材料的性能与成分

材料的性能与成分、相结构和组织的关系

学院：机械工程与自动化学院

班级：机设13-4

姓名：晏玉碟

学号：120133404155

材料的性能与成分、相结构和组织的关系

摘要：钢铁材料的运用历史悠久，技术成熟，应用广泛，在生产生活中，有着难以取代的地位。钢铁材料的结构特征包括晶体结构、相结构和组织结构。材料的成分，相结构和性能是密不可分的三者。成分和结构往往可以极大的影响材料的性能，而成分和结构之间也是相互影响的。

关键字：材料性能相结构和组织成分金属材料热处理

1材料的性能与成分的关系

钢铁是铁与碳、硅、锰、磷、硫以及少量的其他元素所组成的合金。钢铁的分类方法有很多，但大家最常见的就是按其组成成分及比例来分的。比如说我们常听到的碳素钢和合金钢的区别就是：合金钢了改善钢的性能，在冶炼碳素钢的基础上加入一些合金元素。而碳素钢又可以按其含碳量的不同分为低碳钢、中碳钢和高碳钢；合金钢按其合金元素的总含量可分为低合金钢、中合金钢和高合金钢。

1.1C含量对钢材料性能的影响

我们都知道除铁外，C的含量对钢铁的机械性能起着主要作用，钢是含碳量为0.03%～2%的铁碳合金。

随含碳量升高，碳钢的硬度增加、韧性下降。同时含碳量对工艺性能也有很大影响。对切削加工性来说，一般认为中碳钢的塑性比较适中含碳量过高或过低，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。

碳在F-C合金中存在的形态一种是游离态，另一种是化合态。不论碳以何种形态存在，当ωc%>5%时，合金力学性能都很差，工程上无实际价值。所以我们讨论的F-C合金的碳的质量分数至6,69%为止。①

例如55号钢，塑性、韧性较差，一般只能在正火或淬火后使用，用作要求较高的强度和耐磨性或弹性、动载荷及冲击负荷不大的零件。

C的含量对钢铁的机械性能起着重要作用，随着碳含量的升高，碳钢的硬度增加、韧性下降。

图1.1碳含量对钢铁硬度的影响

1.2合金元素对钢性能的影响

合金成分的加入可以使钢的组织结构和性能都发生一定的变化，从而具有一些特殊性能。合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。

氏体不锈钢中加入适当的钛，可避免晶间腐蚀等。由此可见合金的加入可以使钢的组织结构和性能发生变化，从而具有一些特殊性能。

在热处理中，对加热时奥氏体化的影响，对奥氏体粒的大小，Ti、Nb、V等强碳化物形成元素以及Al（<950℃）可强烈的阻碍奥氏体晶粒长大，而使晶粒细化，W、Mo、Cr等起到一定的阻碍作用。在回火转变过程中，合金元素还能提高耐火性、产生二次硬化和消除回火脆性。②

图1.2合金元素对铁素体硬度的影响

1.3杂质元素对钢性能的影响

普通碳素钢除含碳以外，还含少量锰(Mn)、硅(Si)、硫(S)、磷(P)等元素。这些元素并非为改善钢材质量有意加入的，而是由矿石及冶炼过程中带入的．故称为杂质元素。

硫的影响：硫是炼钢时由矿石与燃料焦炭带到钢中来的杂质。它是钢中的一种有害元素。硫以硫化铁(FeS)的形态存在于钢中。FeS和Fe形成低熔点(985℃)化合物。钢材的热加工温度一般在1150-1200℃以亡，故当钢材热加工时．由于FeS化合物的过早熔化而导致工件开裂，这种现象称为热脆。含硫量愈高，热脆现象愈严重，故必须对钢中含硫虽进行控制。高级优质钢；S≤0.02-0.03%，优质钢：s≤

0.003%-0.045%；普通钢：S≤0.055%-0.7%以下。

氢脆：钢材中的氢会使材料的力学性能脆化，这种现象称为氢脆。钢中氢的来源主要为下列三个方面：冶炼过程中溶解在钢水中的氢，在结晶冷凝时没有能即时逸出

而存留在钢材中；焊接过程中由于水分或油污在高弧高温下分解出的氢溶解入钢材中；设备运行过程中，工作介质中的氢进入钢材中。当钢中存在氢，而应力大于某一临界值时，就会发生氢脆断裂。

气体元素O的影响：氧小部分溶解在铁素体中，且大部分以各种氧化物夹杂型式存在，使钢在强度，塑性与韧性，尤其是疲劳性能降低，故应对钢液脱氧。③

2材料的性能与相结构的关系

钢铁材料的结构特征包括晶体结构、相结构和显微组织结构。

不同碳含量的铁碳合金，其室温下的相组成都是铁素体和渗碳体。但是不同合金的结晶过程不同，因而各相的形态、分布和相对含量差异较大，也就是不同成分的铁碳合金的组织不同。④

铁素体：铁素体是碳溶解在α-Fe中的间隙固溶体，常用符号F表示。具有体心立方晶格，其溶碳能力很低，常温下仅能溶解为0.0008%的碳，在727℃时最大的溶碳能力为0.02%。称为铁素体或α固溶体，用α或F表示，α常用在相图标注中，F

在行文中常用。⑤亚共析成分的奥氏体通过先共析析出形成铁素体。

奥氏体：奥氏体是钢铁的一种显微组织，通常是ɣ-Fe中固溶少量碳的无磁性固溶体，

也称为沃斯田铁或ɣ-Fe。奥氏体的名称是来自英国的冶金学家罗伯茨·奥斯汀

奥氏体塑性很好，强度较低，具有一定韧性，不具有铁磁性。奥氏体因为是面心立方，四面体间隙较大，可以容纳更多的碳。⑥

渗碳体：渗碳体的分子式为 Fe3C ，它是一种具有复杂晶格结构的间隙化合物。它的含碳量为6.69%；熔点为1227℃左右；不发生同素异晶转变；但有磁性转变，它在230℃以下具有弱铁磁性，而在230℃以上则失去铁磁性；其硬度很高（相当于HB800），而塑性和冲击韧性几乎等于零，脆性极大。⑦

3材料性能与组织的关系

铁碳合金的强度对组织形态较为敏感。

当钢铁中的碳含量较小时（小于0.9），强化相渗碳体均匀分布在基体相铁素体中，随着碳含量的增加，合金的强度逐渐增加。但当钢中碳含量较大时(大于0.9%)，渗碳体呈网状分布于铁素体晶界，铁碳合金的强度随碳含量的增加而逐渐降低，同时脆性也增加。所以，为了保证工业用钢具有足够的强度，碳含量一般不超过

1.3%-1.4%。⑧

参考文献：

①P38《工程材料》周继烈倪益华徐志农主编浙江大学出版社 2013.6

②P125-126 《工程材料及成型基础》吕广庶张友明主编高等教育出版社

2011.6

③P153 《机械工程材料》张铁树主编北京大学出版社2011.2

④P140《工程材料》傅宇东崔秀芳高玉芳方双全主编主审北京工业出版

社2014.8

⑤P22《工程材料及其热处理》孙齐磊邓化棱主编机械工业出版社 2014.8

⑥P22《工程材料及其热处理》孙齐磊邓化棱主编机械工业出版社 2014.8

⑦P84《机械工程材料（第2版）》戈晓岚招玉春主编北京大学出版社2006.8

⑧P59《工程材料及成型基础》李镇江张淼主编北京工业出版社 2013.7