工程材料的分类 ???? 材料(metals)?是人类用来制作各种产品的物质，是先于人类存在的，是人类生活和生产的物质基础，反映人类社会文明的水平。材料、生物、能源、信息是支撑人类文明大厦的四大支柱技术。 ????人类经历了石器时代（古猿到原始人的漫长进化过程，使用燧石和石英石原料），新石器时代（?原始社会末期开始用火烧制陶器），青铜器时代（公元前2140年开始），铁器时代（春秋战国时期开始大量使用铁器），钢铁新时代（18世纪后），二十世纪五、六十年代钢铁基本达到鼎盛时期,?现在进入了有机合成材料、复合材料、陶瓷材料、功能材料等新材料快速发展的时期。 ????工程材料主要是用来制造工程构件和机械零件，一般将工程材料分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料等四大类。 1.?金属材料? ⑴?黑色金属—铁和以铁为基的合金(钢、铸铁等)。 ???⑵?有色金属—黑色金属以外的所有金属及其合金。 2.?高分子材料? ⑴?塑料—主要指工程塑料，又分热塑性和热固性塑料。 ???⑵?合成纤维—由单体聚合而成再经过机械处理成的纤维材料。 ???⑶?橡胶—经硫化处理，弹性优良的聚合物，分通用橡胶和特种橡胶。 ???⑷?胶粘剂—分树脂型、橡胶型和混合型。 3.?陶瓷材料? ???⑴?普通陶瓷—主要为硅、铝氧化物的硅酸盐材料。 ???⑵?特种陶瓷—高熔点的氧化物、碳化物、氮化物等烧结材料。 ???⑶?金属陶瓷—用生产陶瓷的工艺来制取的金属与碳化物或其它化合物的粉末制品。 4.?复合材料：是由两种或两种以上的材料组合而成的材料。 ???⑴按基体相种类分：聚合物基、金属基、陶瓷基、石墨基等。 ???⑵按用途分：结构、功能、智能复合材料。 三种常见的金属晶体结构 金属材料结构与组织 ?固态物质按其原子的聚集状态可分为两大类：晶体和非晶体，晶体指的是材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则的周期性排列的物体，如金刚石、水晶、金属等。非晶体指的是材料的原子（离子、分子）在三维空间无规则排列的物体，如松香、石蜡、玻璃等。在一定的条件下晶体和非晶体可以互相转化（I2-1）。 晶体结构是晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式。晶格是假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架。能反映晶格特征的最小组成单元称为晶胞（I2-2）。晶格常数指的是晶胞的三个棱边的长度a,b,c。 常见的金属晶体结构有 ⑴体心立方晶格（BCC—Body-Centered?Cube），典型代表为钼（Mo）、钨、钒、铬、铌、α-Fe等，八个原子处于立方体的角上，一个原子处于立方体的中心，如图2所示。 ⑵面心立方晶格（FCC—Face-Centered?Cube），典型代表为铝、铜、镍、金、银、γ-Fe等，原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心，如图1所示。 ⑶密排六方晶格（HCP—Hexagonal?Close-Packed）典型代表为镁、镉（Cd）、锌、铍（Be）等。12个原子分布在六方体的12个角上，上下底面中心各分布一个原子，上下底面之间均匀分布3个原子，如图3所示。 ??图1面心立方晶格??????????????图2体心立方晶格????????????图3密排六方晶格 原子半径指的是晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半，致密度指的是晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。 体心立方模型与晶胞示意图（I2-3）,在体心立方晶格中如图4： ? 图??4 晶格常数：a=b=c；a=b=g=90°??? 晶胞原子数：2 原子半径： 致密度：0.68 面心立方模型与晶胞示意图（I2-4），在面心立方晶格中如图5： ? ??图???5? 晶格常数：a=b=c；a=b=g=90°??? 晶胞原子数：4 ?? 原子半径： 致密度：0.74????????? 密排六方模型与晶胞示意图（I2-5）,在密排六方晶格中如图1-6： ??图???6 底面边长a 底面间距c 侧面间角120° 侧面与底面夹角90°??? 晶胞原子数：6 原子半径：a/2 致密度：0.74 三种晶胞类型的模型对比示意图（I?2-6）。 2.?金属晶体的特性 金属晶体区别于非晶体是其具有确定的熔点。在晶体中，不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而金属晶体不同方向上的性能不同，这种性质叫做晶体的各向异性，而非晶体则是各向同性的。但是对于实际的金属，其内部是由许多的晶粒组成，每个晶粒在空间分布的位向不同，因而在宏观上沿各个方向的性能趋于相同，晶体的各向异性显示不出来。 3.?实际金属中的晶体缺陷 实际金属的结构中存在许多不同类型的缺陷，按几何特征可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。 点缺陷如图7，指的是三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。它包括空位、间隙原子、异类原子。当晶格中某些原子由于某种原因，（如热振动等）脱离其晶格结点而转移到晶格间隙这样就形成了点缺陷，点缺陷的存在会引起周围的晶格发生畸变，从而使材料的性能发生变化，如屈服强度提高和电阻增加等。 ?????图7???点缺陷示意图 线缺陷指的是原子排列的不规则区在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。如：位错。 位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线，电子显微镜下的位错（I2-7）。由于晶体中局部滑移的方式不同，可形成不同类型的位错，图8a为一种最简单的???“刃型位错”。因为相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。图8b为一种“螺型位错”，晶体右边上部相对于下部晶面发生错动。 ???????????? ???图8b螺型位错示意图 图8a刃型位错示意图??????????????? 刃型位错与螺型位错的形成动画（M2-1）。 晶体中存在大量的位错，一般用位错密度来表示位错的多少。位错密度指单位体积中 位错线的总长度或单位面积上位错线的根数，由于位错线附近的原子偏离了平衡位置,使晶 格发生了畸变,对晶体的性能有显著的影响。实验和理论研究表明：晶体的强度和位错密度 有如图9的对应关系，当晶体中位错密度很低时，晶体强度很高；相反在晶体中位错密度很 高时，其强度也很高。但目前的技术，仅能制造出直径为几微米的晶须，不能满足使用上的 要求。而位错密度很高易实现，如剧烈的冷加工可使密度大大提高，这为材料强度的提高提 供途径。 图9???金属强度与位错密度的关系 面缺陷指的是原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小的缺陷，包括晶界（晶粒与晶粒之间的接触界面）和亚晶界（亚晶粒之间的边界）两种。如图10所示。显然在晶界处原子排列很不规则，亚晶界处原子排列不规则程度虽较晶界处小，但也是不规则的，可以看作是由无数刃型位错组成的位错墙。这样晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越大，且位错密度愈大，晶体的强度愈高。 ???????????????????????图10面缺陷??? 合金的晶体结构 1.固溶体 一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成具有金属特性的物质叫合金，组成合金独立的、最基本的单元叫组元。 而相指的是化学成分和晶体结构相同，且有界面与其它部分分开的均匀组成部分。合金中有两类基本相——固溶体和化合物。 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶体，按溶质原子在溶剂晶格中的位置可分为置换固溶体和间隙固溶体，按溶质原子在溶剂中的溶解度可分为有限固溶体和无限固溶体，按溶质原子在固溶体中分布是否规律可分为无序固溶体和有序固溶体。 由于溶质原子溶入固溶体导致晶格发生畸变，晶格畸变随着溶质原子浓度的增大而增大，位错运动的阻力也随之增大，使金属的滑移变形变得困难，从而提高合金的强度和硬度，这种现象就是固溶强化，是金属强化的一种重要形式。 2.金属化合物 合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相称为金属化合物，化合物类型包括正常价化合物、电子化合物、间隙化合物三种，间隙化合物按非金属原子半径与金属原子半径的比值可分为间隙相和复杂结构的间隙化合物。 正常价化合物——按化合价规律形成，如，Mg2Si???。 电子化合物——按电子浓度规律形成，如，Cu3Al???。 间隙化合物——过渡金属+小半径非金属元素。当r非/r金0.59时，形成简单晶格的间隙相，如WC、TiC、VC；当r非/r金0.59时，形成复杂结构的间隙化合物，如Fe3C、Cr23C6。间隙化合物???熔点高、硬度高，脆性大。是高合金钢和硬质合金中的重要组成相。 金属材料的组织 组织指的是在金相显微镜下观察到的金属材料内部的微观形貌，与相是两个不同的概念。组织由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相构成。 金属材料的性能由组织决定，而组织由化学成分和工艺过程决定。同一种钢经过不同的热处理可以获得不同的组织，从而获得不同的性能，如45钢经过不同的热处理可以获得珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体、马氏体等组织，从而获得不同的性能。所以，金属材料的 成分、工艺、组织结构和性能之间有着密切的关系。 纯金属的结晶 1.?纯金属结晶的条件 通过实验，测得液体金属在结晶时的温度—时间曲线。左边图表示理论结晶温度曲线，右边图表示实际结晶温度曲线看出实际金属结晶开始温度低于理论结晶温度。所以把这种结晶时实际结晶温度T1总是低于理论结晶温度T0的现象称为过冷。曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热，抵消了向外界散发的热量。 过冷度:?T=T0-T1（冷却速度↑→?T↑），也就是实际结晶温度与理论结晶温度的差值。过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。 ???? ?????????????????????????图1??液体金属结晶曲线 ??? 过冷是结晶的必要条件，也是结晶的动力。 2.?纯金属结晶过程 液态金属结晶是有生核和长大两个基本过程来实现的，晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。 结晶过程如图2所示。 ???? ??? ??????????????????????????????图2??结晶过程 ⑴晶核的形成，两种方式： ①自发形核—从液体结构内部有金属本事源自发长出的结晶核心。 ②非自发形核—实际金属中的杂质能够促进晶核在其表面上生成，故这种依附于杂质而生成的晶核叫做非自发形核 自发形核与非自发形核同时存在，非自发形核起主导作用。 ⑵晶体的长大 ①平面长大—在冷却速度较小的情况下纯金属晶体主要一其表面向前平行推移的方式长大，进行平面式的长大。在实际金属的结晶中是很少见的，如图3。 ②树枝状长大—当冷却速度较大特别是存在杂质时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，这时金属晶体往往以树枝状的形式长大，如图4。实际金属结晶主要以树枝状长大，其原因是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴等等，树枝间最后被填充。树枝状长大的显微照片（I3-1）。 ???????????图3??平面长大?????????????????????????图4?树枝长大?? 可用显微电镜拍摄晶核的树枝状长大过程，金属与冰晶核树枝状长大的树枝晶对比（I3-2）。 同素异构转变 同素异构转变—金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程类似，故称为二次结晶或重结晶。 以纯铁为例，图1为纯铁在结晶时的冷却曲线?纯铁结晶冷却曲线 铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为： 以不同的晶体结构存在的同一种金属的晶体称为该金属的同素异晶体，如图中δ-Fe、 γ-Fe（I3-4）、a-Fe(I3-3)均为纯铁的同素异晶体。 因为同素异构转变时，金属晶格发生改变，导致金属的体积发生变化，转变时会产生较大的内应力，例如，γ-Fe转变为a-Fe，铁的体积会膨胀约1%。 细化铸态金属晶粒的措施 晶粒的大小可用晶粒度来表示，晶粒度号越大晶粒越细。对于纯金属，决定其性能的主要结构因素是晶粒大小。晶粒越小，金属的强度、塑性和韧性越好。 细化晶粒的主要方式有： 图1?成核速率、长大速度与过冷度关系 1.增大金属的过冷度 由结晶过程可知，成核速率越大，则结晶后晶粒越多，晶粒越细；晶核长大速度越快，晶粒越粗。成核速率、长大速度与过冷度密切相关，如图1,则希望成核速率与长大速度的比值越大，晶粒越小。 增大过冷度的主要办法是提高液态金属的冷却速度，采用冷却能力强的模具。但是对大铸件或厚薄差别大的铸件，冷速过快会导致铸件变形、开裂,故只适用于小铸件。????????????????????????????????????????? 2.变质处理????????????????????????????? ???由于大铸件以及形状复杂铸件获得大的过冷度是比较困难的。所以常用变质处理来细化晶粒。? 变质处理—在液态金属中加入孕育剂或变质剂，以细化晶粒和改善组织，变质剂的作用在于增加晶核的数量或者阻碍晶核长大。钢中常用的变质剂为V,Ti,Al。 变质处理常用于大铸件，实际效果较好。 3.振动与搅拌 方式有机械振动、超声振动，或电磁搅拌等，作用是使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化。 铸锭的结构 1.铸锭结构 ???铸锭可以设想为一种形状简单的大铸件，具有最典型的铸造结构，整个体积明显的分为三个晶区，如图1。 图1??铸锭结晶组织 ①细等轴晶区—外层金属过冷度大，生成大量晶核，晶粒很细。 ②柱状晶区—锭模温度升高，冷却速度降低，过冷度减少。结晶时，晶核向液体内部平行长大，形成柱状晶区。 ③粗等轴晶区——冷却速度降低很多，过冷度大大减小，温度差趋于均匀化，晶核向各个方向均匀长大，形成粗大的等轴晶区。 2.铸锭晶粒形状影响因素 ⑴柱状晶由外往里顺序结晶的，晶质较密。铁、镍及其合金含杂质，不希望生成柱状晶。铝、铜有色金属希望得到柱状晶。柱状晶性能具有明显的方向性，沿柱状晶晶轴方向强度高。铸造温度高，冷却速度大，利于形成。采用定向结晶方法获得柱状晶。 ⑵等轴晶无弱面，就、晶枝彼此嵌入，结合较牢，性能均匀，无方向性。一般如钢铁铸件所要求的结构。铸造温度低，冷却速度小，利于形成。?采用振动，搅拌方法获得。 3．铸锭的缺陷 ⑴缩孔—凝固时体积收缩，顺序结晶时，最后凝固的地方发生收缩，如得不到液体补充则形成缩孔，为集中缩孔，一般要切除。 ⑵疏松—即分散缩孔，是树枝晶结晶时不能保证液体供给形成细小分散缩孔。提高浇注液面，改善液体补给条件。 ⑶气孔—金属液体比固态溶解的气体多，凝固时要析出气体，铸型中水分，浇注液体流动产生气体，这些气体没及时排出，就会留在金属内部，形成气泡。表面附近气孔为皮下气孔，铸锭轧制时造成微细裂纹起皱，严重影响金属质量 二元合金的结晶 合金的结晶过程用合金相图来分析。相图是表明合金系中各种合金相的平衡条件和相与相之间关系的一种简明示图（I3-5）。平衡是指在一定条件下合金系中参与相变过程的各相成分和相对质量不在变化所达到的一种状态。常压下，二元合金相状态决定于温度和成分，采用热分析法建立起来。因此二元相图可用温度—成分坐标系的平面图来表示，如图1。 ?????? ? ? ? ? ? ? ? ??????????图1??二元相图 1.发生匀晶反应的合金的结晶 两组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图称二元匀晶相图，Cu—Ni相图为典型的匀晶相图如图2??。 ? ?⑴相图分析：L为液相，是Cu、Ni形成的液溶体；a为固相，是Cu和Ni形成的无限固溶体，图中有两个单相区，一个双相区。 ⑵结晶过程分析： 以KK线点温度以上，合金为液相L。缓慢冷却至1—4之间时，合金发生匀晶反应：L→a，从液相中逐渐结晶出a固溶体。4点以下，合金全部结晶为a固溶体。 ⑶匀晶结晶特点： ①固溶体从液相中结晶出来的过程也包括生核和长大两个过程，树枝状长大。 ②变温结晶过程. ③在两相区内，温度一定时，两相的成分是确定的（即Ni的质量分数）。 ④在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的 ⑤固溶体结晶时成分是变化的，缓慢冷却时源自扩散充分，形成成分均匀的固溶体， 若冷区较快，原子扩散不充分，形成成分不均匀的固溶体，先结晶的树枝晶轴含熔点高的组元较多，后结晶的树枝晶枝干含低熔点组元较多，结果造成一个晶粒内化学成分分布不均，这种现象称为枝晶偏析。枝晶偏析对材料的机械性能、抗腐蚀性、工艺性能都不利。生产上把合金加热到高温，低于固相线℃，进行长时间保温，是原子扩散充分，得到均匀固溶体，这种处理称为扩散退火。 ??杠杆定律： 处于两相区的合金，不仅由相图可知道两平衡相的成分，还可用杠杆定律求出两平衡相的相对重量。以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：Cu-Ni匀晶相图如图3所示。 ①确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成分垂线。在成分垂线相当于温度t??的o点作水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成分。 ????????????????????????图3?Cu-Ni匀晶相图 ②确定两平衡相的相对重量??： 设合金的重量为1，液相重量为QL，固相重量为Qa。则QL+Qa=1 ????????QLx1+Qax2=x ??解方程组得， ????????????????????????图4????杠杆原理图 式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线x(ao)的长度。?? 因此两相的相对重量百分比为： 两相的重量比为： 图5共晶相图 上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律，如图4所示。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。 在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。杠杆定律只适用于两相区。 2．发生共晶反应的合金的结晶 两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶,并发生共晶反应时所构成的相图称作共晶相图。Pb—Sn合金相图为典型共晶相图如图5。 ⑴相图分析： 合金系有三种相：Pb与Sn形成的液溶体L。Sn溶于Pb的有限固溶体a相，Pb溶于Sn的有限固溶体β相。图中有三个单相（L、a、β），三个双相区（L+?a、L+β、a+β）,一条L+a+β的共存线水平线MEX。图中E点为共晶点。 ? ? ? ? ? ?? ⑵结晶过程分析: 一种液相在恒温下同时结晶出两种固相的反应叫做共晶反应。Le?am+bx ①合金I的平衡结晶过程如图6所示：液态合金冷却到1点温度后发生匀晶结晶过程，至2点温度完全结晶成a固溶体，随后2—3点间冷却，a相不变。从3点温度开始，随着 Sn在a固溶体中的溶解度沿MF线下降，从a中析出βII，到室温时a相中Sn的质量分数逐渐变为F点，最后合金得到组织为a+βII。 ????????????????????????图6????合金I的平衡结晶过程 ?②合金Ⅱ的平衡结晶过程如图7所示：合金Ⅱ为共晶合金，合金从液态冷却到E点后发生共晶反应。 Le?am+bx 共晶结束后，随温度下降，a?和b的成分分别沿CF线和DG线变化，并从共晶a?中析出bⅡ，从共晶b中析出aⅡ，由于共晶组织细，aⅡ与共晶a结合，bⅡ与共晶b结合，共晶合金的室温组织仍为(a+b）共晶体。 ????????????????????????图7????合金Ⅱ的平衡结晶过程 Pb和Sn生成的共晶组织（I3-6）。 ③合金Ⅲ的结晶过程如图8所示：合金Ⅲ是亚共晶结晶，合金冷却到1点温度时，由匀晶反应生成A固溶体，初生固溶体。从1点到2点冷却过程中，初生a沿AC线变化，液相成分沿AE线点温度时，合金由M点的a固溶体和E点的液相组成。然后液相进行共晶反应，合金转变为(a+β)共晶体。温度继续下降，将从一次a?和共晶a中析出bⅡ，从共晶b?中析出aⅡ。其室温组织为aⅠ+(a+b)+bⅡ。 ????????????????????????图8??亚共晶结晶相图 过共晶合金结晶过程与亚共晶合金相似，不同的是一次相为b,二次相为aⅡ，室温组织为bⅠ+(a+b)+aⅡ。 综合上述几种合金成分的结晶过程后，各成分冷却到室温的组织组成物的标注如图9所示。 ????????????????????????图9????各成分组织组成物 3.?发生包晶反应的合金结晶 当两组元在液态下完全互溶，在固态下有限互溶，发生包晶反应。Pt—Ag合金具有包晶相图如图10所示。 ⑴相图分析：相图中存在三种相：Pt与Ag形成的液溶体L相，Ag溶于Pt的有限固溶体a相，Pt溶于Ag的有限固溶体β相。e为包晶点。 ⑵结晶过程分析: ①合金I的结晶过程：合金I冷却到1点时结晶出a固溶体L相成分沿ac线变化，a相沿ad线变化，合金冷却到e点前由d点的a相和c点的液相组成。在e点温度时发生包晶反应LC+ad?βe，β相包围a相而形成，反应结束后，L相与a相正好耗尽。形成e点成分的β固溶体，温度下降，从β中析出aII。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ???????图10??包晶相图 4.??发生共析反应的合金的结晶 共析反应(共析转变)是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。如图11其下半部为共析相图。 ⑴相图分析：c点成分的合金从液相经过匀晶反应生成γ相后，继续冷却到c点温度， 在此恒温下发生共析反应，同时析出d点的a相和e点的β相，γc?ad+βe，即由一种固相转变成两种完全不同的相互关联的固相，此两相混合物称为共析体。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ???????????????图11??共析反应相图 5.?含有稳定化合物的合金的结晶 在某些二元合金中，常形成一种或几种稳定化合物。这些化合物具有一定的化学成分、固定的熔点，且熔化前不分解，也不发生其他的化学反应，分析这类相图时，可把稳定化合物看成一个独立的组元，并将整个相图分割成几个简单相图。 合金的性能与相图的关系 合金的使用性能与相图的关系 如图1表示具有匀晶相图、共晶相图的合金的机械性能和物理性能随成分而变化的一般规律。 ⑴固溶体中溶质浓度↑→强度、硬度↑ ⑵组织组成物的形态对强度影响很大。组织越细密，强度越高。 对两相机械混合物的合金，其强度与硬度性能与合金成分呈直线关系，是两相性能的算术平均值，如： s混=sa?Qa+sβ?Qβ???? HB混=HBa?Qa+HBβ?Qβ?? (Qa、Qβ为两相相对重量)?????? ? ? ? ? ? ? ? ??????????图1??合金的使用性能与相图的关系 2.??合金的工艺性能与相图的关系 如图2表示合金的铸造性能与相图的关系。 ⑴纯组元和共晶成分的合金流动性最好，缩孔集中，铸造性能好??。 ⑵相图中液相线和固相线之间距离越小，液体合金结晶的温度范围越窄，流动性好，不易形成分散缩孔，对浇注和铸造质量有利。 ⑶合金液相、固相线温度间隔大时，形成枝晶偏析的倾向性大。 ⑷铸造合金常选用共晶或结晶共晶的成分。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??合金的铸造性能与相图的关系 另外，单相成分合金的锻造性能好。 ???????????????????????????????????????? shi金的结晶 铁碳相图 铁碳合金相图如图1所示。铁和碳可形成一系列稳定化合物：Fe3C、Fe2C、FeC，它们都可以作为纯组元看待。含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。实际所讨论的铁碳合金相图是Fe-??Fe3C相图。铁碳合金相图是研究铁碳合金最基本的工具，是研究碳钢和铸铁的成分、温度、组织及性能之间关系的理论基础,是制定热加工、热处理、冶炼和铸造等工艺依据。 ⑴Fe-Fe3C相图的组元: ①Fe 性能特点—强度低、硬度低、韧性、塑性好。抗拉强度σb=180～230MPa；延伸率δ=30％～50％；断面收缩率ψ=70％～80％；硬度50HBS～80HBS。 ②Fe3C（Cem，Cm） 性能特点—熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。 抗拉强度σb=30MPa；硬度800HBS。 ⑵Fe-Fe3C相图中的相和组织 共有五种相和五种组织，包括： ①液相L ②δ相??高温铁素体（C固溶到δ–Fe中的间隙式固溶体） ③α相??铁素体F（C固溶到α-Fe中的间隙式固溶体）特点为强度、硬度低、塑性好（室温含碳量：C%=0.0008%,727度时的含碳量：C%=0.0218%） ④γ相（C固溶到γ-Fe中的间隙式固溶体）强度低，易塑性变形。 ⑤Fe3C，性能特点—熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。 五种组织： ①铁素体，显微组织（I3-7）。 性能特点—强度低、硬度低、韧性、塑性好。抗拉强度σb=180～230MPa；延伸率δ=30％～50％；断面收缩率ψ=70％～80％；硬度50HBS～80HBS。 ②渗碳体，显微组织（I3-8）。 性能特点—熔点高，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。 ③奥氏体（A）显微组织（I3-9）。：强度低，易塑性变形。 ④珠光体P（铁素体和渗碳体的共析混合物），显微组织（I3-10）。 A0.77→F0.0218+Fe3C 抗拉强度σb=770MPa，延伸率δ=20％～35％，硬度180HBS，断面收缩率ψ=40％～60％ ⑤莱氏体，显微组织（I3-11）。?????? L4.3?→A2.11+?Fe3C 高温莱氏体Le（奥氏体和渗碳体的共晶混合物）和低温莱氏体Le′，硬而脆，塑性、韧性几乎为零。 图1??????铁碳合金相图 2.??相图中重要的点和线 ⑴J为包晶点—合金在平衡结晶冷却到1495℃时B点成分的L与H点成分的σ发生包晶反应生成J点成分的A（γ），恒温进行，三相共存。 ⑵C点为共晶点—合金在平衡结晶冷却到1148℃时，C点成分的L发生共晶反应，生成E点成分的A和Fe3C。恒温进行，三相共存。奥氏体和渗碳体的混合物即莱氏体。 ⑶S点为共析点—合金在平衡结晶冷却到727℃时，S点成分的A发生共析反应，生产P点成分的F和Fe3C，恒温进行，三相共存。铁素体和渗碳体的共析混合物，称为珠光体。 ⑷相图中ABCD为液相线，AHJECF为固相线。 水平线HJB为包晶反应线%的铁碳合金在平衡结晶时均发生包晶反应。 水平线ECF为共晶反应线%的铁碳合金在平衡结晶时均发生共晶反应。 水平线PSK为共析反应线%的铁碳合金在平衡结晶时均发生共析反应。 GS线是合金冷却时A中开始析出F的临界温度线线。 ES线是碳在A中的固溶线??%，故冷却时，将从A中析出Fe3C，称为二次渗碳体Fe3CⅡ。 PQ线是碳在F中的固溶线%，故冷却时将从F中析出Fe3C，称为三次渗碳体Fe3CⅢ。Fe3CⅢ极少，予以忽略。 3.典型铁碳合金的平衡结晶过程 根据铁碳合金相图，铁碳合金可分为三类： 工业纯铁?——C%≤0.0218% 钢——?0.0218%＜C%≤2.11% 亚共析钢＜0.77% 共析钢＝?0.77%?? 过共析钢＞0.77% 白口铸铁——2.11%＜?C%＜6.69% 亚共晶白口铁＜4.3%?????? 共晶白口铁＝4.3%?????? 过共晶白口铁＞4.3% ⑴工业纯铁 如图2所示：以碳质量分数为0.01%的铁碳合金为例，合金在1点以上为液相L，1—2点间结晶出σ相，从3点起，σ逐渐转变为A，至4点全部转变为A，4—5间冷却不变，从5点起，A中析出F，至6点完全为F,??6—7点冷却不变，7—8点从F中析出Fe3CⅢ。F呈白色块状。 ????????????????????????图2??工业纯铁平衡结晶过程 (2)共析钢(C%=0.77%??) 共析钢冷却曲线点间A冷却不变；至3点A发生共析反应生成P。冷却至室温组织不变，皆为P,P呈片状。珠光体中的渗碳体称共析渗碳体。 P中各相的相对量： Fe3C%=(0.77–xF)/(6.69–xF)≈0.77/6.69=12% F%≈1–12%=88% ??????????????????????????????????????????????图3共析钢冷却结晶过程 (3)亚共析钢(0.0218%＜C%＜0.77%) 以碳质量分数为0.4%的铁碳合金为例，冷却曲线点起至L中结晶出σ，至2点时，L的成分变为C%=0.53%，σ成分变为C%=0.09%，发生包晶反应生成A0.17，结束后尚有多余的L。至3点L中完全结晶为A。在3—4间冷却不变，4点起，A中析出F，F在A的晶界处优先生核并长大，而A和F分别沿GS和GP线时，A的成分变为C%=0.77%，F的成分变为C%=0.0218%，此时A发生共析反应，转变为P，F不变。从5′点冷却，室温剩下组织为P+F。F为白色块状，P为层片状。放大倍数不高时呈黑色块状，质量分数大于0.6%的亚共析钢，室温平衡组织中F呈白色网状包围在P周围。其结晶过程动画（M3-1）可描述组织转变过程，最终冷却到室温得到的显微组织（I3-12）。 C%=0.4%的亚共析钢的组织组成物为F和P,它们的质量分数为： P%=(0.4–0.0218)/(0.77–0.0218)≈51% F%≈1–51%=49% 此钢的组成相为F和Fe3C，它们的质量分数为： Fe3C%≈0.4/6.69=6% F%≈1–6%=94% 亚共析钢的中碳的质量分数可由其室温平衡组织来估算。 ?C%=P%×0.77% ?????????????????????????????图4??亚共析钢冷却结晶过程 (4)过共析钢(0.77%＜C%＜2.11%) 以碳质量分数为1.2%的铁碳合金为例，冷却曲线点起自L中结晶出A，至2点全部结晶完。，2至3点冷却，从3点开始，由A析出Fe3CⅡ，Fe3CⅡ呈网状分布在A晶界上。至4点时A中碳的质量分数降为0.77%，发生共析反应生成P，之后冷却至室温。室温平衡组织为P+Fe3CⅡ。，Fe3CⅡ呈网状分布在层片状P的周围。最终冷却到室温得到的显微组织（I3-13）。 C%=1.2%的过共析钢的组织组成物为P和Fe3CⅡ，组织组成相为F和Fe3C。它们的相对质量分数为： Fe3CII%=(1.2–0.77)/(6.69–0.77)≈7% P%≈1–7%=93% 此钢的组成相为F和Fe3C，它们的质量分数为： Fe3C%≈1.2/6.69=18% F%≈1–18%=82% ?????????????????????图5??过共析钢冷却结晶过程 (5)共晶白口铁(C%=4.3%??) 如图6所示，合金在1点发生共晶反应，由L转变为高温莱氏体Le[A+??Fe3C]。1—2点间Le中的A不断析出Fe3CⅡ。到2点时A碳质量分数降为0.77%，并发生共析反应转变为P。 高温莱氏体转变为低温莱氏体Le[P+Fe3CⅡ+Fe3C]，室温平衡组织为Le′，由黑色条状或粒状P和白色Fe3C基体组成。最终冷却到室温得到的显微组织（I3-14）。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????????????????????????图6??共晶白口铸铁冷却结晶过程 (6)亚共晶白口铁(2.11＜C%＜4.3%) 以碳质量分数为0.3%的铁碳合金为例，如图7所示。合金自1点起，从L中结晶出初生A，至2点时L成分变为C%=4.3%，发生共晶反应转变为Le，而A不参与。至3点时A发 生共析反应转变为P，高温莱氏体转变为低温莱氏体。最终冷却到室温得到的显微组织（I3-15）。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ????????????????????????图7??亚共晶白口铸铁冷却结晶过程 (６)过共晶白口铸铁(4.3%＜C%=3%) 过共晶白口铸铁室温平衡组织为Le′和Fe3CⅠ。结晶过程如图8。 ????????????????????图8??过共晶白口铸铁冷却结晶过程 1-2点间从液相中析出Fe3C,这种渗碳体称一次渗碳体，用Fe3CⅠ表示，呈粗条片状。到2点，余下的液相成分变到C点并转变为Le。2点以下,Fe3CⅠ成分重量不再发生变化,Le变化同共晶合金,其室温组织为Fe3CⅠ+Le’。最终冷却到室温得到的显微组织（I3-16）。 根据以上对铁碳合金的结晶过程分析可将组织标注在铁碳相图中如图9所示。 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ??????????????????图9??铁碳合金结晶过程组织?????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 4．铁碳合金的成分-组织-性能关系 按照铁碳相图，铁碳合金在室温下组织借由F和Fe3C两相组成，两相的相对质量分数由杠杆定律确定。 相图的形状与合金的性能之间存在一定的对应关系。铁碳合金的性能与成分的关系如图10所示。 ? ? ? ? ? ? ? ?????????????图10??铁碳合金的成分-组织-性能的对应关系 由图10可知： ⑴硬度—主要决定于组织组成相或组成物的硬度和相对数量，而受它们的形态影响较小，随着碳质量分数的增加，硬度高的Fe3C增多，硬度低的F减少，故合金硬度呈直线关系增大。 ⑵强度—对于组织形态很敏感的性能。随碳质量分数的增加，亚共析钢中的P增多而F减少。P的强度较高，其大小与细密程度有关。组织越细密，强度值越高。故亚共析钢的强度随碳质量分数增加而增加，但当碳质量分数超过共析钢后，由于强度很低的Fe3CⅡ出现，合金强度增加变慢，碳质量分数约为0.9??%??时，Fe3CⅡ沿晶界形成完整的网，强度迅速降低。 ⑶塑性—Fe3C是铁碳合金中极脆的相，没有塑性。合金塑性变形全部由F提供，故随着碳质量分数增加，合金的塑性连续下降。白口铸铁时，塑性几乎为零。 碳钢的硬度、强度、塑性和碳质量分数的共析如图11。应用最广的结构材料亚共析钢，合金的硬度、强度和塑性可根据成分或组织做如下估算： 硬度≈80×ω（F）+180×ω（P）或硬度≈80×ω（F）+800×ω（Fe3C）HB 强度≈230×ω（F）+770×ω（P）MPa 延伸率≈50×ω（F）+20×ω（P） ?????图11??碳钢的硬度、强度、塑性和碳质量分数的共析 5．铁碳相图的应用?? ⑴钢铁材料的选用 ①建筑结构和各种型钢需塑性、韧性好的材料，因此选用碳质量分数较低的钢材。 ②各种机械零件需要强度、塑性、韧性都较好的材料，应选用中碳钢。 ③各种工具要用硬度高和耐磨性好的材料，则选用高碳钢。 ④纯铁的强度低，不宜做结构材料，但由于其导磁率高，矫顽力低，可作软磁材料 ⑤根据相图确定浇注温度，一般在液相线℃。白口铸铁硬度高、脆性大，不能切削加工，不能锻造，但耐磨性好，铸造性能优良，适于作要求耐磨、不受冲击、形状复杂的铸件。 ⑵在铸造工艺方面的应用 ①从相图上看，纯铁和共晶白口铸铁的铸造性能最好，它们凝固区间最小，因而流动性好，分散缩孔少，可获得致密的铸件。 ②铸钢生产中，碳质量分数在0.15%—0.6%之间碳钢结晶温度区间较小，铸造性能较好。 ⑶在热锻、热轧工艺方面应用 ①钢处于奥氏体状态时强度较低，塑性，因此锻造或轧制选在单项奥氏体区内进行。 ⑷热处理方面应用 退火、淬火、正火的加热温度都依据铁碳相图确定的。 金属的塑性变形 1.?单晶体的塑性变形 单晶体塑性变形的基本方式——滑移和孪生?? （1）滑移如图1所示，在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动。 滑移的特点： ①滑移只在切应力作用下发生，不同金属产生滑移的最小切应力大小不同。 ②滑移是晶体内部位错在切应力作用下运动的结果。并非是晶体两部分沿滑移面作整体的滑动。 ??????????????????????????????图1??????滑移示意图 ③滑移造成的晶体总变形量是原子间距的整数值，不引起晶格位向的变化。 ④滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面和其上密度最大的晶向进行。滑移系（滑移面和该面上的一个滑移方向），滑移系数目↑，材料塑性↑；滑移方向↑，材料塑性↑。如FCC和BCC的滑移系为12个，HCP为3个，FCC的滑移方向多于BCC，金属塑性如Cu（FCC）＞Fe（BCC）＞Zn（HCP）。 ⑤滑移时晶体伴随有转动，如图2所示。 ?? ? ? ? ? ? ???????????????????????????????????????????????? ? ???????????????????图2滑移中的转动 （2）孪生 在切应力作用下，晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变。如图3所示。 ??????????图3??????孪生 金属晶体中变形部分与未变形部分在孪生面两侧形成镜面对称关系。→发生孪生的（切变部分）称为孪生带或孪晶。孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在滑移较难进行时发生。 2．多晶体的塑性变形 多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存在许多晶界，变形复杂。 细晶强化—通过晶粒细化使强度提高、塑性提高、韧性提高，硬度提高的现象。 强化原理： ⑴晶界原子排列较不规则→缺陷多→滑移阻力大。晶粒越细小，则晶界越多，变形抗力越大，则强度越大。 ⑵晶粒越细小，单位体积晶粒多→变形分散→减少应力集中，晶粒越细小，晶界多→不利于裂纹的传播→断裂前承受较大的塑性变形，则塑性越好。?? ⑶由于晶粒越细小，强度越高，塑性越好，所以断裂时需要消耗较大的功。因而韧性也较好。 ???????????? 3．塑性变形对金属组织和性能的影响 （1）塑性变形对金属组织的影响 ①形成纤维组织—晶粒变形，沿变形方向被拉长为细条状，形成纤维组织。 ②形成亚结构 ③产生形变织构—当金属塑性变形到很大的程度时，晶粒转动，使各晶粒的位向趋于一致，形成特殊的择优取向，此有序化的结构称为形变织构。形变织构使金属呈现各向异性，在深冲零件时，易产生“制耳”现象，使零件边缘不齐，厚薄不匀。但织构可提高硅钢片的导磁率，如图4所示。?? ? ???????????????????图4??????形变形变织构与制耳示意图 纯铁在塑性变形前后的显微组织变化如图5所示。 ???????????????????图5????????纯铁塑性变形前后组织对比 （2）塑性变形对金属性能的影响?? ①产生加工硬化—金属发生塑性变形,随变形度的增大，其强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降的现象。如：冷轧薄钢板冷拔钢丝等。其原因主要有随变形量增加,?位错密度增加，由于位错之间的交互作用(堆积、缠结)，使变形抗力增加。随变形量增加，亚结构细化，另外随变形量增加,?空位密度增加。由于加工硬化,使已变形部分发生硬化而停止变形,而未变形部分开始变形。没有加工硬化,金属就不会发生均匀塑性变形。加工硬化是强化金属的重要手段之一，对于不能热处理强化的金属和合金尤为重要。 ②由于纤维组织和形变织构的产生，使金属性能产生各向异性。如沿纤维方向的强度和塑性明显高于垂直方向。 ③使金属晶体缺陷增多，并产生残余应力。易变形、开裂、耐蚀性下降。利用好可提高表面疲劳强度。 塑性变形后金属在加热时组织和性能的变化 金属经冷变形后,??组织处于不稳定状态,??有自发恢复到稳定状态的倾向。但在常温下，原子扩散能力小,不稳定状态可长时间维持。加热可使原子扩散能力增加，金属将依次发生回复、再结晶和晶粒长大。如图1所示。 ???????????????????图1???金属的回复、再结晶和晶粒长大示意图 1.??回复 变形后的金属在较低温度进行加热，发生回复过程。T回复=（0.25～0.3）T熔点。 （1）变化—因加热温度不高，原子扩散能力不大，只是晶粒内部位错、空位。间隙原子等缺陷通过移动复合消失大大减少，而晶粒仍保持变形后状态。回复使塑变后金属的强度和硬度略有下降，塑性增高，但残余应力大大降低。 （2）应用—工业上利用回复过程对变形金属进行去应力退火来降低残余应力，保留加工硬化效果。 2.?再结晶 变形后金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，变形和破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶粒，该过程称为再结晶??。 T再=（0.35～0.4）T熔点?????????? 应用变化再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大提高，残余应力完全消除，加工硬化现象被消除。 工业上利用再结晶过程对变形后金属进行再结晶退火来消除加工硬化现象，恢复金属的塑性和韧性。以利于后面的变形加工。 影响再结晶温度的因素为： （1）金属的预先变形程度：金属预先变形程度越大,再结晶温度越低。当变形度达到一定值后，再结晶温度趋于某一最低值，称最低再结晶温度。 （2）金属的纯度：金属中的微量杂质或合金元素，尤其高熔点元素起阻碍扩散和晶界迁移作用，使再结晶温度显著提高. （3）再结晶加热速度和加热时间：提高加热速度会使再结晶推迟到较高温度发生,??延长加热时间,??使原子扩散充分,??再结晶温度降低。生产中，把消除加工硬化的热处理称为再结晶退火。再结晶退火温度比再结晶温度高100-200℃。 3.晶粒长大 在结晶完成后晶粒是细小的，如果继续加热，加热温度过高或保温时间过长时，晶粒就会明显长大，如图2所示，得到粗大的组织，是金属强度、硬度、塑性、韧性显著降低。应避免。 图2????再结晶后的晶粒长大趋势 金属材料的热加工与冷加工 1.??金属的热加工及其对组织、性能的影响 在金属学中，冷热加工的界限是以再结晶温度来划分的。低于再结晶温度的加工称为冷加工，而高于再结晶温度的加工称为热加工。如??Fe??的再结晶温度为451℃，其在400℃??以下的加工仍为冷加工。而??Sn??的再结晶温度为-71℃，则其在室温下的加工为热加工。 热加工时产生的加工硬化很快被再结晶产生的软化所抵消，因而热加工不会带来加工硬化效果。热加工可使铸态金属与合金中的气孔焊合，使粗大的树枝晶或拄状晶破碎，从而使组织致密、成分均匀、晶粒细化，力学性能提高。?? 热加工使铸态金属中的非金属夹杂沿变形方向拉长，形成彼此平行的宏观条纹，称作流线，由这种流线体现的组织称纤维组织。 热加工使钢产生各向异性，在制定加工工艺时，应使流线分布合理，尽量与拉应力方向一致。??如图1中左边图示锻造的吊钩性能比右边图示铸造的吊钩性能好很多。 ???????????????????图1??????不同加工方式的吊钩 2.金属的冷加工及其对组织、性能的影响 在金属的再结晶温度以下的塑性变形加工称为冷加工。如钢冷轧、冷拔、冷冲。冷加工后产生加工硬化。 与冷加工前相比，金属材料的强度和硬度升高，塑性和韧性下降，即产生加工硬化。 加工硬化的意义： （1）一种很重要的强化手段，提高金属强度，对于不能用热处理强化的合金尤其重要。 （2）加工硬化有利于金属进行均匀变形，因为金属变形部分得到强化时，继续变形将要在未变形部分中发展，这对深冲件成型很有利。 热加工能量消耗小，但钢材表面易氧化。一般用于截面尺寸大、变形量大、在室温下加工困难的工件。而冷加工一般用于截面尺寸小、塑性好、尺寸精度及表面光洁度要求高的工件。 钢在加热时的转变 热处理—将固体金属或合金在一定介质中的加热、保温和冷却，以改变材料整体或表面组织，从而获得所需要的工艺性能。大多数热处理工艺都要将钢加热到临界温度以上，获得全部或部分奥氏体组织，即奥氏体化。 奥氏体的形成?? 奥氏体的形成是形核和长大的过程，也是Fe，C原子扩散和晶格改变的过程。 分为四步。共析钢中奥氏体的形成过程如图1所示： 第一步??奥氏体晶核形成：首先在a与Fe3C相界形核。?? 第二步??奥氏体晶核长大：g晶核通过碳原子的扩散向a和Fe3C方向长大。 第三步??残余Fe3C溶解:铁素体的成分、结构更接近于奥氏体，因而先消失。残余的Fe3C随保温时间延长继续溶解直至消失。 第四步??奥氏体成分均匀化：Fe3C溶解后，其所在部位碳含量仍很高，通过长时间保温使奥氏体成分趋于均匀。?? ????????????????????????图1????奥氏体的形成示意图 亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程与共析钢基本相同。但由于先共析a或二次Fe3C的存在，要获得全部奥氏体组织，必须相应加热到Ac3或Accm以上。 2.?影响奥氏体转变速度的因素 （1）加热温度和速度增加→转变快； （2）钢中的碳质量分数增加或Fe3C片间距减小→界面多，形核多→转变快； (3)合金元素→钴、镍增加奥氏体化速度，铬、钼等降低奥氏体化速度。 3.奥氏体晶粒度 （1）奥氏体晶粒度—奥氏体晶粒越细，退火后组织细，则钢的强度、塑性、韧性较好。淬火后得到的马氏体也细小，韧性得到改善。某一具体热处理或加工条件下的奥氏体的晶粒度叫实际晶粒度。奥氏体化刚结束时的晶粒度称起始晶粒度，此时晶粒细小均匀。通常将钢加热到930±10℃奥氏体化后，保温8小时，设法把奥氏体晶粒保留到室温测得的晶粒度为本质晶粒度。用来衡量钢加热时奥氏体晶粒的长大倾向。g晶粒度为1-4级的是本质粗晶粒钢,5-8级的是本质细晶粒钢。前者晶粒长大倾向大，后者晶粒长大倾向小。???? （2）影响奥氏体晶粒度的因素 第一，加热温度越高，保温时间越长→晶粒尺寸越大。 第二，碳质量分数越大晶粒长大倾向增多。加入合金有利于得到本质细晶粒钢。 钢在冷却时的转变 处于临界点A1以下的奥氏体称过冷奥氏体。过冷奥氏体是非稳定组织，迟早要发生转变。冷却的方式有两种，第一是等温冷却，使其在某个温度下恒温转变，第二是连续冷却。 1.过冷奥氏体的等温转变 过冷奥氏体:当温度在A1以上时，奥氏体是稳定的。在A1以下时，奥氏体处于过冷状态称为过冷奥氏体。过冷奥氏体转变是在临界点以下某个恒温下发生，就称为过冷奥氏体的等温转变。转变在连续冷却的过程中发生，称为过冷奥氏体的连续冷却转变。 ⑴共析钢过冷奥氏体的等温转变曲线（TTT或C曲线所示。 ????????????????????????图1共析钢的C曲线 随过冷度不同，过冷奥氏体将发生珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变三种类型转变。 ①高温转变，A1～550℃，过冷奥氏体→珠光体型组织，此温区称为珠光体转变区， 珠光体是铁素体和渗碳体的机械混合物，渗碳体呈层片状分布在铁素体基体上，按层间距珠光体组织分为珠光体P、索氏体S和屈氏体T，如图2所示。形成温度为A1-650℃，片层较厚，500倍光镜下可辨，用符号P表示；形成温度为650-600℃，片层较薄，800-1000倍光镜下可辨，用符号S表示。形成温度为600-550℃，片层极薄，电镜下可辨，用符号T表示。 珠光体、索氏体、屈氏体三种组织无本质区别，只是形态上的粗细之分，因此其界限也是相对的。片间距越小，钢的强度、硬度越高，而塑性和韧性略有改善。?? ? ???????????????? ? ? ? ? ???????????????屈氏体???????????????????索氏体????????????????珠光体?????????????????????????????? ????????????????????????图2??????不同温度下的珠光体转变组织 珠光体转变也是形核和长大的过程。渗碳体晶核首先在奥氏体晶界上形成，在长大过程中，其两侧奥氏体的含碳量下降，促进了铁素体形核，两者相间形核并长大，形成一个珠光体团。珠光体转变是扩散型转变。珠光体显微组织转变过程见（I3-17）。 ②中温转变，550℃～MS过冷奥氏体→贝氏体（B），此温度区称为贝氏体转变区。 过冷奥氏体在350℃～550℃之间转变产物称为上贝氏体。过冷奥氏体在350℃～MS之间转变产物称为下贝氏体。上贝氏体呈羽毛状，小片渗碳体分布在成排铁素体片之间。上贝氏体显微组织见 （I3-18），其形成温度较高，铁素体片较宽，塑性变形抗力较低，且渗碳体分布在铁素体片之间，易引起脆断，强度和韧性都较差。上贝氏体的转变过程见图3所示。 ????????????????????????图3??????上贝氏体转变过程 下贝氏体呈黑色针状，下贝氏体显微组织见（I3-19），铁素体针内沿一定方向分布细 小的碳化物颗粒。其形成温度较低，铁素体针细小，无方向性，碳过饱和度大，位错密度高。碳化钨分布均匀，弥散度大，所以硬度高，韧性好，有实际应用价值。下贝氏体的转变过程见图4所示。贝氏体的转变是只有C原子扩散的半扩散型转变。 ????????????????????????图4????下贝氏体转变过程 ③低温转变，MS～Mf??过冷A→马氏体(M)。 当奥氏体过冷到Ms以下将转变为马氏体类型组织，是Fe原子和C原子都不扩散的非扩散型转变，马氏体转变是强化钢的重要途径之一。马氏体是碳在a-Fe中的过饱和固溶体称马氏体，用M表示。马氏体转变时，奥氏体中的碳全部保留到马氏体中。 马氏体具有体心正方晶格（a=b≠c），轴比c/a称马氏体的正方度。C%越高，正方度越大，正方畸变越严重。当＜0.25%C时，c/a=1，此时马氏体为体心立方晶格。 马氏体的形态分板条和针状两类。第一种是板条马氏体，其立体形态为细长的扁棒状，在光学显微镜下板条马氏体为一束束的细条组织。每束内条与条之间尺寸大致相同并呈平行排列，一个奥氏体晶粒内可形成几个取向不同的马氏体束。在电镜下，板条内的亚结构主要是高密度的位错，r=1012/cm2,又称位错马氏体。显微组织见（I3-20）。第二种是针状马氏体，其立体形态为双凸透镜形的片状。显微组织为针状。在电镜下，亚结构主要是孪晶，又称孪晶马氏体。显微组织见（I3-21）。马氏体的形态主要取决于其含碳量，当C%小于0.2%时，组织几乎全部是板条马氏体，C%大于1.0%C时几乎全部是针状马氏体，C%在0.2-1.0%之间为板条与针状的混合组织。其形态与含碳量的关系如图5所示。 ???????????????图5??????马氏体形态与含碳量的关系 马氏体的塑性和韧性主要取决于其亚结构的形式。针状马氏体脆性大，板条马氏体具有较好的塑性和韧性。 ⑵??过冷奥氏体的连续转变 实际生产中多采用连续冷却，研究连续冷却更有实际意义。 ①共析钢过冷奥氏体连续冷却转变。 共析钢过冷A的连续冷却转变曲线所示。共析钢的CCT曲线没有贝氏体转变区，在珠光体转变区之下多了一条转变中止线。当连续冷却曲线碰到转变中止线时，珠光体转变中止，余下的奥氏体一直保持到Ms以下转变为马氏体。 ???????????????图6????共析钢过冷奥氏体冷却曲线中的Vk为CCT曲线的临界冷却速度，即获得全部马氏体组织时的最小冷却速度，Vk’为TTT曲线的临界冷却速度。Vk‘1.5Vk。?? CCT曲线位于TTT曲线右下方。CCT曲线获得困难，TTT曲线容易测得。可用TTT曲线定性说明连续冷却时的组织转变情况。方法是将连续冷却曲线绘在C曲线上，依其与C曲线交点的位置来说明最终转变产物。 转变过程及产物： 在缓慢冷却时，过冷A将转变为珠光体，其转变温度高，珠光体呈粗片状。以稍快速度冷却时，过冷A转变为索氏体，为细片状组织。采用油冷时过冷A有部分转变为屈氏体，剩余A在冷却到MS线下以后转变为马氏体，冷却到室温时，还有少量的A留下来，称为残余奥氏体。当以很快的速度水冷时，奥氏体过冷到MS点以下，发生马氏体转变，冷却到室温也会保留部分残余A，组织为残余奥氏体+马氏体。 过冷A为马氏体低温转变过程，转变温度在MS——Mf之间，该温区称为马氏体转变区。 ②亚共析钢过冷奥氏体连续冷却转变 炉冷→??F??+??P 空冷→??F??+??S 油冷→??T??+??M 水冷→??M ③过共析钢过冷奥氏体连续冷却转变 炉冷→??P??+??Fe3CⅡ 空冷→??S??+??Fe3CⅡ 油冷→??T??+??M??+??A 水冷→??M??+??A 过共析钢CCT曲线也无贝氏体转变区,但比共析钢CCT曲线C转变开始线C的析出,奥氏体中含碳量下降,因而Ms线右端升高。 亚共析钢CCT曲线有贝氏体转变区，还多A→F开始线,F析出使A含碳量升高,因而Ms线所示。 ????????图7a????过共析钢CCT曲线b????亚共析钢CCT曲线 综上所述，刚在冷却时，过冷奥氏体的转变产物根据转变温度的高低可分为高温产物珠光体、索氏体、屈氏体，中温产物上贝氏体、下贝氏体，低温转变产物马氏体。随着转变温度的降低，其转变产物的硬度增加，韧性变化较为复杂。 钢的普通热处理 1.退火 将组织偏离平衡状态的钢加热到适当温度，保温到一定时间，然后缓慢冷却（随炉冷却），获得接衡状态组织的热处理工艺。退火的目的是调整硬度，便于切削加工。适合加工的硬度为170-250HBS；消除内应力，防止加工中变形；细化晶粒，为最终热处理作组织准备。常用的退火设备为退火炉（I3-22）。 根据目的和要求分类，钢的退火分为完全退火、等温退火、球化退火、扩散退火和去应力退火。各种退火方式的加热温度如图1所示。 ????????????????????????图1????退火方式 ⑴完全退火—重结晶退火，钢加热到Ac3以上20℃-30℃，保温一段时间后随炉冷却，获得接衡组织的热处理工艺。目的—通过完全重结晶，使热加工造成的粗大、不均匀的组织均匀化和细化，以提高性能。或使中碳以上的碳钢和合金钢得到接衡状态的组织，以降低硬度，改善切削加工性能。 应用—亚共析钢，过共析钢不宜采用。 ⑵等温退火—是将钢件或毛坯加热高于Ac3以上30到50度的温度保温适当时间后较快的冷却到珠光体区的某一温度，并等温保持，使奥氏体转变为珠光体组织，缓慢冷却。目的—与完全退火相同，但转变较易控制，对于奥氏体较稳定的合金钢，缩短退火时间。 ⑶球化退火—随炉加热到Ac1+30-50℃，在较长的保温一段时间，保证二次渗碳体自发球化，之后随炉冷却。 应用—过共析钢，如工具钢、滚珠轴承钢等。 目的—使二次渗碳体及珠光体中的渗碳体球状化，以降低硬度，改善切削加工性能，为淬火作准备。球化退火的组织为铁素体基体上分布着颗粒状渗碳体的组织，称球状珠光体（I3-23），用P球表示。对于有网状二次渗碳体的过共析钢，球化退火前应先进行正火，以消除网状。 ⑷扩散退火—为减少钢锭、铸件或锻坯的化学成分和组织不均匀性，将其加热到略低于固相线的温度，长时间的保温并进行缓慢冷却工艺。扩散退火后钢的晶粒很粗大，因此一般再进行完全退火或正火。 ⑸去应力退火—为消除铸造、锻造、焊接和机加工、冷变形等冷热加工在工件中造成的残留内应力而进行低温退火。将钢件加热至低于Ac1的某一温度，保温，随炉冷却。 2.正火 钢材或钢件加热到Ac3（亚共析钢）和Accm（过共析钢）以上30℃—50℃，保温适当时间后，在自由流动的空气中均匀冷却的热处理工艺为正火。 正火后的组织:亚共析钢为F+S,共析钢为S，过共析钢为S+Fe3CⅡ正火与完全退火的主要差别在于冷却速度快些，目的是让钢组织正常化，亦称常化处理。 应用： 最终热处理???正火可以细化晶粒，使组织均匀化，减少亚共析钢中铁素体含量，使珠光体含量增多并细化，从而提高钢的强度、硬度和韧性。对于普通结构钢零件，机械性能要求不高时，作为最终热处理。 预先热处理???对于截面较大的合金结构钢件，在淬火或调质处理前常进行正火处理。改善切削加工性能??低碳钢或低碳合金钢退火后硬度太低，不便于切削，正火提高硬度。 要改善切削加工性能，低碳钢用正火，中碳钢用退火或正火,高碳钢用球化退火方式。 3.淬火 将钢加热到相变温度以上，保温一段时间，然后快速冷却获得马氏体组织的热处理工艺。淬火是钢的最重要的强化方法，常用的淬火设备为淬火炉（I3-24）。 ⑴淬火工艺 ①淬火温度的选定 一般情况，亚共析钢的淬火温度为Ac3以上30℃—50℃；亚共析钢淬火后的组织（I3-25） 为马氏体或马氏体加残余奥氏体；共析钢和过共析钢的淬火温度为Ac1以上30℃—50℃。共析钢淬火后的组织（I3-26）为马氏体加残余奥氏体，过共析钢淬火后的组织（I3-27）为马氏体加残余奥氏体加少量渗碳体颗粒。 ②加热时间的确定，加热时间包括升温和保温时间。 ③淬火冷却介质 常用的冷却介质是水和油，水的温度控制在30℃以下，在生产上主要用于形状简单、截面较大的碳钢零件的淬火。淬火油一般用于合金钢的淬火介质。为了减少零件淬火的变形，可用盐浴作为淬火介质。 ④淬火方法 常用淬火方法有单介质淬火、双介质淬火、分级淬火和等温淬火。 ⑵钢的淬透性 ①钢的淬透性 钢接受淬火时形成马氏体的能力叫做钢的淬透性。在实际生产中，往往要测定淬火工件的淬透层深度—试样表面至半马氏体区的距离。同样淬火条件下，淬透层深度越大，则反应钢的淬透性越好。钢淬火后硬度会大幅度提高，能够达到的最高硬度较钢的淬硬性，主要取决于马氏体的含碳量。 同一材料的淬硬层深度与工件尺寸、冷却介质有关。工件尺寸小、介质冷却能力强，淬硬层深。淬透性与工件尺寸、冷却介质无关，它只用于不同材料之间的比较，是通过尺寸、冷却介质相同时的淬硬层深度来确定的。 ②影响淬透性的因素 钢的淬透性由其临界冷却速度决定，临界冷却速度越小，奥氏体越稳定，钢的淬透性越好。 a碳质量分数—共析钢淬透性最好。 b合金元素—合金钢的淬透性比碳钢好。 c奥氏体化温度，提高奥氏体温度增加淬透性。 d钢中未熔第二相，第二相越多，淬透性降低。 ③淬透性曲线应用 利用淬透性曲线，可比较不同钢种的淬透性，淬透性是选择钢材的重要依据。 对于截面承载均匀的重要件，要全部淬透，如螺栓、连杆、模具等。对于承受弯曲、扭转的零件可不必淬透(淬硬层深度一般为半径的1/2~1/3)，如轴类、齿轮等。?? 4.回火 回火—钢件淬火后，为了消除内应力防止变形或开裂（I3-28），并获得所要求的组织和性能，将其加热到Ac1以下某一温度，保温一定时间，然后冷却到室温的热处理工艺。常用的回火设备为回火炉（I3-29）。 回火时组织会发生转变，组织转变分为四个阶段。 （1）马氏体的分解 100℃回火时，钢的组织无变化。100-200℃加热时，马氏体将发生分解,从马氏体中析出e-碳化物(e-FeXC)，使马氏体过饱和度降低。析出的碳化物以细片状分布在马氏体基体上，这种组织称回火马氏体（I3-30），用M回表示。在光镜下M回为黑色，A’为白色。0.2%C时，不析出碳化物。只发生碳在位错附近的偏聚。 (2)?残余奥氏体分解 200-300℃时,由于马氏体分解，奥氏体所受的压力下降,Ms上升，A’分解为e-碳化物和过饱和铁素体，即M回。?? (3)e-碳化物转变为Fe3C 发生于250-400℃，此时，e-碳化物溶解于F中，并从铁素体中析出Fe3C。到350℃，马氏体含碳量降到铁素体平衡成分,?内应力大量消除，M回转变为在保持马氏体形态的铁素体基体上分布着细粒状Fe3C组织，称回火托氏体（I3-31），用T回表示。 (4)??Fe3C聚集长大和铁素体多边形化 400℃以上，Fe3C开始聚集长大。450℃以上铁素体发生多边形化，由针片状变为多边形。这种在多边形铁素体基体上分布着颗粒状Fe3C的组织称回火索氏体（I3-32），用S回表示。?? 根据钢的回火温度范围，可将回火分为三类。?? ⑴低温回火 回火温度：150℃—250℃。 回火目的：降低淬火应力，提高工件韧性，保证淬火后的高硬度和高耐磨性。 回火应用：各种高碳钢工具、模具、滚动轴承以及渗碳和表面淬火零件。 ⑵中温回火 回火温度：350℃—500℃，得到回火托氏体。 回火目的：高强度、硬度，高的弹性极限及屈服强度；具有一定的塑性、韧性。 回火应用：Wc??=??0.5—0.7%碳钢、合金钢制造的各种弹簧。?? ⑶高温回火 回火温度：500℃—650℃，得到回火索氏体。 回火索氏体综合机械性能最好，即强度、塑性和韧性都比较好。 通常把淬火加高温回火称为调质处理，广泛用于各种重要的机械结构件，特别是受交变载荷的零件。 钢的表面热处理 钢的表面热处理—仅对钢的表面加热，冷却而不改变其成分的热处理工艺，也叫表面淬火。 具体方法：将工件表面快速加热到奥氏体区，在热量尚未达到心部时立即迅速冷却，使表面得到一定深度的淬硬层，而心部仍保持原始组织的一种局部淬火方法。 目的：提高表面硬度，保持心部良好的塑韧性。使表面具有高的硬度、耐磨性和疲劳极限；而心部在保持一定的强度、硬度的条件下，具有足够的塑性和韧性。即表硬里韧。适用于承受弯曲、扭转、摩擦和冲击的零件。?? 表面热处理常加工的材料有：⑴??0.4-0.5%C的中碳钢；由于其含碳量过低，则表面硬度、耐磨性下降。含碳量过高，心部韧性下降；⑵?铸铁，主要提高其表面耐磨性。 表面热处理的加热方法主要有两种。 1.感应加热表面热处理 基本原理：交变磁场→感应表面电流→表面加热，如图1所示。 ????????????图1????感应加热淬火 适用钢种：中碳合金钢和中碳低合金钢，如45、40Cr、40MnB。 处理特点：淬火质量好，表层组织细、硬度高、脆性小、生产效率高、便于自动化，缺点是设备昂贵，劳动条件差。?? 2.火焰加热表面热处理 基本原理：用乙炔、氧或煤气、氧火焰加热工件表面的工艺，如图2所示。 ????????????????????????图2??????火焰加热淬火 处理特点：优点：方法简便；无需特殊设备；适用于单件、小批量生产零件。 钢的化学热处理 工艺:??将工件置于某种化学介质中，通过加热、保温和冷却使介质中的某些元素渗入工件表层以改变工件表层的化学成分和组织，从而达到“表硬心韧”的性能特点。?? 1.渗碳 渗碳目的：表面硬度，耐磨性↑，心部保持一定的强度和塑韧性。 渗碳方法：低C钢在高C介质中加热到900℃～950℃、保温→高碳表层（约1.0%）?? 渗碳工艺： 渗碳温度—奥氏体的溶碳能力大，因此加热到Ac1以上。温度越高，渗碳速度越快，渗碳层越厚。避免晶粒粗大，一般加热到900℃～950℃。 渗碳时间：渗碳时间由渗碳层厚度决定。 渗碳设备常用渗碳炉，如图1所示。渗碳材料常用含0.1-0.25%C的低碳钢。碳高则心部韧性降低。?? ????????????图1??????渗碳炉 渗碳后的热处理： 淬火： 直接淬火——晶粒粗大，残余A多，耐磨性低，变形大。 一次淬火——加热温度Ac3以上（心部性能↑）或Ac1以上（表面性能↑） 二次淬火——Ac3以上（心部性能↑）+?Ac1以上（表面性能↑） 低温回火,150～200℃，消除淬火应力，提高韧性。 2.氮化 工件表面渗入N原子，目的以提高硬度、耐磨性，疲劳强度和耐蚀性。 氮化温度低(500～600℃)，时间长（20～50h），渗层薄。氮化前调质处理、氮化后无须淬火。 工厂常用气体氮化法和离子渗氮的方法进行渗氮，气体氮化法和渗碳方式一样，不同的是介质为氨。离子渗氮的方法如图2所示。 ????????????图2??????离子渗氮法 合金元素与铁、碳的相互作用 碳钢：价格低，但是其力学性能低，淬透性低，回火抗力差，耐热、耐低温、耐蚀等特殊性能差。 合金钢：在碳钢中加入某些合金元素,使其高的强度和淬透性。强度高的原因是形成了固溶强化，加入合金元素增加了淬透性的原因是降低了临界冷却速度。 加入的合金元素与铁、碳的作用主要表现在两个方面。 （1）溶于铁中——形成合金铁素体，产生固溶强化。 （2）形成碳化物——其稳定性，熔点、硬度比固溶体高得多，显著提高钢的强、硬度。如(Fe,Mn)3C是一种合金渗碳体；一些特殊碳化物，如Cr7C3、MoC、WC、VC、TiC，熔点、硬度很高。 合金元素对Fe-Fe3C相图的影响 如图1所示，合金元素对铁碳相图的影响主要有两个方面。 （1）对奥氏体和铁素体存在范围的影响：扩大或缩小A、F区——如，室温下，1Cr18Ni9为单相A，1Cr17Ti为单相F。 （2）对Fe-Fe3C相图临界点的影响：使共析转变点S左移→钢中P%↑，强度增加。使共晶转变点E左移→钢中出现Le。 ???????? ???????????????图1??合金元素对铁碳相图的影响 合金元素对热处理的影响 1.合金元素对加热时组织转变的影响 减缓奥氏体化过程（Ni、Co除外）——合金碳化物难熔，阻碍C的扩散，需提高加热温度，延长保温时间。 细化晶粒——合金元素及其碳化物（Mn除外）阻止A晶粒长大。 2.合金元素对过冷奥氏体分解转化的影响 除Co外，几乎所有的合金元素都能提高奥氏体的稳定性，推迟珠光体类型组织的转变,使C曲线右移，提高钢的淬透性，如图1所示。 ?????????????????????????????? ??????????????????????????????图1 两种或多种合金元素的同时加入，对淬透性的影响比单个元素要强的多，如铬锰钢。 3.合金元素对回火转变的影响 ⑴?提高回火稳定性（钢对回火软化的抗力） 合金元素固溶于马氏体中，减慢了碳的扩散，从而减慢了马氏体及残余奥氏体的分解过程和阻碍碳化物析出，聚集长大，因而在回火过程中合金钢的软化速度比碳钢慢，即合金钢具有较高的回火抗力，在较高的回火温度下仍保持较高的硬度，即在回火温度相同时，合金钢的硬度及强度比相同含碳量的碳钢高，而回火至相同硬度时，合金钢的回火温度高，内应力的消除比较彻底，因此，其塑性和韧性比碳钢好。?? ⑵产生二次硬化 若钢中Cr、W、Mo、V等元素超过一定量时，除了提高回火拉力外，在400℃以上还会形成弥散分布的特殊碳化物，使硬度重新升高，直到500～600℃硬度达最高值，出现所谓的二次硬化现象。600℃以后硬度下降是由于这些弥散分布的碳化物聚集长大的结果。二次硬化现象对高合金工具钢十分重要，通过500～600℃回??火可使其硬度比淬火态 硬度高??5HRC以上。 (3)增大回火脆性 第一类回火脆性：结构钢回火时在250-400℃出现的冲击韧性下降的现象。防止方法就是避开这一温度范围回火。 第二类回火脆性：500-650℃回火后缓慢冷却出现的冲击韧性下降现象。可以在钢中加入0.2-0.3%Mo或0.4-0.8%W来减缓偏聚过程发生，从而消除或减轻回火脆性。?? 合金元素对钢机械性能的影响 合金钢中加入合金元素的作用就是为了提高强度，欲提高钢的强度，则要增大位错运动的阻力，强化机制有四种： 溶质原子—固溶强化； 位错—位错强化； Ы纭妇炕? 第二相粒子—沉淀或弥散强化。 1.对退火状态下钢的机械性能的影响 结构钢在退火状态下的基本相是铁素体和碳化物，合金元素溶于铁素体，形成合金铁素体，依靠固溶强化提高强度，降低塑性和韧性。 在退火状态下，合金元素作用未发挥完全，故退火状态下的合金钢无很大优越性。 2.对正火状态下的钢的机械性能的影响 与退火状态比较，影响明显增加。增大了过冷奥氏体的稳定性，能得到层片距更小的珠光体，贝氏体甚至马氏体，进一步利用细晶强化和第二相强化，大大增加了强度。?? 3.对淬火、回火状态钢的机械性能的影响 因其利用了全部四种强化机制，故其影响显著。合金元素的加入，主要提高钢的淬透性，使其容易得到马氏体，其次是是提高钢的回火稳定性，是淬火后的钢在回火时，析出的碳化物更细小、均匀和稳定。增加了强度。 合金元素对钢的工艺性能的影响 合金元素对钢的工艺性能的影响主要包括五个方面： ⑴?合金元素对钢的铸造性能的影响 铸造性能是指钢铸造时的流动性、收缩特点、偏析倾向等方面的综合性能，与固相线与液相线的温度高低和结晶区的的大小有关。合金元素加入在钢中，形成高熔点的碳化物和氧化物，增加粘度，降低流动性。 ⑵?合金元素对钢塑性加工性能的影响 热加工工艺性能—由热加工时塑性变形抗力、加工温度范围、抗氧化能力等来评价。合金元素溶入固溶体，或形成碳化物，使钢的热变形抗力提高，塑性明显下降而易锻裂。为防止开裂，锻造时加入和冷却都必须缓慢，总的来说，合金钢的热加工工艺性能比碳钢要差的多。 冷加工工艺性能主要包括钢的冷变形能力和工件的表面质量。合金元素溶于固溶体中时，增加钢的冷加工硬化率，使钢变硬变脆易开裂或难继续变形。碳质量分数提高，钢的延展性变坏，所以冷冲压钢都是低碳钢。 ⑶?合金元素对钢的焊接性能影响 合金元素提高钢的淬透性，促进脆性组织的形成，使焊接性能变坏。 ⑷?合金元素对钢的切削性能的影响 切削性能指钢的被切削加工难易程度和加工质量表面的好坏，切削性能与钢的硬度密度有关，在170HBS—200HBS间的硬度最易切削，硬度过低易粘刀，表面质量差，硬度过高难切削。合金钢切削性能比碳钢差，但加入S、P、Pb等元素能大大改善切削性能。 ⑸?合金钢对热处理性能的影响 热处理工艺性指钢的热处理难易程度和热处理产生缺陷的倾向。主要有淬透性、过热敏感性、回火脆化倾向等。除钴外合金元素加入可提高淬透性。 碳钢的成分和分类 1.碳钢的成分?? 碳钢指的是w(C)≤2.11%的铁碳合金，其组成元素除了铁和碳主要元素外，还有杂质 元素Mn、Si（起固溶强化和脱氧的作用），S?→?热脆，P?→?冷脆?，O、N、H?→?使得强度、塑性、韧性↓。 2．碳钢的分类 ⑴按C含量分低C钢w(C)?≤?0.25% 中C钢?0.25%?＜w(C)?≤?0.6% ??????????????高C钢w(C)?＞?0.6% ⑵按钢质量分（S、P含量） ?????普通碳素钢：Ws0.055%?，Wp0.045%? ?????优质碳素钢：Wp、Ws0.040%? 高级优质碳素钢：Ws0.030%，?Wp0.035%? ⑶按用途分?——?碳素结构钢、碳素工具钢。碳素结构钢用来制造各种工程构件和机器零件，碳素工具钢用来制造各种刀具、量具、模具。 ????⑷?按冶炼方法分为平炉钢、转炉钢。 碳钢的牌号及用途 碳素结构钢 表示方法为Q+最低屈服强度值+质量等级符号，Q表示“屈服强度”；数字表示屈服强度值单位是MPa；质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量
