汽車材料教學(xué)課件

汽車材料目錄頁(yè)CONTENTSPAGEPART02鋼P(yáng)ART01金屬材料力學(xué)性能PART04有色金屬及其合金PART05PART03鑄鐵典型金屬材料的汽車零件目錄頁(yè)CONTENTSPAGEPART07汽車燃料PART06汽車常用基礎(chǔ)材料PART08汽車潤(rùn)滑油材料PART09汽車工作油液

金屬材料力學(xué)性能01第一部分金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能是指在力的作用下，材料所表現(xiàn)出來(lái)的一系列力學(xué)性能指標(biāo)，反映了金屬材料在各種形式外力作用下抵抗變形或破壞的某些能力。金屬材料的力學(xué)性能包括強(qiáng)度、塑性、硬度、沖擊韌度和疲勞等項(xiàng)目。情境一：強(qiáng)度和塑性強(qiáng)度是指金屬材料在載荷作用下抵抗破壞（永久變形或斷裂）的性能。塑性是指金屬材料在載荷作用下產(chǎn)生塑性變形（永久變形）而不破壞的能力。一、拉伸試驗(yàn)金屬材料的強(qiáng)度和塑性指標(biāo)可通過(guò)拉伸試驗(yàn)測(cè)得。拉伸試驗(yàn)是用靜拉伸力對(duì)試樣進(jìn)行軸向拉伸，測(cè)量拉伸力和相應(yīng)的伸長(zhǎng)，并測(cè)量其力學(xué)性能的試驗(yàn)。試驗(yàn)在拉伸試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，圖1-1為電子拉伸試驗(yàn)機(jī)。

圖1-1電子拉伸試驗(yàn)機(jī)試驗(yàn)時(shí)用被測(cè)金屬材料的標(biāo)準(zhǔn)試樣，拉伸試樣的形狀通常有圓柱形和板狀兩類。圖1-2所示為圓柱形拉伸試樣。在圓柱形拉伸試樣中d0為試樣直徑，?0為試樣的標(biāo)距長(zhǎng)度，根據(jù)標(biāo)距長(zhǎng)度和直徑之間的關(guān)系，試樣可分為長(zhǎng)試樣（l0=10d0）和短試樣（l0=5d0）。直徑為d0，標(biāo)距長(zhǎng)度為l0的試樣（如圖1-3a）裝夾在拉伸試驗(yàn)機(jī)上，緩慢增加拉伸力，試樣標(biāo)距的長(zhǎng)度將逐漸增加，直至被拉斷。再將兩段試樣對(duì)接起來(lái)，標(biāo)距將增至lk，斷裂處橫截面直徑減至dk

（如圖1-3b）。同時(shí)記錄裝置記錄下拉伸過(guò)程中的力—伸長(zhǎng)曲線。圖1-2圓柱形拉伸試樣圖1-3拉伸過(guò)程試樣形變圖二、力-伸長(zhǎng)曲線在試驗(yàn)過(guò)程中，電子試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)記錄了每一瞬間負(fù)荷F和變形量ΔL，并給出了它們之間的關(guān)系曲線，故稱為拉伸曲線（或拉伸圖）。拉伸曲線反映了材料在拉伸過(guò)程中的彈性變形、塑性變形和直至拉斷時(shí)的力學(xué)特性。汽車不僅僅解決了人們的出行問(wèn)題，它甚至是一個(gè)民族、一個(gè)國(guó)家工業(yè)發(fā)展的標(biāo)致。我們以?shī)W迪汽車為例來(lái)說(shuō)明汽車的發(fā)展歷程。圖1-4為低碳鋼的拉伸曲線。由圖可見(jiàn)，低碳鋼試樣在拉伸過(guò)程中，可分為彈性變形、塑性變形和斷裂三個(gè)階段。

圖1-4低碳鋼的拉伸曲線觀察拉伸試驗(yàn)和力—伸長(zhǎng)曲線，會(huì)發(fā)現(xiàn)在拉伸試驗(yàn)開(kāi)始階段，即當(dāng)載荷不超過(guò)Fe時(shí)，拉伸曲線oe為一直線，在該階段試樣的伸長(zhǎng)量與載荷成正比地增加，如果卸除載荷，試樣變形消失，恢復(fù)到原來(lái)的尺寸，即試樣處于彈性變形階段。當(dāng)載荷超過(guò)Fe后，試樣將進(jìn)一步伸長(zhǎng)，但此時(shí)若卸除載荷，彈性變形消失，而有一部分變形卻不能消失，即試樣不能恢復(fù)到原來(lái)的長(zhǎng)度，稱為塑性變形或永久變形。當(dāng)載荷增加到Fs時(shí)，試樣開(kāi)始明顯的塑性變形，在拉伸曲線上出現(xiàn)一段水平（或鋸齒形）的線段，即在拉伸力不再增加的情況下，試樣的塑性變形仍然增加，這種現(xiàn)象稱為屈服。Fs稱為屈服拉伸力。

超過(guò)屈服拉伸力后，試樣抵抗變形的能力將會(huì)增加，此現(xiàn)象為冷變形強(qiáng)化，即恢復(fù)抵抗拉伸力的能力。當(dāng)載荷繼續(xù)增加到某一最大值Fb時(shí)，試樣的局部截面縮小，產(chǎn)生了頸縮現(xiàn)象。由于試樣局部截面的迅速減少，故載荷也逐漸降低，當(dāng)達(dá)到拉伸曲線上的k點(diǎn)時(shí)，試樣就被拉斷。Fb是試樣拉斷前能承受的最大拉伸力，稱為極限拉伸力。

三、強(qiáng)度指標(biāo)1.屈服點(diǎn)和規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力金屬材料抵抗拉伸力的強(qiáng)度指標(biāo)有屈服點(diǎn)、規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力、抗拉強(qiáng)度。屈服點(diǎn)是指在外力作用下開(kāi)始產(chǎn)生明顯塑性變形的最小應(yīng)力。即試樣在試驗(yàn)中力不增加（保持恒定）仍能繼續(xù)伸長(zhǎng)（變形）時(shí)的應(yīng)力，用σS表示，單位為Mpa（或N/mm2)。即

σS=FS/S0式中：FS—試樣屈服時(shí)的拉伸力，即拉伸曲線中S點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的外力（N）S0—試樣的原始截面積（mm2）某些金屬材料，在拉伸試驗(yàn)中不出現(xiàn)明顯的屈服現(xiàn)象，無(wú)法確定其屈服點(diǎn)σs，如高碳鋼、鑄鐵等。所以國(guó)標(biāo)中規(guī)定一個(gè)相當(dāng)于屈服點(diǎn)的強(qiáng)度指標(biāo)，即規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力（條件屈服強(qiáng)度）。規(guī)定殘余伸長(zhǎng)應(yīng)力指試樣卸除拉伸力后，其標(biāo)距部分的殘余伸長(zhǎng)達(dá)到規(guī)定的原始標(biāo)距百分比時(shí)的應(yīng)力。以試樣塑性變形量為試樣標(biāo)距長(zhǎng)度的0.2%時(shí)為例,σr0.2表示規(guī)定殘余伸長(zhǎng)率為0.2%時(shí)的應(yīng)力。σr0.2的確定方法如圖1-5所示，在拉伸曲線橫坐標(biāo)上截取C點(diǎn)，使OC=0.2%L0，過(guò)C點(diǎn)作oe斜線的平行線，交曲線于S點(diǎn)，則可找出相應(yīng)的載荷F0.2，從而計(jì)算出σr0.2。圖1-5條件屈服強(qiáng)度2.抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度是金屬材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力，故又稱強(qiáng)度極限，常用σb來(lái)表示，單位為Mpa（或N/mm2)。即σb=Fb/S0

式中：Fb—指試樣所承受的最大拉伸力，即拉伸曲線上b點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的外力（N）。S0—試樣的原始橫截面積（mm2）屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度在機(jī)械設(shè)計(jì)和選擇、評(píng)定金屬材料時(shí)有重要意義，因?yàn)榻饘俨牧喜荒茉诔^(guò)其σS的條件下工作，否則會(huì)引起機(jī)件的塑性變形；金屬材料也不能超過(guò)其σb的條件下工作，否則會(huì)導(dǎo)致機(jī)件的破壞。脆性金屬材料的σr0.2也難測(cè)得，所以在使用脆性金屬材料制造機(jī)械零件時(shí)，常以σb作為選材和設(shè)計(jì)的依據(jù)。四、塑性指標(biāo)

試樣拉斷后，彈性變形消失，但塑性變形仍保留下來(lái)。工程上用試樣拉斷后的變形表示材料的塑性指標(biāo)。1.延伸率試樣拉斷后，標(biāo)距長(zhǎng)度的增加量與原標(biāo)距長(zhǎng)度的百分比稱為伸長(zhǎng)率，用符號(hào)

表示：式中

L1

——試樣拉斷后對(duì)接的標(biāo)距長(zhǎng)度(mm)；

L0

——試樣原標(biāo)距長(zhǎng)度(mm)；拉伸試樣的原始標(biāo)距L0與原始直徑d0之間通常有一定的比例關(guān)系。L0=10d0時(shí)，稱為長(zhǎng)試樣；L0=5d0時(shí)，稱為短試樣。使用長(zhǎng)試樣測(cè)定的延伸率率用符號(hào)

10表示，通常寫(xiě)成

；使用短試樣用符號(hào)

5表示。同一材料延伸率

5>

10。2.斷面收縮率試樣拉斷后，橫截面積的縮減量與原橫截面積的百分比稱為斷面收縮率，用

表示：式中

S0——原橫截面面積（mm2）S1——試樣斷口處的最小橫截面面積（mm2）。

、

是衡量材料塑性變形能力大小的指標(biāo)，

、

大，表示材料塑性好δ<2～

5%屬于脆性材料，如鑄鐵、混凝土、石料等；δ≈5～

10%屬于韌性材料；δ>10%屬于塑性材料，如鋼材、銅、鋁等。金屬材料的塑性好壞，對(duì)零件的加工和使用都具有重要的實(shí)際意義。塑性好的材料不僅能順利地進(jìn)行鍛壓、軋制等成型工藝，而且在使用時(shí)一旦超載，由于塑性變形，能避免突然斷裂，保證機(jī)件工作時(shí)的安全可靠。情境二：金屬材料的硬度硬度是物理學(xué)專業(yè)術(shù)語(yǔ)，是指材料局部抵抗硬物壓入其表面的能力稱為硬度。

硬度是衡量金屬材料軟硬程度的一種性能指標(biāo)，它是指金屬表面抵抗局部塑性變形或破壞的能力。硬度是檢驗(yàn)毛坯或成品件、熱處理件的重要性能指標(biāo)。機(jī)械制造業(yè)中所用的各類刃具、量具、模具都應(yīng)具備足夠的硬度，才能滿足使用性能的要求。機(jī)械零件中的齒輪、凸輪、曲軸等也必須具備一定硬度，以保證足夠的耐磨性。硬度分類①劃痕硬度主要用于比較不同礦物的軟硬程度，方法是選一根一端硬一端軟的棒，將被測(cè)材料沿棒劃過(guò)，根據(jù)出現(xiàn)劃痕的位置確定被測(cè)材料的軟硬。定性地說(shuō)，硬物體劃出的劃痕長(zhǎng)，軟物體劃出的劃痕短。②壓入硬度主要用于金屬材料，方法是用一定的載荷將規(guī)定的壓頭壓入被測(cè)材料，以材料表面局部塑性變形的大小比較被測(cè)材料的軟硬。由于壓頭、載荷以及載荷持續(xù)時(shí)間的不同，壓入硬度有多種，主要是布氏硬度、洛氏硬度、維氏硬度和顯微硬度等幾種。③回跳硬度主要用于金屬材料，方法是使一特制的小錘從一定高度自由下落沖擊被測(cè)材料的試樣，并以試樣在沖擊過(guò)程中儲(chǔ)存（繼而釋放）應(yīng)變能的多少（通過(guò)小錘的回跳高度測(cè)定）確定材料的硬度。一、布氏硬度布氏硬度試驗(yàn)通常使用數(shù)顯布氏硬度試驗(yàn)方法，試驗(yàn)機(jī)如圖1-6所示。數(shù)顯布氏硬度試驗(yàn)是用一定直徑的鋼球，以規(guī)定試驗(yàn)力壓入被試驗(yàn)物體的表面，經(jīng)規(guī)定的保持試驗(yàn)力時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，用測(cè)微目鏡測(cè)量試件表面的壓痕直徑d,即可從顯示屏上直接得到硬度值。

圖1-6數(shù)顯布氏硬度試驗(yàn)機(jī)布氏硬度試驗(yàn)原理如圖1-7所示。布氏硬度值HBS或HBW是試驗(yàn)力F除以壓痕球形表面積所得的商，即：式中F——壓入載荷(N)；D——壓頭直徑(mm)；

布氏硬度值的單位為MPa,一般不標(biāo)出單位，只寫(xiě)明硬度的數(shù)值。圖1-7布氏硬度試驗(yàn)原理注意：在進(jìn)行布氏硬度試驗(yàn)如選擇壓頭為淬火鋼球，布氏硬度用符號(hào)HBS表示，適用于布氏硬度值在450以下的材料，如灰鑄鐵、有色金屬及已經(jīng)退火、正火和調(diào)質(zhì)處理的鋼材等；壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用HBW表示，適用于布氏硬度值在450～650之間的材料。布氏硬度的標(biāo)注方法：符號(hào)HBS或HBW之前為硬度值，符號(hào)后面按以下順序用數(shù)值表示。試驗(yàn)條件/球體直徑/試驗(yàn)力/試驗(yàn)力保持時(shí)間(10～15s不標(biāo)注)。例如：125HBSl0/1000/30表示用直徑的淬火鋼球在1000kgf(9.807kN)試驗(yàn)力作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為125；500HBW5／750表示用直徑硬質(zhì)合金球在750kgf(9.807kN)試驗(yàn)力作用下保持10～15s測(cè)得的布氏硬度值為500。布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)缺點(diǎn)：布氏硬度試驗(yàn)的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)出的硬度值準(zhǔn)確可靠，因壓痕面積大，能消除因組織不均勻引起的測(cè)量誤差；布氏硬度試驗(yàn)的缺點(diǎn)是壓痕大，不適宜測(cè)量成品件或太小太薄的試樣硬度，且測(cè)量速度較慢，測(cè)得壓痕直徑后還需計(jì)算或查表。二、洛氏硬度

洛氏硬度通常使用數(shù)顯洛氏硬度試驗(yàn)方法，試驗(yàn)機(jī)如圖1-8所示。金屬洛氏硬度試驗(yàn)是生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的一種試驗(yàn)方法。它是用頂角為120°的金剛石圓錐體或一定直徑的淬火鋼球作壓頭，以規(guī)定的試驗(yàn)力使其壓入試樣表面，根據(jù)壓痕的深度確定被測(cè)金屬的硬度值。

圖1-8數(shù)顯洛氏硬度試驗(yàn)機(jī)圖1-9表示洛氏硬度試驗(yàn)原理。圖中1-1位置為在初試驗(yàn)力作用下，壓頭壓入深度為h1的位置；1-2位置為在總試驗(yàn)力（初試驗(yàn)力+主試驗(yàn)力）作用下，壓頭壓入深度h2時(shí)的位置；3-3位置為卸載主試驗(yàn)力后，由于被測(cè)金屬?gòu)椥宰冃位謴?fù)，而使壓頭略為提高的位置。這時(shí)壓頭實(shí)際壓入試樣的深度為h3，故由主試驗(yàn)力引起的塑性變形產(chǎn)生的殘余壓痕深度h=h3-h1。當(dāng)載荷和壓頭一定時(shí)，所測(cè)得的殘余壓痕深度h(單位：mm)愈大，表示材料硬度愈低。一般來(lái)說(shuō)人們習(xí)慣數(shù)值越大硬度越高，為此，用一個(gè)常數(shù)K(對(duì)HRA和HRC,K為0.2；對(duì)HRB，K為0.26)減去h，規(guī)定每0.002mm深為一個(gè)硬度單位，洛氏硬度計(jì)算公式是：式中：k-常數(shù)(對(duì)HRA和HRC,K=0.2；對(duì)HRB，K=0.26)N-給定標(biāo)尺的刻度滿量程數(shù)值，A、C標(biāo)尺為

100；B標(biāo)尺為130h-殘余壓痕深度（mm）圖1-9洛氏硬度試驗(yàn)原理

根據(jù)所加的載荷和壓頭不同，從而組成幾種不同的洛氏硬度標(biāo)尺。其中常用的是A、B、C三種標(biāo)尺。表1-1列出三種標(biāo)尺的試驗(yàn)條件和應(yīng)用范圍（GB/T230.1-2004）。標(biāo)尺硬度符號(hào)所用壓頭總試驗(yàn)力F/N適用范圍①HR應(yīng)用范圍AHRA120°金剛石圓錐588.420～88碳化物、淬火工具鋼、硬質(zhì)合金、淺層表面硬化鋼BHRBΦ鋼球980.720～100軟鋼、銅合金、鋁合金、可鍛鑄鐵CHRC120°金剛石圓錐147120～70淬火鋼、調(diào)質(zhì)鋼、深層表面硬化鋼表1-1常用洛氏硬度標(biāo)尺的試驗(yàn)條件和應(yīng)用①HRA、HRC所用刻度盤(pán)滿刻度為100，HRB為130。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB230-83和ISO推薦標(biāo)準(zhǔn)R80規(guī)定，洛氏硬度符號(hào)HR前面的數(shù)字為硬度值，后面的字母表示級(jí)數(shù)。如60HRC表示C標(biāo)尺測(cè)定的洛氏硬度值為60。洛氏硬度試驗(yàn)操作簡(jiǎn)便、迅速，效率高，可以測(cè)定軟、硬金屬的硬度；壓痕小，可用于成品檢驗(yàn)。但壓痕小，測(cè)量組織不均勻的金屬硬度時(shí)，重復(fù)性差，測(cè)得的硬度值不夠準(zhǔn)確，一般需測(cè)三次以上，取其平均值，而且不同的硬度級(jí)別測(cè)得硬度值不可直接比較大小。三、維氏硬度布氏硬度試驗(yàn)不適合測(cè)定硬度較高的金屬。洛氏硬度試驗(yàn)雖可測(cè)定各種金屬硬度，但由于采用不同的壓頭、總試驗(yàn)力和標(biāo)尺，不同級(jí)別的硬度值沒(méi)有簡(jiǎn)單的換算關(guān)系，不便比較。為了能在同一種硬度標(biāo)尺上測(cè)定由軟到硬材料的硬度值，特制定了維氏硬度試驗(yàn)法。維氏硬度通常使用數(shù)顯維氏硬度試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行檢測(cè)，如圖1-10所示。

維氏硬度試驗(yàn)原理與布氏硬度相同，同樣是根據(jù)壓痕單位面積上所受的平均載荷計(jì)量硬度值，不同的是維氏硬度的壓頭采用金剛石制成的錐面夾角為136°的正四棱錐體，如圖1-11所示。維氏硬度試驗(yàn)在維氏硬度試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行。試驗(yàn)時(shí)，根據(jù)試樣大小、厚薄選用(5～120)×9.8N載荷壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定時(shí)間后去除載荷，用附在試驗(yàn)機(jī)上測(cè)微計(jì)測(cè)量壓痕對(duì)角線長(zhǎng)度d，然后通過(guò)查表或根據(jù)下式計(jì)算維氏硬度值：HV=F/A=(1.8544×0.102×F/d2)MPa式中

A——壓痕的面積(mm)d——壓痕對(duì)角線的長(zhǎng)度(mm)F——試驗(yàn)載荷(N)

情境三：金屬材料的沖擊韌性和疲勞生產(chǎn)中許多機(jī)器零件，都是在沖擊載荷(載荷以很快的速度作用于機(jī)件)下工作。試驗(yàn)表明，載荷速度增加，材料的塑性、韌性下降，脆性增加，易發(fā)生突然性破壞斷裂。因此，這種情況使用的材料就不能用靜載荷下的性能來(lái)衡量，而必須用抵抗沖擊載荷的作用而不破壞的能力，即沖擊韌性來(lái)衡量。

一、金屬材料的沖擊韌性1.夏比沖擊試驗(yàn)夏比沖擊試驗(yàn)是在擺錘式?jīng)_擊試驗(yàn)機(jī)（圖1-12）上進(jìn)行的。試驗(yàn)原理見(jiàn)圖1-13所示，將標(biāo)準(zhǔn)試樣放在沖擊試驗(yàn)機(jī)的兩支座上，使試樣缺口背向擺錘沖擊方向，然后把質(zhì)量為m的擺錘提升到H高度，擺錘由此高度下落時(shí)將試樣沖斷,并升到h高度。。因此沖斷試樣所消耗的功（沖擊吸收功）為Ak=mg(H–h)。金屬的沖擊韌性ak就是沖斷試樣時(shí)在缺口處單位面積所消耗的功即：ak=Ak/S(J/cm2)式中

ak——沖擊韌性(J/cm2)S——試樣缺口處原始截面積(cm2)

Ak——沖斷試樣所消耗的功(J)沖擊吸收功Ak值可從試驗(yàn)機(jī)的刻度盤(pán)上直接讀出。通常把沖擊吸收功值較低的材料稱為脆性材料，沖擊吸收功值較高的材料成為韌性材料。圖

1-12沖擊試驗(yàn)機(jī)

圖1-13沖擊試驗(yàn)原理圖2.韌脆轉(zhuǎn)變溫度金屬材料的沖擊吸收功Ak值的大小代表了材料的沖擊韌性高低。材料的沖擊韌性值除了取決于材料本身之外，還與環(huán)境溫度及缺口的狀況密切相關(guān)。所以，沖擊韌性除了用來(lái)表征材料的韌性大小外，還用來(lái)測(cè)量金屬材料隨環(huán)境溫度下降由塑性狀態(tài)變?yōu)榇嘈誀顟B(tài)的冷脆轉(zhuǎn)變溫度，也用來(lái)考查材料對(duì)于缺口的敏感性。材料的沖擊韌性隨溫度下降而下降。在某一溫度范圍內(nèi)Ak值發(fā)生急劇下降的現(xiàn)象稱為韌脆轉(zhuǎn)變，發(fā)生韌脆轉(zhuǎn)變的溫度范圍稱為韌脆轉(zhuǎn)變溫度，沖擊吸收功與溫度之間的關(guān)系曲線如圖1-14所示。金屬的韌脆轉(zhuǎn)變溫度越低，說(shuō)明金屬的低溫抗沖擊性能就越好。圖1-14沖擊吸收功—溫度曲線二、疲勞

實(shí)際工作過(guò)程中，許多機(jī)器零件都是在循環(huán)載荷下工作的，如軸類、彈簧、齒輪、滾動(dòng)軸承等。雖然零件所承受的交變應(yīng)力數(shù)值小于材料的屈服強(qiáng)度，但在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)轉(zhuǎn)后也會(huì)發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象叫疲勞斷裂。它與靜載荷下的斷裂不同，斷裂前無(wú)明顯塑性變形，因此具有更大的危險(xiǎn)性。疲勞破斷常發(fā)生在金屬材料最薄弱的部位，如熱處理產(chǎn)生的氧化、脫碳、過(guò)熱、裂紋；鋼中的非金屬夾雜物、試樣表面有氣孔、劃痕等缺陷均會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，其先形成微裂源，并隨著應(yīng)力的循環(huán)周次增加，裂紋不斷擴(kuò)展，使零件承受載荷的有效面積不斷減小，最后當(dāng)減小到不能承受外加載荷時(shí)，突然發(fā)生斷裂。疲勞失效過(guò)程可分為疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展和斷裂三階段，形成斷口如圖1-15所示。(A)疲勞源區(qū)(B)擴(kuò)展區(qū)(C)終斷區(qū)圖1-15疲勞斷裂的宏觀斷口

為了提高疲勞強(qiáng)度，加工時(shí)要降低零件的表面粗糙度和進(jìn)行表面強(qiáng)化處理，如表面淬火、滲碳、氮化、噴丸等，使零件表層產(chǎn)生殘余的壓應(yīng)力，以抵消零件工作時(shí)的一部分拉應(yīng)力，從而使零件的疲勞強(qiáng)度提高。研究疲勞問(wèn)題時(shí)，需要測(cè)定疲勞曲線。交變應(yīng)力大小和斷裂循環(huán)周次之間的關(guān)系通常用疲勞曲線（σ-—N曲線）來(lái)描述，如圖1-16所示。曲線表明，當(dāng)應(yīng)力低于某一值時(shí)，即使循環(huán)次數(shù)無(wú)窮多也不發(fā)生斷裂，此應(yīng)力值稱為疲勞強(qiáng)度或疲勞極限。光滑試樣的對(duì)稱彎曲疲勞極限用σ-1表示。在疲勞強(qiáng)度的測(cè)定中，不可能把循環(huán)次數(shù)做到無(wú)窮大，而是規(guī)定一定的循環(huán)次數(shù)作為基數(shù)，超過(guò)這個(gè)基數(shù)就認(rèn)為不再發(fā)生疲勞破壞。常用鋼材的循環(huán)基數(shù)為107，有色金屬和某些超高強(qiáng)度鋼的循環(huán)基數(shù)為108。圖1-16σ—N曲線第二部分鋼金屬材料通常分為黑色金屬和有色金屬兩大類：①黑色金屬又稱鋼鐵材料，包括含鐵90％以上的工業(yè)純鐵，含碳2％～4％的鑄鐵，含碳小于2％的碳鋼，以及各種用途的結(jié)構(gòu)鋼、不銹鋼、耐熱鋼、高溫合金、精密合金等。廣義的黑色金屬還包括鉻、錳及其合金。②有色金屬又稱非鐵金屬，指除鐵、鉻、錳以外的所有金屬及其合金，通常分為輕金屬、重金屬、貴金屬、半金屬、稀有金屬和稀土金屬等。如銅、鋁、鎂及其合金。鋼在我國(guó)汽車工業(yè)中仍占主流地位。汽車用鋼主要有結(jié)構(gòu)鋼、特殊用途鋼、合金鋼等，主要用于制造車架、車軸、車身、齒輪、罩板、外殼等零件。情境一：鋼的基礎(chǔ)知識(shí)一、鋼鐵材料的生產(chǎn)圖2-1鋼鐵材料生產(chǎn)過(guò)程示意圖鋼鐵材料是機(jī)械工程材料中應(yīng)用最為廣泛的金屬材料，它通過(guò)冶煉和軋制等生產(chǎn)方法獲得。鋼鐵是鐵和碳的合金。鋼鐵材料按碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ωc（含碳量）進(jìn)行分類，包括工業(yè)純鐵（ωc<0.0218%）、鋼（ωc=0.0218%～2.11%）和生鐵（ωc>2.11%）。圖2-1為鋼鐵材料生產(chǎn)示意圖。自然界中的鐵礦石經(jīng)高爐冶煉得到生鐵，它是煉鋼和鑄造的原材料。經(jīng)煉鋼爐通過(guò)氧化作用降低生鐵中的碳和雜質(zhì)元素的含量就煉成鋼水，然后鑄成鋼錠，經(jīng)軋制成不同規(guī)格的鋼材進(jìn)行供應(yīng)，少數(shù)鋼錠經(jīng)鍛造形成鍛件進(jìn)行供應(yīng)。1.煉鐵

煉鐵用的主要原料為鐵礦石。鐵礦石是自然界中含鐵較多且具有冶煉價(jià)值的礦物。煉鐵的實(shí)質(zhì)就是從鐵礦石中提取鐵及其他有用元素形成生鐵的過(guò)程。高爐煉鐵的原料主要是鐵礦石（Fe3O4）、燃料（焦炭）和熔劑（石灰石）。煉鐵的基本過(guò)程包括燃料燃燒、鐵的還原和增碳、雜質(zhì)的混入、造渣等。首先在燒結(jié)車間制備鐵礦石。鐵礦石被壓碎碾成標(biāo)準(zhǔn)化的顆粒，被燒結(jié)或粘合在一起。燒結(jié)的鐵礦石隨后被壓碎，并按一層焦炭、一層礦石的交替方式，被加入高爐中。高爐中在高溫（1200℃左右）高壓作用下，致使幾乎是100%含碳量的焦炭開(kāi)始燃燒。這便產(chǎn)生了碳的氧化物（CO），它通過(guò)除氧過(guò)程的化學(xué)反應(yīng)把鐵從鐵礦石中還原出來(lái)。高爐冶煉出的鐵不是純鐵，鐵中含有碳、硅、錳、硫、磷等元素，稱為生鐵（也叫“銑鐵”）。生鐵是高爐冶煉的主要產(chǎn)品，按含硅（Si）量劃分鐵號(hào)，分為煉鋼生鐵（Wsi<1.25%）和鑄造生鐵（Wsi=1.25%～3.2%）。2.煉鋼

煉鋼的本質(zhì)是利用氧化作用降低生鐵中的碳和其他元素，使其化學(xué)成分達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求，從而改善其性能?，F(xiàn)代煉鋼方法主要有轉(zhuǎn)爐煉鋼法和電爐煉鋼法。鋼液經(jīng)脫氧后，除少數(shù)用來(lái)澆注成鑄鋼件外，其余澆注成鋼錠或通過(guò)連鑄法制成連鑄坯。鋼錠用于軋鋼或鍛造毛坯。鋼錠經(jīng)過(guò)軋制最終形成板材、管材、型材、線材和其他材料。二、鐵碳合金的相與組織組成工業(yè)純鐵雖然塑性好，但強(qiáng)度低，所以很少用它制造機(jī)械零件。在工業(yè)上應(yīng)用最廣的是鐵碳合金。所謂鐵碳合金就是以鐵為基體，有不同碳含量的合金。（一）鐵碳合金的基本組織鐵碳合金在液態(tài)時(shí)鐵和碳可以無(wú)限互溶；在固態(tài)時(shí)根據(jù)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，碳可以溶解在鐵中形成固溶體，也可以與鐵形成化合物，或者形成固溶體與化合物組成的機(jī)械混合物。鐵碳合金中的Fe和C可形成鐵素體（F）、奧氏體（A）、滲碳體三個(gè)基本相。這些基本相以機(jī)械混合物的形式結(jié)合還可形成珠光體（P）和萊氏體（Ld)。鐵碳合金中這些基本組織性能各異，其數(shù)量、形態(tài)、分布直接決定了鐵碳合金的性能。1.鐵素體碳溶于

-Fe中形成的間隙固溶體稱為鐵素體，常用符號(hào)F表示。鐵素體仍保持

-Fe的體心立方晶格，碳溶于

-Fe的晶格間隙中。由于體心立方晶格原子間的空隙較小，碳在

-Fe中的溶解度也較小，在727℃時(shí)，溶碳能力為最大

c＝0.0218％，隨著溫度降低，

-Fe中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少，在室溫時(shí)只能微量溶解。鐵素體晶體結(jié)構(gòu)和顯微組織如圖2-2、2-3所示。鐵素體的力學(xué)性能與工業(yè)純鐵相似，即塑性、韌性較好，強(qiáng)度、硬度較低。圖2-2鐵素體晶體結(jié)構(gòu)圖2-3鐵素體顯微組織2.奧氏體碳溶于γ-Fe中形成的間隙固溶體稱為奧氏體，用符號(hào)A表示。奧氏體仍保持γ-Fe的面心立方晶格。由于面心立方晶格間隙較大，故奧氏體的溶碳能力較強(qiáng)。在1148℃時(shí)溶碳能力為最大c＝2.11％，隨著溫度下降，γ-Fe中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸減少，在727℃時(shí)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77％。奧氏體晶體結(jié)構(gòu)和顯微組織如圖2-4、2-5所示。奧氏體是一種高溫組織，穩(wěn)定存在的溫度范圍為727～1394℃，顯微組織為多邊形晶粒，是一個(gè)硬度較低塑性較高的相，適用于鍛造。生產(chǎn)中利用奧氏體塑性好的特點(diǎn)，常將鋼加熱到高溫奧氏體狀態(tài)進(jìn)行塑性加工。圖2-4奧氏體晶體結(jié)構(gòu)圖圖2-5

奧氏體顯微組織

3.滲碳體鐵與碳形成的金屬化合物Fe3C稱為滲碳體，用Fe3C表示。滲碳體中的

c=6.69％，熔點(diǎn)為1227℃，是一種具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物。滲碳體晶體結(jié)構(gòu)和顯微組織如圖2-6、2-7所示。滲碳體的硬度很高，但塑性和韌性幾乎等于零。滲碳體是鋼中主要強(qiáng)化相，在鐵碳合金中存在形式有：粒狀、球狀、網(wǎng)狀和細(xì)片狀。其形狀、數(shù)量、大小及分布對(duì)鋼的性能有很大的影響。滲碳體是一種亞穩(wěn)定相，在一定的條件下會(huì)分解，形成石墨狀的自由碳和鐵：Fe3C→3Fe十C(石墨)，這一過(guò)程對(duì)鑄鐵具有重要的意義。圖2-6滲碳體晶體結(jié)構(gòu)圖2-7滲碳體顯微組織

4.珠光體珠光體是由鐵素體和滲碳體組成的機(jī)械混合物，用符號(hào)“P”表示。珠光體顯微組織如圖2-8所示。，珠光體是奧氏體冷卻時(shí)，在727℃發(fā)生共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為

c=0.77%。珠光體力學(xué)性能介于鐵素體與滲碳體之間，強(qiáng)度較高，硬度適中，塑性和韌性較好。圖2-8珠光體顯微組織

圖2-9萊氏體顯微組織

5.萊氏體萊氏體是由奧氏體和滲碳體組成的機(jī)械混合物。萊氏體是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

c=4.3%的鐵碳合金冷卻到1148℃時(shí)共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，存在于1148℃～727℃之間的萊氏體稱為高溫萊氏體，用符號(hào)“Ld”表示，組織由奧氏體和珠光體組成；存在于727℃以下的萊氏體稱為變態(tài)萊氏體或稱低溫萊氏體，用符號(hào)“Ldˊ”表示，組織由滲碳體和珠光體組成。萊氏體顯微組織如圖2-9所示。與滲碳體相似，硬度很高，塑性極差，幾乎為零。（二）鐵碳合金相圖分析碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＞6.69％的鐵碳合金脆性極大，沒(méi)有使用價(jià)值。另外，F(xiàn)e3C中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為6.69％，是個(gè)穩(wěn)定的金屬化合物，可以作為一個(gè)組元，因此研究的鐵碳合金相圖實(shí)際上是Fe-Fe3C相圖，如圖2-10所示。圖2-10鐵碳合金相圖相圖中的AC和CD線為液相線，AE和ECF線為固相線。相圖中有四個(gè)單相區(qū)：液相區(qū)(L)、奧氏體區(qū)(A)、鐵素體區(qū)(F)、滲碳體區(qū)(Fe3C)。1.相圖由共晶、共析轉(zhuǎn)變組成：（1）

c=(2.11～6.69)％的鐵碳合金，緩冷至1148℃(ECF共晶線)都發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變：Lc→AE十Fe3C轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是奧氏體和滲碳體的機(jī)械混合物，稱為萊氏體(Ld)。（2）

c＞0.0218％的鐵碳合金，緩冷至727℃(PSK共析線)都發(fā)生共析轉(zhuǎn)變：As→Fp十Fe3C轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物是鐵素體和滲碳體的機(jī)械混合物，稱為珠光體(P)。共析溫度以A1表示。

2.鐵碳合金中還有三條重要的特性線：

（1）ES線

它是碳在奧氏體中溶解度曲線。在1148℃時(shí)，奧氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.11％，而在727℃時(shí)，奧氏體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77％。故凡是碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)

＞0.77%的鐵碳合金自1148℃冷至727℃時(shí)，都會(huì)從奧氏體中沿晶界析出滲碳體，稱為二次滲碳體(Fe3CII)。ES線又稱Acm線。（2）PQ線

它是碳在鐵素體中的溶解度曲線。在727℃時(shí)，鐵素體中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0218％，而在室溫時(shí)，鐵素體中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0008％。故一般鐵碳合金由727℃冷至室溫時(shí)，將由鐵素體中析出滲碳體，稱為三次滲碳體(Fe3CIII)。在碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的合金中，因其數(shù)量極少可忽略不計(jì)。（3）GS線

它是合金冷卻時(shí)自?shī)W氏體中開(kāi)始析出鐵素體的析出線，通常稱為A3線。

Fe-Fe3C相圖主要特征點(diǎn)及含義見(jiàn)表2-1所示。表2-1Fe-Fe3C相圖中特征點(diǎn)符號(hào)溫度/℃碳的含量

c100說(shuō)明A15380純鐵的熔點(diǎn)C11484.3共晶點(diǎn)D12276.69滲碳體熔點(diǎn)E11482.11碳在γ-Fe中的最大溶解度F11486.69滲碳體的成分G9120

-Fe、γ-Fe同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)K7276.69滲碳體的成分P7270.0218碳在

-Fe中的最大溶解度S7270.77共析點(diǎn)Q室溫0.0008碳在

-Fe中的溶解度

（三）鐵碳合金的分類

按其碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和顯微組織的不同，鐵碳合金相圖中的合金可分成工業(yè)純鐵、鋼和白口鑄鐵三大類，即含碳量低于0.0218%的為工業(yè)純鐵，含碳量在0.0218%～2.11%的為碳鋼，含碳量大于2.11%的為鑄鐵。1.工業(yè)純鐵：

c＜0.0218％。2.鋼：0.0218％＜

c＜2.11％。鋼又分為：（1）亞共析鋼：0.0218％＜

c＜0.77％；（2）共析鋼：

c＝0.77％；（3）過(guò)共析鋼：0.77％＜

c＜2.11％。3.白口鑄鐵：2.11％＜

c＜6.69％。白口鑄鐵又分為：（1）亞共晶白口鑄鐵：2.11％＜

c＜4.3％；（2）共晶白口鑄鐵:

c＝4.3％；（3）過(guò)共晶白口鑄鐵:4.3％＜

c＜6.69％。三、碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鐵碳合金組織、性能的影響（一）碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)平衡組織的影響由Fe-Fe3C相圖可知,隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，鐵碳合金顯微組織發(fā)生如下變化：F→F十Fe3CIII→F十P→P→P+Fe3CII→P十Fe3CII十Ld′→Ld′→Ld′十Fe3C從圖2-10中看出，當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加時(shí)，不僅組織中Fe3C相對(duì)量增加，而且Fe3C大小、形態(tài)和分布也隨之發(fā)生變化，即由分布在F晶界上(如Fe3CIII)，變?yōu)榉植荚贔的基體內(nèi)(如P)，進(jìn)而分布在原A的晶界上(如Fe3CII)，最后形成Ld′時(shí)，F(xiàn)e3C已作為基體出現(xiàn)，即碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同的鐵碳合金具有不同的組織，因此它們具有不同的性能。如圖2-11所示。圖2-11碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)平衡組織的影響

（二）碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)力學(xué)性能的影響碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鋼的力學(xué)性能影響如圖2-12所示。鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，高硬度的Fe3C增加，低硬度的F減少，故鋼的硬度呈直線增加，而塑性、韌性不斷下降。在亞共析鋼中，隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加,強(qiáng)度高的P增加，強(qiáng)度低的F減少，因此強(qiáng)度隨碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而升高。當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77％時(shí)，鋼的組織全部為P，P的組織越細(xì)密，則強(qiáng)度越高。但當(dāng)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77＜

c＜0.9％時(shí)，由于強(qiáng)度很低的、少量的、一般未連成網(wǎng)狀的Fe3CII沿晶界出現(xiàn)，所以合金的強(qiáng)度增加變慢；當(dāng)

c＞9％時(shí)，F(xiàn)e3CII數(shù)量增加且呈網(wǎng)狀分布在晶界處，導(dǎo)致鋼的強(qiáng)度明顯下降。圖2-12碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)鋼的力學(xué)性能影響

（三）碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)工藝性能的影響1.切削加工性金屬的切削加工性能是指其經(jīng)切削加工成工件的難易程度。一般要從允許的切削速度、切削力、表面粗糙度等幾個(gè)方面進(jìn)行評(píng)價(jià)，材料的化學(xué)成分、硬度、韌性、導(dǎo)熱性以及金屬的組織結(jié)構(gòu)和加工硬化程度等對(duì)其均有影響。低碳鋼中F較多，塑性好，切削加工時(shí)產(chǎn)生切削熱大，易粘刀，不易斷屑，表面粗糙度差，故切削加工性差。高碳鋼中Fe3C多，刀具磨損嚴(yán)重，故切削加工性也差。中碳鋼中F和Fe3C的比例適當(dāng)，切削加工性較好。在高碳鋼Fe3C呈球狀時(shí)，可改善切削加工性。一般認(rèn)為，鋼的硬度大致為240HB時(shí)切削加工性能較好。

2.可鍛性金屬可鍛性是指金屬壓力加工時(shí)，能改變形狀而不產(chǎn)生裂紋的性能。當(dāng)鋼加熱到高溫得到單相A組織時(shí)，可鍛性好。低碳鋼中鐵素體多可鍛性好，隨著碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加金屬可鍛性下降。奧氏體具有良好的塑性，易于塑性變形。鋼加熱到高溫可獲得單相奧氏體組織，具有良好的鍛造性能。因此鋼材的始鍛或終鍛溫度一般在固相線以下100℃～200℃范圍內(nèi)。終鍛溫度不能過(guò)低，以免因溫度過(guò)低而使塑性變差，產(chǎn)生裂紋。一般對(duì)亞共析鋼終鍛溫度控制在GS線以上較近處，對(duì)過(guò)共析鋼控制在SE線以上較近處。白口鑄鐵無(wú)論在低溫或高溫，其組織都是以硬而脆的滲碳體為基體，其鍛造性能很差。不能通過(guò)鍛造進(jìn)行變形。

3.鑄造性能金屬的鑄造性包括金屬的流動(dòng)性、收縮性和偏析傾向等。（1）流動(dòng)性流動(dòng)性是指液態(tài)金屬充滿鑄型的能力。在化學(xué)成分中，碳對(duì)流動(dòng)性影響最大，隨著含碳量的增加，鋼的結(jié)晶溫度范圍增大，流動(dòng)性應(yīng)該變差。鑄鐵因其液相線溫度比鋼低，其流動(dòng)性總是比鋼好。亞共晶鑄鐵隨含碳量的提高，結(jié)晶溫度范圍縮小，流動(dòng)性也隨之提高。共晶鑄鐵結(jié)晶溫度最低，同時(shí)又是在恒溫下凝固，流動(dòng)性最好；過(guò)共晶鑄鐵隨著含碳量的提高，流動(dòng)性變差。（2）收縮性鑄鐵從澆注溫度至室溫的冷卻過(guò)程中，其體積和線尺寸減小的現(xiàn)象稱為收縮性。收縮是鑄造合金本身的物理性質(zhì)，使鑄件產(chǎn)生缺陷，如縮孔、縮松、殘余內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋。

3.鑄造性能金屬的鑄造性包括金屬的流動(dòng)性、收縮性和偏析傾向等。（1）流動(dòng)性流動(dòng)性是指液態(tài)金屬充滿鑄型的能力。在化學(xué)成分中，碳對(duì)流動(dòng)性影響最大，隨著含碳量的增加，鋼的結(jié)晶溫度范圍增大，流動(dòng)性應(yīng)該變差。鑄鐵因其液相線溫度比鋼低，其流動(dòng)性總是比鋼好。亞共晶鑄鐵隨含碳量的提高，結(jié)晶溫度范圍縮小，流動(dòng)性也隨之提高。共晶鑄鐵結(jié)晶溫度最低，同時(shí)又是在恒溫下凝固，流動(dòng)性最好；過(guò)共晶鑄鐵隨著含碳量的提高，流動(dòng)性變差。（2）收縮性鑄鐵從澆注溫度至室溫的冷卻過(guò)程中，其體積和線尺寸減小的現(xiàn)象稱為收縮性。收縮是鑄造合金本身的物理性質(zhì)，使鑄件產(chǎn)生缺陷，如縮孔、縮松、殘余內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋。金屬?gòu)臐沧囟壤鋮s到室溫要經(jīng)歷3個(gè)互相聯(lián)系的收縮階段。①液態(tài)收縮：從澆注溫度到開(kāi)始凝固(液相線溫度)這一溫度范圍內(nèi)的收縮為液態(tài)收縮。②凝固收縮：從凝固開(kāi)始到凝固終止(固相線溫度)這一溫度范圍內(nèi)的收縮稱凝固收縮。

③固態(tài)收縮：從凝固終了到冷卻到室溫這一溫度范圍內(nèi)的收縮稱為固態(tài)收縮。液態(tài)收縮和凝固收縮表現(xiàn)為合金體積的縮小，其收縮量用體積分?jǐn)?shù)表示，稱為體收縮。它們是鑄件產(chǎn)生縮孔、疏松缺陷的基本原因。合金的固態(tài)收縮雖然也是體積變化，但它只引起鑄件外部尺寸的變化，其收縮量通常用長(zhǎng)度百分?jǐn)?shù)表示，稱為線收縮。它是鑄件產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力、變形和裂紋等缺陷的基本原因。4.可焊性隨著鋼中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)增加，鋼的塑性下降，可焊性下降。所以，為了保證獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭，應(yīng)優(yōu)先選用低碳鋼(碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜0.25％的鋼）。碳素鋼02情境二：碳素鋼碳素鋼（簡(jiǎn)稱碳鋼）是指含碳量小于2.11％的鐵碳合金。工業(yè)上應(yīng)用的碳素鋼碳含量一般不超過(guò)1.4%。這是因?yàn)楹剂砍^(guò)此量后，鋼表現(xiàn)出很大的硬脆性，并且加工困難，失去生產(chǎn)和使用價(jià)值。碳素鋼的性能主要取決于含碳量，含碳量增加，鋼的強(qiáng)度、硬度升高，塑性、韌性和可焊性降低。一、雜質(zhì)元素對(duì)鋼性能的影響1.錳（Mn）元素的影響錳是煉鋼時(shí)脫氧而殘留在鋼中的元素。錳是一個(gè)有益的元素，在鋼中的含量一般為0.25％～0.8％。錳具有一定的脫氧能力，能使鋼中的氧化鐵還原成鐵，錳還能溶于鐵素體中強(qiáng)化鐵素體以改善鋼的質(zhì)量。錳與硫化合成為MnS（熔點(diǎn)為1620℃），高溫時(shí)MnS有一定塑性，因此可減輕硫的有害作用，降低鋼的脆性，改善鋼的熱加工性能。

2.硅(Si)元素的影響硅也是作為脫氧劑加入鋼中的。硅的脫氧能力比錳還要強(qiáng)，能消除氧化鐵夾雜對(duì)鋼質(zhì)量的不良影響。硅與錳一樣，能溶解于鐵素體中，使鐵素體強(qiáng)化，從而提高鋼的強(qiáng)度和硬度，但降低塑性和韌性，所以鋼中硅的含量一般小于0.4％。3.硫(S)元素的影響硫在鋼中是有害雜質(zhì)，它不溶于鐵，而與鐵形成化合物(FeS)，易使鋼材變脆，因而在鍛壓時(shí)，使鋼材強(qiáng)度大幅度降低，這種現(xiàn)象稱為熱脆。為了避免熱脆，必須嚴(yán)格控制鋼中含硫量。4.磷(P)元素的影響磷是從礦石中帶入鋼中的雜質(zhì)，在煉鋼時(shí)也難于除盡。磷在鋼中是有害雜質(zhì)，它能使室溫下鋼的塑性、韌性急劇降低。在低溫時(shí)，磷會(huì)使鋼的塑性、韌性降的更低，這種現(xiàn)象為冷脆。含磷量過(guò)高的鋼，焊接時(shí)易產(chǎn)生裂紋，降低了鋼的可焊性。因此，要嚴(yán)格控制鋼中的含磷量。此外，鋼在整個(gè)冶煉過(guò)程中，都與空氣接觸，因而鋼液中總會(huì)吸收一些氣體，如氮、氧、氫等。它們對(duì)鋼的質(zhì)量都會(huì)產(chǎn)生不良影響。尤其是氫對(duì)鋼的危害性更大，它使鋼變脆(稱為氫脆)，也可使鋼中產(chǎn)生微裂紋(稱為白點(diǎn))，嚴(yán)重影響鋼的力學(xué)性能，使鋼易于脆斷。二、碳素鋼分類碳鋼的分類主要有三種方法：1.按含碳量分類低碳鋼ωC≤0.25％；中碳鋼ωC=0.25～0.6％；高碳鋼ωC＞0.60％。2.按質(zhì)量分類主要根據(jù)有害雜質(zhì)硫、磷在鋼中的含量的多少來(lái)分類。普通碳素鋼ωs≤0.05％，ωp≤0.045％；優(yōu)質(zhì)碳素鋼ωs、ωp≤0.035％；高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素鋼ωs≤0.02％，ωp≤0.03％。3.按用途分類碳素結(jié)構(gòu)鋼：主要用作各種工程構(gòu)件、橋梁、建筑構(gòu)件和機(jī)器零部件等，一般為中、低碳鋼。碳素工具鋼：主要用于制作各種刃具、量具、模具，一般為高碳鋼。三、鋼的牌號(hào)1.我國(guó)鋼號(hào)表示方法鋼的牌號(hào)簡(jiǎn)稱鋼號(hào)，是對(duì)每一種具體鋼產(chǎn)品所取的名稱。我國(guó)的鋼號(hào)表示方法，根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB-T221-2008鋼鐵產(chǎn)品牌號(hào)表示方法》中規(guī)定，采用漢語(yǔ)拼音字母、化學(xué)元素符號(hào)和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的方法表示。即：

（1）鋼號(hào)中化學(xué)元素采用國(guó)際化學(xué)符號(hào)表示，例如Si，Mn，Cr……等?；旌舷⊥猎赜谩癛E”表示。

（2）產(chǎn)品名稱、用途、冶煉和澆注方法等，一般采用漢語(yǔ)拼音的縮寫(xiě)字母表。

（3）鋼中主要化學(xué)元素含量（%）采用阿拉伯?dāng)?shù)字表示。

2.我國(guó)鋼號(hào)表示方法的分類說(shuō)明（1）碳素結(jié)構(gòu)鋼

①由Q+數(shù)字+質(zhì)量等級(jí)符號(hào)+脫氧方法符號(hào)組成。它的鋼號(hào)冠以“Q”，代表鋼材的屈服點(diǎn)，后面的數(shù)字表示屈服點(diǎn)數(shù)值，單位是MPa。例如Q235表示屈服點(diǎn)（σs）為235MPa的碳素結(jié)構(gòu)鋼。

②必要時(shí)鋼號(hào)后面可標(biāo)出表示質(zhì)量等級(jí)和脫氧方法的符號(hào)。質(zhì)量等級(jí)符號(hào)分別為A、B、C、D。脫氧方法符號(hào)：F表示沸騰鋼；b表示半鎮(zhèn)靜鋼；Z表示鎮(zhèn)靜鋼；TZ表示特殊鎮(zhèn)靜鋼。鎮(zhèn)靜鋼可不標(biāo)符號(hào)，即Z和TZ都可不標(biāo)，例如Q235-AF表示A級(jí)沸騰鋼。③專門(mén)用途的碳素鋼，例如橋梁鋼、船用鋼等，基本上采用碳素結(jié)構(gòu)鋼的表示方法，但在鋼號(hào)最后附加表示用途的字母。（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

①鋼號(hào)開(kāi)頭的兩位數(shù)字表示鋼的碳含量，以平均碳含量的萬(wàn)分之幾表示，例如平均碳含量為0.45%的鋼，鋼號(hào)為“45”，它不是順序號(hào)，所以不能讀成45號(hào)鋼。

②錳含量較高的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，應(yīng)將錳元素標(biāo)出，例如50Mn。

③沸騰鋼、半鎮(zhèn)靜鋼及專門(mén)用途的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼應(yīng)在鋼號(hào)最后特別標(biāo)出，例如平均碳含量為0.1%的半鎮(zhèn)靜鋼，其鋼號(hào)為10b。（3）碳素工具鋼

①鋼號(hào)冠以“T”，以免與其他鋼類相混。

②鋼號(hào)中的數(shù)字表示碳含量，以平均碳含量的千分之幾表示。例如“T8”表示平均碳含量為0.8%。

③錳含量較高者，在鋼號(hào)最后標(biāo)出“Mn”，例如“T8Mn”。

④高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼的磷、硫含量，比一般優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼低，在鋼號(hào)最后加注字母“A”，以示區(qū)別，例如“T8MnA”。

（4）易切削鋼

①鋼號(hào)冠以“Y”，以區(qū)別于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。

②字母“Y”后的數(shù)字表示碳含量，以平均碳含量的萬(wàn)分之幾表示，例如平均碳含量為0.3%的易切削鋼，其鋼號(hào)為“Y30”。③錳含量較高者，亦在鋼號(hào)后標(biāo)出“Mn”，例如“Y40Mn”。（5）鑄造碳鋼

其牌號(hào)用“ZG”代表鑄鋼二字漢語(yǔ)拼音首位字母，后面第一組數(shù)字為屈服強(qiáng)度(單位N/mm2)，第二組數(shù)字為抗拉強(qiáng)度(單位N/mm2)。例如ZG200-400，表示屈服強(qiáng)度σs(或σ0.2)≥200N/mm2，抗拉強(qiáng)度σb≥400N/mm2的鑄造碳鋼件。四、碳素鋼的性能及主要用途1.碳素結(jié)構(gòu)鋼碳素結(jié)構(gòu)鋼主要制造各種工程構(gòu)件（如橋梁、船舶、建筑用鋼）和機(jī)器零件（如齒輪、軸、螺釘、螺母、曲軸、連桿等）。這類鋼一般屬于低碳和中碳鋼，分普通碳素結(jié)構(gòu)鋼和優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。

（1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼碳含量較低，而硫、磷等有害雜質(zhì)的含量較高，故強(qiáng)度不高，但塑性、韌性較好，焊接性能好，價(jià)格低廉，因此用量很大。在力學(xué)性能上一般能滿足普通機(jī)械零件及工程結(jié)構(gòu)件的要求，約占鋼材總量的70％。這類鋼中的S、P和非金屬夾雜物含量比優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼多，在相同含碳量及熱處理?xiàng)l件下，其塑性、韌性較低。加工成形后一般不進(jìn)行熱處理，大都在熱軋狀態(tài)下直接使用，通常軋制成板材、帶材及各種型材。其中牌號(hào)Q195與Q275碳素結(jié)構(gòu)鋼是不分質(zhì)量等級(jí)的，出廠時(shí)既保證力學(xué)性能，又保證化學(xué)成分。而Q215、Q235、Q255牌號(hào)的碳素結(jié)構(gòu)鋼，當(dāng)質(zhì)量等級(jí)為“A”、“B”級(jí)時(shí)，只保證力學(xué)性能，化學(xué)成分可根據(jù)需方要求作適當(dāng)調(diào)整；而Q235的“C”、“D”級(jí)，則力學(xué)性能和化學(xué)成分都應(yīng)保證。D級(jí)（

s≤0.035％，

p≤0.035％）質(zhì)量等級(jí)最高，達(dá)到了碳素結(jié)構(gòu)鋼的優(yōu)質(zhì)級(jí)。

Q195鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)很低，塑性好。常用作螺釘、螺母及各種薄板，也可用來(lái)代替優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼08或10鋼，制造沖壓件、焊接結(jié)構(gòu)件。Q275鋼強(qiáng)度較高，可代替30鋼、40鋼用于制造較重要的某些零件，以降低原材料成本。（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼這類結(jié)構(gòu)鋼的含硫、磷量較低(

s＜0.030%、

p＜0.035%)，非金屬夾雜物較少，鋼的品質(zhì)較高，塑性、韌性都比(普通)碳素結(jié)構(gòu)鋼好，主要用來(lái)制造較重要零件，使用前一般都要熱處理。其中45鋼常用來(lái)制造中等強(qiáng)度、韌性的零件，如齒輪、曲軸、螺栓、螺母、連桿等。65鋼常用來(lái)制造直徑小于12mm的彈簧。08F、10F鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，塑性好，焊接性能好，主要用于制造沖壓件和焊接件。15、20、25鋼屬于滲碳鋼，這類鋼強(qiáng)度較低，但塑性和韌性較高，焊接性能及冷沖壓性能較好?？梢灾圃旄鞣N受力不大，但要求高韌性的零件；此外還可用作冷沖壓件和焊接件。滲碳鋼經(jīng)滲碳、淬火加低溫回火后，表面硬度可達(dá)60HRC以上，耐磨性好，而心部具有一定的強(qiáng)度和韌性，可用來(lái)制作要求表面耐磨并能承受沖擊載荷的零件。30、35、40、45，50、55鋼屬于調(diào)質(zhì)鋼，經(jīng)淬火加高溫回火后，具有良好的綜合力學(xué)性能，主要用于要求強(qiáng)度、塑性和韌性都較高的機(jī)械零件，如軸類零件，這類鋼在機(jī)械制造中應(yīng)用最廣泛，其中以45鋼更為突出。60、65、70鋼屬于彈簧鋼，經(jīng)淬火加中溫回火后可獲得高的彈性極限、高的屈強(qiáng)比，主要用于制造彈簧等彈性零件及耐磨零件。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼中較高錳的一組牌號(hào)(15Mn～70Mn)，其性能和用途與普通錳的一組對(duì)應(yīng)牌號(hào)相同，但其淬透性略高。汽車上常用碳素結(jié)構(gòu)鋼見(jiàn)表2-2。表2-2

汽車常用碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、性能及用途類別鋼號(hào)抗拉強(qiáng)度

/MPa布氏硬度HBS工藝性淬火硬度范圍/HRC汽車中應(yīng)用舉例普通碳素鋼Q235—焊接性好,切削加工性不好,良好的韌性和鍛造性—車廂板件、制動(dòng)器底板、拉桿、銷、鍵、法蘭軸、螺釘?shù)葍?yōu)質(zhì)碳素鋼08327131焊接性好,切削加工性差,良好的韌性和冷沖性—駕駛室、油箱、離合器等1537214356～62(滲碳)離合器分離杠桿、風(fēng)扇葉片、駐車制動(dòng)桿等35529187切削加工性好4559719730～4045～55凸輪軸、曲軸、轉(zhuǎn)向節(jié)主銷等

2.碳素工具鋼

碳素工具鋼是指用于制作刃具、模具和量具的碳素鋼。碳素工具鋼根據(jù)使用目的的不同可分為碳素刃具鋼、碳素模具鋼和碳素量具鋼。碳素刃具鋼是指用于制作切削工具的碳素工具鋼，碳素模具鋼是指用于制作冷、熱加工模具的碳素工具鋼，碳素量具鋼是指用于制作測(cè)量工具的碳素工具鋼。這類鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為

c＝0.65％～1.35％，按質(zhì)量可分優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼與高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼兩類。牌號(hào)后加“A”的屬高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼。T7、T8鋼多用于制造承受沖擊負(fù)荷的工具，如鑿子、錘子、沖頭等。

T9～T11鋼多用于制造要求中等韌性的工具，如形狀簡(jiǎn)單的小沖模、手工鋸條等。

T12、T13耐磨性最高，但韌性最低，所以多用于制造不受沖擊負(fù)荷的量具、銼刀、刮刀等。高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼（T7A～T13A），由于其淬火時(shí)產(chǎn)生裂紋的傾向較小，因此多用于制造形狀較為復(fù)雜的工具。

3.易切削鋼易切削鋼是易被（車、銑、拉、刨、鉆等）切削加工的鋼種，又叫自動(dòng)機(jī)床加工用鋼，簡(jiǎn)稱自動(dòng)鋼，它是為適應(yīng)機(jī)械加工自動(dòng)化和流水作業(yè)線生產(chǎn)而產(chǎn)生的。易切削鋼主要用于制作受力較小而對(duì)尺寸和光潔度要求嚴(yán)格的儀器、儀表、手表零件、汽車、機(jī)床和其他各種機(jī)器上使用的，對(duì)尺寸精度、光潔度要求嚴(yán)格，而對(duì)機(jī)械性能要求相對(duì)較低的標(biāo)準(zhǔn)件，如螺栓、閥門(mén)、襯套、銷釘、管接頭、彈簧座墊等。其特點(diǎn)是碳、錳、硅成分均屬一般碳素鋼含量，但硫、磷的含量卻較之要高出數(shù)倍，如硫有的高達(dá)0.30%，磷高達(dá)0.15%，由于硫、磷含量的增高，增加了鋼的易切削性能，因而大大提高機(jī)床的切削速度。易切削鋼可劃分為硫系、硫磷系、鈣硫系、鉛系和硒等。

4.鑄造碳鋼（簡(jiǎn)稱鑄鋼）鑄造碳鋼一般用于制造形狀復(fù)雜、機(jī)械性能要求比鑄鐵高的零件，例如水壓機(jī)橫梁、軋鋼機(jī)機(jī)架、重載大齒輪等，這種機(jī)件用鍛造方法難以生產(chǎn)，用鑄鐵又無(wú)法滿足性能要求，只能用碳鋼采用鑄造方法生產(chǎn)。鑄造碳鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為

c＝0.15％～0.60％。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高則塑性差，易產(chǎn)生裂紋。情境三：

合金鋼碳鋼雖然能滿足生產(chǎn)的一般需求，但是一些重要工作場(chǎng)合的零件，或有耐熱、耐蝕、高磁性或無(wú)磁性、高耐磨性等特殊要求的零件，這時(shí)就無(wú)法滿足需要。

為了改善鋼的性能，煉鋼時(shí)有目的地加入一些合金元素所形成的鋼稱為合金鋼。合金鋼通過(guò)熱處理能獲得優(yōu)良的力學(xué)性能及一些特殊的物理、化學(xué)性能。常加入的合金元素有：鈦（Ti）、釩（V）、鈮（Nb）、鎢（W）、鉬（Mo）、鉻（Cr）、錳（Mn）、鋁（Al）、鈷（Co）、硅（Si）、硼（B）、氮（N）及稀土元素。一、合金鋼的分類及編號(hào)1.合金鋼分類合金鋼的種類繁多，分類方法有多種，常見(jiàn)的分類方法有：（1)按用途分類①合金結(jié)構(gòu)鋼

合金結(jié)構(gòu)鋼用于制造各種機(jī)械零件和工程結(jié)構(gòu)件。②合金工具鋼

合金工具鋼用于制造各種工具。③特殊性能鋼

特殊性能鋼是指具有一些特殊性能的鋼（2）按合金元素總含量分類①低合金鋼

低合金鋼的合金元素總含量ωMe<5%。②中合金鋼

中合金鋼合金元素總含量ωMe=5%～10%。③高合金鋼

高合金鋼合金元素總含量ωMe>10%。2.合金鋼編號(hào)（1）低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)是用代表屈服強(qiáng)度的漢語(yǔ)字母“Q”、屈服強(qiáng)度值（單位MPa）、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)（A、B、C、D、E）三個(gè)部分按順序排列。其中Q345各種性能配合較好，故應(yīng)用最廣泛。（2）合金結(jié)構(gòu)鋼除了低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼外，其它合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)由三部分組成，即兩位數(shù)字+元素符號(hào)+數(shù)字。前兩位數(shù)字表示合金結(jié)構(gòu)鋼的平均含碳量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)，合金元素符號(hào)后兩數(shù)字表示該合金元素平均含量的百分?jǐn)?shù)。當(dāng)合金元素平均含量小于1.5%時(shí)，只標(biāo)注出合金元素符號(hào)，不標(biāo)注數(shù)字。如是高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼，則在鋼號(hào)后面加符號(hào)“A”。特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼則加符號(hào)“E”。例如60Si2Mn表示平均含碳量為0.6%，平均含硅量≥1.5%，平均含錳量小于1.5%的合金結(jié)構(gòu)鋼。（3）合金工具鋼合金工具鋼中的平均含碳量<1%時(shí)，用一位數(shù)字表示平均含碳量的千分?jǐn)?shù)，當(dāng)平均含碳量>1%時(shí)，不標(biāo)注含碳量。合金元素的標(biāo)注方法同合金結(jié)構(gòu)鋼。如9SiCr，表示平均含碳量為0.9%，硅、鉻含量均小于1.5%的合金工具鋼；Cr12MoV表示平均含碳量>1%，平均鉻含量約12%；鉬、釩含量小于1.5%的合金工具鋼。（4）滾動(dòng)軸承鋼高碳鉻軸承鋼，在牌前冠以“G”符號(hào)。當(dāng)含碳量小于1%時(shí)，在“G”符號(hào)前用一位數(shù)字表示含碳量的千分?jǐn)?shù)；當(dāng)含碳量大于１%時(shí)，不標(biāo)注含碳量。含鉻量用千分?jǐn)?shù)表示（兩位數(shù)）。其它合金元素表示方法同合金結(jié)構(gòu)鋼。如GCr15SiMn表示平均含碳量大于1%，平均鉻含量為1.5%，硅錳含量小于1.5%的高碳鉻滾動(dòng)軸承鋼。9GCr18表示平均含碳量為0.9%，平均含鉻量為1.8%高碳鉻滾動(dòng)軸承鋼。（5）特殊用途鋼特殊用途鋼中，耐熱鋼、不銹鋼牌號(hào)表示方法和合金工具鋼基本相同，只是當(dāng)其平均含碳量ωc≤0.03%和平均含碳量ωc≤0.08%時(shí)，在牌號(hào)前分別冠以“00”和“0”。如0Cr19Ni9表示平均含碳量小于或等于0.08%，平均含鉻量約等于19%，平均含鎳量約等于9%的不銹鋼。00Cr13表示平均含碳量小于或等于0.03%，含鉻量約等于13%的不銹鋼。合金鋼的分類、編號(hào)、常用熱處理及應(yīng)用見(jiàn)表2-3。鋼種分類編號(hào)原則鋼種舉例常用熱處理應(yīng)用舉例合金鋼合金結(jié)構(gòu)鋼低合金結(jié)構(gòu)鋼數(shù)字表示含碳量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)，化學(xué)元素符號(hào)表示主加元素，后面的數(shù)字表示所加元素的百分?jǐn)?shù)16Mn／橋梁滲碳鋼20Cr滲碳后淬火、低溫回火活塞銷調(diào)質(zhì)鋼40Cr調(diào)質(zhì)進(jìn)氣閥彈簧鋼55Si2Mn淬火后中溫回火汽車板簧滾動(dòng)軸承鋼G表示滾動(dòng)軸承鋼，數(shù)字表示含碳量的千分?jǐn)?shù)GCr15淬火后低溫回火軸承內(nèi)圈易切削結(jié)構(gòu)鋼Y表示易切削結(jié)構(gòu)鋼，數(shù)字表示含碳量的萬(wàn)分?jǐn)?shù)Y30調(diào)質(zhì)切削加工生產(chǎn)線合金工具鋼刃具鋼數(shù)字表示含碳量的千分?jǐn)?shù)，化學(xué)元素符號(hào)表示主加元素，后面的數(shù)字表示所加元素的百分?jǐn)?shù)9SiCr淬火后低溫回火絲錐碳含量0.7～1.4%，主加碳化物形成元素W、Cr、V、MoW18Cr4V高溫淬火后三次回火銑刀模具鋼數(shù)字表示含碳量的千分?jǐn)?shù)，化學(xué)元素符號(hào)表示主加元素，后面的數(shù)字表示所加元素的百分?jǐn)?shù)Cr12整體調(diào)質(zhì)，表面氫化冷沖模特殊性能鋼不銹鋼5CrMnMo淬火后多次回火

熱鍛模耐熱鋼1Cr18Ni9Ti固溶處理醫(yī)療器械1Cr11MoV調(diào)質(zhì)鍋爐吊鉤耐磨鋼ZGMn13水韌處理挖掘機(jī)的鏟斗表2--3合金鋼的分類、編號(hào)、常用熱處理及應(yīng)用舉例二、合金元素在鋼中的作用

在冶煉鋼的過(guò)程中有目的地加入一些元素，這些元素稱為合金元素。常用的合金元素有：錳（wMn＞1％）、硅（wSi＞0.5％）、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、鋯、鋁、鈷、硼、稀土（RE）等。1.合金元素在鋼中存在形式（1）強(qiáng)化鐵素體

絕大多數(shù)合金元素都可或多或少地溶于鐵素體中，形成合金鐵素體。

合金元素溶入鐵素體后，引起鐵素體晶格畸變，另外合金元素還易分布在晶體缺陷處，使位錯(cuò)移動(dòng)困難，從而提高了鋼的塑性變形抗力，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化，使鐵素體的強(qiáng)度、硬度提高，但塑性、韌性都有下降趨勢(shì)。

硅、錳能顯著提高鐵素體強(qiáng)度、硬度，但當(dāng)wsi＞0.6%、wMn＞1.5%時(shí)，將降低其韌性。而鉻、鎳這兩個(gè)元素，在適量范圍內(nèi)（wCr≤2%，wNi≤5%），不但可提高鐵素體的硬度，而且能提高其韌性。

2）形成合金碳化物

釩、鈮、鋯、鈦為強(qiáng)碳化物形成元素；鉻、鉬、鎢為中強(qiáng)碳化物形成元素；錳為弱碳化物形成元素。

鋼中形成的合金碳化物的類型主要有：合金滲碳體和特殊碳化物。合金滲碳體較滲碳體略為穩(wěn)定，硬度也較高，是一般低合金鋼中碳化物的主要存在形式。特殊碳化物是與滲碳體晶格完全不同的合金碳化物。特殊碳化物特別是間隙相碳化物，比合金滲碳體具有更高的熔點(diǎn)、硬度與耐磨性，并且更為穩(wěn)定，不易分解。2．合金元素在鋼中的作用

合金元素在鋼中可以兩種形式存在：一是溶解于碳鋼原有的相中，另一種是形成某些碳鋼中所沒(méi)有的新相。在一般的合金化理論中，按與碳親合力的大小，可將合金元素分為碳化物形成元素與非碳化物形成元素兩大類。常用的合金元素有以下幾種：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，還有稀土元素，一般用符號(hào)Re表示。碳鋼中有三個(gè)基本相，即鐵素體、奧氏體和滲碳體。合金元素加入鋼中時(shí)，可以溶于此三相中形成合金鐵素體、合金奧氏體及合金滲碳體。所有與碳親和力弱的非碳化物形成元素，如鎳、硅、鋁、鈷等，由于不能形成碳化物，除了極少數(shù)高合金鋼中可形成金屬間化合物外，幾乎都溶解在鐵素體或奧氏體中。碳化物形成元素中，有些元素（如Mn）與碳的親合力較弱，除少量可溶于滲碳體中形成合金滲碳體外，大部分仍溶于鐵素體或奧氏體中。而與碳親和力較強(qiáng)的一些碳化物形成元素（如Cr、Mo、W等），當(dāng)其含量較少時(shí)，多半溶于滲碳體中，形成合金滲碳體；當(dāng)含量較高時(shí)，則可能形成新的特殊的合金碳化物。與碳親合力很強(qiáng)的碳化物形成元素（如Nb、Ti、Zr等），幾乎總是與碳形成特殊的碳化物。合金元素溶于鐵素體中，由于與鐵的晶格類型和原子半徑不同而造成晶格畸變；另外合金元素易分布于位錯(cuò)線附近，對(duì)位錯(cuò)線的移動(dòng)起牽制作用，從而提高塑性變形抗力，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效果。碳化物是鋼中的重要相之一，碳化物的類型、數(shù)量、大小、形狀及分布對(duì)鋼的性能有很重要的影響。合金滲碳體是滲碳體中一部分鐵被碳化物形成元素置換后所得到的產(chǎn)物，其晶體結(jié)構(gòu)與滲碳體相同，可表達(dá)為（Fe，Me）3C（Me代表合金元素）。滲碳體中溶入碳化物形成元素后，硬度有明顯增加，因而可提高鋼的耐磨性。當(dāng)鋼中合金元素含量超過(guò)一定限度時(shí)，可以生成一些碳鋼中沒(méi)有的新相。其中最重要的是由強(qiáng)碳化物形成元素生成的各種合金碳化物（如W2C、VC、TiC等）。它們?nèi)埸c(diǎn)高、硬度高，加熱時(shí)很難溶于奧氏體中，因此對(duì)鋼的機(jī)械性能及工藝性能有很大影響。3.合金元素對(duì)鋼的機(jī)械和工藝性能的影響合金元素溶于鐵素體中，由于與鐵的晶格類型和原子半徑不同而造成晶格畸變；另外合金元素易分布于位錯(cuò)線附近，對(duì)位錯(cuò)線的移動(dòng)起牽制作用，從而提高塑性變形抗力，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效果。碳化物是鋼中的重要相之一，碳化物的類型、數(shù)量、大小、形狀及分布對(duì)鋼的性能有很重要的影響。合金滲碳體是滲碳體中一部分鐵被碳化物形成元素置換后所得到的產(chǎn)物，其晶體結(jié)構(gòu)與滲碳體相同，可表達(dá)為（Fe，Me）3C（Me代表合金元素）。滲碳體中溶入碳化物形成元素后，硬度有明顯增加，因而可提高鋼的耐磨性。當(dāng)鋼中合金元素含量超過(guò)一定限度時(shí)，可以生成一些碳鋼中沒(méi)有的新相。其中最重要的是由強(qiáng)碳化物形成元素生成的各種合金碳化物（如W2C、VC、TiC等）。它們?nèi)埸c(diǎn)高、硬度高，加熱時(shí)很難溶于奧氏體中，因此對(duì)鋼的機(jī)械性能及工藝性能有很大影響。3.合金元素對(duì)鋼的機(jī)械和工藝性能的影響（1）合金元素對(duì)強(qiáng)度的影響強(qiáng)度是金屬材料最重要的性能指標(biāo)之一，使金屬材料的強(qiáng)度提高的過(guò)程稱為強(qiáng)化。強(qiáng)化是研制結(jié)構(gòu)材料的主要目的。金屬?gòu)?qiáng)化一般有以下幾種方式：①固溶強(qiáng)化溶質(zhì)原子由于與基體原子的大小不同，因而使基體晶格發(fā)生畸變，造成一個(gè)彈性應(yīng)力場(chǎng)。此應(yīng)力場(chǎng)增加了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，產(chǎn)生強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化的強(qiáng)化量與溶質(zhì)的濃度有關(guān)，在達(dá)到極限溶解度之前，溶質(zhì)濃度越大，強(qiáng)化效果越好。但是，固溶強(qiáng)化是以犧牲塑性和韌性為代價(jià)的，固溶強(qiáng)化效果越好，塑性和韌性下降越多。②細(xì)晶強(qiáng)化晶界或其它界面可以有效地阻止位錯(cuò)通過(guò)，因而可以使金屬?gòu)?qiáng)化。晶界強(qiáng)化的強(qiáng)化量與晶界的數(shù)量，即晶粒的大小有密切的關(guān)系。晶粒越細(xì)，單位體積內(nèi)的晶界面積越大，則強(qiáng)化量越大。晶粒細(xì)化不僅可以提高強(qiáng)度，而且可以改善鋼的韌性，這是其它強(qiáng)化方式難以達(dá)到的。因此細(xì)晶化，特別是超細(xì)晶化，是目前正在大力發(fā)展的重要強(qiáng)化手段。③彌散強(qiáng)化合金元素加入到金屬中，在一定的條件下會(huì)析出第二相粒子。而這些第二相粒子可以有效地阻止位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)。粒子越細(xì)小，彌散度越高，則強(qiáng)化效果越好。（2）合金元素對(duì)塑性和韌性的影響除了極少數(shù)幾個(gè)置換式合金元素外，所有的合金元素都會(huì)降低鋼材的塑性和韌性，使鋼脆化。一般而言，除了細(xì)晶強(qiáng)化能同時(shí)提高強(qiáng)度和塑韌性外，所有的強(qiáng)化方式都會(huì)降低塑性和韌性。（3）合金元素對(duì)鋼的工藝性能的影響①合金元素對(duì)鑄造性能的影響一般共晶成分合金的鑄造性能最好，由于鋼的成分離共晶點(diǎn)很遠(yuǎn)，所以鑄造性能不好。加入高熔點(diǎn)的合金元素后，液態(tài)金屬粘度增大，鑄造性能下降。②合金元素對(duì)鍛造性能的影響由于合金元素的影響，許多合金鋼，特別是含有大量碳化物的合金鋼與普通碳鋼相比，高溫強(qiáng)度很高，熱塑性明顯下降，鍛造時(shí)容易鍛裂。由于合金元素使鋼的導(dǎo)熱性能下降，所以鍛造加熱必須緩慢，以免造成熱應(yīng)力。③合金元素對(duì)焊接性能的影響在相同的含碳量下，合金元素的含量越高，則焊接性能越差。④合金元素對(duì)切削性能的影響由于許多合金鋼含有大量硬而脆的碳化物，所以其切削加工性能比普通碳鋼差。三、合金結(jié)構(gòu)鋼1.低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼是在碳素結(jié)構(gòu)鋼的基礎(chǔ)上，加入少量的合金元素發(fā)展起來(lái)的，原稱普通低合金鋼。它是低碳結(jié)構(gòu)鋼，合金元素總量在3％以下，以Mn為主要元素。與碳素結(jié)構(gòu)鋼相比有較高強(qiáng)度，足夠的塑性、韌性，良好的焊接工藝性能，較好的耐腐蝕性和低的冷脆轉(zhuǎn)變溫度。

為保證有良好的塑性和韌性，良好的焊接性能和冷成形性能，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般均較低，大多數(shù)為wc＝0.16％～0.20％。低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼可按屈服極限分295、345、390、420、460N/mm2五個(gè)強(qiáng)度等級(jí)，其中295–390N/mm2級(jí)的應(yīng)用最廣。2.合金滲碳鋼合金滲碳鋼主要用來(lái)制造工作中承受較強(qiáng)烈的沖擊作用和磨損條件下的滲碳零件。例如汽車變速箱齒輪、汽車后橋齒輪和內(nèi)燃機(jī)里的凸輪軸、活塞銷等。這類鋼經(jīng)滲碳、淬火和低溫回火后表面具有高的硬度和耐磨性，心部具有較高的強(qiáng)度和足夠韌性的零件。合金滲碳鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在wc=0.10％～0.25％之間，以保證滲碳零件心部具有良好的塑性和韌性。碳素滲碳鋼的淬透性低，熱處理對(duì)心部的性能改變不大，加入合金元素可提高鋼的淬透性，改善心部性能。

合金滲碳鋼主要用來(lái)制造工作中承受較強(qiáng)烈的沖擊作用和磨損條件下的滲碳零件。例如汽車變速箱齒輪、汽車后橋齒輪和內(nèi)燃機(jī)里的凸輪軸、活塞銷等。這類鋼經(jīng)滲碳、淬火和低溫回火后表面具有高的硬度和耐磨性，心部具有較高的強(qiáng)度和足夠韌性的零件。

合金滲碳鋼中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在wc=0.10％～0.25％之間，以保證滲碳零件心部具有良好的塑性和韌性。碳素滲碳鋼的淬透性低，熱處理對(duì)心部的性能改變不大，加入合金元素可提高鋼的淬透性，改善心部性能。常用的合金元素有鉻、鎳、錳和硼等，其中以鎳的作用最好。為了細(xì)化晶粒，還加入少量阻止奧氏體晶粒長(zhǎng)大的強(qiáng)碳化物形成元素，如鈦、釩、鉬等，它們形成的碳化物在高溫滲碳時(shí)不溶解，有效地抑制滲碳時(shí)的過(guò)熱現(xiàn)象。

滲碳后的鋼種，表層碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.85%～1.05%，經(jīng)淬火和低溫回火后，表層組織由合金滲碳體、回火馬氏體及少量殘余奧氏體組成，硬度可達(dá)58～64HRC。3.合金調(diào)質(zhì)鋼合金調(diào)質(zhì)鋼指調(diào)質(zhì)處理后使用的合金結(jié)構(gòu)鋼，其基本性能是具有良好的綜合力學(xué)性能。調(diào)質(zhì)鋼廣泛用于制造汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床和其他機(jī)器上如齒輪、軸類件、連桿、高強(qiáng)螺栓等重要零件。合金調(diào)質(zhì)鋼碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般在wc=0.25％～0.50％之間。碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)低不易淬硬，回火后達(dá)不到所需要的強(qiáng)度；如果碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高，則零件韌性較差。合金調(diào)質(zhì)鋼的主加元素有鉻、鎳、錳、硅、硼等，以增加淬透性、強(qiáng)化鐵素體；鉬、鎢的主要作用是防止或減輕第二類回火脆性，并增加回火穩(wěn)定性；釩、鈦的作用是細(xì)化晶粒。合金調(diào)質(zhì)鋼在機(jī)械制造業(yè)中是用量最大的一類鋼種。我國(guó)常用調(diào)質(zhì)鋼按照淬透性的高低，大致分為三類：①低淬透性調(diào)質(zhì)鋼油淬臨界直徑最大為30mm～40mm，最典型的鋼種是40Cr，廣泛用于制造一般尺寸的重要零件。40MnB、40MnVB鋼是為節(jié)約鉻而發(fā)展的代用鋼，40MnB的淬透性和切削加工性能較差。②中淬透性調(diào)質(zhì)鋼油淬臨界直徑最大為40mm～60mm，含有較多合金元素，典型牌號(hào)有35CrMo等，用于制造截面較大的零件，例如曲軸、連桿等。加入Mo不僅使淬透性顯著提高，而且可防止回火脆性。③高淬透性調(diào)質(zhì)鋼油淬臨界直徑為60mm～100mm，多是鉻鎳鋼。鉻、鎳的適當(dāng)配合大大提高淬透性，并獲得優(yōu)良的力學(xué)性能，例如37CrNi3。但對(duì)回火脆性十分敏感，因此不宜于作大截面零件。鉻鎳鋼中加入適當(dāng)?shù)你f，例如40CrNiMo鋼，不僅具有最好的淬透性和沖擊韌性，還可消除回火脆性，用于制造大截面、重載荷的重要零件，如汽輪機(jī)主軸、葉輪和航空發(fā)動(dòng)機(jī)軸等。4.合金彈簧鋼彈簧是車輛和儀表及生活中的重要零件，主要在沖擊、振動(dòng)、周期性扭轉(zhuǎn)和彎曲等交變應(yīng)力下工作，彈簧工作時(shí)不允許產(chǎn)生塑性變形，因此要求制造彈簧的材料具有較高的強(qiáng)度。合金彈簧鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為wc＝0.5％～0.7％，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)，塑性和韌性差，疲勞強(qiáng)度下降。常加入以硅、錳為主的合金元素，提高鋼的淬透性和強(qiáng)化鐵素體。常用合金彈簧鋼的牌號(hào)60Si2Mn、60Si2CrVA和50CrVA。合金彈簧鋼主要用于制造各種彈簧是車輛和儀表及生活中的重要零件，主要在沖擊、振動(dòng)、周期性扭轉(zhuǎn)和彎曲等交變應(yīng)力下工作，彈簧工作時(shí)不允許產(chǎn)生塑性變形，因此要求制造彈簧的材料具有較高的強(qiáng)度。合金彈簧鋼的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般為wc＝0.5％～0.7％，碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)過(guò)高時(shí)，塑性和韌性差，疲勞強(qiáng)度下降。常加入以硅、錳為主的合金元素，提高鋼的淬透性和強(qiáng)化鐵素體。常用合金彈簧鋼的牌號(hào)60Si2Mn、60Si2CrVA和50CrVA。合金彈簧鋼主要用于制造各種彈性元件，如在汽車、拖拉機(jī)、坦克、機(jī)車車輛上制作減震板彈簧和螺旋彈簧，大炮的緩沖彈簧，鐘表的發(fā)條等。合金元素溶于鐵素體中，由于與鐵的晶格類型和原子半徑不同而造成晶格畸變；另外合金元素易分布于位錯(cuò)線附近，對(duì)位錯(cuò)線的移動(dòng)起牽制作用，從而提高塑性變形抗力，產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效果。碳化物是鋼中的重要相之一，碳化物的類型、數(shù)量、大小、形狀及分布對(duì)鋼的性能有很重要的影響。合金滲碳體是滲碳體中一部分鐵被碳化物形成元素置換后所得到的產(chǎn)物，其晶體結(jié)構(gòu)與滲碳體相同，可表達(dá)為（Fe，Me）3C（Me代表合金元素）。滲碳體中溶入碳化物形成元素后，硬度有明顯增加，因而可提高鋼的耐磨性。當(dāng)鋼中合金元素含量超過(guò)