钢铁材料基础知识

1、一、什么是钢铁 钢铁是铁与C、Si、Mn、P、S以及少量的其他元素所组成的合金。其中除Fe外，C的含量对钢铁的机械性能起着主要作用，故统称为铁碳合金。合金：由两种或两种以上的金属或非金属所组成的具有金属特性的物质具有金属特性的物质。金属:具特有光泽而不透明（对可见光强烈反射的结果），富有延展性及导热性、导电性的这一类物质。锑质坚而脆，容易粉碎，有光泽，无延性和展性。冶金工业分类法：黑色金属黑色金属：铁、铬、锰三种 有色金属有色金属：铁、铬、锰以外的全部金属。根据密度分类法：轻金属轻金属：（密度小于4.5g/cm3）钾、钠、钙、镁、铝等重金属重金属：（密度大于4.5g/cm3）锌、铁、锡、铅、铜

2、等还可以把金属分为：常见金属常见金属：如铁、铝、铜、锌等稀有金属稀有金属：如锆、铪、铌、钽等 根据结构的不同，合金主要类型合金主要类型是：(1)混合物合金（共熔混合物），当液态合金凝固时，构成合金的各组分分别结晶而成的合金，如焊锡、铋镉合金等；(2)金属互化物合金，各组分相互形成化合物的合金，如铜、锌组成的黄铜（-黄铜、-黄铜和-黄铜）等。(3)固熔体合金，当液态合金凝固时形成固溶体的合金，如金银合金等；所谓固溶体是指合金在固态下，一种组元的晶格内溶有其他原子而形成物一种晶体相。当溶质元素含量很少时，固溶体性能与溶剂金属性能基本相同。但随溶质元素含量的增多，会使金属的强度和硬度升高，而塑性和韧

3、性有所下降，这种现象称为固溶强化。置换固溶体和间隙固溶体都会产生固溶强化现象。适当控制溶质含量，可明显提高强度和硬度，同时仍能保证足够高的塑性和韧性，所以说固溶体一般具有较好的综合力学性能晶体：固有规则的几何外形的固体叫晶体。晶体内部结构中的质点(原子、离子、分子)有规则地在三维空间呈周期性重复排列，组成一定形式的晶格，外形上表现为一定形状的几何多面体。晶体有三个特征：(1)晶体有整齐规则的几何外形；(2)晶体有固定的熔点，在熔化过程中，温度始终保持不变；(3)晶体有各向异性的特点。点缺陷：在三维尺寸均很小，只在某些位置发生，只影响邻近几个原子。线缺陷：在二维尺寸小，在另一维尺寸大，可被电镜观

4、察到。面缺陷：在一维尺寸小，在另二维尺寸大，可被光学显微镜观察到。体缺陷：在三维尺寸较大，如镶嵌块，沉淀相，空洞，气泡等。晶体的缺陷，导致晶格处于畸变状态，在常温下常对金属的塑性变形起阻碍作用，从而使金属材料的硬度与强度有所提高。二、钢铁是怎样炼成的磁铁矿的化学成分为Fe3O4赤铁矿的化学成分为Fe2O3褐铁矿属于含铁矿物的风化产物（Fe2O3nH2O），成分不纯，水的含量变化也很大。高炉生产时从炉顶装入铁矿石、焦炭、造渣用熔剂（石灰石），从位于炉子下部沿炉周的风口吹入经预热的空气。在高温下焦炭（有的高炉也喷吹煤粉、重油、天然气等辅助燃料）中的碳同鼓入空气中的氧燃烧生成的一氧化碳和氢气，在炉内

5、上升过程中除去铁矿石中的氧，从而还原得到铁。炼出的铁水从铁口放出。铁矿石中未还原的杂质和石灰石等熔剂结合生成炉渣，从渣口排出。产生的煤气从炉顶排出，经除尘后，作为热风炉、加热炉、焦炉、锅炉等的燃料。高炉炼铁1、炼钢是以生铁(铁水和生铁锭)和废钢为主要原料，此外，还需要加入熔剂(石灰石、萤石)、氧化剂(O2、铁矿石)和脱氧剂(铝、硅铁、锰铁)等。2、炼钢实质上是一个氧化过程。主要任务是利用氧化作用将碳及其他杂质元素减少到规定的化学成分范围之内。3、炼钢的主要任务是：脱碳并将其含量调整到一定范围；除杂质；脱磷、脱硫脱氧除去气体及非金属夹杂物A. 调速钢液的成分和温度；炼钢三、钢铁的性能与分类材料的

6、使用性能使用性能包括物理性能(如比重、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等)、化学性能(耐腐蚀性、抗氧化性)，力学性能（也叫机械性能）。材料的工艺工艺性能性能指材料适应冷、热加工方法的能力。材料的力学性能包括强度、硬度、韧性等。1、强度强度：材料在外力(载荷)作用下，抵抗变形和断裂的能力。材料单位面积受载荷称应力。2、塑性塑性：塑性变形：外力去处后，不能恢复的变形，即残余变形称塑性变形。材料能经受较大塑性变形而不破坏的能力，称为材料的塑性或延伸性。拉伸试样 阶段为弹性阶段弹性阶段 。拉伸初期 应力应变曲线为一直线，此阶段应力最高限称为材料的比例极限e.（弹性极限） 阶段为屈服阶段屈服阶段 。

7、当应力增加至一定值时，应力应变曲线出现水平线段(有微小波动)，在此阶段内，应力几乎不变，而变形却急剧增长，材料失去抵抗变形的能力，这种现象称屈服，相应的应力称为屈服应力或屈服极限，并用s表示。阶段为强化阶段强化阶段。经过屈服后，材料又增强了抵抗变形的能力。强化阶段的最高点所对应的应力，称材料的强度极限。用b表示，强度极限是材料所能承受的最大应力。阶段为颈缩阶段颈缩阶段。当应力增至最大值b后，试件的某一局部显著收缩，最后在缩颈处断裂。 强度指标比值s s/ /b b称为，是一个重要的指标。比值越大，越能发挥材料的潜力，减少工程结构自重。但为了使用安全，也不宜过大，一般合理的比值在0.65-0.7

8、5之间。塑性指标韧性指标 外力的瞬时冲击作用所引起的变形和应力比静载荷大得多，因此在设计承受冲击载荷的零件和工具时，不仅要满足强度、塑性、硬度等性能要求，还必须有足够的韧性。 韧性是指金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。 根据功能原理可知：摆锤冲断试样所消耗的功AK=mgh1-mgh2。AK称为冲击吸收功，单位焦耳（J），用AK除以试样缺口处的横截面积所得的商即为该材料的冲击韧度，用符号K表示，即： 金属在循环应力作用下能经受无限多次循环，而不断裂的最大应力值称为金属的疲劳强度疲劳指标硬度指标 金属材料抵抗其他更硬物体压入表面的能力称为硬度，是衡量材料软硬程度的判据，它表征材料抵抗表面局部弹性

9、变形、塑性变形或抵抗破坏的能力。硬度不是一个简单的物理概念，而是材料弹性、塑性、强度和韧性等力学性能的综合指标。材料的硬度越高，其耐磨性越好。硬度试验根据其测试方法的不同可分为静压法（如布氏硬度HB、洛氏硬度HR、维氏硬度HV等）、划痕法（如莫氏硬度）、回跳法（如肖氏硬度HS、里氏硬度HL）及显微硬度、邵氏硬度HS、巴氏硬度HBa等多种方法。各种测试方法均有优缺点及适用条件。邵氏硬度的测试方法：邵氏硬度的测试方法：用邵氏硬度计插入被测材料，表盘上的指针通过弹簧与一个刺针相连，用针刺入被测物表面，表盘上所显示的数值即为硬度值。邵氏一般用于橡胶类材料上。邵氏硬度的描述方法分A、D两种，分别代表不同

10、的硬度范围，90度以下的用邵氏A硬度计测试，并得出数据，90度及以上的用邵氏D硬度计测试并得出数据。分别表述为邵氏HAxx或邵氏HDxx。 布氏硬度是用单位压痕面积的力作为布氏硬度值的计量即试验力除以压痕表面积，符号用HBS（用淬火钢球压头）或HBW（用硬质合金压头）表示，即： 优点优点是测定的数据准确、稳定、数据重复性强，常用于测定退火、正火、调质钢、铸铁及有色金属的硬度。布氏硬度试验还可用于有色金属和软钢，采用小直径球压头可以测量小尺寸和较薄材料。 缺点缺点是对不同材料需要更换压头和改变载荷，且压痕较大，压痕直径的测量也较麻烦，易损坏成品的表面，故多用于原材料和半成品的检测，不宜在成品上进

11、行试验。布氏硬度洛氏硬度洛氏硬度是用压痕深度作为洛氏硬度值的计量即，符号用HR表示，其计算公式为： HRA：是采用60kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度极高的材料(如硬质合金等)。 HRB：是采用100kg载荷和直径1.58mm淬硬的钢球，求得的硬度，用于硬度较低的材料(如退火钢、铸铁等)。 HRC：是采用150kg载荷和钻石锥压入器求得的硬度，用于硬度很高的材料(如淬火钢等)。 优点优点是操作迅速、简便，硬度值可从表盘上直接读出；洛氏硬度试验采用了3种压头，6种试验力，根据金属材料材质、硬度范围及尺寸的不同，共有15个标尺可供选择，可以测试从很软到很硬几乎全部常见的金属材料，应用范围

12、十分广阔。洛氏硬度计在工业生产中得到了广泛应用，成为检验产品质量，确定合理加工工艺的主要手段。可测试各种黑色和有色金属，测试淬火钢、回火钢、退火钢、表面硬化钢、各种厚度的板材、硬质合金材料、粉末冶金材料、热喷涂层的硬度。 缺点缺点是精确性较低，硬度值重复性差、分散度大，通常需要在材料的不同部位测试数次，取其平均值来代表材料的硬度。此外，用不同标尺测得的硬度值彼此之间联系，也不能直接进行比较。 洛氏硬度无单位，须标明硬度标尺符号，在符号前面写出硬度值，如58HRC、76HRA。 维氏硬度维氏硬度也是以单位压痕面积的力作为硬度值计量。试验力较小，压头是锥面夹角为136的金刚石正四棱锥体，见图所示。

13、维氏硬度用符号HV表示。 优点优点是可测软、硬金属，特别是极薄零件和渗碳层、渗氮层的硬度，其测得的数值较准确，并且不存在布氏硬度试验那种载荷与压头直径比例关系的约束。此外，维氏硬度也不存在洛氏硬度那样不同标尺的硬度无法统一的问题，而且比洛氏硬度能更好地测定薄件或薄层的硬度。缺点缺点是硬度值的测定较为麻烦，工作效率不如洛氏硬度，因此不太适合成批生产的常规检验。金属材料的工艺性能 铸造性能：浇注时，液体能充满铸型并得到优质铸件的能力。锻造性能：材料进行压力加工的性能。焊接性能：材料进行焊接及保证焊缝质量的能力。切削性能：进行机械加工的能力。成型性能：拉、压、拔、冲等纯金属的结晶过程晶粒越细小，强度

14、、硬度越高，塑性、韧性越好。晶粒大小的控制方法：加快冷却速度；变质处理；1.振动；变质处理:有意地向液态金属中加入某些变质剂,以细化晶粒和改善组织,达到提高材料性能的目的。 变质处理就是向金属液体中加入一些细小的形核剂（又称为孕育剂或变质剂），使它在金属液中形成大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细小的铸造晶粒。变质处理是目前工业生产中广泛使用的方法。镓, 一种很容易结成大块单晶的金属 纯金属的冷却曲线理论结晶温度和实际结晶温度之差称为试验研究指出，金属结晶时的过冷度并不是一个恒定值，而是与冷却速度有关，冷却速度越大，过冷度就越大，金属的实际结晶温度也就越低。纯铁的冷却曲线金属在固态下，由

15、一种晶格转变为另一种晶格的过程，称为。晶体只有7种形状（对应于7个晶系），14种型式。它们是简单立方、体心立方、面心立方；简单三方；简单六方；简单四方、体心四方；简单正交、底心正交、体心正交、面心正交；简单单斜、底心单斜；简单三斜格子等。铅锑二元合金状态图如果从一定化学成分的液体合金中同时结晶出两种固相物质，则该转变过程称为(共晶反应)，其结晶产物称为。实验证明；共晶转变是在恒温下进行的。A点：点： 纯组元铅的溶点（纯组元铅的溶点（327） 二元合金相图的分析B点：点： 纯组元锑的熔点（纯组元锑的熔点（631）C点：点： 共晶点共晶点（合金在这一温度点252，从液体合金中同时结晶出Pb和Sb两

16、种晶体的复相混合物）ACE线：线： 液相线液相线（在此线以上合金全为液态，冷却到此线温度合金开始结晶，AC线 以下结晶出Pb，CE线以下结晶出Sb）DCE线：线： 固相线固相线（合金冷却到此线温度后结晶完毕，此线以下都呈固态）凡是处于点以左的合金（含Sb11%）的合金我们称为亚共晶合金。经过AC线时，亚共晶合金要先析出Pb晶体，等冷却到线时，剩下的液态合金会结晶出（PbSb）共晶体。我们把这一转变称为亚共晶转变。对凡是处于点以右的合金（含Sb11）的合金称为过共晶合金，它的转变称为过共晶转变。有限互溶二元合金状态图匀晶相图当两种组元能够按任何比例互相溶解时，就会形成无限固溶体，我们把具有这种特

17、性的合金的结晶过程称为匀晶转变。匀晶相图中，合金的结晶都是在一个温度范围内进行，结晶后都是固溶体组织，不同成分的合金仅仅是结晶温度的高低和形成固溶体的成分不同。由单相固溶体中同时析出两种晶体形成的机械混合物，这种合金的转变成为共析转变。有限互溶共析状态图ACD线 液相线，由各成分合金开始结晶温度点所组成的线，铁碳合金在此线以上处于液相。AECF线固相线，由各成分合金结晶结束温度点所组成的线。在此线以下，合金完成结晶，全部变为固体状态。ECF水平线共晶线，Wc2.11%的铁碳合金，缓冷至该线（1148）时，均发生共晶转变，生成莱氏体。E点碳在-Fe中的最大溶解度,温度1148，Wc=2.11%E

18、S线碳在奥氏体中的溶解度曲线，通常称为Acm线。碳在奥氏体中最大溶解度是E点（wC2.11），随着温度的降低，碳在奥氏体中的溶解度减小，将由奥氏体中析出二次渗碳体Fe3C。GS线奥氏体冷却时开始向铁素体转变的温度线，通常称为A3线。PSK水平线共析线，通常称为A1线。奥氏体冷却到共析线温度（727）时，将发生共析转变生成珠光体（P），wC0.0218%的铁碳合金均会发生共析转变。S点共析点，温度727，Wc=0.77%成分为S点的奥氏体，冷却到此温度时，发生共析反应：AsP（Fp+Fe3C）GP线0Wc0.0218%的铁碳合金，缓冷时，由奥氏体中析出铁素体的终了线。PQ线碳在铁素体中的溶解度曲

19、线。在727时，Wc=0.0218%，溶碳量最大，在600时，Wc=0.0057%。 在727缓冷时，铁素体随着温度降低，溶碳量减少，铁素体中多余的碳将以渗碳体（三次渗碳体Fe3C）的形式析出。一般情况下，忽略Fe3C的存在。C点共晶点，温度1148，Wc=4.3%成分为C的液相，冷却到此温度时，发生共晶反应：LcLd（AE+Fe3C）Q点600时,碳在-Fe中的溶解度Wc=0.0057%P点碳在-Fe中的最大溶解度,温度727，Wc=0.0218%D点渗碳体熔点,温度1227,Wc=6.69%A点纯铁的熔点，温度1538,Wc=0G点纯铁的同素异晶转变点，冷却到912时,发生-F-Fe 铁碳

20、合金状态图有化合物的合金状态图居里温度是指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里点温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很难改变。当温度高于居里点温度时,该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。完整的铁碳合金状态图当碳溶于Fe时形成的固溶体称铁素体(F)、溶于-Fe时形成的固溶体称奥氏体(A)，碳含量超过铁的溶解度后，剩余的碳可能以稳定态石墨形式存在，也可能以亚稳态渗碳体(Fe3C)形式存在。Fe3C有可能分解成铁和石墨稳定相。但这过程在室温下是极其缓慢的；即使加热到700，Fe3C分解成稳定相也需几年(合金中含有硅等促进石墨化元素时,Fe3C稳定性减弱)。图

21、中的实线绘出亚稳的 Fe-Fe3C系；虚线和相应的一部分实线表示稳定的Fe-C（石墨）系；包晶线 HJB，包晶点 J，包晶反应 -Fe 也称为高温铁素体。奥氏体 A 奥氏体 碳（C）溶入-Fe中所形成的固溶体。奥氏体溶碳能力较强，在1148时溶碳量最大(W(c)=2.11)，随着温度下降溶碳量逐渐减少，在727时的溶碳量为0.77。奥氏体具有一定的硬度和强度，塑性好。稳定的奥氏体属于一种铁碳合金的高温组织，当温度低于727 时，奥氏体将发生共析转变，即碳或其他合金元素从固溶体中析出，从而转变为其他类型的组织。在机械加工中（热处理），一般将钢材加温到奥氏体状态，因其塑性好，便于成形。奥氏体的显微

22、组织是多面体晶粒渗碳体（Fe3C）渗碳体是铁和碳形成的化合物。具有正交晶体结构，其晶格为复杂的正交晶格，硬度很高HBW800，塑性、韧性几乎为零，脆性很大，延伸率接近于零。渗碳体的含碳量为6.69，熔点1227。热力学稳定性不高，在一定条件下，会发生分解，形成石墨。在230以下，具有一定的磁性。渗碳体内经常固溶有其他元素。在碳钢中，一部分铁为锰所置换；在合金钢中铁为铬、钨、钼等元素所置换，形成合金渗碳体。在铁碳合金中有不同形态的渗碳体，渗碳体在钢和铸铁中一般呈片状、球状或网状。其数量、形态与分布对铁碳合金的性能有直接影响，可作为铁碳合金的重要强化相。莱氏体 Ld莱氏体 是奥氏体和渗碳体组成的机

23、械混合物（共晶体）。其含碳量为4.3。当温度高于727时，莱氏体由奥氏体和渗碳体组成，用符号Ld表示。在低于727时，莱氏体是由珠光体和渗碳体组成，用符号Ld表示，称为变态莱氏体。因莱氏体的基体是硬而脆的渗碳体，所以硬度高，塑性很差。莱氏体的显微组织可能看做是渗碳体的基体上分布着颗粒状的奥氏体或珠光体。铁素体 碳（C）溶入-Fe中所形成的固溶体。由于-Fe是体心立方晶格结构，它的晶格间隙很小，因而溶碳能力极差，在727时溶碳量最大，可达0.0218,随着温度的下降溶碳量逐渐减小，在600时溶碳量约为0.0057，在室温时溶碳量几乎等于零。因此其性能几乎和纯铁相同，铁素体的强度、硬度不高，但具有

24、良好的塑性与韧性。铁素体 Fe铁素体的显微组织与纯铁相同，呈明亮的多边形晶粒组织，有时由于各晶粒位向不同，受腐蚀程度略有差异，因而稍显明暗不同。铁素体在770以下具有铁磁性，在770以上则失去铁磁性。亚共析成分的奥氏体通过先共析析出形成铁素体。这部分铁素体称为先共析铁素体或组织上自由的铁素体。随形成条件不同，先共析铁素体具有不同形态，如等轴形、沿晶形、纺锤形、锯齿形和针状等。珠光体（P）珠光体是奥氏体发生共析转变所形成的铁素体与渗碳体的共析体。其形态为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相物，也称片状珠光体。用符号P表示，含碳量为0.77。在珠光体中铁素体占88%,渗碳体占12%,由于铁素体

25、的数量大大多于渗碳体,所以铁素体层片要比渗碳体厚得多.在球化退火条件下,珠光体中的渗碳休也可呈粒状,这样的珠光体称为粒状珠光体。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。(1)(1)工业纯铁工业纯铁 ( C % 0.0218 % )( C % 0.0218 % )结晶过程结晶过程(2)(2)共析钢共析钢 ( C % = 0.77 % )结晶过程结晶过程(3)(3)亚共析钢亚共析钢 ( C % = 0.4 % )结晶过程结晶过程(4)(4)过共析钢过共析钢 ( C % = 1.2 % )结晶过程结晶过程(5)(5)共晶白口铁共晶白口铁 ( C % = 4.3 %

26、)( C % = 4.3 % )结晶过程结晶过程( () )亚共晶白口铁亚共晶白口铁 ( C % = 3 % )( C % = 3 % )结晶过程结晶过程( () )过共晶白口铁过共晶白口铁 ( C % = 3 % )( C % = 3 % )结晶过程结晶过程标注了组织组成物的相标注了组织组成物的相图图铁碳合金的成分铁碳合金的成分- -组织组织- -性能关系性能关系C%b MPa%HB铁素体铁素体0.02250455080奥氏体奥氏体0.77-2.06250 3504045160200珠光体珠光体0.7775025180-200莱氏体莱氏体4.3300700渗碳体渗碳体6.67300800含碳

27、量与相的相对量关系：含碳量与相的相对量关系：C %F %，Fe3C %含碳量与组织关系：含碳量与组织关系：图（a）和（b）含碳量与性能关系含碳量与性能关系HB：取决于相及相对量强度：C%=0.9% 时最大塑性、韧性：随C%而实际钢铁相态曲线A1、A3、Acm各相变点是固态下铁碳合金的组织转变线，是在极其缓慢加热和冷却条 件下得到的。在实际生产中，固态相变时都有不同程度的过热度或过冷度（见右图）。为便于区别，将加热时各相变点用ACl、AC3、ACcm表示，冷却时各相变点用Arl、Ar3、Arcm表示。 在相变温度A1以下还没有发生转变而处于不稳定状态的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体有等温转变和连

28、续冷却转变两种冷却转变方式。过冷奥氏体的相变 左边曲线为过冷奥氏体转变开始线，右边曲线为过冷奥氏体等温转变终了线。 A1线以上是奥氏体稳定区；A1线以下，转变开始线的左边为过冷奥氏体区，转变终了线的右边是转变产物区，转变开始线和终了线之间为过冷奥氏体和转变产物共存区。1） 高温珠光体型转变： A 1 550 （ 1）珠光体（P） A 1 650 粗层状 约0.3 m 25HRC （ 2）索氏体（S） 650600 细层状 0.10.3 m 2535HRC （ 3）托氏体（T） 600550 极细层状 约0.1 m 3540HRC 2） 中温贝氏体型转变： 550Ms （ 1）上贝氏体（B 上

29、） 550350 羽毛状 4045HRC 脆性大，无使用价值 （2）下贝氏体（B 下 ） 350M S 黑色针状 4555HRC 韧性好，综合力学性能好 3） 低温马氏体型转变： M s M f 当 A被迅速过冷至M S 以下时，则发生马氏体（M）转变，主要形态是板条状和片状。过冷奥氏体的相变产物索式体托式体贝式体过冷奥氏体的珠光体相变马氏体是奥氏体以极大的冷却速度与极大的过冷温度形成的过饱和的-Fe体心正方正方固溶体。马氏体的组织形态有板条状和片状两种类型，主要取决于奥氏体中碳含量。1、当Wc0.20时，形成板条状低碳马氏体，有较好的强韧性；2、当Wc1.0时，形成片状（针状）高碳马氏体，性

30、能硬而脆；3、当Wc在0.20l.0时，形成片状和板条状马氏体的混合组织。 马氏体的硬度很高。这也是钢经过淬火后硬度变高的热处理原理。残余奥氏体的存在，会降低淬火钢的硬度和耐磨性，并且在工件长期使用过程中残余奥氏体会逐步转变为马氏体，使工件变形而引起尺寸的不稳定。减少残余奥氏体的措施：冷处理。即把淬火后的工件继续冷却到室温以下8050，以减少残余奥氏体的含量。马氏体（M）过冷奥氏体的连续冷却转变 共折钢连续冷却时，根据冷却速度曲线V1、V2、V3、V4与C曲线相交的位置，可估计连续冷却转变的产物。 马氏体临界冷却速度k：与冷却曲线相切，称临界冷却速度，是获得全部马氏体转变的最小冷却速度。钢中常

31、存杂质元素的影响（1） 一、 硅：在钢中是有益元素 硅是由炼钢时加入的脱氧剂带入钢中的。由于硅的脱氧能力较强，硅与钢液中的 FeO能结成密度较小的硅酸盐以炉渣的形式被除去。脱氧后钢不可避免地残留着少量硅，这些残留下来的硅能溶于铁素体，使得铁素体强化，从而提高钢的强度、硬度和弹性。因此，硅在钢中是有益元素，但作为杂质元素存在时其质量分数应不超过0.4。二、 锰：在钢中是有益元素 锰是由炼钢时加入的脱氧剂带入钢中的。锰从 FeO中夺取氧形成MnO进入炉渣。锰不能与硫化合成MnS，以减少硫对钢的有害影响，改善钢的热加工性能。在室温下，锰大部分溶于铁素体，对钢有一定的强化作用。因此，锰在钢中是有益元素

32、，但作为杂质元素存在时其质量分数应不超过0.8。钢中常存杂质元素的影响（2） 三、 硫：在钢中是有害元素 硫是由生铁和燃料带入的杂质，炼钢时难以除尽。在固态下硫不深于铁，而以 FeS的形式存在，FeS与Fe能形成低熔点的共晶体（Fe+FeS），熔点仅为985，且分布在奥氏体晶界上。当钢在10001200压力加工时，由于低熔点共晶体熔化，显著减弱晶粒之间的联系，使钢材在压力加工时沿晶界开裂，这种现象为热脆。因此，钢中硫的质量分数必须严格控制。 为了消除硫所形成的热脆，在炼钢时必须增加锰。由于 Mn与S能形成高熔点（1620）的MnS，并呈粒状分布在晶粒内，MnS在高温时有一定的塑性，从而避免了钢

33、的热脆。 硫虽然产生热脆，但对改善钢材的切削加工性能却有利。如在硫的质量分数较高的钢（ Ws0.080.45）中适当提高锰的质量分数（WMn0.701.55），可形成较多的MnS，在切削加工中MnS能起断屑作用，可改善钢的切削加工性，这种钢称为易切削钢，广泛应用于标准件等的生产。 钢中常存杂质元素的影响（3） 四、 磷：在钢中是有害元素 磷是由生铁和燃料带入的杂质，炼钢时难以除尽。磷能全部熔于铁素体，提高了铁素体的强度、硬度；但在室温下钢的塑性、韧性急剧下降，变脆，这种现象称为冷脆。所以，磷是一种有害杂质元素，因此要严格控制磷在钢中的含量。 磷的有害作用在一定条件下也可以转化，例如易切削钢，把

34、磷的含量提高到 W p 0.050.15，使铁素体脆化，从而改善钢的切削加工性能。在炮弹钢（W c 0.600.90、W Mn 0.601.0）中加入较多磷，可使钢的脆性增大，炮弹爆炸时碎片增多，增加杀伤力。合金元素在钢中的作用(1)常用的合金元素有：锰、硅、铬、镍、钨、钒、钛、锆、钴、铝、硼等。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。其中原子半径很小的合金元素（如氮、硼等）与铁形成间隙固溶体；原子半径较大的合金元素（如锰、镍、钴等）与铁形成置换固溶体。 合金元素溶入铁素体后，凡合金元素的原子半径与铁的原子半径相差越大，晶格类型越不相同，必然引起铁素体晶格畸变，产生固溶强化

35、，使铁素体的强度、硬度提高，但塑性、韧性都有下降趋势。 如下图 溶于铁素体的合金元素含量对铁素体硬度和韧性的影响。 由图可见，硅、锰能显著提高铁素体强度、硬度，但当 W si 0.6、W Mn 1.5时，将降低其韧性。而铬、镍这两个元素，在适量范围内（Wcr2%、Wni5%），不但可提高铁素体的硬度，而且能提高其韧性。为此，在合金结构中，为了获得良好强化效果，对铬、镍、硅和锰等合金元素要控制在一定含量范围内。合金元素在钢中的作用(2)在元素周期表中都是位于铁左边的过渡族金属元素，离铁越远，则其与碳的亲和力越强，形成碳化物能力越大，形成的碳化物越稳定而不易分解。通常钒、铌、锆、钛为强碳化物形成元

36、素；铬、钼、钨为中强碳化物形成元素；锰为弱碳化物形成元素。合金元素在钢中还可形成合金碳化物： （1） 合金渗碳体： 锰一般是溶入钢中渗碳体，形成合金渗碳体（Fe、Mn） 3 C；铬、钼、钨在钢中含量不大（W mo 0.53）时，形成合金渗碳体，如（Fe、Cr） 3 C、（Fe、Mo） 3 C。 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。 （2） 特殊碳化物： 特殊碳化物是与渗碳全晶格完全不同的合金碳化物，通常是由中强或强碳化物形成元素所构成的碳化物。 强碳化物形成元素，即使含量较少，但只要钢中有足够的碳，就倾向于形成特殊碳化物，即具有简单晶格的间隙相碳化物。

37、中强碳化物形成元素，只有当其含量较高（ 5）时，倾向于形成特殊碳化物。 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。 合金碳化物的种类、性能和在钢中分布状态会直接影响到钢的性能及热处理时的相变。例如，当钢中存在弥散分布的特殊碳化物时，将显著增加钢的强度、硬度与耐磨性，而不降低韧性，这对提高工具的使用性能极为有利。合金元素在钢中的作用(3) 扩大奥氏体相区 这类合金元素使A3、A1温度下降，GS线向左下方移动，这类元素大都具有面心立方晶格，如钢、锰、镍等。随自锰、镍含量增大，会使相图中奥代体区一直延展到室温下。因此，它在室温下的平衡组织是稳定的

38、单相奥氏体，这种钢称奥氏体钢。缩小奥氏体相区 这类合金元素与前者相应，使A3和A1温度升高，GS线向左上方移动，如图所示。这类元素有铝、铬、钼等，随着钢中这类元素含量增大，可使相图中奥氏体区消失，此时，钢在室温下的平衡组织是单相的铁素体，这种钢称为铁素体钢。 改变 S、E点在铁碳合金相图中位置 大多数合金元素均能使 S点、E点左移。这样共析钢中碳的质量分数不是Wc0.77，而是Wc0.77。出现共晶组织的最低碳的质量分数不再是Wc2.11，而是Wc2.11。 实验证明，含 Wc0.4的碳钢原属亚共析钢，当加入Wcr12后就成了共析钢。又如含Wc0.70.8的高速钢，由于大量合金元素的加入，在铸

39、态组织中却出现合金莱氏体，这种钢称为莱氏体钢。合金元素在钢中的作用(4)在碳素钢里适量地加入一种或几种合金元素，使钢的组织结构发生变化，从而使钢具有各种不同的特殊性能，如强度、硬度大，可塑性、韧性好，耐磨，耐腐蚀，以及其他许多优良性能。合金钢也叫特种钢。下面是一些特种钢的性能和用途： 1.钨钢、锰钢：硬度很大。 制造金属加工工具、拖拉机履带和车轴等 2.锰硅钢： 韧性特别强。 制造弹簧片、弹簧圈等 3.钼钢： 抗高温。 制造飞机的曲轴、特别硬的工具等 4.钨铬钢： 硬度大，韧性很强。 做机床刀具和模具等 5.镍铬钢：不锈钢， 抗腐蚀性能强，不易氧化 。制造化工生产上的耐酸塔、医疗器械和日常用品

40、等铁碳合金的分类钢的其他分类1、按品质分类 (1) 普通钢（P 0.045%，S 0.050%） (2) 优质钢（P、S均 0.035%） (3) 高级优质钢（P 0.035%，S 0.030%）2、按用途分类 (1) 结构钢 a.机械制造用钢：(a)调质结构钢；(b)表面硬化结构钢：包括渗碳钢、渗氨钢、表面淬火用钢；(c)易切结构钢；(d)冷塑性成形用钢：包括冷冲压用钢、冷镦用钢。 b.弹簧钢 c.轴承钢 (2) 工具钢：a.碳素工具钢；b.合金工具钢；c.高速工具钢。 (3) 特殊性能钢：a.不锈耐酸钢；b.耐热钢：包括抗氧化钢、热强钢、气阀钢；c.电热合金钢；d.耐磨钢 e.低温用钢；f

41、.电工用钢。 (4) 专业用钢 如桥梁用钢、船舶用钢、锅炉用钢、压力容器用钢、农机用钢等。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，是人们了解钢的一种共同语言。我国的钢号表示方法，根据国家标准钢铁产品牌号表示方法（GB221-79）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： 钢号中化学元素采用国际化学符号表示，例如 Si,Mn,Cr 等。 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示。 钢中主要化学元素含量（ %）采用阿拉伯数字表示。 1碳素结构钢 由 Q+数字+质量等级符号+脱氧方法符号 组成。它的钢号冠以 “

42、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（ s）为235 MPa的碳素结构钢。 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Q235-AF表示A级沸腾钢。 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 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 “

43、45 ” ，它不是顺序号，所以不能读成 45号钢。 锰含量较高的优质碳素结构钢，应将锰元素标出，例如 50Mn。 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 钢号冠以 “ T ” ，以免与其他钢类相混。 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%。 锰含量较高者，在钢号最后标出 “ Mn ” ，例如 “ T8Mn ” 。 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合

44、金结构钢 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，如 40Cr。 钢中主要合金元素，除个别微合金元素外，一般以百分之几表示。当平均合金含量 1.5%时，钢号中一般只标出元素符号，而不标明含量，但在特殊情况下易致混淆者，在元素符号后亦可标以数字 “ 1 ” ，例如钢号 “ 12CrMoV ” 和 “ 12Cr1MoV ” ，前者铬含量为 0.4-0.6%，后者为0.9-1.2%，其余成分全部相同。当合金元素平均含量 1.5%、 2.5%、 3.5% 时，在元素符号后面应标明含量，可相应表示为 2、3、4 等。例如 18Cr2Ni4WA。 钢中的钒 V、钛Ti、铝AL、硼B

45、、稀土RE等合金元素，均属微合金元素，虽然含量很低，仍应在钢号中标出。例如20MnVB钢中。钒为0.07-0.12%，硼为0.001-0.005%。 高级优质钢应在钢号最后加 “ A ” ，以区别于一般优质钢。 专门用途的合金结构钢，钢号冠以（或后缀）代表该钢种用途的符号。例如，铆螺专用的 30CrMnSi钢，钢号表示为ML30CrMnSi。 6易切削钢 钢号冠以 “ Y ” ， 以区别于优质碳素结构钢。 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 ” 。 锰含量较高者，亦在钢号后标出 “ Mn ” ，例如 “

46、Y40Mn ” 。5低合金高强度钢 钢号的表示方法，基本上和合金结构钢相同。 对专业用低合金高强度钢，应在钢号最后标明。 例如 16Mn钢，用于桥梁的专用钢种为 “ 16Mnq ” ，汽车大梁的专用钢种为 “ 16MnL ” ，压力容器的专用钢种为 “ 16MnR ” 。7弹簧钢 弹簧钢按化学成分可分为碳素弹簧钢和合金弹簧钢两类，其钢号表示方法，前者基本上与优质碳素结构钢相同，后者基本上与合金结构钢相同。 8滚动轴承钢 钢号冠以字母 “ G ” ，表示滚动轴承钢类。 高碳铬轴承钢钢号的碳含量不标出，铬含量以千分之几表示。例如 GCr15。渗碳轴承钢的钢号表示方法，基本上和合金结构钢相同。9合金

47、工具钢和高速工具钢 合金工具钢钢号的平均碳含量 1.0%时，不标出碳含量；当平均碳含量1.0%时，以千分之几表示。例如Cr12、CrWMn、9SiCr、3Cr2W8V。 钢中合金元素含量的表示方法，基本上与合金结构钢相同。但对铬含量较低的合金工具钢钢号，其铬含量以千分之几表示，并在表示含量的数字前加 “ 0 ” ，以便把它和一般元素含量按百分之几表示的方法区别开来。例如 Cr06。 高速工具钢的钢号一般不标出碳含量，只标出各种合金元素平均含量的百分之几。例如钨系高速钢的钢号表示为 “ W18Cr4V ” 。钢号冠以字母 “ C ” 者，表示其碳含量高于未冠 “ C ” 的通用钢号。 10不锈钢

48、和耐热钢 钢号中碳含量以千分之几表示。例如 “ 2Cr13 ” 钢的平均碳含量为 0.2%；若钢中含碳量 0.03%或 0.08%者,钢号前分别冠以 “ 00 ” 及 “ 0 ” 表示之，例如 00Cr17Ni14Mo2、0Cr18 Ni9等。 对钢中主要合金元素以百分之几表示，而钛、铌、锆、氮 等则按上述合金结构钢对微合金元素的表示方法标出。11焊条钢 它的钢号前冠以字母 “ H ” ，以区别于其他钢类。例如不锈钢焊丝为 “ H2Cr13 ” ，可以区别于不锈钢 “ 2Cr13 ” 。12电工用硅钢 钢号由字母和数字组成。钢号头部字母 DR表示电工用热轧硅钢，DW表示电工用冷轧无取向硅钢，D

49、Q表示电工用冷轧取向硅钢。 字母之后的数字表示铁损值（ W/kg）的100倍。 钢号尾部加字母 “ G ” 者，表示在高频率下检验的；未加 “ G ” 者，表示在频率为 50周波下检验的。 例如钢号DW470表示电工用冷轧无取向硅钢产品在50赫频率时的最大单位重量铁损值为4.7W/kg。 牌牌 号号力力 学学 性性 能能 应应 用用b/MPas /MPa%HBSHRCk/ J/Cm2Q235-A40023526工程结工程结构构45钢钢6101622955（淬（淬火）火）轴、杆轴、杆ZG310-570570310153铸钢件铸钢件ZAlSi2143450活塞活塞HT250250气缸体气缸体QT7

50、00-2 7004202270曲轴曲轴我国常见钢号举例MSP/DRILEX常用钢材举例AISI 410 AISI 410 不锈钢不锈钢AISI 410 是一种可以锻造的马氏体不锈钢。我们常说的不锈钢就是指它 (适用于CC 或 FF级要求) 。相当于我国的1 Cr13 。我们常用它制造各种各样的零件包括阀的主体，阀盖、法兰及阀芯密封件。化学成分：碳0.07-0.15， 锰最大1.00，磷最大0.25，硫最大 0.025，硅最大1.00，铬11.0-13.5， 镍最大0.75。由于含有大量的铬，410可以在空气中冷却，并仍能形成100%的马氏体AISI 4130AISI 4130 低合金钢低合金钢

51、具有良好的热处理性能、机加性能和焊接性能。它价格便宜，且原材料供应充足。适用于AA 、BB或DD、EE级要求。相当于我国的ML30CrMo钢化学成分：碳0.28-0.33，锰 0.40-0.80，磷 最大0.025，硫最大0.025，硅 0.15-0.40，铬0.80-1.20，钼0.15-0.35，铜 最大0.35，镍 最大0.35，铅 最大0.035AISI标准中碳素钢和合金钢牌号表示方法AISI标准中，碳素钢和合金钢牌号的表示方法基本相同。大都采用四位阿拉伯数字表示，间或在中间或末尾加入字母。四位数字中的前两位数字表示钢种类型极其主要合金元素含量。后两位数字表示钢的平均含碳量为万分之几的

52、数值。1. 第一位数（或第一、二位数）表示如下类别号：1碳素钢，2镍钢，3镍铬钢，4钼钢，5铬钢，61铬钒钢，8低镍铬钢，92硅锰钢，93、94、97、98铬镍钼钢。2. 第二位数（类别号为二位数者无此项）表示如下钢种或合金元素含量：碳素钢：0一般碳素钢,1易切削钢，3锰结构钢。钼钢：1铬钼钢，3和7镍铬钼钢，6和8镍钼钢，0、4、5含Mo量不同的钼钢。镍和镍铬钢：用百分数表示平均含镍量。铬钢：0铬含量较低，1铬含量较高。低镍铬钢：6、7、8、1表示镍和铬含量一定，钼含量不同。6表示钼含量0.150.25，7表示钼含量0.20.3，8表示钼含量0.30.4，1表示钼含量0.080.15。3. 第三、四位数表示含碳量平均值，以万分之几表示。有些钢号中间插入B或L：B含硼钢，L含铅钢。末尾加“H”时，表示对淬透性有一定要求的钢种。有些加前置字母“M”或“MT”：M机械级，MT机械用管材。AISI标准中不锈钢和耐热钢牌号表示方法不锈钢和耐热钢牌号表示方法AISI ：American Iron and Steel Institute 美国钢铁学会美国钢铁学会这类钢材主要采用AISI标准的编号系统，牌号由三位阿拉伯数字组成，第一位数表示钢的类别。第二、三位数表示顺序号。钢的类别号：