第5章金属材料

第五章金属材料（Fe—C合金）

5.1碳钢

工业上使用的钢铁材料中，碳钢占有很重要的地位，它是各种机器零件和结构的主要材料。5.1.1碳钢的成分及其影响

实际使用的碳钢,除了铁和碳以外，由于冶炼方法和条件等因素的影响，不可避免地存在有其他元素如

Mn、Si、P、S、H、O等，这些元素对钢的性能有一定影响。Mn，Si被称为有益元素，它们对钢具有强化作用。Mn还能与S形成MnS(熔点1620度)，减轻S的有害作用。。

Mn—脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。有益元素Si—有很强的固溶强化作用,能脱氧。有害元素P

—有很强的固溶强化作用,低温韧性差(冷脆

)。

S

—能引起钢在热加工时或高温工作下开裂(热裂

)。

5.1.2钢的分类1．按冶炼方法分娄

按冶炼炉的不同有平炉钢、转炉钢和电炉钢；按脱氧方法又和分为沸腾钢（F）、镇静钢(Z）、半镇静钢（B）和特殊镇静钢(TZ)。2.按质量分类普通质量钢(S<

0.05%，P<0.045%)；优质钢（S<0.035%，P<0.035%）

;

高级优质钢（S<0.020%，

P<0.030%

）；

特级优质钢（S<0.015%，P<0.025%

）。

3.按用途分类结构钢：工程结构钢(如梁梁、船舶、建筑构件等)和机器零件用钢(如齿轮、轴、螺母、弹簧、滚动轴承等)，工具钢：主要用于制造工具，如刀具、模具、量具等。特殊性能钢：主要有不锈钢、耐热钢、耐磨钢、磁钢等。

4．按含碳量分类碳素钢分为低碳钢(C

<

0．25％)；中碳钢(含碳量>0.25％

~0.6％

）；高碳钢（含碳量>0.6％）。

5．1．3碳钢的编号方法（表5-1）碳素钢的编号(普通碳素结构钢):

碳素结构钢:

Q

235—A·F沸腾钢A等级235MPa屈服强度优质碳素结构钢*

45---Wc=0.45%*

较高锰质量分数的优质碳素结构钢

45Mn---Wc=0.45%;WMn=0.7%～1.0%碳素工具钢T

12

A高级优质Wc=1.2%碳素工具钢

5.1.4碳素结构钢

碳素结构钢主要用于一般结构和构件，产品有热轧钢板、钢带、型钢、棒钢，一般在供应状态下使用(即不进行热处理而直接使用)。

Q235，Q215-A，Q215一B含碳量较低，塑性好，强度较低。一般用于螺钉、螺母、垫片、钢窗等强度要求不高的工件。

Q235-A，Q255--A可用于农机具中不太重要的工件，如拉杆、小轴、链等，也可用于建筑钢筋、钢板、型钢等。

Q235—B，Q255—B作为建筑工程中质量要求较高的焊接构件。在机械中可用作—‘般的转动铀、吊钩、白行车架等。

Q235—C，Q235—D质量较好，可用作一些较重要的焊接构件及机件。

Q255—A，Q255—B，Q275强度较高，可用作摩擦离合器、刹车钢带等。

5.1.5优质碳素结构钢

与普通结构钢相比，有害杂质及非金属夹杂物含量较少，塑性和韧性较高，多用于制造重要零件。根据化学成分的不同，这类钢又分为普通含锰量钢和较高含锰量钢两类。

l.正常合锰量的优质碳素结构钢指对于含碳量小于0.25％的优质碳素结构钢，其含锰量为0.35％~0.65％，而对于含碳量大于0.25％的优质碳素结构钢，其含锰量为0.50％~0.80％，如表5-3有20种。牌号用两位数字表示

2.较高合锰量的优质碳素结构钢指对于含碳量为0.15％~0.60％的优质碳素结构钢，其含锰量为0.7％~1.0％，而对于含碳量大于0.60％的优质碳素结构钢，其含锰量为0.90％~1.20％。如20Mn

表5--3有11种。此类钢仍属于优质碳素结构钢，而非合金钢。

08F钢塑性好、强度较低，可用于各种冷变形加工成形件。

10~25等低碳钢焊接性能和冷冲压工艺性好，可用来制造各种标准件、轴套、容器等。也可以通过适当热处理(渗碳、淬火、回火)制成表面高硬度、心部有较高韧性和强度的耐磨损、耐冲击的零件如齿轮、凸轮、销轴、摩擦片、水泥钉等。

中碳钢通过适当热处理(调质、表面淬火等)可制作具有良好综合力学性能要求的机件及表面耐磨、心部韧性好的零件，如传动轴、发动机连杆、机床齿轮等。高碳碳素结构钢经适当热处理后可获得高弹性极限和屈强比，以及足够的韧性和耐磨性，可制造小直径的弹簧、重钢轨、钢丝绳等。5.1.6碳素工具钢

含碳量为0.65%--1.35%的碳素钢。5.1.7铸造碳素钢（铸钢）

铸钢的铸造工艺性差，易出现浇不足、缩孔和晶粒粗大等缺陷，为了提高钢液的流动性，浇注温度可能很高，这样容易使铸钢件中出现过热的魏氏组织。所谓魏氏组织是指在原来粗大的奥氏体晶粒内随温度下降由相变产生的粗大针状铁素体，使钢的塑性、韧性下降，魏氏组织可通过完全退火加以消除，

5.2铸铁

铸铁是含碳量大于2.11％，含杂质比钢多的铁碳合金。常用铸铁的化学成分有：含碳量为2.5~4.0％，含硅量为1.0％~3.5％，含锰量为0.5％~1.5％，含磷量＜0.2％．含硫量＜0.15％，有时尚含有一定量的合金元素．如Cr．Mo，V，Cu，A1等。铸铁的强度、塑性和韧性较差，不易进行锻造．其含碳量接近于共晶成分、所以熔点低，流动性好。具有优良的铸造性能；此外，它的合碳量和含硅量较高，碳大部分不再以化合状态而以游离的石墨状态存在。5.2.2铸铁的石墨化

1.石墨化过程铸铁组织中石墨的形成过程叫做石墨化。在极其缓慢的冷却（即提供足够的扩散时间）条件下，或在合金中含有可促进石墨形成的元素（Si)在铁碳合金的结晶中，便会直接从液体或A中析出稳定的石墨相。在这种条件下，石墨化过程可分为3个阶段：第1阶段，1154℃时，通过共晶反应Lc---AE+G

第2阶段，1154—738

℃从A中析出二次石墨G

第3阶段，738℃共析反应形成石墨。AS—F+G

因铸铁的成分和冷却速度等条件的不同，铸铁的基体组织不同，F+P，F+P+G，P+G。

2.影响石墨化的因素

——化学成分和冷却速度，（1）化学成分的影响：各种元素对石墨化过程的影响互有差别。（2）冷却速度的影响：冷却速度对铸铁石墨化的影响也很大。冷却越慢，越有利于石墨化的进行。

5.2.3铸铁的分类

根据铸铁在结晶过程中的石墨化程度不同，铸铁可分为3类。

(1)灰口铸铁：即在第一和第二阶段石墨化的过程中都得到了充分石墨化的铸铁，其断口为暗灰色。工业上所用的铸铁几乎都属于这类。

(2)白口铸铁：即在3个阶段的石墨化全部都被抑制，完全按照Fe—F3C相图进行结晶而得到的铸铁。这类铸铁组织中的碳全部呈化合碳的状态，形成渗碳体，并具有莱氏体组织，其断口白亮，性能硬脆，在工业上很少应用。主要用作炼钢原料。

(3)麻口铸铁：即在第—阶段的石墨化过程中末得到充分石墨化的铸铁，其组织介于白口与灰口之间。含有不同程度的莱氏体，具有较大的硬脆性，工业—上也很少应用。根据铸铁中石墨形态的不同，灰口铸铁又分为灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁和特殊性能铸铁等。

5.2.4灰铸铁

灰铸铁的牌号以HT及3位数的最小抗拉强度值来表示。例如HT200表示该灰铸铁浇铸出的Ø30mm的单铸试棒测得的抗拉强度值不小于200MPa。灰铸铁的牌号及应用如表5-6所示。

(1)灰铸铁的组织及性能特点：灰铸铁的显微组织是由金属基体与片状石墨（C以片状石墨形式存在）所组成，这相当于在钢的基体上嵌入了大量石墨片。灰铸铁按金属基体不同分为铁素体灰铸铁、铁素体—珠光体灰铸铁和珠光体灰铸铁(图5-3)。

石墨的强度、塑性和韧性极低，接近于零。灰铸铁的组织相当于钢的基体上存在很多裂纹。这决定了灰铸铁的力学性能较差。

※抗拉强度很低(100~400MPa)，塑性几乎为零，但抗压强度与钢相近，并且具有良好的铸造性能(流动性好、收缩小)、减振性、耐磨性和低的缺口敏感性。成本低廉，应用广泛。铸铁的性能与铸件壁厚尺寸有关。在根据零件的性能要求选择铸铁牌号时，必须同时注意到零件的壁厚尺寸。

（2）灰铸铁的孕育处理：为了改善铸铁的组织，提高灰铸铁的强度和其它性能。生产中常进行孕育处理。

孕育处理即是在浇注的铸铁液中加入孕育剂，使石墨细化，基体组织细密(珠光体基体)工艺过程。常用的孕育剂是含硅量为75％的硅铁，加入量为铁水质量的0.25~0.6%。孕育铸铁的强度、硬度比普通灰铸铁显著提高。

5.2.5球墨铸铁球墨铸铁是经球化、孕育处理后得到的石墨呈球状的铸铁。球墨铸铁的牌号用QT及两组分别代表其最低抗拉强度和延伸率的数字组成。

常用球墨铸铁的牌号、力学性能和用途如表5-7所示。图为球墨铸铁石墨形态和分布情况。

生产中常采用退火、正火、调质处理、等温淬火等处理工艺，改变球墨铸铁基体组织，以改善球墨铸铁的性能，从而满足不同的使用要求。退火目的是为了去除铸态组织中的自由渗碳体及获得铁素体球墨铸铁，主要用于QT400—18和QT450一10的生产。正火的目的在于增加金属基体中珠光体的含量，并使其细化，提高强度、硬度和耐磨性，主要用于QT600一3，QT700—2和QT800一2。正火后须进行回火，以消除应力。对于承受交变载荷的球铁件，须进行调质处理来提高其综合力学性能。QT900一2等更高强度级别的球铁则是通过等温淬火获得的，适用于要求更高的工件。

5.2.6可锻铸铁

可锻铸铁是将白口铸铁通过退火或氧化脱碳可锻化处理，改变其金相组织而获得的具有较高韧