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钢铁钢铁 :是铁与是铁与C C(碳碳)、SiSi(硅硅)、MnMn(锰锰)、P P(磷磷)、S S(硫硫)以及以及少量的其他元素所组成的少量的其他元素所组成的合金合金。根据含碳量的不同分为根据含碳量的不同分为钢钢（含碳量小于（含碳量小于2.11%的铁碳合金）的铁碳合金）铸铁铸铁（含碳量大于（含碳量大于2.11%的铁碳合金）的铁碳合金）根据化学成分的不同分为根据化学成分的不同分为碳素钢碳素钢 合金钢合金钢低碳钢低碳钢 高碳钢高碳钢 中碳钢中碳钢：含碳量：含碳量wc0.25%：含碳量：含碳量wc0.25%0.60%：含碳量：含碳量wc0.60%低合金钢低合金钢 高合金钢高合金钢 钢铁材料的基本知识钢铁材料的基本知识1钢铁材料的生产方式钢铁材料的生产方式炼钢炼钢炼铁炼铁钢材生产钢材生产钢材种类钢材种类型材型材：圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、槽钢、螺纹钢等圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、槽钢、螺纹钢等板材板材：中厚钢板、薄钢板、钢带和硅钢片中厚钢板、薄钢板、钢带和硅钢片管材管材：无缝钢管和焊接钢管（又称有缝钢管）无缝钢管和焊接钢管（又称有缝钢管）线材线材：直径为直径为69mm的圆钢和直径在的圆钢和直径在10mm以下的螺纹钢以下的螺纹钢钢铁材料的基本知识钢铁材料的基本知识2金金属属材材料料在在不不同同的的使使用用场场合合下下，所所要要求求的的力力学学性性能能、物物理理性性能能、化化学学性性能能以以及及工工艺艺性性能能各各不不相相同同。虽虽然然都都是是金金属属材材料料，不不同同成成分分和和不不同同状状态态下下的的性性能能差差异异也也非非常常大大。造造成成金金属属材材料料性性能能差差异异的的主主要要原原因因是是由由于于金属材料内部结构的不同。金属材料内部结构的不同。2.1金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶3非晶体非晶体中的质点，是杂乱无章地堆积在一起，无规则可循。中的质点，是杂乱无章地堆积在一起，无规则可循。2.1.12.1.1晶体结构及其特点晶体结构及其特点晶体结构及其特点晶体结构及其特点根据内部原子堆积的情况根据内部原子堆积的情况固态物质固态物质分类分类晶体晶体：如纯铝、纯铁、纯铜等：如纯铝、纯铁、纯铜等非晶体：非晶体：玻璃、沥青、松香、石蜡等玻璃、沥青、松香、石蜡等晶体晶体中的原子或分子，在三维空间中是按照一定的几何规中的原子或分子，在三维空间中是按照一定的几何规则作周期性地重复排列。则作周期性地重复排列。晶体和非晶体的晶体和非晶体的根本区别根本区别4非晶体非晶体 ：蜂蜡、玻璃蜂蜡、玻璃 等。等。晶体晶体:固态金属固态金属金刚石、金刚石、NaclNacl、冰、冰 等。等。5常用固态金属基本上都属于常用固态金属基本上都属于晶体晶体，大部分非，大部分非金属如金属如氯化钠、天然金刚石、水晶氯化钠、天然金刚石、水晶等属晶体；而常等属晶体；而常用的用的石蜡、松香、塑料、玻璃、橡胶石蜡、松香、塑料、玻璃、橡胶等属等属非晶体非晶体。6原子（离子）的刚球模型原子（离子）的刚球模型 晶体结构晶体结构原子中心位置原子中心位置 晶体结构晶体结构7晶体具有规则的外形。晶体具有规则的外形。晶体具有固定的熔点。晶体具有固定的熔点。晶体具有各向异性。晶体具有各向异性。晶体的特点晶体的特点89晶格晶格：表示晶体中原子排列形式的空间格子。：表示晶体中原子排列形式的空间格子。晶胞晶胞：组成晶格的最小的几何单元称为晶胞。：组成晶格的最小的几何单元称为晶胞。晶格与晶胞晶格与晶胞 晶胞中原子排列的规律能完全代表整个晶格晶胞中原子排列的规律能完全代表整个晶格中原子排列的规律，人们研究金属的晶格结构，中原子排列的规律，人们研究金属的晶格结构，一般都是取出晶胞来研究的。一般都是取出晶胞来研究的。10晶格参数晶格参数：晶胞的棱边长度晶胞的棱边长度a a、b b、c c和棱边夹角和棱边夹角、（轴间夹角）。（轴间夹角）。晶格常数晶格常数：晶胞中各棱边的长度，以埃晶胞中各棱边的长度，以埃()为单位，为单位，1 1 =10=10-8-8cmcm。各棱边长度通常数值在。各棱边长度通常数值在2.52.55.05.0之间。之间。简单立方晶格简单立方晶格 a=b=c,=a=b=c,=各种金属元素的主要差别就在于晶格类型和晶各种金属元素的主要差别就在于晶格类型和晶格参数的不同。格参数的不同。112.1.22.1.2常见金属的晶格类型常见金属的晶格类型常见金属的晶格类型常见金属的晶格类型 体心立方晶格体心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格面心立方晶格面心立方晶格 体心立方晶格体心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格 121.常见晶格类型常见晶格类型1)1)体心立方晶格体心立方晶格原子分布在立方体的各结点和中心处，其特点原子分布在立方体的各结点和中心处，其特点是金属原子占据着立方体的八个顶角和中心，如下是金属原子占据着立方体的八个顶角和中心，如下图所示图所示,属于这一类的金属有铬属于这一类的金属有铬(Cr)(Cr)、钼、钼(Mo)(Mo)、钨、钨(W)(W)、钒、钒(V)(V)和和-Fe(-Fe(温度小于温度小于912912纯铁纯铁)。这类金。这类金属有相当大的强度和较好的塑性。属有相当大的强度和较好的塑性。13142)2)面心立方晶格面心立方晶格原子分布在立方体的各结点和各面的中心处。原子分布在立方体的各结点和各面的中心处。金属原子除占据立方体的八个顶角外，立方体的六金属原子除占据立方体的八个顶角外，立方体的六个面的中心也各有一个金属原子。如下图所示个面的中心也各有一个金属原子。如下图所示 。属。属于这种晶格的金属有铝于这种晶格的金属有铝(Al)(Al)、铜、铜(Cu)(Cu)、镍、镍(Ni)(Ni)、铅、铅(Pb)(Pb)和和-Fe-Fe等（温度在等（温度在13941394912912纯铁纯铁)。塑形。塑形优于体心优于体心1516 3)3)密排六方晶格密排六方晶格原子分布在六方柱体的各个结点和上下底面原子分布在六方柱体的各个结点和上下底面中心处各有一个原子，还有上下两个六方面的中中心处各有一个原子，还有上下两个六方面的中间有三个原子。属于这种晶格的金属有铍间有三个原子。属于这种晶格的金属有铍(Be)(Be)、镁镁(Mg)(Mg)、锌、锌(Zn)(Zn)、镉、镉(Cd)(Cd)等。较脆等。较脆17182.1.32.1.3金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构 单晶体单晶体单晶体单晶体单晶体单晶体多晶体多晶体 多晶体多晶体多晶体多晶体 在理想情况下，晶体内部的晶格位向是完全一致的，即晶体的原子是按一定几何规律做周期性排列而成，这种晶体称为单晶体。外形不规则，呈颗粒状的小晶体称为晶粒，每个晶粒相当于一个单晶体，其原子排列位向是一致的，而各个晶粒的晶格位向各不相同。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界，晶界上的原子处于过渡的不规则状态，这些由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。19 多晶体是由许多微小的单晶体构成的，这些单多晶体是由许多微小的单晶体构成的，这些单晶体称为晶粒。晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的交界区称为晶界。晶粒与晶粒之间的交界区称为晶界。由于晶界由于晶界上原子的排列是不同位向的晶粒的过渡状态，因上原子的排列是不同位向的晶粒的过渡状态，因而晶界上原子排列较不规则。实验证明，每一个而晶界上原子排列较不规则。实验证明，每一个晶粒内的晶格位向也并非完全一致，但这些位向晶粒内的晶格位向也并非完全一致，但这些位向相差很小，形成亚晶界。相差很小，形成亚晶界。晶粒（单晶晶粒（单晶体体）晶界晶界20在实际晶体中，由于某种原因，原子的规律排列在实际晶体中，由于某种原因，原子的规律排列受到干扰和破坏，使晶体中的某些原子偏离正常位受到干扰和破坏，使晶体中的某些原子偏离正常位置，造成原子排列的不完全性称为晶体缺陷。置，造成原子排列的不完全性称为晶体缺陷。（1 1）点缺陷：空位、间隙原子、异类原子）点缺陷：空位、间隙原子、异类原子（2 2）线缺陷：位错）线缺陷：位错（3 3）面缺陷：晶界与亚晶界）面缺陷：晶界与亚晶界晶体缺陷类型晶体缺陷类型晶体缺陷晶体缺陷21晶格空位晶格空位置换原子置换原子间隙原子间隙原子点缺陷点缺陷点缺陷点缺陷点缺陷是指长、宽、高尺寸都很小的缺陷。点缺陷是指长、宽、高尺寸都很小的缺陷。常见的点缺陷常见的点缺陷22点缺陷点缺陷将会使金属材料产生物理、化学和力学将会使金属材料产生物理、化学和力学性能上的变化，如使材料的密度发生变化，电阻率性能上的变化，如使材料的密度发生变化，电阻率增大，强度、硬度提高等。增大，强度、硬度提高等。23刃型位错（刃型位错（a）螺形位错螺形位错（b）线缺陷线缺陷线缺陷线缺陷线缺陷是指晶体内沿某一条线，附近原子的排列偏离线缺陷是指晶体内沿某一条线，附近原子的排列偏离了完整晶格所形成的线形缺陷区，即发生了了完整晶格所形成的线形缺陷区，即发生了“位错位错”。常见的线缺陷常见的线缺陷24 位错造成的晶格的线状畸变，极大地影响着金位错造成的晶格的线状畸变，极大地影响着金属材料的力学性能，对于金属材料的塑性变形、属材料的力学性能，对于金属材料的塑性变形、强度、疲劳、腐蚀等性能均有重要的影响强度、疲劳、腐蚀等性能均有重要的影响25面缺陷面缺陷面缺陷面缺陷面缺陷是在两个方向的尺寸很大，第三个方向面缺陷是在两个方向的尺寸很大，第三个方向的尺寸很小而呈面状的缺陷，主要指的尺寸很小而呈面状的缺陷，主要指晶界晶界和和亚亚晶界晶界。面缺陷对金属的塑性变形起着阻碍的作用，面缺陷对金属的塑性变形起着阻碍的作用，强度、硬度较晶粒高。因此金属内部的晶粒越强度、硬度较晶粒高。因此金属内部的晶粒越细小，晶界就越多，强度和硬度就越高。细小，晶界就越多，强度和硬度就越高。26272.1.42.1.4金属的结晶金属的结晶金属的结晶金属的结晶物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固。如果凝固的固物质由液态冷却转变为固态的过程称为凝固。如果凝固的固态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称态物质是原子（或分子）作有规则排列的晶体，则这种凝固又称为结晶。从内部结构来看，结晶就是原子从不规则的排列（液态）为结晶。从内部结构来看，结晶就是原子从不规则的排列（液态）过渡到按照一定的几何形状作有秩序排列（固态）的过程。过渡到按照一定的几何形状作有秩序排列（固态）的过程。结晶的定义结晶的定义结晶的定义结晶的定义Tn实际结晶温度 TO理论结晶温度 过冷度 Tm熔点 金属冷却曲线金属冷却曲线金属冷却曲线金属冷却曲线28金属的结晶过程金属的结晶过程金属的结晶过程金属的结晶过程 液态金属的结晶过程分为两个阶段，即液态金属的结晶过程分为两个阶段，即晶核形晶核形成成与与核长大核长大的过程。当液态金属结晶时，首先在的过程。当液态金属结晶时，首先在液体中形成一些极微小的晶体（称为晶核），然液体中形成一些极微小的晶体（称为晶核），然后再以它们为核心不断以树枝状方式长大。在这后再以它们为核心不断以树枝状方式长大。在这些晶核长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，些晶核长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，直至液体金属消失，全部凝固为固态金属。直至液体金属消失，全部凝固为固态金属。29302.1.52.1.5合金的晶体结构合金的晶体结构合金的晶体结构合金的晶体结构 与结晶与结晶与结晶与结晶基本概念基本概念基本概念基本概念合金合金合金合金由两种或两种以上的金属或金属与非金属，经熔炼、烧结或其由两种或两种以上的金属或金属与非金属，经熔炼、烧结或其他方法结合成具有金属特性的物质。如黄铜是由铜和锌组成。他方法结合成具有金属特性的物质。如黄铜是由铜和锌组成。组元组元组元组元 简称元，是指组成合金的最基本独立物质。组元通常是纯元简称元，是指组成合金的最基本独立物质。组元通常是纯元素或者稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可分为素或者稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可分为二元合金、三元合金或多元合金等。二元合金、三元合金或多元合金等。合金系合金系合金系合金系是指由两个或两个以上组元按照不同比例配制成一系列不同是指由两个或两个以上组元按照不同比例配制成一系列不同成分的合金。成分的合金。相相相相是指合金中具有同一的聚集状态、同一的结构和性质的均匀组成是指合金中具有同一的聚集状态、同一的结构和性质的均匀组成部分。部分。组织组织组织组织是指用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征的是指用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征的部分。组织反映材料的相组成、相形态、大小和分布状况，它是决部分。组织反映材料的相组成、相形态、大小和分布状况，它是决定材料最终性能的关键。定材料最终性能的关键。31固态合金的相结构固态合金的相结构固态合金的相结构固态合金的相结构合金在熔点以上时各组元都能互相溶解，形成均匀合金在熔点以上时各组元都能互相溶解，形成均匀液溶体。固态时由于各组分之间相互作用不同，可能出液溶体。固态时由于各组分之间相互作用不同，可能出现两种基本相：固溶体和金属化合物。现两种基本相：固溶体和金属化合物。固溶体固溶体金属化合物金属化合物：指由合金中各组元的原子按一定比例指由合金中各组元的原子按一定比例相互作用而生成的一种新的具有金属特相互作用而生成的一种新的具有金属特性的物质。性的物质。：固溶体就是在固态下两种或两种以上固溶体就是在固态下两种或两种以上的物质互相溶解构成的单一均匀的物质。的物质互相溶解构成的单一均匀的物质。321.1.1.1.固溶体固溶体固溶体固溶体根据固溶体晶格中溶质原子在溶剂晶格中占据的根据固溶体晶格中溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，分为位置不同，分为置换固溶体置换固溶体和和间隙固溶体间隙固溶体两种。两种。332.2.2.2.金属化合物金属化合物金属化合物金属化合物 是指合金各组元的原子按一定的整数比化合而成是指合金各组元的原子按一定的整数比化合而成的一种新的金属化合物。它的晶体结构不同于组成的一种新的金属化合物。它的晶体结构不同于组成元素的晶体结构，而且其晶格一般都比较复杂。其元素的晶体结构，而且其晶格一般都比较复杂。其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大。例如铁碳合性能特点是熔点高、硬度高、脆性大。例如铁碳合金中的金中的FeFe3 3C C。当合金中出现金属化合物时，能提高。当合金中出现金属化合物时，能提高其强度、硬度和耐磨性，但会降低其塑性和韧性。其强度、硬度和耐磨性，但会降低其塑性和韧性。34钢铁钢铁 :是铁与是铁与C C(碳碳)、SiSi(硅硅)、MnMn(锰锰)、P P(磷磷)、S S(硫硫)以及以及少量的其他元素所组成的少量的其他元素所组成的合金合金。根据含碳量的不同分为根据含碳量的不同分为钢钢（含碳量小于（含碳量小于2.11%的铁碳合金）的铁碳合金）铸铁铸铁（含碳量大于（含碳量大于2.11%的铁碳合金）的铁碳合金）根据化学成分的不同分为根据化学成分的不同分为碳素钢碳素钢 合金钢合金钢低碳钢低碳钢 高碳钢高碳钢 中碳钢中碳钢：含碳量：含碳量wc0.25%：含碳量：含碳量wc0.25%0.60%：含碳量：含碳量wc0.60%低合金钢低合金钢 高合金钢高合金钢 钢铁材料的基本知识钢铁材料的基本知识35钢铁材料的生产方式钢铁材料的生产方式炼钢炼钢炼铁炼铁钢材生产钢材生产钢材种类钢材种类型材型材：圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、槽钢、螺纹钢等圆钢、方钢、扁钢、六角钢、角钢、槽钢、螺纹钢等板材板材：中厚钢板、薄钢板、钢带和硅钢片中厚钢板、薄钢板、钢带和硅钢片管材管材：无缝钢管和焊接钢管（又称有缝钢管）无缝钢管和焊接钢管（又称有缝钢管）线材线材：直径为直径为69mm的圆钢和直径在的圆钢和直径在10mm以下的螺纹钢以下的螺纹钢钢铁材料的基本知识钢铁材料的基本知识362.2铁碳合金状态图铁碳合金状态图铁碳合金是以铁和碳为基本组元的合金，它是现代机铁碳合金是以铁和碳为基本组元的合金，它是现代机械工业中应用最广泛的金属材料。要合理地选择铁碳合金，械工业中应用最广泛的金属材料。要合理地选择铁碳合金，就必须熟悉铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系。就必须熟悉铁碳合金的成分、组织和性能之间的关系。铁碳合金中含有质量分数为铁碳合金中含有质量分数为0.10%0.10%0.20%0.20%的杂质，的杂质，称之为工业纯铁。工业纯铁虽然塑性、导磁性良好，称之为工业纯铁。工业纯铁虽然塑性、导磁性良好，但强度较低，不适宜制作机械零件。为了提高纯铁的但强度较低，不适宜制作机械零件。为了提高纯铁的强度、硬度，常在纯铁中加入少量碳元素，可形成五强度、硬度，常在纯铁中加入少量碳元素，可形成五种基本组织。种基本组织。2.2.12.2.1铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织铁碳合金的基本组织铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体、莱氏体37铁碳合金的组元和基本相铁碳合金的组元和基本相组元组元139410006008001200温度时间16001500500700900110013001400912-Fe-Fe-Fe38(1)(1)纯铁纯铁强度低强度低,硬度低硬度低,塑性好塑性好(2)Fe(2)Fe3 3C C铁碳形成的间隙化合物铁碳形成的间隙化合物,复杂晶体结构复杂晶体结构,硬度高硬度高,伸长率几乎为伸长率几乎为0 0基本相基本相液相液相L L 化合物化合物FeFe3 3C C固溶体相固溶体相:高温铁素体高温铁素体 体心体心 铁素体铁素体 体心体心 奥氏体奥氏体 面心面心391.1.1.1.铁素体：铁素体：铁素体：铁素体：碳与碳与-Fe-Fe形成的间隙固溶体，用符号形成的间隙固溶体，用符号F F表示表示。2.2.2.2.奥氏体奥氏体奥氏体奥氏体：碳与碳与-Fe-Fe形成的间隙固溶体，用符号形成的间隙固溶体，用符号A A表示。表示。3.3.3.3.渗碳体：渗碳体：渗碳体：渗碳体：铁与碳互相作用形成的金属化合物，用符号铁与碳互相作用形成的金属化合物，用符号FeFe3 3C C表示。表示。4.4.4.4.珠光体：珠光体：珠光体：珠光体：铁素体与渗碳体组成的复相混合物，用符号铁素体与渗碳体组成的复相混合物，用符号P P表示。表示。5.5.5.5.莱氏体：莱氏体：莱氏体：莱氏体：高温莱氏体高温莱氏体高温莱氏体高温莱氏体：在在72772711481148的高温区间，由奥氏体与渗的高温区间，由奥氏体与渗碳体组成，用符号碳体组成，用符号L Ld d表示。表示。低温莱氏体：低温莱氏体：低温莱氏体：低温莱氏体：在在727727以下，由珠光体与渗碳体组成，以下，由珠光体与渗碳体组成，用符号用符号L Ld d表示。表示。402.2.22.2.2铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金相图铁碳合金相图41表2-1 FeFe3C相图中的特性点符号温度（）含碳量（%）说明A15380纯铁的熔点C11484.30共晶点D12276.69渗碳体的熔点E11482.11碳在-Fe中的最大溶解度F11486.69渗碳体的成分点G9120-Fe与-Fe同素异构转变点K7276.69Fe3C的成分点P7270.0218碳在-Fe中的最大溶解度S7270.77共析点Q600（室温）0.0057（0.0008）600（或室温）时碳在-Fe中的溶解度42FeFeFeFeFeFeFeFe3 3 3 3C C C C相图的主要线性特点：相图的主要线性特点：相图的主要线性特点：相图的主要线性特点：ACDACD为液相线，此线以上区域均为液体，用为液相线，此线以上区域均为液体，用L L表示。表示。AECFAECF为固相线，此线下为固态区。为固相线，此线下为固态区。ECFECF为共晶线，金属业冷却到此线时，将发生共晶转为共晶线，金属业冷却到此线时，将发生共晶转 变，从金属液中结晶出莱氏体。变，从金属液中结晶出莱氏体。GSGS是从奥氏体中开始析出铁素体的临界温度线，也称是从奥氏体中开始析出铁素体的临界温度线，也称A A3 3线。线。ESES是碳在奥氏体中的溶解度线，也称是碳在奥氏体中的溶解度线，也称A Acmcm线。线。PSKPSK为共析线，也称为共析线，也称A A1 1线。线。PQPQ是碳在铁素体中的溶解度线。是碳在铁素体中的溶解度线。43共晶反应：共晶反应：一种液相在平衡状态下结晶时同时生成两种一种液相在平衡状态下结晶时同时生成两种固相的反应。固相的反应。共析反应：共析反应：一种固相在恒温下结晶时同时生成了两种固一种固相在恒温下结晶时同时生成了两种固相的反应。相的反应。通过相图可以分析不同成分的合金的结晶过程。结晶过通过相图可以分析不同成分的合金的结晶过程。结晶过程中会出现不同的结晶反应，最常用的二元合金的结晶程中会出现不同的结晶反应，最常用的二元合金的结晶过程可分为过程可分为共晶反应、共析反应、匀晶反应、包晶反应共晶反应、共析反应、匀晶反应、包晶反应等基本类型。等基本类型。44通常根据铁碳合金含碳量和室温组织的特点，由通常根据铁碳合金含碳量和室温组织的特点，由FeFeFeFe3 3C C相图中的相图中的P P点点和和E E点将铁碳合金分为工业纯铁、钢及白口铸铁三类。点将铁碳合金分为工业纯铁、钢及白口铸铁三类。工业纯铁工业纯铁是指是指P P点以左的铁碳合金（含碳量小于点以左的铁碳合金（含碳量小于0.0218%0.0218%），室温组织为铁素体），室温组织为铁素体+少量三次渗碳体。工业纯铁的性能特点是塑性韧性好，硬度和强度较低。少量三次渗碳体。工业纯铁的性能特点是塑性韧性好，硬度和强度较低。钢钢是指高温固态组织为单相固溶体的一类铁碳合金，相图中是指高温固态组织为单相固溶体的一类铁碳合金，相图中P P点成分与点成分与E E点成分之间的铁碳合金（含碳量点成分之间的铁碳合金（含碳量0.0218%0.0218%2.11%2.11%），具有良好的塑性，），具有良好的塑性，适于锻造、轧制等压力加工，根据室温组织的不同又分为亚共析钢、共适于锻造、轧制等压力加工，根据室温组织的不同又分为亚共析钢、共析钢和过共析钢三种。析钢和过共析钢三种。白口铸铁白口铸铁是指是指E E点成分以右（含碳量点成分以右（含碳量2.11%2.11%6.69%6.69%）的铁碳合金。白口铸铁有较）的铁碳合金。白口铸铁有较低的熔点，流动性好，便于铸造，脆性大。根据室温组织的不同，白口低的熔点，流动性好，便于铸造，脆性大。根据室温组织的不同，白口铸铁又分为亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁三类。铸铁又分为亚共晶白口铸铁、共晶白口铸铁和过共晶白口铸铁三类。（1 1）铁碳合金分类）铁碳合金分类）铁碳合金分类）铁碳合金分类FeFeFeFeFeFeFeFe3 3 3 3C C C C合金组织、成分和温度的变化规律合金组织、成分和温度的变化规律合金组织、成分和温度的变化规律合金组织、成分和温度的变化规律45（2 2）工业纯铁的组织状态变化规律）工业纯铁的组织状态变化规律）工业纯铁的组织状态变化规律）工业纯铁的组织状态变化规律 奥氏体奥氏体A A 降温至降温至GSGS和和GPGP之间的区域时，成为之间的区域时，成为A+FA+F 降温至降温至PQPQ以下时转变成以下时转变成F+FeF+Fe3 3C C（3 3）钢的组织状态变化规律）钢的组织状态变化规律）钢的组织状态变化规律）钢的组织状态变化规律 冷却至冷却至AEAE以下时，转变为以下时，转变为A A 亚共析钢经亚共析钢经GSGS转变为转变为A+F,A+F,经经PSKPSK线时，线时，A A转为转为P P，到室，到室 温转变为温转变为P+FP+F 共析钢共析钢S S点时转变为点时转变为P P 过共析钢至过共析钢至ESES线时，析出线时，析出Fe3CFe3C,经经PSKPSK时，时，A A转变为转变为P,P,46对力学性能的影响对力学性能的影响472.3碳碳素素钢钢 碳素钢简称碳钢，在现代工业生产所使用的钢铁材料碳素钢简称碳钢，在现代工业生产所使用的钢铁材料中占据十分重要的地位。由于碳钢具有冶炼、加工容易、中占据十分重要的地位。由于碳钢具有冶炼、加工容易、价格低廉、工艺性能良好，力学性能能够满足工农业生产价格低廉、工艺性能良好，力学性能能够满足工农业生产的使用要求，是工农业生产中用量最大的金属材料。在汽的使用要求，是工农业生产中用量最大的金属材料。在汽车工业中，钢铁材料的用量占汽车用材总量的车工业中，钢铁材料的用量占汽车用材总量的70%70%左右。左右。常用的碳素钢，含碳量小于常用的碳素钢，含碳量小于1.3%1.3%。实际上，碳素钢。实际上，碳素钢除含有除含有FeFe和和C C两种元素外，同时含有少量的硫、磷、硅、两种元素外，同时含有少量的硫、磷、硅、锰等杂质元素。这些杂质通常是由炼钢原材料带入或锰等杂质元素。这些杂质通常是由炼钢原材料带入或者由于冶炼工艺需要而有意加入的一些物质，它们的者由于冶炼工艺需要而有意加入的一些物质，它们的存在对钢铁的性能影响较大，尤其是硫、磷的含量应存在对钢铁的性能影响较大，尤其是硫、磷的含量应该严格控制在要求的范围内。该严格控制在要求的范围内。2.3.12.3.1碳素钢的组成元素碳素钢的组成元素碳素钢的组成元素碳素钢的组成元素48冷脆性冷脆性有害有害矿石中矿石中P热脆性热脆性有害有害矿石中矿石中S弱脱氧剂，可提高钢材强度弱脱氧剂，可提高钢材强度有益有益炼钢时残留炼钢时残留Mn强脱氧剂，可以细化晶粒强脱氧剂，可以细化晶粒有益有益炼钢时残留炼钢时残留Si作用作用来源来源长存杂质对碳素钢性能的影响：长存杂质对碳素钢性能的影响：长存杂质对碳素钢性能的影响：长存杂质对碳素钢性能的影响：49 1 1）按）按C C含量低含量低C C钢钢w(C)0.25%w(C)0.25%中中C C钢钢 0.25%0.25%w(C)0.6%w(C)0.6%高高C C钢钢w(C)w(C)0.6%0.6%2 2）按质量分（）按质量分（S S、P P含量）含量）普通碳素钢；优质碳素普通碳素钢；优质碳素钢；高级优质碳素钢。钢；高级优质碳素钢。3 3）按用途分）按用途分 碳素结构钢、碳素工具钢。碳素结构钢、碳素工具钢。2.3.22.3.2碳素钢的分类碳素钢的分类碳素钢的分类碳素钢的分类501 1碳素结构钢碳素结构钢 碳素结构钢的平均含碳量在0.06%0.38%范围内，其中含有的有害元素和非金属夹杂物较多，但性能上能满足一般工程结构及普通零件的要求，因而工程上应用较广。碳素结构钢具有较高的强度，良好的塑性和韧性，优良的工艺性能，通常以型材、板材、管材等形式用于桥梁建筑等工程构件及机械零件。在汽车零部件中，可用碳素结构钢制造的有螺钉、螺母圈、法兰轴、制动器底板、车厢板件、发电机支架、拉杆、销、键等。2.3.32.3.3碳素钢的牌号性能及用途碳素钢的牌号性能及用途碳素钢的牌号性能及用途碳素钢的牌号性能及用途牌号牌号 如如 Q215BQ215B，表示，表示 s 215 MPa 215 MPa（厚度（厚度 16mm16mm），），B B级质量。级质量。51碳素结构钢的机械性能碳素结构钢的机械性能(GB/T700-1988)(GB/T700-1988)牌牌号号等等级级拉拉 伸伸 试试 验验冲击试验冲击试验屈服点屈服点 s，MPa抗拉抗拉强度强度 b b/MPa伸长率伸长率 s ,%温度温度V V型冲型冲击功击功(纵向纵向)J钢材厚度钢材厚度(直径直径)，mm钢材厚度钢材厚度(直径直径),),mm164060100150150164060100150150不小于不小于不小于不小于不小于不小于Q195195315-39033Q215A/B215195175165335-41031292726/20/27Q235A/BC/D235215195185375-46026242221/200/-20/27Q255A/B255235215205410-51024222019/20/27Q275275255235225490-6102018161552用途用途钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。钢板、钢筋、型钢等，作桥梁、建筑等构件。多边型角钢多边型角钢螺钉、铆钉螺钉、铆钉钢筋、螺纹钢钢筋、螺纹钢建筑构件建筑构件钢桥梁钢桥梁532 2优质碳素结构钢优质碳素结构钢优质碳素结构钢中的硫、磷及非金属夹杂物的含量较优质碳素结构钢中的硫、磷及非金属夹杂物的含量较少，常用于制造重要的机械零件，使用前一般要经过热少，常用于制造重要的机械零件，使用前一般要经过热处理来改善力学性能。汽车零部件中，可用其制造的有处理来改善力学性能。汽车零部件中，可用其制造的有飞轮齿环、连杆、曲轴、气门弹簧、气门推杆、活塞油飞轮齿环、连杆、曲轴、气门弹簧、气门推杆、活塞油环制片、离合器从动盘等。环制片、离合器从动盘等。牌号牌号 如如 45 45 钢，含钢，含C C量为量为 0.45%0.45%。54牌号牌号优质碳素结构钢的优质碳素结构钢的用途用途举举例例1010F用来制造用来制造锅锅炉管、油桶炉管、油桶顶顶盖、盖、钢带钢带、钢处钢处、钢钢板和型材，用于制造机械零件板和型材，用于制造机械零件2015F用于不用于不经经受很大受很大应应力而要求力而要求韧韧性的各种机械零件，如拉杆、性的各种机械零件，如拉杆、轴轴套、螺套、螺钉钉、起重、起重钩钩等；等；也用于制造在也用于制造在6.0 010 06 6Pa（约约60个大气个大气压压）、）、4500以下非腐以下非腐蚀蚀介介质质中使用的管子等；中使用的管子等；还还可以用于心部可以用于心部强强度不大的渗碳与碳氮共渗零件，如度不大的渗碳与碳氮共渗零件，如轴轴套、套、链链条的条的滚滚子、子、轴轴以及不重以及不重要的要的齿轮齿轮、链轮链轮等等35用于用于热锻热锻的机械零件，冷拉和冷的机械零件，冷拉和冷顶锻钢顶锻钢材，无材，无缝钢缝钢管，机械制造中的零件，如管，机械制造中的零件，如转轴转轴、曲曲轴轴、轴销轴销、拉杆、拉杆、连连杆、横梁、星杆、横梁、星轮轮、套、套简简、轮轮圈、圈、钩环钩环、垫垫圈、螺圈、螺钉钉、螺母等；、螺母等；还还可用来可用来铸铸造汽造汽轮轮，机机身、，机机身、轧钢轧钢机机身、机机身、飞轮飞轮等等40用来制造机器的运用来制造机器的运动动零件，如零件，如辊辊子、子、轴轴、曲柄、曲柄销销、传动轴传动轴、活塞杆、活塞杆、连连杆、杆、圆盘圆盘等等45用来制造蒸汽用来制造蒸汽涡轮涡轮机、机、压缩压缩机、机、泵泵的运的运动动零件；零件；还还可以用来代替渗碳可以用来代替渗碳钢钢制造制造齿轮齿轮、轴轴、活塞活塞销销等零件，但零件需等零件，但零件需经经高高频频或火焰表面淬火，并可用作或火焰表面淬火，并可用作铸铸件件55用于制造用于制造齿轮齿轮、连连杆、杆、轮轮圈、圈、轮缘轮缘、扁、扁弹弹簧及簧及轧辊轧辊等，也可用作等，也可用作铸铸件件65用于制造气用于制造气门弹门弹簧、簧、弹弹簧圈、簧圈、轴轴、轧辊轧辊、各种、各种垫垫圈、凸圈、凸轮轮及及钢丝绳钢丝绳等等70用于制造用于制造弹弹簧簧55较重要的零件，如齿较重要的零件，如齿轮、轴、连杆、弹簧等。轮、轴、连杆、弹簧等。热处理：热处理：渗碳、淬火、回火等。渗碳、淬火、回火等。用途用途56上海桑塔纳发动机曲轴就是采用优质上海桑塔纳发动机曲轴就是采用优质5050号号中碳素钢锻制而成，先正火后半精加工，中碳素钢锻制而成，先正火后半精加工，最后经中频淬火后再精加工最后经中频淬火后再精加工 。汽车曲轴汽车曲轴573 3碳素工具钢碳素工具钢碳素工具钢属于共析、过共析钢，强度高，硬度高，碳素工具钢属于共析、过共析钢，强度高，硬度高，耐磨性好，塑性、韧性差，适于制造各种低速切削工耐磨性好，塑性、韧性差，适于制造各种低速切削工具，经热处理后使用。具，经热处理后使用。牌号牌号 如如 T12A T12A 钢，含钢，含C C量为量为 1.2%1.2%，A A表示高级优质，表示高级优质，w(S)w(S)0.020%0.020%，w(P)w(P)0.030%0.030%。58几种常用碳素工具钢性能及用途牌号牌号主要性能主要性能用途用途T7、T7A承受冲承受冲击击、韧韧性性较较好，硬度适好，硬度适当当扁扁铲铲、手、手钳钳、大、大锤锤、改、改锥锥、木工工、木工工具具T8、T8A承受冲承受冲击击、硬度、硬度较较高高冲冲头头、压缩压缩空气工具、木工工具空气工具、木工工具T8Mn、T8MnA承受冲承受冲击击、硬度、硬度较较高、淬透性高、淬透性较较大大冲冲头头、压缩压缩空气工具、木工工具、空气工具、木工工具、断面断面较较大的工具大的工具T9、T9A、T10、T10A韧韧性性较较好、硬度好、硬度较较高高冲冲头头、木工工具、木工工具、凿凿岩工具岩工具T11、T11A不受不受剧剧烈冲烈冲击击、硬度高、耐磨、硬度高、耐磨性好性好车车刀、刨刀、冲刀、刨刀、冲头头、丝锥丝锥、钻头钻头、手手锯锯条条T12、T12A不受冲不受冲击击、硬度高、耐磨性好、硬度高、耐磨性好锉锉刀、刮刀、量具刀、刮刀、量具T13、T13A不受冲不受冲击击、硬度高、耐磨性很、硬度高、耐磨性很好好刮刀、剃刀刮刀、剃刀59用途用途冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。冲头、凿子、钻头、锉刀、量规等。螺纹量规螺纹量规热处理热处理：淬火：淬火 +低温回火低温回火组织组织：回火回火M M 粒状粒状FeFe3 3C C +A+A 604 4铸钢铸钢W(c)=0.15W(c)=0.150.6%0.6%应用应用:结构复杂零件结构复杂零件,如曲轴、箱体轴承座如曲轴、箱体轴承座.牌号牌号:如如ZG340-640ZG340-640铸铸钢钢截截止止阀阀后桥壳后桥壳61几种常用铸钢的性能和用途牌号主要性能用途ZG200400良好的韧性、塑性和焊接性能用于受力不大，韧性好的机械零件，如机座、变速器壳、减速器壳体等ZG230450较高的强度和较好的塑性、韧性和焊接性能用于受力不大，韧性好的机械零件，如砧座、外壳、轴承座、底板、箱体等ZG270500较高的强度和较好的塑性，铸造性能好，焊接性能和切削性能好用途广泛，用于轧钢机机架、轴承座、连杆、箱体、曲轴、缸体、飞轮等622.4钢的热处理钢的热处理 钢的热处理是将钢在固态下进行加热、保温和冷钢的热处理是将钢在固态下进行加热、保温和冷却，以消除毛坯却，以消除毛坯 （铸件、锻件等）的缺陷，改善钢的（铸件、锻件等）的缺陷，改善钢的加工工艺性能。加工工艺性能。预备热处理预备热处理（又称中间热处理）是零件加工过程中的一道工序，目（又称中间热处理）是零件加工过程中的一道工序，目的为后续的机械加工或进一步的热处理做准备。的为后续的机械加工或进一步的热处理做准备。最终热处理最终热处理是工件经切削加工等成形工艺而得到最终的形状和尺寸是工件经切削加工等成形工艺而得到最终的形状和尺寸后，再进行的赋予工件所需使用性能的热处理。后，再进行的赋予工件所需使用性能的热处理。根据根据加热和冷却方式的不同和组织性能的变化特点加热和冷却方式的不同和组织性能的变化特点不同，分为：不同，分为：普通热处理普通热处理（退火、正火、淬火、回火等）；（退火、正火、淬火、回火等）；表面热处理表面热处理（表面淬火和渗碳、渗氮、渗硼等的化学热处理）；（表面淬火和渗碳、渗氮、渗硼等的化学热处理）；特殊热处理特殊热处理（形变热处理和磁场热处理）。（形变热处理和磁场热处理）。根据在零件生产工艺流程中的位置和作用，分根据在零件生产工艺流程中的位置和作用，分预备热处理预备热处理最终热处理最终热处理63由加热、保温和冷却三个阶段组成。因此，要了解各由加热、保温和冷却三个阶段组成。因此，要了解各种热处理方法对钢的组织和性能的影响，必须研究钢在加种热处理方法对钢的组织和性能的影响，必须研究钢在加热、保温和冷却过程中的组织转变规律。热、保温和冷却过程中的组织转变规律。热处理的工艺过程热处理的工艺过程64钢的加热和冷却时各临界点的实际位置钢的加热和冷却时各临界点的实际位置652.4.12.4.1钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变钢在加热时的组织转变 加热是各种热处理必不可少的第一道工序。加热的目加热是各种热处理必不可少的第一道工序。加热的目的是使钢部分或完全处于奥氏体状态