第4章 钢铁材料及其用途

第4章钢铁材料及其用途4.1碳钢与合金钢4.2铸铁4.1碳钢与合金钢4.1.1碳钢碳素钢是指含碳量在0.0218%~2.11%的铁碳合金。合金钢是指为了提高钢的性能，在碳钢基础上有意加入一定量合金元素所获得的铁基合金。1.碳钢的分类

（1）按冶炼方法分类平炉炼钢平炉钢转炉钢电炉钢

按冶炼炉分沸腾钢镇静钢半镇静钢特殊镇静钢

按脱氧方法分（2）按化学成分分类

中碳钢0.25~0.6%C高碳钢

0.6%C低碳钢

0.25%C低合金钢合金元素总量5%中合金钢合金元素总量5~10%高合金钢合金元素总量10%碳素钢合金钢钢类碳素钢合金钢PSPS普通钢≤0.045≤0.045≤0.045≤0.045优质钢≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高级优质钢≤0.030≤0.030≤0.025≤0.025特级优质钢≤0.025≤0.020≤0.025≤0.015（3）按质量分类钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。分为普通钢、优质钢、高级优质钢和特级优质钢.根据现行标准，各质量等级钢的磷、硫含量如下：（4）按用途分类

工程用钢建筑、桥梁、船舶、车辆渗碳钢调质钢弹簧钢滚动轴承钢耐磨钢机器用钢结构钢刃具钢模具钢量具钢工具钢不锈钢耐热钢特殊性能钢挤压模具珠光体钢贝氏体钢马氏体钢铁素体钢奥氏体钢莱氏体钢按正火组织分亚共析钢共析钢过共析钢

按退火组织分（5）按金相组织分类齿轮刀具2.钢的牌号我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。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个字母.（1）普通碳素结构钢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。脱氧方法符号:

沸腾钢—F；镇静钢—Z；半镇静钢—b；特殊镇静钢—TZ。如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。其他牌号见P43表4-1钢板齿轮加工方钢（2）优质碳素结构钢牌号用两位数字表示。这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。如45钢—平均含碳量为万分之四十五（即0.45%）的优质碳素结构钢。其他优质碳素结构钢的牌号、性能和用途见P43表4-2（3）碳素工具钢T+数字T表示“碳素工具钢”；数字表示平均含碳量的千分之几.如T8—其平均含碳量为千分之八(0.8%C)。*说明：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”，如T8A。其他碳素工具钢的牌号、性能和用途见P44表4-3丝锥锉刀4.1.2合金钢合金钢的主要合金元素有硅、锰、铬、镍、钼、钨、钒、钛、铌、锆、钴、铝、铜、硼、稀土等。这些合金元素能够改善钢的力学性能、淬透性、热稳定性和耐腐蚀性等性能，使合金钢获得高强度、高韧性、耐磨、耐腐蚀、耐低温、耐高温、无磁性等特殊性能。1.合金元素在钢中的作用⑴合金元素能提高钢的力学性能1）固溶强化铁素体；2）第二相强化；复相合金与单相合金相比，除基体相以外，还有第二相得存在。当第二相以细小弥散的微粒均匀分布于基体相中时，将会产生显著的强化作用。这种强化作用称为第二相强化。

3）细晶强化。⑵合金元素能改善钢的热处理工艺性能1）能提高钢的淬透性；2）能提高钢的回火稳定性；3）能使钢获得特殊性能;2.合金结构钢该类钢的牌号由“两位数字+元素符号+数字”三部分组成。前两位数字表示平均碳含量的万分之几合金元素以汉字或化学元素符号表示合金元素后面的数字表示该元素的近似含量，单位是百分之几如18Cr2Ni4WA:表示高级优质合金结构钢，其平均碳的质量分数为0.18%，平均铬的质量分数为2%，镍为4%，钨小于1%。常用合金结构钢的牌号、性能和用途见P46表4-4机械制造用的合金结构钢按组织和性能特点可分为：⑴合金调质钢（0.3%~0.6%C）要求有较高的强度和良好的塑性及韧性.40Cr、35CrMo、40CrNiMo⑵表面硬化钢除要求有较高的强度和良好的塑性及韧性外，还要求表面硬度高、耐磨性好。按表面硬化方式可分：合金渗碳钢（0.15%~0.25%C）:20Cr、20CrMnTi合金渗氮钢（0.3%~0.25%C）:38CrMoAl、30CrMnSi⑶合金弹簧钢（0.5%~0.85%C）要求有高的弹性极限和疲劳强度:65Mn、50CrV3.合金工具钢和特殊性能钢按用途分为:刃具钢模具钢量具钢模具刃具量具合金工具钢要求具有高的硬度和耐磨性，以及足够的强度和韧性，主要用于制造刀具、模具和量具等工具。合金工具钢的牌号（与合金结构钢相似）：含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+……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.当含碳量大于1.00%时，不标含碳量。化学成分特点：

高碳：0.9~1.5%C

合金元素作用①提高淬透性:Cr、Mn、Si②

提高耐回火性：Si③提高耐磨性、细化晶粒：W、V应用最多的是9SiCr。

按合金质量元素的质量分数，合金工具钢分为两种：1）低合金工具钢由碳素工具钢基础上加入少量合金元素制成。

低合金工具钢制品2）高合金工具钢①高速钢制造高速切削刃具用钢。高碳:0.70~1.5%C600度高温下保持高硬性，又称“锋钢”②高铬模具钢Cr12、Cr12MoV（2）特殊性能钢特殊性能钢具有特殊物理或化学性能，用来制造除要求具有一定的机械性能外，还要求具有特殊性能的零件。其种类很多，机械制造中主要使用不锈耐酸钢、耐热钢、耐磨钢。不锈耐酸钢包括不锈钢与耐酸钢。能抵抗大气腐蚀的钢称为不锈钢。而在一些化学介质（如酸类等）中能抵抗腐蚀的钢称为耐酸钢。1）不锈耐酸钢

通常也将这两类钢统称为不锈钢。一般不锈钢不一定耐酸，而耐酸钢则一般都具有良好的耐蚀性能。不锈钢的牌号前的数字表示平均含碳量的千分之几，合金元素仍以百分数表示。不锈钢3Cr13的平均含碳量为0.3％、铬≈13％；0Cr13钢的平均含碳量≤0.08％、铬≈13％；00Cr18Ni10钢的平均含碳量≤0.03％、铬≈18％、镍≈10％不锈钢常用分类：马氏体不锈钢

常用马氏体不锈钢含碳量为0.1--0.45％,含铬量为12--14％，属铬不锈钢。随着钢中含碳量的增加，钢的强度、硬度、耐磨性提高，但耐蚀性则下降。这类钢多用于机械性能要求较高，而耐蚀性要求较低的零件。如汽轮机叶片、各种泵的零件、弹簧、滚动轴承及一些医疗器械。

铁素体不锈钢

常用含碳量低于0.15％,含铬量为12--30％,也属于铬不锈钢。其塑性、焊接性均较马氏体钢好。这类钢广泛用于硝酸、氮肥、磷酸等化学工业中。

奥氏体不锈钢

这是应用最广泛的不锈钢，属镍铬钢。

2）耐热钢

在高温下具有较高的抗氧化性和强度的钢。抗氧化钢（不起皮钢）热强钢气阀钢3）耐磨钢

耐磨钢是指在强烈冲击载荷作用下才能发生硬化的高锰钢。

它只有在强烈冲击与摩擦的作用下，才具有耐磨性，在一般机器工作条件下，它并不耐磨。主要用于制造坦克、拖拉机的履带，挖掘机铲斗的斗齿以及防弹钢板、保险箱钢板、铁路道岔等。由于高锰钢极易加工硬化，使切削加工困难，故大多数高锰钢零件是采用铸造成型的。4.2.1铸铁的成分和性能铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。铸铁的抗拉强度、塑性和韧性虽然比钢差，又不能进行锻造，但是它却具有良好的铸造性、耐磨性、减振性等一系列优良性能，而且生产简便，价格低廉，所以在机械制造中得到广泛应用。4.2铸铁1、根据碳在铸铁中存在的形式分类灰口铸铁碳大部分以游离态的石墨形式存在，其断口呈现暗灰色。是目前应用最广泛的一类铸铁。白口铸铁碳大部分以Fe3C的形式存在，断口呈银白色。麻口铸铁

碳一部分以石墨形式存在，另一部分以Fe3C的形式存在，断口夹杂着白亮的渗碳体和暗灰色的石墨。4.2.2铸铁的石墨化及铸铁的分类

根据碳在铸铁中存在的形式分类灰口铸铁

碳大部分以游离态的石墨形式存在，其断口呈现暗灰色。是目前应用最广泛的一类铸铁。白口铸铁

碳大部分以Fe3C的形式存在，断口呈银白色。麻口铸铁

碳一部分以石墨形式存在，另一部分以Fe3C的形式存在，断口夹杂着白亮的渗碳体和暗灰色的石墨。根据铸铁组织中石墨存在形态的差异，灰口铸铁又划分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁等。1.白口铸铁碳绝大部分以渗碳体的形式存在，断口呈银白色。性能硬而脆，很难切削加工，一般不用作机械零件，仅可用于要求耐磨而不受冲击的制件，如轧辊、磨球，主要用途是炼钢的原料。2.灰铸铁碳大部分或全部以片状石墨形式存在，断口呈暗灰色。是应用最广泛的一种铸铁，占80%以上。⑴铸铁的石墨化过程铸铁中的碳原子析出形成石墨的过程称为石墨化。铸铁中的碳除少量固溶于基体中外，主要以化合态的渗碳体(Fe3C)和游离态的石墨(G)两种形式存在。

Fe3C是亚稳相，在一定条件下将发生分解：Fe3C→3Fe+C（石墨）铸铁中的石墨可以在结晶过程中直接析出,也可以由渗碳体加热时分解得到。影响铸铁石墨化的因素冷却速度的影响铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，因而促进石墨化。快冷时由于过冷度大，不利于石墨化。化学成分的影响碳和硅是强烈促进石墨化的元素。碳、硅含量过低，易出现白口组织，力学性能和铸造性能变差.碳、硅含量过高,会使石墨数量多且粗大，基体内铁素体量增多，降低铸件的性能.碳、硅量控制范围：2.5~4.0%C，1.0~3.0%Si。⑵ 灰铸铁的组织与性能灰铸铁的基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。(1)珠光体灰铸铁：是在珠光体基体上分布着细小均匀的石墨。其力学性能较高，用于制造较为重要的零件。(2)珠光体－铁素体灰铸铁：是在珠光体与铁素体的混合基体上分布着较粗大的石墨片，此种铸铁强度较低，但能满足一般零部件的要求，且铸造性能及切削加工性能较好，用途最广。(3)铁素体灰铸铁：是在铁素体基体上分布着粗大而且较多的石墨片，力学性能较差，很少应用。三种灰铸铁微观组织如图4-1所示。这种基体微观组织的差异取决于石墨化过程。⑶灰铸铁的牌号和用途牌号：HT+数字，数字表示最低抗拉强度值。常用的灰铸铁的牌号、性能和用途见P50表4-63.可锻铸铁用碳、硅的质量分数较低的铁液浇注成白口铸铁件，再经过长时间的高温退火，使渗碳体分解成团絮状的石墨而制成。可锻铸铁比灰铸铁有较高的强度、塑性和韧性，但可锻铸铁退火工艺较复杂，生产周期长，成本较高。目前，主要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。可锻铸铁管件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。牌号：KT+数字+数字，后面的两组数字分别表示最低抗拉强度和最低伸长率组织：基体(F、P)＋团絮状G铁素体基体可锻铸铁又称黑心可锻铸铁。性能：强度为碳钢的４0~７0%，接近于铸钢。名为可锻，实不可锻4.球墨铸铁在浇注前向铁液中加入适量的球化剂和孕育剂，使碳呈球状析出而制成。球化剂为镁、稀土和稀土镁。常用孕育剂为硅铁和硅钙合金。硅铁硅钙稀土镁球墨铸铁的性能与热处理强度是碳钢的70~90%。球墨铸铁的突出特点是屈强比(0.2/b)高,约为0.7~0.8,而钢一般只有0.3~0.5。球墨铸铁的强度、塑性、韧性远远超过灰铸铁，甚至优于可锻铸铁，同时还具有良好的铸造性能、耐磨性和切削加工性。球墨铸铁可进行各种热处理来提高力学性能,如退火、正火、淬火加回火、等温淬火等。用途：承受震动、载荷大的零件，如曲轴、传动齿轮等。常用牌号见P50表4-65.蠕墨铸铁是20世纪60年代发展起来的一种新型高强度铸铁，石墨形