1、绪论一、汽车材料概述一、汽车材料概述1汽车材料的分类汽车材料是指用于制造汽车所用的各类机械零件、构件的材料以及汽车在使用过程中所使用的燃料和工作液等各种运行材料。汽车材料种类繁多，按属性分类，可分为金属材料和非金属材料两大类。金属材料包括钢铁材料和非铁金属及其合金；非金属材料包括有机高分子材料（如塑料、橡胶、胶粘剂、纤维等），无机非金属材料（如玻璃、陶瓷等），新型复合材料（如纤维增强树脂基复合材料），使用周期短、消耗费用大的汽车运行材料（如燃料、润滑油、工作液、轮胎）等。汽车材料也可按用途进行分类，如结构材料、工模具材料、耐蚀材料、耐热材料、耐磨材料、减摩材料及运行材料等。2汽车材料的地位汽车
2、材料是汽车工业的基础和骨架。从汽车产品的质量和功能来说，汽车产品的可靠性和先进性，除设计因素外，在很大程度上取决于制造汽车过程中所选用材料的质量和性能。3汽车材料的现状总体来说，在汽车制造过程中，使用最多的汽车材料仍然是金属材料，尤其是钢铁材料。但随着汽车制造技术和汽车材料的发展，钢铁材料的使用比例正不断地下降。绪论4汽车材料的发展趋势（1）工业发达国家，竞相发展非铁金属（或有色金属）工业。（2）加强金属材料的综合利用与开发已经得到世界各国的高度重视。（3）加强非金属材料的研究和开发。二、金属材料概述二、金属材料概述1金属材料的概念金属是指具有良好的导电性和导热性，有一定的强度和塑性，并具有光
3、泽的物质，如金、银、铜、铝、锌、铁等。金属材料是由金属元素或以金属元素为主要材料，其他金属或非金属元素为辅构成的，并具有金属特性的工程材料。2金属材料的分类金属材料从化学成分和功能进行分类，可分为纯金属、合金和新型金属材料等。金属材料从外观颜色和组成元素来分类，可分为钢铁材料（或黑色金属）和非铁金属（或有色金属）两大类。合金是指由两种或两种以上的金属与非金属经一定方法所合成的具有金属特性的物质。例如，青铜一般是由铜和锡组成的合金。新型金属材料是指具有特殊性能和功能的金属材料。钢铁材料（或称黑色金属）。它是指以铁或以它为主而构成的金属材料。绪论钢铁材料按其碳的质量分数w（C）(含碳量)进行分类，
4、可分为工业纯铁（w（C）2.11%）。钢按碳的质量分数w（C）和室温组织的不同，可分为亚共析钢（0.0218%w（C）0.77%）、共析钢（w（C）=0.77%）和过共析钢（0.77%w（C）2.11%）。钢材按脱氧程度的不同，可分为特殊镇静钢(TZ)、镇静钢(Z)、半镇静钢(b)）和沸腾钢(F)四种。其中特殊镇静钢的质量最好，镇静钢质量次之，半镇静钢质量再次之，沸腾钢质量最差。白口铸铁按碳的质量分数w（C）和室温组织的不同，可分为亚共晶白口铸铁（2.11%w（C）4.3%）、共晶白口铸铁（w（C）=4.3%）和过共晶白口铸铁（4.3%w（C）6.69%）。非铁金属（或称有色金属）。它是指除钢
5、铁材料以外的所有金属及其合金。非铁金属按密度大小分类，通常可分为轻金属（金属密度小于5103kg/m3）和重金属（金属密度大于5103kg/m3）。绪论3涉及金属加工的主要工种及其特点金属加工是指采用一系列不同的加工工艺方法对金属材料进行加工，获得符合设计要求的金属制品的工艺过程。金属加工方法主要包括热加工和冷加工两大类。三、非金属材料概述三、非金属材料概述非金属材料是由非金属元素或化合物构成的材料。目前，在汽车工业中主要使用的非金属材料是：塑料、橡胶、摩擦材料、涂料、胶黏剂、纤维、复合材料、玻璃、纺织材料、密封材料及润滑油等。四、汽车材料课程的性质与任务四、汽车材料课程的性质与任务汽车材料课
6、程是高等职业教育院校汽车类相关专业的专业基础课程。五、汽车材料课程的教学目标五、汽车材料课程的教学目标汽车材料课程是进行专业课程学习和掌握基本技能的基础。通过学习达到学习能力、方法能力和社会能力的提高。六、汽车材料安全生产规范要求六、汽车材料安全生产规范要求安全生产对于汽车制造行业来说，是一项非常重要的教育内容。对于从事汽车制造行业的工作人员来说，一定要将“安全第一，预防为主”的思想放在第一位。第一章 金属材料的性能 第一节 金属材料的力学性能第二节 金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能第一章第一章 金属材料的性能金属材料的性能第一节 金属材料的力学性能金属材料的性能分为使用性能和工艺性能。
7、其中使用性能是指金属材料为保证零件或工具正常工作应具备的性能，即在使用过程中所表现出的特性。金属材料的使用性能包括力学性能、物理性能、化学性能及其他性能（如耐磨性、减振性等）。工艺性能是指金属材料在制造零件和工具的过程中，适应各种冷加工和热加工的性能。力学性能是指金属材料在力作用下所显示的与弹性和非弹性反应相关或涉及应力应变关系的性能，如弹性、强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度等。弹性是指物体在外力作用下改变其形状和尺寸，当外力卸除后物体又回复到其原始形状和尺寸的特性。物体受外力作用后导致物体内部之间相互作用的力，称为内力F。单位面积上的内力，称为应力R(N/mm2)。应变e是指由外力所引起的物
8、体原始尺寸或形状的相对变化(%)。一、载荷一、载荷载荷是指金属材料在使用过程中所受的外力。根据载荷大小、方向和作用点是否随时间变化进行分类，可将载荷分为静载荷和动载荷。第一章第一章 金属材料的性能金属材料的性能第一节 金属材料的力学性能根据载荷对构件变形的作用，可将载荷分为拉伸载荷、压缩载荷、弯曲载荷、剪切载荷和扭转载荷等。二、强度与塑性二、强度与塑性 强度是金属材料在外力（或载荷）的作用下，抵抗永久变形和断裂的能力。塑性是指金属材料在外力（或载荷）的作用下，产生永久变形而不断裂的能力。拉伸试验是指用静拉伸力对试样进行轴向拉伸，测量拉伸力和相应的伸长，并测其力学性能的试验。拉伸时一般将拉伸试样
9、拉至断裂。进行拉伸试验时，通常采用圆形横截面比例拉伸试样。圆形横截面比例拉伸试样分为短拉伸试样（L0=5d0）和长拉伸试样（L0=10d0）两种，一般工程上采用短拉伸试样。力-伸长曲线是指在进行拉伸试验时，拉伸力F和试样伸长量L之间呈现的关系曲线。从图1-8所示的退火低碳钢力-伸长曲线图中可以看出，拉伸试样从开始拉伸到断裂，一般经历弹性变形阶段、屈服阶段、变形强化阶段、缩颈与断裂四个阶段。第一章第一章 金属材料的性能金属材料的性能第一节 金属材料的力学性能金属材料抵抗拉伸力的强度指标主要有:屈服强度、规定残余延伸强度、抗拉强度等。屈服强度是指试样在拉伸试验过程中力不增加(保持恒定)仍然能继续伸
10、长(变形)时的应力。屈服强度用符号Re表示。规定残余延伸强度是指试样卸除应力后残余延伸率等于规定的原始标距L0或引伸计标距Le百分率时对应的应力，用应力符号R并加角标“r和规定残余延伸率”表示。抗拉强度是指拉伸试样相应最大力Fm对应的应力。抗拉强度用符号Rm表示。断后伸长率。它是拉伸试样拉断后的标距伸长量与原始标距的百分比称为断后伸长率，用符号A表示。断面收缩率。它是指拉伸试样拉断后缩颈处横截面积的最大缩减量与原始横截面积的百分比。断面收缩率用符号Z表示。第一章第一章 金属材料的性能金属材料的性能第一节 金属材料的力学性能三、硬度三、硬度 硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标，也是指金属材
11、料抵抗局部变形，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。硬度测定方法有压入法、划痕法、回弹高度法等。在压入法中根据载荷、压头和表示方法的不同，常用的硬度测试方法有布氏硬度(HBW)、洛氏硬度(HRA、HRB、HRC等)和维氏硬度(HV)。布氏硬度的试验原理是用一定直径的硬质合金球，以相应的试验力压入试样表面，经规定的保持时间后，卸除试验力，测量试样表面的压痕直径d，然后根据压痕直径d计算其硬度值的方法。250HBW10/1000/30表示用直径D=10mm的硬质合金球，在1000kgf(9.807kN)试验力作用下，保持30s测得的布氏硬度值是250。第一章 金属材料的性能第一节 金属材料的力学性能
12、布氏硬度试验的特点：试验时金属材料表面压痕大，能在较大范围内反映被测金属材料的平均硬度，测得的硬度值比较准确，数据重复性强。但由于其压痕较大，对金属材料表面的损伤也较大，不宜测定太小或太薄的试样。布氏硬度适合于测定非铁金属、灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁及经退火、正火、调质处理后的各类钢材。第一章 金属材料的性能第一节 金属材料的力学性能洛氏硬度试验原理是以锥角为120的金刚石圆锥体或直径为1.5875mm的球（淬火钢球或硬质合金球），压入试样表面，试验时先加初试验力，然后再加主试验力，压入试样表面之后，去除主试验力，在保留初试验力时，根据试样残余压痕深度增量来衡量试样的硬度大小。硬度高的金属材料
13、其残余压痕深度增量小。60HRC表示用“C”标尺测定的洛氏硬度值是60。第一章 金属材料的性能第一节 金属材料的力学性能洛氏硬度试验的特点是：洛氏硬度试验操作简便，压痕小，对试样表面损伤小，硬度值可以直接从试验机上显示出。但是，由于压痕小，硬度值的准确性不如布氏硬度高，数据的重复性较差。因此，在测试洛氏硬度时，需要至少测取三个不同位置的硬度值，然后再计算这三点硬度的平均值作为被测材料的硬度值。洛氏硬度主要用于直接检验成品或半成品的硬度，特别适合检验经过淬火的零件。维氏硬度的测定原理是以面夹角为136的正四棱锥体金刚石为压头，试验时，在规定的试验力F（49.03N980.7N）作用下，压入试样表
14、面，经规定保持时间后，卸除试验力，则试样表面上被压出一个正四棱锥形的压痕，测量压痕两对角线d的平均长度，可计算出其硬度值。600HV30/20表示用30kgf(294.2N)的试验力，保持20s测定的维氏硬度值是600。第一章 金属材料的性能第一节 金属材料的力学性能维氏硬度适用范围宽，从软材料到硬材料都可以进行测量，尤其适用于零件表面层硬度的测量，如测量经化学热处理零件的渗层硬度，其测量结果精确可靠。但测取维氏硬度值时，需要测量压痕对角线的长度，然后查表或计算。另外，进行维氏硬度测试时，对试样表面的质量要求高，测量效率较低，因此，维氏硬度没有洛氏硬度使用方便。第一章 金属材料的性能第一节 金
15、属材料的力学性能能四、韧性四、韧性 韧性是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。金属韧性大小通常采用吸收能量K（单位是焦尔）指标来衡量。夏比摆锤冲击试样有V型缺口试样和U型缺口试样两种。在试样上开设缺口的目的是：在缺口附近造成应力集中，使塑性变形局限在缺口附近，并保证在缺口处发生破断，以便正确测定金属材料承受冲击载荷的能力。同一种金属材料的试样缺口愈深、愈尖锐，吸收能量愈小，金属材料表现脆性愈显著。第一章 金属材料的性能第一节 金属材料的力学性能能吸收能量K对组织缺陷非常敏感，它可灵敏地反映出金属材料的质量、宏观缺口和显微组织的差异，能有效地检验金属材料在冶炼、成形加工、热处理工艺等方面的质量。
16、吸收能量K对温度非常敏感，通过一系列温度下的冲击试验可测出金属材料的脆化趋势和韧脆转变温度。金属材料的吸收能量K与温度T之间的关系曲线一般包括高冲击吸收能区、过渡区和低冲击吸收能区三部分。当温度降至某一数值时，吸收能量急剧下降，金属材料由韧性断裂变转为脆性断裂，这种现象称为冷脆转变。金属材料在一系列不同温度的冲击试验中，吸收能量急剧变化或断口韧性急剧转变的温度区域，称为韧脆转变温度。韧脆转变温度是衡量金属材料冷脆倾向的指标。金属材料的韧脆转变温度愈低，说明金属材料的低温抗冲击性愈好。第一章 金属材料的性能第一节 金属材料的力学性能能多次冲击试验金属材料在多次冲击下的破坏过程是由裂纹产生、裂纹扩
17、张和瞬时断裂三个阶段组成。其破坏是每次冲击损伤累积发展的结果，不同于一次冲击的破坏过程。研究结果表明：金属材料抗多次冲击的能力取决于其强度和塑性两项指标，而且随着冲击能量大小的不同，金属材料的强度和塑性的表现作用是不同的。在小能量多次冲击条件下，金属材料抗多次冲击的能力，主要取决于金属材料强度的高低；在大能量多次冲击条件下，金属材料抗多次冲击的能力，主要取决于金属材料塑性的高低。第一章 金属材料的性能第一节 金属材料的力学性能能五、疲劳五、疲劳 循环应力和循环应变是指应力或应变的大小、方向，都随时间发生周期性变化的一类应力和应变。生产中许多零件工作时承受的应力值通常低于制作金属材料的屈服强度或
18、规定残余延伸强度，但是零件在这种循环应力作用下，经过一定工作时间后会发生突然断裂，这种现象称为金属材料的疲劳。据统计，在损坏的机械零件中，80%以上是因疲劳造成的。金属材料的疲劳断裂断口一般由微裂源、扩展区和瞬断区三部分组成。疲劳断裂是在零件的应力集中区域产生的，在该区域先形成微小的裂纹核心，即裂纹源，随后在循环应力作用下，裂纹不断扩展和长大。由于疲劳裂纹不断扩展，使得零件的有效工作面逐渐减小，因此，零件所受应力不断增加，当应力超过金属材料的断裂强度时，则发生疲劳断裂，形成最后断裂区。第一章 金属材料的性能第一节 金属材料的力学性能能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
19、称为金属的疲劳强度，即金属在循环应力作用下循环次数值N无穷大时所对应的最大应力值，称为疲劳强度。对于钢铁材料其循环基数是107，对于非铁金属其循环基数是108。对于对称循环应力，其疲劳强度用符号-1表示。在循环载荷作用下，金属材料承受的循环应力与断裂时相应的循环次数N之间的关系可以用曲线来描述，这种曲线称为-N曲线。第一章 金属材料的性能第二节 金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能一、金属材料的物理性能一、金属材料的物理性能 金属材料的物理性能是指金属材料在重力、电磁场、热力（温度）等物理因素作用下，其所表现出的性能或固有的属性。它包括密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性和磁性等。金属材料的
20、密度是指单位体积金属的质量。密度是金属材料的特性之一，不同金属材料的密度是不同的。金属材料从固态向液态转变时的温度称为熔点。纯金属有固定的熔点。合金的熔点决定于它的化学成分。金属材料传导热量的能力称为导热性。金属材料导热能力的大小常用热导率(亦称导热系数)表示。金属材料的热导率越大，说明其导热性越好。一般来说，纯金属的导热能力比合金好。金属材料能够传导电流的性能，称为导电性。金属材料导电性的好坏，常用电阻率表示，单位是m。金属材料的电阻率越小，其导电性越好。第一章 金属材料的性能第二节 金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能金属材料随温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。金属材料热膨胀性的大
21、小用线胀系数l和体胀系数v来表示。金属材料在磁场中被磁化而呈现磁性强弱的性能称为磁性。根据金属材料在磁场中受到磁化程度的不同，金属材料可分为：铁磁性材料和非铁磁性材料。铁磁性材料是指在外加磁场中能被磁化到很大程度的金属材料，如铁、镍、钴等。非铁磁性材料是指在外加磁场中能够抗拒或减弱外加磁场磁化作用的金属材料，如金、银、铜、铅、锌等。铁磁性材料可以被磁铁吸引，铁及其合金(包括钢与铸铁)是常见的铁磁性材料，主要用于制造变压器、电动机、测量仪表等。第一章 金属材料的性能第二节 金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能二、金属材料的化学性能二、金属材料的化学性能 金属材料的化学性能是指金属材料在室温或高
22、温时抵抗各种化学介质作用所表现出来的性能。化学性能包括耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性等。耐腐蚀性是指金属材料在常温下抵抗氧、水及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力。耐候钢、铜及铜合金、铝及铝合金等在室温条件下能耐大气腐蚀，一般都具有良好的耐腐蚀性。抗氧化性是指金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力。耐热钢、高温合金、钛合金等都具有良好的高温抗氧化性。化学稳定性是金属材料的耐腐蚀性与抗氧化性的总称。金属材料在高温下的化学稳定性称为热稳定性。它是指金属材料在高温下的化学稳定性，即金属材料在受热过程中保持金相组织和性能的能力。在高温条件下工作的设备(如锅炉、加热设备、汽轮机、喷气发动机等)上的部件需要选择热
23、稳定性好的材料来制造。第一章 金属材料的性能第二节 金属材料的物理性能、化学性能和工艺性能三、金属材料的工艺性能三、金属材料的工艺性能 工艺性能是指金属材料在制造机械零件或工具的过程中，适应各种冷、热加工的性能，也就是金属材料采用某种成形加工方法制成成品的难易程度。工艺性能包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、热处理性能及切削加工性能等。金属材料在铸造成形过程中获得外形准确、内部健全铸件的能力称为铸造性能。铸造性能包括流动性、吸气性、收缩性和偏析等。金属材料利用锻压加工方法制造锻件的难易程度称为锻造性能。锻造性能的好坏主要与金属材料的塑性和变形抗力有关。金属材料塑性越好，其变形抗力越小，则金属
24、材料的锻造性能越好。焊接性能是指金属材料在限定的施工条件下焊接成按规定设计要求的构件，并满足预定服役要求的能力。切削加工性能是指金属材料在切削加工过程中被加工成形的难易程度。它主要包括切削、磨削、抛光、冷挤压和冷拉等工艺性能。第二章第二章 钢铁材料钢铁材料第一节第一节 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构 钢铁材料主要包括钢和铸铁。钢按化学成分可分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类。非合金钢是指以铁为主要元素，碳的质量分数小于2.11%并含有少量其他元素的钢铁材料。为了改善钢的某些性能或使之具有某些特殊性能（如耐腐蚀、抗氧化、耐磨、热硬性、高淬透性等），在炼钢时有意加入的元素，称为合金元素。含
25、有一种或数种有意添加的合金元素的钢，称为合金钢（包括低合金钢）。铸铁是碳的质量分数w（C）2.11%，在凝固过程中经历共晶转变，含有较高硅元素及杂质元素含量较多的铁基合金的总称。从化学成分看，铸铁与钢的主要区别在于铸铁比钢含有较高的碳和硅，并且硫、磷杂质含量较高。有时为了提高铸铁的力学性能或获得某种特殊性能，需加入铬、钼、钒、铜、铝等合金元素，从而形成合金铸铁。第二章第二章 钢铁材料钢铁材料第一节第一节 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构一、晶体与非晶体的区别一、晶体与非晶体的区别 物质是由原子组成的，根据原子排列的特征，固态物质可分为晶体与非晶体两类。晶体是指其组成微粒(原子、离子或分子)
26、呈规则排列的物质。晶体具有固定的熔点、规则的几何外形和各向异性特点，如金刚石、石墨、水晶及一般固态金属材料等均是晶体。非晶体是指其组成微粒无规则地堆积在一起的物质，如玻璃、沥青、石蜡、松香、塑料等都是非晶体。非晶体没有固定的熔点，而且性能具有各向同性。二、常见金属材料的晶格类二、常见金属材料的晶格类型型晶体结构即晶体的微观结构，是指晶体中实际质点（原子、离子或分子）在空间的具体排列方式。抽象地用于描述原子在晶体中排列形式的空间几何格子就称为晶格。反映晶格特征、具有代表性的最小几何单元称为晶胞。晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边的边长（晶格常数）a、b、c和三条棱边之间的夹角、等六个参数来描述。
27、第二章第二章 钢铁材料钢铁材料第一节第一节 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构常见金属材料的晶格类型是：体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格。具有体心立方晶格的金属有：铁(-Fe)、钛（-Ti）、钨(W)、钼(o)、铬(r)、钒()、铌（Nb）、钠（Na）等。具有面心立方晶格的金属有：铁(-e)、金(u)、银(Ag)、铝(l)、铜(u)、镍(Ni)、铅（Pb）等金属。具有密排六方晶格的金属有：钛(-Ti)、镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、镉（Cd）等金属。三、金属的实际晶体结构三、金属的实际晶体结构 单晶体是指原子从一个核心（或晶核）按同一方向进行排列生长而形成的晶体。多晶体是由若干
28、不同取向的小单晶体（即晶粒）组成的一种晶体。第二章第二章 钢铁材料钢铁材料第一节第一节 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构多晶体材料内部以晶界分开的、晶体学位向相同的晶体称为晶粒。将任何两个晶体学位向不同的晶粒隔开的那个内界面称为晶界。在晶界上原子的排列不象晶粒内部那样有规则性，这种原子排列不规则的部位称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何特点，可将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。点缺陷是晶体中呈点状分布的缺陷，即在三维空间上尺寸都很小的晶体缺陷。最常见的点缺陷是晶格空位和间隙原子。第二章第二章 钢铁材料钢铁材料第一节第一节 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构线缺陷是指晶体内部某一平面上
29、沿一方向呈线状分布的缺陷。线缺陷主要指各种类型的位错。所谓位错是指晶格中一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。面缺陷是指晶体内部呈面状分布的缺陷，通常是指晶界和亚晶界。由于晶界处的原子呈不规则排列，导致晶格处于畸变状态，并对金属的塑性变形起阻碍作用，从而使金属材料的强度和硬度有所提高。第二章第二章 钢铁材料钢铁材料第二节第二节 金属材料的结晶过程金属材料的结晶过程金属材料由液态转变为固态的过程称为凝固。通过凝固形成晶体的过程称为结晶。一、纯金属的结晶过程一、纯金属的结晶过程纯金属在实际结晶过程中，液态金属须冷却到理论结晶温度(T0)以下的某一温度时，才开始结晶，这种现象称为过冷。理论结晶
30、温度T0与实际结晶温度T1之差T，称为过冷度。金属是在过冷情况下结晶的，而且同一种金属液结晶时的过冷度不是一个恒定值，过冷度的大小受冷却速度的影响，金属液的冷却速度越大，金属液结晶时的过冷度越大，金属液的实际结晶温度也就越低。过冷是金属液结晶时的必要条件，但不是充分条件。金属液要进行结晶，不仅需要过冷条件，还需要满足动力学条件，如必须有原子的移动和扩散等。第二章 钢铁材料第二节 金属材料的结晶过程纯金属液结晶时，其过程是通过晶核形成和晶核长大两个基本过程完成的。金属液冷却到结晶温度时，首先会在金属液中的局部区域形成一些极细小的微小晶体（称为晶核），随着时间的推移，已形成的晶核会不断地长大。与此
31、同时，又有新的晶核在其他区域形成和长大。最终随着时间的推移，金属液逐步全部凝固，形成由各个晶核长成的晶粒彼此相互接触的状态。第二章第二章 钢铁材料钢铁材料第二节第二节 金属材料的结晶过程金属材料的结晶过程一般情况下，晶粒越细小，金属的强度与硬度愈高，塑性与韧性愈好。因此，生产实践中总是希望获得较细的晶粒组织。生产中常采用以下一些方法或措施控制晶粒的大小：（1）加快金属液的冷却速度，增大过冷度。（2）采用变质处理。（3）采用机械搅拌、机械振动、超声波振动和电磁振动等措施。二、合金的结晶过程二、合金的结晶过程合金是指由两种或两种以上的金合金是指由两种或两种以上的金属与非金属经一定方法所合成的属与非
32、金属经一定方法所合成的具有金属具有金属特性特性的物质。的物质。组成合金最基本的、独立的物质称为组元。一般来说，组元就是组成合金的元素，但有时也可将稳定的化合物作为组元。合金系是指由两种或两种以上的组元按不同比例配制而成的一系列不同化学成分的所有合金。相是指在一个合金系统中具有相同的物理性能和化学性能，并与该系统的其余部分以界面分开的部分。组织是指用金相观察方法，在金属及其合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。第二章第二章 钢铁材料钢铁材料第二节第二节 金属材料的结晶过程金属材料的结晶过程根据合金中各组元之间的相互作用，合金中的晶体结构可分为固溶体、金属化
33、合物两种类型。合金在固态下一种组元的晶格内溶解了另一种原子而形成的晶体相，称为固溶体。根据溶质原子在溶剂晶格中所占位置的不同，可将固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。金属化合物。它是指合金中各组元之间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相。金属化合物具有与其构成组元的晶格截然不同的特殊晶格，它具有熔点高，硬而脆的特点。合金中出现金属化合物时，通常能显著地提高合金的强度、硬度和耐磨性，但合金的塑性和韧性也会明显地降低。第二章第二章 钢铁材料钢铁材料第二节第二节 金属材料的结晶过程金属材料的结晶过程合金结晶后可形成不同类型的固溶体、金属化合物或机械混合物。合金的结晶过程与纯金属一样，也是晶核形成
34、和晶核长大两个过程，同时结晶时也需要一定的过冷度，结晶后形成多晶体。三、同素异构转变三、同素异构转变同素异构转变（或称同素异同素异构转变（或称同素异晶转变）是指金属在固态下晶转变）是指金属在固态下由一种晶格转变为另一种晶由一种晶格转变为另一种晶格的转变过程。格的转变过程。同素异构转变是钢铁材料的重要特性，也是钢铁材料能够进行热处理的理论依据。第二章第二章 钢铁材料钢铁材料第二节第二节 金属材料的结晶过程金属材料的结晶过程四、铁碳合金相图四、铁碳合金相图铁碳合金相图是研究铁碳合金组织、化学成分、温度三者之间关系的重要图形。铁碳合金在固态下的基本组织主要有铁素体、奥氏体、渗碳体、珠光体和莱氏体。铁
35、素体是指-Fe或其内固溶有一种或数种其他元素所形成的晶体点阵为体心立方的固溶体，用符号F(或)表示。奥氏体是指-Fe内固溶有碳和(或)其它元素所形成的晶体点阵为面心立方的固溶体，常用符号A(或)表示。第二章第二章 钢铁材料钢铁材料第二节第二节 金属材料的结晶过程金属材料的结晶过程渗碳体是指晶体点阵为正交点阵、化学成分近似于Fe3C的一种间隙式化合物。珠光体是奥氏体从高温缓慢冷却时发生共析转变所形成的组织，是铁素体(软相)和渗碳体(硬相)组成的机械混合物，常用符号“P”表示。在珠光体中，铁素体和渗碳体仍保持各自原有的晶格类型。莱氏体是指高碳的铁基合金在凝固过程中发生共晶转变时所形成的奥氏体和渗碳
36、体所组成的共晶体，莱氏体碳的质量分数为W（C）=4.3%，用符号Ld表示。铁碳合金相图是表示铁碳合金在极缓慢冷却(或加热)条件下，不同化学成分的铁碳合金，在不同温度下所具有的组织状态的一种图形。它在工程上为零件选材以及制定零件铸、锻、焊、热处理等热加工工艺提供了理论依据。例如，在锻件的实际生产过程中，锻件的坯料一般都加热到奥氏体单相区，这也就是“乘热打铁”的含义。第二章第二章 钢铁材料钢铁材料第三节第三节 非合金钢非合金钢一、杂质元素对钢性能的影响一、杂质元素对钢性能的影响 实际生产中使用的非合金钢除含有碳元素外，还含有少量的硅、锰、硫、磷等元素。这些元素的存在对于钢的组织和性能都能有一定的影
37、响，他们通称为杂质元素。一般来说，硅和锰是钢中的有益元素，硫和磷是钢中的有害元素。非金属夹杂物会降低钢的力学性能，特别是降低塑性、韧性及疲劳强度。二、非合金钢的分类二、非合金钢的分类非合金钢按碳的质量分数高低进非合金钢按碳的质量分数高低进行分类，可分为低碳钢、中碳钢行分类，可分为低碳钢、中碳钢和高碳钢三类。和高碳钢三类。非合金钢按主要质量等级和主要性能或使用特性进行分类，可分为普通质量非合金钢、优质非合金钢和特殊质量非合金钢三类。非合金钢按用途分类，可分为碳素结构钢和碳素工具钢。碳素结构钢主要用于制造各种机械零件和工程结构件，其碳的质量分数一般都小于0.70%。碳素工具钢主要用于制造工具、模具
38、、量具等，其碳的质量分数一般都大于0.70%。非合金钢还可以从其它角度进行分类。例如，按专业进行分类，可分为:锅炉用钢、桥梁用钢、矿用钢、钢轨钢等。第二章 钢铁材料第三节 非合金钢一、碳素结构钢的牌号及用途的牌号及用途 碳素结构钢牌号由屈服强度字母、屈服强度数值、质量等级符号、脱氧方法等四部分按顺序组成。质量等级分A、B、C、D四级，从左至右质量依次提高。屈服强度用“屈”的汉语拼音字母“”和一组数字表示。脱氧方法用F、Z、TZ分别表示沸腾钢、镇静钢、特殊镇静钢。在牌号中“Z”可以省略。例如，235AF，表示ReH235MPa，质量是A级的沸腾碳素结构钢。常用碳素结构钢有195、215、235、
39、275系列。字母“”后面的数字越大，钢的屈服强度越高。碳素结构钢通常用于制作要求不高的机械零件和一般结构件，如制作薄板、焊接钢管、铁丝、铁钉、铆钉、垫圈、地脚螺栓等。第二章 钢铁材料第三节 非合金钢 优质碳素结构钢的牌号采用两位数字表示，两位数字表示该钢的平均碳的质量分数的万分之几(以0.01%为单位)，如“45钢”表示平均碳的质量分数W（C）=0.45%的优质碳素结构钢；08表示平均碳的质量分数W（C）=0.08%的优质碳素结构钢。如果是沸腾钢，则在数字后面加“F”，如08F、10F和15F。优质碳素结构钢按用途可分为冷冲压钢、渗碳钢、调质钢和弹簧钢。常用优质碳素结构钢有08、10、15、2
40、0、25、30、35、40、45、50、55、60、65、70、75、80、85等。第二章第二章 钢铁材料钢铁材料第三节第三节 非合金钢非合金钢3其它专用优质非合金钢的牌号及用途为了满足加工工艺和行业生产需要，在优质碳素结构钢基础上开发了适用于行业需要的专门用途的钢，如易切削钢、锅炉用钢、矿用钢、钢轨钢、桥梁钢等。专门用途的钢的牌号表示方法是在钢号的首部或尾部用符号标明其用途，如25MnK即表示在25Mn钢的基础上开发的矿用钢，钢中平均碳的质量分数W（C）=0.25%，锰的质量分数约为1%。易切削结构钢。它是指因添加较高含量的硫、铅、锡、钙及其他易切削元素而具有良好的切削加工性能的结构钢。例如
41、，Y12表示其平均碳的质量分数W（C）=0.12%的易切削结构钢等。锅炉用钢。它是在优质碳素结构钢基础上开发的专门用于制作锅炉构件的钢种，如20G、22G、16MnG等。焊接用钢（焊芯、实芯焊丝）牌号用“H”表示，“H”后面的一位或两位数字表示碳的质量分数的万分数。第二章 钢铁材料第三节 非合金钢四、特殊质量非合金钢的牌号及用途四、特殊质量非合金钢的牌号及用途碳素工具钢是用于制造刀具、模具和量具的钢。碳素工具钢碳的质量分数都在0.7%以上，而且此类钢都是优质钢和高级优质钢，有害杂质元素(S、P)含量较少，质量较高。碳素工具钢的牌号以“碳”的汉语拼音字首“T”开头，其后的数字表示平均碳的质量分数
42、的千分数。例如，T8表示平均碳的质量分数是W（C）=0.80%的碳素工具钢。如果是高级优质碳素工具钢，则在钢的牌号后面标以字母“A”，如T12A表示平均碳的质量分数是W（C）=1.20%的高级优质碳素工具钢。常用碳素工具钢有T7、T8、T9、T10、T12等。碳素工具钢随着碳的质量分数的增加，其硬度和耐磨性提高，而塑性与韧性则下降，而且其应用场合也有所不同。第二章第二章 钢铁材料钢铁材料第四节第四节 低合金钢低合金钢一、合金元素在钢中的作用一、合金元素在钢中的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。合金碳化物具有很高的硬度
43、，其存在可提高钢的强度、硬度和耐磨性。合金元素对钢回火时组织与性能的变化有不同程度的影响，主要表现在合金元素可提高钢的耐回火性，有些合金元素还产生二次硬化现象。二、低合金钢的分类二、低合金钢的分类 低合金钢是指合金元素的种类和含量低于国标规定范围的钢，此类钢中的大多数钢焊接性较好，而且大多数钢是在热轧或正火状态下使用 低合金钢按主要质量等级分类，可分为普通质量低合金钢、优质低合金钢和特殊质量低合金钢。低合金钢按主要性能及使用特性分类，可分为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、矿用低合金钢和其它低合金钢。第二章第二章 钢铁材料钢铁材料第四节第四节 低合金钢低合
44、金钢三、常用低合金钢的牌号及用途三、常用低合金钢的牌号及用途 低合金高强度结构钢的牌号是由代表屈服强度的汉语拼音首位字母、屈服强度数值、质量等级符号（A、B、C、D、E）三部分按顺序组成。例如，Q390A表示屈服强度390MPa，质量为A级的低合金高强度结构钢。如果是专用结构钢一般则在低合金高强度结构钢牌号表示方法的基础上附加钢产品的用途符号，如Q345HP表示焊接气瓶用钢、Q345R表示压力容器用钢、Q390G表示锅炉用钢、Q420Q表示桥梁用钢等。常用低合金钢有Q345、Q390、Q420、Q500、Q550、Q620、Q690。低合金高强度结构钢与非合金钢相比具有较高的强度、韧性、耐腐蚀
45、性及良好的焊接性。广泛用于制造桥梁、车辆、船舶、建筑工程、化工、锅炉等。耐候钢是指耐大气腐蚀钢。它是在低碳非合金钢的基础上加入少量铜、铬、镍、钼等合金元素，使钢表面形成一层保护膜的低合金钢。汽车用低合金钢是用量较大的专业用钢，它主要用于制造汽车大梁、轮辋、托架及车壳等结构件。第二章第二章 钢铁材料钢铁材料第五节第五节 合金钢合金钢 合金钢是指合金元素的种类和含量高于国标规定范围的钢，此类钢中的大多数钢是在热处理状态下使用的。合金钢中应用最广的是工程结构用合金钢、机械结构用合金钢、高碳铬轴承钢、合金工具钢、高速工具钢、不锈钢、耐热钢、特殊物理性能钢等。一、合金钢的分类一、合金钢的分类 合金钢是按
46、其主要质量等级分类，可分为优质合金钢和特殊质量合金钢。合金钢按主要性能及使用特性分类，可分为工程结构用合金钢(如一般工程结构用合金钢、合金钢筋钢、高锰耐磨钢等)；机械结构用合金钢(如调质处理合金结构钢、表面硬化合金结构钢、合金弹簧钢等)；不锈、耐蚀和耐热钢(如不锈钢、抗氧化钢和热强钢等)；工具钢(如合金工具钢、高速工具钢)；轴承钢(如高碳铬轴承钢、不锈轴承钢等)；特殊物理性能钢，如软磁钢、永磁钢、无磁钢等；其它，如铁道用合金钢等。第二章第二章 钢铁材料钢铁材料第五节第五节 合金钢合金钢3合金钢的牌号 我国合金钢(包括部分低合结构钢)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(元素符号
47、)和其质量分数来编制的。合金结构钢的牌号编写方法是采用“二位数字+合金元素符号+数字”。前面的“二位数字”表示合金结构钢的平均碳的质量分数的万分之几；后面的“合金元素符号和数字”表示所含合金元素及其平均质量分数的百分之几。例如，60Si2Mn表示W(C)=0.60%、W(Si)=2%、W(Mn)1.5%的合金结构钢。合金工具钢的牌号编写方法大致与合金结构钢相同，但碳的质量分数的表示方法有所不同。当合金工具钢中W(C)1.0%时，牌号前的“数字”以千分之几(一位数)表示钢的碳的质量分数；当合金工具钢中W(C)1%时，为了避免与合金结构钢相混淆，牌号前不标出碳的质量分数的数字。例如，9Mn2V表示
48、W(C)=0.9%，W(Mn)=2%、W(V)1.5%的合金工具钢；CrWMn表示钢中W(C)1.0%、W(Cr)1.5%、W(W)1.5%、W(Mn)1.5%的合金工具钢。第二章第二章 钢铁材料钢铁材料第五节第五节 合金钢合金钢高碳铬轴承钢牌号前面冠以汉语拼音字母“G”，其后为铬元素符号Cr，铬的质量分数以千分之几表示，其余合金元素的质量分数与合金结构钢牌号中的规定相同，如GCr04钢、GCr15钢、GCr15SiMn钢等。不锈钢和耐热钢的牌号表示方法与合金结构钢基本相同，只是当W(C)0.04%时，推荐取两位小数，如06Cr17Ni12Mo2N钢、12Cr21Ni5Ti钢；在W(C)0.0
49、3%时，推荐取3位小数，如022Cr17Ni7N钢等。二、常用合金钢的牌号及用途二、常用合金钢的牌号及用途合金渗碳钢是指用于制造渗碳零合金渗碳钢是指用于制造渗碳零件的合金钢，件的合金钢，如20Cr、20CrMnTi、20CrMnMo 等。合金调质钢是在中碳钢(30、35、40、45、50)的基础上加入一种或数种合金元素，以提高淬透性和耐回火性，使之在调质处理后具有良好的综合力学性能的合金钢，如40Cr、40MnB等。合金调质钢常用来制造负荷较大的重要零件，如发动机轴、连杆及传动齿轮等。合金弹簧钢是制造重要弹簧和弹性元件的专用钢材。弹簧按加工成形方法分类，可分为冷成形弹簧和热成形弹簧。第二章第二
50、章 钢铁材料钢铁材料第五节第五节 合金钢合金钢常用弹簧钢有60Si2Mn钢、50CrVA钢等。高碳铬轴承钢主要用于制造滚动轴承的滚动体和内圈、外圈，其次也用于制作量具、模具、低合金刃具等。常用的高碳铬轴承钢是GCr15钢、GCr15SiMn钢等。高碳铬轴承钢的热处理主要是锻造后进行球化退火，制成滚动轴承后进行淬火和低温回火，得到回火马氏体及碳化物组织，硬度大于62HRC。合金工具钢是指用于制造量具、刃具、耐冲击工具、模具等的合金钢。常用的制作量具及刃具用的合金工具钢是9SiCr钢、9Cr2钢、CrWMn钢、Cr2钢和9Mn2V钢等，主要用来制造淬火变形小、精度高的低速切削工具、冷冲模、量具和耐
