四、铁金属材料

机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com第四讲：铁金属材料秦后登机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属：铁金属材料钢、铁及其合金。也称黑色金属。合金：是由两种或两种以上的金属材料或金属与非金属材料相互化合生成具有金属特性的物质。铁金属材料都是合金。钢、铁是由Fe和C等元素组成的合金，合金钢是由Fe、C和其它合金元素组成的合金。1.纯铁的的同素异晶转变1394°C912°C体心立方面心立方密排六方

δ-Feγ-Feα-Fe

纯铁的冷却曲线1394℃1534℃10006008001200温度时间16001500500700900110013001400912℃δ-Fe

α-Feγ-Fe机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料铁、碳合金的基本组织1.铁素体(F)：碳溶于α–Fe中的间隙固溶体。具有良好的塑性和韧性，强度、硬度低，铁素体含量越高，其性能越突出。铁碳合金中含碳量越低，则F的含量越高。存在于912℃以下。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料铁、碳合金的基本组织2.奥氏体(A)：碳溶于γ-Fe中形成的间隙固体。具有良好的塑性，变形抗力小，存在于912℃以上。在锻造、热处理是得到广泛的应用。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com3.渗碳体(Fe3C)：铁与碳形成的金属化合物。铁金属材料铁、碳合金的基本组织具有复杂的晶格类型，是一种强化相，它具有高硬度、高脆性，高熔点的物质，含C量为6.69%，铁碳合金中，随着含碳量的提高，Fe3C的含量逐渐提高，则强度、硬度也随着提高。有Fe3CⅠ、Fe3CⅡ之分。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料铁、碳合金的基本组织4.珠光体：(P)：铁素体和渗碳体组成的机械混合物。是共析反应的产物，存在于727℃以下。5.莱氏体(Ld)：奥氏体和渗碳体组成的机械混合物。是共晶反应的产物有：高温莱氏体（存在于727℃以上），奥氏体和渗碳体组成的混合物。低温莱氏体（存在于727℃以下），珠光体和渗碳体组成的机械混合物

Fe-Fe3C

相图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+AL+Fe3CⅠ4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%C(A+Fe3C)LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FA+Fe3CⅡ(F+Fe3C)PP+F0.77%CP+Fe3CⅡLd’Ld’+Fe3CⅠP+Ld’+Fe3CⅡK共晶相图共析相图匀晶相图(P+Fe3C)铁金属材料Fe

Fe3C

T°

Fe-Fe3C

相图ACDEFGSPQ1148℃727℃LAL+A4.3%C2.11%C0.0218%C6.69%CFe

Fe3C

T°LdLd+Fe3CⅠA+Ld+Fe3CⅡFA+FP0.77%CLd’K(P+Fe3C)P+Ld’+Fe3CⅡLd’+Fe3CⅠP+FP+Fe3CⅡ(F+Fe3C)A+Fe3CⅡL+Fe3CⅠ(A+Fe3C)机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料

Fe-FeC

相图机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料铁碳合金的组织机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料1、碳的含量对平衡组织的影响随着碳的含量的提高，F的含量逐渐减少，Fe3C的含量逐渐提高。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料2、碳的质量分数对力学性能的影响

随着含碳量的提高，铁碳合金的强度、硬度随着提高，塑性、韧性逐渐降低，但当含C量超过了1.1%后，强度不再提高，反而降低。为了保证铁碳合金具有一定的强度，实际使用的鉄碳合金的含碳量应在1.4%以内。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料3、碳的质量分数对工艺性能的影响1）对铸造性能的影响。2)对锻造性能的影响。3)对焊接性能的影响。4)对切削加工性能的影响。钢铁的冶炼高炉炼铁铸铁锭生产铸铁件炼钢生铁转炉平炉电炉生产钢件钢铁的冶炼转炉炼钢电弧炉炼钢机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料平炉炼钢钢铁的冶炼1.炼铁的冶金反应特点:还原反应

Fe2O3

Fe3O4FeOFeCO气体高温目的：去氧，用焦炭铸铁：含碳量大于2.11%的鉄碳合金，实际使用的含碳量在2.5—4.0%之间。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料2.炼钢的冶金反应特点:氧化反应炼钢生铁氧化反应钢目的：降碳碳素钢：含碳量小于2.11%铁碳合金，为了保证有一定的力学性能，实际使用的含碳量小于1.4%机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料

1.镇静钢：钢液在浇注前用锰铁、硅铁和铅进行了充分脱氧,Wo=0.01%左右,成分较均匀、组织较致密。主要用于机械性能要求较高的零件。2.沸腾钢：钢液在浇注仅前进行轻度假脱氧,Wo=0.03%～0.07%,成分偏析较严重、组织不致密。机械性能不均匀,冲击韧性差,常用于要求不高的零件。半镇静钢：脱氧过程介于镇静钢和沸腾钢之间的钢,是用锰铁和硅铁进行脱氧。其质量也介于二者之间,可代替部分镇静钢,一般不适于做重要零件。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料杂质及合金元素与铁和碳的作用1.有益元素：Si—有很强的固溶强化作用,能脱氧。Mn—脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度。2.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(裂)。3.气体元素:N：钢中过饱和N在常温放置过程中会发生时效脆化。加Ti、V、Al等元素可消除时效倾向。O：钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源。H：原子态的过饱和氢时将降低韧性,引起氢脆。当氢在缺陷处以分子态析出时，会产生很高内压，形成微裂纹，其内壁为白色，称白点或发裂。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料合金元素与铁和碳的作用1.溶于基体中形成合金F或合金A。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料合金元素与铁和碳的作用2.与碳作用形成合金碳化物Fe、Mn、Cr、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr弱强弱碳化物元素:Fe、Mn。中强碳化物元素:Cr、Mo、W。强碳化物元素:V、Ti、Nb、Zr。3.单独形成特殊碳化物熔点、硬度、耐磨性最高。稳定性最高。例如：TiC、NbC、VC。（锆）（镎）

机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料合金元素在钢中的作用1.主加元素:

对提高钢的性能起主要作用。

Si、Mn、Cr、Ni、B。2.辅加元素:

配合主加元素进一步提高钢的性能,弥补主加元素的不足与缺陷。

W、Mo、V、Ti、Nb。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料碳素钢的分类：可轧制成各种板材和型材，也可锻造成各种锻件1、按含碳量分：低碳钢：Wc≤0.25%，塑性、韧性好，强度、硬度低。中碳钢：0.25%＜Wc≤0.6%，综合力学性能好。高碳钢：Wc＞0.6%，塑性、韧性差，强度、硬度高。2、按质量分：根据有害杂质的多少对性能稳定有影响。普通碳素钢：Ws≤0.055%,Wp≤0.045%,一般工程结构优质碳素钢：Ws≤0.045%,Wp≤0.040%,机械零件高优质碳素钢：Ws≤0.03%,Wp≤0.035%,配置合金、碳素工具钢机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料碳素钢的分类：3、按用途分：碳素结构钢：主要用于各种工程结构和机械零件，一般属于中、低碳钢。碳素工具钢：用于制造各种刃具、模具、量具，属于高碳钢、属于高碳钢。实际中对碳素钢的命名往往是综合的机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料碳素钢的编号及用途1.碳素结构钢:Q235—A·F屈服强度235MPaA等级(A、B、C、D)沸腾钢（Z、B、F)机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料碳素钢的编号及用途2.优质碳素结构钢45---Wc=0.45%用两位数字表示平均含碳量的万分之几。例如：08F、10A、25、45、50、65等。45Mn---Wc=0.45%;WMn=0.7%～1.0%较高锰质量分数的优质碳素结构钢主要用于各种机械零件，又分：优质低碳钢：用于受力不大的机械零件、冲压件、焊接件。优质中碳钢：用于受力较大的机械零件，如轴、齿轮、丝杆等。优质高碳钢：高强度和良好的弹性，用于制造弹簧和易磨损零件。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料碳素钢的编号及用途3.碳素工具钢T12A碳素工具钢

Wc=12%0或1.2%高级优质、不标为优质钢机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料碳素钢的编号及用途4.铸造碳钢ZG200-400铸钢σs≥200MPaσb

≥400MPa用于承受重载，强度韧性要求较高而形状复杂的铸件，如曲轴、大型齿轮、水压机机座等。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料合金钢的编号及用途一、普通低合金钢（合金结构钢）

1.化学成分:碳素结构钢+合金元素主加合金元素:Mn1.8%以内。辅加合金元素:V、Ti、Nb、B。2.牌号:Q345C

质量等级345MPa屈服强度压力容器万吨远洋轮机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料合金钢的编号及用途一、普通低合金钢

Q345钢(16Mn)综合性能好，用于船舶、桥梁、车辆等大型钢结构。Q390钢含V、Ti、Nb，强度高，用于中等压力的容器。南京长江大桥Q460钢含Mo、B，正火组织为B，强度高，用于石化中温高压容器。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料合金钢的编号及用途二.碳素渗碳钢及合金渗碳钢（合金结构钢）1.对渗碳钢的性能要求:表硬内韧2.对渗碳钢的含碳量的要求:低碳3.渗碳钢的热处理特点:渗碳淬火+低温回火(180～200℃)4、化学成分：碳素渗碳钢：Wc≤0.25%合金渗碳钢：Wc=0.15～0.25%合金元素:Cr、Mn、Ni、B、V、W、Mo、Ti等。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料合金钢的编号及用途4、合金渗碳钢的牌号（合金结构钢）20Mn2TiA含碳量WC20%00含锰量WMn2%含钛量WTi≤1.5%等级:高级优质机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料合金钢的编号及用途5.典型合金渗碳钢种介绍：低淬透性合金渗碳钢钢含合金元素总量＜3%，15Cr、20Cr、20Mn2。用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴等。活塞销(20Cr)中淬透性合金渗碳钢含合金元素总量在4%左右。20CrMn、20CrMnTi、20Mn2TiB。用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。柴油机凸轮轴高淬透性合金渗碳钢含合金元素总量在

4%～6%。18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A等。用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。柴油机曲轴机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料合金钢的编号及用途三、碳素调质钢和合金调质钢（合金结构钢）1.对调质钢的性能要求:既强又韧，即综合力学性能好。2.对调质钢的含碳量的要求:中碳3.调质钢的热处理特点:淬火+高温回火(500～650℃)4、化学成分：碳素调质钢：Wc=0.25～0.6%合金调质钢：Wc=0.25～0.5%合金元素:Cr、Mn、Ni、B、Si、V、W、Mo、Ti等。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料合金钢的编号及用途三、碳素调质钢和合金调质钢（合金结构钢）5.合金调质钢的牌号：40Cr40Mn40MnB35CrMo38CrMoAlA25Cr2Ni4WA牌号的标记中含碳量与优质碳素钢一样，合金元素的含量与合金渗碳钢相同。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料合金钢的编号及用途三、合金调质钢（合金结构钢）6、典型合金调质钢种介绍高淬透性调质钢钢含合金元素总量在4%～10%。制造大截面重载荷零件，如曲轴等用高淬透性的零件等。38CrMoAlA、40CrMnMo、25Cr2Ni4WA等。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料合金钢的编号及用途四.碳素弹簧钢及合金弹簧钢（合金结构钢）1.对弹簧钢的性能要求:高的σe、高的σs/σb、高的σ-1、良好的韧。2.对弹簧钢含碳量的要求:中、高碳。3.热成型弹簧钢的热处理特点:淬火+中温回火(450～550℃)4、化学成分：碳素弹簧钢：Wc≤0.6—0.9%合金弹簧钢：Wc=0.5～0.7%合金元素:Si、Mn、Cr、V、W、Mo等。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料合金钢的编号及用途四.碳素及合金弹簧钢：5、碳素及合金弹簧钢的牌号：65、65Mn55Si2Mn、60Si2Mn50CrVA、50CrMnA55SiMnMoVNb汽车板簧大型热卷弹簧热卷大弹簧簧弹丝滚珠轴承滚针轴承滚柱轴承机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料合金钢的编号及用途五.滚动轴承钢（合金结构钢）:1.性能要求:高的硬度强度和耐磨性;高的接触疲劳强度;足够的韧性和耐蚀性;高的纯净度;2.化学成分特点:高碳,Wc=0.9～1.1%。主加Cr,0.4～1.65%

辅加Si、Mn。优质钢材。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料合金钢的编号及用途五.滚动轴承钢:3.热处理特点:球化退火+淬火+低温回火4.滚动轴承钢的牌号GCr9SiMn

滚动轴承钢含Cr量WCr

≈0.9%含Si量WSi≤1.5%含Mn量WMn≤1.5%含碳量＞1%，不标含碳量。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料合金钢的编号及用途合金工具钢合金刃具钢、合金模具钢合金量具钢分类：刃具量具模具手锤锉刀机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料一.碳素刃具钢1.性能要求:高硬度、高耐磨性,有一定的强度和韧性。2.化学成分特点:高碳，一般大于1%3.热处理特点:淬火+低温回火4.用途:用于低速、低温(＜200℃）、低冲击、硬度在HRC62左右的刃具。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料二.合金刃具钢种类:

低合金刃具钢;高速钢牌号:

9SiCrW18Cr4V合金元素及含量,平均百分之几。千分之几的含碳量，不标时指大于百分之一。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料二.合金刃具钢1.低合金刃具钢1.性能要求:高硬度、高耐磨性、有一定的红硬性强度和韧性,工作温度不超过300℃。2.化学成分特点:高碳，加入Cr、Mn、Si、W、V等合金元素。3.热处理特点:球化退火淬火+低温回火

车刀铣刀钻头机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料2.高速钢:二.合金刃具钢也叫锋钢、风钢;(1)性能要求:高硬度、高耐磨性、高的红硬性(600℃时,HRC63以上)、有一定的强度和韧性。如：W18Cr4V1（18-4-1钢）

W6Mo5Cr4V2机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料2.高速钢:(2)化学成分特点:高碳0.7～1.5%:保证高硬度钨18%:退火状态下形成M6C碳化物,在560℃左右回火时,析出W2C,提高钢的红硬性。钼5%:1%Mo的作用等同于2%W。铬4%:形成Cr23C6碳化物;提高钢的淬透性。钒1.5%:

形成VC,硬度极高,提高钢的硬度和耐磨性,产生二次硬化。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料三.合金模具钢热作模钢:工作温度为600℃以上。冷作模钢:工作温度为200～300℃。一)热作模钢1.性能要求:高的热硬性、高温耐磨性;高的抗氧化能力;高的热强性和足够高的韧性;高的热疲劳抗力(防止龟裂);高的淬透性和导热性;曲轴模具2.化学成分特点:中碳0.3～0.6%;合金元素:Cr、Ni、Mn、

Si、Mo、W、V。3.牌号有：热锻模钢:5CrMnMo热压模钢:3Cr2W8V汽车冲压模具机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料三.合金模具钢二)冷作模钢1.性能要求:高的硬度,HRC62;高的耐磨性;足够高的韧性与疲劳抗力;热处理变形小;2.化学成分特点:高碳1～2%;合金元素:Cr,Mo、W、V。3、牌号:Cr12、Cr12MoV机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料四.合金量具钢卡尺量规千分尺1.性能要求:高的硬度,HRC62;高的耐磨性;高的尺寸稳定性;足够高的心部韧性;热处理变形小;尺寸稳定;良好的耐蚀性;机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料特殊性能钢不锈钢、耐热钢、耐磨钢一.不锈钢1.定义:

在腐蚀介质中具有很高的抗腐蚀能力的钢。2.概念:*在空气中的年腐蚀量为0.01mm以内的钢,称为在空气中使用的不锈钢。*在强酸、强碱介质中的年腐蚀量为0.1mm以内的钢,称为在强酸、强碱介质中使用的不锈钢。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料一.不锈钢3、金属腐蚀的种类:1)化学腐蚀:

金属与介质(干燥气体和非电解质溶液)发生化学反应而产生的腐蚀。例如:高温氧化、脱碳等。2)电化学腐蚀:

金属与介质(电解质溶液,即酸、碱、盐溶液)发生电化学反应而产生的腐蚀。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料一.不锈钢4.金属的防腐措施:1)覆盖层保护:

涂漆、电镀、发蓝、磷化等工艺。2)形成氧化层:

加入合金元素Cr、Al、Si

等,形成Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜。

3)提高金属的电极电位:

加入合金元素Cr、Ni、Si等,提高金属基体的电极电位。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料一.不锈钢5.化学成分特点:

*

低碳:耐蚀性要求愈高,碳含量愈低。

*合金元素:主加元素Cr。

辅加Ni、Mo、Cu、Ti、Nb、Mn等。6.常用的不锈钢:

*马氏体型不锈钢*铁素体型不锈钢*奥氏体型不锈钢机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料一.不锈钢化学成分特点:

Wc=0.1～0.4%

WCr=13%1)马氏体型不锈钢---Cr13型钢牌号:

1Cr13～4Cr13用途:

医疗器械机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料一.不锈钢2)铁素体型不锈钢化学成分特点:

Wc=0.1%左右、WCr=17%牌号:1Cr17、1Cr17Ti、1Cr28等。用途:化工设备中要求耐蚀性高、塑性好、强度低的容器、管道等。硝酸生产装置合成氨生产装置机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料一.不锈钢3)奥氏体型不锈钢---18–8型钢化学成分特点:

Wc=0.08～0.14%

WCr=17～19%、WNi=8～11%、Cu、Ti、Mo等。加工特点:不能进行热处理强化,只能冷塑性变形强化。牌号:

0Cr18Ni9、

00Cr18Ni9、1Cr18Ni9、

0Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni9Ti含碳量小于0.1%含碳量小于0.01%机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料用途:

化工容器、管道等。一.不锈钢3)奥氏体型不锈钢---18–8型钢管板换热器(304)大型化工储罐(304)机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料二.耐热钢特殊性能钢1.定义:在高温下具有抗氧化性和高温强度的特殊钢。2.性能要求:抗氧化性(热稳定性)高温强度(热强性)3.提高钢的耐热性的途径:加入合金元素Cr、Si、Al等,在钢的表面形成稳定、致密的氧化膜。4.提高钢的耐热性的途径:

1)固溶强化:加入W、Mo、Nb、Ti、V等元素强化基体;提高再结晶温度。

2)弥散强化:加入Nb、V、Ti等元素形成碳化物,在晶内弥散析出,阻碍位错的滑移,提高塑变抗力。发动机叶片航空发动机汽轮机叶片汽车阀门机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料耐热钢的用途特殊性能钢机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料特殊性能钢二.耐热钢:1.定义:在高温下具有抗氧化性和高温强度的特殊钢。2.性能要求:抗氧化性(热稳定性)、高温强度(热强性)3.提高钢的耐热性的途径:加入合金元素Cr、Si、Al等,在钢的表面形成稳定、致密的氧化膜。4.提高钢的耐热性的途径:

1)固溶强化:加入W、Mo、Nb、Ti、V等元素强化基体;提高再结晶温度。

2)弥散强化:加入Nb、V、Ti等元素形成碳化物,在晶内弥散析出,阻碍位错的滑移,提高塑变抗力。发动机叶片航空发动机汽轮机叶片汽车阀门机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料二.耐热钢:耐热钢的用途机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126.com铁金属材料三.耐磨钢：特殊性能钢1.定义:在强烈冲击载荷作用下发生冲击形变硬化的高锰钢。2.性能要求:高硬度、耐磨性、韧性。3.化学成分特点:高碳Wc=1～1.3%高锰WMn=11～14%

4.热处理特点:水韧处理。机械基础罗田理工中专qinhoudneg@126