钢结构材料、稳定性、连接与构造、断裂与疲劳破损、防火、钢混组合结构等设计

图1.9各品粒位向示意图

位错的特点是原子易动，对金属的塑性变形、强度、扩散、相变、疲劳腐 蚀等物理、化学性能都起重要作用

位错的特点是原子易动，对金属的塑性变形、强度、扩散、相变、疲劳腐 蚀等物理、化学性能都起重要作用。 3.面缺陷 出子实际金属是多晶体结构，故有晶界存在。晶界有定的厚度，它是 不同位向晶粒间原子不规则排列的过渡层。晶界的存在就是晶体面缺陷的 一种形式。晶界厚度的不同，晶界处的状态不同，都直接改变着金属的性

变电站标准规范范本4.1纯铁、铁碳合金的相结构及其性

大多数金属在结晶终了之后以及继续冷却过程中，基晶体结构不再发

生变化，但也有一些金属如Fe、Co、Ti、Mn、Sn等、在结晶之后继续冷却时、还 会出现晶体结构变化，从一种晶格转变为另一种晶格。金属在固态下随着 温度的改变由一·种晶格转变为另一种晶格的变化称为同素异构（晶）转变 由同素异构转变所得到的不同晶格的晶体称为同素异构（晶）体

温度低于727℃的莱氏体是由珠光体与渗碳体组成的机械混合物。由于渗 碳体在莱氏体中所占比例较大，故莱氏体属脆性组织。

说划合金成分、温度和组织三者关系的图形称为状态图。它是通过一 系列实验测出不同成分合金在缓慢冷却过程中的冷却曲线和组织转变后 在成分一温度坐标图中标定相应的转变点，把同性点连成线所构成的完整 图形。图1.15所示为铁碳含金状态图。图中各线段的名称和含意如下：

ABCD线一一液态线。合金温度高于此线温度必处于液体状态，当冷 却到此线温度时，合金开始由液态向固态转变（结晶）。铁碳合金采用液态 成形工艺获取金属制品时，浇注温度必须高于此线温度： AHJECF线一一固态线。合金的温度低于此线温度则处于固体状态 铁碳合金采用固态塑性变形工艺获取产品或进行改变性能的处理工艺时 加热温度绝对不能高于该线温度。香则，会因出现局部熔化面造成废品

铁碳合金状态图的特性点

3.铁碳合金状态图的应用

碳钢又称碳素钢，具有较好的力学性能、工艺性能，而具治炼工艺较简 单，价格低廉，因而在机器制造和工程构件上得到产泛应用，为了在设计和 主产上合理选择和正确使用各种碳，必须了解我国目前碳钢的分类、编号 及用途，以及碳和一些常存杂质、非金属夹杂物对钢性能的影响。

1.5,1 含碳量对钢组织和力学性能的影响

碳钢中除铁和碳两个主要元素外，炼钢原料总存在一定的杂质，面且 在冶炼过程还会带入一些杂质，如Si、Mn、P、S.非金属夹杂物及氧、氮、氢等 气体。碳钢的组织和性能除受主加元素碳的影响外，还受到上述杂质元素 和爽杂物、气体等的较大影响。

Mn在碳钢中作为杂质存在时一般含量w<0.8%，其脱氧能力较好， 可消除有害气体，能防止形成FeO（降低钢的脆性）；Mn还能与S化合成 MnS，以减轻硫的有害作用，改善钢的热加工性能：在室温下，Mn可溶入铁 素体形成置换固溶体，使钢强化；Mn还能增加珠光体相对量，使组织细化。 Mn作为少量杂质存在时对碳钢力学性能的影响并不显著。 2.硅(Si) 在镇静钢中作为杂质含量w；=0.10%～0.40%；沸腾钢中w;= 0.03%~0.07%。Si的脱氧能力比Mn强，可以防止形成Fe0，改善钢质；Si 可溶于铁素体提高钢的强度、硬度和弹性，但使钢的塑性和韧性降低。当Si 作为少量杂质存在时，对碳钢的性能影响也不显著。· 3.硫S 在固态下，S在铁素体中的溶解度极小，在钢中主要以FeS的形态存 在。FeS塑性差，强度低，所以含S量高的钢.脆性大。更董的是，FeS和 Fe能形成低熔点（985℃）的共晶体分布在奥氏体晶界上，当碳钢加热到 1100~1200℃进行锻、轧等压万加工时，由于低熔点晶体熔化而使钢在热 加工过程中沿着晶界开裂，这种现象称为钢的“热脆” 为了消除硫的有害作用，可在炼钢中加入锰铁以提高钢的含锰量，使 Mm与S化合成高熔点?1620℃）的MnS并呈粒状分布在晶粒内，在高温下有 一定塑性（部分MnS随炉渣一起清除），从而避免了热脆现象。 硫作为常存杂质除有害作用之外，有时为了改善钢的某些性能（例如切） 削性能等），也人为地加入一些硫炼成某些特殊钢种，如易切钢中形戒较多 Mns,在切削加工中对断屑有利。 X4.磷(P) 钢中的磷主要来自炼钢生铁。磷固溶于铁素体中，提高了钢的强度和 硬度，但在室温下使钢的塑性、韧性显著下降，并使脆性转变温度升高，使钢 变脆。这种脆化现象在低温时更为严重，称为“冷脆”。磷的存在也使焊接 性能变坏。所以，必须严格控制钢（特别是结构钢和工真钢）的硫、磷含量， 并以此划分钢的质量等级：但是，磷有时也作为有效元素加人或与其他合 金元素一起加人，生产出某些特殊性能钢，如耐大气腐蚀钢，尤其钢中含铜 时，其抗腐蚀性能更为显著。 S.非金属夹杂物的彭响 在炼钢过程中，少量炉渣、耐火材料及冶炼中反应产物可能进人钢液， 形成非金属夹杂物，例如氧化物、硫化物、硅酸盐、氮化物等。它们都会降低 钢的力学性能，特别是降低塑性、韧性及疲劳强度。严重时还会使钢在热

3.按含碳量分类 （1)低碳钢：优。<0.25%： (2)中碳钢：w=0.25%~0.0% (3)高碳钢：w。>0.60%： 此外，近年述发展了超低碳深冲IF钢。 4.按碳钢质置分类 这种分类方法在分类时主要根据钢中所含有害杂质S、P的质量分数分 为： (1)普通碳素钢：w≤0.050%、W≤0.045% (2)优质碳素钢：w，≤0.040%，w≤0.040% (3)高级优质碳素钢：w,≤0.03%、w,≤0,035%。 节能网 5.按钢的用途分 （1）碳素结构钢：主要用于制造各种工程构件（如桥染船舶、建筑用钢） 和机器零件（如齿轮、轴、螺钉、螺母、曲轴、连杆等），这类钢一般属于低碳和 中碳钢。 2)碳素工具钢：主要用于制造各种刀具、量具、模具。这类钢含碳量较 高，一般属于高碳钢。 1.5.4 碳钢的牌号、主要性能及用途 1.普通碳素结构钢 这类钢治炼容易、工艺性好、价廉，而且在力学性能上也能满足…般工 程结构及普通机器零件的要求,所以应用很广，但钢中的S、P和非金属夹 杂物含量比优质碳素结构钢多，在相同含碳量及热处理条件下，其塑性、韧 性较低，加工成形后一般不进行热处理，大都在热轧状态下真接使用，通常 轧制成板材、带材及各种型材。GB700一88中其牌号编排如下，

素结构钢0195、0215、0235，塑性好，焊接性好，强度较低，一般轧制 营材和各种型钢，主要用于工程结构，如桥梁、高压线塔、金属构件、建

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塑性是金属的一个重要特性，在生产上利用塑性变形对金属进行锻造 乳制、拉丝、挤压、冲压等加工成形。塑性变形不仅能改变金属材料的外形 和尺计，而是还会引起其组织和性能的变化。 经冷塑性变形的金属处于热力学上不稳定的状态，如果升高温度使原 子获得足够的活动能力，它将自发地概复到稳定状态。经冷塑性变形的金 寓在加热时随着温度的升高，其组织和性能将发生与变形时相反的变化，这 个过程主要包括回复、再结晶和晶粒长大塑性变形、回复与再结晶是相 影响、相互联系的，讨论这些过程的实质与规律对控制和改善金属材料的组 织和性能耳有士分重要的竞义

未变形：b)弹性变形：e)弹塑性变形：d)塑性变形

a)未变形：b)位错运动：)位错运动：d)塑性变形

金属变形时首先发生的是弹性变形。应力增大到一定程度后将产生塑 性变形。因此，塑性变形过程中会伴有弹性变形。当外力消除后，弹性变形 将恢复，称为“弹复”现象。“弹复”对塑性加工工艺影响很大，生产中必须予 以考虑，

合金的组织主要分为单相固溶体和多相混合物两类，其塑性变形也各 有其自身的特点。 （1)单相固溶体的塑性变形。单相固浴体合金的显微组织与纯金属相

T综一 一以绝对温度表示的金属熔化溢度

式中：T再一一以绝对温度表示的金属再结晶温度。 利用金属的加工硬化可提高金属的强度，这是工业生产中强化金属材料的 一种手段。在塑性加丁生产中，加工硬化便金属难以继续进行塑性变形，应加 以消除。常采用加热的方法使金属发生再结晶，从而再次获得良好塑性。 晶粒长大（二次再结晶），将温度升高或延长加热时间，金属的晶粒就会 继续长大。晶粒长大可以降低表面能（晶界面积减少之故），是一个降低 能量的多发过程。因为粗晶粒的能单较细晶粒的能量低，晶粒粗大了，表面 能就降低了，故细晶粒有变成粗晶粒的自发趋势。只要温度足够高，原子具 有定够的活动能力，则晶粒便得到迅速长大，这种晶粒长大现象称为二次 再结晶。晶粒长大实际上是一个晶界迁移的过程，即通过一个品粒边界向

织构的形成使多晶体金属出现各向异性，在冲压复杂形状零件（如汽车 覆盖件等）时，产生不均匀塑性变形而可能导致工件报废。当然，也可能利 织构现象来提高硅钢板的某一方向的磁导率，

2.2.2冷塑性变形对金属性能的影响

1.产生加工硬化 金属材料随着冷翘性变形程度的增大，强度和硬度逐渐升高，塑性和韧

在力学性能方面所引起的最为突出的变化。 显然，加工硬化是金属内部组织结构发生变化的宏观表现。经冷变形 后，晶界总面积增大，位错密度也增大，位错线间的距离减小，彼此干扰作 明显增强，使得能够产生滑移变形的潜在部位减少，从而导致滑移阴力增 加，塑性变形能力降低。再则，金属冷变形后，原来晶粒破碎广，形成许多 亚结构，在亚晶粒边界上聚集着大量位错，产生严重的格畸变，也对滑 移过程产生巨大阻碍，所有这些都使金属变形抗力升高，塑性和韧性降 低。 加工硬化在丁业上具有很重要的现实意义。首先，在生产上作为强化 金属（提高强度)的一种重要手段，这对于一些纯金属和不能通过热处理来 提高强度的金属合金（某些不锈钢、黄铜等）尤为重要。使经过热处理后 的某些金属材料也可以通过加工硬化来进一步提高强度，充分发挥材料的 潜力。例如，可以使经热处理的冷拉钢丝强度提高到3100MIPa。其次，加工 硬化能保证金属的某些工艺性能使之得以实现，获得均勾截面的产品：例 如，通过模具冷拉钢丝时，断面收缩部位引起加工硬化，继续拉伸时这些部 位的拉应力增加，但还不致断裂，使冷拉丁艺得以继续进行。同样，在冲压 (拉伸)杯状制品时，由于已变形部位得到强化(不再变形)而未变形部位叫 以继续变形，从而获得均匀壁厚的成品： 加工硬化使金属强化是以辆牲金属的塑性、韧性为代价的，而H在冷变 形加工过程中随着工件加工硬化现象的产生要不断增加机械功率，故对设 备和工具的强度提出较高要求。随着材料塑韧性的下降，设备和1具也可 能发生脆性破坏。此外，加工硬化也使冷轧、冷拔、冲压等成形工艺增加能 耗，为恢复塑性继续进行冷变形往往要经中间退火，这就使生产周期延长， 成本增加。 2.产生各问异性 金属在冷塑性变形中，随着晶粒被拉长或压扁，特别是产生纤维组织 后，金属会具有明显的方向性，其纵向（沿纤维方向）的力学性能高于横向 （垂直纤维方向）的性能。 同样，当金属产生织构时，其力学和电磁性能也呈各向异性。，在大多数 情况下形成织构楚有害的，内于材料性能不一致造成变形分布不均匀，使冲 压件厚度不均

型钢标准3.对物理、化学性能的影响

冷塑性变形会降低金属的导电、导热性能，降低磁性材料的导磁性能 降低金属的抗蚀性能（电化学腐蚀）。

2.3.1冷变形与热变形的区别

2.3.1冷变形与热变形的区别 变形有热变形与冷变形之分。从金属学的观点来说，把再结晶温度以 上的变形称为热变形：而把再结晶温度以下的变形称冷变形。锡、铅的再结

为了获得良好的塑性和加速再结晶过程，工业中采用热变形温度大大 超过再结晶温度。除了高温下塑性好、变形抗力小以外，热变形还给金属带 来很多好处，如它能消除铸造金属中的某些缺陷（气孔的焊合、粗大晶粒的 破碎及改变夹杂物的分布等）。但是，由于在高温下变形，金属表面严重 化，表面粗糙而且精度差，故一般用于大件或截面厚度大利变形罩大的毛 2.3.2热变形对金属组织和性能的影响

1.改善铸锭和坏料的组织和性能 通过热变形（通常是轧制或锻压）可使金属铸锭中的气孔焊合、压实分 散缩孔，使材料的致密度增加；由于在温度与压力的作用下扩散速度增快 因而偏析可部分地消除，使成分比较均匀。经过热变形后，一般都会使晶粒 细化。当然农业标准，能否得到细化晶粒作用，取决于变形量及终锻温度。！要避免 “临界变形量”和过高的终锻温度，就可以细化晶粒，提高金属材料力学性 能。 2.产生热变形纤维组织（流线） 金属内部的夹杂物在高温下具有一定的塑性，在热变形过程中，金属铸