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BG-42

分四个部分：①金属材料学基础；②金属材料的性能③合金元素在钢中的作用④钢铁基础知识概述
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第一部分：金属材料学基础
一、金属材料的基本知识
1、金属及合金的定义
⑴、金属：是指具有良好的导电、导热和可锻性能的元素，如铁、锰、镍、铜等。
⑵、合金：是由两种以上的金属元素，或者金属元素与非金属元素所组成的具有金属性质的物质，如钢、黄铜等。
2、一般性名词
⑴、金属材料：金属经过熔炼和各种加工后制成的材料，它既包括纯金属也包括合金。在实际工作中，金属材料常简称为金属。
⑵、牌号：金属材料的牌号，就是给每中具体的金属材料所取的名称。钢的牌号又叫钢号。我国金属材料的牌号，一般都能反映出化学成分。有的牌号不仅表明金属材料的具体品类，而且可以大致判别其质量。
⑶、纯金属：指只含有一种金属元素的金属，实际上纯金属的纯度达不到百分之百，因为其中总会含有极微量的杂质。
⑷、化学元素：自然界中的物质，都是由不同的单质原子组成的，这些单质原子成为化学元素，目前已发现的化学元素有107种。80%以上的化学元素不同程度地具有导热性、导电性、可塑性和金属光泽等共同特点，这类化学元素叫做金属元素，共有86种，其余不具有金属特点的元素叫做非金属元素。
⑸、残余元素：指不是有意加入钢中的元素，又称外来元素和伴生元素。主要来源：①由炼钢材料带入；②由合金材料带入；③由于脱氧剂和其他冶炼添加物带入；④由大气带入。
⑹、热压力加工：金属在再结晶温度以上进行的压力加工，称为热压力加工。例如热轧、热锻等均属于热压力加工。
⑺、冷压力加工：金属在再结晶温度以下进行的压力加工，称为冷压力加工。例如冷轧、冷拔等均属冷压力加工。
⑻、冷拔：用外力作用于被拉金属前端，将金属坏料从小于坏料断面的模缝中拉出，使其断面减少而长度增加的方法称为冷拔。冷拔多在冷态下进行，有时称为冷拉。
⑼、挤压：将金属放在密闭的挤压筒内，一端施加压力，使金属从规定的模孔中挤出，得到不同形状和尺寸的成品的加工方法。由于在挤压时金属处于三面受压力状态，避免了拉应力的出现。挤压有热挤压和冷挤压两种。
⑽、交货状态：指交货金属材料的最终塑性变形加工或最终热处理的状态。交货状态总的可分为经热处理交货和不经热处理交货两大类。经热处理交货的，按其最终热处理方式分为退火、正火、高温回火等多种状态。不经热处理交货的，按其最终塑性变形加工方式分为热轧（锻）、冷轧（拉）等多种状态。
⑾、表面状态：主要分为光亮和不光亮两种，在钢丝和钢带标准中常见。主要区别在于采取光亮退火或者一般退火。也有把抛光、磨光、酸洗、镀层等作为表面状态看待的。
二、金属和合金的晶体结构
金属与合金的性能主要取决其化学成分和组织结构
㈠、晶体及金属中的晶体结构
1、晶体的概念：
一切固态物质都可以分为晶体和非晶体两大类，所有的固体金属和合金都属于晶体，所谓晶体就是指内部原子呈规则排列的固体。

⑴、晶格：为便于分析各种晶体的原子排列规律及几何形状，可以用线条将各原子的中心连接起来，使之构成一个空间格子。此时假设各原子都位于该空间格子的各结点上。这种用来描述原子在晶体中排列形式的空间格子叫做“晶格“。
⑵、晶面及晶向：晶格中各种方位的原子层叫“晶面”。因此，可以说晶体或晶格就是由层层的晶面堆砌而成的。晶格中由原子或结点所组成的任一直线，能代表晶体空间内的一个方向，这种方向称为“晶向”。
⑶、晶胞：由于晶格实质上都是由一些最基本的集合排列形式重复堆砌而成的，因此，只取其中一个最基本的集合单元进行分析，便能找出整个晶体的排列规律。这种晶格的最基本的几何排列形式或单元，称作“晶胞”。

                                        晶胞、晶轴和点阵矢量 晶胞
⑷、晶面：晶格中各种方位的原子层叫晶面。
⑸、晶向：晶格中由原子组成的任一条直线，它代表原子在晶体中排列的方向，这些直线就叫晶向。
⑹、晶粒：金属组织是由无数个小晶体组成，这些小晶体就称为晶粒。
⑺、单晶体：由一个晶粒组成的晶体，叫单晶体。
⑻、多晶体：由多个晶粒组成的晶体，叫多晶体。常见的金属都是多晶体。
⑼、晶界：是指晶粒交界处，也就是晶粒界面，简称晶界。
⑽、通常把原子（正离子）在晶体所占空间内呈有规则的、重复排列的队形，称为空间点阵，简称点阵。
2、典型的晶体结构
所有晶体的物质原子堆积形式，经X射线测定后可分为七种晶胞类型。与金属材料密切相关的晶胞有以下3种。
⑴、体心立方晶格：属于体心立方晶格的金属有α-铁、铬、钨、钼等。体心立方晶格的晶胞实际上是一个立方体，在立方体的八个结点上分别有一个与其他晶胞共有的原子。
纯铁在910度以下时，其原子呈体心立方晶格排列。这种具有体心立方晶格的铁称为α-铁。

⑵、面心立方晶格：属于这类晶体的金属有γ-铁、铝、铜、镍等。面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，在立方体每个面的中心和立方体的八个结点上，均有一个与其他邻近晶胞共有的原子。
若将纯铁加热至910度以上，于是它的晶格形式便发生了转变，由体心立方晶格转变为面心立方晶格。这种具有面心晶格的铁称为γ-铁。


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⑶、密排六方晶格：属于这类晶格的金属有镁、锌、钛等。密排六方晶格的晶胞，由七个与其他邻近晶胞共有的原子构成其上下两个六方底面，在两个六方底面的中间均匀分布着三个原子。

⑵、金属结晶
①、结晶基础：
金属由液态转变为固态的过程称为凝固。由于凝固后的固态金属通常是晶体，所以又将这一转变过程称为结晶。当液态纯金属以极缓慢的速度冷却，温度降到某一点时，便开始结晶，随着时间的延长，结晶不断进行，直至全部结晶成固态金属。一般的金属制品都要经过熔炼和铸造，也就是说都要经历由液态转变成固态的结晶过程。
金属在焊接时，焊缝中的金属也要发生结晶。对铸件和焊接而言，结晶过程基本上决定了它的使用性能和使用寿命，而对于尚需进一步加工的铸锭来说，结晶过程既直接影响它的轧制和锻压工艺性能，又不同程度地影响其成品的使用性能。因此，研究和控制金属的结晶过程，已成为提高金属力学性能和工艺性能的一个重要手段，纯金属都有一个固定的熔点，或称平衡结晶温度，也就是说，纯金属的结晶过程总是在一个恒定的温度下进行的。
②、纯金属结晶过程
液态金属的结晶是在一定过冷度的条件下，从液体中首先形成一些微小而稳定的小晶体，然后以它为核心逐渐长大。这种作为结晶核心的微小晶体称为晶核。也就是说，当液态金属缓慢冷却到结晶温度后，经过一段时间，先自液体中产生一批晶核，然后由它们长大，在它们长大过程中，同时还会有新的晶核不断从液体中产生和长大，直到全部液体转变成固体为止。因此，结晶过程是晶核的形成与长大的过程。最后形成许多互相接触而外形不规则的晶体，即晶粒。
由于每个晶粒的位向不同，使它们相遇时不能合为一体，存在晶粒之间的分界面，即晶界。结晶后只有一个晶粒的晶体称为单晶体（如金刚石、水晶单晶硅等）。单晶体中的原子排列位向是完全一致的。如果结晶后的晶体是由许多位向不同的晶粒组成的，则称为多晶体。
③、金属结晶过程的一般规律
一般来说，金属的结晶指的是由液态金属凝固为固体状态的过程。结晶是由两个基本过程构成的：在液态金属中首先产生一个极小的晶体（晶核）作为晶体中心；晶核逐渐长大成为较大晶体。形核和核长大就是结晶过程的规律。
④、影响形核和核长大的因素
金属结晶后形成由许多晶粒构成的多晶体，而晶粒大小是衡量金属组织的重要标志之一。常温下，金属的晶粒越细小，强度、硬度则越大，同时塑性、韧性也越好，细化晶粒可以大大提高金属材料的常温力学性能。用细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶粒强化。
可以通过提高过冷度和变质处理来细化晶粒。
⑶、合金的相结构
1、固溶体
⑴、固溶体概念及分类
由两种或两种以上元素形成的具有金属特性的物质叫做合金。合金除了具有金属的特性外，还具有比纯金属好得多的机械性能和物理化学性能。以合金中某一元素作为溶剂，其他组元作为溶质，所形成的与溶剂有相同晶体结构的固相称为固溶体。
由两种以上的元素构成合金时，在液态下，这些元素能够彼此溶解而形成均匀的液体。在固态时，根据这些元素间彼此作用的不同，则可能出现如下三种情况：
①、元素在固态下彼此毫无作用，在凝固后各自形成晶体。
②、在固态下彼此可以溶解而成固溶体。
③、彼此之间发生反应而形成化合物。
这些彼此分离的纯金属、固溶体和化合物的晶体就是促成合金的“相”。
固溶体是固态合金中合金相，实际使用的金属材料，大多数是单相固溶体合金或以固溶体为基础的多相合金。A、B两组原子形成的固溶体，总是保持着溶剂的晶格形式。例如以呈面心立方体晶格A原子作溶剂，而以呈体心立方晶格的B原子作为溶质，则所形成的固溶体仍保持面心立方晶格方式。
根据溶质原子在溶剂晶格分布的情况，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体两种。
①、间隙固溶体
有些元素的原子半径很小，当它作为溶质溶入溶剂，由于溶质与溶剂原子半径相差很大，溶质原子就填充在溶剂晶格的某些间隙位置，形成间隙固溶体。
形成间隙固溶体的溶质元素都是一些原子半径小的非金属元素，如氢（H）、硼（B）、碳（C）、氮（N）、氧（O）等，而溶剂元素一般都是过度族金属元素。实践证明，只有当溶质与溶剂原子半径的比值R质/R剂＜0.59时，才有可能形成间隙固溶体。
②、置换固溶体
它是指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体，犹如这些结点上溶剂原子被溶质原子所置换一样，因此称为置换固溶体。
⑵、固溶体特性
由于溶质溶入，使溶剂的晶格发生畸变，随着溶质含量的升高，固溶体的性能将发生明显改变，一般强度和硬度都有所提高，而塑性、韧性有所下降，电阻率升高，电导率下降等。
通过溶入某种溶质元素形成固溶体，而使其强度和硬度升高的现象，称为固溶强化。
固溶强化的原因主要是由于晶格畸变，而使位错运动受阻。固溶强化也是材料强化的途径之一。
2、金属化合物
⑴、金属化合物定义：合金中除了固溶体外，另一类相是金属化合物。当溶质原子的加入量超过溶解限度时便会形成一种新相，其晶格类型和性能完全不同于任一组元，一般可以用分子式表示其组成。这种化合物与普通化合物不同，除离子键和共价键外，金属键也在不同程度上参与作用，因此它具有一定的金属特性，所以称其为金属化合物。
⑵、金属化合物特点：金属化合物一般具有复杂的晶体构造，熔点高、硬而脆。当合金中出现金属化合物时，可使合金的强度、硬度、耐磨性提高，有些金属化合物还具有某些特殊的物理、化学性能。金属化合物是各类合金钢、硬质合金钢及其他有色合金的重要组成相。   
⑶、金属化合物的类型
按金属化合物形成起主要作用的因素，可把金属化合物分三类：服从原子价规律的正常价化合物；决定于电子浓度的电子化合物；小尺寸原子与过渡族金属之间形成的间隙相和间隙化合物。
下面进行分类介绍：
①、正常价化合物：
这类化合物的特点是符合一般化合物中原子价规律，成分固定，并可用化学分子式来表示。正常价化合物通常由化学性能上表现出强金属性的元素如Mg与非金属或类似于金属元素，如Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ族的Sb、Bi、Sn、Pb等所组成。属于这类化合物的有Mg2Si、Mg2Sn、MgPb等。
正常价化合物具有很高的硬度和脆性。在合金中，当它在固溶体基体上合理分布时，将使合金得到强化，因而起着强化相的作用。如Al-Mg-Si合金中的Mg2Si就是一例。
②、电子化合物---有较高的硬度和脆性。
③、间隙化合物：
在各种工业用钢的组织中，常会遇到不同类型的化合物，如工具钢中的VC（V4C3，V8C7）、高碳高铬模具钢中的Cr7C3，不锈钢中的Cr23C6等；经氮化、渗硼处理以后钢表面形成的Fe4N、Fe2N、Fe2B、FeB等。这些化合物都属于间隙相（间隙化合物）。它们是由过渡族元素（Fe、Cr、Mo、W、V等）和原子半径较小的C、N、B等非金属元素所组成。间隙相一般都是过渡族金属的碳化物、氮化物和硼化物，形成化合物的决定性因素是元素的原子半径的大小。
当非金属原子半径与金属原子半径之比小于或等于0.59时（r非/r金≤0.59），间隙相的晶格形式较简单。其他的间隙相如W2C、WC、Fe4W等也都相似。
当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时（r非/r金＞0.59），形成的是复杂晶格的化合物。如碳钢中的Fe3C，合金钢中Cr23C6、Cr7C3、Fe4W2C、FeB、Fe2B等均属于这一类。
晶格简单的间隙相共同的特点是熔点高、硬度高而且十分稳定。而晶格复杂的间隙相在熔点、稳定性和硬度方面较前者为差。例如高速钢中的Cr23C6、Fe4W2C等加热时就易溶入奥氏体中，而VC则比较困难。
3、机械混合物
纯组元、固溶体和金属化合物是构成合金内部组织的基本相。除此之外，在合金的组织中常出现由两种或两种以上的相机械的混合在一起而组成的多相组织，称为机械混合物。
机械混合物中各组成相仍保持着各自原有的晶格类型和性能，而机械混合物的性能，则取决于各组成相的性能以及它们的数量、形状、大小和分布情况。

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第二部分：金属材料的性能
金属材料的性能
金属材料的性能包括以下两个方面：
①、使用性能。是指材料在工作条件下所必须具备的性能，即为了保证零件能正常工作，材料所应具备的性能，如物理性能、化学性能和力学性能。
②、工艺性能。即反应金属材料在被制成各种零件、构件和工具的过程中，材料适应各种冷、热加工的性能，主要包括铸造、锻造、压力加工、焊接、切削加工、热处理等方面的性能。
一、金属材料的使用性能
1、金属材料的物理性能
金属材料的物理性能包括密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性、磁性等。
⑴、密度：物质单位体积所具有的质量称为密度。其单位是kg/m3或g/cm3。
一般把密度小于5×103kg/m3的金属称为轻金属；而把密度大于5×103kg/m3的金属称为重金属。
如：铁的密度为7.85g/cm3；金属中最轻的镁的密度为1.74g/cm3；最重的是铂，密度为21.45g/cm3。
⑵、熔点：在缓慢加热条件下，金属或合金由固体状态熔化为液体时的温度叫熔点。
常用摄氏温度来表示。金属都有固定的熔点。合金的熔点则和其化学成分有关。不同熔点的金属有不同的用途。熔点高的金属称为难熔金属（如W、Mo、V等），常用语制造耐高温零件；熔点低的金属称为易熔金属（如Sn、Pb等），常用于制造熔丝等，可保护电器设备不会因为电流突然增大而烧坏。
⑶、导电性：材料传导电流的性能称为导电性。
一般来说，金属材料都具有较好的导电性，其中银（Ag）的导电性最好，其次是铜（Cu）、铝（Al）。工业上常用导电性好的铜、铝或它们的合金作为导电结构材料，工程中为减少电能损耗，常采用纯铜或纯铝作为输电导体；用导电性差的金属作为高电阻材料，如Ni、Cr合金和Cr、Fe、Al合金等做电热元件或电热零件；采用导电性的材料，如Fe-Cr、Ni-Cr、Fe-Cr-Al等合金以及硅碳棒等作为加热元件。
⑷、导热性：材料传导热量的能力称为导热性。
热导率越高，导热性越好。纯金属的导热性比合金好，如银、铜导热性最好，铝次之。非金属中，碳（金刚石）的导热性最好。合金钢的导热性比碳钢差，因此，合金钢在进行热处理时的加热速度应缓慢，以保证工件或坏料内外温差小，减少变形或开裂倾向。
⑸、热膨胀性：金属材料随着温度升高而体积发生增大的现象称为热膨胀性。物质都有受热体积膨胀而受冷体积收缩的性能。
实际工作中应该考虑到热膨胀的影响。例如在铺设铁轨时，在两根铁轨衔接处应留有一定的空隙，以便使铁轨在长度方向有膨胀的余地；用精密量具测量工件时，必须保持在室温甚至恒温，以免因热胀冷缩影响测量结果；工程中装配轴承时的应用。
⑹、磁性：材料在磁场中能被磁化或导磁的能力或材料受磁场作用的性能称为导磁性或磁性。
具有显著磁性的材料称为磁性材料。目前的磁性材料有金属和陶瓷两类：金属磁性材料，也称为铁磁材料，常用的有Fe、Co、Ni等金属及其合金；陶瓷磁性材料，通称铁氧体。
2、金属材料的化学性能
材料的化学性能是指材料抵抗其周围介质侵蚀的能力。如有些金属在高温时会生成厚厚的一层氧化皮，而耐热钢却不会生成氧化皮。
⑴、耐蚀性：金属材料在常温下抵抗周围介质侵蚀的能力称为耐蚀性。
腐蚀包括化学腐蚀和电化学腐蚀两种。
①、化学腐蚀：一般是在干燥气体及非电解液中进行的，腐蚀时没有电流产生。
②、电化学腐蚀：是在电解液中进行的，腐蚀时有微电流产生。
合金化或进行表面处理是提高模具钢耐蚀性的主要方法。
⑵、抗氧化性：金属材料在高温下对周围介质中的氧与其作用而损坏的抵抗能力称为抗氧化性。
3、金属材料的力学性能
材料在外力作用下表现的一些性能（如强度、刚度、韧性等），称为材料的力学性能。
金属材料在进行各种加工以及制成零件或工具后的使用过程中，都要受到各种外力的作用。把金属材料所受的外力称为“载荷”，根据载荷对金属材料作用的方式、速度、持续性等的不同，可将载荷分为如下几类：
①、静载荷。其大小不变或变化过程缓慢。
②、冲击载荷。是指突然增加的载荷。
③、交变载荷。其大小和方向随时间周期性变化。
当工件材料受外力作用时，原来的平衡状态遭到破坏，材料中任何一个小单元与其临近的各小单元之间就诱发了新的力。称为内力。单位截面上的内力，称为应力，用б表示。
材料在外力作用下引起形状和尺寸改变，称为变形。
金属材料在的力学性能包括强度、硬度、刚度、弹性、塑性、伸长率（断后伸长率）、收缩率、断面收缩率、韧性等。
⑴、强度：材料在外力的作用下抵抗永久变形和断裂，而不被破坏的能力称为强度。
根据外力作用的性能，由于受力种类不同，载荷作用的方式不同，强度可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度、抗扭强度五种。一般情况下，多以抗拉强度作为判断金属材料强度的标准。
影响强度的因素很多，钢的含碳量、晶粒度、金相组织、碳化物的类型、形状、大小及分布，残留奥氏体量、内应力状态等都对强度有显著影响。
⑵、硬度：材料抵抗另一种更硬物体压入产生压痕或划痕、局部变形特别是塑性变形的能力或性能称为硬度。
硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标。生产上往往用硬度作为衡量工件的耐磨性和强度的依据。硬度是各种零件和工具必备的性能指标。硬度分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度等。
硬度的大小主要取决于化学成分和组织。钢完全淬火变成马氏体的硬度取决于马氏体的含碳量，而合金元素的影响不大。
⑶、刚度：材料在受力时抵抗弹性变形的能力称为刚度。它表示材料弹性变形的难易程度。
⑷、弹性：金属材料在外力作用下产生变形，当外力取消后，具有恢复原有形状和大小的能力，称为弹性。即金属材料不发生塑性变形的能力。
⑸、塑性：材料在外力作用下产生变形而不致破裂，并在外力取消后，仍能保持变形后的形状的能力（或材料断裂前不发生不可逆转变形的能力）称为塑性。
衡量金属材料的塑性好坏，通常采用断后伸长率和断面收缩率来表示。
①、断后伸长率是指拉伸试样拉断后长度增加的相对百分数。
②、断面收缩率是指拉伸试棒经拉伸变形和拉断后，截面部分截面的缩小量
与原始截面之比。
⑹、韧性：材料在冲击载荷作用下抵抗产生裂纹的一个特性。也就是金属材料在断裂前吸收变形能量的能力。常用冲击韧度来评定。冲击韧度值越大，表示材料的韧性越好。
⑺、耐磨性：材料的耐磨损性能。
耐磨性=硬度+碳化物。工具钢的耐磨性取决于热处理硬度和金相结构中坚硬的合金碳化物的数量、类型及分布。 工具钢中最硬的和最耐磨的碳化物为钒碳化物。
例：在硬度相同的条件下BG-42高温轴承钢和ATS-34不锈钢耐磨性比较（甚至在BG-42硬度＜ATS-34情况下），耐磨性：BG-42＞ATS-34
二、金属材料的工艺性能
用金属材料制造各种零件时，首先需要对其进行各种加工，因此，还必须进一步了解其各种工艺性能。金属材料的工艺性能是指金属材料是否易于加工成型的性能。
根据不同的工艺方法，工艺性能一般包括铸造性能、锻造性能、焊接性能
切削加工性能和热处理工艺性能等。
⑴、铸造性能：铸造性能是指液体金属材料是否易于铸成优质铸件的性能。
铸造性能的好坏主要决定于液体金属的流动性、收缩性及偏析倾向等。
①、流动性：液体金属充满铸型型腔的能力称为流动性。流动性的好坏主要与金属材料的化学成分、浇铸温度和熔点高低有关。例如，铸铁的流动性比钢好，易于铸造出形状复杂的铸件。同一金属，浇铸温度越高，其流动性越好。
②、收缩性：金属材料从液体凝固成固体时，其体积收缩程度称为收缩性。收缩性的大小主要取决于材料的种类和成分。
    ③、偏析：偏析是由于凝固或固态相变而导致的合金中化学成分的不均匀分布。产生偏析会使金属材料的强度、塑性、耐磨性下降。产生这种现象的主要原因是合金凝固温度范围大，浇铸温度高，浇铸速度及冷却速度快。
⑵、焊接性：焊接性能是指金属材料用焊接方法获得预期质量要求的优良焊接接头的性能。
焊接性能的好坏与材料的化学成分及采用的工艺有关。钢中含C量越高，其焊接性能就越差。一般来说，低碳钢的焊接性能优良，高碳钢的焊接性能较差；合金钢的焊接性能比碳钢差，铸铁的焊接性能更差。焊接接头不易产生裂纹、气孔和夹渣缺陷，而且具有较高的力学性能。
⑶、可锻性（锻造性能）：金属材料的可锻性能是指在压力加工时，能改变形状而不产生裂纹的性能，改变其原来形状而不破坏的性能。它与金属材料的塑性和强度有直接的关系，强度低、塑性好的金属具有较好的锻造性能。
    ①、锻压性：金属承受压力加工的能力。
    ②、锻接性：把两块金属加热到熔点以下附近温度，加上锻接剂，再加锤击，使两块金属结合在一起的难易程度叫锻接性。
⑷、熔接性：把两块金属接触，然后用氧气、乙炔或电弧热使金属部分熔化结合在一起的难易程度叫熔接性。
⑸、切削加工性：是指金属材料是否易于被刀具切削的性能。金属承受切削加工的能力称为切削性。
切削性好的金属材料，刀具磨损小，加工表面粗糙度低。切削加工性能的好坏与金属材料的硬度、塑性、韧性、导热性及金属的内部结构有关。一些高合金钢的切削性能较差。
磨削加工性：是否易于磨削的性能。与金属材料的耐磨性有关。
⑹、热处理工艺性能：热处理工艺性能是指金属材料通过热处理后改变或改善其性能的能力。
对于钢而言，热处理工艺性能主要包括淬透性、淬硬性、氧化和脱碳、变形及开裂等。通过热处理，可以改善钢制工件的切削加工性，提高其力学性能，延长其使用寿命。
①、淬透性：表示钢在一定条件下淬火时获得淬硬层深度的能力。钢材淬透性好与差，常用淬硬层深度来表示。淬硬层深度越大，则钢的淬透性越好。即高淬透性。钢的淬透性主要取决于它的化学成分，加热温度和保温时间等因素有关。
②、淬硬性：是钢在淬火后所能达到最高硬度的性能。淬硬性主要与钢的化学成分特别是碳含量有关，碳含量越高，则钢的淬硬性越高。

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第三部分：合金元素在钢中的作用
合金元素在钢中的作用
一、发展合金钢的原因
为什么要发展合金钢？当碳钢不能满足力学性能或某种特殊性能的要求时，就要采用合金钢。合金钢就是在碳钢中适量地加入一种或几种其他元素而制成的具有特殊性能的钢。合金钢一般具有较好的力学性能，而且因加入合金元素不同，还具有一些特殊性能，如高的耐磨性、耐蚀性、高磁性等。
碳素钢的缺陷
1、综合机械性能差
虽然碳素钢的强度、硬度随着含碳量的增加而提高，但塑性、韧性却随之下降，不能在同一成分中得到配合完善的综合机械性能。
2、热稳定性差
碳钢在使用温度超过200℃后，软化变形，机械性能（强度、韧性）急剧下降，不能用于高温场合。
3、耐腐蚀性差
碳钢在大多数介质中的耐腐蚀性很差，尤其对酸几乎没有任何抵御能力。
4、淬透性差
碳钢不能用于制作大截面尺寸的重要零件。淬火时，急冷易变形、开裂；缓冷，又淬不上火或淬透层很浅。
5、不能满足某些特殊性能要求
如：耐低温、高磁性、无磁性等等。
二、合金元素在钢中的作用
加入合金元素的作用如下：
⑴、提高力学性能。
①、合金元素能溶入а-Fe，会使а-Fe晶格产生畸变，降低位错的易动性，产生固溶强化的效果，使铁素体的强度、硬度提高。硅、锰可显著提高铁素体的硬度和强度，但含量过小时，对韧性影响不大。铬、镍这两个元素含量适当时，可提高铁素体的硬度和强度，也可提高韧性。
②、合金元素可形成碳化物，使钢得到强化。
③、合金元素可使晶粒细化，提高钢的力学性能。
⑵、改善钢的热处理工艺性能。加入合金元素后可提高钢的淬透性和回火稳定性。
⑶、可使钢获得特殊的物理、化学性能。加入合金元素后，可使钢得到各种特殊性能，如耐酸、耐碱、高磁、耐高温等。
常见合金元素在钢中的作用
为了合金化而加入的合金元素，最常用的有碳、硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒，钛，铌、硼、铝、硫、磷、氧等。现分别说明它们在钢中的作用。
1、碳在钢中的作用：
⑴、提高钢的硬度、强度
2、硅在钢中的作用:
⑴、提高钢的淬火、正火和退火温度，提高钢的回火稳定性和抗氧化性。
⑵、Si可以固溶于铁素体和奥氏体中，提高钢的强度、硬度、弹性和耐磨性。
⑶、Si是强烈促进石墨化的元素（在Si含量较高切不含Cr、V等强碳化物形成元素的中碳和高碳钢中，极易在退火和回火过程中发生石墨化现象。
缺点：使钢的焊接性能恶化。
3、锰在钢中的作用
⑴、锰提高钢的淬透性。
⑵、锰对提高普通低合金钢的强度有显著的作用。（如16mn）
⑶、利用锰和硫化合生成的MnS夹杂有使切削易断的作用，因此在钢中可以加入适量的锰来生产易切削钢。
锰钢的主要缺点是，①、含锰较高时，有较明显的回火脆性现象；②、锰有促进晶粒长大的作用，因此锰钢对过热较敏感t在热处理工艺上必须注意。这种缺点可用加入细化晶粒元素如钼、钒、钛等来克服：③、当锰的质量分数超过1％时，会使钢的焊接性能变坏，④、锰会使钢的耐锈蚀性能降低。
4、铬在钢中的作用
⑴、铬可提高钢的强度和硬度以及耐磨性。
⑵、铬加入钢中能显著改善钢的高温抗氧化性（不起皮）。
⑶、显著提高钢的淬透性，改善钢的抗回火稳定性。
⑷、阻止石墨化
缺点：①、铬能促进钢的回火脆性倾向。
5、镍在钢中的作用
⑴、可提高钢的强度而不显著降低其塑性。
⑵、镍可降低钢的脆性转变温度，即可提高钢的低温韧性。
⑶、改善钢的加工性和可焊性。
⑷、镍可以提高钢的抗腐蚀能力，不仅能耐酸，而且能抗碱和大气的腐蚀。
⑸、提高钢的淬透性。
6、钼在钢中的作用
⑴、提高钢的强度、延展性、耐磨性，改善钢的韧性。
⑵、提高钢热强性。
⑶、Mo可以普遍提高钢的耐腐蚀性能（Mo加入钢中也能使钢表面钝化，但作用不如Cr显著。
⑷、Mo在钢中形成特殊碳化物，可以改善钢在高温、高压下抗氢侵蚀的作用。
⑸、提高钢的淬透性，回火稳定性，防止回火脆性。
缺点：钼的主要不良作用是它能使低合金钼钢发生石墨化的倾向。
7、钨在钢中的作用
⑴、提高钢的硬度、强度和耐磨性
⑵、增加淬火钢的回火稳定性，并产生二次硬化效应（约560℃回火时析出弥散分布的W2C）
⑶、提高钢的抗氢性能。
⑷、是使钢具有热硬性。因此钨是高速工具钢中的主要合金元素。
缺点：W对钢的耐蚀性和高温抗氧化性没有有利的影响，因为在含W钢中容易产生氧化钨层，而氧化钨不象氧化铬那样形成坚固的致密层，故含W钢在高温下的不起皮性大大降低。
8、钒在钢中的作用
⑴、细化钢的组织和晶粒；提高晶粒粗化温度，从而降低钢的过热敏感性。
⑵、在高温溶入奥氏体时，增加钢的淬透性；如以碳化物形式存在时，却将降低钢的淬透性。
⑶、增加淬火钢的回火稳定性，并产生二次硬化效应（析出弥散分布的V4C3）。
⑷、在工具钢中增加钢的耐磨性、热红硬性，并提高钢的强度、弹性和韧性。（V的碳化物几乎可以说是金属碳化物中最硬和最耐磨的。因此，在工具钢中加入V，使生成弥散分布的V4C3，将增加工具钢的硬度和耐磨性，从而延长工具的使用寿命。）
⑸、显著改善低合金钢的焊接性。（主要是V能细化焊缝金属的铸态组织和减小热影响区的过热敏感性，防止热影响区靠近熔化线金属的晶粒过度长大和粗化。）
缺点：V含量过高时，钢的锻制性能将变坏，工具钢在热处理硬化后的磨削加工也比较困难，如V含量超过5%的高速钢工具，必须用单晶刚玉等制成的砂轮进行磨削。
9、钛在钢中的作用
⑴、钛能改善钢的热强性，提高钢的抗蠕变性能及高温持久强度；
⑵、并能提高钢在高温高压氢气中的稳定性。使钢在高压下对氢的稳定性高达600℃以上，在珠光体低合金钢中，钛可阻止钼钢在高温下的石墨化现象。因此，钛是锅炉高温元件所用的热强钢中的重要合金元素之一。
10、铌在钢中的作用
⑴、铌和碳、氮、氧都有极强的结合力，并与之形成相应的极为稳定的化合物，因而能细化晶粒，降低钢的过热敏感性和回火脆性。
⑵、有极好的抗氢性能。
⑶、铌能提高钢的热强性
11、硼在钢中的作用 ；
⑴、提高钢的淬透性。
⑵、提高钢的高温强度。强化晶界的作用。
12、铝在钢中的作用
⑴、用作炼钢时的脱氧定氮剂，细化晶粒，抑制低碳钢的时效，改善钢在低温时的韧性，特别是降低了钢的脆性转变温度；
⑵、提高钢的抗氧化性能。曾对铁铝合金的抗氧化性进行了较多的研究；4％AI即可改变氧化皮的结构，加入6％A1可使钢在980C以下具有抗氧化性。当铝和铬配合并用时，其抗氧化性能有更大的提高。例如，含铁50％一55％、铬30％一35％、铝10％一15％的合金，在1 400C高温时，仍具有相当好的抗氧化性。由于铝的这一作用，近年来，常把铝作为合金元素加入耐热钢中。
⑶、此外，铝还能提高对硫化氢和V2O5的抗腐蚀性。
缺点：①、脱氧时如用铝量过多，将促进钢的石墨化倾向。②、当含铝较高时．其高温强度和韧性较低。
13、硫在钢中的作用
一般认为S是残存在钢中的有害元素之一。S可导致钢出现“热脆”现象（加Mn可以从FeS中夺走S而形成MnS呈微粒状分布在晶粒内，能有效消除热脆性）。在某种条件下，可以将害处转化为益处。如在含S易切削钢中，就是提高S和Mn的含量，使形成较多的MnS微粒，以改善钢的切削加工性。
14、磷在钢中的作用
一般认为P也是钢中的有害元素，P可以导致钢形成“冷脆”。如利用其优点，P是固溶强化铁素体的元素，与其他合金元素相比，它是提高铁素体强度最高的元素。另外，如炮钢中加入P，由于大大增加了钢的脆性而使炮弹爆炸时的碎片数目增多。
15、氧在钢中的作用
氧是在炼钢过程中残留在钢中的元素，根据它们存在和分布的状态不同，对钢的性能起着不同的作用。这些作用，一般对钢的性能是不利的，所以通常总是把钢中的氧看成是有害的但又是不可避免的元素。

[ 本帖最后由 BG-42 于 2009-4-4 16:26 编辑 ]

BG-42

第四部分：钢铁基础知识概述
钢铁基础知识概述
一、钢铁加工方法：
钢铁材料是由Fe和C、Si、Mn、S、P等杂质元素组成的金属材料。
1、钢的冶炼过程
铁矿石→高炉冶炼→生铁→铁锭（用于工业铸造）、炼钢（钢就是由生铁经高温熔炼降低其含C量和清除杂质后得到的）→得到的钢液，除少数铸成铸钢件外，绝大多数都浇成钢锭，再经过轧制或锻造（锻压）制成各种钢材（板材、型材、管材、线材等）或锻件，供进一步加工使用。
生铁：按照C元素存在形态的不同，可以分为炼钢生铁、铸造生铁、球墨铸铁、合金生铁
⑴、炼钢生铁：C以Fe3C的形态存在，其断面呈白色，通常又叫白口铁。这种生铁性能坚硬而脆，一般都用作炼钢的原料。
⑵、铸造生铁：C以片状的石墨形态存在，它的断面呈灰色，通常又叫灰口铁。由于石墨质软，具有润滑作用，因而铸造生铁具有良好的切削、耐磨和铸造性能。但它的抗位强度不够，故不能锻轧，只能用于制造各种铸件，如铸造各种机床床座、铁管等。
⑶、球墨铸铁：C以球形石墨的形态存在，其机械性能远胜于灰口铁而接近于钢，它具有优良的铸造、切削加工和耐磨性能，有一定的弹性，广泛用于制造曲轴、齿轮、活塞等高级铸件以及多种机械零件。
⑷、合金元素：含Si、Mn、Ni或其他元素量特别高的生铁，如硅铁、锰铁等，常用作炼钢的原料。在炼钢时加入某些合金生铁，可以改善钢的性能。
2、轧制和锻造
⑴、轧制：轧制是将金属坏料经过一对旋转轧辊的间隙(各种形状),因受轧辊的压缩使材料截面减小,长度增加的压力加工方法。即金属坏料在两个回转轧辊的间隙中受压变形，以获得各种产品的加工方法。
轧制所用的坏料主要是金属锭。轧制分为冷轧、热轧两种。
①、热轧：钢锭在常温下很硬，不易加工。一般加热到1150度-1200度进行轧制，叫热轧。
大部分钢材是采用热轧轧成的，但在高温下钢表面产生很多氧化皮，使热轧材表面粗糙，尺寸波动大。所以对于要求表面光洁、尺寸精确、力学性能好的钢材，则采用冷轧。
②、冷轧：将钢锭热轧到一定尺寸后，在冷状态（常温）下进行轧制的方法。分初轧、粗轧和精轧。
⑵、钢的锻造
锻造俗称“打铁”，锻造即利用锻锤的往复冲击力使坏料改变成所需的形状和尺寸的一种方法.
锻造按金属变形状况,一般分为自由锻和模锻。
①、自由锻：是指金属坏料在上下砧铁间受冲击力而变形的成形方法。自由锻是把加热到锻造温度（对于一般钢锭为加热到黄白色-1200度左右）的金属，在锻锤的锤头作用下，使金属在高度上被压缩，在水平方向上则自由伸长与展宽，锻打至所要求的形状和尺寸的锻件。
②、模锻：是指金属坏料在具有一定形状的锻模模堂内受冲击力而变形的成形方法。模锻是把加热的坏料放在固定形状的模堂中使之变形，模堂壁阻碍金属自由流动，在模锻终了时，金属充满模堂后，便得到所需要零件的外形和尺寸。模锻适于大批生产。
二、刚铁分类
合金：是由两种以上的金属元素，或者金属元素与非金属元素所组成的具有金属性质的物质。最常用的合金是以Fe为基础的碳合金，如碳素钢、合金钢等。
1、钢、铸铁
黑色金属是以Fe和C为主的Fe、C合金。因为冶炼关系，不可避免地还会有Si、Mn、S、P等杂质。含C量小于2%（或2.11%）的铁碳合金称为钢；含C量在2%~6.67%之间的铁碳合金称为生铁。
通常钢按化学成分有碳素钢、合金钢之分。碳素钢是以Fe和C为主，简称碳钢。
钢与生铁的主要区别是含碳量不同，生铁含碳量为2%~6.67%，钢的含碳量小于2%。
2、碳钢
碳钢的分类方法很多，主要有以下三种。
⑴、按含碳量分
①、低碳钢----含碳量小于0.25的碳钢。
②、中碳钢----含碳量在0.30%~0.60范围内的碳钢。
③、高碳钢----含碳量大于0.60%的碳钢。
⑵、按用途分
①、碳素结构钢----主要制作各类工程结构件，如桥梁、船舶、锅炉、建筑桁架和机械零件。它属于低碳钢或中碳钢。
②、碳素工具钢----主要用于制作各种工具、刀具、量具和模具等。它属于高碳钢。
⑶、按质量分  因钢中有害元素S、P对钢的性能影响很大，故以S、P在钢中的含量来划分钢的质量等级。
①、普通钢----S≤0.055%；P≤0.045%；
②、优质钢----S≤0.040%；P≤0.040%；
③、高级优质钢----S≤0.030%，P≤0.035%。
3、合金钢
当C钢不能满足力学性能或某种特殊性能的要求时，就要采用合金钢。合金钢就是在碳钢中适量地加入一种或几种合金元素而制成的具有特殊性能的钢。
合金钢按合金元素的含量可以分为
⑴、低合金钢----合金元素的总含量小于5%；
⑵、中合金钢----合金元素的总含量在5%~10%之间；
⑶、高合金钢----合金元素的总含量大于10%。

[ 本帖最后由 BG-42 于 2009-4-4 16:26 编辑 ]

nevin

这一页基本上就很难直观地和大家玩的刀联系起来了。。。

amirwave

这么详细啊，赞叹！

BG-42

原帖由 nevin 于 2009-4-4 16:30 发表
这一页基本上就很难直观地和大家玩的刀联系起来了。。。

呵呵，只是希望能在大家对材料的理解上有所帮助！

王亮亮

不如来一个各种钢材的最佳硬度韧性的参考值。 比如d2在多少硬度的时候韧性也能达到很好。
或者各种刚才在各种硬度时候的韧性比。以常见的440c或者d2的韧性为1作参考值

BG-42

原帖由 王亮亮 于 2009-4-4 17:00 发表
不如来一个各种钢材的最佳硬度韧性的参考值。 比如d2在多少硬度的时候韧性也能达到很好。
或者各种刚才在各种硬度时候的韧性比。以常见的440c或者d2的韧性为1作参考值

这个是个不可确定的，比如两个热处理厂家同样处理D2材料，都处理到硬度60，但是韧性不一定相同的。热处理这块比较深奥，不是几句话可以说完的。要说比较的话，除非假设都是在最佳热处理的情况下进行比较。

gundamztl

喜欢学好了有用

nightwolf

感觉回到了学校时代,可爱的金属工艺

云菲尔德

这么复杂啊....
没勇气看完...

大刀杀鬼子

呵呵。。。楼主辛苦了！楼主的付出值得肯定~！很好的资料贴。。。

折叠时空

楼主的精神值得学习!

mikecrystal

那么专业啊。。。长见识了````

ericf

排版很整齐，不过既然是编辑，把相关书目列一下好点。

liuko

专业，辛苦楼主了

BG-42

原帖由 ericf 于 2009-4-5 00:13 发表
排版很整齐，不过既然是编辑，把相关书目列一下好点。

恩,那几本书现在都不在身边,有一本<模具材料热处理>,两本<金属材料热处理>,一本轴承材料热处理作者记不大清了,模具材料热处理好象是赵昌盛主编.

狼行拂晓

专业性很强，但看不太懂