工程材料与制造技术基础-任云鹏-第5章

1、主讲：任主讲：任 云云 鹏鹏Email: 5.4第5章 工业用钢及铸铁5.5钢的综述钢的综述结构钢结构钢工具钢工具钢特殊性能钢特殊性能钢铸铁铸铁工业用钢按化学成分分为工业用钢按化学成分分为碳素钢碳素钢和和合金钢合金钢两大类。两大类。碳素钢是指含碳量低于碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。的铁碳合金。合金钢是指为了提高钢的性能，合金钢是指为了提高钢的性能， 在碳钢中加入一定量合金元素在碳钢中加入一定量合金元素 所获得的铁基合金。所获得的铁基合金。 5.1.1、钢材生产简介、钢材生产简介5.1 钢的综述钢的综述1、钢的制取、钢的制取铁的冶炼：还原铁矿石得到生铁生铁（2.11

2、%）钢的冶炼：氧化生铁或碳钢，使其碳含量降低到一定范围；同时也可降低杂质（Mn、Si、S、P）含量或加入合金元素。脱氧处理程度：镇静钢（脱氧完全）和沸腾钢（脱氧不完全）2、钢的型材加工、钢的型材加工浇铸、锻造、轧制、挤压、拉拔3、钢的质量、钢的质量杂质Si、Mn、S、P的影响气体氢的影响：白点，导致材料突然断裂。非金属夹杂物的影响：降低材料塑性，成为裂纹源。Si硅是有益的元素： 可消除FeO对钢的不良影响；强化铁素体：固溶强化。作为杂质其含量应小于0.4%。Mn锰是有益的元素： 可清除钢中的FeO，改善钢的品质。强化铁素体：固溶强化。 最高含量可达1.2%。u钢中基本元素为：钢中基本元素为：F

3、e 、C；u主要杂质元素有：主要杂质元素有：Si、Mn、S、P。杂质杂质Si、Mn、S、P对钢性能的影响对钢性能的影响 硫是有害元素：硫是有害元素：常以FeS形式存在。易与Fe在晶界上形成低熔点共晶产物(985)，热加工时(11501200)，由于其熔化而导致开裂，称热脆性。钢中的硫应控制在0.045%以下。Mn可消除硫的有害作用, FeS + Mn Fe + MnS， MnS熔点高(1600)。磷是有害元素：磷是有害元素：l能全部溶入铁素体中，使钢在常温下硬度提高，塑性、韧性急剧下降，称冷脆性。lP一般控制在0.045%以下。比利时阿尔伯特运河钢桥因高磷产生冷比利时阿尔伯特运河钢桥因高磷产生

4、冷脆性于脆性于1938年冬发生断裂坠入河中年冬发生断裂坠入河中 5.1.2钢的分类、编号和成分钢的分类、编号和成分1.1.钢的分类钢的分类1 1）按化学成分）按化学成分 中碳钢 0.250.6%C高碳钢 0.6%C低碳钢 0.25%C低合金钢 合金元素总量 5%中合金钢 5% 合金元素总量 10%高合金钢 合金元素总量 10%碳素钢合金钢钢钢 类类碳碳 素素 钢钢合合 金金 钢钢SPSP普通钢普通钢0.0550.0450.0450.045优优 质质 钢钢0.040.040.0350.035高级优质钢高级优质钢0.0300.0350.0250.025特级优质钢特级优质钢0.0200.0250.0

5、150.0252 2）按质量）按质量u钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。u分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢.u根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下： 3 3）按用途）按用途 工程结构钢 建筑、桥梁、船舶、车辆渗碳钢调质钢弹簧钢轴承钢铸钢机器结构钢结 构 钢刃具钢模具钢量具钢工 具 钢不锈钢耐热钢耐磨钢特 殊 性能 钢2 2、钢的编号、钢的编号u编号原则：编号原则：根据编号可大致看出钢的成分和用途。u编号方法：编号方法：汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合。采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一第一个字

6、母个字母。碳钢的编号方法碳钢的编号方法1 1）碳素结构钢）碳素结构钢牌号：Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa；质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。脱氧程度: 沸腾钢F；镇静钢Z；半镇静钢B；特殊镇静钢TZ。例如：碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。2 2）优质碳素结构钢）优质碳素结构钢牌号：两位数字（表示钢平均含碳量的万分之几）。例如：45钢平均含碳量为万分之四十五万分之四十五（即0.45%）的优质碳素结构钢。含Mn量为0.71.0%时，在两位数字后加元素符号“Mn”，如40Mn。高级优质

7、钢在钢号后加字母A，如20A。 3 3）碳素工具钢）碳素工具钢牌号组成：T+数字（表示平均含碳量的千分数千分数）如T8其平均含碳量为千分之八(0.8%C)。碳素工具钢都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后加“A”或“Mn”，例如：T8Mn，T10A丝锥丝锥锉刀锉刀4 4）工程用铸造碳钢）工程用铸造碳钢牌号组成：ZG + 数字-数字ZG表示“铸钢”；两位数字分别表示屈服强度和抗拉强度，单位为MPa例如：ZG200-400铸钢件铸钢件2.5吨大齿轮铸件吨大齿轮铸件合金钢的编号方法合金钢的编号方法1 1）低合金高强度钢）低合金高强度钢牌号：与碳素结构钢编号一致低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢

8、，其牌号中没有表示脱氧方法的符号。如Q345C。根据需要，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之几）和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。说明：通常情况下，屈服强度值小说明：通常情况下，屈服强度值小300MPa时为碳素结构钢，大于时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。时为低合金高强度钢。2) 2) 合金结构钢合金结构钢牌号：两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素符号+该元素百分含量数字+当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量。高级优质钢在牌号后加字母“ A”，如60Si2MnA。易切削钢在牌号前加“ Y”, 如Y4

9、0Mn，表示平均含碳量为0.4%，平均含锰量小于1.5%的易切削钢。滚动轴承钢在钢号前加“G”，铬含量以千分之几来表示。如“GCr15SiMn”的平均含铬量为1.5%，Si、Mn的含量小于1.5%的滚动轴承钢。3 3） 合金工具钢合金工具钢牌号：含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+u当含碳量小于1.00%时，含碳量用一位数字标明，这一位数字表示平均含碳量的千分之几，如8MnSi。u当含碳量大于1.00%时，不标含碳量。当合金元素的平均含量小于当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不时，只标元素符号，不标含量。标含量。铣刀铣刀4 4）特殊性能钢）特殊性能钢牌号：数字（含碳量的千分

10、之几）+合金元素符号+该元素百分含量+含碳量的表示方法为：含碳量的表示方法为：当平均含碳量不大于当平均含碳量不大于0.03%及及0.08%时，时，钢号前分别冠以钢号前分别冠以00及及0表示。表示。例如：例如：2Cr13涡轮叶片涡轮叶片3、各类钢的成分特点、各类钢的成分特点l简单了解，见表简单了解，见表5-35.1.3 碳钢和合金钢的特点碳钢和合金钢的特点1、碳钢的特点、碳钢的特点碳钢是含碳量小于2.11%的铁碳合金。常用碳钢为含碳量都小于1.4%，并含有硅、锰、硫、磷等杂质的金属材料。强度、硬度取决于含碳量，可通过热处理进一步提高。l 低碳钢： 强度、硬度低，塑性、韧性好，适于冷、热加工与焊接

11、。l 中碳钢：综合性能相对较好，可制作齿轮、主轴及连杆等重要机械零件。l 高碳钢： 耐磨性好、硬度中等，可制作刃、模、量具等易磨损的零件。 淬透性低、回火稳定性差且易开裂。高、低温性能差、易被腐蚀成型工艺及热处理工艺简单，成本低、价格便宜。2 2、合金钢的特点、合金钢的特点为了改善钢的某些性能，特意加入一种或几种合金元素所炼成的钢。合金钢的性能特点：具有较高的强度和塑性一般都要淬火和回火。淬硬性主要取决于含碳量-具有较高的淬透性。具有较高的热硬性及其它性能，如抗腐蚀性、磁性等。成本高，成型工艺和热处理工艺复杂。3 3、合金元素在钢中的作用合金元素在钢中的作用合金元素可分为碳化物形成元素和非碳化

12、物形成元素非碳化物形成元素：Ni、Co、Al、Si等。碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti等。1 1）强化钢材）强化钢材 固溶强化：非碳化物形成元素第二相强化和细晶强化：碳化物形成元素 增大钢的淬透性： Mn、Ni、Cr、Mo、B 提高钢的回火稳定性：Si、 Mo、W、V2 2）使钢具备特殊性能）使钢具备特殊性能 耐蚀钢、奥氏体不锈钢、热稳定钢、热强钢3 3）合金元素对钢的工艺性能的影响）合金元素对钢的工艺性能的影响合金元素使钢的铸造性能下降（熔点较高的合金元素使液态金属黏度增加）。合金元素使钢的锻造性能下降。合金元素对焊接性能的影响通过碳当量碳当量(应小于0.4%)来判

13、断。合金元素使钢的切削性能下降。1556CuNiVMoCrMnccwwwwwwwweq结构钢按用途可分为： 工程结构钢和机器结构钢。对结构钢的性能要求为：使用性能以强韧性为主。工艺性能以可焊性、淬透性好为主。5.2 结构钢结构钢1 1、普通碳素钢、普通碳素钢成分：2.11%，并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。p性能优点： 结晶温度范围窄，熔点低、流动性好、具有良好的铸造性能。生产设备和工艺简单，成本低。缺点：强度、塑性、韧性都比钢差。应用最广泛的材料之一。 5.5 铸铁铸铁例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都可用铸铁制造。铸铁曲轴铸铁曲轴内燃机汽缸内燃机汽缸

14、铸铁的石墨化：u铸铁中碳原子析出，并形成石墨的过程称为石墨化。uFe3C是亚稳相，在一定条件下将发生分解： Fe3C3Fe+C（石墨） 在铁碳合金中，C是以两种形式存在的，一种是化合形式的Fe3C，一种是游离状态的石墨。u铸铁的石墨化条件：（1）长时间保温（2）加入促进石墨化元素时。如：Si共晶白口铸铁共晶白口铸铁F基体球墨铸铁基体球墨铸铁存在两个铁碳相图： Fe-Fe3C和Fe-G双重相图u共晶反应生成奥氏体和石墨u奥氏体中析出石墨u共析反应析出铁素体和石墨L+GL+Fe3C铸铁的分类：铸铁的分类：根据石墨化程度和碳在铸铁中的存在形式可以分为：白口铸铁、灰口铸铁。u白口铸铁：C绝大多数都是以

15、Fe3C的形式存在的。断口是银白色。有较大的硬脆性，一般不用作机器零件。u灰口铸铁：C的存在形式主要为石墨，断口为灰黑色。灰铸铁是铸造性能最好、应用最广泛的铸铁材料。u灰口铸铁有根据石墨的存在形式分为：灰铸铁灰铸铁、蠕墨铸铁蠕墨铸铁、球墨铸铁球墨铸铁和可锻铸铁可锻铸铁。 5.5.1 灰铸铁灰铸铁基体组织有铁素体铁素体、珠光体珠光体和片状石墨片状石墨三种。性能：强度、弹性模量较低，塑性、韧性接近零。抗压强抗压强度大度大，具有减振和自润滑作用自润滑作用。制造承受压力和震动的零件，如机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体。不适于锻造、冲压，焊接性能差，铸造性能好，切削性能好。灰铸铁的牌号和用途：表5-

16、19HT+三位数字：灰铸铁+最低抗拉强度 如HT100 、HT200影响铸铁组织和性能的因素：n化学成分：C和Si：含量越高，析出石墨越多、越粗大。Si是促进石是促进石墨化的元素墨化的元素，如含量过低，石墨难以形成。C和Si的含量越高，铸造性能越好。Mn和S：S阻碍石墨化，增加铸铁的热脆性，降低铸造性能。Mn可与S形成MnS，降低S的有害作用。P不影响石墨化，但会增加铸铁的冷脆性。n冷却速度：冷却速度快抑制石墨析出，速度慢，石墨可顺利析出。孕育铸铁：向低碳（2.73.3%）、低硅（12%）的铁水中加入少量孕育剂再浇注的铸铁。n外来弥散质点增加石墨结晶晶核：石墨易于析出，切细小、均匀，获得珠光体

17、组织。n冷却速度对孕育铸铁的组织性能影响较小。孕育剂：n硅铁n硅钙铁灰铸铁选用：表5-195.5.2 蠕墨铸铁蠕墨铸铁 u铁水加入变质剂后，石墨呈蠕虫状石墨呈蠕虫状，长宽比为210。u与灰铸铁相比，石墨端部变圆，应力集中小，力学性能明显提高。u蠕墨铸铁常用于制造承受热循环载荷的零件和结构复杂、强度要求高的铸件。如钢锭模、玻璃模具、柴油机汽缸、汽缸盖、排气阀、液压阀的阀体、耐压泵的泵体等。蠕墨铸铁的显微组织蠕墨铸铁的显微组织蠕墨铸铁中的石墨蠕墨铸铁中的石墨珠光体基体珠光体基体铁素体基体铁素体基体蠕墨铸铁制作的零件蠕墨铸铁制作的零件5.5.3. 可锻铸铁可锻铸铁 石墨呈团絮状石墨呈团絮状的灰口铸铁，是由白口铸铁经石墨化退火获得的。u具有比灰铸铁更好的韧性、塑性及强度。u可锻铸铁不可锻可锻铸铁不可锻黑心可锻铸铁黑心可锻铸铁 用途：用于制造形状复杂且承受振动载荷的薄壁小型件，如汽车、拖拉机的前后轮壳、管接头、低压阀门等。但成但成本太高。本太高。5.5.4.球墨铸铁球墨铸铁 u灰口铸铁加入球化剂后，石墨呈球形石墨呈球形的灰口