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工程材料及应用,袁守利2011年8月,工程材料概述金属的性能钢铁金属材料非金属材料锻压加工焊接加工,一、工程材料概述,1、工程材料的分类 工程材料是生产、生活中用来制造工具、机器、功能器件及结构件的所有材料的总称。按其应用领域可分为：机械工程材料、建筑工程材料、电子工程材料等。按使用性能可分为结构材料和功能材料。结构材料主要是考虑材料的力学性能，是作为承力构件使用的材料；功能材料主要是考虑材料的物理、化学性能，如声、光、电、热、磁等。机械工程材料按成分和组成特点分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料四大类，其中金属材料因其具有良好的力学性能和工艺性能，是目前应用最广泛的材料。,（1）金属材料,（2）非金属材料在机械制造中使用的非金属材料主要有：有机高分子材料、陶瓷材料和复合材料等。高分子材料包括塑料、橡胶、合成纤维和胶粘剂等，是相对分子质量特别大的有机化合物的总称。工程塑料因为力学性能较高，耐磨、耐腐蚀性较好，作为结构材料，可以代替金属材料来使用。与钢铁材料相比，高分子材料具有比强度高、耐腐蚀性好、耐磨性好和消音减震性好的优点；但也存在强度低、刚性差、耐热性差和容易老化的缺点。随着石油化学工业的发展，高压聚合工艺的进步，合成高分子材料的性能逐步提高，而且通过各种技术于段，可以使高分子化合物作为物理、化学和生物功能性材料，如导电高分子材料、光功能高分子材料、液晶高分子材料及信息高分子材料等。,陶瓷材料也称为无机非金属材料，可分为普通陶瓷和特种陶瓷。陶瓷在机械性能上表现为硬度高、脆性大、塑性几乎为零，但在热性能上表现为高熔点、高热强性和高抗氧化性，可作为高温结构材料和特种功能材料。复合材料是由两种或两种以上的性质不同的材料组合起来的多相材料。一般是由一种强度低、塑性好的材料作为基体，再加上一种强度高、脆性大的增强材料共同组成。复合材料既保持了原有材料的特点，又增加了其本身所没有的优越性能，是一种新型的工程材料。复合材料具有较高的比强度和比刚度，而且耐疲劳性能好、减震性好。,2、机械制造工艺概述（1）机械产品制造工艺流程 机械制造工艺就是将各种原材料或半成品加工成为产品的方法和过程。机械产品制造工艺流程图如图所示。机械产品的生产工艺，根据其作用可分为改形工艺和改性工艺。改形就是将原材料或毛坯加工成设计要求的结构、形状与尺寸；改性就是指通过整体热处理或表面处理使产品达到设计要求的性能。主要工艺过程包括：选材、成形和热处理。,选材：选材时要考虑零件的使用性能、工艺性能和经济性，同时也要重视环保、节能。机械工业生产的原材料主要以钢铁材料为主，可直接利用板材、棒材、管材或型材等作为毛坏，也可以选择铸件或锻件作为毛坯。另外，根据零件性能要求，也可选择新型材料，如工程塑料、各种复合材料等。,成形 成形工艺一般有铸造、锻压、焊接和切削加工。工艺性能的好坏，决定了零件加工的难易程度，同时也会影响零件的质量、生产率和成本。对于结构复杂的零件，可选择铸造加工；如果要求较高的力学性能，则选择塑性好的材料进行锻压加工；如果是焊接结构件，可选择低碳钢或低合金高强度结构钢，保证良好的焊接性。切削加工可以通过车、铣、刨、磨及特种加工等方法来改变毛坯的形状和尺寸。切削加工要求材料具有合适的硬度。,热处理 金属材料通过热处理(退火、正火、淬火、回火)可以改变材料的力学性能。在切削加工时，为了保证良好的切削性，常借助热处理改善材料的金相组织和力学性能；在冷塑性加工时，通过热处理消除加工硬化，保证变形继续进行。金属材料的使用性能很大程度上决定于热处理，零件在加工成形后，通过最终热处理获得所要求的性能。此外，通过电镀、气相沉积和喷丸等工艺可以对零件表面进行处理，以提高材料的表面质量，如耐磨性、抗氧化性和抗疲劳性等。,（2）机械制造技术发展趋势 近年来，机械产品更新换代的速度不断加快，对制造工艺提出了更高更新的要求。而新材料、新能源和计算机的引入，为制造工艺的的发展提供了条件。新材料的出现推动了新技术的产生。例如，超塑成形加工超塑性材料；等热静压、人造金刚石加工陶瓷材料；气相沉积加工超硬薄膜等。激光、电子束、离子束、超声波及高压水射流等特种加工技术不断发展。微细加工、超精密加工使加工精度不断提高。,计算机进入制造领域后，出现了快速原型法、仿真加工和虚拟制造等先进制造技术。仿真是产品初方案拟定后，在计算机中建立产品的数学模型，然后在计算机上进行多种模拟，它包括外形、装配关系、运动学、动力学、加工过程、试验过程和物流系统等多种仿真。虚拟制造是仿真概念的扩充，即将计算机建模和仿真从设计、制造领域进一步扩展到生产过程管理、企业管理等多方面，可以对企业的一切活动进行计算机管理，以求得到最优的效果。新材料的不断涌现，使整个材料业向着高性能化、功能化、复合化的方向发展；而先进制造技术的出现，使加工精度进一步提高，制造过程高度自动化，极大提高了劳动生产率和社会经济效益。,二、金属的性能,金属材料不同，性能也不相同，工程中选用金属材料时，首先要掌握材料的使用性能，同时要考虑材料的工艺性能和经济性。材料的使用性能包括 力学性能、物理性能和化学性能。金属材料之所以应用广泛，是由于其良好的力学性能，如较高的的强度、硬度，以及良好的塑性和韧性。材料的工艺性能是指材料的加工性能，如金属材料的铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能。,1、金属的力学性能 金属材料的力学性能是指金属在外力作用下所表现出来的性能。主要包括强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度以及刚度等。强度与塑性硬度韧性疲劳强度,（1）强度与塑性拉伸试验与应力应变曲线 GB22887规定了拉伸试验的方法和拉伸试验试样的制作标准。在试验时，金属材料制作成一定的尺寸和形状，将拉伸试样装夹在拉伸试验机上，对试样施加拉力，在拉力不断增加的过程中观察试样的变化，直至把试样拉断。,根据拉伸过程中载荷（F）与试样的伸长量（L）之间的关系，可以绘制出金属的拉伸曲线。拉伸过程可分为弹性变形、塑性变形和断裂三个阶段。具体分析如下：op段：试样的伸长量与载荷呈直线关系，完全符合虎克定律，试样处于弹件变形阶段。pe段：伸长量与载荷不再呈正比关系，拉伸曲线不成直线，试样仍处于弹性变形阶段。es段(拉伸曲线中的平台部分)：外力不增加或变化不大，试样仍继续伸长，出现明显的塑性变形，这种现象称为屈服现象。sb段：在这个阶段，随着载荷增加，整个试样均匀伸长。同时，随着塑性变形不断增加，试样的变形抗力也逐渐增加，这个阶段是材料的强化阶段。b点载荷达到最大，试样局部面积减小，伸长量增加，形成“缩颈”。bk段：随着缩颈处截面不断减小(非均匀塑性变形阶段)，承载能力不断下降，到k点时试样发生断裂。,强度 强度是指金属材料在静载荷作用下抵抗塑件变形和断裂的能力。工程上常用的强度指标有弹性极限e、屈服点s、规定残余伸长应力0.2，抗拉强度b等。弹性极限 弹性极限是指金属材料能保持完全弹性变形的最大应力，用e表示，即 式中Fe试样保待完全弹性变形时的最大载荷；S0试样的原始横截面积。一般情况下，弹性极限e值越大，材料的弹性越好，弹性极限e是选择弹性零件材料的主要依据。,屈服点s和规定残余伸长应力0.2 屈服点s是指在拉伸过程中载荷不增加(保持恒定)，试样仍能继续伸长时的应力。在应力应变曲线中表现为平台对应的应力值，即材料开始产生明显塑性变形的最小应力值。式中Fs试样发生屈服现象时的载荷；S0试样的原始横截面积。对于高碳淬火钢、铸铁等材料，在拉伸试验中没有明显的屈服现象，无法确定其屈服点。国家标准规定，一般以规定残余伸长率为0.2时对应的应力作为材料的屈服强度，通常记作0.2。屈服点s和屈服强度0.2通常是机器零件设计的主要强度指标，也是评定金属材料强度的重要指标之一。我们知道：工程上各种机器零件工作时是不允许发生过量变形而失效的，设计的许用应力以s或0.2来确定。,抗拉强度 抗拉强度b是指材料在断裂前所承受的最大应力值。式中Fb试样拉断前承受的最大载荷。S0试样的原始横截曲积。试样在拉伸过程中，在达到最大载荷之前，塑性变形是均匀的，但超过b后，产生应力集中，出现缩颈现象，因此抗拉强度b表示了塑性材料抵抗大量均匀塑性变形的能力。铸铁等脆性材料在拉伸过程中一般不出现缩颈现象，抗拉强度就是材料的断裂强度，脆性材料制成的零件以b确定其许用应力。,塑性断后伸长率 断后伸长率是指拉断后标距的伸长量(l1-l0)与原始标距l0的比值。式中l1试样拉断后标距的长度；l0试样的原始标距。试样的长度和截面的尺寸对塑性有一定影响，国家标准规定，长标距试样的标距以公式l010d0来计算，短标距试样的标距以公式l05d0来计算。长试样的伸长率用符号 10表示，短试样的伸长率用符号5表示，同一种材料，通常优先选用短的比例试样。,断面收缩率 断面收缩率是指试样拉断处横截面积的减小量(S0S1)与原始横截面积S0的比值。式中：S1试样拉断后断裂处的最小横截面积。、越大，塑性越好，越易变形，但不会断裂。,刚度 刚度是指材料抵抗弹性变形的能力，刚度的大小一般用弹性模量E表示。弹性模量是指材料在弹性状态下的应力与应变的比值。式中试样承受的应力；试样的应变。在应力应变曲线上，弹性模量就是直线部分的斜率。对于材料而言，弹性模量E越大，其刚度越大。E主要取决于各种金属材料的本性，是一个对金属材料组织不敏感的力学性能指标。,（2）硬度 硬度是衡量金属材料软硬的指标，是力学性能中最常用的性能之一。材料在局部表面或较小体积内抵抗变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力称为硬度。硬度的测量方法一般分为压入法、划痕法和回跳法三类。最常用的是压入法，它是将一定形状的压头，在一定载荷下，压入被测的金属材料表面，根据压入程度来测定其硬度值。生产中应用广泛的硬度测量方法有布氏硬度（HBS或HBW）、洛氏硬度（HRC）和维氏硬度（HV）等。,（3）韧性 机械零部件在工作过程中不仅受到静载荷和变动载荷作用，而且往往受到不同程度的冲击载荷作用，如冲床、铆钉等。工程上将金属材料在断裂前吸收塑性变形功和断裂功的能力，称为金属材料的韧性，也称为冲击韧度。为了测定金属材料的冲击吸收功，通常采用冲击试验。摆锤式一次冲击试验小能量多次冲击试验,（4）疲劳强度疲劳现象 疲劳断裂是指在变动载荷的作用下，零件经过较长时间工作或多次应力循环后所发生的突然断裂现象。变动应力通常包括交变应力和重复应力。交变应力是指应力的大小和方向随着时间周期性变化的应力。变动应力的变化可以是周期性的、规律的变化，也可以是无规律的变化。许多零件如齿轮、曲轴、弹簧和滚动轴承等，都是在交变应力下工作的。据统计，各类断裂失效中，80是由于各种不同类型的疲劳破坏所造成的。疲劳断裂具有突然性，因此危害很大。,疲劳断裂的特点如下：疲劳断裂是一种低应力脆断，断裂应力低于材料的屈服强度，甚至低于材料的弹性极限。断裂前，零件没有明显的塑件变形，即使断后，伸长率和断面收缩率很高的塑性材料断裂同样没有明显的塑性变形。疲劳断裂对材料的表面和内部缺陷非常敏感，疲劳裂纹常在表面缺口(如螺纹、刀痕和油孔等)、脱碳层、夹渣物、碳化物及孔洞等处形成。疲劳破坏的宏观断口由两部分组成。,产生疲劳的原因，往往是由于零件应力高度集中的部位或材料本身强度较低的部位，在交变应力作用下产生了疲劳裂纹，并随着应力循环周次的增加，裂纹不断扩展，使零件有效承载面积不断减小，最后突然断裂。零件疲劳失效的过程可分为疲劳裂纹产生、疲劳裂纹扩展和瞬时断裂三个阶段。疲劳断口一般可明显地分成三个区域，即疲劳源、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区，如下图所示。,疲劳强度 疲劳强度是指材料经受无限次循环应力也不发生断裂的最大应力值，如下图所示的平台位置对应的应力。通常，材料的疲劳强度是在对称弯曲条件测定的，对称弯曲疲劳强度记作-j。实践表明，如果107周次应力循环下，仍不发生疲劳断裂，则在经过相当多次的应力循环后一般也不会发生疲劳断裂。GB433784规定，一般钢铁材料循环周次取107周次时能承受的最大循环应力为疲劳强度。一般非铁金属(有色金属)、高强度钢和腐蚀介质作用下的钢铁材料的疲劳曲线没有平台，规定非铁金属循环周次取108，腐蚀介质作用下的取106。金属材料的疲劳强度受到很多因素的影响，如材料本质、材料的表面质量、工作条件、零件的形状、尺寸及表面残余压应力等。,提高疲劳强度的途径合理地选择材料。实践证明，金属材料在其他条件相同的情况下，疲劳强度随抗拉强度的增加而增加。通常结构钢中含碳量越高，抗拉强度越高。结构钢中合金元素主要通过提高淬透性和改善组织来提高疲劳强度；细化晶粒、获得下贝氏体及回火马氏体等也可以提高疲劳强度。合理设计零件的结构、尺寸。尽量避免尖角、缺口和截面突变，这些地力容易引起应力集中从而导致疲劳裂纹。降低零件表面粗糙度，提高表面加工质量。因为疲劳源多数位于零件的表面，所以应尽量减少零件表面缺陷(氧化、脱碳、裂纹和夹杂等)和表面加工损伤(刀痕、磨痕和擦伤等)。采用表面强化处理措施。如渗碳、渗氮、表面淬火、喷丸和滚压等都可以有效地提高疲劳强度。,2、金属的物理性能和化学性能（1）物理性能 金属材料的物理性能表示材料固有的一些属性，如密度、熔点、导热性、导电性、磁性与热膨胀性等。（2）化学性能 金属材料在机械制造过程中，对化学性能也有一定要求，尤其是要求耐高温、耐腐蚀的零件。金属的化学性能有耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。,3、金属的工艺性能和经济性（1）金属的工艺性能 工艺性能是指金属材料对不同加工工艺方法的适应能力。包括铸造性能、焊接性能、锻造性能、切削加工性能以及热处理性能等。铸造性能。铸造性能是金属(材料)及合金在铸造工艺中获得优良铸件的能力称为铸造性能。铸造性能包括流动性、收缩性和偏析等。铸造性好的金属充型能力强，易于铸造成形，而且铸件缺陷较少。在金属材料中灰铸铁和青铜的铸造性能较好。,锻造性能。锻造性能是金属材料在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能称为锻造性能。它包括在热态或冷态下能够进行锤锻、轧制和挤压等加工。可锻性的好坏主要与金属材料的化学成分有关。低碳钢的锻造性最好，中碳钢次之，高碳钢则较差。低碳合金钢的锻造性接近中碳钢。高碳合金钢(高速钢、高镍铬钢等)由于导热性差、变形抗力大、锻造温度范围小，其锻造性能较差，不能进行冷压力加工。铝合金和铜合金的塑性好，其锻造性较好。铸铁、铸造铝合金不能进行冷、热压力加工。,焊接性能。指金属材料对焊接加工的适应性能。主要是指在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。它包括两个方面的内容，一是结合性能，即在一定的焊接工艺条件下，一定的金属形成焊接缺陷的敏感性；二是使用性能，即在一定的焊接工艺条件下，一定的金属焊接接头对使用要求的适用性。,切削加工性能。切削加工性能指金属材料被刀具切削加工后而成为合格工件的难易程度。切削加工性能好坏常用加工后工件的表面粗糙度、允许的切削速度以及刀具的磨损程度来衡量。它与金属材料的化学成分、力学性能、导热性及加工硬化程度等诸多因素有关。通常是用硬度和韧性作为切削加工性能好坏的大致判断。通常，金属材料的硬度愈高愈难切削；如果硬度不高，但韧性大，切削也较困难。,（2）经济性 金属的经济性主要包含以下几个方面。金属的经济性原则。在满足使用性能要求的前提下，采用廉价的材料，使零部件的总成本包括材料的价格、加工费、试验研究费和维修管理费等达到最低，以取得最大的经济效益。为此，材料选用应充分利用资源优势，尽可能采用标准化、通用化的材料，以降低原材料成本，减少运输、实验研究费用。当然，选材的经济性原则并不仅是指选择价格最低廉的材料，或是生产成本最低的产品，而是指运用价值分析、成本分析等方法，综合考虑材料对产品功能和成本的影响，从而获得最优化的技术效果和经济效益。国家的资源状况替代材料注重材料的回收利用,三、钢铁金属材料,钢铁材料是钢和铸铁的总称。一般将含碳量在0.02182.11之间的铁碳合金称为钢，而将含碳量大于2.11的铁碳合金称为铸铁。钢根据化学成分可分为非合金钢、低合金钢、合金钢三类。非合金钢(碳钢)因为成本低、并具有一定的力学性能和良好的工艺性，在工业生产中得到广泛的应用。合金钢是有目的的向钢中加入某些合金元素，以获得更高的力学性能和特殊的物理化学性能，但经济性和工艺性较差。铸铁与钢相比含有较高的碳和硅，有良好的铸造性、减震性等，而且工艺简单，使用广泛。在铸铁中加入一定量的合金元素得到合金铸铁，可以提高铸铁的力学性能或获得特殊的物理化学性能。,1、铁碳合金简介 铁和碳的合金称为铁碳合金，钢和铸铁都是铁碳合金。在铁碳合金系中，可配制多种成分不同的铁碳合金，它们在不同温度下的平衡组织是各不相同的，但它们总是由几个基本相所组成。在液态，铁和碳可以无限互溶。在固态，碳可溶于铁中，形成两种间隙固溶体铁素体和奥氏体。当碳的质量分数超过其固态溶解度时，则会出现化合物渗碳体(Fe3C)。因此，在铁碳合金中，碳可以与铁组成化合物，也可以形成固溶体，还可以形成混合物。铁碳合金在固态下的基本组织有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体等。,（1）铁素体 纯铁在912以下为具有体心立方晶格的Fe。碳溶解在Fe中所形成的间隙固溶体称为铁素体(F)，用符号F来表示。铁素体的晶格间隙很小，因而溶碳能力极差。由于铁素体中碳的质量分数低，所以铁索体的性能和纯铁相似，即具有良好的塑性和韧性，而强度和硬度较低，经测试其室温下的机械性能为：强度极限b180280 MPa；屈服极限甲s=100170MPa；伸长率3050；断面收缩率=7080；布氏硬度5080HBS。,（2）奥氏体 碳溶解在-Fe中形成的间隙固溶体称为奥氏体(A)，常用符号A来表示。它仍保持-Fe的面心立方结构，-Fe的最大空隙半径略小于碳原子的半径，其晶格的间隙较大，故奥氏体的溶碳能力较强，溶解度比铁素体高得多。在1148时溶碳量可达2.11的最大溶解度，随着温度的下降，溶解度逐渐减小，在727时溶碳量为0.77。奥氏体具有一定的强度和硬度，且具有良好的塑性，其力学性能为：s400MPa；=4050；硬度为160200HBS。奥氏体是绝大多数钢在高温进行锻造和轧制时所要求的组织，因其组织塑性好而便于成形。,（3）渗碳体 渗碳体(Fe3C)是指晶体点阵为正交系、分子式为Fe3C的一种金属化合物。渗碳体碳的质量分数是6.69。渗碳体具有复杂的斜方晶格结构，与铁和碳的晶格结构完全不同。渗碳体的熔点为1227，硬度很高(约为800HBW)，塑性很差，伸长率和冲击韧性几乎为零，是一个硬而脆的组织。渗碳体在钢中主要起强化作用，随着钢中含碳量的增加，渗碳体的数量增多，钢的强度和硬度提高，而塑性下降。渗碳体是碳在铁碳合金中的主要存在形式，是亚稳定的金属化合物，在钢和铸铁中的存在形式有片状、球状、网状和板状，它的数量、形状、大小和分布状况对钢的性能影响很大。,（4）珠光体 珠光体(P)是奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的，其立体形状为铁素体薄层和渗碳体薄层交替重叠的层状复相组织。珠光体的组织是铁素体(软)和渗碳体(硬)组成的机械混合物，用符号P表示。在缓慢冷却条件下，珠光体碳的质量分数是0.77。由于珠光体是由硬的渗碳体和软的铁素体组成的混合物，所以其力学性能取决于铁素体和渗碳体的性能，介于铁素体和渗碳体之间，大体上是两者性能的平均值，故珠光体具有一定的强度和塑性，硬度适中，是一种综合力学性能较好的组织，其b750 MPa，硬度为160180HBS，2025，3040。,（5）莱氏体 莱氏体(Ld)是指高碳的铁碳合金在结晶过程中发生共晶转变而形成的奥氏体和渗碳体所组成的共晶体，碳的质量分数为4.3。Wc2.11的铁碳合金从液态缓冷至1148时，从液相中同时结晶出奥氏体和渗碳体的机械混合物，即莱氏体，用符号Ld表示。由于奥氏体在727时还将转变为珠光体，所以在727以下的莱氏体由珠光体和渗碳体组成。为区别起见，将727以上的莱氏体称为高温莱氏体(Ld)，在727以下的莱氏体称为低温莱氏体(Ld)或变态莱氏体。莱氏体的性能和渗碳体相似，硬度很高(相当于700 HBW)，塑性很差。,2、钢中的杂质及合金元素（1）钢中杂质元素对其性能的影响 钢在冶炼生产过程中，原料、燃料等不可避免地带入一些杂质，其中对钢性能影响较大的杂质有硅、锰、硫、磷和氧、氮、氢等。锰的影响 锰是炼钢时用锰脱氧后而残余在钢中的元素。锰有较强的脱氧能力，能把钢中的FeO还原成铁，改善钢的品质；锰还可以与钢中有害杂质硫形成MnS，降低硫对钢的危害，改善钢的热加工性。锰大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，使钢的强度和硬度提高。锰是钢中的有益元素，在一般非合金钢中把锰控制在0.250.8范围内。,硅的影响 硅主要来自原料生铁和硅铁脱氧剂。硅比锰的脱氧能力强，可使钢液中FeO变成炉渣脱离钢液，提高钢的品质。硅能够溶于铁素体，提高钢的强度、硬度，但会降低钢的塑性和韧性。总的来讲，硅也是钢中的有益元素，其质量元素一般控制在0.100.40范围内。,硫的影响 杂质硫主要来源于矿石和燃料。硫几乎不溶于铁素体，而与铁形成FeS作为夹杂物存留在钢中，这些夹杂物会降低钢的力学性能。FeS又能与铁形成共晶体，其熔点仅是985，低于钢的热变形加工的温度(1000 1200)。当钢在热变形加工时，共晶体首先熔化，使钢的强度、韧性下降而产生脆性开裂，这种现象称为热脆。因此，硫作为合金元素需要严格控制其含量，一般质量分数在0.05以下。在易切削钢中，可适量提高硫的含量，以改善钢的切削加工性。,磷的影响 磷主要是由矿石带到钢中的。磷可以固溶到铁素体中，提高钢在室温时的强度，但也使钢的塑性和韧性下降。并且温度愈低脆性愈严重，这种现象称为冷脆。另外，磷也降低钢的可焊性。磷有益的一面是能增加钢的耐大气腐蚀的能力，也能提高钢的切削工艺性。一般将磷的质量分数控制在0.045以下。,氧、氮、氢的影响 大部分的氧以各种氧化物夹杂形式存在于钢中，极少量的氧固溶到铁素体中。钢中氧化物及其他化合物夹杂的存在会降低钢的力学性能，尤其是会严重降低钢的疲劳强度，所以，对钢液要进行脱氧。杂质氧对钢无益，越少越好。氮杂质主要来源于钢液与大气的接触，氮会降低钢的塑性和韧性，使钢变脆。另一方面，当氮与其他元素形成细小弥散分布的氮化物时，可增加钢的强韧性。氢杂质也主要来自大气。钢中含有少量的氢就会使钢的脆性显著增加，造成“氢脆”和“白点”。白点是指在钢材内部出现微裂纹。因此微量的氢就可能使钢的力学性能严重降低，甚至引起钢材开裂报废。实际生产中，必须采取措施预防和降低钢的氢脆倾向。,（2）合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的存在形式及作用 合金元素在钢中主要以两种形式存在，一种形式是溶入铁素体中形成合金铁素体，另一种形式是与碳化合形成合金碳化物。合金铁素体 大多数合金元素都能不同程度地溶入铁素体中。溶入铁素体的合金元素，由于它们的原子大小及晶格类型与铁不同，使铁素体晶格发生不同程度的畸变，其结果使铁素体的强度、硬度提高，当合金元素超过一定的质量分数后，铁素体的韧性和塑性会显若降低。与铁素体具有相同晶格类型的合金元素，如铬、钼、钨、钒、铌等元素强化作用较弱，而与铁素体具有不同晶格的合金元素，如硅、锰、镍等元素强化铁素体的作用较强。当硅、锰的质量分数低于1时，既能强化铁素体，又不明显降低韧性。当镍的质量分数不超过5，铬的质量分数不超过1.5时，它们不仅能强化铁素体，还能提高韧性，因此铬镍钢具有优良的综合力学性能。,合金碳化物 合金元素与碳之间相互作用，可形成碳化物和非碳化物，形成非碳化物的合金元素，如硅、铝、镍及钴等，它们只以原子状态存在于铁素体或奥氏体中。形成碳化物的合金元素，按它们与碳结合的能力，由强到弱的次序为钛、铌、钒、钨、钼、铬等，它们和碳形成的碳化物有TiC、VC、WC、Cr7C3等。这些碳化物本身都有极高的硬度，因此，合金碳化物的存在提高了钢的强度、硬度和耐磨性。,合金元素对钢热处理和力学性能的影响 合金元素与铁碳的作用，不仅改变了钢的组织结构和性能，而且改变了Fe-Fe3C状态图中的相变温度，影响到钢的热处理工艺规范。合金元素对奥氏体化的影响 在奥氏体的形成过程中，有铁、碳原子的扩散，也有合金元素的扩散。由于合金碳化物难以分解，大多数的合金元素(除镍、钴外)在钢中的扩散较为困难，使碳在奥氏体中的扩散速度减慢，从而减缓了奥氏体的形成过程。所以为了获得均匀的奥氏体，大多数合金钢的加热温度都高于碳钢(除镍钢、锰钢)。因此，合金钢需要加热到更高的温度，保温更长的时间，才能保证奥氏体化过程的充分进行。此外大多数合金元素(除锰外)都能不同程度地阻碍奥氏体晶粒的长大，起到细化晶粒的作用。特别是强碳化物形成元素(如钛、钒等)作用更显著。这些元素形成的特殊碳化物，以弥散质点分布在奥氏体晶界上，在高温下比较稳定，所以合金钢在加热时不易过热，热处理后能获得细晶粒组织，这对于提高钢的强度和韧性是非常有利的。,合金元素对回火转变的影响 除钴外，所有固溶于奥氏体中的合金元素对钢回火时组织与性能的变化，都有不同程度的影响，主要是提高钢的耐回火性，也有些合金元素还造成二次硬化现象和产生钢的回火脆性。、提高钢的耐回火性。合金钢与非合金钢相比，回火的各个转变过程都将推迟到更高的温度。在相同的回火温度下，合金钢的硬度高于非合金钢，使钢在较高温度下回火时仍能保持高硬度，这种淬火钢件在回火时抵抗软化的能力，称为耐回火性(或回火稳定性)。合金钢都有较好的耐回火性。若在相同硬度下，合金钢的回火温度要高于非合金钢的回火温度，并且通过回火过程更有利于消除内应力，提高韧性，因此，合金钢可获得更好的综合力学性能。,、产生二次硬化。某些含有较多钨、铜、钒、铬、钛元素的合金钢，在500600高温回火时，高硬度的特殊碳化物(W2C、Mo2C、VC、Cr7C3、TiC等)以弥散的小颗粒状态析出，使钢的硬度升高。这些铁碳合金在一次或多次回火后提高其硬度的现象称为二次硬化，高速钢和高铬钢在回火时都会产生二次硬化现象，这对于提高它们的热硬性具有重要作用。,3、非合金钢（1）非合金钢的分类按钢中碳含量的多少分：低碳钢：含碳量wc0.25中碳钢：含碳量0.25wc0.6高碳钢：含碳量wc 0.6按主要质量等级、主要性能及使用特性分：普通质量非合金钢优质非合金钢特殊质量非合金钢,按非合金钢的用途分类碳素结构钢。优质碳素结构钢。碳素工具钢。一般工程用铸造碳钢。易切削结构钢。按炼钢时的脱氧程度分类沸腾钢：F。镇静钢：Z。半镇静钢：BZ。特殊镇静钢：TZ。镇静钢是指脱氧完全的钢，这类钢化学成分均匀，内部组织致密，质量较高；沸腾钢是指脱氧不完全的钢，这类钢化学成分不均匀，内部组织不够致密，存在部分小气泡，质量较差；半镇静钢的脱氧程度和性能介于镇静钢和沸腾钢之间；特殊镇静钢的脱氧质星优于镇静钢，钢的内部材质均匀，非金属夹杂物含量少，可以满足特殊需要。,（2）碳素结构钢 碳素结构钢主要用于一般工程结构和普通机械零件。因为价格低、工艺性好，所以应用量很大(占钢总产量的70左右)。通常热轧成扁平成品或各种型材(圆钢、扁钢、槽钢或工字钢等)，一般不经过热处理。碳素结构钢的牌号由代表屈服点的字母、屈服点的数值、质量等级符号和脱氧方法符号四部分按顺序组成。其中，屈服点的字母以“Q”表示；屈服点的数值以钢材厚度（或直径）不大于16mm的屈服点数值表示；质量等级分A、B、C、D四级，从左到右质量依次提高；脱氧方法分别用F、BZ、Z、TZ表示为沸腾钢、半镇静钢、镇静钢和特殊镇静钢。例如，Q235AF，表示屈服点是235MPa的A级碳素结构钢，脱氧不完全，居于沸腾钢。而如Q235C表示屈服点是235MPa的C级碳素结构钢，脱氧完全，属于镇静钢。碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能及用途见下表。,（3）优质碳素结构钢 优质碳素结构钢所含硫、磷和夹杂物少，化学成分控制较严格，塑性和韧性都比较好。这类钢在机械制造中应用极为广泛，常用于较为重要的机械结构零件，可以通过各种热处理改善零件的力学性能。优质碳素结构钢的牌号用两位数字表示，这两位数字表示钢中平均碳的质量分数的万分之几。例如，45钢表示该钢碳的质量分数为万分之四十五。这类钢全部是优质级，不标质量等级符号。根据化学成分的不同，优质碳素结构钢可分为普通含锰量钢和较高含锰量钢。普通含锰量钢的锰含量小于0.80，较高含锰量钢的锰含量为0.71.2。较高含锰量钢在牌号后面标出元素符号Mn。优质碳素结构钢的牌号、成分、力学性能及用途见下表。,（4）碳素工具钢 碳素工具钢(非合金工具钢)生产成本较低，加工性能良好，可用于制作低速、手动刀具及常温下使用的工具、模具和量具等。碳素工具钢的牌号是在T(“碳”的汉语拼音字首)的后面加数字来表示，数字表示钢的平均碳的质量分数为千分之几。如T9表示平均碳的质量分数是0.9的碳素工具钢。碳素工具钢都是优质钢，若钢号末尾标A，表示该钢是高级优质碳素工具钢，如T10A。各种牌号的碳素工具钢淬火后的硬度相差不大，但随着含碳量的增加，未溶的二次渗碳体增多，钢的耐磨性提高，韧性降低。因此，不同牌号的破素工具钢，其应用是不同的。碳素工具钢的主要牌号、化学成分、件能及用途见下表。,（5）易切削结构钢 易切削结构钢是在钢中加入一种或几种元素，利用其本身或与其他元素形成一种对切削加工有利的夹杂物，来改善钢材的切削加工性。目前常用元素是硫、磷、铅、钙等。如在钢中加入硫（Ws0.180.30），同时加入锰（WMn0.61.55），使钢中形成大量的MnS夹杂物。切削时，这些夹杂物可起到断屑的作用，从而减少动力损耗。此外，硫化物在切削过程中还有一定的润滑作用，可以减小刀具与工件表面的摩擦。易切削结构钢的牌号前要加字母Y(“易”的汉语拼音字首)，以区别其他结构用钢。例如，Y12表示平均碳的质量分数是0.12的易切削结构钢。锰的质量分数较高的易切削结构钢应在牌号后加Mn，如Y40Mn。部分易切削结构钢的牌号、化学成分及性能见下表。,（6）工程用铸造碳钢 在机械制造业中，许多形状复杂的零件，用锻压方法难以生产，而力学性能要求比铸铁件高，这时可用工程铸造碳钢采用铸造的方法来获得铸钢件。铸造碳钢广泛用于制造重型机械、矿山机械、冶金机械和机车车辆的某些零部件。工程用铸造碳钢的牌号前面是ZG，后面是两组数字，第一组数字代表屈服强度最低值，第二组数字代表抗拉强度最低值。例如，ZG200400表示屈服强度不小于200MPa，抗拉强度不小于400MPa的工程用铸钢。工程用铸造碳钢的牌号、化学成分、性能及用途见下表。,4、低合金钢和合金钢 为了改善钢的的力学性能或获得特殊性能，在炼钢时有目的地加入一些合金元素，这类钢称为合金钢。所加的合金元素的质量分数低于5的合金刚称为低合金钢。加入合金元素的钢，提高了钢的力学性能，改善了工艺性能，并获得某些特殊的物理、化学性能(如耐热性、抗氧化性和抗腐蚀性等)。显然合金钢的生产工艺复杂、成本较高，但在各领域的应用却很广泛，重要的工程结构、机械零件都使用合金钢。,（1）低合金钢和合金钢的分类及牌号低合金钢的分类按主要质量等级：普通质量低合金钢、优质低合金钢、特殊质量低合金钢。按主要性能及使用特性分类：可焊接的低合金高强度结构钢、低合金耐候钢、低合金钢筋钢、铁道用低合金钢、矿用低合金钢和其他低合金钢等。合金钢的分类 合金钢中合金元素规定质量分数界限值总量是WMe5.43。按主要质量等级分类：优质合金钢和特殊质量合金钢。按主要性能及使用特性分类：合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。按钢中合金元素的种类：铬钢、锰钢、铬锰钢、铬镍钢、硅锰钢和锰钒硼钢等。,低合金钢和合金钢的牌号低合金高强度结构钢的牌号 低合金高强度结构钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音首位字母、屈服点数值、质量等级符号(A、B、C、D、E)、脱氧方法符号(F、BZ、Z和TZ，其中Z和TZ可省略)等四个部按顺序组成。例如Q390A表示屈服点s390MPa，质量为A级的低合金高强度结构钢。合金钢(包括部分低合金结构钢)的牌号 我国合金钢的编号是按照合金钢中碳的质量分数及所含合金元素的种类和其质量分数来编制的。一般牌号的首部是表示其平均碳的质量分数的数字，数字含义与优质碳素结构钢是一致的。对于结构钢，数字表示平均碳的质量分数的万分之几；对于工具钢，数字表示平均碳的质量分数的千分之几。当合金钢中某合金元素Me的平均质量分数WMe1.5时，牌号中仅标出元素符号，不标明含量；当1.5WMe2.5时，在该元素后面相应地用整数“2”表示其平均质量分数；当2.5 WMe 3.5时，在该元素后面相应地用整数“3”表示平均质量分数，依此类推。,、合金结构钢的牌号。合金结构钢的牌号采用“二位数字+元素符号+数字”的方法表示。前面两位数字表示碳的平均质量分数的万分之几，合金元素以元素符号表示，元素符号后面的数字表示该合金元素平均质量分数的百分数。如60Si2Mn表示Wc0.6、WSi1.5、WMn1.5的合金结构钢。当钢中有钒、钛、铝、硼、稀土铼等微合金元素，虽含量很低，但在钢中作用明显，仍应在钢号中标出元素符号，如20MnVB钢。、滚动轴承钢。滚动轴承钢有自己独特的牌号，用“G+元素符号+数字”表示；G”是“滚”字汉语拼音之首字母，后面的元素符号及数字表示所含合金元素及其质量分数；铬轴承钢碳的质量分数不标出，但铬元素的质量分数用千分之几标出，其余与合金结构钢牌号规定相同，如GCrl5，其Cr为1.5。,、合金工具钢。合金工且钢牌号表示方法与合金结构钢相似，是采用“一位数字+元素符号+数字”表示。一位数字表示碳的平均质量分数的千分之几，若钢中Wc1.0，为了避免与结构钢相混淆，则在牌号中不标出碳的平均质量分数。例如，9Mn2V表示为Wc=0.9，WMn1.5，Wv1.5的合金工具钢；CrWMn钢号前没有数字，表示Wc1.0。对于高速工具钢，牌号中不标出碳的质量分数，如W18Cr4V。、特殊用途钢。特殊性能钢的牌号表示方法与合金工具钢基本相同。例如，不锈钢2Crl2表示Wc=0.2、WCr=12；若Wc0.08，用“0”表示；WC0.03，则用“00”表示。例如，0Crl8Ni9、00Crl2。、专用合金结构钢牌号。对专用合金结构钢在牌号头部(或尾部)加上代表该钢用途的符号；牌号头部的“H”、“Y”、“GH”分别表示“焊接”、“易切削”、“高温合金”；牌号尾部的“C”、“R”、“q”、“K”分别表示“船用”、“压力容器”、桥梁”、“矿用”。,（2）低合金钢低合金高强度结构钢 低合金高强度结构钢是建筑及工程用结构钢中的主要钢种，它与非合金钢相比，有较高的强度、足够的塑性和韧性，同时拥有良好的焊接性和耐腐蚀性。低合金高强度结构钢含碳量较低，一般小于0.20：合金元素质量分数较低，其主加元素为锰，辅加元素为钒、钛、铌、铬、铝、镍等。Mn的作用是固溶于铁素体产生固溶强化，增加并细化珠光体；钒、钛、铌等元素既可细化晶粒，提高强度和韧性，又能改善焊接性能，降低冷脆转变温度；铬、铌可提高钢的冲击韧性，改善钢的热处理性能，提南钢的强度，并且铬、铌均可提高对大气的抗腐蚀能力。,低合金高强度结构钢强度级别在295460MPa之间。低合金结构钢的牌号由代表屈服点的汉语拼音首字母(Q)、屈服点数值、质量等级符号(A、B、C、D、E)三个部分按顺序排列。例如，Q345A表示屈服点数值345MPa，质量等级为A的低合金高强度钢。这类钢通常在热轧空冷(正火)状态下供应，使用时一般不需要进行专门的热处理，广泛应用于建筑、桥梁、车辆、船舶、石油及化工等行业。低合金高强度结构钢的常用牌号、性能及用途见下表。,低合金耐候钢 耐候钢是指耐大气腐蚀，它是在低碳非合金钢的基础上加入少量的铜、铬、钼等合金元素，在金属表面形成一层保护膜。为了进一步改善性能，还可加入铌、钛、钒等元素。我国目前使用的耐候钢分为焊接结构用耐候钢和高耐候性结构钢两大类。焊接结构用耐候钢，如12MnCuCr，用于制造桥梁、建筑及其他要求耐候性的结构钢；高耐候性结构钢，如09CuPCrNiA，用于制造车辆、建筑、塔架和其他要求高耐候性的结构钢。低合金钢专业钢 低合金专业用钢是在低合金高强度钢的基础上对其成分、工