钢铁培训教材金相

1、 金属材料学金属材料学 学学 时：时：80学时学时 理论课：理论课：48学时学时 实验课：实验课：32学时学时 一、金属材料的历史地位一、金属材料的历史地位 l二、金属材料的分类二、金属材料的分类 l三、金属结构材料的应用情况三、金属结构材料的应用情况 l四、金属材料发展的历史四、金属材料发展的历史 l五、五、金属材料的发展现状及趋势金属材料的发展现状及趋势 l六、关于本课程六、关于本课程绪绪 论论主要内容主要内容: :一、金属材料的历史地位一、金属材料的历史地位1.1.材料是衡量人类材料是衡量人类社会文明程度社会文明程度的标志之一。的标志之一。金属材料是现代文明的基础。金属材料是现代文明的基

2、础。2.2.目前，人类还处在金属器时期。目前，人类还处在金属器时期。l比高分子材料更高的强度、模量、耐热性；比高分子材料更高的强度、模量、耐热性； l比陶瓷更高的韧性、可加工性、性能的可调节性、比陶瓷更高的韧性、可加工性、性能的可调节性、导电性；导电性；石器时代石器时代青铜器时代青铜器时代铁器时代铁器时代二、金属材料的分类二、金属材料的分类黑色黑色 金属金属有色有色 金属金属金属材料铸铁铸铁 钢钢 工程构件用钢工程构件用钢机器零件用钢机器零件用钢工具钢工具钢特殊性能用钢特殊性能用钢(不锈钢及耐热钢不锈钢及耐热钢)轻金属轻金属( (铝铝, ,镁镁, ,钛钛) )重金属重金属(铜铜,锌锌,铅铅,镍

3、镍)贵重金属贵重金属(金金,银银,铜铜)稀有金属稀有金属(钨钼钒铌钴钨钼钒铌钴) 放射金属放射金属(镭铀钍镭铀钍)三、金属结构材料的应用情况三、金属结构材料的应用情况1.1.总产量：总产量：钢铁材料钢铁材料占世界金属总产量的占世界金属总产量的9595，用量最大，且价格低廉。用量最大，且价格低廉。 l2. 2. 世界金属矿产储量：世界金属矿产储量：铁铁:5.1:5.1，非铁金属中，非铁金属中铝铝:8.8:8.8镁镁:2.1:2.1，钛，钛:0.6:0.6。3.3.非铁金属非铁金属冶炼较困难冶炼较困难，所需能源消耗大，生产成，所需能源消耗大，生产成本高，限制了生产总量的增长幅度。本高，限制了生产总

4、量的增长幅度。l4.4.非铁金属所创造的价值高，且有钢铁所不具备非铁金属所创造的价值高，且有钢铁所不具备的的特殊性能特殊性能，比强度高，耐低温、耐腐蚀等，产，比强度高，耐低温、耐腐蚀等，产量仍在迅速增长。量仍在迅速增长。z钢铁仍将是钢铁仍将是2121世纪中国结构材料的支柱世纪中国结构材料的支柱 生产能源消耗低生产能源消耗低可大批量生产可大批量生产丰富的矿产资源丰富的矿产资源低廉的生产成本和销售价格低廉的生产成本和销售价格优异的使用性能和良好的加工性能优异的使用性能和良好的加工性能 公元前公元前43004300年：自然的金、铜及锻打、热加工等工艺年：自然的金、铜及锻打、热加工等工艺公元前公元前2

5、8002800年：铁的熔炼年：铁的熔炼四、金属材料发展的历史四、金属材料发展的历史公元前公元前38003800年：人工冶炼的铜器；年：人工冶炼的铜器；公元前公元前30003000年：我国出现锡青铜年：我国出现锡青铜甘肃东乡马家甘肃东乡马家 窑文化的青铜刀（含窑文化的青铜刀（含6 61010SnSn）。）。公元前公元前20002000年：青铜器兴盛，编钟与武器（商、周、年：青铜器兴盛，编钟与武器（商、周、春秋战国）春秋战国）东汉时：反复锻打钢东汉时：反复锻打钢最原始形变热处理工艺。最原始形变热处理工艺。淬火技术淬火技术:“:“浴以五牲之溺，淬以五牲之脂浴以五牲之溺，淬以五牲之脂” ” 现代的水淬

6、、油淬。现代的水淬、油淬。我国冶铁技术在我国冶铁技术在春秋末期春秋末期有很大的突破，发明了有很大的突破，发明了生铁经退火制造韧性铸铁和以生铁制钢的技术。生铁经退火制造韧性铸铁和以生铁制钢的技术。 现代冶金技术现代冶金技术的发展自的发展自1919世纪中叶的转炉炼钢和世纪中叶的转炉炼钢和平炉炼钢开始。平炉炼钢开始。1919世纪末的电弧炉炼钢和世纪末的电弧炉炼钢和2020世纪中叶的氧气顶吹世纪中叶的氧气顶吹转炉炼钢及炉外精炼技术，使钢铁工业实现了现转炉炼钢及炉外精炼技术，使钢铁工业实现了现代化。代化。l2020世纪世纪4040年代，用镁作还原剂从四氯化钛制得纯年代，用镁作还原剂从四氯化钛制得纯钛，并

7、使真空熔炼加工等技术逐步成熟后，钛及钛，并使真空熔炼加工等技术逐步成熟后，钛及钛合金的广泛应用得以实现钛合金的广泛应用得以实现。非铁金属冶金方面非铁金属冶金方面: :1919世纪世纪8080年代发电机的发明，使电解法提纯铜的年代发电机的发明，使电解法提纯铜的工业方法得以实现，开创了电冶金新领域工业方法得以实现，开创了电冶金新领域；用熔盐电解法将氧化铝加入熔融冰晶石，电解得用熔盐电解法将氧化铝加入熔融冰晶石，电解得到廉价的铝，使铝成为仅次于铁的第二大金属到廉价的铝，使铝成为仅次于铁的第二大金属；l同时，其他非铁金属也陆续实现工业化生产同时，其他非铁金属也陆续实现工业化生产。l2020世纪中叶，新

8、金属材料研究发展迅猛。如非晶世纪中叶，新金属材料研究发展迅猛。如非晶态合金、金属基复合材料、金属间化合物结构材态合金、金属基复合材料、金属间化合物结构材料、金属纳米材料等。料、金属纳米材料等。1919世纪末，出现了新型的合金钢如高速工具钢、世纪末，出现了新型的合金钢如高速工具钢、高锰钢、镍钢和铬不锈钢，并在高锰钢、镍钢和铬不锈钢，并在2020世纪发展为门世纪发展为门类众多的合金钢体系。类众多的合金钢体系。铝合金、镁合金、铜合金、钛合金和难熔金属铝合金、镁合金、铜合金、钛合金和难熔金属及合金等也先后形成工业规模生产。及合金等也先后形成工业规模生产。上图：吴王夫差矛和越王勾践剑上图：吴王夫差矛和越

9、王勾践剑右上：青铜鼎右上：青铜鼎右下：商代青铜纵目人面像右下：商代青铜纵目人面像 上图上图 沧州铁狮子沧州铁狮子 铸于铸于953953年，重年，重4040余吨。余吨。 右图右图 当阳铁塔当阳铁塔 铸于铸于10611061年，八棱年，八棱1313层，层， 塔体分段铸造塔体分段铸造 擂鼓礅二号墓编钟复制件擂鼓礅二号墓编钟复制件 19811981年湖北擂鼓墩二号墓出土战国编钟一套，音律准确，音年湖北擂鼓墩二号墓出土战国编钟一套，音律准确，音色优美。其件数和规模仅次于曾侯乙编钟，总音域达色优美。其件数和规模仅次于曾侯乙编钟，总音域达5 5个个8 8度以上，度以上，可自己转调，奏出五声、六声、七声音阶构

10、成的各种乐曲。须五人可自己转调，奏出五声、六声、七声音阶构成的各种乐曲。须五人合作演出，众声齐发，交响叠鸣。无愧为古代音乐之绝响。合作演出，众声齐发，交响叠鸣。无愧为古代音乐之绝响。 水陆两用汽车水陆两用汽车 轻型吊轨磁悬浮列车轻型吊轨磁悬浮列车 MX-400MX-400空中汽车空中汽车 美国莫勒潜心研究美国莫勒潜心研究. .被誉为被誉为“汽车演汽车演变的里程碑变的里程碑”。飞机外形像一辆新颖别致的小汽车。空中。飞机外形像一辆新颖别致的小汽车。空中飞行依仗的是它有可转动的发动机及专门提供升力的风扇。飞行依仗的是它有可转动的发动机及专门提供升力的风扇。试用试用2 2年多来，它最高飞行时速超过了年

11、多来，它最高飞行时速超过了600600多公里，比直升多公里，比直升机快机快2 2倍，可载倍，可载4 4人，飞行最大高度人，飞行最大高度90009000米，航程米，航程15001500公里。公里。 材料的发展使汽车和飞机等性能发生了突变材料的发展使汽车和飞机等性能发生了突变 机身材料的变迁机身材料的变迁: :钢钢-铝合金铝合金-钛材料钛材料-各种复合材料各种复合材料 世 界 贸 易 大 厦 基 本世 界 贸 易 大 厦 基 本 上是用铝合金贴面的上是用铝合金贴面的. 在在 “9.11”事件中，该事件中，该 双 子 大 楼 遭 到 袭 击 ，双 子 大 楼 遭 到 袭 击 ， 毁 于 一 旦 。

12、但 它 作 为毁 于 一 旦 。 但 它 作 为 一 个 大 量 使 用 铝 合 金一 个 大 量 使 用 铝 合 金 贴 面 的 的 雄 伟 建 筑 将贴 面 的 的 雄 伟 建 筑 将 永远载入史册。永远载入史册。五、金属材料的发展现状及趋势五、金属材料的发展现状及趋势1 1继续重视高性能的新型金属材料继续重视高性能的新型金属材料高强度及超高强度金属材料高强度及超高强度金属材料超易切削钢和超高易切削钢超易切削钢和超高易切削钢高温合金与难熔合金高温合金与难熔合金 有序金属间化合物有序金属间化合物硬质合金与金属陶瓷硬质合金与金属陶瓷 金属基复合材料金属基复合材料共晶合金定向凝固材料共晶合金定向

13、凝固材料l3 3材料的设计及选用科学化材料的设计及选用科学化 l按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。按照指定的性能对材料进行结构、成分的科学设计。l2 2非晶（亚稳态）材料日益受到重视非晶（亚稳态）材料日益受到重视 超细纳米颗粒金属材料超细纳米颗粒金属材料快速冷凝金属非晶及微晶材料快速冷凝金属非晶及微晶材料本课程的目的、内容及学习要求本课程的目的、内容及学习要求1.1.目的：目的：讲授金属结构材料的物理冶金问题，使学生掌讲授金属结构材料的物理冶金问题，使学生掌握金属及合金中的化学成分、组织结构、生产握金属及合金中的化学成分、组织结构、生产过程、环境对金属材料各种性能的影响的基本过程、

14、环境对金属材料各种性能的影响的基本规律；掌握分析、解决各种金属材料的化学成规律；掌握分析、解决各种金属材料的化学成分设计、生产、热处理和使用中的问题。分设计、生产、热处理和使用中的问题。 金属材料的合金化基础理论，在论述常用类金属材料的合金化基础理论，在论述常用类型金属材料的性能要求的基础上，分析各类型金属材料的性能要求的基础上，分析各类工程构件用钢、机器零件及工模具用钢、不工程构件用钢、机器零件及工模具用钢、不锈钢、耐热及高温合金、铸铁及有色金属及锈钢、耐热及高温合金、铸铁及有色金属及其合金等的合金化特征、热处理工艺特点及其合金等的合金化特征、热处理工艺特点及选择材料与使用材料的原则和方法。

15、选择材料与使用材料的原则和方法。3.3.本课程的内容本课程的内容4. 4. 学习要求学习要求掌握金属材料合金化原理、合金元素对钢相掌握金属材料合金化原理、合金元素对钢相变、组织、性能影响的一般规律变、组织、性能影响的一般规律。 掌握常用钢、铸铁、高温合金、有色金属等掌握常用钢、铸铁、高温合金、有色金属等材料的牌号、成份、组织、力学性能和用途材料的牌号、成份、组织、力学性能和用途。能够根据工程构件、机器零件（或工具）的服能够根据工程构件、机器零件（或工具）的服役条件，役条件，合理选用材料，正确确定热处理技术合理选用材料，正确确定热处理技术条件条件。能对材料产品质量作初步分析，提出消除或预能对材料

16、产品质量作初步分析，提出消除或预防热处理缺陷的措施。防热处理缺陷的措施。5.5. 参考书目录参考书目录 戴起勋编著。戴起勋编著。金属材料学金属材料学，化学工业出版，化学工业出版社，社，20052005。 王笑天主编。金属材料学，机械工业出版社，王笑天主编。金属材料学，机械工业出版社，19871987。 王晓敏主编。工程材料学，机械工业出版社，王晓敏主编。工程材料学，机械工业出版社，19991999。Chapter 1 Chapter 1 钢铁中的合金相钢铁中的合金相1.1 1.1 碳钢概论碳钢概论1.2 1.2 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素1.3 1.3 合金钢的分类、牌号合金钢的分类、牌

17、号主主要要内内容容碳钢中的常存杂质碳钢中的常存杂质 碳钢的分类碳钢的分类 碳钢的用途碳钢的用途铁基固溶体铁基固溶体 MeMe与钢中晶体缺陷的相互作用与钢中晶体缺陷的相互作用 钢铁中的碳化物和氮化物钢铁中的碳化物和氮化物钢中的金属间化合物钢中的金属间化合物Fe-FeFe-Fe3 3C C相图及相图及MeMe的影响的影响 重点及基本要求重点及基本要求: : 1.1.了解了解碳钢中的常存元素及其影响，重点掌碳钢中的常存元素及其影响，重点掌握握碳钢的分类碳钢的分类与应用与应用; ; n2.2.第二节是第二节是本章重点本章重点。要求。要求全面全面掌握掌握MeMe对钢对钢的组织及性能的影响规律。的组织及性

18、能的影响规律。难点难点是是MeMe对钢中对钢中基本合金相结构的影响基本合金相结构的影响; ; n3.3.掌握掌握合金钢的分类、牌号合金钢的分类、牌号. . 1.1 1.1 碳钢概论碳钢概论一、碳钢中的常存杂质一、碳钢中的常存杂质-Mn-Mn和和SiSi（1 1）MnMn和和SiSi是炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存是炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。而进入钢中的。(1) (1) Mn0.8%Mn0.8%。主要固溶于铁中。产生固溶强。主要固溶于铁中。产生固溶强化作用，化作用，钢的强度和硬度。钢的强度和硬度。(2)(2)适量的适量的MnMn和和S S可形成高熔点可形成高熔点(1600)

19、MnS(1600)MnS夹夹 杂物。杂物。MnSMnS在高温下具有一定的塑性，不会使在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，在加工过程中钢发生热脆，在加工过程中MnSMnS呈条状沿轧向呈条状沿轧向分布。分布。(4)(4)夹杂物夹杂物MnSMnS、SiOSiO2 2将使钢的疲劳强度和塑性、将使钢的疲劳强度和塑性、韧性韧性。当钢中含有大量硫化物夹杂时，轧成。当钢中含有大量硫化物夹杂时，轧成钢板后会造成分层。钢板后会造成分层。(3) Si0.5%(3) Si0.5%。碳钢中的。碳钢中的SiSi一般均可溶入铁中。一般均可溶入铁中。产生固溶强化作用，产生固溶强化作用，钢的强度和硬度钢的强度和硬度; ;

20、也可也可形成形成SiOSiO2 2夹杂物。夹杂物。(2)S(2)S和和FeFe能形成能形成FeSFeS，并易于与，并易于与-Fe-Fe形成低熔形成低熔点点(989)(989)共晶。当钢凝固结晶时低熔共晶易共晶。当钢凝固结晶时低熔共晶易于沿晶界分布；若把含有硫化物共晶的钢加热于沿晶界分布；若把含有硫化物共晶的钢加热到高温，例如到高温，例如11001100以上时，共晶体就将熔化，以上时，共晶体就将熔化，因此引起轧制或锻造时的晶界碎裂因此引起轧制或锻造时的晶界碎裂( (热脆热脆) )。(1)(1)S S是炼钢时不能除尽的有害杂质是炼钢时不能除尽的有害杂质, ,在固态铁在固态铁中的溶解度极小。中的溶解

21、度极小。一、碳钢中的常存杂质一、碳钢中的常存杂质-S-S和和P P（2 2）(3)(3)若钢液脱氧不良，含有较多的若钢液脱氧不良，含有较多的FeOFeO，还会，还会形成熔点更低（形成熔点更低（940940）的（）的（Fe+FeO+FeSFe+FeO+FeS）三）三相共晶体，危害更大。相共晶体，危害更大。(4)(4)铸钢件含铸钢件含S S量高时会引起铸件在铸造应力作量高时会引起铸件在铸造应力作用下发生热裂。用下发生热裂。(5)S(5)S容易导致焊缝热裂，同时在焊接过程中，容易导致焊缝热裂，同时在焊接过程中，生成生成SOSO2 2气体，以致焊缝中产生气孔和疏松。气体，以致焊缝中产生气孔和疏松。(6

22、)P(6)P也是在炼钢过程中不能除尽的元素。也是在炼钢过程中不能除尽的元素。P P可可固溶于固溶于-Fe-Fe。但。但钢的韧性，特别是低温钢的韧性，特别是低温韧性，称为韧性，称为冷脆冷脆。此外，此外，P-FeP-Fe合金的结晶范合金的结晶范围很宽，因此围很宽，因此P P具有严重的偏析倾向。具有严重的偏析倾向。P P可以可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能。提高钢在大气中的抗腐蚀性能。 (7)S(7)S和和P P还可以改善钢的切削加工性能。还可以改善钢的切削加工性能。n应变时效应变时效含过饱和含过饱和N N的钢经受冷变形后析的钢经受冷变形后析出氮化物，使低碳钢的强硬度出氮化物，使低碳钢的强硬度，塑韧性

23、，塑韧性的的现象。现象。一、碳钢中的常存杂质一、碳钢中的常存杂质NN、H H、O O（3 3）N N是在冶炼时由炉料及炉气进入钢中的。是在冶炼时由炉料及炉气进入钢中的。含过饱和含过饱和N N的钢在室温长时间放置或稍微加热的钢在室温长时间放置或稍微加热时时,N,N逐渐以氮化铁的形式从逐渐以氮化铁的形式从F F中弥散析出中弥散析出. .使低使低碳钢的强度、硬度碳钢的强度、硬度，塑韧性，塑韧性（时效硬化时效硬化）（有害有害）。）。N N还会使低碳钢产生还会使低碳钢产生应变时效应变时效( (不利不利) ) ；N N可以与可以与V V、TiTi、NbNb等形成稳定的氮化物，有等形成稳定的氮化物，有细化晶

24、粒和沉淀强化，细化晶粒和沉淀强化，N N也可也可钢的耐热性能。钢的耐热性能。( (有利有利) )。N N是使钢产生蓝脆现象的主要原因。蓝脆是指是使钢产生蓝脆现象的主要原因。蓝脆是指钢在加热到钢在加热到150150300300时产生的硬度时产生的硬度，塑韧，塑韧性性的现象，因为钢在空气中加热到的现象，因为钢在空气中加热到150150300 300 时，由于氧化作用，钢的表面呈现蓝色。时，由于氧化作用，钢的表面呈现蓝色。（有害有害），但截断钢材时可加以利用。），但截断钢材时可加以利用。H H在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产在钢中和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。在钢中产生裂纹，生氢脆。

25、在钢中产生裂纹，钢的塑韧性；容钢的塑韧性；容易在焊缝处产生裂纹。易在焊缝处产生裂纹。O O在钢中形成硅酸盐在钢中形成硅酸盐2MnO2MnOSiOSiO2 2、MnOMnOSiOSiO2 2或复或复合氧化物合氧化物MgOMgOAlAl2 2O O3 3、MnOMnOAlAl2 2O O3 3等非金属夹杂物，等非金属夹杂物，对钢的质量有重要影响。对钢的质量有重要影响。H H是在冶炼过程中，由含水的炉料及潮湿的大是在冶炼过程中，由含水的炉料及潮湿的大气带入钢中的。气带入钢中的。二、碳钢的分类二、碳钢的分类1 1按钢中碳含量分为按钢中碳含量分为: :低碳钢，低碳钢，W WC C0.25%;0.25%;

26、中碳钢，中碳钢，0.25%0.25%W WC C0.6%;0.6%;高碳钢，高碳钢，W WC C0.6%0.6%。2 2按钢的质量（品质）分为按钢的质量（品质）分为: : 普通碳素钢：普通碳素钢：w wS S0.05%0.05%，w wP P0.045%0.045%。 优质碳素钢：优质碳素钢：w wS S0.035%0.035%，w wP P0.035%0.035%。 高级优质碳素钢：高级优质碳素钢：w wS S0.02%0.02%，w wP P0.03%0.03%。 特级优质碳素钢：特级优质碳素钢：w wS S0.015%0.015%，w wP P0.025%0.025%。 3 3按钢的用途

27、分类按钢的用途分类: :碳素工具钢：碳素工具钢：主要用于制造各种工具，如刃具、模主要用于制造各种工具，如刃具、模具、量具等。具、量具等。一般工程用一般工程用铸造碳素钢：铸造碳素钢：主要用于制造形状复杂且需一定强度、主要用于制造形状复杂且需一定强度、塑性和韧性零件。塑性和韧性零件。优质碳素结优质碳素结构钢：构钢：主要用于制造各种机器零件，如轴、主要用于制造各种机器零件，如轴、齿轮、弹簧、连杆等。齿轮、弹簧、连杆等。碳素结构钢：碳素结构钢：主要用于各种工程构件，如桥梁、船主要用于各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等。也可用于不太重要舶、建筑构件等。也可用于不太重要的机件。的机件。4 4按钢冶炼时

28、的脱氧程度分类按钢冶炼时的脱氧程度分类: :沸腾钢：沸腾钢：脱氧不彻底的钢，代号为脱氧不彻底的钢，代号为F F。镇静钢：镇静钢： 脱氧彻底的钢，代号为脱氧彻底的钢，代号为Z Z。半镇静钢：半镇静钢：脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，代号为间，代号为b b。特殊镇静钢：特殊镇静钢：进行特殊脱氧的钢，代号为进行特殊脱氧的钢，代号为TZTZ。三、碳钢的用途三、碳钢的用途 （2 2）供货状态：热轧后空冷）供货状态：热轧后空冷。一般不需再进行。一般不需再进行热处理而直接使用。热处理而直接使用。1-1-普通碳素结构钢普通碳素结构钢（1 1）C%C%在在0.060.060.38%0

29、.38%范围内，范围内，主要用于一般工主要用于一般工程结构和普通零件程结构和普通零件，它通常轧制成钢板、钢带、，它通常轧制成钢板、钢带、钢管、盘条、型钢、棒钢或各种型材（圆钢、钢管、盘条、型钢、棒钢或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、钢筋等），可供焊接、铆接、方钢、工字钢、钢筋等），可供焊接、铆接、栓接等结构件使用。应用量很大（钢总产量的栓接等结构件使用。应用量很大（钢总产量的70%70%以上）。以上）。 标志符号标志符号Q Q来源于屈服点的汉语拼音字头来源于屈服点的汉语拼音字头Q Q； 屈服点数值屈服点数值共分共分195195、215215、235235、255255、275275五个五个强度等

30、级；强度等级；（3 3）普通碳素结构钢的牌号表示方法）普通碳素结构钢的牌号表示方法由代表屈服点的字母（由代表屈服点的字母（Q Q）、屈服点数值、质）、屈服点数值、质量等级符号（量等级符号（A A、B B、C C、D D）及脱氧方法符号）及脱氧方法符号（F F、b b、Z Z、TZTZ）等四个部分按顺序组成。）等四个部分按顺序组成。等级符号等级符号：指这类钢所独用的质量等级符号，也：指这类钢所独用的质量等级符号，也按按S S、P P杂质多少来分，以杂质多少来分，以A A、B B、C C、D D四个符号代四个符号代表四个等级，其中：表四个等级，其中： lA A级级w wS S0.05%, 0.05

31、%, w wP P0.045%0.045%， lB B级级w wS S0.045%, 0.045%, w wP P0.045%0.045%， lC C级级w wS S0.04%, 0.04%, w wP P0.04%0.04%， lD D级级w wS S0.035%, 0.035%, w wP P0.035%0.035%。 n其中质量等级最高的是其中质量等级最高的是D D级，达到了碳素结构钢的级，达到了碳素结构钢的优质级，优质级，A A、B B、C C三个等级均属于普通级范围。三个等级均属于普通级范围。 Q195Q195、Q275Q275不分质量等级，不分质量等级，Q215Q215、Q235Q

32、235、Q255Q255，当质量等级为，当质量等级为“A”A”、“B”B”时，在保证时，在保证力学性能的要求下，化学成分可根据需方要求力学性能的要求下，化学成分可根据需方要求作适当调整。作适当调整。脱氧方法符号脱氧方法符号在镇静钢和特殊镇静钢的牌号中在镇静钢和特殊镇静钢的牌号中可省略。可省略。 （4 4）典型牌号、性能与用途）典型牌号、性能与用途Q195Q195、Q215Q215钢钢：含碳量很低，强度不高，但具有良好的塑性、含碳量很低，强度不高，但具有良好的塑性、韧性和焊接性能，常用作铁钉、铁丝、钢窗韧性和焊接性能，常用作铁钉、铁丝、钢窗及各种薄板等强度要求不高的工件。及各种薄板等强度要求不高

33、的工件。Q235AQ235A、Q255AQ255A：用于农机具中的拉杆、小轴、链等。也用于用于农机具中的拉杆、小轴、链等。也用于建筑钢筋、钢板、型钢等；建筑钢筋、钢板、型钢等；Q235BQ235B、Q255BQ255B：用作建筑工程中质量要求较高的焊接结构件，用作建筑工程中质量要求较高的焊接结构件，机械中一般的转动轴、吊钩、自行车架等；机械中一般的转动轴、吊钩、自行车架等；强度较高，其中强度较高，其中Q275Q275属于中碳钢，可用作制造属于中碳钢，可用作制造摩擦离合器、刹车钢带等。摩擦离合器、刹车钢带等。Q235CQ235C、Q235DQ235D：质量较好，可作一些重要的焊接结构件及机件。质

34、量较好，可作一些重要的焊接结构件及机件。Q255Q255、Q275Q275钢：钢：牌号中的牌号中的A A级钢，一般用于不经锻压加工和热处级钢，一般用于不经锻压加工和热处理的工程结构件或普通渗碳件（如制造机器中理的工程结构件或普通渗碳件（如制造机器中受力不大的铆钉、螺钉、螺母等）；有时也可受力不大的铆钉、螺钉、螺母等）；有时也可制造不重要的渗碳件。制造不重要的渗碳件。B B级钢常用以制造稍微重要的机器零件和船用钢级钢常用以制造稍微重要的机器零件和船用钢板，并可代替相应含碳量的优质碳素结构钢。板，并可代替相应含碳量的优质碳素结构钢。n（1 1）这类钢中硫、磷等有害杂质含量相对较低，这类钢中硫、磷等

35、有害杂质含量相对较低，夹杂物也较少，化学成分控制较严格，质量比普夹杂物也较少，化学成分控制较严格，质量比普通碳素结构钢好。通碳素结构钢好。用于较为重要的机件用于较为重要的机件，可以通，可以通过各种热处理调整零件的力学性能。过各种热处理调整零件的力学性能。 n（2 2）供货状态）供货状态：热轧后空冷，退火、正火等状：热轧后空冷，退火、正火等状态，一般随用户需要而定。态，一般随用户需要而定。 n（3 3）牌号：）牌号：一般用一般用两位数字两位数字表示。表示钢中表示。表示钢中平平均碳的质量分数的万倍均碳的质量分数的万倍, ,如如4545钢钢。2-2-优质碳素结构钢优质碳素结构钢专用优质碳素结构钢专用

36、优质碳素结构钢还要在牌号的头部（或尾还要在牌号的头部（或尾部）加上代表产品用途的符号，例如平均碳含量部）加上代表产品用途的符号，例如平均碳含量为为0.2%0.2%的锅炉用钢，其牌号表示为的锅炉用钢，其牌号表示为“20g”20g”等。等。优质碳素结构钢中有三个钢号是沸腾钢优质碳素结构钢中有三个钢号是沸腾钢，它们，它们是是08F08F、10F10F、15F15F。半镇静钢标。半镇静钢标“b”b”，镇静钢，镇静钢一般不标符号。一般不标符号。 高级优质碳素结构钢高级优质碳素结构钢在牌号后加符号在牌号后加符号“A”A”，特，特级碳素结构钢加符号级碳素结构钢加符号“E”E”。 优质碳素结构钢按含锰量的不同

37、，分为普通优质碳素结构钢按含锰量的不同，分为普通含锰量含锰量(Mn%=0.25(Mn%=0.250.8%)0.8%)和较高含锰量和较高含锰量(Mn%= (Mn%= 0.70.71.2%)1.2%)两组。两组。含锰量较高的一组在其数字含锰量较高的一组在其数字的尾部加的尾部加“Mn”Mn”，如，如15Mn15Mn、45Mn45Mn等。等。 注意：这类钢仍属于优质碳素结构钢，不要注意：这类钢仍属于优质碳素结构钢，不要和低合金高强度结构钢混淆。和低合金高强度结构钢混淆。10102525等钢的焊接和冷冲压性很好，可用来制等钢的焊接和冷冲压性很好，可用来制造标准件、轴套、容器等。也可以经热处理制造标准件、

38、轴套、容器等。也可以经热处理制造表面硬度高、心部有较高的强度和韧性的耐造表面硬度高、心部有较高的强度和韧性的耐磨损、耐冲击的零件。如齿轮、凸轮、销轴、磨损、耐冲击的零件。如齿轮、凸轮、销轴、摩擦片、水泥钉等。摩擦片、水泥钉等。（4 4）优质碳素结构钢共有）优质碳素结构钢共有3131个钢号。个钢号。 08F08F钢钢的碳的质量分数低、塑性好，强度较的碳的质量分数低、塑性好，强度较低。可用于各种冷变形加工成型件。低。可用于各种冷变形加工成型件。 4545等中碳钢通过适当热处理可获得良好的综等中碳钢通过适当热处理可获得良好的综合力学性能的机件及表面耐磨、心部韧性好的合力学性能的机件及表面耐磨、心部韧

39、性好的零件。如传动轴、发动机连杆、机床齿轮等。零件。如传动轴、发动机连杆、机床齿轮等。高碳碳素结构钢高碳碳素结构钢经适当热处理后可获得高的经适当热处理后可获得高的ee和屈强比以及足够的韧性和耐磨性。可制和屈强比以及足够的韧性和耐磨性。可制造小线径的弹簧、重钢轨、轧辊、铁锹、钢丝造小线径的弹簧、重钢轨、轧辊、铁锹、钢丝绳等。绳等。 3-3-碳素工具钢碳素工具钢n（1 1）平均含平均含C C量在量在0.650.651.35%1.35%范围范围; ;n主要用于主要用于制作各种小型工具。可进行淬火、制作各种小型工具。可进行淬火、低温回火处理获得高的硬度和高耐磨性。低温回火处理获得高的硬度和高耐磨性。可

40、分为优质碳素工具钢（简称碳素工具钢，可分为优质碳素工具钢（简称碳素工具钢，其其w wS S0.03%0.03%，w wP P0.035%0.035%）和高级优质碳）和高级优质碳素工具钢（素工具钢（w wS S0.02%0.02%，w wP P0.03%0.03%）两类。）两类。 n（2 2）牌号）牌号一般用标志性符号一般用标志性符号“T”T”（碳（碳字的汉语拼音字头）加上字的汉语拼音字头）加上碳的质量分数的碳的质量分数的千倍千倍表示。如表示。如T10T10，T12T12等。一般优质碳素等。一般优质碳素工具钢不加质量等级符号，而高级优质碳工具钢不加质量等级符号，而高级优质碳素工具钢则在其数字后面

41、再加上素工具钢则在其数字后面再加上“A”A”字，字，如如T8AT8A，T12AT12A等。等。T7T7、T8T8适合于制造承受一定冲击而要求韧性较适合于制造承受一定冲击而要求韧性较高的刃具，如木工用斧、钳工用凿子等，淬火、高的刃具，如木工用斧、钳工用凿子等，淬火、低温回火后的硬度为低温回火后的硬度为484854HRC54HRC（工作部分）；（工作部分）；（3 3）含锰碳素工具钢中锰的质量分数可扩大到）含锰碳素工具钢中锰的质量分数可扩大到0.6%0.6%，这时，在牌号的尾部标以，这时，在牌号的尾部标以MnMn，如，如T8MnT8Mn，T8MnAT8MnA。 （4 4）典型的碳素工具钢）典型的碳素

42、工具钢T9T9、T10T10、T11T11钢用于制造冲击较小而要求高钢用于制造冲击较小而要求高硬度与耐磨的刃具，如小钻头、丝锥、手锯硬度与耐磨的刃具，如小钻头、丝锥、手锯条等，淬火、低温回火后的硬度为条等，淬火、低温回火后的硬度为606062HRC62HRC，T10AT10A钢还可用于制造一些形状简单、工作负钢还可用于制造一些形状简单、工作负荷不大的冷作模具、量具；荷不大的冷作模具、量具；T12T12、T13T13钢硬度及耐磨性最高，但韧性最差，钢硬度及耐磨性最高，但韧性最差，用于制造不承受冲击的刃具，如锉刀、铲刮刀等，用于制造不承受冲击的刃具，如锉刀、铲刮刀等，淬火、低温回火后的硬度为淬火、

43、低温回火后的硬度为626265HRC65HRC。 T12AT12A也也可用于制造量具。可用于制造量具。 T7T7T12T12、T7AT7AT12AT12A还可用于还可用于形状简单的塑料模具。形状简单的塑料模具。 （1 1）主要用于）主要用于铸铁保证不了其塑性，且形状铸铁保证不了其塑性，且形状复杂，不便于用锻压制成的毛坯零件。其碳复杂，不便于用锻压制成的毛坯零件。其碳含量一般小于含量一般小于0.65%0.65%。 n（2 2）牌号）牌号用标志性符号用标志性符号“ZG”ZG”（铸钢这两个（铸钢这两个字的汉语拼音字头）加上最低屈服点值字的汉语拼音字头）加上最低屈服点值- -最低最低抗拉强度值表示。如

44、抗拉强度值表示。如ZG340-640ZG340-640表示其屈服强表示其屈服强度不小于度不小于340MPa340MPa，抗拉强度不低于，抗拉强度不低于640MPa640MPa的的铸钢。铸钢。 4-4-一般工程用铸造碳素钢一般工程用铸造碳素钢n（3 3）典型的碳素铸钢）典型的碳素铸钢ZG200-400ZG200-400：有良好的塑性、韧性和焊接性。用于受力有良好的塑性、韧性和焊接性。用于受力不大、要求韧性好的各种机械零件，如机不大、要求韧性好的各种机械零件，如机座、变速箱壳等；座、变速箱壳等；ZG230-450ZG230-450：有一定的强度和较好的塑性、韧性，焊接有一定的强度和较好的塑性、韧性

45、，焊接性良好。用于受力不大、要求韧性好的各性良好。用于受力不大、要求韧性好的各种机械零件，如砧座、外壳、轴承盖、底种机械零件，如砧座、外壳、轴承盖、底板、阀体、犁柱等板、阀体、犁柱等ZG270-500ZG270-500：有较高的强度和较好的塑性，铸造性能良好，有较高的强度和较好的塑性，铸造性能良好，焊接性能尚好，切削性好。用作轧钢机机架、焊接性能尚好，切削性好。用作轧钢机机架、轴承座、连杆、箱体、曲轴、缸体等轴承座、连杆、箱体、曲轴、缸体等 （4）其他类型的铸钢件还有：）其他类型的铸钢件还有： 焊接结构用碳素铸钢件焊接结构用碳素铸钢件 n（GB/T7659-1987），如），如ZG230-45

46、0H； 低合金铸钢件低合金铸钢件 n（GB/T14408-1993），如），如ZGD535-720； 耐热铸钢件耐热铸钢件 n（GB/T8492-1987），如），如ZG40Cr30Ni20； 不锈耐酸钢铸件不锈耐酸钢铸件 n（GB2100-1980），如），如ZG1Cr18Ni9Ti； 中、高强度不锈钢铸件中、高强度不锈钢铸件 n（GB6967-1986），如），如ZG10Cr13Ni1Mo等。等。 1.2 1.2 钢铁中的合金元素钢铁中的合金元素 特别添加特别添加到钢中为了保证获得所要求的到钢中为了保证获得所要求的组织组织结构结构从而得到一定的物理、化学或机械从而得到一定的物理、化学或机械

47、性能性能的的化学元素化学元素。( (常用常用MeMe来表示）来表示） p 如：如：B, C, N; Al, Si, P, S; B, C, N; Al, Si, P, S; p Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu; Ti, V, Cr, Mn, Co, Ni, Cu; p Y, Zr, Nb, Mo; W, Ta, La Y, Zr, Nb, Mo; W, Ta, La系系一一. 几个概念几个概念1. 1. 合金元素合金元素如：当如：当H H，S S，P P等元素在钢中一般都为杂质元素，等元素在钢中一般都为杂质元素，但当其作为合金元素时：但当其作为合金元素时：HH储氢合金；储氢

48、合金； SS易易切削钢；切削钢；PP耐磨钢。耐磨钢。 2. 2. 杂质元素杂质元素由冶炼时所用原材料以及冶炼方法和工艺操作由冶炼时所用原材料以及冶炼方法和工艺操作等所带入钢中的化学元素。等所带入钢中的化学元素。注意注意: : 同一元素既可能作为合金元素又可能杂同一元素既可能作为合金元素又可能杂质，若属于前者，则决定钢的组织与性能；若属质，若属于前者，则决定钢的组织与性能；若属于后者，则影响钢的质量。于后者，则影响钢的质量。在化学成分上特别添加合金元素用以保证一定的在化学成分上特别添加合金元素用以保证一定的生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁基生产和加工工艺以及所要求的组织与性能的铁基合金。

49、合金。 3. 3. 合金钢合金钢Me5Me10Me10, , 称为高合金钢；称为高合金钢； 不过这种划分并没有严格的规定不过这种划分并没有严格的规定。4. 4. 微合金元素与微合金化钢微合金元素与微合金化钢 微合金元素微合金元素有些合金元素如有些合金元素如V V，NbNb，Ti, ZrTi, Zr和和B B等，当其含量等，当其含量只在只在0.1%0.1%左右（如左右（如B 0.001%B 0.001%，V 0.2 %V 0.2 %）时，会显）时，会显著地影响钢的组织与性能，将这种化学元素称为著地影响钢的组织与性能，将这种化学元素称为微合金元素。微合金元素。微合金钢微合金钢加入了微合金元素加入了

50、微合金元素, , 使钢的组织或性能有明显改使钢的组织或性能有明显改变的这类钢则称为微合金钢。变的这类钢则称为微合金钢。1.2.1 1.2.1 铁基固溶体铁基固溶体-Fe-Fe-Fe9120CA3A413940C铁的多型性转变：铁的多型性转变：1 1合金元素与合金元素与FeFe的相互作用的相互作用p奥氏体形成元素：奥氏体形成元素：p在在-Fe-Fe中有较大的溶解度中有较大的溶解度, ,且能稳定且能稳定-Fe-Fe；如；如 Mn, Ni, Mn, Ni, Co, C, N, CuCo, C, N, Cu； v铁素体形成元素：铁素体形成元素： p 在在-Fe-Fe中有较大的溶解度并使中有较大的溶解度

51、并使-Fe -Fe 不稳定的元素。不稳定的元素。如：如：V V，Nb, TiNb, Ti 等。等。（1 1）相稳定化元素相稳定化元素 使使A A3 3降低，降低，A A4 4升高，在较宽的成分范围内，促升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了使奥氏体形成，即扩大了相区。相区。开启开启相区相区( (无限扩大无限扩大相区相区) )MeMe与与-Fe-Fe形成无限固溶体，与形成无限固溶体，与-Fe-Fe形成有限形成有限固溶体。如：固溶体。如：MnMn、NiNi、CoCo等。等。奥氏体奥氏体C C原子溶入原子溶入-Fe-Fe中形成的间隙固溶体，中形成的间隙固溶体，fccfcc。硬度较低，塑性

52、好。常用。硬度较低，塑性好。常用或或A A表示。表示。 铁素体铁素体碳在碳在-Fe-Fe中的固溶体，中的固溶体，bccbcc。强度和。强度和硬度低，但塑性和冲击韧性好。常用硬度低，但塑性和冲击韧性好。常用或或F F表示。表示。 图图1-1 1-1 扩大扩大相区并与相区并与-Fe-Fe无限互溶的无限互溶的Fe-MeFe-Me相图相图(a)(a)及及Fe-NiFe-Ni相图相图(b)(b)如果加入足够量的如果加入足够量的NiNi，可完全使，可完全使bccbcc的的相从相相从相图上消失，图上消失，相保持到室温（即相保持到室温（即A A1 1点降低），点降低），故而由故而由相区淬火到室温较易获得亚稳的

53、奥氏相区淬火到室温较易获得亚稳的奥氏体组织，它们是不锈钢中常用作获得奥氏体的体组织，它们是不锈钢中常用作获得奥氏体的元素。元素。图图1-2 1-2 扩大扩大相区并与相区并与-Fe-Fe有限互溶的有限互溶的Fe-MeFe-Me相相图图(a)(a)及及Fe-CFe-C相图相图(b)(b)扩展扩展相区相区( (有限扩大有限扩大相区相区) )MeMe也使也使A A3 3降低，降低，A A4 4升高；升高；相区也随相区也随MeMe的加的加入而扩大，但入而扩大，但MeMe与与-Fe-Fe和和-Fe-Fe均形成有限均形成有限固溶体，最终不能使固溶体，最终不能使相区完全开启。相区完全开启。这类这类MeMe主要

54、有主要有C C、N N、CuCu、ZnZn、AuAu等。等。相区相区借助借助C C及及N N而扩展，当而扩展，当C C含量在含量在0 02.11%2.11%范围内，范围内，均可以获得均匀化的固溶体（均可以获得均匀化的固溶体（A A），这构成了），这构成了钢的整个热处理的基础。钢的整个热处理的基础。（2 2）相稳定化元素相稳定化元素 MeMe使使A A3 3， A A4 4，在，在较宽的成分范围内，促使较宽的成分范围内，促使F F形成，即形成，即了了相区。相区。图图1-3 1-3 封闭封闭相区并与相区并与-Fe-Fe无限互溶的无限互溶的Fe-MeFe-Me相相图图(a)(a)及及Fe-CrFe-

55、Cr相图相图(b)(b)封闭封闭相区相区( (无限扩大无限扩大相区相区) )MeMe使使A A3 3，A A4 4，达到某一含量时，达到某一含量时，A A3 3与与A A4 4重合，重合，相区被封闭，或者说相区被封闭，或者说MeMe了了F F的形成，使的形成，使相相与与相区连成一片。当相区连成一片。当MeMe超过一定含量时，合金超过一定含量时，合金不再有不再有-相变，与相变，与-Fe-Fe形成无限固溶体（这形成无限固溶体（这类合金不能用正常的热处理制度）。类合金不能用正常的热处理制度）。这类这类MeMe有：有：SiSi、AlAl和强和强K K形成元素形成元素CrCr、W W、MoMo、V V、

56、TiTi及及P P、BeBe等。等。CrCr、V V与与-Fe-Fe完全互溶，完全互溶，W W、MoMo、TiTi等部分溶解等部分溶解. .MeMe使使A A3 3，A A4 4，使，使相区相区但不能使其完全封闭。但不能使其完全封闭。这类这类MeMe有：有：B B、NbNb、ZrZr等。等。图图1-4 1-4 缩小缩小相区的相区的Fe-MeFe-Me相图相图(a)(a)及及Fe-NbFe-Nb相图相图(b)(b)缩小缩小相区相区( (但不能使但不能使相区封闭相区封闭) )l可以利用可以利用MeMe扩大和缩小扩大和缩小 相区作用，获得单相组织，相区作用，获得单相组织，具有特殊性能，在耐蚀钢和耐热

57、钢中应用广泛。具有特殊性能，在耐蚀钢和耐热钢中应用广泛。 l合金元素对相图的影响，可以预测合金钢的组织与合金元素对相图的影响，可以预测合金钢的组织与性能。性能。 生产中的意义生产中的意义如发展如发展A A钢时，需要往钢中加入钢时，需要往钢中加入NiNi、MnMn、N N等等A A形成元素；欲发展形成元素；欲发展F F钢时，需要往钢中加入钢时，需要往钢中加入大量的大量的CrCr、SiSi、AlAl、MoMo、TiTi等等F F形成元素。形成元素。同时向钢中加入两类同时向钢中加入两类MeMe时，其作用往往相互时，其作用往往相互有所抵消。有所抵消。例外：例外：CrCr是是F F形成元素，在形成元素，

58、在Cr18%Cr18%与与NiNi同时加入时却促进了同时加入时却促进了A A的形成。的形成。MeMe扩大或缩小扩大或缩小相区的作用与该元素在周相区的作用与该元素在周期表中的位置有关，与它们的点阵结构、期表中的位置有关，与它们的点阵结构、电子因素和原子大小有关。有利于扩大电子因素和原子大小有关。有利于扩大相区的相区的MeMe，其本身具有，其本身具有fccfcc点阵或在其多点阵或在其多型性转变中有一种型性转变中有一种fccfcc点阵，与铁的电负点阵，与铁的电负性相近，与铁的原子尺寸相近。性相近，与铁的原子尺寸相近。决定组元在代位固溶体中的溶解度因素是决定组元在代位固溶体中的溶解度因素是点阵结点阵结

59、构、原子半径和电子因素构、原子半径和电子因素，无限固溶必须使这些，无限固溶必须使这些因素相同或相似因素相同或相似. .（1 1）代位固溶体代位固溶体( (Hume-RotheryHume-Rothery规律规律) ) 表表1-1 1-1 常用常用MeMe点阵结构、电子结构和原子半径点阵结构、电子结构和原子半径第四第四周期周期TiVCrMnFeCoNiCu点阵点阵结构结构bccbccbccbcc或fccfcc/hcpfccfcc电子电子结构结构235567810原子半径原子半径/nm0.1450.1360.1280.1310.1270.1260.1240.128R，%14.27.10.83.10

60、.82.40.8注：注：1 1、电子结构是、电子结构是3d3d层电子数；层电子数；2 2、原子半径是配位数、原子半径是配位数1212的数值的数值 （1 1）NiNi、MnMn、CoCo与与-Fe-Fe的点阵结构、原子半的点阵结构、原子半径和电子结构相似径和电子结构相似无限固溶；无限固溶；（2 2）CrCr、V V与与-Fe-Fe的点阵结构、原子半径和的点阵结构、原子半径和电子结构相似电子结构相似无限固溶；无限固溶；（3 3）CuCu和和-Fe-Fe点阵结构、原子半径相近，但点阵结构、原子半径相近，但电子结构差别大电子结构差别大有限固溶；有限固溶；（4 4）原子半径对溶解度影响：）原子半径对溶解