第六章常用金属材料

金属材料在工程中占有重要地位，本章主要介绍碳钢、铸铁合金钢的分类、成分特性、性能、热处理与应用。第6章常用金属材料碳素钢是指含碳量低于2.11%的铁碳合金。§6.1

碳钢及其牌号一、常存杂质元素对碳钢性能的影响钢中的杂质一般是指Mn、Si、P、S和气体元素H、O等。1．锰——有益（0.25--0.80%）a.脱氧剂：

降低FeO→↓脆性，b.脱硫剂：Mn+S→MnSMn能与S亲合力大，形成MnS，

，其熔点高（1620Cº），常呈粒状分布在晶内，且具有一定的塑性，可降低FeS的有害作用。热加工性能↑c.固溶强化：使性能更优。Mn可以溶于F中，强化钢；Mn可以增加P相对含量，并使P细化，钢强度提高2．硅

——有益

a.脱氧→↓脆性b.固溶强化Si溶于F中，提高钢的强度硬度和弹性；但硅使钢的塑性韧性降低，一般控制钢中含量小于0.35%。3．磷——有害

P能部分溶入铁素体中，部分形成脆性很大的化合物Fe3P，使钢在常温下塑性、韧性急剧下降，脆性转化温度提高，冷脆4．硫——有害

硫在钢中与Fe形成FeS，FeS又与Fe形成低熔点985Cº的共晶体，并常分布在晶界，当钢在1000Cº以上热加工时，低熔点的共晶熔化，导致钢沿晶界开裂，使钢产生“热脆”性。加入Mn→Mn与S形成高熔点的MnS(1620℃)，可消除硫的有害作用（除硫）脱氧用硅铁5．气体元素O、N、HO

——钢中的氧化物易成为疲劳裂纹源，↓机械性能，强度、塑性降低，有害元素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;

N是钢产生兰脆的主要原因，有害元素钢中白点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。有害元素1、按冶炼方法分转炉炼钢平炉炼钢平炉钢转炉钢电炉钢按炉别分生沸腾。这种钢成材率高，但不致密。沸腾钢：脱氧不充分，浇注时C与O反应发镇静钢：脱氧充分，组织致密，成材率低。半镇静钢：介于前两者之间。按脱氧程度分特殊镇静钢二、碳钢的分类电弧炉炼钢钢类碳素钢合金钢PSPS普通质量钢≤0.045≤0.050≤0.045≤0.045优质钢≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高级优质钢≤0.030≤0.020≤0.025≤0.025特级优质钢≤0.025≤0.015≤0.025≤0.0152、按质量分钢的质量是以磷、硫的含量来划分的。分为普通质量钢、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：3、按用途分

工程构件用钢建筑、桥梁、船舶、车辆机器零件用钢齿轮、轴、螺母、弹簧碳素结构钢刃具钢模具钢量具钢碳素工具钢铸钢4、按化学成分分中碳钢0.25~0.6%C高碳钢

0.6%C低碳钢

0.25%C碳素钢齿轮刀具三、碳钢的编号方法齿轮刀具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。常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T221—2000）名称符号位置名称符号位置碳素结构钢Q头桥梁用钢q尾低合金高强度钢Q头锅炉用钢g尾易切削钢Y头焊接气瓶用钢HP尾碳素工具钢T头车辆车轴用钢LZ头(滚珠)轴承钢G头机车车轴用钢JZ头焊接用钢H头沸腾钢F尾铆螺钢ML头半镇静钢b尾船用钢国际符号镇静钢Z尾汽车大梁用钢L尾特殊镇静钢TZ尾压力容器用钢R尾质量等级A.B.C.D.E尾1、碳素结构钢牌号表示方法Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号共5类牌号：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275，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。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屈服强度例Q235-AF表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。1）成分：<0.4%C，P、S量较多。2）性能：可焊性、塑性好。3）热处理：热轧空冷态下使用。4）使用状态下组织：F+P热轧钢板5）用途：常以热轧型材使用，约占钢材总量的70%。用于建筑结构，适合焊接、铆接、栓接等。Q195、Q215主要用于薄板、焊接钢管、铁丝等。Q235主要用于中板、钢管、钢筋、小轴、螺栓。Q255、Q275主要用于连杆、键、轴等。2、优质碳素结构钢优质碳素结构钢：牌号为两位数字（或加字母Mn）这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几如45—其平均含碳量为万分之四十五（即0.45%C）制作各种机器零件，一般进行热处理。08F

塑性好，冷冲压件10，20

冷冲压件，焊接件，渗碳处理。35，45，40，50

齿轮、轴类60，65

弹簧*说明：①优质碳素结构钢含Mn量为0.7~1.2%时，在含碳量数字后加元素符号“Mn”，如40Mn。②优质碳素结构钢的沸腾钢和半镇静钢，在钢号后分别加字母F和b，如08F、10b。3、碳素工具钢

牌号为T+数字“T”表示---“碳素工具钢”数字表示钢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）4、铸钢在牌号前加“ZG”,后两数字分别为最低屈服强度和最低抗拉强度。碳素工具钢都是优质以上质量的;

高级优质钢在钢号后加字母A，如20A、T8A。形状复杂，需要一定强度、塑性和韧性的零件。碳素工具钢共有七个牌号：T7~T131、成分特点：高碳（0.65~1.35%C）随含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韧性下降。

锉刀手锤T12钢正常淬火组织球状珠光体2、热处理及组织⑴热处理：正火+球化退火+淬火+低温回火球化退火目的：①降低硬度，便于加工；②为淬火作组织准备。⑵使用状态下的组织：

M回+颗粒状碳化物+A’(少量)

木工凿手锤圆冲3、用途由于碳素钢热硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。T7~T9：制造承受冲击的工具，如木工工具：冲子、凿子、锤子等。T10~T11：制造低速切削工具，如钻头、丝锥、车刀等。T12~T13：制造耐磨工具，如锉刀、锯条等。丝锥锉刀手锯条钻头铸铁是含碳量大于2.11%并含有较多硅、锰、硫、磷等元素的多元铁基合金。§

铸铁一、铸铁的成分和性能⑴力学性能低。由于石墨相当于钢基体中的裂纹或空洞，破坏了基体的连续性，且易导致应力集中，强度、塑性、韧性较差，不易锻造。⑵耐磨性能好。由于石墨本身有润滑作用。

⑶消振性能好。由于石墨可以吸收振动能量。

⑷铸造性能好。C含量接近共晶成分，流动性好，铸造性能好；⑸切削性能好。由于石墨使车屑容易脆断，不粘刀。

⑹生产简便、成本低廉。例如，机床床身、内燃机的汽缸体、缸套、活塞环及轴瓦、曲轴等都是由铸铁制造的。铸铁曲轴1、Fe-Fe3C和Fe-G（石墨）双重相图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。二、铸铁的石墨化Fe3C是亚稳相，在一定条件下将发生分解：

Fe3C→3Fe+C（石墨）共晶白口铸铁F基体球墨铸铁石墨是碳的单质之一，其强度、塑性、韧性几乎为零。存在两个铁碳相图：

Fe-Fe3C和Fe-G双重相图L+GL+Fe3C2、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。台车式石墨化退火炉石墨化分三个阶段：第一阶段石墨化：从过共晶熔液中直接结晶出一次石墨和1154℃时共晶转变形成的共晶石墨。第二阶段石墨化:1154℃-738℃的冷却过程中自奥氏体中析出的二次石墨。第三阶段石墨化：738℃共析转变形成共析石墨。石墨化程度不同，所得到的铸铁类型和组织也不同。铸铁的石墨化程度与其组织之间的关系

（以共晶铸铁为例）

石墨化进行程度铸铁的显微组织铸铁类型第一,第二阶段石墨化第三阶段石墨化

完全进行完全进行F+G

灰口铸铁部分进行F+P+G未进行P+G部分进行未进行Ld’+P+G

麻口铸铁未进行未进行Ld’白口铸铁3、影响石墨化的因素⑴化学成分的影响

Fe-C合金的五大元素：C,Si,P,Mn,SC是G的形成元素，C%，G化；原Si能抑制Fe3C的形成，促进Fe3C分解Si:

是强烈促进G化的元素，Si%,G化。

S:是阻碍G化的元素，S%,G化Mn：Mn<0.2~0.4%时，Mn+SMnS可起除S作用，G化；Mn>0.2~0.4%时，形成合金渗碳体(Fe,Mn)3C,G化。合金元素Cr、W、Mo、V与C亲合力强，阻碍石墨化合金元素Al、Cu、Ni、Co增加Fe自扩散能力，促进石墨化。P促进石墨化不明显，但提高铁水流动性，改善其铸造性能。若其含量高时易在晶界上形成硬而脆的磷共晶，降低铸铁的强度，只有耐磨铸铁中磷含量偏高（达0.3%以上）。铸铁中的磷共晶⑵冷却速度的影响铸件冷却缓慢，有利于碳原子的充分扩散，结晶将按Fe-G相图进行，因而促进石墨化。而快冷时由于过冷度大，结晶将按Fe-Fe3C相图进行，不利于石墨化。铸件壁厚和碳硅含量对铸铁组织的影响

w(c+si)%V冷

，G化

，Fe3C量

，G片细小、量少。V冷

，G化停止，无石墨形成，CFe3C，即形成白口铸铁。G化是靠原子扩散进行的，需要温度、时间三、铸铁的分类根据铸铁结晶过程中的石墨化程度，铸铁可分为：灰口铸铁、白口铸铁、麻口铸铁（工业上使用的铸铁主要是灰口铸铁）根据石墨形态，灰口铸铁又可分为：灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁等。灰铸铁

片状石墨b.球墨铸铁球状c.可锻铸铁

团絮状d.蠕墨铸铁

蠕虫状铸铁的分类与牌号表示方法

铸铁名称石墨形态基体组织编号方法牌号实例灰铸铁片状FHT+一组数字数字表示最低抗拉强度值，单位MPa。“HT”表示灰铸铁代号。

HT100F+PHT150PHT200可锻铸铁团絮状FKTH+两组数字KTB+两组数字KTZ+两组数字KTH300-06表F心PKTB350-04PKTZ450-06KTH、KTB、KTZ分别为黑心、白心、珠光体可锻铸铁代号；第一组数字表示最低抗拉强度值，MPa；第二组数字表示最低伸长率值，%

灰铸铁是指石墨呈片状分布的灰口铸铁。其产量约占铸铁总产量的80%以上。1、组织灰铸铁的组织是由液态铁水缓慢冷却时通过石墨化过程形成的，其基体组织有铁素体、珠光体和铁素体加珠光体三种。四、灰铸铁灰铸铁的显微组织

铁素体灰铸铁珠光体灰铸铁铁素体加珠光体灰铸铁珠光体基体+片状石墨X500常对灰铸铁进行孕育处理，以细化片状石墨。常用的孕育剂有硅铁和硅钙合金。

经孕育处理的灰铸铁称为孕育铸铁。

孕育处理前孕育处理后硅铁硅钙2、用途

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。大型船用柴油机汽缸体(HT-300)重型机床床身(HT-250)变速箱体可锻铸铁石墨化退火工艺曲线

又称马铁，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。1、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。2、性能：强度为碳钢的４0~７0%，接近于铸钢。名为可锻，实不可锻五、可锻铸铁

可锻铸铁的显微组织

黑心可锻铸铁

珠光体可锻铸铁

3、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、低压阀门等可锻铸铁管件铸铁的分类与牌号表示方法（续）铸铁名称石墨形态基体组织编号方法牌号实例球墨铸铁球状FQT+两组数字

第一组数字表示最低抗拉强度值，MPa；第二组数字表示最低伸长率值，%。

“QT”表示球墨铸铁代号QT400-15F+PQT600-3PQT700-2蠕墨铸铁蠕虫状FRuT+一组数字数字表示最低抗拉强度值,MPa。“RuT”表示蠕墨铸铁代号

RuT260F+PRuT300PRuT420石墨呈球形的灰口铸铁。1、组织：基体（F、F+P、P）+球状G球状石墨是液态铁水经球化处理得到的。球化剂