金屬材料（鋼鐵）復習資料包：理論·分類·工藝·應用全梳理鋼鐵作為支撐現(xiàn)代工業(yè)體系的核心材料，其成分、組織與性能的關聯(lián)規(guī)律，是金屬材料學科的核心考點。本資料從基礎理論、分類體系、性能表征、生產工藝到考點應用，系統(tǒng)整合關鍵知識，助力學習者構建“成分-組織-工藝-性能-應用”的完整邏輯鏈。一、基礎理論：鋼鐵的“基因密碼”1.金屬鍵與晶體結構鋼鐵的力學性能源于金屬鍵的特性：鐵原子通過“電子?！保ㄗ杂呻娮樱崿F(xiàn)原子間結合，兼具良好導電性與塑性變形能力。鐵的同素異構轉變是鋼鐵熱處理的核心基礎：室溫至912℃：體心立方（BCC）結構的α-Fe（鐵素體），原子排列較疏松，塑性好但強度低；912~1394℃：面心立方（FCC）結構的γ-Fe（奧氏體），原子密排度高，塑性優(yōu)異，是鋼材加熱后“可鍛性”的來源；1394~1538℃：體心立方（BCC）結構的δ-Fe，僅在高溫下存在。2.Fe-Fe?C相圖：組織演化的“地圖”Fe-Fe?C相圖以碳含量（0~6.69%）和溫度為坐標軸，揭示鋼鐵組織隨成分、溫度的變化規(guī)律：關鍵反應：共析反應（S點，0.77%C）：奧氏體（γ）→珠光體（鐵素體+滲碳體片層）；共晶反應（C點，4.3%C）：液體→萊氏體（奧氏體+滲碳體）。典型組織：亞共析鋼（<0.77%C）：室溫組織為鐵素體+珠光體（鐵素體呈白色基體，珠光體為片層狀）；共析鋼（0.77%C）：珠光體（片層交替，硬度適中）；過共析鋼（>0.77%C）：珠光體+二次滲碳體（滲碳體沿晶界呈網狀分布，降低塑性）；白口鐵（>2.11%C）：萊氏體為基，硬而脆，多用于耐磨件。二、鋼鐵分類：按“身份”精準定位1.化學成分：碳素鋼vs合金鋼碳素鋼：僅含F(xiàn)e、C及少量雜質（Si、Mn、S、P），按碳含量分：低碳鋼（≤0.25%C）：如Q235，塑性好、焊接性優(yōu)，用于建筑結構；中碳鋼（0.25~0.6%C）：如45鋼，強度與塑性平衡，用于軸類；高碳鋼（>0.6%C）：如T10，硬度高，用于刀具。合金鋼：加入Cr、Ni、Mo等合金元素，賦予特殊性能：合金結構鋼（如20CrMnTi）：滲碳后表面硬、心部韌，用于齒輪；工具鋼（如W18Cr4V）：W提高紅硬性，用于高速切削刀具；特殊性能鋼（如304不銹鋼）：Cr、Ni形成鈍化膜，耐腐蝕。2.質量等級：普通、優(yōu)質、高級優(yōu)質以雜質元素（P、S）含量區(qū)分：普通鋼（P≤0.045%，S≤0.050%）：成本低，用于對性能要求不高的結構；優(yōu)質鋼（P≤0.035%，S≤0.035%）：標記為“優(yōu)質”，如45鋼；高級優(yōu)質鋼（P≤0.030%，S≤0.030%）：標記為“高級優(yōu)質”（如45A），用于重要零件。3.用途與組織：功能導向的分類按用途：結構鋼（建筑、機械）、工具鋼（刃具、模具）、特殊性能鋼（耐蝕、耐熱）；按組織：珠光體鋼（退火態(tài)，如低碳鋼）、貝氏體鋼（等溫淬火，強度韌性優(yōu)）、馬氏體鋼（淬火態(tài)，硬度高）、奧氏體鋼（不銹鋼，無磁性）。三、性能與表征：從“宏觀表現(xiàn)”到“微觀本質”1.力學性能：鋼鐵的“能力指標”強度：抵抗塑性變形的能力，用屈服強度（σ?）（材料開始屈服的應力）和抗拉強度（σ?）（斷裂前最大應力）衡量；塑性：斷裂前的變形能力，用延伸率（δ）（標距伸長率）和斷面收縮率（ψ）（斷口收縮率）表示；硬度：抵抗局部壓入的能力，測試方法：布氏硬度（HB）：測軟鋼、鑄鐵，壓痕大，代表性好；洛氏硬度（HRC）：測淬火鋼，壓痕小，效率高；維氏硬度（HV）：測薄件、微區(qū)，精度高。韌性：抵抗沖擊載荷的能力，用沖擊功（A?）（夏比沖擊試驗）衡量，低溫下韌性下降（冷脆）。2.工藝性能：加工可行性的“通行證”鑄造性能：流動性（液態(tài)填充能力）、收縮率（凝固后體積變化），碳含量過高易產生縮孔；鍛造性能：塑性（變形能力）、變形抗力（變形難易），奧氏體狀態(tài)下鍛造性最佳；焊接性能：碳含量≤0.25%時焊接性優(yōu)（如Q235），高碳鋼需預熱防裂紋；切削性能：硬度適中（180~220HB）時切削性佳，高碳鋼需球化退火改善。3.微觀表征：“透視”內部組織通過金相顯微鏡觀察腐蝕后的組織：珠光體：鐵素體與滲碳體片層交替，放大后呈“指紋狀”；馬氏體：碳過飽和的α-Fe，低碳為板條狀（韌性好），高碳為片狀（硬度高、脆性大）；貝氏體：鐵素體與碳化物的混合組織，等溫淬火獲得，強度與韌性平衡。四、生產工藝：從“礦石”到“鋼材”的蛻變1.煉鐵：從鐵礦石到生鐵高爐煉鐵以鐵礦石（Fe?O?/Fe?O?）、焦炭（燃料+還原劑）、石灰石（造渣劑）為原料：還原反應：CO（焦炭不完全燃燒生成）還原Fe?O?→FeO→Fe；造渣反應：CaCO?分解為CaO，與SiO?生成爐渣（CaSiO?），浮于鐵水表面排出；產物：生鐵（含C2~4.5%，Si、Mn、S、P雜質），用于煉鋼或鑄造。2.煉鋼：脫雜與合金化的藝術煉鋼核心任務：脫碳、脫磷、脫硫、脫氧、去除雜質、合金化，主流工藝：轉爐煉鋼（氧氣頂吹）：利用鐵水自身雜質氧化放熱，成本低、效率高；電爐煉鋼（電弧爐）：以廢鋼為原料，成分易控制，適合生產合金鋼；脫氧與合金化：出鋼時加入Al、Si脫氧，再加入Cr、Ni等合金元素調整成分。3.熱處理：“點石成金”的魔法通過加熱-保溫-冷卻改變組織與性能：退火：完全退火（Ac?以上，細化晶粒）、球化退火（高碳鋼，使?jié)B碳體球化，改善切削性）；正火：Ac?或Acm以上，空冷，細化晶粒，消除網狀滲碳體；淬火：Ac?（亞共析鋼）或Ac?（過共析鋼）以上，快速冷卻（水、油），獲得馬氏體；回火：淬火后加熱（150~650℃），消除內應力，調整性能：低溫回火（150~250℃）：保留硬度，用于刀具；中溫回火（350~500℃）：高彈性，用于彈簧；高溫回火（500~650℃）：調質處理（強度+韌性），用于軸類。4.加工成型：賦予鋼鐵“形態(tài)”軋制：熱軋（再結晶溫度以上，塑性好）生產型鋼、板材；冷軋（室溫，精度高）生產薄板、帶鋼；鍛造：自由鍛（單件大鍛件）、模鍛（批量復雜件），改善組織，消除缺陷；沖壓：薄板成型（如汽車覆蓋件），依賴材料的塑性；拉拔：生產線材、管材，直徑小、精度高。五、常見考點與應用案例：“理論→實踐”的橋梁1.核心考點梳理Fe-Fe?C相圖：判斷不同碳含量鋼的室溫組織（如0.45%C鋼為鐵素體+珠光體）；熱處理工藝：淬火溫度選擇（亞共析鋼Ac?+30~50℃，過共析鋼Ac?+30~50℃），回火的作用（消除內應力、調整性能）；合金元素作用：Cr（耐蝕、耐磨）、Ni（奧氏體化、耐蝕）、W（紅硬性）、V（細化晶粒）。2.典型應用案例建筑結構：Q235鋼，強度適中、焊接性優(yōu)，用于橋梁、廠房；汽車齒輪：20CrMnTi，滲碳淬火后表面硬度>58HRC，心部韌性好；高速刀具：W18Cr4V，W形成碳化物，600℃時硬度仍>60HRC（紅硬性）；廚具：304不銹鋼（0Cr18Ni9），Cr、Ni形成鈍化膜，耐腐蝕、無毒。3.易錯點辨析共析鋼、亞共析鋼、過共析鋼的組織區(qū)別：亞共析鋼含自由鐵素體，過共析鋼含二次滲碳體；淬火與回火的順序：必須先淬火獲得馬氏體，再回火調整性能（直接回火無效果）；強化機制：固溶強化（溶質原子阻礙位錯）vs第二相強化（碳化物顆粒阻礙位錯）。