基本理论知识
金属材料及热处理部分
一、金属材料的种类
材料是人类用来制造各种有用物件的物质。
工程材料是指具有一定性能，在特定条件下能够承担某种功能、被用来制取零件和元件的材料。
工程材料的种类繁多，分类方法也不同，但均可分为金属材料和非金属材料两大类。 金属材料通常分为黑色金属和有色金属两大类，黑色金属包括钢、铸铁、锰、铬及其合金，有色金属材料是除黑色金属之外的所有金属及其合金。
在铸铁中，由于采用不同的处理方式可使石墨呈现不同的形式。根据石墨形态的差别，将铸铁分为下列几种：普通灰铸铁（石墨呈片状）、蠕墨铸铁（石墨呈蠕虫状）、可锻铸铁（石墨呈团絮状）、球墨铸铁（石墨呈球状）。
二、金属的结构 1．金属的晶体结构
金属和合金在固态下通常都是晶体。
内部原子或离子在三维空间呈周期性有规则的重复排列的固体称为晶质体（晶质）。习惯上，将具有几何多面体外形的晶质称为晶体，相应地，将不具有几何多面体外形的晶质称为晶粒。
由一个核心（晶核）生长而成的晶体称为单晶体，在单晶体的不同方向上测量其性能时，表现出或大或小的差异，这就是晶体的各向异性。
金属材料通常由许多不同位向的小晶粒所组成，称为多晶体；多晶体中各晶粒的各向异性互相抵消，故一般不显示各向异性，所以在工业用的金属材料中，通常见不到各向异性特征，称之为伪各向同性。
工业上使用的金属元素中，除了少数具有复杂的晶体结构外，绝大多数都具有比较简单的晶体结构，其中最典型、最常见的金属晶体结构有三种类型，即体心立方结构，面心立方结构和密排六方结构。
2．金属的同素异构转变
大部分金属只有一种晶体结构，但也有少数金属如Fe、Mn、Ti、Co等具有两种或几种不同的晶体结构，即具有多晶型。当外部条件（如温度和压力）改变时，金属可能由一种晶体结构转变成另一种晶体结构。这种固态金属在不同温度下具有不同晶格的现
象称为多晶型性或同素异晶性。固态金属在一定温度下，其原子排列由一种晶格转变为另一种晶格的过程，称为多晶型转变，也称同素异晶（构）转变。同素异晶（构）转变的产物称为同素异晶（构）体。 如纯铁的同素异构转变： (体心立方)Fe912℃Fe(面心立方)1394℃(体心立方)Fe 由于不同的晶体结构具有不同的致密度，因而发生同素异构转变时，必然引起体积和比容的变化，同时还会引起其它性能的变化。 3．实际金属的晶体结构 在实际应用的金属材料中，不但在结构上是多晶体，而且晶体内部总是不可避免地存在着一些原子偏离规则排列的不完整性区域，这就是晶体缺陷。 根据晶体缺陷的几何形态特征，可以将它们分为：点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。 三、金属材料的性能 金属材料的性能与其化学成分、内部组织结构之间有着极其密切的关系。 金属材料的性能可以大致分为：使用性能和工艺性能。
金属材料的使用性能是指为保证机械零件或工具正常工作，材料应具备的性能，它包括力学性能（也称机械性能）、物理性能和化学性能等。使用性能决定了材料的应用范围、安全可靠性与使用寿命。
金属材料在加工或使用过程中，都是要承受外力作用的，当外力超过某一限度时，金属就会发生变形，甚至断裂。作用在金属材料上的外力也叫作载荷。根据载荷的性质可分为静载荷、冲击载荷和交变载荷等。金属抵抗外力作用的能力，称为力学性能，或者说金属材料的力学性能是指材料在外加载荷作用时所表现出来的性能。常用的力学性能指标有：强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度等。
工艺性能是指在制造机械零件或工具的过程中，金属材料适应各种冷热加工的性能，它包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能以及热处理性能等。
1．强度和塑性
金属受到载荷作用后，其变形和破坏过程一般是：弹性变形→弹性变形加塑性变形→断裂。弹性变形是指载荷全部卸除后，可完全恢复的变形；塑性变形是指在载荷去除后，材料中仍残留下来的永久变形。
强度是指金属材料在静载荷作用下，抵抗永久变形和断裂的能力。由于载荷的作用方式有拉伸、压缩、弯曲、剪切等形式，所以强度也分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。手册与规范上所标出的材料的强度一般都是通过金属拉伸试验来测定。
塑性是指金属材料在断裂前发生永久变形的能力，通常用金属断裂时的最大相对塑性变形来表示。金属的塑性指标也是通过拉伸试验测得的。
图1所示为低碳钢拉伸试验时记录的拉伸曲线（力-延伸曲线）。由图可见，当载荷不大于FP时，拉伸曲线OP为一直线，即试样的延伸与载荷成正比关系，试样处于符合虎克定律的弹性变形（弹性延伸或比例延伸）阶段，当载荷大于Fp而小于Fs时，试样的延伸与载荷已不再成正比关系，拉伸曲线不成直线，但试样仍处于弹性变形阶段，即这时如果去除载荷,试样便恢复原状。
图1 拉伸曲线图
载荷超过Fs后，除弹性延伸外，试样开始产生塑性延伸变形。当载荷达到Fe时，在拉伸曲线上出现水平或锯齿形的线段，这表明在载荷不增加甚至减少的情况下，试样仍继续变形，这种现象称为“屈服”。
屈服现象过后，延伸量又随载荷的增加而逐渐增大，整个试样发生均匀而显著的塑性变形。当载荷增加到某一最大值Fm（最大力）后，试样的局部截面开始急剧缩小，出现了“颈缩”现象。以后的变形主要集中在颈缩部分。由于颈部附近试样截面积急剧减小，载荷也逐渐降低。当达到Fk时,试样在颈缩处断裂。
工业上使用的金属材料，多数是没有屈服现象的，其拉伸曲线如图1b、c所示。图中b是塑性材料的拉伸曲线，如退火铝合金、调质处理的合金钢等；c图是低塑性材料的拉伸曲线图，它没有屈服现象，也不产生缩颈，断裂前载荷并不减小，如高碳钢、某些合金钢、球墨铸铁等。
1）强度指标
根据拉伸曲线上各特殊点的载荷与试样原横截面积的关系，可以测得材料的强度指标。金属材料的强度，常用应力来表示。
材料在受力F作用时，材料内部产生同等大小的抵抗力（称为内力）。材料单位横截面积上的内力称为应力，即：
R=F S式中 R——应力，N/mm2，1N/mm2＝1MPa；
F——材料内部产生的内力，一般与外力大小相等，可用外力代替，N； S——受力面积，mm2。
（1）屈服强度（Re）——旧标准中用“屈服极限s”表示
屈服强度是指当金属材料呈现屈服现象时，在试验期间发生塑性变形而力不增加时的应力。对于拉伸试验时有明显屈服现象（呈现不连续屈服）的金属材料，其屈服强度包括上屈服强度（ReH）和下屈服强度（ReL），如图2所示。
图2 不同类型曲线上的上屈服强度（ReH）和下屈服强度（ReL）
A．上屈服强度（ReH）
上屈服强度是试样发生屈服而力首次下降前的最高应力，其值等于试样发生屈服而力首次下降前的最高试验力与试样原始横截面积之比。
ReH=FeH S0式中 FeH——试样发生屈服而力首次下降前的最高试验力，N。
B．下屈服强度（ReL）
下屈服强度是在屈服期间不计初始瞬时效应时的最低应力，其值等于试样屈服期间不计初始瞬时效应时的最低试验力与试样原始横截面积之比。
ReL=FeL S0式中 FeL——试样屈服期间不计初始瞬时效应时的最低试验力，N。
（2）抗拉强度（Rm）——旧标准中用“b”表示 抗拉强度是与最大力（Fm）相对应的应力。
Rm=Fm S0式中 Fm——试样在拉断前所承受的最大试验力。
抗拉强度是材料对最大均匀变形的抵抗能力，是材料在拉伸条件下所能承受的最大应力值，它是设计和选材的主要依据之一，也是材料的重要机械性能指标。
2）塑性指标
衡量金属塑性好坏的主要指标是断后伸长率和断面收缩率，金属的断后伸长率和断面收缩率越大，其塑性越好。
（1）断后伸长率(A)——旧标准中用“延伸率或伸长率δ”表示
试样在拉断后，其标距部分内所增加的长度与原始标距长度之比的百分率称为断后伸长率。
A=Lu－L0×100% L0式中 L0——试样原始标距；
Lu——拉断后试样标距。
（2）断面收缩率（Z）——旧标准中用“ψ”表示
试样在拉断后，其断裂处横截面积的缩减量与原始横截面积的比值的百分率称为断面收缩率。
Z=S0－Su×100% S0式中 Su——试样断裂后的最小横截面积。
2．硬度
硬度是衡量金属材料软硬程度的一种性能指标，在金属材料制成的半成品或成品的质量检验中，硬度是标志产品质量的重要依据。
硬度的试验方法很多，基本可分为压入法和刻划法两大类。在压入法中，根据加载速度不同又可分为静载压入法和动载压入法（弹性回跳法）。在静载压入法中根据载荷、压头和表示方法的不同，又分为布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度和显微硬度等多种。同一种材料用不同的试验方法测得的硬度值是不同的，但可进行换算。
硬度值的物理意义随试验方法的不同而不同。例如，压入法的硬度值是金属材料抵抗更硬物体压入其表面的能力，也可以说是金属表面抵抗变形的能力；刻划法的硬度值表示金属表面抵抗局部断裂的能力；而回跳法硬度值则代表金属弹性变形功的大小。因此，硬度值实际上不是一个单纯的物理量，它是表征材料的弹性、塑性、形变强化、强度和韧性等一系列不同物理量组合的一种综合性指标。一般认为硬度是金属表面抵抗局部压入变形或刻划破裂的能力。
生产上常用的硬度测量方法是压入法。因为它能测量所有金属材料的硬度，而且设备简单、操作方便、迅速，不损坏工件，适于成批检验，还可在一定条件下根据硬度大致推算出材料的强度值。
1）布氏硬度
布氏硬度试验是在规定试验力F的作用下，将一个直径为D的硬质合金球压入被测试件表面，并停留一定时间，使塑性变形稳定后，再卸除试验力，测量被测试金属表面上所形成的压痕直径d，以压痕的单位面积所承受的平均试验力作为被测试金属的布氏硬度值，用符号HBW表示。
当所加试验力F和硬质合金球直径D选定后，硬度值只与压痕直径d有关。d越大，说明金属材料对压痕的抵抗力越低，即布氏硬度值越小，材料越软；反之，d越小，布
氏硬度值越大，材料越硬。
2）洛氏硬度
洛氏硬度试验法是目前工厂中应用最广泛的试验方法之一。和布氏硬度一样，也是一种压入硬度试验。试验时，将压头在规定的试验力作用下分两步压入被测金属表面，经规定保持时间后，卸除主试验力，测量在初试验力下压痕残余深度h，以此残余压痕深度来表示硬度的高低。
普通洛氏硬度试验时使用金刚石圆锥和1.5875mm、3.175mm球三种压头，采用的试验力有60kg、100kg、150kg三种，它们共有九种组合，对应于洛氏硬度的九个标尺；表面洛氏硬度试验时使用120°金刚石圆锥和1.5875mm硬质合金球两种，采用15kg、30kg、45kg三种试验力，共有六种组合，对应于表面洛氏硬度的六个标尺。
洛氏硬度试验法的优点是操作简便、迅速，压痕较小故可在工件表面或较簿的金属上进行试验，并适用于大量生产中的成品检查，测试的硬度范围大，适于各种软、硬材料。但是，因为压痕小，对于内部组织和硬度不均匀的材料，硬度值波动较大。
3）维氏硬度
维氏硬度试验是将一个顶角为136°的金刚石正四棱锥压头，在规定试验力作用下，压入试件表面，保持一定时间后卸除试验力，然后根据压痕对角线长度来确定试件硬度。所得的硬度值用符号HV表示。
3．冲击性能
以很大速度作用于工件上的载荷称为冲击载荷。许多机器零件在工作时都要受到冲击载荷的作用，如火车的起动、刹车以及速度突然改变时，都会受到冲击，刹车愈猛、起动愈猛，冲击力也就越大。还有一些机械本身就是利用冲击能量来工作的，如锻锤、冲床、凿岩机、铆钉枪等。制造这类零件所用的材料不能单用在静载荷作用下的指标来衡量，而必须考虑材料抵抗冲击载荷的能力。金属材料的冲击性能通过夏比摆锤冲击试验来测定。
GB/T229-1984中规定衡量材料冲击性能的另一指标是冲击韧度（冲击韧性）ak，按GB/T10623-89《金属材料力学性能试验术语》的解释，冲击韧度是试样缺口底部单位横截面积上的冲击吸收功，单位为J/cm2。现行标准中已不再提及该指标。
4．疲劳
许多机械零件如轴、齿轮、弹簧、滚动轴承、轧辊等都是在重复或交变应力作用下工作的。所谓重复应力，是指材料所受的应力只是量的变化，即由小变大，再由大变小；所谓交变应力，是指材料所受的应力的大小和方向随时间作周期性变化。承受重复或交变应力的零件，在工作过程中，往往在工作应力低于其屈服强度的情况下发生断裂。这种断裂称为疲劳断裂。疲劳断裂与静载荷作用下的断裂不同，无论是脆性材料还是韧性材料，疲劳断裂都是突然发生的，事先没有明显的塑性变形,很难事先观察到，因此具有
很大的危险性，常常造成严重的事故。
疲劳断裂是一个裂纹发生和发展的过程，由于材料质量或加工过程中造成的缺陷（裂纹、夹杂、划痕等），在局部造成应力集中，超过屈服强度而形成微裂纹。在重复或交变应力作用下，这些裂纹不断扩展，使材料承受载荷的有效面积不断减小，当减小到不能承受外加载荷作用时，便产生突然断裂。
大量实验证明，金属材料所受的最大交变应力越大，则断裂前所经受的应力循环次数N（疲劳寿命）越少；反之，最大交变应力越小，疲劳寿命N越大。
疲劳强度是指材料在无限多次交变载荷作用而不会产生破坏的最大应力，称为疲劳强度或疲劳极限。
5．金属材料的物理性能
金属材料的物理性能是指金属材料在重力、温度、电磁等物理作用下表现出的性能，包括密度、熔点、导电性、导热性、热膨胀性和导磁性等。
6．全属材料的化学性能
金属材料的化学性能是指金属材料抵抗周围介质侵蚀的能力，包括耐腐蚀性和热稳定性等。
耐腐蚀性是指金属材料在常温下，抵抗周围介质（氧气、水蒸汽及其它化学介质）侵蚀的能力。
7．金属材料的工艺性能
工艺性能是指零件制造过程中各种冷热加工工艺对材料性能的要求，它包括铸造性能、压力加工性能、焊接性能、切削加工性能和热处理性能等。金属材料的工艺性能对于保证产品质量、降低成本、提高生产效率有着重大的作用。
四、纯金属的结晶
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之为结晶。
无论是非金属还是金属，在结晶时均遵循着相同的规律，即结晶过程是形核与长大的过程。
当液态金属过冷至理论结晶温度以下的实际结晶温度时，晶核并未立即出生，而是经过一定时间后才开始出现第一批晶核。结晶开始前的这段停留时间称为孕育期。随着时间的推移，已形成的晶核不断长大；与此同时，液态金属中又产生第二批晶核，依次类推，原有的晶核不断长大，同时又不断产生新的第三批、第四批…晶核，就这样液态金属中不断形核，不断长大，使液态金属越来越少，直到各个晶粒相互接触，液态金属耗尽，结晶过程便告结束。
由一个晶核长成的小晶体，就是一个晶粒。
晶粒的大小对金属的机械性能有很大的影响。一般在常温下，金属的晶粒越细小，
强度和硬度越高，同时塑性韧性也越好。
细化晶粒对于提高金属材料的常温机械性能作用很大，这种通过细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化。
五、二元合金的相结构 1．合金
合金是指由两种或两种以上的金属或金属与非金属组成的具有金属特性的物质，如黄铜是由铜和锌组成的合金、钢铁是由铁和碳组成的合金。合金具有较高的强度、硬度及某些优异的物理化学性能和工艺性能，而且价格低廉，所以它比纯金属得到了更广泛的应用。
2．组元
组成合金最基本的、独立的物质叫做组元，简称为元。一般说来，组元就是组成合金的元素，但也可以是稳定的化合物。例如，黄铜的组元是铜和锌，青铜的组元是铜和锡，碳钢的组元是铁和碳或者是铁和金属化合物（Fe3C）。
3．相
合金中具有相同的结构、成分和性能，并以界面相互分开的组成部分称为相。如纯金属在固态时为一个相（固相），在熔点以上为另一个相（液相），在熔点时为固液两相共存，两相之间有界面（相界）分开。又如铁碳合金在常温时的组成相有两个：铁素体相和渗碳体相。
由一种固相组成的合金称为单相合金，由几种不同固相组成的合金称为多相合金。 4．组织
合金的组织为合金中相的综合，即合金中不同形状、大小、数量和分布的相，相互组合而成的综合体，或说组织就是相的机械混合物。如含碳0.77%的铁碳合金经缓慢冷却到室温时，其组织为铁素体相和Fe3C相组成的两相组织，称为珠光体组织。
5．固溶体
一种组元均匀地溶解在另一组元中而形成的均匀固相称为固溶体。
形成固溶体时，由于溶剂晶格发生畸变，导致塑性变形抗力增加，固溶体的强度、硬度提高，这种现象称为固溶强化。
6．合金相图
合金相图是表示合金系中合金的状态与成分、温度间关系的图解，简称相图或称状态图。相图是在极缓慢冷却、接**衡条件下测绘的，故又称平衡图。
对二元合金系来说，通常用横坐标表示合金成分，纵坐标表示温度。
在成分和温度坐标平面上的任一点称为表象点。一个表象点的坐标值表示一个合金
的成分和温度。
7．杠杆定律
在合金的结晶过程中，随着结晶过程的进行，合金中各个相的成分及其相对含量都在不断地发生着变化。对于某一具体合金来说，不但要了解相的成分，还需要了解相的相对含量。利用“杠杆定律”就能确定任何成分的合金在任何温度下处于平衡状态的两个相的成分和相对含量。
（1）两平衡相及其成分的确定
如图3a所示的Cu-Ni二元相图中，要确定合金Ⅰ冷却到温度t1时合金的组成相及其成分，可通过温度t1作一水平线，分别与液相线和固相线交于a、b两点，表示合金Ⅰ在温度为t1时，是由液相(L)和固相()所组成，a、b两点在成分坐标轴上的投影CL和Cα即是液固两相的成分。
（2）两平衡相相对质量的确定
设图3a中合金Ⅰ的总质量为1，当温度为t1时，液相的质量为WL，固相质量为Wα。 总质量等于液相和固相的质量之和，即
WL+Wα=1
总含镍量等于液固两相含镍量之和，即
WLCL+WαCα=C
联解以上两式得：
WL=Cα－Crb=×100%Cα－CabC－CLarWα==×100%Cα－Cab
上式与力学上的杠杆定律相似，其中以r为支点，杠杆两端质量与其臂长成反比，如图3b）所示，故称为杠杆定律。
图3 杠杆定律及其力学比喻图
在图4中，虽然F～G点之间的合金均由和β两相所组成，但是由于合金成分和结晶过程的变化，相的大小、数量和分布状况，即合金的组织差别很大，甚至完全不同。如在F～M成分范围内，合金的组织为+βⅡ，亚共晶合金的组织为+βⅡ+（+β），
共晶合金完全为共晶组织（+β），过共晶合金的组织为β+Ⅱ+（+β），在N～G点之间的合金组织为β+Ⅱ。其中的、β、Ⅱ、β
Ⅱ
及（+β）在显微组织中均能
清楚地区分开，是组成显微组织的独立部分，这种在显微组织中能清楚分辨的组成显微组织的独立部分称为组织组成物。从相的本质看，它们都是由和β两相所组成，所以和β两相就是组成合金组织的基本相，称为合金的相组成物。
图4 标记组织组成物的Pb-Sn合金相图
合金中的组织组成物或相组成物的相对含量，都可以用杠杆定律来计算。例如图4中含锡量为30％的亚共晶合金在183℃共晶转变结束后，组织为+(+β)，其相对含量分别为：
Wα=2E61.9－30=≈74.4% ME61.9－19M230－19W(α+β)==≈25.6%
ME61.9－19相组成物和β的相对含量分别为：
Wα=2N97.5－30=≈86% MN97.5－19M230－19=≈14% MN97.5－19Wβ=8．二元合金相图遵循的规律
根据前几节对各种二元相图的分析，可以总结出二元合金相图一般具有以下规律： (1)两个单相区只能相交于一点，而不能相交成一条线。
(2)两个单相区之间，应有一个两相区，且该两相区由近邻两个单相区的相所组成；两个两相区必定以单相区或三相共存线隔开。即相邻相区的相数相差1（相区接触法则，点接触除外）。
(3)三相共存线是一条水平线，每一条水平线必定和三个两相区相邻，还分别和三个单相区成点接触，其中一点在线的中间，两点在两端。
(4)如果两个恒温转变中有两个相同的相，那么在这两条水平线之间，一定是由这两个相组成的两相区。
六、铁碳合金相图
碳钢和铸铁都是铁碳合金，是使用最广泛的金属材料。 1．铁碳合金的组元
铁与碳可以形成一系列的化合物，Fe3C、Fe2C、FeC等，每一个稳定的化合物都可以看成是一个组元，因此整个相图可以看成是由Fe-Fe3C、Fe3C-Fe2C、Fe2C-FeC以及FeC-C等四个二元相图所构成。Fe3C中含碳量为6.69%，超过6.69%C的铁碳合金脆性很大，没有使用价值，所以工业上作用的铁碳合金中含碳量不超过5％，在Fe-Fe3C相图的成分范围内。因此，我们在研究铁碳合金时，仅研究Fe-Fe3C部分。后面讨论的铁碳相图实际上就是Fe-Fe3C相图，其组元是铁和渗碳体。
2．铁碳合金中的基本相
在Fe-Fe3C二元合金系中，存在多种成分不同的铁碳合金，它们在不同温度下的平衡组织是各不相同的，但是它们总是由几个基本相所组成。在液态，铁和碳可以无限互溶。在固态，由于铁碳合金的基本组元纯铁具有同素异构转变，可以形成体心立方晶格和面心立方晶格的两种同素异构体。碳溶于铁的这两种晶格，形成两种固溶体，它们是相图中的两个基本相，即铁素体和奥氏体。此外，Fe3C(亦称渗碳体)也是Fe-Fe3C相图的基本相之一。
名称 类型 晶格 含碳量 外形 性能 铁素体（F） 碳溶于-Fe中形成的间隙固溶体 体心立方 ＜0.0218％ 不规则外形晶粒 塑性、韧性好，强度、硬度低 奥氏体（A） 碳溶于γ-Fe中形成的间隙固溶体 面心立方 0.77～2.11％ 不规则外形晶粒 硬度低、塑性好 渗碳体（Fe3C） 铁与碳形成的稳定化合物 斜方晶格 6.69％ 片、粒、网状 硬而脆 3．铁碳合金相图分析
图5 铁碳合金相图
铁碳合金相图主要是由左上角的包晶转变、右边的共晶转变及左下角的共析转变三部分所构成。相图中的特性线是各不同成分合金具有相同意义的临界点的连线。
1）铁碳合金相图中的特性点
特性点 A B C D E F G H J K M N O P S Q 温度/℃ 1538 1495 1148 1227 1148 1148 912 1495 1495 727 770 1394 770 727 727 600 碳的质量分数/% 0 0.53 4.30 6.69 2.11 6.69 0 0.09 0.17 6.69 0 0 ≈0.5 0.0218 0.77 0.0057 特 性 点 的 含 义 纯铁的熔点 包晶转变时液态合金的成分点 共晶点 渗碳体的熔点 碳在γ-Fe中的最大溶解度点 共晶渗碳体的成分点 α-Feγ-Fe同素异构转变点(A3) 碳在δ-Fe中的最大溶解度点 包晶点 共析渗碳体的成分点 纯铁的磁性转变点 γ-Feδ-Fe同素异构转变点(A4) 0.5%C合金的磁性转变点 碳在α-Fe中的最大溶解度点 共析点(A1) 600℃时碳在α-Fe中的溶解度点 2）铁碳合金相图中的特性线
特性线 ABCD 特 性 线 的 含 义 液相线 特性线 PQ ES(Acm) HJB ECF PSK(A1) MO(A2) 特 性 线 的 含 义 碳在铁素体中的溶解度线 碳在奥氏体中的溶解度线 包晶转变线 共晶转变线 共析转变线 铁素体的磁性转变线 AHJECF 固相线 NH JN(A4) GS(A3) GP δ铁素体向奥氏体转变开始温度线，即碳在δ铁素体中的溶解度曲线 δ铁素体向奥氏体转变终了温度线 奥氏体向铁素体转变开始温度线 奥氏体向铁索体转变终了温度线 230℃水平线(A0) 渗碳体的磁性转变线 （1）三条等温转变线
相图中有三条水平线，表示三种等温转变：包晶转变线、共晶转变线、共析转变线。 727℃的PSK线是共析转变线，S点为共析点。凡含碳＞0.0218％的铁碳合金缓慢冷却到727℃（A1）时均要发生共析转变：
A0.77(F0.0218＋Fe3C6.69)P
共析转变的产物（F+Fe3C）称为珠光体，用“P”表示。 （2）三条固态转变线
GS线——含碳＜0.77％的铁碳合金在冷却过程中，从奥氏体中析出铁素体的开始线，或在加热过程中铁素体转变成奥氏体的终了线，又称A3线。
ES线——碳在奥氏体中的饱和溶解度曲线（固溶线），又称Acm线。凡是含碳＞0.77％的铁碳合金自1148℃冷至727℃的过程中，都将从奥氏体中析出渗碳体（称为二次渗碳体Fe3CⅡ）。
PQ线——碳在铁素体中的饱和溶解度曲线（固溶线）。一般铁碳合金自727℃冷至室温时，将从铁素体中析出渗碳体（称为三次渗碳体Fe3CⅢ）。
3）铁碳合金相图中的相区 相图中有五个单相区，它们是： ABCD以上——液相区（L）； AHNA——δ铁素体区(δ)； NJESGN——奥氏体区(A或γ)； GPQ以左——铁素体区(F或)； DFK垂线——渗碳体“区”(Fe3C或C)。
除单相区以外，相图中还有七个两相区，这些两相区分别存在于相邻的两个单相区之间，它们是：L+δ、L+A、L+Fe3C、δ+A、A+F、A+Fe3C及F+Fe3C。
此外，三相共存水平线——HJB、ECF及PSK也可看作是三个三相区。 4．铁碳合金的分类
根据铁碳合金的含碳量及组织不同，可将铁碳合金相图中所有合金分成三大类：工业纯铁、钢、白口铸铁。
(1)工业纯铁 含碳量小于0.0218%的铁碳合金。
(2)钢 含碳量为0.0218%～2.11%的铁碳合金。根据其室温组织的不同，钢又分为三类：亚共析钢(0.0218%C～0.77%C)、共析钢(0.77%C)、过共析钢(0.77%C～2.11%C)。
(3)白口铸铁 含碳量为2.11%～6.69%的铁碳合金。根据室温组织的不同，白口铸铁又分为亚共晶白口铁(2.1l%C～4.3%C)、共晶白口铁(4.3%C)、过共晶白口铁(4.3%C～6.69%C)。
5．不同成分铁碳合金的室温组织
铁碳合金的室温平衡组织是由铁素体和渗碳体两相组成，其中铁素体是软韧的相，而渗碳体是硬脆相。由相图可知，随着含碳量的不断提高，组织中渗碳体相的数量相应增加，同时渗碳体的存在形态也随之发生变化。
硬而脆的渗碳体是铁碳合金的强化相，如果在合金的铁素体基体上分布的渗碳体量越多、越均匀，则材料的强度、硬度就越高。但是渗碳体相分布在晶界成网状，特别是
作为基体时，材料的塑性和韧性将急剧下降。
1）工业纯铁
所以工业纯铁的室温组织为铁素体和三次渗碳体，其显微组织如图6所示。在含碳量小于0.0218%的工业纯铁中，随着含碳量的增加，Fe3CⅢ的量也增加，在P点处Fe3CⅢ的量达到最大值：
WFe3CⅢmax＝0.0218－0.00570.0218≈≈0.33%
6.69－0.00576.692）共析钢
共析钢是含碳量为0.77%的铁碳合金。冷到727℃，在恒温下发生共析转变，转变产物为珠光体(P)，它是由铁素体与渗碳体两相呈片层相间组成的细密混合物，珠光体中的铁素体和渗碳体称为共析铁素体和共析渗碳体。转变刚结束时,共析铁素体和共析渗碳体的相对含量分别是：
WF＝SK6.69－0.77＝≈88.78% PK6.69－0.0218PS0.77－0.0218＝≈11.22% PK6.69－0.0218WFeC＝3共析钢的室温组织就是珠光体。在室温下，共析钢中的铁素体与渗碳体两相的相对量可按杠杆定律求得：
WF＝6.69－0.77≈88.57%
6.69－0.00570.77－0.0057≈11.43%
6.69－0.0057WFeC＝33）亚共析钢
室温组织由先共析铁素体和珠光体所组成，它们的相对量均可用杠杆定律求得，如含碳0.45%的合金合金，其组织组成物中先共析铁素体和珠光体的相对含量分别为（忽略三次渗碳体）：
WF＝0.77－0.45≈42.77%
0.77－0.02180.45－0.0218≈57.23%
0.77－0.0218WP＝同样，也可以算出相组成物的相对含量：
WF≈6.69－0.45≈93.27%，6.69WFe3C＝1－93.3%＝6.73%
4）过共析钢
室温平衡组织是网状的二次渗碳体和珠光体。
含碳量达到2.11%时，二次渗碳体的量达到最大值，其相对量可由杠杆定律算出：
WFe3CⅡmax＝2.11－0.77≈22.64%
6.69－0.77
图6 按组织分区的铁碳合金相图
6．铁碳相图的应用 选材方面的应用 在铸造方面的应用 在压力加工方面的应用 在热处理方面的应用 七、金属的塑性变形
金属材料的铸态组织往往具有晶粒粗大且不均匀、组织疏松和成分偏析等缺陷，而且某些复杂断面的产品不能用铸造直接生产出来，所以金属材料经冶炼浇注后大多数要进行各种压力加工(如轧制、锻造、挤压、拉丝和冲压等)，才能制成满足用户所需要的性能和形状及尺寸的型材和工件。
金属材料在外力作用下，总会引起变形，变形可以是弹性变形，也可以是塑性变形。弹性变形是在载荷卸除后能够完全恢复的变形，是一种暂时变形；塑性变形是在载荷卸除后仍残留在金属上的变形，是一种永久变形。金属材料经压力加工产生塑性变形后，不仅改变了其外形尺寸，而且也使内部组织和性能发生变化。
1．单晶体的塑性变形
当应力超过弹性极限后，金属将产生塑性变形。 单晶体塑性变形最基本的方式有滑移和孪生。
晶体的一部分相对于另一部分沿一定的晶面和晶向发生滑动的现象叫做滑移。 塑性变形的另一种重要方式是孪生。当晶体在切应力的作用下发生孪生变形时，晶
体的一部分沿一定的结晶面（孪晶面或孪生面）和一定的晶向（孪生方向）相对于另一部分晶体作均匀地切变，在切变区域内，与孪晶面平行的每层原子的切变量与它距孪晶面的距离成正比，并且不是原子间距的整数倍。这种切变不会改变晶体的点阵类型，但可使变形部分的位向发生变化，并与未变形部分的晶体以孪晶面为分界面构成了镜面对称的位向关系。通常把对称的两部分晶体称为孪晶，或称双晶，而将形成孪晶的过程称为孪生，
一般说来，孪生的临界分切应力要比滑移的临界分切应力大得多，只有在滑移很难进行的条件下，晶体才进行孪生变形。但是，由于孪生后变形部分的晶体位向发生改变，可使原来处于不利取向的滑移系转变为新的有利取向，这样就可以激发起晶体的进一步滑移。这样，滑移和孪生两者交替进行，即可获得较大的变形量。
2．多晶体的塑性变形机构
基于上述多晶体的变形特点，金属的塑性变形机构，可归结为两大类，即晶内变形机构和晶间变形机构。
1）晶内变形机构
这种变形机构主要有滑移、孪生和亚晶。 2）晶间变形机构 A．晶粒的转动与移动
B．非晶机构（又称为热塑性机构） 八、塑性变形对金属性能的影响
金属及合金的变形按变形温度可分为冷变形和热变形。冷变形是指变形温度在再结晶温度以下的变形，而热变形是指在再结晶温度以上进行的变形。
1．冷塑性变形对金属性能的影响
在冷变形过程中，随着变形程度的增加，金属的强度、硬度增加，而塑性、韧性下降（这一现象称为加工硬化或形变强化）。
为了消除这种硬化现象以便继续进行冷变形加工，中间需要进行再结晶退火处理。 2．回复与再结晶
金属与合金在冷塑性变形时所消耗的功，绝大部分转变成热而散发掉，只有一小部分能量以弹性应变和增加金属中晶体缺陷（空位和位错等）的形式储存起来。形变温度越低，形变量越大，则储存能越高。在热力学上处于不稳定的亚稳状态，它具有向形变前的稳定状态转化的趋势，但在常温下，原子的活动能力很小，使形变金属的亚稳状态可维持相当长的时间而不发生明显变化。如果温度升高，原子有了足够高的活动能力，那么，形变金属就能由亚稳状态向稳定状态转变，从而引起一系列的组织和性能变化，这种变化随温度的升高可分为三个阶段，即回复——再结晶——晶粒长大(也称聚集再结晶)。
再结晶是指经冷变形后的金属在加热到较高温度时，在原来的变形组织中重新形成无畸变的等轴晶，而性能也发生明显的变化，并恢复到完全软化状态的过程。它是通过新晶核的形成和长大而进行的，如同再一次的结晶过程，故称为再结晶。
再结晶晶核的形成与长大都需要原子的扩散，因此必须将冷变形金属加热到一定温度（再结晶温度）之上，足以激活原子，使其能进行迁移时，再结晶过程才能进行。
通常把再结晶温度定义为：经过严重冷变形（变形度在70％以上）的金属，在约一小时的保温时间内能够完成再结晶（＞95％转变量）的最低温度。如碳钢T500℃。
3．金属的热加工
从金属学的角度来看，所谓热加工是指在再结晶温度以上的加工过程，也称热变形，如热轧、热锻、热拔等；在再结晶温度以下的加工过程称为冷加工或冷变形，如冷轧、冷拔等。例如铅的再结晶温度低于室温（～－3℃），因此，在室温下对铅进行加工属于热加工，钨的再结晶温度约为1200℃，因此，即使在1000℃拉制钨丝也属于冷加工。
热加工过程中，在金属内部同时进行着加工硬化与回复再结晶软化两个相反的过程。不过，这时的回复再结晶是边加工边发生的，因此称为动态回复和动态再结晶，而把变形中断或终止后的保温过程中，或者是在随后的冷却过程中所发生的回复与再结晶，称为静态回复和静态再结晶。它们与前面讨论的冷变形后的加热过程中发生的回复与再结晶（也属于静态回复和静态再结晶）一致，唯一不同的地方是它们利用热加工的余热进行，而不需重新加热。
九、金属的断裂
当金属塑性变形达到一定程度后，继续变形时就有可能发生断裂。断裂是金属材料在外力的作用下丧失连续性的过程，它包括完全断裂和不完全断裂。完全断裂是指在应力作用下使金属分成两个或几个部分的现象；不完全断裂是指在应力作用下金属内部产生裂纹的现象。任何一种断裂都是由裂纹的萌生和裂纹的扩展两个基本过程组成。
根据材料断裂前所产生的宏观塑性变形量的大小，可将断裂分为韧性断裂与脆性断裂。
韧性断裂的特征是断裂前发生明显宏观塑性变形，用肉眼或低倍显微镜观察时，断口呈暗灰色，纤维状。由于韧性断裂前发生明显塑性变形，它将预先警告人们注意，因此一般不会造成严重事故。
脆性断裂是一种突然发生的断裂，断裂前基本上不发生塑性变形，没有明显征兆，因而危害性很大。历史上曾发生过大量脆断事故，如美国油船脆断沉没，澳大利亚大铁桥断毁，法国核电站压力容器和英国核电站大型锅炉爆炸，都是由脆性断裂而造成的严重事故。
脆性断裂一般具有如下特点：
(1) 脆断时承受的工作应力很低，一般低于材料的屈服极限；
再
＝450～
(2) 脆断的裂纹源总是从内部的宏观缺陷处开始； (3) 温度降低，脆断倾向增加；
(4) 脆性断口平齐而光亮，且与正应力垂直。
通常脆性断裂前也会发生微量塑性变形，一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5％者为脆性断裂，这种材料称为脆性材料，反之大于5％者为韧性断裂。
十、钢的热处理
热处理是将钢在固态下加热到预定的温度，保温一段时间，然后在一定的介质中冷却，以改变其整体或表面组织，从而获得所需性能的一种热加工工艺。
热处理能有效改善组织和性能，但并不是所有的金属和合金都能进行热处理。原则上只有在加热或冷却时发生溶解度显著变化或者发生类似纯铁的同素异构转变，即有固态相交发生的合金才能进行热处理。纯金属、某些单相合金等由于没有固态相变，故不能通过热处理来强化，只能采用加工硬化的方法。
热处理时各临界点的含义如下：
Ac1――加热时珠光体向奥氏体转变的温度； Ar1――冷却时奥氏体向珠光体转变的温度；
Ac3――亚共析钢加热时铁素体全部转变为奥氏体的终了温度； Ar3――亚共析钢冷却时奥氏体析出铁素体的开始温度；
Accm――过共析钢加热时二次渗碳体全部溶入奥氏体的终了温度； Arcm――过共析钢冷却时奥氏体析出二次渗碳体的开始温度。 1．热处理的分类
根据加热、冷却方式及获得的组织和性能的不同，钢的热处理工艺可分为普通热处理（退火、正火、淬火和回火）、表面热处理（表面淬火和化学热处理）及形变热处理等。
按照热处理在零件整个生产工艺过程中位置和作用的不同，热处理工艺又分为预备热处理和最终热处理。
2．连续冷却转变曲线
许多热处理工艺是在连续冷却过程中完成的，如炉冷退火、空冷正火、水冷淬火等等；钢在铸造、锻轧、焊接之后，也大多采用空冷、坑冷等连续冷却方式。
所谓连续冷却转变是指在一定冷却速度下，过冷奥氏体在一个温度范围内所发生的转变。
在连续冷却过程中，过冷奥氏体同样能进行等温转变时所发生的四种转变，即：先共析转变、珠光体转变、贝氏体转变和马氏体转变，
共析钢连续冷却转变曲线最为简单，只有珠光体转变区和马氏体转变区，说明共析钢连续冷却时没有贝氏体形成，如图7所示。图中珠光体转变区左边一条线叫过冷奥氏体转变开始线，右边一条线叫过冷奥氏体转变终了线，下面一条线叫过冷奥氏体转变中
止线。Ms和冷速vk线以下为马氏体转变区。
图7 共析钢连续冷却转变C-曲线
由图7还可看出，过冷奥氏体连续冷却速度不同，发生的转变及室温组织亦不同： 当以很慢速度冷却时（如v1和v2），发生转变的温度较高，转变开始和转变终了的时间很长。冷却速度增大，发生转变的温度降低，转变开始和终了的时间缩短，而转变经历的温度区间增大。但是，只要冷却速度小于冷却曲线vk，冷却至室温将得到全部珠光体组织，只是组织弥散程度不同而已。如果冷却速度在vk和vk之间（如v3），当冷至珠光体转变开始线时，开始发生珠光体转变，但冷至过冷奥氏体转变中止线，则中止珠光体转变，继续冷却至Ms点以下，未转变的奥氏体转变为马氏体。室温组织为珠光体加马氏体。如果冷却速度大于vk（如v4），奥氏体过冷至Ms点以下发生马氏体转变，冷至Mf点，转变终止，最终得到马氏体加残余奥氏体组织。由此可见，冷却速度vk和vk是获得不同转变产物的分界线。vk表示过冷奥氏体在连续冷却过程中不发生分解，而全部过冷至Ms点以下发生马氏体转变的最小冷却速度，称为上临界冷却速度，又称临界淬火速度，vk表示过冷奥氏体在连续冷却过程中全部转变为珠光体的最大冷却速度，又称下临界冷却速度。
3．普通热处理 1）钢的退火
退火就是将钢加热到临界点以上，保温一定时间，然后缓慢冷却（炉冷、坑冷、灰冷）到600℃以下再空冷到室温，得到接**衡状态组织的一种热处理工艺，也叫“焖火”。
实际生产中，退火工艺的种类很多。其中加热到Ac1点以上的退火，称为“重结晶退火”，还有一些加热到Ac1点以下的退火，统称为“低温退火”，
2）钢的正火
正火是将钢加热到Ac3或Accm以上适当温度进行完全奥氏体化，保温以后在空气
中冷却得到珠光体类组织的热处理工艺,也叫“常化”。
正火处理的加热温度通常在Ac3或Accm以上30～50℃，高于一般退火的温度。对于含有V、Ti、Nb等碳化物形成元素的合金钢，可采用更高的加热温度，即为Ac3以上100～150℃，让碳化物充分溶解。
3）钢的淬火
将钢加热至临界点Ac3或Ac1以上一定温度，保温以后以大于临界冷却速度的速度冷却得到马氏体(或下贝氏体)的热处理工艺叫做淬火。
淬火工艺的实质是奥氏体化后进行马氏体转变，淬火钢的组织主要由马氏体组织，同时还有少量残余奥氏体和未溶的第二相。
从原理上说，只有发生奥氏体向马氏体转变的热处理过程才能叫作淬火。但是，淬火这一术语，现在用得很广泛，凡是奥氏体化以后在水中、油中或低温盐浴中快速冷却的工艺过程，都叫作淬火。在这广义的淬火过程中，可能发生马氏体转变，也可能发生贝氏体转变，还可能不发生任何转变，将奥氏体固定到室温。
（1）淬火加热温度
淬火加热温度的选择应以得到均匀细小的奥氏体晶粒为原则，以便淬火后获得细小的马氏体组织。
A．亚共析钢淬火加热温度
亚共析钢必须加热到Ac3以上进行完全淬火，加热温度一般为：Ac3+30～70℃。 B．共析钢、过共析钢
共析钢、过共析钢的淬火加热温度一般为：Ac1+30～70℃。 （2）钢的淬透性 A．淬透性的概念
钢的淬透性是指奥氏体化后的钢在淬火时获得马氏体的能力，其大小用钢在一定条件下淬火获得的淬透层的深度表示。
除Co外，合金元素能溶入A，增加过冷A的稳定性，使C曲线右移，减小了临界冷却速度，提高了钢的淬透性。常用来提高钢的淬透性的元素（由强到弱排列）有：Mo、Mn、W、Cr、Ni、Cu、Si、V、Al。
B．淬透性和淬硬性及淬透层深度的区别 a．钢的淬透性和淬硬性的区别
淬透性表示钢淬火时获得马氏体的能力，它反映钢的过冷奥氏体稳定性，即与钢的临界冷却速度有关。过冷奥氏体越稳定，临界淬火速度越小，钢在一定条件下淬透层深度越深，则钢的淬透性越好。
淬硬性表示钢淬火后能够达到的最高硬度，它主要取决于马氏体中的含碳量。马氏体中含碳量越高，钢的淬硬性越高。显然，淬透性和淬硬性并无必然联系，例如高碳工具钢的淬硬性高，但淬透性很低；而低碳合金钢的淬硬性不高，但淬透性却很好。
b．淬透性和实际条件下淬透层深度的区别
在相同奥氏体化条件下的同一钢种，其淬透性是相同的，其大小用规定条件下的淬透层深度表示。而实际工件的淬透层深度是指具体条件下测定的半马氏体区至工件表面的深度，它与钢的淬透性、工件尺寸及淬火介质的冷却能力等许多因素有关。例如，同一钢种在相同介质中淬火，小件比大件的淬透层深；一定尺寸的同一钢种，水淬比油淬的淬透层深，工件的体积越小，表面积越小，则冷却速度越快，淬透层越深。决不能说，同一钢种水淬时比油淬时的淬透性好，小件淬火时比大件淬火时淬透性好。淬透性是不随工件形状、尺寸和介质冷却能力而变化的。
4）钢的回火
淬火钢的组织主要是马氏体或马氏体加残余奥氏体，此外还可能有一些未溶碳化物。淬火状态钢是不稳定的，
（1）回火的目的
钢的回火就是将淬火钢在Ac1以下温度加热，使其转变为稳定的回火组织，并以适当方式冷却到室温的热处理工艺过程。
回火的主要目的是减少或消除淬火应力，保证相应的组织转变，提高钢的韧性和塑性，获得硬度、强度、塑性和韧性的适当配合，以满足各种用途工件的性能要求。
（2）回火的类型及回火转变的组织和性能
对于一般碳钢和低合金钢，根据工件的组织和性能要求，回火有低温回火、中温回火和高温回火（调质处理）等几种。对于不能通过退火来软化处理的高合金钢，可以在Ac1－20～40℃进行软化回火。
4．钢的表面热处理
在扭转和弯曲等交变载荷作用下工作的机械零件，如齿轮、凸轮、曲轴、活塞销等，它的表面层承受着比心部高的应力，在有摩擦的情况下还要受磨损。因此，必须提高这些零件表面层的强度、硬度、耐磨性和疲劳极限，而心部仍保持足够的塑性和韧性，使其能承受冲击载荷。在这种情况下，若采用前述的热处理方法，就很难满足要求，这就需要进行表面热处理。
钢的表面热处理主要包括表面淬火与表面化学热处理两大类。
钢的表面淬火是一种不改变钢表面化学成分，但改变其组织的局部热处理方法，是通过快速加热与立即淬火冷却两道工序来实现的。结果是表面层获得硬而耐磨的马氏体组织，而心部仍保持着原来的退火、正火或调质状态。
4．化学热处理
化学热处理是把工件置于某种介质中，通过加热和保温，使介质分解析出某些元素渗入工件表层，改变了表层的化学成分，从而获得所需的组织和性能的热处理工艺。根据渗入的元素不同，化学热处理分为渗碳、渗氮、碳氮共渗、渗硼、渗铝等。
在机器制造业中，一些重要零件，如汽车、拖拉机变速箱齿轮、活塞销等，工作时
受到较严重的磨损、冲击，循环载荷的作用。因此要求零件表面具有高的硬度，耐磨性，而心部具有较高的强度和韧性。为了满足上述零件使用性能的要求，可用低碳钢经渗碳和淬火、低温回火。这样，零件表层获得高硬度的高碳钢组织，而心部仍为低碳钢保留较高的强度及韧性的特点，从而满足零件的性能要求。
工件渗碳后必须进行淬火和低温回火，才能达到表面要求的高硬度和耐磨性。 十一、工业用钢材料
工业用钢材料有碳素钢和合金钢两大类。碳素钢是含碳量为0.0218%～2.11%的铁碳合金，工业上使用的钢一般其含碳量不超过2%。
1．钢的分类和牌号 1）钢的分类
GB/T13304-2008《钢分类》分为两部分，第一部分为按化学成分分类，第二部分为按主要质量等级和主要性能或使用特性分类。
按钢的化学成分可将其分为非合金钢、低合金钢和合金钢三大类。非合金钢中除碳素钢外，还包括原料纯铁以及其它专用的具有特殊性能的非合金钢；低合金钢是指含有少量合金元素（多数情况下总量不超过3%）的普通合金钢。按钢的质量等级又有普通质量、优质质量、特殊质量之分。普通质量钢是指在生产过程中不规定需要特别控制质量要求的钢；优质质量钢是指在生产过程中需要特别控制质量(例如控制晶粒度，降低硫、磷含量，改善表面质量或增加工艺控制等)，以达到比普通质量钢特殊的质量要求(例如是好的抗脆断性能．良好的冷成型性等)的钢，但这种钢的生产控制不如特殊质量钢严格；特殊质量钢是指在生产过程需要特别严格控制质量和性能(特别是严格控制硫、磷等杂质含量，控制淬透性和纯洁度)的钢。
虽然GB／T13304-2008规定了钢的分类方法，但人们往往还是习惯于沿用传统的分类方法，如图8所示。
在钢分类时，为了能充分反映钢的本质属性，往往把用途、成分、质量三种分类方法结合起来。例如优质碳素结构钢、碳素工具钢等。
2）钢产品牌号表示方法
常用钢材的牌号表示方法（GB/T221-2008） (1) 碳素结构钢和低合金结构钢
这类钢分为通用结构钢和专用结构钢两类。 牌号表示方法：
前辍+屈服强度值(单位为N/mm2)+质量等级+脱氧方法
通用结构钢的前辍用Q（屈服点的拼音字母），专用结构钢的前辍符号见下表。 牌号举例：Q235AF(碳素结构钢)、Q345D(低合金高强度结构钢)、HRB335。 说明：
1) 碳素结构钢的牌号中，镇静钢、特殊镇静钢的表示符号可以省略。 2) 低合金高强度结构钢为镇静钢或特殊镇静钢，在牌号后没有脱氧方法。 3) 有专门用途的应在钢号后标出。如Q345R（压力容器钢）、Q340NH（耐候钢）。 4) 根据需要，通用低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字(表示平均含碳量的万分数)和元素符号，按顺序表示，如09MnV；专用低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字(表示平均含碳量的万分数)，如20MnK。
按含碳量分：低碳钢(ωC≤0.25%)、中碳钢(ωC＝0.25～0.6%)、高碳钢(ωC＞0.6%) 普通碳素钢 (ωS≤0.055%、ωP≤0.045%) 碳素钢 按钢中P、S的含量分 优质碳素钢 (ωS≤0.04%、ωP≤0.04%) 高级优质碳素钢 (ωS≤0.03%、ωP≤0.03%) 按用途分：碳素结构钢、碳素工具钢、碳素易切削钢 低合金钢 (ωMe≤5%) 按合金元素总量分 中合金钢 (ωMe＝5～10%) 高合金钢 (ωMe＞10%Me) 合金钢 按主要合金元素的种类分：锰钢、铬钢、铬镍钢、铬锰钛钢等 按用途分：合金结构钢、合金工具钢、特殊性能钢 结构钢 建筑及工程结构用钢：碳素结构钢、低合金高强度结构钢、碳素铸钢、合金铸钢 机械制造用钢：渗碳钢、调质钢、弹簧钢、滚动轴承钢等 碳素刃具钢 刃具钢 按用途工具钢 模具钢 量具钢 特殊性能钢：不锈钢、耐热钢、耐磨钢等 专业用钢：汽车用钢、锅炉用钢、电工用钢等等 按制造或加工方式分：铸钢、锻钢、热轧钢、冷轧钢、冷拔钢 按冶炼炉型分：平炉钢、转炉钢、电炉钢 按脱氧程度分：沸腾钢、镇静钢、半镇静钢 按组织按退火组织分：亚共析钢、共析钢、过共析钢、莱氏体钢 按正火组织分：珠光体钢、贝氏体钢、马氏体钢、奥氏体钢 低合金刃具钢 高速钢 冷作模具钢 热作模具钢 按化学成分分类 钢
图8 钢的传统分类方法
(2) 优质碳素结构钢和优质碳素弹簧钢 牌号表示方法：
两位数字（表示平均含碳量的万分数）
牌号举例：45 (平均含碳量为0.45％)，08F (平均含碳量为0.08％)、50A、45AH、65Mn。
说明：
1) 沸腾钢和半镇静钢，在牌号尾部分别加符号“F”和“b”，镇静钢一般不标符号。例如，平均含碳量为0.08％的沸腾钢，其牌号表示为08F；平均含碳量为0.10％的半镇静钢，其牌号表示为10b，平均含碳量为0.45％的镇静钢，其牌号表示为45。
2) 较高含锰量的优质碳素结构钢，在钢号后加锰元素符号“Mn”。如含碳量为
0.48%～0.56%、含锰量为0.70%～1.00%的优质碳素结构钢的牌号表示为50Mn。
3) 高级优质碳素结构钢，在牌号后加符号“A”。例如20A。 4) 特级优质碳素结构钢，在牌号后加符号“E”。例如45E。 5) 专用优质碳素结构钢，在牌号后应标明用途。如45AH。 6) 优质碳素弹簧钢的表示方法与优质碳素结构钢相同。 (3) 易切削钢 牌号表示方法：
Y + 数字（表示平均含碳量的万分数） 说明：
1) 含钙、铅、锡等易切削元素的易切削钢，在牌号后加易切削元素符号。如Y45Ca。 2) 加硫和加硫磷的易切削钢，在牌号后不加易切削元素符号。例如Y30。 3) 较高含锰量的加硫或加硫磷易切削钢，在牌号后加锰元素符号“Mn”。为区分牌号，对较高硫含量的易切削钢，在牌号后加硫元素符号“S”。例如，含碳量为0.40%～0.48%、含锰量为1.35%～1.65%的易切削钢，其牌号表示为Y45Mn；含碳量为0.40%～0.48%、含锰量为1.35%～1.65%、含硫量为0.24%～0.32%的易切削钢，其牌号表示为Y45MnS。
(4) 合金结构钢和合金弹簧钢 牌号表示方法：
两位数字+合金元素符号+数字 牌号举例：25Cr2MoVA、60Si2Mn。 说明：
1) 牌号头部的两位数字表示平均含碳量的万分数，合金元素符号后面的数字表示该合金元素平均含量的百分数。
2) 合金元素含量表示方法：平均含量小于1.50%时，牌号中仅标明元素，一般不标明含量；平均合金含量为1.50%～2.49%、2.50%～3.49%、3.50%～4.49%时，在合金元素后分别标2、3、4，以此类推。例如碳、铬、锰、硅的平均含量分别为0.30％、0.95％、0.85％、1.05％的合金结构钢，其牌号表示为30CrMnSi。
3) 高级优质合金结构钢，在牌号尾部加符号“A”表示，例如25Cr2MoVA。 4) 特级优质合金结构钢，在牌号尾部加符号“E”表示，例如30CrMnSiE。 5) 专用合金结构钢，在牌号头部(或尾部)加代表产品用途的符号。例如，ML30CrMnSi（铆镙用钢）、16MnDR（低温压力容器用钢）。
6) 合金弹簧钢的表示方法与合金结构钢相同。 (5) 非调质机械结构钢 牌号表示方法：
F +两位数字+合金元素符号+数字 说明：
非调质机械结构钢牌号表示方法与合金结构钢相同，只是在牌号的头部加符号“F”。例如，F35V表示含碳量为0.32%～0.39%，含钒量为0.06%～0.13%的非调质机械结构钢。
(6) 碳素工具钢 牌号表示方法：
T + 数字（表示平均含碳量的千分数） 说明：
1) 较高含锰量的碳素工具钢，在牌号后加锰元素符号“Mn”。例如，平均含碳量为0.80%、含锰量为0.40%～0.60%的碳素工具钢，其牌号表示为T8Mn。
2) 高级优质碳素工具钢，在牌号尾部加符号“A”。例如T10A。 (7) 合金工具钢和高速工具钢
牌号表示方法基本上同合金结构钢。不同之处在于：
1) ωC≥1.00%的合金工具钢，在牌号前不标碳含量数字。如，平均含碳量为1.60%、含铬量为11.75%、含钼量为0.50%、含钒量为0.22%的合金工具钢，其牌号表示为Cr12MoV。
2) 平均含碳量小于1.00%时，采用一位数字表示平均含碳量的千分数。例如，平均含碳量为0.80%，含硅量为0.45%，含锰量为0.95%的合金工具钢，其牌号表示为8MnSi。
3) 高速钢的牌号前一般不标表示含碳量的数字。为了区别牌号，可在高速钢牌号前加“C”表示高碳高速工具钢。如W6Mo5Cr4V2、CW6Mo5Cr4V2。
4) 低铬(平均含铬量小于1%)合金工具钢，以千分数表示含铬量，并在数字前加“0”。如，平均含铬量为0.60％的合金工具钢，其牌号表示为Cr06。
(8) 不锈钢和耐热钢 牌号表示方法：
数字（含碳量）+合金元素符号+数字（合金元素平均含量百分数） 说明：
1) 碳含量用两位或三位阿拉伯数字表示碳含量最佳控制值(以万分数或十万分数计)。
只规定碳含量上限者，当ωC≤0.10%时，以其上限的3／4表示碳含量；当ωC＞0.10%时，以其上限的4／5表示碳含量。例如，碳含量上限为0.08%，碳含量以06表示；碳含量上限为0.20%，碳含量以16表示；碳含量上限为0.155，碳含量以12表示。
对超低碳不锈钢(即ωC≤0.030%)，用三位阿拉伯数字表示碳含量最佳控制值(以十万分数计)。例如，碳含量上限为0.030%时，其牌号中的碳含量以022表示；碳含量上限为0.020%时，其牌号中的碳含量以015表示。
规定上、下限者，以平均碳含量的100倍数表示。例如，碳含量为0.16～0.25%时，其牌号中的碳含量以20表示。
2) 合金元素含量表示方法同合金结构钢。钢中有意加入的铌、钛、锆、氮等合金元
素，虽然含量很低，也应在牌号中标出。例如，ωC≤0.08%、铬含量为18.00%～20.00%、镍含量为8.00%～11.00%的不锈钢牌号为06Cr19Ni10；碳含量ωC≤0.030%、铬含量为16.00%～19.00%、钛含量为0.10%～1.00%的不锈钢牌号为022Cr18Ti；碳含量为0.15%～0.25%、铬含量为14.00%～16.00%、锰含量为14.00%～16.00%、镍含量为1.50%～3.00%、氮含量为0.15%～0.30%的不锈钢牌号为20Cr15Mn15Ni2N；ωC≤0.25％、铬含量为24.00%～26.00%、镍含量为19.00%～22.00%的耐热钢，牌号为20Cr25Ni20。
(9) 轴承钢
轴承钢分为高碳铬轴承钢、渗碳轴承钢、高碳铬不锈轴承钢和高温轴承钢等四大类。 1) 高碳铬轴承钢，在牌号头部加符号“G”，但不标明含碳量。铬含量以千分数计，其他合金元素按合金结构钢的合金含量表示。例如，平均含铬量为1.50％的轴承钢，其牌号表示为GCr15。
2) 渗碳轴承钢，采用合金结构钢的牌号表示方法，仅在牌号头部加符号“G”。例如，平均含碳量为0.17%～0.23%、含铬量为0.35%～0.65%、含镍量为0.40%～0.70%、含钼量为0.10%～0.30%的渗碳轴承钢，其牌号表示为G20CrNiMo。
3) 高级优质渗碳轴承钢，在牌号尾部加“A”。例如G20CrNiMoA。
4) 高碳铬不锈轴承钢和高温轴承钢，在牌号头部加符号“G”，并采用不锈钢和耐热钢的牌号表示方法。例如，平均含碳量为0.90%～1.00%、含铬量为17%～19%的高碳铬不锈轴承钢，其牌号表示为G95Cr18；平均含碳量为0.75%～0.85%、含铬量为3.75%～4.25%、含钼量为4.00%～4.50%的高温轴承钢，其牌号表示为G80Cr4Mo4V。
(10) 焊接用钢
焊接用钢包括焊接用碳素钢、焊接用合金钢和焊接用不锈钢等，其牌号表示方法是在各类焊接用钢牌号头部加符号“H”。例如，H08、H08Mn2Si。
高级优质焊接用钢，在牌号尾部加符号“A”。例如，H08A、H08Mn2SiA。 (11) 冷轧电工钢
冷轧电工钢分为无取向电工钢和取向电工钢，牌号由三部分组成。 第一部分：材料公称厚度(单位：mm)100倍的数字；
第二部分：普通级取向电工钢表示符号“Q”、高磁导率级取向电工钢表示符号“QG\"、无取向电工钢表示符号“W”；
第三部分：取向电工钢，磁极化强度在1.7T和频率在50Hz，以W／kg为单位及相应厚度产品的最大比总损耗值的100倍；无取向电工钢，磁极化强度在1.5 T和频率在50 Hz，以W／kg为单位及相应厚度产品的最大比总损耗值的100倍。
例如，公称厚度为0.30 mm、比总损耗P1.7／50为1.30 W／kg的普通级取向电工钢，牌号为30Q130；公称厚度为0.30 mm、比总损耗P1.7／50为1.10 W／kg的高磁导率级取向电工钢，牌号为30QG110；公称厚度为0.50 mm、比总损耗P1.5／50为4.0 W／kg的无取向电工钢，牌号为50W400。
(12) 钢轨钢、冷镦钢 钢轨钢牌号表示法:
U+数字+合金元素符号+数字 冷镦钢(铆镙钢)牌号表示法: ML+数字+合金元素符号+数字
“U”为钢轨钢符号、“ML”为冷镦钢(铆螺钢)表示符号，后面的数字表示平均碳含量。合金元素符号后的数字表示合金元素平均含量的百分数。如U70MnSi、ML30CrMo。
(13) 电磁纯铁 牌号表示法: DT+顺序号
例如，DT3、DT4。电磁性能不同，可以在牌号尾部分别加质量等级符号A（高级）、C（超级）、E（特级）。例如DT4A、DT4C、DT4E。
(14) 原料纯铁
牌号表示法：YT+顺序号。如YT1。 2．钢中各种元素对钢的影响 1）钢中的杂质元素及其影响
钢在冶炼过程中不可避免地要带入一些杂质，如硅、锰、磷、硫、非金属夹杂物以及氧、氢、氮等气体。这些杂质对钢的质量有较大的影响。
（1）锰的影响
锰在钢中是有益的元素。在碳钢中含锰量通常在0.25％～0.80％范围内，最高可达1.20%。
锰作为炼钢时的脱氧剂加入钢中，可以提高硅和铝的脱氧效果。特别是锰和硫结合形成MnS，可减轻硫在钢中的有害作用。锰大部分溶于铁索体中，形成置换固溶体，并使铁索体强化，从而提高钢的强度。当锰含量不多，在碳钢中仅作为少量残存元素时，对钢的性能影响不显著。
（2）硅的影响
硅在钢中也是一种有益的元素。在镇静钢中含硅量在0.10％～0.40％之间，沸腾钢中只含有0.03％～0.07％。
硅是作为脱氧剂以硅铁合金形式加入钢中的，其脱氧能力比锰强。硅能与钢液中的氧化合，形成二氧化硅(SiO2)，再与其它氧化物(FeO、MnO、Al2O3)结合形成硅酸盐，由此降低钢中氧含量。
硅和锰一样，能溶于铁素体中，使铁素体强化，从而提高钢的强度、硬度、弹性极限，而降低塑性和韧性。当硅含量不多，在碳钢中仅作为少量残存元素存在时，对钢的性能影响不显著。
（3）硫的影响
硫在钢中是有害元素，它是随同矿石、生铁、废钢及燃料进入钢中的。在固态下，硫在钢中的溶解度极小，以FeS的形态存在于钢中。FeS与Fe可形成低熔点的共晶体(熔点只有985℃)，并分布于奥氏体晶界处。当钢加热到1100～1200℃进行热加工时，晶界上的共晶体巳熔化，晶粒间结合被破坏，使钢在加工过程中沿晶界开裂，使钢变得极脆，这种现象称为热脆。
在钢中增加含锰量，可消除硫的有害作用。因为锰与硫的亲和力比铁与硫的亲和力大，锰与硫优先形成高熔点的MnS（1620℃），并呈粒状分布在晶粒内，而且MnS在高温下具有一定的塑性，从而可避免热脆现象。
鉴于硫对钢性能的不良影响，通常情况下，在炼钢时应尽量降低钢液中的含硫量。但含硫量较多的钢，可形成较多的MnS，在切削加工中MnS对断屑有利，可改善钢的切削加工性能。
（4）磷的影响
磷在钢中也是有害元素，它是由矿石、生铁和废钢带入的。一般情况下，钢中的磷能全部固溶于铁素体中(高温时溶于奥氏体中)，它使铁素体的强度、硬度显著提高，但却使钢的塑性、韧性急剧降低。当钢的含磷量增加时，磷还能使钢脆性转变温度升高，致使钢在室温或低温时变脆，这种现象称为冷脆。冷脆对在寒冷地区或其它低温条件下工作的钢结构如桥梁、车辆、油罐等具有严重的危害性。此外，磷的偏析还会使钢材在热轧后出现带状组织，故磷的含量也要严格控制。
钢中含有适量的磷，能提高钢在大气中的抗腐蚀性能，特别是钢中含有铜时，它的作用就更为显著。此外，含磷量较多时，由于脆性较大，对制造炮弹用钢以及改善钢的切削加工性方面则是有利的。
（5）氮的影响
氮来自炉料，同时在冶炼时也从炉气中吸收一部分氮，钢中的含氮量在0.001％～0.02％范围内变化。氮以间隙原子形式溶解于铁中，在-Fe中的溶解度在591℃时约为0.1％，在室温则降至0.001％以下。因此，钢中的氮能以固溶、化合物和气体形式存在于钢中。
固溶于铁素体中的氮能引起碳素钢时效。当含氮量较高的低碳钢自高温较快冷却时(如热轧后空冷)，过剩的氮由于来不及析出而溶于铁素体中。随后在200～250℃加热时，将会发生氮化物的析出，使钢的强度、硬度上升，韧性大大降低，这种现象时效脆性。由于它发生在钢表面有蓝色氧化膜的温度范围，因此又称为蓝脆。钢中的含氮量越高，钢的时效倾向越大。
为了减轻和消除钢的时效，可向浇注前的钢液中加入少量的铝(0.05%～0.1％)。铝的作用除脱氧外，还能与钢液中的氮结合，形成AlN，大大降低固溶于铁素体中的氮含量，从而减轻甚至消除氮的时效作用。
氮若以氮化物(AlN、NbN、TiN)质点出现在钢中，能阻碍奥氏体晶粒长大，细化钢的晶粒，从而改善钢的力学性能。
氮以气体形式存在于钢中时，使钢容易形成气泡和疏松。 （6）氢的影响
钢中的氢一般是由锈蚀潮湿的炉料、含有水分的炉气和浇注系统带入的。氢在钢中的溶解度随温度的降低而降低。当钢液凝固后，氢是以间隙原子形式溶解于铁中。钢中含氢量甚微，一般在0.0005％～0.0025％范围内。
氢是钢中最有害的元素，溶入钢中的氢使钢的塑性、韧性降低，易于脆断，引起所谓氢脆。钢中因溶解度变化而析出的氢在钢中微观缺陷处(孔隙或非金属夹杂物附近)形成分子态氢时，在金属内部形成高压，再加上应力集中的作用，就很容易造成内部显微裂纹。因这种裂纹的内壁呈银白色，所以这种缺陷称为白点。白点使钢的延伸率显著下降，尤其是断面收缩率和冲击韧性降得很多，有时可接近于零值，所以具有白点的钢是不能用的。
（7）氧及其它非金属夹杂物的影响
氧在钢中的溶解度非常小，几乎全部以氧化物夹杂的形式存在于钢中，如FeO、Al2O3、SiO2、MnO、CaO、MgO等。除此之外，钢中往往还存在硫化铁(FeS)、硫化锰(MnS)、硅酸盐、氮化物及磷化物等。这些非金属夹杂物破坏了钢的基体的连续性，在静载荷和动载荷的作用下，往往成为裂纹的起点。它们的性质、大小、数量及分布状态不同程度地影响着钢的各种性能，尤其是对钢的塑性、韧性、疲劳强度和抗腐蚀性能等危害很大。因此，对非金属夹杂物应严加控制。在要求高质量的钢材时，炼钢生产中应用真空技术、渣洗技术、惰性气体净化、电渣重熔等炉外精炼手段，可以卓有成效地减少钢中气体和非金属夹杂物。
2）钢中的合金元素及其作用
碳钢虽然具有很广泛的应用，但其耐酸、耐热和耐磨性较差，而且制做大尺寸、高强度机件时，其力学性能已不能满足使用要求。因此为了获得所需要的组织结构、物理、化学性能和力学性能，以满足使用上的需要，必须在碳钢中有意识地加入一定量的某一种或几种其他元素元素，这些元素就称为合金元素。常用的合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、铝、钴、铜、硼、稀土等。磷、硫、氮等在某些情况下也可以起合金元素的作用。钢中合金元素的含量各不相同，有的高达百分之几十，如镍、铬、锰等；有的则低至万分之几，如硼。
合金元素加入到碳钢中必然会与其中的铁、碳发生作用，并影响到钢的相变，从而改善碳钢的各种工艺性能和力学性能。
含有大量增高淬透性合金元素的钢，过冷A变得非常稳定，即使空冷也会形成M，这类钢称为马氏体钢。
当扩大A区的元素（如Ni、Mn）含量足够高时，可使A1、A3线下降，A区扩展到室温以下，室温下得到单相奥氏体组织，如1Cr18Ni9。这种加入Mn、Ni、N等元素后，A区扩大到室温以下，室温平衡组织为单相奥氏体的钢称为奥氏体钢。
Cr、Si等元素的含量高时，A1、A3线上升将缩小A区，甚至使A区完全消失，室温下得到单相铁素体组织，如1Cr28。这种加入Cr、Si、Al等元素后，A区完全消失，室温平衡组织为单相铁素体的钢称为铁素体钢。
E点左移意味着钢中ωC＜2.11%时就会出现共晶莱氏体组织。如ωW＝18%的W18Cr4V高速钢，尽管其含碳量只有0.7～0.8%，但在铸态组织中已出现了莱氏体。这种含碳量低于2.11%的钢中加入某些合金元素后，E点左移，组织中出现共晶莱氏体的钢称为莱氏体钢。
3）合金元素对钢强度的影响
使金属强度增大的过程称为强化。加入合金元素提高材料强度的途径主要有以下几个方面。
（1）固溶强化
形成固溶体时，由于溶剂晶格发生畸变，导致塑性变形抗力增加，固溶体的强度、硬度提高的现象称为固溶强化。
所有合金元素都能不同程度地溶入铁中形成固溶体，产生固溶强化。Si和Mn是强化作用较大的元素，在合金钢中得到广泛应用。应当指出，固溶强化的一个显著特点是随着溶质原子的增多，强度、硬度上升，而塑性、韧性下降，强化效果越大，则塑性韧性下降得越多，使材料的可靠性受到较大的损害，因此为了使钢既具有较高的强度，又有适当的塑性，对溶质浓度应当加以控制。
（2）细晶强化
通过细化晶粒来提高材料强度的方法称为细晶强化。
细化晶粒不但可以提高钢的强度，而且可以提高钢的塑性和韧性，这一点是其它强化方式所不具备的。为此，可向钢中加入Al、Ti、V、Zr、Nb等元素，形成难溶的第二相粒子，这些粒子越弥散细小，数量越多，则对奥氏体化时晶界迁移的阻力越大，从而细化奥氏体晶粒。奥氏体晶粒越细小，则冷却转变后得到的铁素体、马氏体等的尺寸越小。
（3）第二相强化
当硬脆的第二相均匀弥散地分布在多相合金的基体相中时，合金强度升高的现象称为第二相强化。如果第二相微粒是通过对过饱和固溶体的时效处理而沉淀析出（脱溶）并产生强化，称为沉淀强化或时效强化；如果第二相微粒是借粉末冶金方法加入而引起强化，则称为弥散强化。
第二相粒子可以有效地阻碍位错运动。运动着的位错遇到滑移面上的第二相粒子时，或切过，或绕过，这样滑移变形才能继续进行。这一过程要消耗额外的能量，需要提高外加应力，所以造成强化。但是第二相粒子必须十分细小，粒子越弥散，其间距越小，则强化效果越好。合金元素的作用主要是为造成均匀弥散分布的第二相粒子提供必要的成分条件。例如，在高温回火条件下，要使碳化物呈细小均匀弥散分布，并防止其聚集
长大，需要往钢中加入碳化物形成元素Ti、V、Zr、Nb、Mo、W等元素。
（4）位错强化
金属中的位错密度越高，则位错运动时越容易造成位错缠结使位错运动受到障碍，给继续塑性变形造成困难，从而提高金属的强度。这种用增加位错密度提高金属强度的方法称为位错强化。
合金元素的作用是在塑性变形时使位错易于增殖，加入合金元素细化晶粒，造成弥散分布的第二相和形成固溶体等，都是增加位错密度十分有效的方法。应当指出，不仅塑性变形可以增加位错密度，而且钢中的相变，尤其是马氏体转变，不论是在母相还是在新相中，均能形成大量的位错。此时合金元素的作用在于提高钢的淬透性，这也是马氏体能够提高钢的强度的一个重要原因。
3．结构钢
在工业上，凡是用来制造各种机械零件以及工程结构件的钢都称为结构钢，包括建筑及工程结构用钢和机器制造用钢两大类。
1）建筑及工程结构用钢 （1）碳素结构钢
碳素结构钢含碳量为0.12%～0.24%，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，大都在热轧状态下直接使用，通常轧制成板材、带材及各种型材。
这类钢冶炼容易、工艺性好、价廉，而且在力学性能上也能满足一般工程结构及普通机器零件的要求，所以应用很广，
（2）低合金高强度结构钢
低合金高强度钢是在碳素结构钢基础上中入少量合金而制成的钢，用于制造桥梁、船舶、车辆、锅炉、高压容器、输油输气管道、大型钢结构等。与相同含碳量的碳素结构钢比，其强度较高，塑性、韧性、焊接性能、耐磨性均较好，用它来代替碳素结构钢，屈服强度提高25%～100%，减轻结构件的重量（30%左右），节约钢材。
2）机械制造用钢
机器制造用钢主要是指用来制造各种机器结构中的轴类、齿轮、连杆、弹簧、紧固件(螺钉、螺母)等零件的钢种，包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢及滚动轴承钢等。它们大都是用优质碳素钢和合金结构钢制造，一般都经过热处理后使用。
（1）渗碳钢
用来制造渗碳零件的钢种就称之为渗碳钢，这些钢一般都是含碳量较低的低碳钢或低碳合金钢。
为了保证心部的足够强度和良好的韧性，渗碳钢的含碳量为0.10％～0.25％。为了改善性能，常在渗碳钢中加入一些合金元素，其中主加元素为Si、Mn、Cr、Ni、B，辅
助元素为V、Ti、W、Mo等。
合金元素在钢中的作用是：提高淬透性(Si、Mn、Cr、Ni、B，B只对低碳钢部分起作用)；细化晶粒(V、Ti、W、Mo，可在渗碳阶段防止奥氏体粗大)；获得良好的渗碳性能。另外，碳化物形成元素(Cr、V、Ti、W、Mo)还可增加渗碳层硬度，提高耐磨性。
（2）调质钢
调质钢通常是指采用调质处理（淬火并高温回火）的优质碳素结构钢和合金结构钢。调质后的组织为回火索氏体，综合力学性能好，用来做轴、杆类零件。
调质钢的碳含量为0.25～0.5％。碳含量过低，不易淬硬，回火后强度不足；碳含量过高，强度、硬度、耐磨性高，但塑性和韧性不够。
除碳素调质钢外，对尺寸较大、要求性能较高的零件多采用合金调质钢。其合金化的主加元素为Mn、Cr、Si、Ni，辅加元素为V、Mo、W、Ti等。合金元素的主要作用是提高淬透性(Mn、Cr、Si、Ni等)，降低第二类回火脆性倾向(Mo、W)，细化奥氏体晶粒(V、Ti)，提高钢的回火稳定性。典型的牌号为40Cr、40CrNiMo、40CrMnMo。
（3）弹簧钢
弹簧钢是专门用来制造弹簧或要求类似性能的零件的钢种。弹簧按结构形态分为螺旋弹簧和板簧，可通过弹性变形储存能量，以达到消振、缓冲或驱动的作用。
根据弹簧的尺寸大小和性能要求，可采用碳素弹簧钢和合金弹簧钢。碳素弹簧钢的含碳量为0.6%～0.9%，合金弹簧钢的含碳量为0.45%～0.7%，中高碳含量是用来保证高的弹性极限和疲劳极限的。对大型及重要的弹簧均应采用合金弹簧钢，其合金化主加元素为Mn、Si、Cr，辅加元素为Mo、V、Nb、W等。
合金元素的主要作用是提高淬透性(Mn、Si、Cr)，提高回火稳定性(Cr、Si、Mo、W、V、Nb)，细化晶粒、防止脱碳(Mo、V、Nb、W)，提高弹性极限(Si、Mn)等。典型牌号有60Si2Mn、65Mn。
（4）滚动轴承钢
滚动轴承是铁路车辆、汽车、飞机、轮船等交通运输工具以及农业机械、发电设备、机床、电机等许多机器的不可缺少的零件。用来制造各种滚动轴承套圈及滚动体的专用钢称为滚动轴承钢。
滚动轴承钢的碳含量为0.95%～1.10％。高的含碳量是为了保证高硬度、高耐磨性和高强度。轴承钢常以Cr为主加元素，辅加元素为Si、Mn、V、Mo等。
Cr的作用是提高淬透性，并形成细小均匀分布的合金渗碳体，提高耐磨性和接触疲劳强度，并提高回火稳定性和耐蚀性。其缺点是含量＞1.65％时，会增大残余奥氏体量并增大碳化物的带状分布趋势，使硬度和疲劳强度下降。因此，为进一步提高淬透性，补加Mn、Si来制造大型轴承。通过加入V、Mo，可阻止奥氏体晶粒长大，防止过热，还可进一步提高钢的耐磨性。
4．工具钢
工具钢是指用于制造各种切削刀具、冷热变形模具、量具以及其它工具的钢种。依化学成分的不同可分为碳素工具钢、低合金合金钢、高合金工具钢；按用途不同又可分为刃具钢、模具钢和量具钢。
1）刃具钢
刃具钢是用来制造各种切削加工工具如车刀、铣刀、刨刀、钻头、丝锥、板牙等的钢种，按其成分及性能特点可分为碳素刃具钢、低合金刃具钢和高速钢。
（1）碳素刃具钢
为了保证刃具具有较高的硬度及耐磨性，碳素刃具钢的含碳量为0.65～1.35％。由于碳素刃具钢的淬透性较低，因而其中所含硅、锰量的变动将对其淬透性产生较大的影响，从而对其热处理工艺产生影响。因此，在碳素刃具钢中，硅、锰的含量均有比较严格的规定，即硅不超过0.35%，锰不超过0.4％。只是在T8Mn(T8MnA)钢中，为了提高其淬透性以便用于较大截面的刃具，含锰量才提高到0.40～0.60％。另外，由于碳素刃具钢含碳量高，因而其塑料较差，淬火时产生的内应力也较大，为了提高其可锻性以及避免淬火开裂，其硫、磷含量也限制较严，一般含硫量不得超过0.03％，含磷量不得超过0.035％，而在高级优质钢中，含硫量不得超过0.020％，含磷量不得超过0.030％。
（2）低合金刃具钢
低合金刃具钢是在碳素刃具钢的基础上加入某些合金元素而形成的合金工具钢。其含碳量为0.75～1.5％，合金元素总含量则在5％以下。加入的合金元素多为铬、锰、硅、钨、钒等，其中，铬、锰、硅主要是提高钢的淬透性，同时还可提高钢的强度。而强碳化物形成元素钨、钒加入钢中后，将形成加热时不溶入奥氏体中的碳化物，因而不能提高钢的淬透性，而是提高其耐磨性及硬度，并防止钢在加热时的过热，保持晶粒细化。另外，硅还能提高钢的回火稳定性，使钢淬火后加热到250～300℃时仍能保持HRC60以上的硬度。
（3）高速钢
随着金属在切削加工中的切削速度及进刀量不断增加，切削刃具刃部的温度也不断提高，从而对刃具材料的红硬性的要求也随之提高。高速钢即是一种含有大量合金元素的红硬性很高的用于制造高速切削刀具的合金工具钢，经热处理后，它能在600℃以下保持HRC60以上的硬度(如刃部温度超过600℃，则需采用硬质合金作为刃具材料)。
高速钢是含有较高碳量、较高的钨、钼、铬、钒、钴、铝等的高碳高合金钢。含碳量在0.70～1.60％范围内变化。碳在高速钢中主要是与碳化物形成元素铬、钨、钼、钒等形成碳化物，以提高硬度、耐磨性及红硬性。因此，含碳量必须与其他合金元素含量相匹配，过高过低都对其性能有不利影响，每种钢号的含碳量都限定在较窄的范围内。
钨是提高红硬性的主要元素，在钢中形成碳化物。加热时，一部分碳化物溶入奥氏体，淬火后形成含有大量钨及其它合金元素、有很高回火稳定性的马氏体。回火时一部分钨以碳化物的形式弥散析出，造成二次硬化。加热时未溶的碳化物则起阻止奥氏体晶
粒长大的作用。
钼的作用与钨相似，1％的钼可代替2％的钨。
钒能显著提高高速钢的红硬性、硬度及耐磨性。钒形成的碳化物在加热时部分溶于奥氏体中，回火时以VC的细小质点弥散析出，造成二次硬化而提高红硬性。
铬在高速钢中主要是增加其淬透性，几乎所有高速钢中含铬量均为4％左右，同时，铬还能提高钢的抗氧化脱碳和抗腐蚀的能力。
钴也能显著提高高速钢的红硬性及硬度。钴是非碳化物形成元素，它提高红硬性的作用与钨、钼、钒不同，在加热时，钴大部分溶入奥氏体，提高钢的熔点，提高淬火温度，使钨、钼、钒等元素更多地溶入奥氏体，以充分发挥它们的硬化作用，而在回火时则析出金属间化合物CoW等，从而抑制及延缓碳化物的析出及聚集。
2）量具钢
量具钢是用来制造各种测量工具如卡尺、千分尺、块规、塞规、卡规、样板等的钢种。它们在使用过程中经常与被测工件接触，受到磨损及碰撞，因此要求它们具有以下性能：
量具没有专用钢。简单量具可选用碳素工具钢来制造，复杂的或高精度的量具可选用低合金工具钢、轴承钢、不锈钢、冷作模具钢等来制造，
6．不锈钢
不锈钢是不锈耐酸钢的简称，不锈耐酸钢在冶金学和材料科学领域的定义是含铬量大于13%，且以耐蚀性和不锈性为主要使用性能的一系列铁基合金。其中能抵抗大气（空气、水蒸汽、水等腐蚀性较弱的介质）腐蚀（生锈）的钢种称为不锈钢；在酸、碱、盐等腐蚀性强烈的介质中具有耐蚀性的钢种称为耐酸钢。如含铬达16～18%的铬钢（如Cr17），含铬16～18%、含镍14%以下的铬镍钢（如12Cr18Ni9、17Cr18Ni9），以及添加有钼、钛等合金元素的铬镍钢（如06Cr17Ni12Mo2Ti）等都是耐酸钢。不锈钢的合金化程度低，一般不耐酸；耐酸钢的合金化程度高，既具有耐酸性又具有不锈性。
不锈钢的不锈性和耐蚀性是相对的，没有绝对不锈、不受腐蚀的钢，只是腐蚀速度不同而已。
不锈钢的碳含量一般较低，其主要合金元素为Cr、Cr-Ni，辅加合金元素为Ti、Nb、Mo、Cu、Mn、N等。
铬是决定不锈钢耐蚀性的主要元素。
不锈钢按金相组织可分为铁素体、马氏体、奥氏体、奥氏体-铁素体双相及沉淀硬化型不锈钢；其中F、M又以含铬量多而称为铬不锈钢，它在氧化性酸（如硝酸）中具有良好的耐蚀性能，而在还原性酸（如盐酸）中耐蚀性能很差；A、A-F又称为铬-镍不锈钢，在硝酸、硫酸等介质中具有良好的耐蚀性；沉淀硬化型不锈钢也是铬-镍不锈钢，经强化处理后有很高的强度和硬度，在许多介质中的耐蚀性与18-8型A不锈钢相近。
A 奥氏体不锈钢
主要化学成分为ωC≤0.1%、ωCr≤18%、ωNi＞8%。奥氏体不锈钢为面心立方结构的奥氏体组织。
常用的奥氏体不锈钢有06Cr19Ni10、12Cr18Ni9、06Cr17Ni12Mo2、20Cr15Mn15Ni2N、06Cr18Ni11Ti等。
B 铁素体不锈钢
主要化学成分为ωC＜0.15%、ωCr＝12～30%。铁素体不锈钢为体心立方结构的铁素体组织，不能采用热处理方法改变其组织结构。
常用铁素体不锈钢有06Cr13Al、10Cr17、022Cr11Ti等。 C 马氏体不锈钢
主要化学成分为ωC＝0.1～1.0%、ωCr＝13～18%。马氏体不锈钢淬火后可以得到马氏体组织。具有高强度和高硬度，通过热处理可以调整钢的力学性能。马氏体不锈钢具有中等水平的不锈性。常用马氏体不锈钢有06Cr13、12Cr13、20Cr13、30Cr13、90Cr18MoV等。
D 双相不锈钢
主要化学成分为含18%以上的铬及一定数量的镍。双相不锈钢通常由奥氏体和铁素体两相组织构成。两相比例可以通过合金成分和热处理条件的改变予以调整。此类钢屈服强度高、耐点蚀、耐应力腐蚀，易于成型和焊接。常用奥氏体-铁素体双相不锈钢有12Cr21Ni5Ti、14Cr18Ni11Si4AlTi等。
E 沉淀硬化型不锈钢
沉淀硬化不锈钢按其组织可分成马氏体沉淀硬化不锈钢、半奥氏体沉淀硬化不锈钢和奥氏体沉淀硬化不锈钢。此类型钢可借助于热处理工艺调整其性能，使其在钢的成型、设备制造过程中处于易加工和易成型的组织状态。随后，半奥氏体沉淀硬化不锈钢通过马氏体相变和沉淀硬化，奥氏体、马氏体沉淀硬化不锈钢通过沉淀硬化处理使其具有高的强度和良好的韧性相配合。这类钢的铬含量近于17%，加之含有镍、钼等元素，因此，除具有足够的不锈性外，其耐蚀性接近于18-8型奥氏体不锈钢。常用沉淀硬化型不锈钢有05Cr17Ni4Cu4Nb、07Cr17Ni7Al、07Cr15Ni7Mo2Al等。
7．耐磨钢
耐磨钢是指具有高耐磨性能的钢种，从广义上讲，耐磨钢也包括结构钢、工具钢、滚动轴承钢等。在各种耐磨材料中，高锰钢是具有特殊性能的耐磨钢，它在高压力和冲击负荷下能产生强烈的加工硬化，因而具有高耐磨性；高锰钢属于奥氏体钢，所以又具有优良的韧性。因此，高锰钢广泛用来制造磨料磨损、高压力和冲击条件下工作的零件。另一类耐磨性较好的材料是石墨钢。石墨钢是一种高碳铸钢，含碳量达1.20～1.60%，其铸态组织为粗大的珠光体及分布于晶界的二次渗碳体，经热处理后，渗碳体发生分解形成石墨，因此具有一定强度和高耐磨性。
1）耐磨钢的性能要求
耐磨钢主要用于运转过程中承受严重磨损和强烈冲击的零件，如车辆履带、挖掘机铲、破碎机颚板和铁路分道叉等。这类零件常见的失效方式为磨损，有时出现脆断。因此对耐磨钢的主要要求是有很高的耐磨性和韧性。
2）高锰钢的化学成分特点
高锰钢的含碳量为0.9％～1.3％，含锰量为11％～14％，另外还有0.3～0.8％的硅。 高含碳量是为了保证钢的耐磨性，但含碳量过高时，易在高温下析出碳化物，引起韧性下降。故含碳量一般不宜超过1.4%。
锰起扩大奥氏体区、稳定奥氏体的作用，当锰与碳的比例达到9～11时，可以完全获得奥氏体组织。
加入一定量的硅是为了改善钢的流动性，起固溶强化作用，并提高钢的加工硬化能力。
高锰钢铸件的组织中存在着沿奥氏体晶界分布的碳化物，性质硬而脆，耐磨性也差，不能实际应用，因此必须经过热处理。
高锰钢都采用水韧处理。即将钢加热到1050～1100℃，保温一段时间，待碳化物全部溶入奥氏体后，迅速水淬至室温（避免碳化物析出），获得均匀单一的奥氏体组织，此时的高锰钢具有很高的韧性，故这种处理称为水韧处理。
水韧处理后一般不回火，因为重新加热超过300℃时，会有碳化物析出，使钢的性能降低。
水韧处理后的高锰钢，室温下为奥氏体组织，具有很高的韧性，硬度不高。但它有很高的加工硬化能力，在冲击或压应力作用下，将迅速加工硬化，并诱发奥氏体转变为马氏体，使表面层硬度、耐磨性显著提高。
应当指出，在工作中受力不大的情况下，高锰钢的高耐磨性是发挥不出来的。因为高锰钢本身硬度较低。
金属塑性变形与轧制原理部分
一、金属压力加工
金属压力加工是指金属在外力作用且不破坏其自身完整性的条件下，稳定地发生塑性变形，从而得到所需形状、尺寸、组织和性能的产品的一种加工方式。这种加工方式由于利用了金属的塑性，因而也叫做金属塑性加工。
按照加工工件的温度可将金属压力加工分为热加工(热变形)、冷加工(冷变形)和温加工(温变形)。
热加工是指在金属再结晶温度以上进行的加工，如热轧、热锻、热挤压等。热加工时金属同时产生加工硬化和再结晶软化两个过程，且再结晶过程进行得很完善，可以完全抵消加工硬化，加工产品没有加工硬化痕迹。
冷加工是指在金属再结晶温度以下进行的加工，如冷轧、冷拔等。冷加工时金属只产生加工硬化而不发生再结晶软化，因此变形后，金属的强度、硬度升高，而塑性、韧性下降。冷加工主要用于生产厚度较小的产品。
温加工介于冷、热变形之间，存在加工硬化，同时还有部分回复和再结晶，它同时具有冷热变形的优点，如温轧、温锻、温挤等。
冷、热加工不能简单按加工温度来区别，而要看其在加工过程中是否发生再结晶。如铅在室温下就能发生再结晶，因此铅不经加热而直接在室温下进行的加工就属于热加工；而钨即便是在1200℃的高温下进行加工也是冷加工，因为钨的再结晶温度为1210℃，在此温度以下进行加工时不发生再结晶，因此是冷加工。
按加工时工件的受力和变形方式可以将金属压力加工分为锻造、轧制、挤压、拉拔、冲压等五种典型压力加工方法。其中锻造、轧制、挤压是靠压力使金属产生塑性变形的，拉拔和冲压是靠拉力使金属产生塑性变形的。
轧制是金属在两个或两个以上旋转的轧辊之间受到压缩而产生塑性变形，使其横断面缩小，形状改变、长度增加的一种压力加工方式。它可分为纵轧、横轧和斜轧。
二、应力状态
在外力作用下，物体内部原子被迫偏离其平衡位置，此时在物体内部就出现了内力和应力，即处于应力状态。
平辊简单轧制时，根据受力分析可知其应力状态也是三向压应力状态(―――)。 张力轧制时，长度方向由于有较大的张力而克服了摩擦力的影响，使变形区内纵向主应力变为拉应力，因此，其应力状态为一向拉应力、两向压应力状态(＋――)。
三、金属压力加工中的外摩擦
在金属发生塑性变形时，变形金属与工具相接触的表面上存在着一种阻碍金属质点自由流动的作用，这种作用就是外摩擦，其大小称为摩擦力。
1．工具表面状态对外摩擦的影响
工具表面状态不同，摩擦系数可能发生很大变化。工具表面光洁度越高，表面的凹凸不平就越小，摩擦系数就越小。在初轧时为增强咬入能力，常将轧辊表面刻痕或堆焊以增大摩擦系数；而在冷轧时，为提高产品质量和降低能耗，就需要轧辊表面光洁度高，以尽可能降低摩擦系数。
2．变形金属的表面状态对外摩擦的影响
变形金属的表面状态对摩擦系数有显著的影响，特别是变形的最初几道对摩擦系数的影响更为显著。因为刚开始变形时，金属表面凹凸不平较严重，这种粗糙的接触表面会使摩擦系数增大。随着轧制变形的进行，金属表面的凹凸不平将被压平，金属表面将呈现工具表面的压痕，因此，此时接触表面的摩擦系数将与工具的表面状态有密切关系。
3．变形金属和工具的化学成分对外摩擦的影响
随钢的含碳量增加，钢中渗碳体数量增多，金属的强度、硬度增加，摩擦系数降低。 同样，随钢中合金元素的增加，摩擦系数也会降低。一般认为合金元素影响了氧化铁皮的数量、改变了氧化铁皮的性质，从而使摩擦系数降低。
4．变形温度对外摩擦的影响
在温度较低时，随变形温度的增加，氧化铁皮的数量增多，摩擦系数增大；当变形温度升高到一定程度(700℃以上)后，随变形温度的增加，氧化铁皮熔融，起润滑作用，摩擦系数降低。实践表明，在钢的热轧温度范围内，随变形温度升高，摩擦系数急剧降低。
5．变形速度对外摩擦的影响
许多实验结果表明，随变形速度的增加，摩擦系数降低。这种现象可以解释为：在干摩擦时，变形速度增加，表面凹凸不平部分来不及相互咬合，表现出摩擦系数降低；在有润滑的条件下，变形速度增加，会使润滑层的厚度增大，也导致摩擦系数下降。
四、塑性变形基本定律 1．体积不变定律
在实际生产中，铸态沸腾钢锭在热轧前的密度为6.9×103kg/m3，轧制后其密度为7.85×103kg/m3 ，即体积约减少了13%，继续加工时其密度则始终保持不变。因此可以说，除内部存在大量气泡的沸腾钢锭或者有缩孔及疏松的镇静钢锭的前期加工外，热加工时，金属的体积是不变化的。而冷加工时，金属内部形成大量微细的疏松现象，金属的密度大约减少0.1～0.2%，显然，所引起的体积变化是完全可以忽略的。
根据以上所述可以得出结论：不论金属的冷加工或热加工，其密度的变化都很小(除钢锭的前期加工外)。因此可以认为：变形前后金属的体积不变或为常数。也就是说，金属塑性变形前的体积等于其变形后的体积，此即体积不变定律，其数学表达式为：
V0 = Vn = 常数
2．最小阻力定律
金属塑性变形时，内部各质点产生了位移，通常称之为金属质点的流动。 当变形体的质点有可能沿不同方向移动时，则每一质点将沿阻力最小的方向流动——这就是最小阻力定律。
在塑性变形过程中，如果变形足够大，各种断面的工件在变形后其断面都将变成圆形。
3．弹塑性共存定律
由弹性变形和塑性变形的实质可知，金属在发生塑性变形以前，必须先发生弹性变形，即由弹性变形过渡到塑性变形；在塑性变形过程中，必定伴随着弹性变形的存在，
这就是所谓的弹塑性共存定律。
轧制过程中，轧辊对轧件施加的压力使轧件产生塑性变形，使轧件从入口厚度H压缩到出口厚度h，与此同时，轧件也给轧辊以同样大小、方向相反的反作用力，这个反作用力传到工作机座中的轧辊、轧辊轴承、轴承座、压下装置、机架等各个零件上，使各零件产生一定的弹性变形。这些零件的弹性变形积累后都反映在轧辊的辊缝上，使辊缝增大。这种现象称为弹跳或辊跳，其大小称为轧机的弹跳值。
在图9中，轧件进入轧辊之前，轧辊的开口度(原始辊缝)为S0，轧件进入轧辊后，在轧制压力的作用下，工作机座产生弹性变形△S，它使原始辊缝增大，造成实际压下量减小，轧件出口厚度大于原始辊缝值。如果忽略轧件离开轧辊后的弹性恢复，可以认为轧件轧后厚度就等于有载辊缝，即：
hS0SS0P K式中 S0——理论空载辊缝；
△S——轧机弹跳(辊跳)值，△S=P/K； P——轧制压力；
K——轧机工作机座的刚度系数。
图9 轧制时轧机产生的弹性变形
轧机刚度表示轧机工作机座抵抗弹性变形的能力，通常用刚度系数即轧机产生单位弹性变形时所需的轧制压力来衡量。K值越大，表明工作机座产生单位弹性变形所需的轧制压力越大，说明轧机的刚度越大。
在实践中，轧辊的实际零位很难确定。但由于实际生产中轧制压力都远远超过曲线部分的压力，因此可以人为地进行零位调整即人工零位。所谓人工零位就是先将轧辊预先压靠到一定的压力P0(预压靠力)，然后将此时的辊缝指示清零(作为零点)，以后轧制过程中均以此零位作为各道次共同工作的基础。
hS0PP0 K式中 P0——预压靠力。
五、压力加工中的不均匀变形
在金属压力加工过程中，均匀变形只是一种理想状态，实际加工过程中受多种因素的影响，金属在变形区内各处的应力和变形是不均匀分布的。
变形物体的不均匀变形，将使变形体内应力分布也不均匀，除基本应力外还将产生附加应力，此时的工作应力等于基本应力和附加应力的代数和。
由外力所引起的应力叫基本应力；由于物体各部分的不均匀变形受到物体整体性的限制，而在物体各部分间引起的相互平衡的应力叫附加应力。工作应力也叫实际应力，它是物体变形时实际所承受的应力，等于基本应力和附加应力的代数和。
引起不均匀变形的主要原因有：金属与工具接触面上的外摩擦、变形区的几何因素、工具和变形体外端以及变形体内部温度、性质不均匀等。这些因素或单独作用，或几个因素共同作用，均使变形不均匀表现明显。
金属塑性变形时，基本应力在外力除去以后便立刻消失，而附加应力在外力除去、变形终止后，仍继续保留在变形物体内部。这种塑性变形后仍然残留在变形体内的附加应力称为残余应力，
六、金属的塑性 1．塑性的概念
塑性是指金属在外力作用下，能稳定地发生永久变形而不破坏其自身完整性的能力。金属塑性的大小，可以用金属在断裂前产生的最大变形程度来表示。它表示压力加工时金属塑性变形的限度，所以也叫“塑性极限”，一般通称“塑性指标”。塑性好的金属，可以产生很大的塑性变形而不破坏；塑性差的金属，即使变形量较小，也可能产生破坏。
金属的塑性和柔软性是两个完全不同的概念，不能混淆。柔软性是指金属的软硬程度，它反映的是金属变形的难易程度，它用变形抗力的大小来衡量。金属越“软”，金属的变形抗力越小，即只需较小的外力就可以使该金属产生塑性变形；金属越“硬”，金属的变形抗力就越大，则需要较大的外力才能使金属产生塑性变形。切不应认为，金属“软”或者说变形抗力小的金属塑性就好。
例如，奥氏体不锈钢１Cr18Ni9Ti，在冷加工时塑性就很好，可以采用较大的压下量，但是却要用很大外力才能使它产生变形，这就是说，这种钢冷状态下是比较硬的。又如，在高温条件下长时间加热，产生了过热或过烧的钢，在轧制时变形抗力很小，但塑性很差，很容易开裂。当然也有些金属塑性很高，变形抗力又小，如室温下的铅。以上三个例子可以看出，金属的塑性和柔软性之间不存在什么必然联系。
2．表示金属塑性的主要指标
1) 拉伸试验时的断后伸长率率(A)和断面收缩率(Z)。这两个指标越高，说明材料的塑性越好。
2) 冲击试验时的冲击韧性值。冲击韧性值表示冲击试样在受冲击力作用时断裂前所
消耗能量的大小，冲击韧性值越大，则材料的塑性越好。
3) 扭转试验时试件断裂前的扭转转数n。它可以反映出材料受数值相等的拉应力和压应力同时作用时塑性的大小，n越大，则材料的塑性越好。
4) 深冲试验产生裂纹时的压进深度Ｈ。压进深度越大表示金属深冲时的塑性越好。 5) 镦粗、轧制试验时，用试件侧面出现第一条用肉眼能看到的裂纹时的相对变形量
作为塑性指标，越大，则材料的塑性越好。
3．影响塑性的因素 1）化学成份的影响
金属的塑性直接决定于它的化学成份。纯金属的塑性最好，若其中有另外的元素，则取决与它们在钢中所处的状态。若是固溶体状态，它也具有良好的塑性；若是化合物，则塑性较差。
(1) 碳
碳素钢中碳的含量越高，塑性越差，其热加工的温度范围越窄。实践表明，含碳量小于1.4%的铸态碳钢，可以很好地接受锻造和轧制；随着含碳量进一步提高，由于析出脆性较大的自由渗碳体甚至出现菜氏体，使塑性降低。
(2) 硫
硫在钢中是有害元素。在固态下，硫在钢中的溶解度极小，以FeS的形态存在于钢中。FeS与Fe可形成低熔点的共晶体(熔点只有985℃)，并分布于奥氏体晶界处。当钢加热到1100～1200℃进行热加工时，晶界上的共晶体巳熔化，晶粒间结合被破坏，使钢变得极脆，在加工过程中沿晶界开裂，这种现象称为热脆。
(3) 锰
在钢中增加含锰量，可消除硫的有害作用。因为锰与硫的亲和力比铁与硫的亲和力大，锰与硫优先形成高熔点的MnS(1620℃)，并呈粒状分布在晶粒内，而且MnS在高温下具有一定的塑性，从而可避免热脆现象，使钢的塑性提高。
但锰钢对过热的敏感性强，在加热过程中晶粒容易粗大，使塑性降低。奥氏体锰钢的导热性低、膨胀系数大，故大断面高锰钢当加热速度过快时，可能出现内裂。
(4) 磷
磷在钢中也是有害元素。温度较高时，钢中的磷能全部固溶于铁素体中(高温时溶于奥氏体中)，对钢的塑性危害不大。但它在温度较低极易产生偏析，形成Fe3P，使钢的强度、硬度提高，塑性、韧性显著降低。当钢的含磷量增加时，磷还能使钢脆性转变温度急剧升高，致使钢在室温或低温时变脆，这种现象称为冷脆。
(5) 氧、氮、氢
它们是钢中常见的气体元素，而且都使钢的塑性降低。
氧在钢中固溶量很少，主要是以FeO、Al2O3、SiO2等氧化物夹杂形式存在，杂乱零散地分布在晶界上。氧不论是形成固溶体或是夹杂物，都使塑性降低，尤其以夹杂形式
存在时更为严重。
钢中的氮能以固溶、化合物和气体形式存在于钢中。当含氮量较高的低碳钢自高温较快冷却时(如热轧后空冷)，过剩的氮由于来不及析出而溶于铁素体中。随后在200～250℃加热时，将会发生氮化物的析出，使钢的强度、硬度上升，塑性、韧性大大降低，这种现象称为时效脆性。由于它发生在钢表面有蓝色氧化膜的温度范围，因此又称为蓝脆。钢中的含氮量越高，钢的时效倾向越大。
氢对热加工时钢的塑性没有明显影响。但含氢量较多、热加工后冷却较快时，钢中因溶解度降低而析出的氢在钢中微观缺陷处(孔隙或非金属夹杂物附近)形成分子态氢时，在金属内部形成高压，再加上应力集中的作用，就很容易造成内部显微裂纹(氢脆)，因这种裂纹的内壁呈银白色，所以这种缺陷又称为白点。
2）组织状态的影响
单相组织比多相组织的塑性要好，因为多相组织中各相的机械性能不一致，在变形时互相受到阻碍，引起内应力升高，从而降低金属的塑性。具有少量第二相的钢塑性较好，若第二相含量较多时，塑性大为降低。当变形金属中出现液相时，可能使金属成为脆性。
晶粒细小的金属塑性较高，随晶粒增大，塑性将降低。晶粒越细，单位体积内的晶粒数目越多，塑性变形时位向有利于滑移的晶粒也越多，故变形能较均匀地分散到各个晶粒中。另外，晶粒越细，强度越高，对破坏的抵抗能力越强，能发生较大塑性变形而不破坏。
化合物杂质呈片状、网状分布在晶界上时，破坏了晶粒的完整性，导致塑性降低。铸造组织的金属由于晶粒粗大，柱状晶存在方向性，化学成份偏析及夹杂物分布不均匀等原因，导致塑性较低。
3）变形温度的影响
温度是影响塑性的最主要的因素之一。随变形温度升高，塑性一般增加。因为随着温度升高，原子的热运动能量增大，可能出现新的滑移系统，并给各种扩散型的塑性变形机构同时作用创造了条件，使塑性变形容易进行；同时随温度的升高，有利于回复和再结晶过程的发生，从而使塑性变形过程中产生的破坏或缺陷修复的可能性增加。
4）变形速度的影响
变形速度对塑性影响是比较复杂的。一般认为，当变形速度不大时，随变形速度升高塑性降低；而在变形速度较大时，随变形速度升高塑性增加。
5）应力状态的影响
应力状态的种类对金属塑性有很大影响。金属在塑性变形时，受拉应力成份越少，压应力成份越多，则金属的塑性越好。因为金属受拉应力作用时，内部缺陷会扩大；而受压力作用时，有利于金属内部缺陷的压合、修复，并使金属组织致密。因此，三向压
应力状态的塑性最好，两压一拉次之，两拉一压更次，三向拉应力状态的塑性最差。
6）变形图示的影响
压缩变形使内部缺陷的尺寸减小而有利于塑性的发挥，延伸变形促使内部缺陷的尺寸扩大而有损于塑性，所以主变形图中压缩分量越多，对于充分发挥金属的塑性就越有利。按此原则可将主变形图排列为：两向压缩一向延伸的主要变形图的塑性最好，一向压缩一向延伸者次之，两向延伸一向压缩的主变形图的塑性最差。
4．提高塑性的主要途径
为提高金属的塑性，必须设法增加对塑性有利的因素，同时减少或避免不利因素。归纳起来，提高塑性的主要途径有以下几方面：
1) 控制金属的化学成份
即将对塑性有害的元素降到最下限，加入适量有利于塑性提高的元素。 2) 控制金属的组织结构
尽可能在单相区内进行压力加工，采取适当工艺措施，使组织结构均匀，形成细小晶粒，对铸态组织的成份偏析、组织不均匀应采用合适的工艺来加以改善。
3) 选择适当的变形温度-速度条件
其原则是使塑性变形在高塑性区内进行，对热加工来说，应保证在加工过程中再结晶得以充分进行。当然，对某些特殊的加工过程，如控制轧制，有的就要延迟再结晶的进行。
4) 选择合适的变形力学状态
在生产过程中，对某些塑性较低的金属，应选用具有强烈三向压应力状态的加工方式，并限制附加拉应力的出现。
5) 避免加热和加工时周围介质的不良影响。 七、金属的变形抗力
金属或合金抵抗变形的能力叫做变形抗力，有的也称为变形阻力。 1．衡量变形抗力大小的力学指标
1) 静变形抗力——以单向拉伸时的屈服极限值(σs)表示变形抗力指标； 2) 暂时变形抗力——不同温度下的变形抗力指标； 3) 动变形抗力——不同变形速度下的变形抗力指标；
4) 真实变形抗力(真实应力)——一定的变形温度、变形速度、变形程度下的变形抗力指标。
2．影响变形抗力的因素 1）化学成份对变形抗力的影响 （1）碳及杂质元素的影响
碳能够固溶于铁而形成铁素体和奥氏体，但当碳的含量超过铁的溶碳能力时，多余的碳便与铁形成硬而脆的渗碳体，并且随着钢中含碳量增加，渗碳体数量增多，变形抗力增大。
磷及其它杂质元素能溶于铁素体中，使铁素体产生晶格畸变，变形抗力增大。 （2）合金元素的影响
随钢中合金元素含量增加，变形抗力增大。 2）组织状态对变形抗力的影响
组织状态对变形抗力的影响主要体现在以下几个方面：
（1）单相组织(纯金属或固溶体)的变形抗力比多相组织的变形抗力低。因为多相组织中各相的性能不同，变形难易程度不同，不均匀变形严重，使变形抗力升高。
（2）细晶粒组织比粗晶粒组织的变形抗力高。晶粒越细小，金属的强度越高，变形越困难，变形抗力越高。
（3) 钢锭经热变形后，晶粒细化，组织致密度增加，变形抗力增加。
（4) 冷变形金属由于加工硬化，使金属的强度、硬度提高，变形困难，变形抗力增大。
3）变形温度对变形抗力的影响
一般来说，随变形温度的升高，金属变形抗力降低。但在某些温度区间，也有可能随着温度升高，变形抗力增大。
4）变形速度对变形抗力的影响
在热变形时，通常是随变形速度提高，金属的变形抗增大。因为当变形速度增加时，金属的再结晶软化过程来不及完成，加工硬化现象来不及消除，因此变形抗力增加。
5）变形程度对变形抗力的影响
热加工时，由于同时存在加工硬化和再结晶软化，所以除因热加工后组织细化使变形抗力有所增加外，变形程度对变形抗力的影响并不显著。
冷加工时，由于变形温度低于再结晶温度，变形过程中产生的加工硬化不能得到消除，因此变抗力随变形程度的增加而增大。
6）应力状态对变形抗力的影响
同号应力状态比异号应力状态的变形抗力大。 3．降低变形抗力的措施
变形抗力过大，不仅变形困难，使轧制过程难以顺利进行，而且增加了能量消耗，还降低了产品质量。因此在轧制过程中，必须采取一些措施来有效降低轧制压力。具体措施有：
1) 合理选择变形温度和变形速度
同一种金属在不同的变形温度下，变形抗力是不一样的；在相同变形温度下，变形速度对变形抗力的影响也是不一样的。因此必须根据具体情况选择合理的变形温度-变形速度制度。
2) 选择最有利的变形方式
在选择变形方式时，应尽量选择应力状态为异号的变形方式。 3) 采用良好的润滑
金属塑性变形时，润滑起着改善金属流动、减少摩擦、降低变形抗力的重要作用，因此在轧制过程中，应尽可能采用润滑轧制。
4) 减小接触面积
压力加工中采用小直径轧辊、分段模锻等措施，可使金属与工具的接触面积减小，外摩擦的作用降低，单位压力减小，变形抗力减小。
5) 采用合理的工艺措施
采取合理的工艺措施也能有效降低变形抗力。如设计合理的工具形状，使金属具有良好的流动条件；改进操作方法，以改善变形的不均匀性；采用带张力轧制，以改变应力状态等。
八、轧制过程基本问题 1．咬入角
咬入角是指轧件与轧辊相接触的圆弧所对应的圆心角，用α表示。
hD(1－cosα)
式中 H、h——分别表示轧件变形前后的高度；
D——轧辊直径； α——咬入角。
由此可见，可由轧辊直径和压下量来计算咬入角：
α=arccos (1－
2．变形量的表示
轧件在经过轧制以后，高度、宽度、长度三个方向上的尺寸都发生变化，分别产生压下、宽展、延伸变形。变形量的大小可用绝对变形量、相对变形量、变形系数等方法来表示。
1）绝对变形量表示方法
用轧制前后轧件尺寸之差的绝对值表示的变形量称为绝对变形量。 （1）绝对压下量
绝对压下量简称压下量，为轧制前后轧件厚度之差，用Δh表示：
Δh=H－h
hD)
（2）绝对宽展量
绝对宽展量简称宽展量，为轧制后与轧制前轧件宽度之差，用Δb表示：
Δb=b－B
若Δb＜0，称为负宽展。 （3）绝对延伸量
绝对延伸量简称延伸量，为轧制后与轧制前轧件长度之差，用Δl表示：
Δl=l－L
绝对变形量直观地反映出了轧件长、宽、高三个方向上线尺寸的变化，但不能正确反映变形程度的大小。
2）相对变形量表示方法
用轧制前后轧件尺寸的相对变化量表示的变形量称为相对变形量，通常采用的是绝对变形量与原始线尺寸的比值。
（1）相对压下量
相对压下量简称压下率，用ε1表示：
1Hhh100%100% HH（2）相对宽展量 相对宽展量用ε2表示：
2bBb100%100% BB（3）相对延伸量
相对延伸量又称延伸率，用ε3表示：
3lLl100%100% LL3）变形系数表示方法 （1）压下系数
表示高向变形的系数称为压下系数，用η表示：
η=H/h
（2）宽展系数
表示宽向变形的系数称为宽展系数，用ω表示：
ω=b/B
（3）延伸系数
表示长度方向变形的系数称为延伸系数，用μ表示：
μ=l/L=F0/Fn
4）总延伸系数与道次延伸系数的关系
假如坯料的断面积为F0、长度为L，经n道次轧制后成材，其中每一道的变形量称为道次变形量，逐道变形量的积累称为总变形量。
设成品断面积为Fn 、长度为ln，则每一道次的延伸系数应为：
μ1= l1 /L=F0/F1 μ2= l2 /L=F1/F2
…… μn= ln /L=Fn-1/Fn
式中 μ1、μ2、…——各道次延伸系数；
l1、l2、…——各道次轧后长度； F1、F2、…——各道次轧后轧件面积。 将各道延伸系数相乘，得到：
12nF0F1FFn10 F1F2FnFn式中 μΣ——总延伸系数，μΣ=F0/Fn。
由此可得出结论，总延伸系数等于各道次延伸系数的连乘积。即：
12n
若各道次的延伸系数都相等，均等于平均延伸系数，则上式可以写成：
n
式中 ——平均延伸系数；
n——轧制道次。 3．咬入条件 摩擦角β：
tgTfNf NNtg1f
通常将咬入条件定为：α ≤ β 即最大咬入角αmax＝β
由此可以得出结论：咬入的必要条件是咬入角小于摩擦角；咬入角等于摩擦角是咬入的极限条件，即可能的最大咬入角等于摩擦角；如果咬入角大于摩擦角则不能咬入。
4．轧制速度
通常所说的轧制速度是指轧件离开轧辊的速度，在忽略轧件与轧辊的相对滑动时近似等于轧辊的圆周线速度。
5．改善咬入的措施
1）利用剩余摩擦力改善咬入 （1）楔形轧件轧制
把轧件头部做成楔形，使咬入时的实际咬入角减小，在建立稳定轧制状态后，压下量随轧件厚度增大而逐渐增加。如轧制钢锭时采用小头进钢。
（2）带钢压下
咬入后带钢压下，即在以α＜β条件下咬入后，再边轧制边将两轧辊辊缝减小，以增加压下量。这种方法只能在压下装置能力足够大时才有可能采用。
（3）强迫咬入
对轧件施加后推力或利用惯性力将轧件快速送向轧辊，轧件与轧辊发生碰撞而致使轧件前端被撞扁，实际咬入角减小，咬入得到改善。
2）增大接触面的摩擦系数来改善咬入 （1）在辊面上刻痕或堆焊
通过在轧辊辊面上刻痕或堆焊，增加辊面的粗糙程度以提高摩擦系数。但此法可能在轧件上面留下凹凸不平的痕迹，以致产生折叠或裂纹等缺陷。所以此法仅在不影响成品质量的前提下才能使用。
（2）清除炉生氧化铁皮
一般在热轧时的开始几道次，轧件表面有较厚的熔融的炉生氧化铁皮，使摩擦系数降低，咬入困难。实践证明，轧件表面的炉生氧化铁皮可使极限压下量减小5~10%。此外，高温下轧件表面残留氧化皮常导致轧制时出现间断性打滑而使轧制不能正常进行。总之，热轧时轧件表面氧化铁皮既妨碍咬入或造成稳定轧制阶段的打滑，限制压下量提高，又使产品表面质量下降。因而清除炉生氧化铁皮是必要的。
（3）低速咬入，高速轧制
轧制速度越低，摩擦系数越大，咬入越容易。因此，在可逆式轧机上，可采用低速咬钢以改善咬入，建立稳定轧制状态后，再提高轧制速度以保证轧机产量。
九、轧制过程中的宽展
宽展是轧制过程中的一种客观现象。轧制时，轧件的高度受到压缩而减小，变形金属质点除沿纵向流动而产生延伸变形以外，也沿横向流动成为宽展变形。
轧制前后轧件宽度之差的绝对值称为绝对宽展，简称宽展。 1．宽展的的种类
根据轧制时金属沿横向流动的自由程度，宽展可分为以下三种类型： 1）自由宽展
轧制过程中，金属质点的横向流动，除受摩擦阻力的作用外，不受其它任何阻碍和限制，这种情况下的宽展称为自由宽展。如图10所示，如在平辊上轧制扁钢、带钢，以
及在宽度很大轧件不和侧壁接触的箱型孔中的轧制，都属于自由宽展的轧制。
(a)平辊轧制 (b)扁平孔型中轧制
图10 自由宽展
2）限制宽展
轧件在轧制过程中，被压下的金属与孔型侧壁相接触，金属质点的横向流动，除受到摩擦阻力影响外，还受到孔型侧壁的限制，轧件轧制后的断面被迫取得孔型轮廓的形状，如图11所示。如在箱型孔型、闭口孔型中的轧制时，宽展均为限制宽展，这种情况下形成的宽展比自由宽展要小。在如图12所示采用斜配孔型中轧制时，宽展甚至可以为负值。
(a)开口孔型中轧制 (b)闭口孔型中轧制
图11 限制宽展 图12 在斜配孔型中轧制
3）强迫宽展
在凸形孔型中轧制时，轧件受到孔形凸峰的切展，或者在有强烈局部压缩的变形条件下，金属的横向流动受到强烈的推动，迫使轧件宽度增加，这种变形叫强迫宽展。这种变形条件下的宽展量要比自由宽展大。
在孔型轧制时，由于孔型侧壁的作用，宽度上压缩不均匀，金属的变形主要是限制宽展和强迫宽展两种情况。
2．影响宽展的因素 1）压下量对宽展的影响 随压下量增加，宽展量也增加。 2）轧辊直径对宽展的影响 随轧辊直径增大，宽展量增大。 3）轧件宽度对宽展的影响
轧件宽度小于某一定值时，随轧件宽度的增加宽展增加；超过一定宽度之后，随轧件宽度的继续增加而宽展减小，且以后不再对宽展发生影响；当轧件宽度很大时，宽展很小，约为0，即出现平面变状况。
4）摩擦系数对宽展的影响
当其它条件相同时，随摩擦系数增加，宽展增加。 5）轧辊材质的影响
钢轧辊的摩擦系数要比铸铁轧辊大，因而在钢轧辊上轧制时的宽展比在铸铁辊上轧制时的要大。
6）轧制温度的影响
有氧化铁皮的轧件宽展量远大于无氧化铁皮轧件的宽展量，而且在温度较低时，随着轧制温度的升高，氧化铁皮数量增多，摩擦系数增大，宽展量增大；在高温阶段(大约1100℃以上)，由于氧化铁皮熔融，起润滑作用，使摩擦系数降低，因此随温度升高，宽展急剧降低。而对无氧化铁皮的轧件，在高温时宽展无明显降低。
7）轧制道次对宽展的影响
在总压下量相同的情况下，轧制道次越多，总的宽展量越小。 8）前、后张力对宽展的影响
宽展随后张力的增大而减小，前张力对宽展影响很小。 十、轧制过程中的前滑 1．前滑现象
轧制时，在剩余摩擦力的作用下，轧件前端的金属获得加速，使金属质点流动速度加快，当在变形区内金属前端速度超过轧辊水平速度时就形成前滑。
前滑是金属质点相对于轧辊辊面向出口侧流动的现象，金属质点相对于轧辊辊面向出口侧流动的区域即发生前滑的区域称为前滑区；金属质点相对于轧辊辊面向入口侧流动的现象称为后滑，金属质点相对于轧辊辊面向入口侧流动的区域即发生后滑的区域称为后滑区。
在前滑区与后滑区的分界面上，金属质点与轧辊辊面没有相对滑动，这个断面称为中性面或中立面。中性面与出口面之间的弧长所对应的轧辊圆心角或者说前滑区对应的圆心角称为中性角。
考虑到金属质点的前滑和后滑，在出口断面上金属质点的水平流动速度Vh大于轧辊辊面的圆周线速度V，即Vh＞V；而在入口断面上，金属质点的水平流动速度小于轧辊辊面圆周线速度的水平分速度，即VH＜Vcosα。
2．前滑值
前滑值等于轧件出口速度与轧辊圆周线速度之差和轧辊圆周线速度的百分比值：
shvhvv100%h1 vv轧件的出口速度与轧辊的圆周速度之比Vh/V称为前滑系数，用K表示。一般情况下，
Ｋ＝1.03～1.06；个别情况下，Ｋ＝1.10～1.20。这样，sh＝K－1或K＝sh+1。
如果将前滑公式中的分子和分母同乘以时间 t ，则得：
shvhtvtLhL100% vtL式中 Lh——在时间t内轧出的轧件长度；
L——在时间t内轧辊表面任一点所转过的辊面长度。
例：某热连轧机精轧机组成品轧机F6工作辊由于掉肉导致成品出现凸起缺陷。已知F6轧机的上下工作辊直径为700mm，轧件出口厚度为6.0mm，前滑值为7.1%。计算成品带钢上两个相邻的凸起之间的距离Lh(忽略宽展及温度变化引起的热胀冷缩)。
解： 由公式shLhL100%得： LLh=(1+sh)×L=(1+7.1%)×3.14×700≈2354mm 3．前滑在生产中的应用
在连轧生产中，各轧机的辊速和轧件的速度是不一样的。在调整轧机速度时，如果未考虑前滑或估计过小，则下一台轧机的速度就显然不够大，从而造成二台轧机之间堆钢，轧件松弛，引起轧制故障；如果调整轧机时，估计前滑值过大，则因为后一台轧机的速度较前一台轧机速度大，可能出现轧件被拉断的现象。在活套轧制时，为了确定活套的长度，必须正确估计钢的前滑值。估计太小，则活套增长，引起打结或事故，使生产不能正常进行；估计太大，轧件也有被拉断的危险。周期断面轧件的生产也要求正确计算轧件的前滑值，用来作为孔型设计的依据，否则就不能精确地保证产品的断面形状和尺寸。
4．连轧常数与前滑的关系 1．连续轧制
连续轧制是指一根轧件同时在数架轧机上轧制，相邻机架或道次间保持秒流量相等的轧制方法。所谓秒流量相等是指单位时间内流经任一截面的金属体积相等。
连轧机各机架顺序排列，轧件同时通过各个机架进行轧制，各个机架通过轧件互相联系。为保持多台轧机正常工作，必须保证在单位时间内通过各个机架的金属体积相等，即秒流量保持不变。
2．连续流量方程
根据秒流量相等可以建立如下关系：
F1Vh1F2Vh2FnVhn
式中 F1、F2、…、Fn——各架轧机轧后轧件横截面积；
vh1、vh2、…、vhn——各架轧机中轧件出辊速度。 由前滑值计算公式得：
vh＝(1＋sh)v
式中 sh——前滑值；
v——轧辊圆周线速度。
则：
F1v11Sh1F2v21Sh2Fnvn1Shn
将轧辊圆周速度vDn60代入上式并化简得：
F1D1n11Sh1F2D2n21Sh2FnDnnn1Shn
上式表示轧件在各机架轧制时的秒流量相等，即为一个常数，这个常数称为连轧常数，用Ｃ表示。连轧常数一般按最末一架轧机确定，即：
CFnDnnn1shn
上式为连轧过程处于平衡状态的基本方程式。由此式可以看出各机架轧制时的前滑值变化将导致各机架金属秒流量的变化，造成拉钢或堆钢，从而破坏变形的平衡状态。严重拉钢可使轧件断面收缩，严重时会造成轧件破断事故；堆钢可导致带钢折叠，或引起断辊、电动机电流过大而跳闸等设备事故。因此对于连轧机，准确计算各道次的前滑值很重要。在连轧生产中，当前滑值产生变化时，必须及时调整轧辊转速，以保证各机架通过的金属秒流量相等。
若忽略宽展和前滑，则流量方程可写成：
h1V1h2V2hnVn
十一、轧制压力和轧制力矩
金属在变形区内产生塑性变形时，必然有变形抗力存在。轧制时轧辊对金属作用一定的压力来克服金属的变形抗力，迫使其产生塑性变形，同时，金属对轧辊也产生反作用力。由于在大多数情况下，金属对轧辊的总压力是指向垂直方向的，或者倾斜不大，因而可近似认为轧制压力就是金属对轧辊总压力的垂直分量，即是安装在压下螺丝下的测压仪实测的总压力，
1．影响轧制压力的因素 1）摩擦系数的影响
在相对压下量一定的情况下，摩擦系数越大，平均单位压力越大。 2）相对压下量的影响
在其它条件不变时，随相对压下量增大，平均单位压力增大。在轧出厚度一定时，增大压下量会引起变形区长度、接触面积增大，因而轧制压力将进一步增大。
3）比值D/h的影响
在相对压下量一定的情况下，当轧辊直径D增大，或轧件厚度h减小时，会引起单位压力增大。
4）张力的影响
实验结果表明，前后张力都使单位压力减小，而且后张力的影响最为显著。由于张力使变形区内金属在轧制方向产生拉应力，使由于外摩擦的作用产生的纵向压应力减小或变为拉应力，这样会使单位压力减小，引起轧制压力减小。
2．轧制力矩
在轧制过程中，传动轧机的主电动机必须克服作用在其轴上的负荷力矩，才能使轧辊转动。轧制时作用在主电机轴上的负荷力矩由以下四部分组成：
1）轧制力矩 2）附加摩擦力矩 3）空载力矩 4）动力矩 3．轧制图表
轧制图表是表示轧制道次与时间的关系的图表。纵坐标表示轧机的排列和各轧机上的轧制道次的分配，横坐标表示完成某一轧制过程所需要的时间。由于轧钢机形式、布置和轧制方法不同，因此它们的轧制图表也各不相同。
十二、轧制时的弹塑性曲线 1．轧机的弹性曲线
hS0SS0P K上式称为轧机的弹跳方程。按轧机弹跳方程绘制的曲线称为轧机的弹性曲线，如图13所示，其斜率为轧机的刚性系数，图中O点称为工作点。
图13 轧机弹性曲线 图14 轧件塑性曲线
2．轧件的塑性曲线
轧制时的轧制压力P是所轧带钢宽度B、来料厚度H与出口厚度h、摩擦系数f、轧
辊半径R、温度t、单位张力q、变形抗力σs等的函数，当除h外的其它因素一定时，轧制压力P将只随轧出厚度h而改变，即：
P=φ(h)
按此绘出的曲线称为轧件的塑性曲线，如图14所示。塑性曲线与横坐标的交点为轧件入口厚度H，图中O点为工作点。
3．轧制时的弹塑性曲线
弹塑性曲线是轧机弹性曲线和轧件塑性曲线的总称。应用时可将两曲线的工作点重叠，得到以纵坐标为轧制压力P、以横坐标为轧件厚度h的弹性曲线与塑性曲线的迭加图称为P-h图，如图15所示，两曲线的交点O为工作点，对应的横坐标即为轧件轧出厚度h。
图15 轧制时的弹塑性曲线 图16 来料厚度变化引起轧出厚度变化
当来料厚度H发生变化时，会使塑性曲线的相对位置和斜率发生变化。如图16所示，在S0和K值一定的情况下，来料厚度H增大，塑性曲线的起始位置右移，并且其斜率稍有增大，即轧件的塑性刚度稍有增加，故实际轧出厚度增大；反之，实际轧出厚度要减小。所以，当来料厚度不均匀时，所轧出的轧件厚度将出现相应的波动。
4．通过弹塑性曲线说明轧制过程中的调整原则
例如：用P-h图分析并描述原料厚度增大Δ时，如何维持出口厚度不变？
根据题意，假设来料变厚增大△，即由H1→H2，如上图所示：
当原料厚度为H1时，其轧件出口厚度为h1，当原料厚度为H2时，其轧件出口厚度为h2，其厚度差为h2-h1。如要保持厚度h1不变，则画h1A延长线(等厚线C)与轧件塑性线L2交于B点，过B点画轧机弹性曲线L1的平行线M与横坐轴交于S1点，即压辊缝∆S=S0-S1，轧制力变化为∆P=P2-P1，这样可保持轧件出口厚度不变，即轧件出口厚度为h=h1。
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容