钢铁材料的分类、力学性能及热处理
钢铁家族中各种组织形貌生长特点及性能
钢铁家族中各种组织形貌生长特点及性能现代材料可以分为四大类-—金属、高分子、陶瓷和复合材料。
尽管目前高分子材料飞速发展，但金属材料中的钢铁仍是目前工程技术中使用最广泛、最重要的材料，那么到底是什么因素决定了钢铁材料的霸主地位呢。
下面就为大家详细介绍吧。
钢铁由铁矿石提炼而成,来源丰富，价格低廉。
钢铁又称为铁碳合金，是铁(Fe）与碳(C)、硅(Si）、锰（Mn）、磷(P)、硫（S)以及其他少量元素(Cr、V等）所组成的合金.通过调节钢铁中各种元素的含量和热处理工艺（四把火:淬火、退火、回火、正火）,可以获得各种各样的金相组织，从而使钢铁具有不同的物理性能。
将钢材取样,经过打磨、抛光，最后用特定的腐蚀剂腐蚀显示后,在金相显微镜下观察到的组织称为钢铁的金相组织。
钢铁材料的秘密便隐藏在这些组织结构中。
C系中，可配制多种成分不同的铁碳合金,他们在不同温度下的平衡组织各不相在Fe—Fe3同，但由几个基本相（铁素体F、奥氏体A和渗碳体FeC）组成。
这些基本相以机械混合物的形3式结合，形成了钢铁中丰富多彩的金相组织结构.常见的金相组织有下列八种：一、铁素体碳溶于α-Fe晶格间隙中形成的间隙固溶体称为铁素体，属bcc结构，呈等轴多边形晶粒分布，用符号F表示.其组织和性能与纯铁相似,具有良好的塑性和韧性，而强度与硬度较低(30-100 HB）。
在合金钢中，则是碳和合金元素在α-Fe中的固溶体.碳在α-Fe中的溶解量很低，在AC1温度,碳的最大溶解量为0.0218％，但随温度下降的溶解度则降至0。
0084％，因而在缓冷条件下铁素体晶界处会出现三次渗碳体.随钢铁中碳含量增加，铁素体量相对减少,珠光体量增加，此时铁素体则是网络状和月牙状。
二、奥氏体碳溶于γ-Fe晶格间隙中形成的间隙固溶体称为奥氏体，具有面心立方结构，为高温相，用符号A表示。
奥氏体在1148℃有最大溶解度2。
11%C，727℃时可固溶0。
77％C;强度和硬度比铁素体高，塑性和韧性良好，并且无磁性，具体力学性能与含碳量和晶粒大小有关，一般为170~220 HBS、 =40~50％.TRIP钢（变塑钢）即是基于奥氏体塑性、柔韧性良好的基础开发的钢材，利用残余奥氏体的应变诱发相变及相变诱发塑性提高了钢板的塑性,并改善了钢板的成形性能。
钢铁材料的性能
σe
MPa
金属能保持弹性变形的最大能力
比例极限
σp
MPa
在弹性变形阶段，金属材料所受的和应变能保持正比的最大应力
弹性模量
MPa
金属在弹性范围内，外力和变形成比例地增长，既应力与应变成正比例关系时，这个比例系数就称为弹性模量
2．3塑性—材料受力后产生永久变形而不破坏的能力
伸长率（延伸率）
%
金属受外力作用被拉断以后,在标距内总伸长长度同原来标距长度相比的百分数
肖氏硬度
HSC（目测型）
与h/h0比值成正比
利用金刚石冲头自一定的高度h0mm落下，撞击金属后，冲头又回跳到某一高度hmm
表面光滑的一些精密量具或零件
HSD（指示型）
3．化学性能
名称
说明
耐腐蚀性
金属材料抵抗空气、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力，称为耐腐蚀性。常见的钢铁生锈、铜生铜绿等，就是腐蚀现象。金属材料耐腐蚀性能与许多因素有关，例如金属的化学成分、加工性质、热处理条件、组织状态以及环境介质和温度条件等
抗剪强度
τ
MPa
外力与材料轴线垂直，并对材料呈剪切作用时的极限强度
抗扭强度
τb
MPa
外力是扭转时的极限强度
屈服点
σs
MPa
金属试样在拉伸过程中，负荷不再增加，而试样仍继续发生变形的现象称为“屈服”。发生屈服现象时的应力，称为屈服点或屈服极限，是金属发生明显塑性变形的抗力。
屈服强度
σ0。2
MPa
对某些屈服现象不明显的金属材料，测定屈服点比较困难，常把产生0.2%永久变形的应力定为屈服点，这称为屈服强度或条件屈服强度
牌号
牌号是用来识别产品的名称、符号、代码或它们的组合。钢的牌号称为钢号，是对某一具体钢种所取的名称。牌号是技术条件中的首要内容，同一牌号的材料可能有不同的保证条件、交货状态、使用加工类别、质量级别等
钢铁材料的热处理介绍
(1)高温回火
将淬火后的钢件加热到500～650ºC，经过保温以后冷却,主要用于要求高强度、高韧性的重要结构零件，如主轴、曲轴、凸轮、齿轮和连杆等
使钢件获得较好的综合力学性能，即较高的强度和韧性及足够的硬度，消除钢件因淬火而产生的内应力
5．调质
将淬火后的钢件进行高温(500～600ºC)回火多用于重要的结构零件，如轴类、齿轮、连杆等调质一般是在粗加工之后进行的
7．化学热处理
将钢件放到含有某些活性原子(如碳、氮、铬等)的化学介质中，通过加热、保温、冷却等方法，使介质中的某些原子渗入到钢件的表层，从而达到改变钢件表层的化学成分，使钢件表层具有某种特殊的性能
化
学
热
处
理
(1)钢渗的碳
将碳原子渗入钢件表层
常用于耐磨并受冲击的零件，如:轮、齿轮、轴、活塞销等
使表面具有高的硬度(HRC60～65)和耐磨性，而中心仍保持高的韧性
细化晶粒，均匀组织，降低硬度，充分消除内应力完全退火适用于含碳量(质量分数)在O．8％以下的锻件或铸钢件
(2)球化退火
将钢件加热到临界温度以上20～30ºC，经过保温以后，缓慢冷却至500℃以下再出炉空冷
降低钢的硬度，改善切削性能，并为以后淬火作好准备，以减少淬火后变形和开裂,球化退火适用于含碳量(质量分数)大于O．8％的碳素钢和合金工具钢
①改善组织结构和切削加工性能
②对机械性能要求不高的零件，常用正火作为最终热处理
③消除内应力
3．淬火
将钢件加热到淬火温度，保温一段时间，然后在水、盐水或油(个别材料在空气中)中急速冷却
①使钢件获得较高的硬度和耐磨性
②使钢件在回火以后得到某种特殊性能，如较高的强度、弹性和韧性等
钢铁材料的八大工艺性能
钢铁材料的八大工艺性能钢铁材料是日常生活中,工业上与机械上不可或缺的一种常见线材材料,因此,对钢铁材料进行使用时,大家一定要了解一下关于钢铁材料的工艺性能,其钢铁材料工艺性能都有哪些呢?主要有以下八种。
1、铸造性金属材料能用铸造方法获得合格铸件的能力称为铸造性。
铸造性包括流动性、收缩性和偏析倾向等。
流动性是指液态金属充满铸模的能力,流动性愈好,愈易铸造细薄精致的铸件,收缩性是指铸件凝固时体积收缩的程度,收缩愈小,铸件凝固时变形愈小。
偏析是指化学成分不均匀,偏析愈严重,铸件各部位的性能愈不均匀,铸件的可靠性愈小。
2、切削加工性金属材料的切削加工性系指金属接受切削加工的能力,也是指金属经过加工而成为合乎要求的工件的难易程度。
通常可以切削后工作表面的粗糙程度、切削速度和刀具磨损程度来评价金属的切削加工性。
3、焊接性焊接性是指金属在特定结构和工艺条件下通过常用焊接方法获得预期质量要求的焊接接头的性能。
焊接性一般根据焊接时产生的裂纹敏感性和焊缝区力学性能的变化来判断。
4、锻性锻性是材料在承受锤锻、轧制、拉拔、挤压等加工工艺是会改变形状而不产生裂纹的性能。
它实际上是金属塑性好坏的一种表现,金属材料塑性越高,变形抗力就越小,则锻性就越好。
锻性好坏主要决定于金属的化学成分、显微组织、变形温度、变形速度及应力状态等因素。
5、冲压性冲压性是指金属经过冲压变形而不发生裂纹等缺陷的性能。
许多金属产品的制造都要经过冲压工艺,如汽车壳体、搪瓷制品坯料及锅、盆、盂、壶等日用品。
为保证制品的质量和工艺的顺利进行,用于冲压的金属板、带等必须具有合格的冲压性能。
6、顶锻性顶锻性是指金属材料承受打铆、镦头等的顶锻变形的性能。
金属的顶锻性,是用顶锻试验测定的。
7、冷弯性金属材料在常温下能承受弯曲而不破裂的性能,称为冷弯性。
出现裂纹前能承受的弯曲程度愈大,则材料的冷弯性能愈好。
8、热处理工艺性热处理是指金属或合金在固态范围内,通过一定的加热、保温和冷却方法,以改变金属或合金的内部组织,而得到所需性能的一种工艺操作。
热处理对于钢铁材料性能的影响
热处理对于钢铁材料性能的影响热处理是一项重要的工艺，用于改变钢铁材料的性能。
通过控制材料的加热、保温和冷却过程，可以显著改善钢铁材料的力学性能、组织结构和耐腐蚀能力。
本文将深入探讨热处理对于钢铁材料性能的影响。
一、冷处理冷处理是热处理的一种重要方式，其主要目的是通过快速冷却来提高钢铁材料的硬度和强度。
当钢铁材料经过热处理后，快速冷却可以产生细小的晶粒，从而提高材料的硬度。
此外，冷处理还可以减少材料的残余应力，提高材料的耐磨性和疲劳寿命。
二、淬火处理淬火是一种将钢铁材料加热至适宜温度后迅速冷却的热处理方法。
淬火可以使钢铁材料的晶格结构发生变化，从而显著提高材料的硬度和强度。
通过控制淬火工艺参数，如冷却速率、冷却介质等，可以获得不同的硬度和强度。
然而，过快的冷却速率可能导致材料内部产生应力过大，从而引起开裂和变形。
三、回火处理回火是一种将冷处理的材料重新加热至适宜温度后保温一段时间，然后缓慢冷却的热处理方法。
回火可以减轻材料的内部应力，增加其韧性和塑性，降低脆性。
通过合理控制回火温度和时间，可以在硬度和韧性之间取得平衡，使材料具有较好的综合性能。
四、渗碳处理渗碳是一种将含碳气体或液体浸渍到钢铁材料表面，并进行高温处理的方法。
渗碳可以在材料表面形成高碳含量的渗层，从而提高材料的硬度和耐磨性。
此外，渗碳还可以改善材料的耐蚀性能和疲劳寿命。
常用的渗碳方法包括气体渗碳、液体渗碳和离子渗碳等。
五、固溶处理固溶处理是一种通过加热钢铁材料至固溶温度后快速冷却的热处理方法。
固溶处理可以使材料内部的溶质（如碳、氮等）扩散均匀，从而改善材料的强度和塑性。
此外，固溶处理还可以提高钢铁材料的冷加工性能，增加其可塑性。
综上所述，热处理对于钢铁材料性能具有显著的影响。
通过冷处理、淬火处理、回火处理、渗碳处理和固溶处理等方法，可以改善钢铁材料的硬度、强度、耐磨性、耐蚀性和韧性等性能。
因此，在钢铁制造和应用过程中，合理运用热处理技术可以有效提高钢铁材料的综合性能，满足不同工程和应用的需求。
钢铁材料的分类
分类 方法
按 化 学 成 分 分
分类名称
பைடு நூலகம்
说明
3
续表
碳素钢
碳素钢是指含碳量 !! 低于 "# ，并含有少量锰、硅、硫、磷、氧等杂质元素 的铁碳合金。按其含碳量的不同可分为： $）工业纯铁———含碳量 !! !%&%’# 的铁碳合金 "）低碳钢———含碳量 !! !%&"(# 的钢 )）中碳钢———含碳量 !! * %&"(# + %&,%# 的钢 ’）高碳钢———含碳量 !! * %&,%# 的钢 此外，按照钢的 质 量 和 用 途 的 不 同，碳 素 钢 通 常 又 分 为：普 通 碳 素 结 构 钢、优质碳素结构钢和工具碳素钢三大类
特殊钢是指用特殊方法生产、具有特殊物理、化学性能或力学性能的钢 属于这一类型的钢，主要有：!）不锈耐酸钢 #）耐热不起皮钢 $）高电阻 合金 %）低温用钢 &）耐磨钢 ’）磁钢（包括硬磁钢和软磁钢） (）抗磁 钢 )）超高强度钢（指!* !!%++,-. 的钢）
专业用钢
这是指各个工业部门专业用途的钢。例如：农机用钢、机床用钢、重型机 械用钢、汽车用钢、航空用钢、宇航用钢、石油机械用钢、化工机械用钢、 锅炉用钢、电工用钢、焊条用钢……等
原料纯铁 !"#$ ..%’ 中 的 4$’A、 4$-A、4$)、4$*
特殊易切削钢 !"#$ 2%)’ 中 的 4’-、 要求 测 定 热 处 理 后 冲 击 4’-56、4’+、4’+56、4-&、 韧度等 4)&、4)+、4*+78
碳素工具钢 !" ( $ ’-.2 中的全部牌号
金属材料与热处理(最全)
典型铁碳合金的平衡结晶过程 及组织
A F+A F
L L+A
A+Fe3C
F+Fe3C
L+Fe3C
1.纯铁(﹤0.0218%C） 2.钢（0.0218%～2.11%C）
亚共析钢（ 0.0218%～0.77%C） 共析钢（0.77%C） 过共析钢（0.77%C ～2.11%C ）
3.5 铁碳相图在工业中的应用
1、在选材方面的应用 ： 根据零件的不同性能要求 来合理地选择材料。 2、在铸造生产上的应用： 参照铁碳相图可以确定钢 铁的浇注温度，通常浇注 温度在液相线以上 50－ 60℃。纯铁和共晶白口铸 铁的铸造性能最好。 3、在锻压生产上的应用： 锻扎温度控制在单相奥氏 体区。 4、在热处理生产上的应用 ：热处理工艺的加热温度 依据铁碳相图确定。
金属材料与热处理(最全)
工程材料的分类
工程材料
黑色金属材料：钢和铸铁
金属材料
有色金属材料
铝及铝合金 铜及铜合金 滑动轴承合金
高分子材料
非金属材料 陶瓷材料 复合材料
当今社会科学技术突飞猛进，新材料层出不穷，但到目前为止，在 机械工业中使用最多的材料仍然是金属材料，其主要原因是因为 它具优良的使用性能和加工工艺性能。
F（％）＝(6.69-0.77)÷6.69 ×100％＝88％
Fe3C（％）＝1－88％＝12％
主要转变线
GS线－不同含碳量的合金，有奥氏体开始析出铁素 体（冷去时）或铁素体全部溶于奥氏体（加热时 ）的转变线，常用A3表示
ES线－碳在奥氏体中的固溶体。常用A cm表示，含 碳量大于0.77％的铁碳合金，自1148°冷至727° 从奥氏体析出渗碳体，称二次渗碳体
机械基础复习资料金属材料和热处理含习题答案
第二部分 机械基础第四章 金属材料和热处理本章重点1．掌握：强度、硬度、塑性、韧性、疲劳强度的含义。
2．了解：工艺性能的含义。
3．了解：热处理的概念及目的。
4．熟悉：退火、正火、淬火、回火，表面热处理的方法。
5．掌握：碳素钢的概念、分类、牌号的表示方法及性能。
6．掌握：合金钢的牌号及表示方法。
7．熟悉：铸铁分类牌号及用途。
本章内容提要一．金属材料的性能1．物理、化学性能物理性能是指金属材料的密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等具有物理特征的一些性能。
化学性能是指金属在化学作用下所表现的性能。
如：耐腐蚀性、抗氧化性和化学稳定性。
2．金属材料的机械性能金属材料在外力作用下所表现出来的性能就是力学性能。
主要有强度、塑性、硬度、韧性和疲劳强度等。
（1）强度强度是材料在静载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。
可分为抗拉强度、抗压强度、抗剪强度和抗扭强度。
常用的强度是抗拉强度。
工程上常用的强度指标是屈服点和抗拉强度。
（2）塑性塑性是金属材料在静载荷作用下产生永久变形的能力。
常用塑性指标是伸长率和断面收缩率。
伸长率：是指试样拉断后的伸长与原始标距的百分比。
式中，L 0表示试样原长度（mm ），L 1表示试样拉断时的长度（mm ）。
断面收缩率：是指试样拉断后，缩颈处横截面积（A 1）的最大缩减量与原始横截面积（A 0）的百分比。
（3）硬度硬度是金属材料表面抵抗比它更硬的物体压入时所引起的塑性变形能力；是金属表面局部体积内抵抗塑性变形和破裂的能力。
目前最常用的硬度是布氏硬度（HB ）、洛氏硬度（HRC 、HRB 、HRA ）和维氏硬度（HV ）。
（4）韧性1o o 100%L L L -=⨯δ010A A 100%A -=⨯ψ韧性是脆性的反意，指金属材料抵抗冲击载荷的能力。
工程技术上常用一次冲击弯曲试验来测定金属抵抗冲击载荷的能力。
（5）疲劳强度疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷作用下不发生断裂的最大应力。
一般规定，钢铁材料的应力循环次数取108，有色金属取107。
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钢铁材料的分类、力学性能及热处理
一、 分类及力学性能：
1． 碳素钢：按含碳量的多少可分为低碳钢（含碳量小于0.25％）、中碳钢（含碳量在0.25％～0.5％）和高碳钢（含碳量大于0.5％）。
随着含碳量的增加，钢的机械强度提高，但使它的塑性和韧性下降。
（1） 普通碳素钢：它的化学成分不准确，因而不宜进行热处理。
普通碳素钢的牌号标记如Q235（国标），表示屈服点MPa S 235=σ。
（2） 优质碳素钢：力学性能优于普通碳素钢，采用适当的热处理
方法可以获得很高的内部机械强度和表面硬度。
低碳钢塑性高，焊接性好，适用于冲压、焊接零件。
采用渗碳淬火处理可提高零件表面硬度；中碳钢具有综合性能好的特点，它的机械强度、塑性和韧性均较好，可进行调质、表面淬火处理；高碳钢具有高的机械强度和良好的韧性和弹性，常制成弹性零件。
优质碳素钢的牌号如15、35、45（国标），表示含碳量平均值各为0.15％、0.35％、0.45％。
2． 合金钢：合金钢是在优质碳素钢中加入某些合金元素而形成的。
它具有良好的力学性能和热处理性能，随着所加合金元素的不同，还可获得不同的特殊性能。
合金钢的牌号如35Mn2、40Cr （国标），表示含碳量平均值为0.35％和0.40％，而含合金元素
Mn2％及Cr 小于1.5％。
3． 铸钢：铸钢的含碳量一般在0.15％～0.60％范围内，含碳量较高，塑性很差，容易产生龟裂，故不能锻造。
铸钢的强度显著高于铸铁，但铸造性则比较差，收缩率较大。
铸钢的牌号如ZG500－270，前组数字表示抗拉强度MPa B 500=σ，后组数字表示屈服点MPa S 270=σ。
4． 铸铁：铸铁是含碳量大于2％的铁碳合金。
铸铁因含碳量高，故它的抗拉强度、塑性和韧性都较差，不能锻造，焊接性能也差。
但它有较高的抗压强度，良好的减摩性和切削性能，吸振性好，价格又较低廉。
常用的铸铁有灰铸铁（如HT150，抗拉强度MPa B 150=σ）、可锻铸铁（如KT300－6，抗拉强度MPa B 300=σ，最低伸长率为6％）和球墨铸铁（如QT500－7，抗拉强度MPa B 500=σ，最低伸长率为7％）。
二、 材料热处理：
1． 退火：退火是将钢件加热到临界温度以上30～50℃，在热处理炉内保温一段时间，然后随炉冷却到室温止。
退火的目的在于使钢的晶粒细化，消除内应力和降低硬度，改善切削性能，提高韧性和塑性，有利于焊接和碾压工艺。
2． 正火：正火是将钢件加热到临界温度以上30～80℃，保温一段时间，随后工件从炉内取出，在空气中冷却。
由于正火的冷却速度比退火的快，故钢的强度和硬度比退火的高，但消除内应力不如退火的好。
3．淬火：淬火是将钢件加热到临界温度以上30～50℃，然后快速将工件在水中或油中冷却至室温。
淬火后的钢的硬度急剧增加。
但将有较大的内应力，也容易产生变形及裂纹。
为了降低内应力和脆性，淬火后要进行回火处理。
4．回火：回火是将钢件淬火后，再加热到临界温度以下，保温一段时间，然后缓慢冷却到室温。
回火分为：低温回火、中温回火和高温回火。
（1） 低温回火（加热温度小于250℃）：主要为了减少钢中的残余应力和降低脆性，且可保持高的强度、硬度和耐磨性能。
（2） 中温回火（加热温度350～500℃）：主要为获得一定的韧性，又有较高的弹性、屈服强度和硬度。
（3） 高温回火（加热温度500～650℃）：主要为获得适当的强度和硬度，足够的塑性和弹性，较小的内应力相结合的较好的
力学性能。
淬火后再高温回火的处理方法又称为调质处理。
5．表面淬火：表面淬火是将零件的表面快速加热到临界温度以上80～150℃，经十几秒后，立即喷射水液冷却，使零件表层硬化。
由于加热快、冷却快，使零件表面组织细化，表面硬度很高，耐磨性好，零件的变形较小；且又保持内部韧性。
为了降低残余应力，零件应进行低温回火。
6．渗碳：渗碳是将零件在900～950℃的炉内，通入含碳的气体或置固体碳中，保持较长的时间，在零件表面渗入碳，零件表层起化学反应，形成含碳量较高的表层。
然后，再进行表面淬火及
回火处理，零件能获得比表面淬火更好的外硬内韧的力学性能。
7．渗氮：渗氮是将零件在炉温500～560℃是环境下，通入氨气，氨气分解出活性氮原子，被零件表面吸收，并向内层扩散形成渗氮层。
渗氮的过程十分缓慢，所以渗氮层很薄，零件的渗碳层表面有很高的硬度和耐磨性能，因处理温度不高，故零件的变形量小。
8．碳氮共渗：碳氮共渗（又称为氰化）是将零件在炉温850℃的环境下，通入含有碳和氮的气体，被零件表面吸收，并扩散形成氰化层。
零件经过碳氮共渗的表面有很高的硬度，抗疲劳性和耐磨性能，且零件变形量很小。
缺点是准确控制工艺较难。
9．激光硬化：激光硬化是将激光束扫射零件表面，使表面组织细化，有很高的表面硬度和耐磨性能，零件变形量小，但表面光滑度稍有下降。