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材料基础知识
第一部分金属材料理论知识
壹----铁的晶格结构及同素异构转变
I、Fe的晶格结构：
面心立方，A1或fee—丫-Fe
体心立方A2或beea-Fe、S-Fe
（a）刚球模型；（b）晶胞模型；（c）晶胞中的原子数
（a）刚球模型；（b）晶胞模型；（c）晶胞中的原子数
U、Fe的同素异构转变
1.032
铁在912C以下为体心立方结构，称为a-Fe;在I■!
'：
、
912~1,394C之间为面心立方结构，称为
丫-Fe;温度超过
1,394C时，又变为体心立方结构，称为
S-Fe;在150KPa高
压下铁还可以具有密排六方结构，称为£-Fe。
1.016
1.012
1.008
1.004
1.000
-2730400800L20016002000
温度/弋
1.024
1.020
贰----铁碳合金中碳的存在状态
碳在钢中存在的形式有两种。
一种是以单个原子间隙在铁原子的晶格中；另一种是以铁原子形成化合物,
如Fe3C。
但在铸铁中，碳除了以结合碳的形式存在外更主要的是碳以石墨的形式存在，它以片状、团絮状或球状的形态分布在钢的基体组织上，称为石墨炭或游离碳。
I、碳在钢中的存在形式
铁存在着同素异晶转变，即在固态下有不同的结构。
不同结构的铁与碳可以形成不同的固溶体，Fe—Fe3C
相图上的固溶体都是间隙固溶体。
由于a-Fe和YFe晶格中的孔隙特点不同，因而两者的溶碳能力也不同。
1、铁素体（ferrite）
铁素体是碳在a-Fe中的间隙固溶体，用符号"F"（或a表示，体心立方晶格；虽然BCC的间隙总体积较大，但单个间隙体积较小，所以它的溶碳量很小，最多只有0.0218%（727C时）,室温时几乎为0,
因此铁素体的性能与纯铁相似，硬度低而塑性高，并有铁磁性。
2、奥氏体（Austenite）
奥氏体是碳在YFe中的间隙固溶体，用符号"A"（或丫表示，面心立方晶格；虽然FCC的间隙总体
积较小，但单个间隙体积较大，所以它的溶碳量较大，最多有2.11%（1148C时），727C时为0.77%。
在一般情况下，奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围为727~1394C,故奥氏体的硬度低，
塑性较高，通常在对钢铁材料进行热变形加工，如锻造、热轧等时，都应将其加热成奥氏体状态，所谓"
趁热打铁”正是这个意思。
3,渗碳体（Cementite）
渗碳体是铁和碳形成的具有复杂结构的金属化合物，用化学分子式"Fe3C"表示.它的碳质量分数
Wc=6.69%,熔点为1227C,质硬而脆，耐腐蚀。
渗碳体是钢中的强化相，根据生成条件不同渗碳体有条状，
网状，片状,粒状等形态，它们的大小，数量，分布对铁碳合金性能有很大影响。
总结：
在铁碳合金中一共有三个相，即铁素体，奥氏体和渗碳体•但奥氏体一般仅存在于高温下，所以室温下
所有的铁碳合金中只有两个相，就是铁素体和渗碳体.由于铁素体中的含碳量非常少，所以可以认为铁碳
合金中的碳绝大部分存在于渗碳体中，这一点是十分重要的。
U、碳在铸铁中的存在形式
灰口铸铁graycastiron
灰口铸铁的化学成分C2.7~4.0%、Si0.5~3.0%
在灰口铸铁的组织中，碳全部或大部分以片状石墨的形态存在，断口呈灰色，其显微组织的特征是在钢的基体上分布着片状石墨。
基体组织由于成分和冷却条件不同可能出现三种情况：
铁素体灰口铸铁，铁素体—珠光体灰口铸铁和珠光体灰口铸铁。
铁素体灰口铸铁的显微组织中石墨条呈灰黑色条片状分布在亮白色的铁素体基体上。
铁素体一珠光体灰口铸铁的显微组织中除黑灰色条片状石墨外，暗黑色基底为珠光体，亮色部分为铁素体。
珠光体灰口铸铁显微组织，黑色的条片状石墨分布在珠光体基体上。
由于灰口铸铁具有优良的铸造性、切削性、耐磨性、消振性和润滑性，在机械制造工业中获得广泛应用，主要用于制作中等负荷下的结构件、复杂的薄壁件和润滑条件下的耐磨件等。
但石墨的机械性能很低，可认为片状石墨在铸铁中好似孔洞或裂缝一样，极易造成应力集中，使铸铁的性能降低。
如果在液态时向铸铁中加入硅或硅钙合金，使铸铁中的片状石墨变细，而且均匀分布在基体组织中（称为孕育处理），从
而改善了灰口铸铁的性能，这种铸铁称为孕育铸铁，也叫变质铸铁。
可锻铸铁malleablecastiron
可锻铸铁的化学成分C2.2~2.8%、Si1.2~1.8%、Mn0.4~1.2%
可锻铸铁（又称韧性铸铁）是由一定成分的白口铸铁，经石墨化退火处理得到的，其中碳全部或大部以团絮状石墨形态存在于基体组织中，
球墨铸铁nodulargraphitecastiron
球墨铸铁的化学成分C3.0~4.0%、Si1.8~2.8%、Mn0.1~1.0%
铁水经球化处理以后，铸铁中的石墨全部或大部呈球状分布于基体组织中，称为球墨铸铁，球状石墨与片状石墨相比是石墨碳造成的应力集中大为减轻，同时减轻了对基体的割裂作用，充分发挥了基体性能的潜力，
其机械性能比灰口铸铁高的多。
尤其是球墨铸铁经热处理以后，其性能的提高更为显著。
石墨和碳化铁也可以互相转化，决定性条件有两个：
一是铁水的化学成分，如果铁水含硅量高，能促进碳
化铁分解，变成石墨所以铸造铁的含硅量总是高的；另一个因素是铁水凝固的快慢在成分适合时，如果冷得太快，铁水中的碳化铁来不及分解，便成为白口铁。
如果冷得慢，碳化铁分解成石墨和铁，这样就变成灰口铁。
叁----含碳量对铁碳合金组织和性能的影响
1•含碳量对铁碳合金平衡组织的影响
按杠杆定律计算，可总结出含碳量与铁碳合金室温时的组织组成物和相组成物间的定量关系
2.含碳量对机械性能的影响
渗碳体含量越多，分布越均匀，材料的硬度和强度越高，塑性和韧性越低；但当渗碳体分布在晶界或作为基体存在时，则材料的塑性和韧性大为下降，且强度也随之降低。
3•含碳量对工艺性能的影响
对切削加工性来说，一般认为中碳钢的塑性比较适中，硬度在HB200左右，切削加工性能最好。
含碳量
过高或过低，都会降低其切削加工性能。
对可锻性而言，低碳钢比高碳钢好。
由于钢加热呈单相奥氏体状态时，塑性好、强度低，便于塑性变形，所以一般锻造都是在奥氏体状态下进行。
锻造时必须根据铁碳相图确定合适的温度，始轧和始锻温度不能过高，以免产生过烧；始轧和温度也不能过低，以免产生裂纹。
对铸造性来说，铸铁的流动性比钢好，易于铸造，特别是靠近共晶成分的铸铁，其结晶温度低，流动性也好，更具有良好的铸造性能。
从相图的角度来讲，凝固温度区间越大，越容易形成分散缩孔和偏析，铸造性能越差。
一般而言，含碳量越低，钢的焊接性能越好，所以低碳钢比高碳钢更容易焊接。
第二部分金属材料简介
铁是一种化学元素，是地球上最常见到的一种物质。
人们由铁矿中提取铁，将矿石、焦炭和石灰石（助
熔剂）在高炉中冶炼，使氧化铁还原成生铁（或铸铁）。
所得生铁一般含铁90%〜95%，碳3%〜4.5%和少
量的硅、锰、硫、磷等。
壹----钢、铁分类的基础知识
I、铁的分类基础知识
生铁：
把铁矿石放到高炉中冶炼而成的，含碳量2%〜4.3%（也有资料称3.5%—5.5%、2.11%-6.67%）的铁碳合金称为生铁。
生铁质硬而脆，缺乏韧性，几乎没有塑性变形能力，因此不能通过锻造、轧制、拉拔
等方法加工成形，主要用来炼钢和制造铸件，如白口铁、灰口铁和球墨铸铁。
也有习惯上把炼钢生铁叫做生铁，把铸造生铁简称为铸铁。
白口铁：
碳以Fe3C形态分布的生铁称为白口铁，其断口呈银白色，质硬而脆，不能进行机械加工，是炼钢的原料，故又称炼钢生铁。
灰口铁：
碳以片状石墨形态分布的生铁称为灰口铁，其断口呈银灰色，由于石墨质软并有润滑作用，因而这种生铁具有良好的易切削、耐磨和铸造性能等优点。
但是，由于有片状石墨的存在，降低了它的抗拉强度，
U、钢的分类基础知识
1•按品质进行分类
1普通钢：
PW0.045%
2优质钢：
PW0.035%
使它不能锻轧，只能用于制造各种铸件，如铸造机床床座、铁管等。
因此，通常把这种生铁叫做铸造生铁。
SW0.050%（如普通碳素结构钢Q195Q235等）
SW0.035%（如优质碳素结构钢20号、45号钢等）
1）碳素钢：
2）合金钢：
1低碳钢：
CW0.25%
2中碳钢：
CW0.25~0.60%
3高碳钢：
O0.60%
1低合金钢（合金兀素总含量w5%;
2中合金钢（合金元素总含量〉5~10%;
3高合金钢（合金元素总含量〉10%）。
③高级优质钢：
PW0.035%
2•按化学成份进行分类
SW0.030%（比优质钢更优质，一般在钢号后加A以示区别，如08A等）
3•按成形方法分类：
①锻钢；②铸钢；③热轧钢；④冷拉钢。
4•按金相组织分类
1）退火状态的：
2）正火状态的：
3）无相变或部分发生相变的
①亚共析钢（铁素体+珠光体）；
①珠光体钢
②共析钢（珠光体）；
②贝氏体钢
③过共析钢（珠光体+渗碳体）；
③马氏体钢
④莱氏体钢（珠光体+渗碳体）。
④奥氏体钢。
5•按用途分类
1）建筑及工程用钢：
2）结构钢
3）工具
钢：
4）特殊性能钢：
5）专业用钢
①普通碳素结构钢；
①机械制造用钢：
①碳素工
①不锈耐酸钢；
如桥梁用
②低合金结构钢；
I调质结构钢；
具钢；
②耐热钢：
包括抗
钢、船舶用
③钢筋钢。
n表面硬化结构钢：
包括渗碳钢、
②合金工
氧化钢、热强钢、
钢、锅炉用
渗氨钢、表面淬火用钢；
具钢；
气阀钢；
钢、压力容
川易切结构钢；（d）冷塑性成形用
③高速工
③电热合金钢；
器用钢、农
钢：
包括冷冲压用钢、冷镦用钢。
具钢。
④耐磨钢；
机用钢等
②弹簧钢
⑤低温用钢；
③轴承钢
⑥电工用钢。
6•综合分类
1）普通钢
2）优质钢（包括高级优质钢）
1碳素结构钢：
2低合金结构钢
3特定用途的普通结构钢
①结构钢：
②工具钢：
③特殊性能钢：
I优质碳素结构钢n合金结构钢川弹簧钢w易切钢
V轴承钢
W特定用途优质结构钢。
I碳素工具钢n合金工具钢川高速工具钢。
I不锈耐酸钢n耐热钢川电热合金钢"电工用钢
V高锰耐磨钢。
贰----常用材料的简单介绍
铸铁、碳素钢、不锈钢为沥青公司常用材料，本部分根据分类进行逐个介绍，主要内容为材料的基本性质、牌号的表示方法及力学性能。
参考文献大部分为最新的国家及行业标准，更详细的使用可以参阅国家及行业标准。
I、铸铁
铸铁的分类
分类方法
分类名称
说明
1.按断口颜色分
（1）灰铸铁
这种铸铁中的碳大部分或全部以自由状态的片状石墨形式存在，其断口呈暗灰色，有一定的力学性能和良好的被切削性能，普遍应用于工业中。
（2）白口铸
铁
白口铸铁疋组织中兀全没有或几乎兀全没有石墨的种铁碳合金，其断口呈白亮色，硬而脆，不能进行切削加工，很少在工业上直接用来制作机械零件。
由于其具有很高的表面硬度和耐磨性，又称激冷铸铁或冷硬铸铁。
⑶麻口铸铁
麻口铸铁是介于白口铸铁和灰铸铁之间的一种铸铁，其断口呈灰白相间的麻点状，性能不好，极少应用。
2.按化学成分分
（1）普通铸
铁
是指不含任何合金元素的铸铁，如灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁等。
（2）合金铸
铁
是在普通铸铁内加入一些合金兀素，用以提高某些特殊性能而配制的一种高级铸铁。
如各种耐蚀、耐热、耐磨的特殊性能铸铁。
3.按生产方法和组织性能分
（1）普通灰
铸铁
参见灰铸铁”
（2）孕育铸
铁
这是在灰铸铁基础上，米用变质处理”而成，又称变质铸铁。
其强度、塑性和韧性
均比一般灰铸铁好得多，组织也较均匀。
主要用于制造力学性能要求较高，而截面尺寸变化较大的大型铸件。
（3）可锻铸
铁
可锻铸铁是由一定成分的白口铸铁经石墨化退火而成，比灰铸铁具有较高的韧性，又称韧性铸铁。
它并不可以锻造，常用来制造承受冲击载荷的铸件。
（4）球墨铸
铁
简称球铁。
它是通过在浇铸前往铁液中加入一定量的球化剂和墨化剂，以促进呈球状石墨结晶而获得的。
它和钢相比，除塑性、韧性稍低外，其他性能均接近，是兼有钢和铸铁优点的优良材料，在机械工程上应用广泛。
⑸特殊性能铸铁
这是一种有某些特性的铸铁，根据用途的不冋，可分为耐磨铸铁、耐热铸铁、耐蚀铸铁等。
大都属于合金铸铁，在机械制造上应用较广泛。
铸铁的应用
铸铁的应用现在受到广泛的关注，由于铸铁在抗腐蚀及耐磨方面的优越性，越来越受到某些用户的青睐。
《球墨铸铁阀门的应用》
球墨铸铁被称为“两个世界里最好的”金属，意思是球墨铸铁具有铸钢的强度，也有铸铁优异的抗腐蚀性。
与铸铁相比，球墨铸铁在强度方面具有绝对的优势。
球墨铸铁的抗拉强度是60k，而铸铁的抗拉强度只
有31k。
球墨铸铁的屈服强度是40k，而铸铁并没有显示出屈服强度，并且最终出现断裂。
球墨铸铁的强度-
成本比远远优于铸铁。
球墨铸铁在耐腐蚀性方面与铸铁相同。
球墨铸铁的强度和铸钢的强度是可比的。
球墨铸铁具有更高的屈服强度，其屈服强度最低为40k,而铸
钢的屈服强度只有36k。
在大部分市政应用领域，如：
水、盐水、蒸汽等，球墨铸铁的耐腐蚀性和抗氧化性都超过铸钢。
由于球墨铸铁的球状石墨微观结构，在减弱振动能力方面，球墨铸铁优于铸钢，因此更加有利于降低应力。
选择球墨铸铁的一个重要的原因在于球墨铸铁比铸钢成本低。
球墨铸铁的低成本使得这种材料更加受欢迎，铸造效率更高，也较少了球墨铸铁的机加工成本。
U、碳素钢
碳素钢是指碳含量低于2%,并有少量硅、锰以及磷、硫等杂质的铁碳合金。
工业上应用的碳素钢碳含量一般不超过1.4%。
这是因为含碳量超过此量后，钢表现出很大的硬脆性，并且加工困难，失去生产和使用价值。
碳素钢的性能主要取决于含碳量。
含碳量增加，钢的强度、硬度升高，塑性、韧性和可焊性降低。
碳素钢按其质量不同可分为普通碳素结构钢和优质碳素结构钢二类。
优质碳素结构钢规定硫、磷的允许含量比普通碳素钢低，所以综合机械性能比普通碳素钢好。
与其他钢类相比，碳素钢使用最早，成本低，性能范围宽：
用量最大。
适用于公称压力PNW32.0MPa，温度为-30-425C的水、蒸汽、空气、氢、氨、氮及石油制品等
介质。
常用牌号有WC1、WCB、ZG25及优质钢20、25、30及低合金结构钢16Mn。
1分类:
按含碳量分为低碳钢（碳含量为0.04%〜0.25%）、中碳钢（碳含量为0.25%〜0.6%）、高碳钢（碳含量为0.6%〜1.35%）。
按质量分为普通碳素钢，其有害杂质磷、硫含量均小于0.05%,包括甲类钢（A类钢，保证力学性能）、乙类钢（B类钢，保证化学成分）和特类钢（C类钢，保证力学性能和化学成分）――如：
Q235A,Q235B,
A235C,Q235D,SS400等等；优质碳素钢，有害杂质磷、硫含量均小于0.04%;高级优质碳素钢，有害杂质
磷、硫含量小于0.03%——如：
45,S50C,S45c,P20等等。
按用途又分为碳素结构钢和碳素工具钢，前者主要用于制造各种结构件和机器零件，一般属低碳钢和中碳钢；后者用于制造刀具、量具、模具等，一般属高碳钢。
按成形方法分类：
（1）锻钢；
（2）铸钢；（3）热轧钢；（4）冷拉钢。
ps
（1）铸钢铸钢是指采用铸造方法而生产岀来的一种钢铸件。
铸钢主要用于制造一些形状复杂、难于进行锻造或切削加工
成形而又要求较高的强度和塑性的零件
（2）锻钢锻钢是指采用锻造方法而生产岀来的各种锻材和锻件。
锻钢件的质量比铸钢件
高，能承受大的冲击力作用，塑性、韧性和其他方面的力学性能也都比铸钢件高，所以凡是一些重要的机器零件都应当采用锻钢件。
2、铸钢
铸钢牌号
1以强度表示的铸钢牌号，在ZG后面加两组数字，第一组数字表示该牌号铸钢的屈服强度，第二组数字表
示其抗拉强度。
两组数字之间用--”隔开。
例如：
ZG20Q-400
拉强度（MPa）
屈服强度伽
铸钢优号
2、以化学成分表示的铸钢牌号
裡牌号中临G”后面的两斑数字我示力学性腿，笫一蛆貌字表斥诙牌号擁铜的屈販强度最低柜•第二粗散字丟示碁抗拉强度駐低但"两爼数宇间用亠丁隔开.
以化学成分提亦的样歸解号
3,1衽屛号中吃＜r后面的一组敕字表示祷钢的名文丹分礙含慑*平均礙含倉大干1%的铸钢，在牌号中则不表示梵名义含董*平均碳含量小予"1%的祷钢•其第一位数字为只给出碱舍故上BL求洽出下廨的祷钢’牌号中锻的名只含就列上限夜示.
£42在碳的名义含量石药擁列各主姿合金元素蒂号+毎个元索符号疳面用整數标岀名文百分
M4・3搭元鬻的平均含量小壬0”弭肘’在牌号中不标元素符号;平均含H为0.9尿〜时•只承出Tf砂不标含1L其他合金化元竊平均含童为0+9M-l.4帰时■在康元索符号后面标注数字k
3-44钳元索的平均含盘小于0.15%*其他元素平均含址小于65%时.在牌号中不标无素符号”啊元索的平均含量大于O.lSJ^^h于0.9%时•在牌号中只标出元索符号不标舌蚩■
3，・5当钛•帆元薰平內含・小于D.百乩麻臥氮用土铮灘量合金化尤倉的平均含ft小于0薦％时*在牌号中标注艮元赢苻号，但不标含議・
3^6当主要合金代元素務于三种时，可以在輝号中只标注前二种或前三神元索的名史含1T
3-4-7当牌号中须标两种灯上主聲合金元常时•齐元常秆号的标注慰序按它们的名久宵it的谨咸噸序擀列.若闊甘元索名文含量相问，则按元歩殍号的字母顺序拌列*
玉4+8在持殊情况下，弩冋一牌号分几牛品种时，可在禪号宕面用”』砺开，用阿拉伯数字标注品种JT号.
ZG1&Cr
Mo1V
親的元素符号.其名义會就小于0.9握
钳的名鬼百分含址
的元素符号
的名义百分含供
钻的元素符号
碳的名义万分含量
铸钢代号
铸钢主要应用
3、普通碳素结构钢《GB/T_700-2006_碳素结构钢》
牌号表示方法：
钢的牌号由代表屈服强度的字母、屈服强度数值s质量等级符号、脱氧方法符号等4个部分按顺序组成.例如；Q235AF»
Q——钢材屈眼强度“朋”字汉语拼音首位字母»
A.H.C.D—分别为质賦等Sh
F——鱗腾钢“擁扛字汉语拼音首位字母；
Z-——賦静钢“镇”字汉语拼音首位字鹫；
TZ——特殊镇静钢.特镇”两宇汉语拼音苜位字母.
在牌号组成表示方法中』才与“丁旷符号可取省殆.
Ps：
2006标准中，脱氧方法取消了半镇定钢。
钢的牌号及化学成分
牌号
统一数字
忧号.
序度〔或恵畫）
/mm
脱鬟方陡
忧学處力（质量分数汀歸*不丈于
C
St
Mu
P
S
Q195
U11952
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FhZ
0.12
0.30
Q.50
0,035
0.040
Q2I5
U12152
A
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F.Z
0.15
0.3&
】.20
0.045
0.050|
U12155
B
0.Q45
Q235
U12352
A
F,Z
0.22
0.3&
k40
0.045
0.050
U12355
B
0.20b
0.045
U1S35S
C
Z
0.17
0.040
0,040
U12359
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TZ
0.035
0.035
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U127S9
D
TZ
0.035
0.035
11表中为頓睁制、特殊像靜钢牌号的统■数字+沸屏钢牌号的址一数字代号如下.
Q1S5F——U1195OI
Q215AF——U12150tQ215BF一D12153*
QS35AF——U12350,Q?
35BF——U1S353j
Q275AF——U12750+
b超需方冋盘，Q235B前碳含量可不大于0.22%.
碳素结构钢的力学性能
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4、低合金高强度结构钢《GBT1591-94》
牌号及化学成分：
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例如；Q3S0A
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Q——钢材屈服点的“屈”字汉语拼音的首位字母朮
390——拥服点数值•单位MPat
仏BK；D、E——分別为质抗等级符号。
学
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C冬
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Si
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