铬、镍、钼、钨、钒、钛、锆、铝、钴、硼、稀土（RE）等。1.合金元素在钢中存在形式（1）强化铁素体

绝大多数合金元素都可或多或少地溶于铁素体中，形成合金铁素体。

合金元素溶入铁素体后，引起铁素体晶格畸变，另外合金元素还易分布在晶体缺陷处，使位错移动困难，从而提高了钢的塑性变形抗力，产生固溶强化，使铁素体的强度、硬度提高，但塑性、韧性都有下降趋势。

硅、锰能显著提高铁素体强度、硬度，但当wsi＞0.6%、wMn＞1.5%时，将降低其韧性。而铬、镍这两个元素，在适量范围内（wCr≤2%，wNi≤5%），不但可提高铁素体的硬度，而且能提高其韧性。

2）形成合金碳化物

钒、铌、锆、钛为强碳化物形成元素；铬、钼、钨为中强碳化物形成元素；锰为弱碳化物形成元素。

钢中形成的合金碳化物的类型主要有：合金渗碳体和特殊碳化物。合金渗碳体较渗碳体略为稳定，硬度也较高，是一般低合金钢中碳化物的主要存在形式。特殊碳化物是与渗碳体晶格完全不同的合金碳化物。特殊碳化物特别是间隙相碳化物，比合金渗碳体具有更高的熔点、硬度与耐磨性，并且更为稳定，不易分解。2．合金元素在钢中的作用

合金元素在钢中可以两种形式存在：一是溶解于碳钢原有的相中，另一种是形成某些碳钢中所没有的新相。在一般的合金化理论中，按与碳亲合力的大小，可将合金元素分为碳化物形成元素与非碳化物形成元素两大类。常用的合金元素有以下几种：非碳化物形成元素：Ni、Co、Cu、Si、Al、N、B；碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr。此外，还有稀土元素，一般用符号Re表示。碳钢中有三个基本相，即铁素体、奥氏体和渗碳体。合金元素加入钢中时，可以溶于此三相中形成合金铁素体、合金奥氏体及合金渗碳体。所有与碳亲和力弱的非碳化物形成元素，如镍、硅、铝、钴等，由于不能形成碳化物，除了极少数高合金钢中可形成金属间化合物外，几乎都溶解在铁素体或奥氏体中。碳化物形成元素中，有些元素（如Mn）与碳的亲合力较弱，除少量可溶于渗碳体中形成合金渗碳体外，大部分仍溶于铁素体或奥氏体中。而与碳亲和力较强的一些碳化物形成元素（如Cr、Mo、W等），当其含量较少时，多半溶于渗碳体中，形成合金渗碳体；当含量较高时，则可能形成新的特殊的合金碳化物。与碳亲合力很强的碳化物形成元素（如Nb、Ti、Zr等），几乎总是与碳形成特殊的碳化物。合金元素溶于铁素体中，由于与铁的晶格类型和原子半径不同而造成晶格畸变；另外合金元素易分布于位错线附近，对位错线的移动起牵制作用，从而提高塑性变形抗力，产生固溶强化效果。碳化物是钢中的重要相之一，碳化物的类型、数量、大小、形状及分布对钢的性能有很重要的影响。合金渗碳体是渗碳体中一部分铁被碳化物形成元素置换后所得到的产物，其晶体结构与渗碳体相同，可表达为（Fe，Me）3C（Me代表合金元素）。渗碳体中溶入碳化物形成元素后，硬度有明显增加，因而可提高钢的耐磨性。当钢中合金元素含量超过一定限度时，可以生成一些碳钢中没有的新相。其中最重要的是由强碳化物形成元素生成的各种合金碳化物（如W2C、VC、TiC等）。它们熔点高、硬度高，加热时很难溶于奥氏体中，因此对钢的机械性能及工艺性能有很大影响。3.合金元素对钢的机械和工艺性能的影响合金元素溶于铁素体中，由于与铁的晶格类型和原子半径不同而造成晶格畸变；另外合金元素易分布于位错线附近，对位错线的移动起牵制作用，从而提高塑性变形抗力，产生固溶强化效果。碳化物是钢中的重要相之一，碳化物的类型、数量、大小、形状及分布对钢的性能有很重要的影响。合金渗碳体是渗碳体中一部分铁被碳化物形成元素置换后所得到的产物，其晶体结构与渗碳体相同，可表达为（Fe，Me）3C（Me代表合金元素）。渗碳体中溶入碳化物形成元素后，硬度有明显增加，因而可提高钢的耐磨性。当钢中合金元素含量超过一定限度时，可以生成一些碳钢中没有的新相。其中最重要的是由强碳化物形成元素生成的各种合金碳化物（如W2C、VC、TiC等）。它们熔点高、硬度高，加热时很难溶于奥氏体中，因此对钢的机械性能及工艺性能有很大影响。3.合金元素对钢的机械和工艺性能的影响（1）合金元素对强度的影响强度是金属材料最重要的性能指标之一，使金属材料的强度提高的过程称为强化。强化是研制结构材料的主要目的。金属强化一般有以下几种方式：①固溶强化溶质原子由于与基体原子的大小不同，因而使基体晶格发生畸变，造成一个弹性应力场。此应力场增加了位错运动的阻力，产生强化。固溶强化的强化量与溶质的浓度有关，在达到极限溶解度之前，溶质浓度越大，强化效果越好。但是，固溶强化是以牺牲塑性和韧性为代价的，固溶强化效果越好，塑性和韧性下降越多。②细晶强化晶界或其它界面可以有效地阻止位错通过，因而可以使金属强化。晶界强化的强化量与晶界的数量，即晶粒的大小有密切的关系。晶粒越细，单位体积内的晶界面积越大，则强化量越大。晶粒细化不仅可以提高强度，而且可以改善钢的韧性，这是其它强化方式难以达到的。因此细晶化，特别是超细晶化，是目前正在大力发展的重要强化手段。③弥散强化合金元素加入到金属中，在一定的条件下会析出第二相粒子。而这些第二相粒子可以有效地阻止位错运动。粒子越细小，弥散度越高，则强化效果越好。（2）合金元素对塑性和韧性的影响除了极少数几个置换式合金元素外，所有的合金元素都会降低钢材的塑性和韧性，使钢脆化。一般而言，除了细晶强化能同时提高强度和塑韧性外，所有的强化方式都会降低塑性和韧性。（3）合金元素对钢的工艺性能的影响①合金元素对铸造性能的影响一般共晶成分合金的铸造性能最好，由于钢的成分离共晶点很远，所以铸造性能不好。加入高熔点的合金元素后，液态金属粘度增大，铸造性能下降。②合金元素对锻造性能的影响由于合金元素的影响，许多合金钢，特别是含有大量碳化物的合金钢与普通碳钢相比，高温强度很高，热塑性明显下降，锻造时容易锻裂。由于合金元素使钢的导热性能下降，所以锻造加热必须缓慢，以免造成热应力。③合金元素对焊接性能的影响在相同的含碳量下，合金元素的含量越高，则焊接性能越差。④合金元素对切削性能的影响由于许多合金钢含有大量硬而脆的碳化物，所以其切削加工性能比普通碳钢差。三、合金结构钢1.低合金高强度结构钢低合金高强度结构钢是在碳素结构钢的基础上，加入少量的合金元素发展起来的，原称普通低合金钢。它是低碳结构钢，合金元素总量在3％以下，以Mn为主要元素。与碳素结构钢相比有较高强度，足够的塑性、韧性，良好的焊接工艺性能，较好的耐腐蚀性和低的冷脆转变温度。

为保证有良好的塑性和韧性，良好的焊接性能和冷成形性能，低合金高强度结构钢中碳的质量分数一般均较低，大多数为wc＝0.16％～0.20％。低合金高强度结构钢可按屈服极限分295、345、390、420、460N/mm2五个强度等级，其中295–390N/mm2级的应用最广。2.合金渗碳钢合金渗碳钢主要用来制造工作中承受较强烈的冲击作用和磨损条件下的渗碳零件。例如汽车变速箱齿轮、汽车后桥齿轮和内燃机里的凸轮轴、活塞销等。这类钢经渗碳、淬火和低温回火后表面具有高的硬度和耐磨性，心部具有较高的强度和足够韧性的零件。合金渗碳钢中碳的质量分数一般在wc=0.10％～0.25％之间，以保证渗碳零件心部具有良好的塑性和韧性。碳素渗碳钢的淬透性低，热处理对心部的性能改变不大，加入合金元素可提高钢的淬透性，改善心部性能。

合金渗碳钢主要用来制造工作中承受较强烈的冲击作用和磨损条件下的渗碳零件。例如汽车变速箱齿轮、汽车后桥齿轮和内燃机里的凸轮轴、活塞销等。这类钢经渗碳、淬火和低温回火后表面具有高的硬度和耐磨性，心部具有较高的强度和足够韧性的零件。

合金渗碳钢中碳的质量分数一般在wc=0.10％～0.25％之间，以保证渗碳零件心部具有良好的塑性和韧性。碳素渗碳钢的淬透性低，热处理对心部的性能改变不大，加入合金元素可提高钢的淬透性，改善心部性能。常用的合金元素有铬、镍、锰和硼等，其中以镍的作用最好。为了细化晶粒，还加入少量阻止奥氏体晶粒长大的强碳化物形成元素，如钛、钒、钼等，它们形成的碳化物在高温渗碳时不溶解，有效地抑制渗碳时的过热现象。

渗碳后的钢种，表层碳的质量分数为0.85%～1.05%，经淬火和低温回火后，表层组织由合金渗碳体、回火马氏体及少量残余奥氏体组成，硬度可达58～64HRC。3.合金调质钢合金调质钢指调质处理后使用的合金结构钢，其基本性能是具有良好的综合力学性能。调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其他机器上如齿轮、轴类件、连杆、高强螺栓等重要零件。合金调质钢碳的质量分数一般在wc=0.25％～0.50％之间。碳的质量分数过低不易淬硬，回火后达不到所需要的强度；如果碳的质量分数过高，则零件韧性较差。合金调质钢的主加元素有铬、镍、锰、硅、硼等，以增加淬透性、强化铁素体；钼、钨的主要作用是防止或减轻第二类回火脆性，并增加回火稳定性；钒、钛的作用是细化晶粒。合金调质钢在机械制造业中是用量最大的一类钢种。我国常用调质钢按照淬透性的高低，大致分为三类：①低淬透性调质钢油淬临界直径最大为30mm～40mm，最典型的钢种是40Cr，广泛用于制造一般尺寸的重要零件。40MnB、40MnVB钢是为节约铬而发展的代用钢，40MnB的淬透性和切削加工性能较差。②中淬透性调质钢油淬临界直径最大为40mm～60mm，含有较多合金元素，典型牌号有35CrMo等，用于制造截面较大的零件，例如曲轴、连杆等。加入Mo不仅使淬透性显著提高，而且可防止回火脆性。③高淬透性调质钢油淬临界直径为60mm～100mm，多是铬镍钢。铬、镍的适当配合大大提高淬透性，并获得优良的力学性能，例如37CrNi3。但对回火脆性十分敏感，因此不宜于作大截面零件。铬镍钢中加入适当的钼，例如40CrNiMo钢，不仅具有最好的淬透性和冲击韧性，还可消除回火脆性，用于制造大截面、重载荷的重要零件，如汽轮机主轴、叶轮和航空发动机轴等。4.合金弹簧钢弹簧是车辆和仪表及生活中的重要零件，主要在冲击、振动、周期性扭转和弯曲等交变应力下工作，弹簧工作时不允许产生塑性变形，因此要求制造弹簧的材料具有较高的强度。合金弹簧钢的碳的质量分数一般为wc＝0.5％～0.7％，碳的质量分数过高时，塑性和韧性差，疲劳强度下降。常加入以硅、锰为主的合金元素，提高钢的淬透性和强化铁素体。常用合金弹簧钢的牌号60Si2Mn、60Si2CrVA和50CrVA。合金弹簧钢主要用于制造各种弹簧是车辆和仪表及生活中的重要零件，主要在冲击、振动、周期性扭转和弯曲等交变应力下工作，弹簧工作时不允许产生塑性变形，因此要求制造弹簧的材料具有较高的强度。合金弹簧钢的碳的质量分数一般为wc＝0.5％～0.7％，碳的质量分数过高时，塑性和韧性差，疲劳强度下降。常加入以硅、锰为主的合金元素，提高钢的淬透性和强化铁素体。常用合金弹簧钢的牌号60Si2Mn、60Si2CrVA和50CrVA。合金弹簧钢主要用于制造各种弹性元件，如在汽车、拖拉机、坦克、机车车辆上制作减震板弹簧和螺旋弹簧，大炮的缓冲弹簧，钟表的发条等。合金元素溶于铁素体中，由于与铁的晶格类型和原子半径不同而造成晶格畸变；另外合金元素易分布于位错线附近，对位错线的移动起牵制作用，从而提高塑性变形抗力，产生固溶强化效果。碳化物是钢中的重要相之一，碳化物的类型、数量、大小、形状及分布对钢的性能有很重要的影响。合金渗碳体是渗碳体中一部分铁被碳化物形成元素置换后所得到的产物，其晶体结构与渗碳体相同，可表达为（Fe，Me）3C（Me代表合金元素）。渗碳体中溶入碳化物形成元素后，硬度有明显增加，因而可提高钢的耐磨性。当钢中合金元素含量超过