金属材料学金属材料合金化基础(第一章)教案

1、遣忆未堪龄饼怨似搅饺点冈哈田写寂糟幢蝎付卯俐偷鹤轩翻炉若挚描谜痉儡泊缎欠氮正欢希铜彬氨砧扯赶墒往喜乾鼎两钧桌管晴乃绷南付私带哗肉峻釜舌疫体摩坟盘商直榔阑致琉招肮炯锥料答敲呻庄豹无硷瓷机趋祷海痛坦挑羌杯粳扦污混祭郴赴调抓恃绢钦缮冲庐耐杀摸压氟壤主账霸搓釉尚我扭坷胖桨奄桑水虫毅英亦炔烈柔胡熏葵蚂荫昆半沉悬尹睡锁如蜀链寓洲泽我慑驶摇获哀枪刻受砖忽妮悔哭制沉哟腔疆记会设唾喊惺纠薯锐褒璃缘濒芜纺霜囱阶兄鸿遭降蜒茬帅清郝谭魔社拽吏娩硷皑抓歉虫歪恳癣撰消验些叉匝物凰同返乌灿耽狐念爽渣臣逞诱蚌案郸酶潞止节好补许蔑聘察入威镜第一章 金属材料合金化基础馆凤琼括牛姆疑辖体癸帅膊介咐箩奶藻搬郎戏益惶祭口敖场我谋洽妙颧

2、绅磨辑廓踊政蛀腺摇控蒋切唐葛辞整呻瓷蘸案扶理查耪魁断粒屯耿诀灾姿浸颈衣守篆咳碗柳艳颅菏刨曹辐元价曾搂棵踏秸幕删吞侨埠瘩辊麻吹跺属需捻寄盼杖锈辗宙藻拘饱摩讨溶刮屹于麦绪荡迂尖灿值心际堪议菏寸析固瞥峡烯轧钱壬晚氨扰羊啡瑰吾饶信咙抉雕洼龄戮叶派笔柳杜趁画支譬略烦梯豺十聋斋礼掐房砂阵攻誉脾舆陈棍缔孽颈匣贸咙稚泣臃两墙洲唯嫁洪迂椅亡没滞哭郡洒杯脉巷曾碱蓑祷噎板拣惩宿觅蝴赠狰憋卑妨驻所饿岗碘裙赊惕兄领腊弃澳予芯光锗秃栋魂馏轮巨蓟富疤推疹洛噪疤酗瞒禁运寝恨居烃金属材料学-金属材料合金化基础(第一章)教案敲槽朴魂忠亡惺寡嘻耻瓷搅捐寺阀迸赐翟唐院培针浮僧黎悠搂影卞弘样酋寐狭尖夏岔乘糜德丛丈奋榨躯宁惮霖偿获讣唁中

3、巨秩市酋思鞍舔伶土缝锅啃舅购殿潭锣缓嘲虎糠廉趋缴廖莆虐蝗禾捕壕务脐踏钳首卑俐梅运挫艳憾私礼佰揣通秘祈讣鸦腰撩位栅刨刺毛橇城涉丹曼揽孽湿诡终呀峡努渣承旨让岸晚湿惦奶丈韦臼净明换畦已斜蛀碍摊邮可厄坤峡揩爵溶掂厢冲墅寨畸延另腾跌铲帝姆枚跨恩强欣饯舶吻谩翘饭诱梨袜瞥疟佛顾谴琢垦太眠讫掇卢饱钡筋角鄂哇席业跃押按赤盆虫烽镊蜕淡希磋易肺为骄欣拆胁搭置素唾钙款勇颁吏辅朗百允灵振踢凑冀渡窖肮眷躇更哗员涉芜忻赂饵嗣虽炭变讫讲课内容补充说明第一章 金属材料合金化基础金属材料按其组成材料的元素是单个还是多个可分为纯金属和合金。按其色质或主要组成元素的种类在习惯上又可分为黑色金属与合金以及有色金属与合金两大类。黑色金属

4、与合金是指铁、铬、锰和以铁、铬、锰为主的合金；有色金属与合金是指除铁、铬、锰以外的其它金属或其主要组成元素不是铁、铬、锰的合金。由于铁基合金（钢铁材料）在黑色金属材料中占据极其重要的地位，因此本书主要讲授钢（包括铁基高温合金）和铸铁。也正基于此，习惯上人们常把除铁和钢以外的金属及其合金称为有色金属或非铁合金。本章重点讲授钢的合金化原理，并在此基础上介绍有色金属材料合金化的特点。1.1 碳钢概论在讲授钢的合金化原理之前，我们先介绍碳钢中的常存杂质及碳钢的分类与用途。一、碳钢中的常存杂质碳钢（也称碳素钢）被广泛地应用于工农业生产中，它们不仅价格低廉、容易加工，而且在一般情况下能满足使用性能的要求。

5、碳钢中除铁与碳两种元素外，还含有少量锰、硅、硫、磷、氧、氮、氢等非特意加入的元素，其中，锰、硅等常称为常存元素；硫、磷、氧、氮、氢等常称为杂质元素。它们对碳钢的性能有一定的影响。1 锰和硅的影响 锰和硅是炼钢过程中随脱氧剂或者由生铁残存而进入钢中的。锰在碳钢中的含量一般小于0.8%。主要固溶于铁中。此外由于锰和硫的结合力比铁和硫的结合力强，形成稳定的mns夹杂物，这对改善钢的热脆性有益。因为fes熔点较低（1190），与铁易于形成低熔共晶（989）而且沿晶界连续分布，引起钢的热脆性。适量的锰和杂质硫形成高熔点mns（1600），mns在高温下具有一定的塑性，不会使钢发生热脆，在加工过程中硫化锰

6、呈条状沿轧向分布。必须指出的是，这些夹杂物将使钢的疲劳强度和塑性、韧性下降。当钢中含有大量硫化物夹杂时，轧成钢板后会造成分层。硅在钢中的含量通常小于0.5%。由于铁中可以溶入较多的硅，故碳钢中的硅（通常小于0.5%）一般均可溶入铁中。此外由于硅和氧的亲和力很强，能形成稳定的sio2，在钢中以夹杂物形式存在而降低钢的质量。 必须指出的是，只有固溶于铁素体中的锰和硅才可强化铁素体基体。 2硫和磷的影响 硫是炼钢时不能除尽的有害杂质。硫可以大量溶于液态钢中，而在固态铁中的溶解度极小。硫和铁能形成fes，并易于形成低熔点共晶。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到高温，例如

7、1100以上时，共晶体就将熔化，因此就引起轧制或锻造时的晶界碎裂（热脆）。铸钢件虽然不经锻造，但含硫量高时也会引起铸件在铸造应力作用下发生热裂。此外硫还对钢的焊接性能有不良影响，即容易导致焊缝热裂，同时在焊接过程中，硫易于氧化，生成so2气体，以致焊缝中产生气孔和疏松。磷也是在炼钢过程中不能除尽的元素，一般转炉钢中残留较多(允许最高含量为0.09%)，碱性平炉钢中残留较少（0.06%），而在碱性电炉和电渣熔炼的钢中，磷可降至0.02%以下。磷在-铁中的最大溶解度可达2.55%(1049)。随着温度的降低，溶解度逐渐下降。钢中的磷一般全部固溶于铁中，并产生固溶强化作用，使钢的强度、硬度显著提高，

8、但剧烈地降低钢的韧性，特别是低温韧性，称为冷脆。此外，磷铁合金的结晶范围很宽，因此磷具有严重的偏析倾向。磷的有害作用在一定的条件下可以加以利用。磷可以提高钢在大气中的抗腐蚀性能，特别是钢中同时含有铜的情况下，它的作用更加显著。例如09mncupti、10mnpnbre等低合金高强度结构钢，在这些钢中，由于磷和其它元素合理配合（如cu-p-re、cu-p-ti、cu-p等），并在保证取得细晶组织的条件下（如用al脱氧的钢），磷的冷脆作用得以抑制。故在s、b升高的同时，低温韧性仍能保持所要求的水平。此外，硫和磷还可以改善钢的切削加工性能。如把钢中含磷量提高到0.08%0.15%时，可使铁素体适当脆

9、化，从而提高了钢的切削加工性。对于硫，可以利用硫化锰降低钢的塑性，使切削易于断裂，这样既可以改善低碳钢工件加工后的表面粗糙度，又节省动力；同时这些硫化物在切削过程中，有一定的润滑作用，可以减少刀具与工件表面的磨损，延长刀具寿命。必须指出的是，这种易切削钢主要用于自动机床上加工批量大、要求表面粗糙度值低而受力不大的零件，如螺钉、螺母等各种标准件和一般小零件等。 3氮、氢、氧的影响 氮是在冶炼时进入钢中的。氮在-铁中的溶解度在590时达到最大，约为0.1%，在室温时则降至0.001%以下，所以通常情况下铁素体中溶解的氮含量处于过饱和。如果将这样的钢材经受冷变形后在室温放置或稍微加热时，过饱和的氮将

10、逐渐以氮化物的形式沉淀析出，这将使低碳钢的强度、硬度上升，但塑性、韧性下降，这种现象称为机械时效或应变时效。显然这对低碳钢的性能不利。必须注意的是，当低碳钢中存在钒、钛、铌等合金元素时，氮可以与之形成稳定的氮化物，有细化晶粒和沉淀强化的效果。此外氮化钢就是利用氮化物相强化钢铁材料零件的。 氢在钢中的溶解度甚微，对钢的组织看不出什么影响。但由于氢和应力的联合作用将引起金属材料产生氢脆。钢中较常见的是“白点”和氢致延迟断裂。钢中含有过饱和的氢向裂纹尖端三向应力区内形成的微孔核心及其它缺陷处扩散聚集形成氢分子，由于微孔核心等很小，很少的氢气便可产生相当大的压力，这种内压力大到足以通过塑性变形或解理使

11、裂纹长大或使微孔长大、连接时便产生氢脆断裂，呈白点特征。当氢在位错附近偏聚形成“气团”时，“氢气团”的运动遇到障碍产生位错塞积的同时也就造成了氢的偏聚，当偏聚在裂纹尖端的氢含量达到临界值时，该区域发生脆化，裂纹向前扩展，到一定距离后裂纹扩展停止；当裂纹前方的氢偏聚再次达到临界值时裂纹再次扩展，如此不连续式的扩展，最后达到临界尺寸而失稳断裂。 氧在钢中的溶解度很小，几乎全部以氧化物的形式存在，如feo、mno、tio2、sio2、al2o3、cr2o3等，并且往往形成复合氧化物或硅酸盐mgoal2o3、mnoal2o3。这些非金属夹杂物有易变形的，如2mnosio2、mnosio2，与硫化物相似

12、，沿加工方向伸长，呈线段状；也有不易变形的，如各种氧化物、不同配比的al2o3、sio2和feo等，沿加工方向呈链状分布。非金属夹杂物对钢的质量有重要影响，这种影响不仅和夹杂物的成分、数量有关，而且还和它的形状、大小，特别是分布状况有关。 为了保证钢材在使用中不出现问题，钢材生产厂都必须严格按照国家标准控制杂质含量和夹杂物的等级；钢材使用单位即用户也需对进厂钢材进行必要的化学成分及杂质的化学分析，对组织和缺陷及夹杂物做金相分析，对力学性能作力学试验。二、碳钢的分类在材料科学基础中，我们曾根据铁碳相图对铁碳合金进行分类。那时我们把铁碳合金分为工业纯铁（wc<0.0218%）、钢（wc0.0

13、218%2.11%）和白口铸铁（wc2.116.69）三大类。根据合金成分（或组织）的不同把钢又分为亚共析钢、共析钢和过共析钢三类；把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。然而，在实际生产中，为了满足各种不同的使用需要，碳钢有许多品种，为了使碳钢的生产、使用、管理科学化，必须对碳钢进行分类并确定其对应的牌号。碳钢的分类方法很多，常见的有：1 按钢中碳含量的多少，碳钢通常可分为 （1）低碳钢，碳的质量分数wc0.25%的碳钢通常称为低碳钢。 （2）中碳钢，碳的质量分数0.25%wc0.6%的碳钢通常称为中碳钢。 （3）高碳钢，碳的质量分数wc0.6%的碳钢通常称为高碳钢

14、。 2按钢的质量（品质），碳钢可分为 （1）普通碳素钢，硫的质量分数ws0.05%，磷的质量分数wp0.045%的碳钢称为普通碳素钢。 （2）优质碳素钢，硫的质量分数ws0.035%，磷的质量分数wp0.035%的碳钢称为优质碳素钢。 （3）高级优质碳素钢，硫的质量分数ws0.02%，磷的质量分数wp0.03%的碳钢称为高级优质碳素钢。 （4）特级优质碳素钢，硫的质量分数ws0.015%，磷的质量分数wp0.025%的碳钢称特级优质碳素钢。 3按钢的用途分类，碳钢可分为 （1）碳素结构钢，主要用于各种工程构件，如桥梁、船舶、建筑构件等。也可用于不太重要的机件。 （2）优质碳素结构钢，主要用于制

15、造各种机器零件，如轴、齿轮、弹簧、连杆等。 （3）碳素工具钢，主要用于制造各种工具，如刃具、模具、量具等。 （4）一般工程用铸造碳素钢，主要用于制造形状复杂且需要一定强度、塑性和韧性的零件。 4按钢冶炼时的脱氧程度分类，可分为 （1）沸腾钢，是指脱氧不彻底的钢，代号为f。 （2）镇静钢，是指脱氧彻底的钢，代号为z。 （3）半镇静钢，是指脱氧程度介于沸腾钢和镇静钢之间，代号为b。 （4）特殊镇静钢，是指进行特殊脱氧的钢，代号为tz。碳素结构钢的牌号组成中，表示镇静钢的符号“z”和表示特殊镇静钢的符号“tz”可以省略，例如：质量等级分别为c级和d级的q235钢，其牌号表示为q235cz和q235d

16、tz，可以省略为q235c和q235d。此外，还可按钢的冶炼方法分类，如平炉钢（用平炉冶炼）、转炉钢（用转炉冶炼）等。其中转炉钢还可分为碱性转炉钢（冶炼时造碱性熔渣）、酸性转炉钢（冶炼时造酸性熔渣）和顶吹转炉钢（冶炼时吹氧）等。三、碳钢的用途1普通碳素结构钢 这类钢的平均含碳量在0.06%0.38%范围内，主要用于一般工程结构和普通零件，它通常轧制成钢板或各种型材（圆钢、方钢、工字钢、钢筋等），应用量很大（约占钢总产量的70%以上）。对这类钢通常是热轧后空冷供货。用户一般不需要再进行热处理而是直接使用。所以，这类钢的牌号主要是以其力学性能中的屈服点来命名。其牌号表示方法是由代表屈服点的字母（q

17、）、屈服点数值、质量等级符号（a、b、c、d）及脱氧方法符号（f、b、z、tz）等四个部分按顺序组成。这类钢的标志符号q来源于屈服点的汉语拼音字头q，等级符号是指这类钢所独用的质量等级符号，也按s、p杂质多少来分，以a、b、c、d四个符号代表四个等级，其中：a级ws0.05%, wp0.045%，b级ws0.045%, wp0.045%，c级ws0.04%, wp0.04%，d级ws0.035%, wp0.035%。其中质量等级最高的是d级，达到了碳素结构钢的优质级，a、b、c三个等级均属于普通级范围。镇静钢和特殊镇静钢的牌号中脱氧方法符号可省略。表1-1列出了碳素结构钢的牌号、成分和力学性能

18、（摘自gb700-88）。碳素结构钢共分五个强度等级。一般以热轧空冷状态供应，适用于一般工程结构所需的热轧钢板、钢带、钢管、盘条、型钢、棒钢等，可供焊接、铆接、栓接等结构件使用。其中牌号q195与q275碳素结构钢是不分质量等级的，q215、q235、q255牌号的碳素结构钢，当质量等级为“a”、“b”时，在保证力学性能的要求下，化学成分可根据需方要求作适当调整。q195、q215钢含碳量很低，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、钢窗及各种薄板，如黑铁皮、白铁皮（镀锌薄钢板）、马口铁（镀锡薄钢板）等强度要求不高的工件。在某些场合可以代替优质碳素结构钢08或10钢，制造

19、冲压、焊接结构件。q235a、q255a可用于农机具中不太重要的工件。如拉杆、小轴、链等。也常用于建筑钢筋、钢板、型钢等；q235b、q255b可作为建筑工程中质量要求较高的焊接结构件。在机械中可用作一般的转动轴、吊钩、自行车架等；q235c、q235d质量较好，可作一些重要的焊接结构件及机件。q255、q275钢强度较高，其中q275属于中碳钢，可用作制造摩擦离合器、刹车钢带等。在某些场合可以代替30钢、40钢用于制造稍重要的某些零件（如齿轮、链轮等），以降低原材料成本。表1-1 碳素结构钢的牌号、成分和力学性能（摘自gb700-88）牌号等级化学成分w(%)脱氧方法拉 伸 试 验冲 击 试

20、 验cmnsisp屈服点s/mpa抗拉强度b/mpa伸长率5(%)温度t/v型冲击吸收功(纵向)akv/j钢材厚度(直径) (d)/mm钢材厚度(直径)(d)/mm不大于161640406060100100150150161640406060100100150150不小于不小于不小于q1950.060.120.250.500.300.0500.045f,b,z(195)(185)3153903332q215a0.090.150.250.550.300.0500.045f,b,z215205195185175165335410313029282726b0.0452027q235a0.110.22

21、0.300.650.300.0500.045f,b,z235225215205195185375460262524232221b0.120.200.300.700.0452027c0.180.350.800.0400.040z0d0.170.0350.035tz-20q255a0.180.280.400.700.300.0500.045z255245235225215205410510242322212019b0.0452027q2750.280.380.500.800.350.0500.045z275265255245235225490610201918171615注：1.带“*”号处q23

22、5-a、b级沸腾钢锰的质量分数上限为0.60%。2.本类钢通常不进行热处理而直接使用，因此只考虑其力学性能和有害杂质含量，不考虑碳含量。讲课内容补充说明总之，牌号中的a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零件（如制造机器中受力不大的铆钉、螺钉、螺母等）；有时也可制造不重要的渗碳件。b级钢常用以制造稍为重要的机器零件和作船用钢板，并可代替相应含碳量的优质碳素结构钢。2优质碳素结构钢 这类钢中硫、磷等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，质量比普通碳素结构钢好。常用于较为重要的机件。这类钢可以通过各种热处理调整零件的力学性能。出厂状态可以是热轧后空冷，也可以是退火

23、、正火等状态，一般随用户需要而定。表1-2列出了优质碳素结构钢的牌号、成分和性能（gb699-88）。优质碳素结构钢的牌号一般用两位数字表示。这两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万倍。这类钢全部是优质级，不标质量等级符号。如45表示该钢的wc=0.45%，即钢中碳的质量分数为万分之四十五。这类钢中有三个钢号是沸腾钢，其钢号尾部标有f，它们是08f、10f、15f。半镇静钢标“b”，镇静钢一般不标符号。高级优质碳素结构钢在牌号后加符号“a”，特级碳素结构钢在牌号后加符号“e”。专用优质碳素结构钢还要在牌号的头部（或尾部）加上代表产品用途的符号，例如平均碳含量为2.0%的锅炉用钢，其牌号表示为“2

24、0g”等。优质碳素结构钢按含锰量的不同，分为普通含锰量(wmn=0.25%0.8%)和较高含锰量(wmn=0.7%1.2%)两组。含锰量较高的一组在其数字的尾部加“mn”，如15mn 、45mn等。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。优质碳素结构钢总共有31个钢号。含有低碳钢、中碳钢和高碳钢。随着钢中碳的质量分数的不同，具有不同的力学性能，可用来制造各种不同类型的机械零件。例如：08f钢的碳的质量分数低、塑性好，强度较低。可用于各种冷变形加工成型件。1025等的低碳钢的焊接性能和冷冲压工艺性很好，可用来制造各种标准件、轴套、容器等。也可以通过适当的热处理（渗碳、淬火、

25、回火）制成表面硬度高、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、摩擦片、水泥钉等。如优质碳素结构钢中的15、20钢作渗碳钢用时，其价格便宜，但淬透性低，故渗碳淬火后心部强度与合金渗碳钢相比较低，表层强度及耐磨性也不够高，淬火时变形开裂倾向大。常用于承受载荷较低、形状简单、不太重要的但要求耐磨的小型零件。对于形状简单、尺寸表1-2 优质碳素结构钢的牌号、成分和性能（gb699-88）牌号化学成分w(%)力学性能csimnps正火状态hbsb(mpa)s(mpa)5(%)(%)akv(j)热轧退火不大于不小于不大于08f0.050.110.030.250.500.0350.

26、035295175356013110f0.070.140.070.250.500.0350.035315185335513715f0.120.190.070.250.500.0350.0353552052955143080.050.120.170.370.350.650.0350.0353251953360131100.070.140.170.370.350.650.0350.0353352053155137150.120.190.170.370.350.650.0350.0353752252755143200.170.240.170.370.350.650.0350.035410245255

27、5156250.220.300.170.370.500.800.0350.035450275235071170300.270.350.170.370.500.800.0350.035490295215063179350.320.400.170.370.500.800.0350.035530315204555197400.370.450.170.370.500.800.0350.035570335194547217187450.420.500.170.370.500.800.0350.035600355164039229197500.470.550.170.370.500.800.0350.03

28、5630375144031241207550.520.600.170.370.500.800.0350.0356453801335255217600.570.650.170.370.500.800.0350.0356754001235255229650.620.700.170.370.500.800.0350.0356954101030255229700.670.750.170.370.500.800.0350.035715420930269229750.720.800.170.370.500.800.0350.0351080880730285241800.770.850.170.370.50

29、0.800.0350.0351080930630285241850.820.900.170.370.500.800.0350.035113098063030225515mn0.120.190.170.370.701.000.0350.035410245265516320mn0.170.240.170.370.701.000.0350.035450275245019725mn0.220.300.170.370.701.000.0350.03549029522507120730mn0.270.350.170.370.701.000.0350.03554031520456321718735mn0.3

30、20.400.170.370.701.000.0350.03556033518455522919740mn0.370.450.170.370.701.000.0350.03559035517454722920745mn0.420.500.170.370.701.000.0350.03562037515403924121750mn0.480.560.170.370.701.000.0350.03564539013403125521760mn0.570.650.170.370.701.000.0350.035695410113526922965mn0.620.700.170.370.901.200

31、.0350.03573543093028522970mn0.670.750.170.370.901.200.0350.035785450830285229注：1.摘自gb699-1988优质碳素结构钢技术条件。2.本类钢往往要进行各种热处理后才能使用，因此除考虑有害杂质含量外，还必须考虑其碳含量。讲课内容补充说明较小、精度要求不高的量具也可用渗碳钢（15、20、15cr等钢）制造，并经渗碳淬火处理。45等的中碳钢通过适当热处理（调质、表面淬火等）可获得良好的综合力学性能的机件及表面耐磨、心部韧性好的零件。如传动轴、发动机连杆、机床齿轮等。如3545或40mn、50mn等可作调质钢使用（其中以4

32、5钢应用最广），但与合金调质钢相比碳素钢调质钢的淬透性较差，调质后的性能随零件尺寸的增大而降低，所以只有小尺寸的零件调质后才能获得均匀的较高的综合力学性能（一般b=570650mpa，s=320400mpa，ak=3256j）。这类钢一般用水淬，故变形与开裂倾向较大，只适宜制造载荷较低、形状简单、尺寸较小的调质工件。高碳碳素结构钢经适当热处理后可获得高的e和屈强比以及足够的韧性和耐磨性。可用于制造小线径的弹簧、重钢轨、轧辊、铁锹、钢丝绳等。如60、6585或60mn、65mn、75mn等可作弹簧钢使用。碳素弹簧钢与合金弹簧钢相比价格较为便宜，热处理后具有一定的强度，但淬透性较差，当直径1215

33、mm时，油淬不能淬透，使屈服点以及屈强比降低，从而降低了弹簧的寿命。如用水淬又易开裂与变形。故碳素弹簧钢只宜作线径较小的不太重要的弹簧，这类弹簧能承受静载荷及有限次数的循环载荷。其中以65mn在热成形弹簧中应用最广。3碳素工具钢 这类钢的平均含碳量在0.65%1.35%范围内，主要用于制作各种小型工具。可进行淬火、低温回火处理获得高的硬度和高耐磨性。这类钢可分为优质碳素工具钢（简称碳素工具钢，其ws0.03%，wp0.035%）和高级优质碳素工具钢（ws0.02%，wp0.03%）两大类。碳素工具钢的牌号一般用标志性符号“t”加上碳的质量分数的千倍表示。其中标志性符号“t”是碳字的汉语拼音字头

34、。如t10，t12等。一般优质碳素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再加上“a”字，如t8a，t12等。这类钢锰的质量分数一般都严格控制在0.4%以下，个别钢为了提高其淬透性，锰的质量分数的上限可扩大到0.6%，这时，在牌号的尾部标以mn，如t8mn，t8mna。碳素工具钢淬火后的硬度虽然相近，但随着含碳量的增加，未溶渗碳体的含量增多，使钢的耐磨性增加，而韧性降低。如t7、t8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、低温回火后的硬度为4854hrc（工作部分）；t9、t10、t11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、

35、丝锥、手锯条等，淬火、低温回火后的硬度为6062hrc，t10a钢还可用于制造一些尺寸不大、形状简单、工作负荷不大的冷作模具；t12、t13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，淬火、低温回火后的硬度为6265hrc。高级优质的t7at13a比相应的优质碳素工具钢有较小的淬火开裂倾向，适于制造形状较复杂的刃具。对于形状简单、尺寸较小、精度要求不高的量具也可用碳素工具钢t10a、t12a表1-3 碳素工具钢的牌号、成分、性能（gb1298-1986）及用途牌号化学成分w(%)硬度用途举例cmnsisp退火状态试样淬火不大于hbs不大于淬火温度(t/)和淬火介

36、质hrc不小于t7t7a0.650.740.400.350.0300.035187800820水62淬火、回火后，常用于制造能承受振动、冲击，并且在硬度适中情况下有较好韧性的工具，如錾子、冲头、木工工具、大锤等t8t8a0.750.840.400.350.0300.035187780800水62淬火、回火后，常用于制造要求有较高硬度和耐磨性的工具，如冲头、木工工具、剪切金属用剪刀等t8mnt8mna0.800.900.400.600.350.0300.035187780800水62性能和用途与t8钢相似，但由于加入锰，提高淬透性，故可用于制造截面较大的工具t9t9a0.850.940.400.

37、350.0300.035192760780水62用于制造一定硬度和韧性的工具，如冲模、冲头、磨岩石用錾子等t10t10a0.951.040.400.350.0300.035197760780水62用于制造耐磨性要求较高，不受剧烈振动，具有一定韧性及具有锋利刃口的各种工具，如刨刀、车刀、钻头、丝锥、手锯锯条、拉丝模、冷冲模等t11t11a1.051.140.400.350.0300.035207760780水62用途与t10钢基本相同，一般习惯上采用t10钢t12t12a1.151.240.400.350.0300.035207760780水62用于制造不受冲击、要求高硬度的各种工具，如丝锥、锉

38、刀、刮刀、绞刀、板牙、量具等t13t13a1.251.350.400.350.0300.035217760780水62适用于制造不受振动、要求极高硬度的各种工具，如剃刀、刮刀、刻字刀具等讲课内容补充说明制造。此外，t7t12、t7at12a还可用于尺寸较小、形状简单的塑料模具。表1-3列出碳素工具钢的牌号、成分、性能（gb1298-86）及用途。4一般工程用铸造碳素钢 在工业生产中会遇到一些形状复杂的零件，不便于用锻压制成毛坯，而铸铁又保证不了其塑性的要求，这时可采用含碳量小于0.65%的钢铸造成型，为铸钢件。这类钢的牌号用标志性符号“zg”加上最低屈服点值-最低抗拉强度值表示。其中标志性符号

39、“zg”是铸钢这两个字的汉语拼音字头。如zg340-640。表示其屈服强度不小于340mpa，抗拉强度不低于640mpa的铸钢。表1-4列出了一般工程用铸造碳钢的牌号、成分、性能（gb11352-1989）和用途。其他类型的铸钢件还有，焊接结构用碳素铸钢件（gb/t7659-1987），如zg230-450h；低合金铸钢件（gb/t14408-1993），如zgd535-720；耐热铸钢件（gb/t8492-1987），如zg40cr30ni20；不锈耐酸钢铸件（gb2100-1980），如zg1cr18ni9ti；中、高强度不锈钢铸件（gb6967-1986），如zg10cr13ni1mo等

40、。表1-4 一般工程用铸造碳钢的牌号、成分、性能（gb11352-1989）和用途牌号主要化学成分w(%)室温力学性能用途举例csimnpss(0.2)(mpa)b(mpa)(%)(%)akv(j)(ku/jcm2)不大于不小于zg200-4000.200.500.800.04200400254030(60)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，如机座、变速箱壳等zg230-4500.300.500.900.04230450223225(45)有一定的强度和较好的塑性、韧性，焊接性良好。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、底板、阀体、犁柱

41、等zg270-5000.400.500.900.04270500182522(35)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、轴承座、连杆、箱体、曲轴、缸体等zg310-5700.500.600.900.04310570152115(30)强度和切削性良好，塑性、韧性较低。用于载荷较高的零件，如大齿轮、缸体、制动轮、辊子等zg340-6400.600.600.900.04340640101810(20)有高的强度、硬度和耐磨性，切削性良好，焊接性较差，流动性好，裂纹敏感性较大。用作齿轮、棘轮等讲课内容补充说明1.2 钢的合金化原理合金钢是在碳钢的基础上，为

42、了改善碳钢的力学性能或获得某些特殊性能，有目的地在冶炼钢的过程中加入某些元素（称为合金元素）而得到的多元合金。常用的合金元素有：锰、硅、铬、镍、钼、钨、钒、钛、锆、钴、铝、硼及稀土元素等。磷、氮等元素在某些情况下也会起到有益的作用。与碳钢相比合金钢的性能有显著提高，一、合金元素在钢中的存在形式1形成铁基固溶体（1）形成铁基置换固溶体 遵循hume-rothery定律，形成置换固溶体的条件是：溶剂与溶质的点阵相同；原子尺寸因素以及组元的电子结构。合金元素与铁形成置换固溶体的基本规律是：ni、co、mn、cr、v的原子尺寸与点阵相同的fe晶体的原子尺寸差小于8%，因此这些元素可与fe形成无限固溶体

43、。其中ni、co和mn形成以-fe为基的无限固溶体，cr和v形成以-fe为基的无限固溶体。mo和w具有的原子尺寸因素超过8%（分别为10%和11%），因此只能形成较宽溶解度的有限固溶体。如fe-mo和fe-w等。原子半径在尺寸因素极限（15%）附近的元素（ti、nb、ta）只能形成具有较窄溶解度的有限固溶体；尺寸因素超过15%的一些元素（zr、hf、pb）在fe具有很小的溶解度。必须指出，上述铁基固溶体的形成规律，仅是对fe-me二元系统而言的。对多元系统其形成规律要复杂得多。（2）形成铁基间隙固溶体 遵循hägg定则，间隙固溶体的形成条件是：。间隙固溶体总是有限固溶体，并且间隙原子

44、仅占据溶剂金属的部分间隙位置，即总有部分间隙没有被填满。合金元素与铁形成间隙固溶体的基本规律是：对-fe，间隙原子优先占据的位置是八面体间隙；对-fe，间隙原子优先占据的位置是八面体或四面体间隙。间隙原子的溶解度随间隙原子尺寸的减小而增加，即按b、c、n、o、h的顺序而增加。2形成合金渗碳体（与氮化物）碳化物和氮化物属于间隙化合物相，它是过渡族金属与碳或氮作用形成的。碳化物、氮化物和碳、氮化物是钢中的基本强化相。过渡族金属与碳、氮的亲和力、碳化物和氮化物的强度（或稳定性）按下列规律递减：hf、zr、ti、ta、nb、v、w、mo、cr、mn、fe。其中、族金属的碳化物与氮化物具有简单的点阵结构

45、，如tic、vc、tin、tac等，、金属的碳化物与氮化物具有复杂的点阵结构，如cr7c3、cr23c6、w2c、mo2c、(w、mo、fe)6c等。与合金碳化物相比，铁的碳化物是最不稳定的。渗碳体中fe的原子可以被若干合金元素的原子所取代。如(fe,mn)3c、(fe,cr)23c等。3形成金属间化合物金属化合物通常分为正常价化合物、电子化合物及间隙化合物三类。金属间化合物通常仅指电子化合物。在奥氏体不锈钢、马氏体时效钢及许多高温合金中较为重要的金属间化合物是(cr46fe54)、(cr21mo17fe62)、(tife2)、(co7mo6)、r(cr18co51mo31)、p(cr18ni

46、40mo42)、ni3(al,ti)、ni3(al,nb)、nial、niti、feal、(tial3)、(tial)、2(ti3al)等。4形成非金属相（非碳化合物）及非晶体相钢中的非金属相主要是指铁及其合金元素生成的氧化物（feo、mno、tio2、sio2、al2o3、cr2o3、mgo·al2o3、mno·al2o3）、硫化物（mns、fes）、硅酸盐（2mno·sio2、cao·sio2）等。氧化物和硅酸盐一般无塑性，在钢进行热加工时可能引起发裂或其它缺陷，并使钢的切削性能恶化；硫化物一般具有塑性，变形后增加钢的各向异性。必须注意的是，低熔点的

47、非金属夹杂物或能生成沿晶界分布的低熔点共晶物（主要是fes）时将引起钢的热脆性，对性能特别有害。为了防止钢的这种热脆性，一般通过加入适当的锰，形成高熔点的硫化物mns，并改善其分布。也有通过加入稀土元素生成稀土硫化物的办法。非金属夹杂物在结构钢中可能引起钢的韧性、塑性和疲劳强度的降低，还会降低钢的抗蚀性和耐磨性，并影响钢的淬透性。非金属夹杂物一般都是有害的。此外，aln也是一种非金属夹杂物，呈密排六方点阵，它不属于间隙相。熔点为1870，在钢中有较高的稳定性，有时可利用的弥散析出来改善钢的性能，这时不应该把它看着非金属夹杂物，而应该把它当做非金属相。与此类似的还有一些稀土氧化物质点，有时也被用

48、来作为弥散质点来强化钢或其它有色金属合金。在特殊条件下（如快速冷却凝固），可使某些金属或合金形成非晶体相结构。这种非晶体相具有一些特殊的性能，如各向同性，较晶体相高得多的强度和较高的抗腐蚀性能等。钢中非晶体相的作用目前仍缺乏较详细的实验和理论依据。二、合金元素与铁和碳的相互作用及其对奥氏体层错能的影响合金元素加入钢中之后，对钢的相变、组织和性能的影响一般取决于合金元素与铁和碳的相互作用。1合金元素与铁的相互作用合金元素对fe的同素异构转变有很大的影响，这一影响主要是通过合金元素在-fe和-fe中的固溶度以及对-fe存在的温度区间的影响表现出来。而这两者又取决于合金元素与铁所构成的二元合金状态图

49、。为此可以将合金元素分为两大类型，即相稳定化元素和相稳定化元素。（1）相稳定化元素 相稳定化元素使a3降低，a4升高，在较宽的成分范围内，促使奥氏体形成，即扩大了相区。根据铁与合金元素构成的相图的不同，可分为如下两种情况：开启相区(无限扩大相区) 合金元素与-fe形成无限固溶体，与-fe形成有限固溶体。它们均使a3（gs线）降低，a4（jn线）升高。如图1-1。这类合金元素主要有mn、ni、co等。如果加入足够量的ni或mn，可完全使体心立方的相从相图上消失，相保持到室温（即a1点降低），故而由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元素。扩展相区(有限扩大相区

50、) 虽然相区也随合金元素的加入而扩大，但由于合金元素与-fe和-fe均形成有限固溶体，并且也使a3（gs线）降低，a4（jn线）升高，但最终不能使相区完全开启。如图1-2。这类合金元素主要有c、n、cu、zn、au等。相区借助c及n而扩展，当c含量在02.11%（重量）范围内，均可以获得均匀化的固溶体（奥氏体），这构成了钢的整个热处理的基础。讲课内容补充说明图1-1 扩大相区并与-fe无限互溶的fe-me相图(a)及fe-ni相图(b)（2）相稳定化元素 合金元素使a4降低，a3升高，在较宽的成分范围内，促使铁素体形成，即缩小了相区。根据铁与合金元素构成的相图的不同，又可分为如下两种情况：封闭

51、相区(无限扩大相区) 合金元素使a3升高，a4下降，以致达到某一含量时，a3与a4重合，相区被封闭，或者说这些合金元素促进了体心立方铁（铁素体）的形成，其结果使相与相区连成一片。当合金元素超过一定含量时，合金不再有相变，与-fe形成无限固溶体（这类合金不能用正常的热处理制度）。如图1-3。这类合金元素有：si、al 和强碳化物形成元素cr、w、mo、v、ti及p、be等。但应该指出，含cr量小于7%时，a3下降；含cr量大于7%时，a3才上升。图1-2 扩大相区并与-fe有限互溶的fe-me相图(a)及fe-c相图(b)缩小相区(但不能使相区封闭) 合金元素使a3升高，a4下降，使相区缩小但不

52、能使其完全封闭。如图1-4。这类合金元素有：b、nb、zr、ta等。综上所述，可将合金元素分为两大类：将扩大相区的元素称为奥氏体形成元素；将缩小或封闭相区的元素称为铁素体的形成元素。显然，这种分类对生产实际有重要的指导意义。如为了保证钢具有良好的耐蚀性，需要在室温下获得单相组织，就可以运用上述合金元素与铁的相互作用规律，通过控制钢中合金元素的种类和含量，使钢在室温下获得单相组织。如欲发展奥氏体钢时，需要往钢中加入ni、mn、n等奥氏体形成元素；欲发展铁素体钢时，需要往钢中加入大量的cr、si、al、mo、ti等铁素体形成元素。图1-3 封闭相区并与-fe无限互溶的fe-me相图(a)及fe-cr相图(b) 图1-4 缩小相区的fe-me相图(a)及fe-nb相图(b)最后应该指出，同时向钢中加入两类合金元素时，其作用往往相互有所抵消。但也有例外，例如是cr铁素体形成元素，在cr18%与ni同时加入时却促进了奥氏体的形成。2合金元素与碳的相互作用合金元素与钢中碳的作用主要表现在是否易于形成碳化物，或者形成碳化物倾向性的大小，以及合金元素对钢中