工程材料及其成型性课件

工具鋼1.工具鋼的定義用於製造各種切削刀具、冷熱加工模具、量具用鋼。2.工具鋼牌號表示方法按成分不同，工具鋼分為三類：碳素工具鋼、合金工具鋼、高速鋼。（1）碳素工具鋼鋼號表示方法：例：T10A—1％C的高級優質碳素工具鋼；

T8—0.8％C的碳素工具鋼。（2）合金工具鋼鋼號表示方法：例：①5Cr4W5Mo2V—

0.5％C，4％Cr，

5％W；2％Mo，1％V；

②Cr—≥1％C，l％Cr；

（3）高速鋼鋼號表示方法：元素符號×

高速鋼的含碳量不標注（0.7-1.65%C）；元素符號×—合金元素，含量百分之幾；例：W18Cr4V；

18％W，4％Cr，1％V。3.改變工具鋼性能的熱處理（1）球化退火將鋼加熱到共析溫度以上(20～30)℃，保溫，爐冷。球化退火得到粒狀珠光體——鐵素體基體上分佈粒狀碳化物。強度低，硬度低，易加工。（2）淬火十低溫回火淬火：加熱到A區，保溫，快速冷卻，得到馬氏體。硬度高，易變形開裂。低溫回火：淬火後，重新加熱到150～

250℃，保溫，緩冷，得到回火馬氏體組織，硬、耐磨、強韌性好。4.1刃具鋼主要用來製造切削工具，如車刀、銑刀、刨刀等

1.對刃具鋼性能的要求（1）高硬度和高耐磨性：硬度必須高於被切削材料，HRC60以上；耐磨性高刃具的壽命長。（2）足夠的韌性：以防止脆性斷裂和崩刃。2.刃具鋼的分類按成分分類：碳素工具鋼、低合金工具鋼、高速鋼4.1.1碳素工具鋼

1.化學成分(0.65～1.35)%C，過共析鋼；嚴格控制S、P。2.熱處理切削加工前：球化退火以改善切削加工性能，退火後硬度低於HB217。切削加工後：淬火+低溫回火，高硬度、高耐磨性，良好的韌性。3.常用鋼種T7、T8：中等硬度、韌性較高。製造受衝擊載荷的工具，如小型沖頭、鑿子、錘子等。T9～T11：高硬度、中等韌性。製造受衝擊載荷較小的工具，如鑽頭、絲錐、車刀等。T12、T13：高硬度、高耐磨性、韌性較低，如銼刀、精車車刀等。T7A～T13A：高級優質鋼，韌性好些，淬火時產生裂紋的傾向小，製造形狀較複雜的工具。碳素工具鋼常用牌號、成分和用途見表4-1。

4.1.2低合金工具鋼

碳素工具鋼成本低，應用廣泛。但對硬度、耐磨性、切削速度要求較高時，不能滿足需要。低合金工具鋼的合金元素總量低於5%。1.化學成分（0.75～1.5）%C，屬過共析成分；

W、V、Cr、Mn、Si，提高耐磨性、硬度、淬透性（淬火後，淬硬層的深度）；2.熱處理切削加工前，球化退火；切削加工後，淬火+低溫回火。3.常用鋼種及用途見表4-2。Cr、CrMn、CrWMn、9SiCr等，製造硬度、耐磨性、切削速度要求較高的切削刀具，如車刀、銑床刀、刨刀、鑽頭等。4.1.3高速鋼

用於製造高速切削的刀具，紅硬性高。紅硬性：高溫下的硬度。高速切削發熱，刀具在高溫下工作。要求溫度不超過600℃時，高速鋼的硬度在HRC60以上。1.化學成分含有（0.7～1.65）％C；含有W、Mo、V、Cr等。W、Mo、V提高紅硬性、耐磨性；Cr提高抗氧化性。屬高合金鋼，合金元素總含量大於10%。常用鋼種：見表４-２。常用W18Cr4V。2.W18Cr4V鋼的鑄態組織見圖4-1。黑色塊狀為珠光體，黑狀之間的白色網狀是萊氏體，萊氏體是脆性相，大大地降低了鋼的韌性。圖4-1W18Cr4V鋼的鑄態組織（400×）3.W18Cr4V鋼的鍛造和熱處理（1）切削加工前鍛造和球化退火

1）鍛造：多次鐓粗、拔長，使萊氏體破碎、均勻分佈；

2）球化退火：使碳化物成為球狀，降低硬度，提高切削性能。組織見圖4-2。圖4-2W18Cr4V鋼鍛造和球化退火後的組織（400×）（2）切削加工後淬火+回火

W18Cr4V鋼的淬火+回火工藝曲線如圖4-3所示。圖4-3W18Cr4V鋼的熱處理工藝1）加熱：採用分級預熱，含有大量合金元素，導熱性差，直接加熱易變形、開裂；2）保溫：1270-1300℃，珠光體+碳化物→奧氏體；3）淬火：快速冷卻到共析溫度以下，奧氏體→馬氏體+碳化物+殘餘奧氏體。適當保溫，以降低工件溫差減小熱應力，防止變形及開裂；4）回火：多次回火的目的是消除殘餘奧氏體，提高工件的硬度。馬氏體+碳化物+殘餘奧氏體→馬氏體+碳化物。4.高速鋼的鋼種及發展（1）W系高速鋼：含18%W，紅硬性高，但脆性大、易崩刃。（2）Mo系高速鋼：含8%Mo，紅硬性高，但脫碳傾向大。（3）W-Mo系高速鋼：含6%W、5%Mo，兼有W、Mo

系的優、缺點。（4）新型高速鋼

1）高釩高速鋼：4～5%V，高紅硬性、耐磨性，但磨削加工性差。

2）高鈷高速鋼，5～12%Co，高紅硬性和使用壽命，但脆性、脫碳傾向大。

3）超硬高速鋼，含有多種強碳化物元素，

HRC68～70，適用於難切削材料。4.2模具鋼4.2.1冷作模具鋼1.冷作模具鋼的工作條件及對其性能的要求承受很大的壓力、衝擊力，通常是由於磨損、變形、斷裂而報廢。高硬度、高耐磨性、足夠的強度和韌性。2.常用鋼種（1）碳素工具鋼：T7A～T12A，容易加工、價格便宜。製造尺寸小、形狀簡單、負荷輕的模具，如小沖頭。（2）低合金鋼:如9Mn2V，價格比碳素鋼高30％。製造尺寸大、形狀複雜、負荷輕的模具，如衝壓模。（3）中、高合金鋼：如Cr6WV、Cr12Mo，耐磨性好,製造尺寸大、形狀複雜、負荷重的模具，如：壓延模、冷鐓模。（4）亞共析合金鋼：如6SiCr，含碳量低、韌性好，製造受衝擊、刃口單薄的模具，如切邊模、沖裁模等。4.2.2熱作模具鋼1.熱作模具鋼的工作條件及對其性能的要求與高溫金屬接觸。高溫硬度、高溫強度，抗熱疲勞性能。熱疲勞：型腔表面在高低溫反復作用下，膨脹、收縮，承受壓、拉作用，產生開裂的現象稱為熱疲勞。提高抗熱疲勞性能的途徑：①降低鋼的含碳量，提高導熱性，熱應力降低；②加Cr、W、Si提高鋼的共析溫度，在使用溫度下不會發生共析轉變，降低組織應力。2.常用鋼種（1）錘鍛模：工作溫度300～400℃，受衝擊負荷，要求高韌性。亞共析低合金鋼，如5CrNiMo。（2）熱擠壓模、壓鑄模：工作溫度500～1000℃，要求高溫強度、耐熱疲勞性。用含碳量較低的合金鋼，如4CrW2Si、3Cr2W8V。

结构钢結構鋼：用於各種工程的金屬結構和制造各種機械零件的鋼。分類：根據其用途為工程結構鋼（普通結構鋼）及機械結構鋼（優質結構鋼）。3.1結構鋼的成分、性能和用途3.1.1普通結構鋼1.普通碳素鋼特點：容易冶煉，工藝性好，價格低廉，性能上能滿足一般工程要求，應用較廣。牌號表示方法：Q+屈服強度數值+品質等級（A、

B、C、D、E）+去氧方法（F、

b、Z、TZ）如：Q235BFσb≥235MPa、品質為B級的沸騰碳素結構鋼。2.普通低合金鋼在普通低碳鋼基礎上加入少量合金元素製成的鋼。普低鋼比普通低碳鋼具有更高的強度。（1）對普低鋼性能的要求

1）熱軋或正火狀態下具有較高的強度，特別是屈服強度，並有足夠的塑性及韌性。

2）要求普低鋼的機械時效敏感性小。

3）要求有比碳素鋼更高的耐大氣、海水、土壤腐蝕的能力。

4）良好的焊接性能。（2）合金元素在普低鋼中的作用

1）對力學性能的影響

2）對耐蝕性和機械時效的影響

3）對焊接性的影響（3）常用鋼種3.鑄鋼

採用鑄鋼件可以不切削或少量切削加工即可使用，能節省大量材料與加工費。鑄鋼的成分：0.15%～0.6％C，0.2%～0.45%Si，

0.5%～0.8％Mn。牌號表示方法：ZG×××-×××，ZG表示鑄鋼，第一組數值表示屈服強度（MPa），第二組數值表示抗拉強度（MPa）。如：ZG270-500，表示σs≥200MPa、

σb≥500MPa的鑄鋼。3.1.2優質結構鋼1.優質結構鋼的分類及合金元素的作用（1）優質結構鋼及其分類根據其用途分為：滲碳鋼、調質鋼、彈簧鋼、及滾動軸承鋼等。根據成分分為：優質碳素結構鋼、合金結構鋼兩類。按其所含合金元素，合金結構鋼分為錳鋼、鉻鋼、硼鋼、鉻錳鋼、矽錳鋼、鉻錳鈦鋼等。（2）合金元素的作用

1）提高鋼的淬透性；2）提高鋼的回火穩定性；3）細化晶粒；4）固溶強化；5）防止第二類回火脆性2.常用優質結構鋼（1）滲碳鋼

用途：用於製造齒輪、凸輪、活塞銷、量具等在承受衝擊和磨損的條件下工作的零件。

成分：0.1%～0.25%C，加入鉻、錳、鎳、硼、鉬、釩、鎢、增加淬透性，改善滲碳性能。熱處理：淬火+低溫回火，使零件達到“表硬裏韌”的要求。

常用鋼種：小型件用15、20鋼；尺寸較小，除要求耐磨、承受衝擊的零件用20Cr、20Mn2B鋼；尺寸較大、高載荷的重要零件20CrMnTi、20MnTiB鋼等；大尺寸、高載荷、表面要求高硬度、高耐磨性的極重要零件用高級滲碳鋼20Cr2Ni4、18Cr2Ni4W鋼。

（2）調質鋼調質鋼：指採用調質處理的碳素結構鋼與合金結構鋼。成分：0.30%～0.60%C，要求強度、硬度高，碳量取上限；要求高塑性、韌性，碳量取下限。加錳、鉻、矽、鎳、硼等增加淬透性；加入釩細化晶粒，提高綜合力學性能，加鉬、鎢防止或減輕第二類回火脆性。常用鋼種的用途：45鋼製造各種齒輪、軸、活塞銷等；40Cr鋼製造較重要的調質件如汽車、拖拉機上的連杆、螺栓、傳動軸、轉向節及機床上的主軸、變速齒輪、蝸杆、偏心輪等；500℃以下溫度工作的重要結構零件，如汽輪機轉子、葉輪、連杆等，可採用35CrMo、40CrMnMo鋼等。含鉻鎳的高級合金調質鋼，用於製造大截面、承受重負荷的重要零件。

（3）彈簧鋼彈簧鋼：專門用來製造彈簧或要求類似性能的零件的鋼種。彈簧鋼分類：碳素彈簧鋼、合金彈簧鋼。成分：碳素彈簧鋼含0.6%-0.9%C；合金彈簧鋼的含0.45%-0.70%C，加錳、矽、鉻等增加淬透性、強化鐵素體、提高回火穩定性。加少量鎢、鉬、釩等碳化物形成元素，以進一步增加淬透性、細化晶粒、增加回火穩定性、提高屈強比以及耐熱性。（4）滾動軸承鋼滾動軸承鋼：用來製造各種滾動軸承套圈和滾動體的專用鋼性能要求：具有足夠高的抗壓強度和很高的抗接觸疲勞能力，具有高的硬度和耐磨性，有一定的韌性、耐蝕性和尺寸穩定性。常用鋼鐘：GCr15鋼，較大型軸承用GCr15SiMn

鋼。成分：0.95%～1.15%C，高碳量保證軸承鋼具有高的硬度與耐磨性。1%Cr，一部分溶入固溶體，增加淬透性；一部分與碳形成碳化物獲得高而均勻的硬度及耐磨性；鉻還能提高耐蝕性及磨削性。加入矽、錳進一步提高淬透性、回火抗力。3.2結構鋼的焊接性能

（1）普通低合金鋼：屈服強度為300～500MPa，廣泛地應用於各類焊接結構。（2）低碳調質鋼：屈服強度一般為500～1000MPa，有高的強度，兼有良好的塑性和韌性。焊接結構中用得也較廣。（3）中碳調質鋼：屈服強度900～1200MPa。強度高、韌性較低，焊接較困難，焊後需進行調質處理。3.2.1普通低合金鋼的焊接性能

普通低合金鋼的焊接性主要表現為兩方面的問題，一是各類裂紋，二是脆化問題。

1.焊縫中的熱裂紋；

2.冷裂紋；

3.再熱裂紋；

4.層狀撕裂；

5.熱影響區性能變化3.2.2低碳調質鋼的的焊接性能1.焊縫中的熱裂紋2.HAZ液化裂紋（1）液化裂紋傾向分析（2）工藝因素的影響

①線能量的影響

②熔池形狀的影響3.冷裂紋4.再熱裂紋5.層狀撕裂6.熱影響區的性能變化（1）過熱區的脆化（2）焊接熱影響區的軟化3.3.3中碳調質鋼的焊接性能1.焊縫中的熱裂紋2.冷裂紋中碳調質鋼的淬硬傾向十分明顯，冷裂傾向較為嚴重，這是由於中碳調質鋼的含碳量較高，加入的合金元素也較多，在500℃以下的溫度區間過冷奧氏體具有更大的穩定性所致（圖3-1）。3.熱影響區的性能變化（1）過熱區的脆化（2）焊接熱影響區的軟化圖3-130CrMnSi和40CrNiMo鋼的等溫轉變曲線

a）30CrMnSi b）40CrNiMo3.3結構鋼的鑄造性能

與鑄鐵相比，鋼的鑄造性能是比較差的。由於鋼的熔點較高，結晶溫度間隔較寬，收縮量較大，故鋼液的流動性較低，縮孔及縮松傾向較大，容易形成熱裂和冷裂等缺陷。3.3.1流動性

（1）澆注溫度的影響（2）鋼液含碳量的影響，見圖3-2。（3）鋼液中氣體和夾雜物的影響（4）合金元素的影響圖3-2鐵-碳合金液的流動性

3.3.2體積收縮率

與縮孔率

鑄鋼件的縮孔率與鋼的含碳量有關，見圖3-3。圖3-3鑄鋼件的縮孔率與鋼的含碳量的關係

3.3.3線收縮率

碳鋼的線收縮曲線的一般形式見圖3-4，整個收縮過程分為三個階段：共析轉變前收縮（曲線上OA段），共析轉變過程中膨脹（曲線上AB段）及共析轉變後收縮（曲線上BC段）。圖3-4共析碳鋼的自由線收縮曲線3.3.4熱裂傾向

影響鋼形成熱裂的主要因素是：（1）含碳量，見3-5圖。（2）含硫量（3）含錳量，見圖3-5。（4）含氧量圖3-5含碳量、含錳量和澆注溫度對鋼熱裂抗力的影響，圖中黑點表示形成熱裂時的溫度3.3.5冷裂傾向

冷裂是當鑄件已完全凝固以後，冷卻至彈性-塑性轉變溫度以下時形成的，影響冷裂的主要因素是：（1）含碳量；（2）含硫量；（3）含磷量；（4）含氧量3.4結構鋼的鍛造性能可鍛性：表示金屬材料在鍛造時變形的難易程度，可鍛性用塑性和變形抗力兩個指標來衡量。3.4.1合金元素和雜質對鋼塑性的影響

1）碳和雜質元素的影響

2）合金元素對鋼塑性的影響3.4.2鋼的高溫塑性

高溫塑性檢測方法：熱扭轉試驗是測量鋼的可鍛性的常用手段，某一溫度下扭轉圈數最多，認為是該材料的在該溫度下塑性最好，見圖3-6。圖3-6不同鋼種的高溫塑性

鑄態鋼和鍛態鋼加工塑性與溫度的關係如圖3-7所示。

圖3-7鑄態鋼和鍛態鋼加工塑性的比較3.4.3變形抗力和鍛造溫度（１）變形抗力塑性變形抗力：是指金屬抵抗形狀變化和殘餘變形的能力。可以用扭轉試驗測得的扭矩進行變形抗力的相對比較。圖3-8為幾種碳鋼及合金鋼在熱扭轉試驗中的扭矩與溫度的關係。圖3-9為1020（20鋼）、4340鋼（40CrNiMoA）和AISIA6工具鋼的實際鍛造壓力。圖3-8幾種碳鋼和合金用變形抗力與溫度的關係

圖3-9三種鋼鍛造壓力與溫度的關係

（2）鍛造溫度範圍常見碳鋼、合金結構鋼的鍛造溫度見圖3-10、3-11。圖3-10碳鋼的鍛造溫度範圍

圖3-1130CrMnSiA鋼的塑性圖及變形抗力圖

特殊性能鋼5.1不銹鋼不銹鋼：是指具有抗腐蝕性能的一類鋼種。分類：按正火組織不銹鋼分為鐵素體型不鏽鋼、馬氏體型不銹鋼、奧氏體型不銹鋼、奧氏體一鐵素體雙相不鏽鋼及沉澱硬化型不銹鋼。5.1.1金屬腐蝕的類型按腐蝕的形貌和分佈，腐蝕主要有以下幾類：（1）均勻腐蝕，見圖5-1（a）。（2）點腐蝕，見圖5-1（b）。（3）晶間腐蝕，見圖5-1（c）。圖5-1常見腐蝕類型示意圖

（4）應力腐蝕，金屬在腐蝕介質及拉應力的共同作用下產生的腐蝕開裂現象稱為壓力腐蝕。（5）疲勞腐蝕，金屬在腐蝕介質及交變應力共同作用下發生的破壞稱為疲勞腐蝕。（6）電偶腐蝕，浸泡在電解質溶液中的金屬構件，當其不同部位存在電位差時，電極電位較低的金屬或部位腐蝕加速，這就是電偶腐蝕。5.1.2不銹鋼中合金元素的作用（1）加入Cr、Al、Si等合金元素，鋼表層形成緻密的Al2O3、SiO2、Cr2O3氧化膜，提高鋼的耐蝕性能。（2）加入Cr能顯著提高鋼基體的電極電位。如圖5-2所示。圖5-2鉻含量對Fe-Cr合金電極電位的影響

（3）加入足夠的Cr或Cr-Ni，使鋼在常溫時能以單相狀態存在，減少微電池數目，從而提高鋼的耐蝕性。加入Mn、N等代替部分Ni獲得單相奧氏體組織。（4）加Mo、Cu等，能提高鋼抗非氧化性酸腐蝕能力；加入Ti、Nb等能減輕了晶間腐蝕傾向。

鉻、鉬、矽、鋁、鈦、鈮等是鐵素體形成元素，而碳、鎳、錳、氮是奧氏體形成元素。如果鋼中存在幾種元素，則其組織由圖5-3確定。圖5-3不銹鋼組織圖（γ—奧氏體；M—馬氏體；α—鐵素體）5.1.3常用不銹鋼1.馬氏體不銹鋼常用鋼號：1Cr13、2Cr13、3Cr13、4Cr13、9Cr18等。耐蝕性能：在水蒸氣、大氣、海水、氧化性酸中耐蝕性好，在硫酸、鹽酸、鹼性溶液中耐蝕性很低。用途：1Crl3、2Crl3鋼用於製作構件，有良好的綜合力學性能；3Cr13、4Cr13及9Cr18用於製作零件、工具及醫療器械等，有較高的強度、硬度和耐磨性，2.鐵素體不銹鋼成分及組織：13%～30％Cr，<0.15％C；單相鐵素體組織。常用鋼號：

0Cr13、1Cr17、1Cr17Ti、Cr28、1Cr25Ti。性能及用途：有很強的耐酸能力和抗氧化性，用於製造生產硝酸、氮肥、磷肥等設備和化工管道等。鐵素體不銹鋼的主要缺點是脆性大，引起脆性的原因有：（1）400～525℃停留，沿晶界析出介穩相。（2）550～820℃保溫，析出硬脆σ相，使鋼變脆。（3）高溫加熱使晶粒長大。3.奧氏體不銹鋼

（1）奧氏體不銹鋼的成分、組織和性能成分：<0.l％C，18%Cr、8%Ni。組織：單相奧氏體耐蝕性能：奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕；奧氏體不銹鋼的應力腐蝕（2）奧氏體不銹鋼的形變強化（3）奧氏體不銹鋼的穩定化處理4.奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼成分與組織：在奧氏體不銹鋼的基礎上，適當增加Cr含量，減少Ni含量，進行固溶化處理，獲得具有奧氏體-鐵素體的雙相組織不銹鋼。典型鋼號：0Cr21Ni5Ti、0Cr17Mn13Mo2N、1Cr18Mn10Ni5Mo3N、1Cr18Ni11Si4AlTi、1Cr21Ni5Ti。性能：有較好的焊接性，晶間腐蝕、應力腐蝕傾向小。5.沉澱硬化型不銹鋼

（1）馬氏體沉澱硬化不銹鋼（2）奧氏體沉澱硬化不銹鋼（3）半奧氏體沉澱硬化不銹鋼5.2不銹鋼的鍛造性能1.不銹鋼在高溫下的變形抗力，見圖5-4、圖5-5。2.鐵素體量對不銹鋼工藝塑性的影響，見圖5-6，圖5-7。3.鐵素體量對馬氏體不銹鋼工藝塑性的影響圖5-8為Fe-12％Cr-C合金相圖，圖5-9是含碳量不同的1Crl3不銹鋼的扭矩和轉數隨溫度變化的關係。5.2.1不銹鋼的可鍛性圖5-4不同溫度下20鋼與0Cr18Ni9鋼流動應力與變形量的關係圖5-50Cr18Ni9和20碳鋼的流動應力與溫度的關係

圖5-6Fe-18％Cr-8％Ni合金相圖圖5-7鉻鎳不銹鋼的高溫塑性與α（δ）相含量的關係

圖5-8Fe-12％Cr-C合金相圖圖5-91Cr13鋼的扭矩和破壞前轉數與溫度的關係（M1、n1—含碳0.15％～0.16％鋼的扭矩和破壞前轉數；M2、n2—含碳0.10％～0.12％鋼的扭矩和破壞前轉數）5.2.2不銹鋼的鍛造溫度範圍

（1）鐵素體不銹鋼鐵素體鋼比奧氏體鋼具有更大的晶粒長大傾向，見圖5-10。圖5-10加熱溫度對不銹鋼晶粒大小的影響

（2）奧氏體不銹鋼圖5-11是1Cr18Ni9Ti鋼和0Cr12Mn5Ni4Mo3Al鋼中α（δ）相數量與加熱溫度的關係。（3）馬氏體不銹鋼（4）沉澱硬化不銹鋼圖5-11加熱溫度對不銹鋼α（δ）相數量的影響5.3耐熱鋼5.3.1耐熱鋼的抗氧化性和高溫強度1.抗氧化性見圖5-12，鐵在560℃以下氧化時，氧化層由Fe2O3及Fe3O4組成。在560℃以上氧化時，所形成的氧化層由Fe2O3、Fe3O4及FeO組成。圖5-12氧化膜內部原子的擴散及膜的增厚示意圖2.高溫強度

（1）溫度愈高，鋼的強度愈低；（2）鋼在高溫下的強度及變形量不僅與溫度有關，而且也與時間有關。提高鋼的熱強性主要途徑：基體強化、第二相強化、晶界強化。5.3.2常用的耐熱鋼1.合金元素的作用；2.常用耐熱鋼的性能（1）珠光體鋼；（2）馬氏體鋼；（3）鐵素體鋼；（4）奧氏體鋼5.4不銹鋼和耐熱鋼的焊接性能5.4.1奧氏體鋼的焊接性能1.焊接接頭的晶間腐蝕

晶間腐蝕和鋼的成分有關，同時還與加熱條件有關，如圖5-13所示。見圖5-14，增加強碳化物形成元素Ti時，碳的有害作用減輕。鉻是提高奧氏體不銹鋼耐蝕的主要元素，鉻含量超過12％時鋼就具有較好的耐蝕，參見圖5-15。圖5-13溫度和時間對18-8鋼晶間腐蝕的影響

圖5-14碳與鈦含量對18-8鋼晶間腐蝕的影響圖5-1518-8鋼相圖的低碳部分18-8型不銹鋼焊接接頭一般有三個部位會出現晶間腐蝕現象，如圖5-16所示。圖5-1618-8鋼焊接接頭晶間腐蝕的部位（1—焊縫腐蝕區；2—敏化腐蝕區；3—刀狀腐蝕區）

如圖5-17所示，從整個熱影響區的碳化物分佈情況看，發生刀蝕的部位正是M23C6沉澱最顯著的部位。見圖5-18，在固溶處理時Cr23C6將全部溶入固溶體。圖5-17焊接熱影響區碳化物的分佈（線能量20kJ/cm的熱迴圈，並經650℃，50h敏化處理）2.焊接接頭的應力腐蝕開裂3.焊接接頭的熱裂從圖5-19可見，嚴格限制P(以及S），對於防止18-8鋼焊縫裂紋非常有效。圖5-19磷對焊縫熱裂傾向的影響

從18-8鋼焊縫抗晶間腐蝕性能要求考慮，焊縫中有5％左右的δ相，即可有利於提高抗晶腐蝕性能，又可防止產生凝固裂紋，見圖5-20。圖5-2018-8鋼焊縫中δ相對熱裂紋的影響4.奧氏體鋼焊接接頭的力學性能5.4.2馬氏體鋼及鐵素體鋼的焊接1.馬氏體鋼的焊接2.鐵素體鋼的焊接由於高鉻鐵素體鋼室溫下韌性很低（圖5-21），很容易在接頭上產生裂紋。圖5-21高鉻鐵素體鋼在室溫下的韌性

高純度的高鋁鐵素體鋼有很優秀的耐應力腐蝕開裂性能，而且純度提高後缺口敏感性並不很大，室溫及低溫下的韌性顯著提高，如圖5-22所示。圖5-22高純度高鋁鐵素體鋼的衝擊功（vW）

5.5不銹鋼和耐熱鋼的鑄造性能

（1）隨著含碳量增加，鋼的熔點下降，而流動性增加。鉻惡化流動性，鎳提高鋼的流動性，錳提高鋼的流動性，矽含量0.17%～0.45％，可改善流動性，鈦、釩、鋁、鋁等均降低流動性，而銅卻顯著提高流動性。（2）鉻、鎳、錳等元素提高鋼的凝固收縮，故它們提高了鋼的縮松和熱裂傾向。（3）含鉻量高，鑄件中容易造成夾雜缺陷。高鉻鋼，由於導熱性低，高溫強度低，因此熱裂傾向大。5.6抗磨鋼5.6.1高錳鋼的成分、熱處理和性能成分：碳含量0.9%～1.4％，含錳量11.0%～14.0％。組織：圖5-23為Fe-C-Mn三元合金相圖13％Mn的截面圖。含碳量與淬火狀態下的組織之間的關係如圖5-24所示。圖5-23Fe-C-Mn三元合金13%Mn的截面圖5-24鑄造高錳鋼的淬火組織圖5.6.2化學成分對高錳鋼性能的影響（1）含碳量、含錳量對鋼性能影響。見圖5-25、5-26。（2）含矽量，高錳鋼中矽的含量為0.3%～1.0%，矽提高奧氏體的硬度和強度，提高鋼的加工硬化能力，故可提高鋼的耐磨性（3）含磷量，磷對鋼韌性的影響見圖5-27。（4）含硫量，硫的有害作用較小。圖5-25工作778小時h後，鋼的磨損量與含碳量的關係

圖5-26含碳量對高錳鋼衝擊韌性的影響圖5-27磷對高錳鋼衝擊韌性的影響5.6.3改善高錳鋼性能的途徑（1）孕育和變質處理；（2）時效強化；（3）合金化5.6.4高錳鋼的鑄造性能（1）流動性好；（2）容易產生化學粘砂；（3）鑄造應力大；（4）易熱裂

铸铁

鑄鐵生產工藝簡單、成本低、應用廣泛。按重量計算，在機床、汽車、拖拉機中，鑄鐵件重量超過機械總重的50％。鑄鐵是含有Fe、C、Si、Mn等元素、結晶過程中有共晶轉變的鐵基合金。6.1鑄鐵的特點和分類6.1.1成分、組織和力學性能特點（1）成分：主要成分Fe、C、Si、Mn，還含有雜質元素P、S等。（2）組織：由金屬基體和石墨組成。金屬基體：P、F、P+F；石墨：片狀、球狀等形態。（3）力學性能：石墨的強度很低，塑性接近於0，在鑄鐵中相當於空洞，減少了承載面積，造成應力集中，因此鑄鐵的力學性能比碳鋼低。6.1.2鑄鐵的分類1.按碳存在形式分類

（1）白口鑄鐵。碳以滲碳體形式存在，斷口銀白色。硬而脆。製造硬度高、耐磨的零件，應用較少。

（2）灰口鑄鐵。碳主要以片狀石墨的形式存在，斷口灰色。有良好的鑄造性能、切削加工性能，應用廣泛。

（3）麻口鑄鐵。碳既以滲碳體又以石墨形式存在，灰色斷口上有亮點。很少使用。

2.按石墨形態分類

片狀石墨灰口鑄鐵球狀石墨球墨鑄鐵蠕蟲狀石墨蠕墨鑄鐵團絮狀石墨可鍛鑄鐵6.2鑄鐵的結晶6.2.1鐵-碳雙重相圖1.亞穩系相圖C與Fe能形成Fe3C，用Fe-Fe3C相圖研究白口鑄鐵組織。Fe3C是不穩定相，長期保溫可以分解為F和G，所以Fe-Fe3C稱為亞穩相圖。2.穩定系相圖C可以形成G，用Fe-G相圖研究灰口鑄鐵的組織，石墨是穩定相，Fe-G相圖稱為穩定系相圖。3.雙重相圖為了進行比較，將兩種狀態圖疊加在一起，稱為Fe-C雙重相圖，見6-2圖。1500℃線應該為細實線，改過來；改為L。有兩種線條處，虛線表示Fe-G相圖，實線表示Fe-Fe3C相圖；僅有一條線處，表示虛線與實線重疊了。圖6-2鐵-碳合金雙重狀態圖L－液相；A－奧氏體；C－滲碳體；G－石墨；F－鐵素體

6.2.2灰鑄鐵的一次結晶液態向固態的轉變稱為一次結晶。

亞共晶成分鐵水冷卻到液相線溫度以下開始結晶，生成奧氏體晶核。進一步冷卻，晶核長大，逐步長成為奧氏體枝晶。鐵水冷卻到共晶溫度以下，發生共晶轉變，形成（A+G）。見圖，形成亞共晶組織。共晶成分鐵水冷卻到到共晶溫度以下，發生共晶轉變，形成（A+G）。見圖。過共晶成分鐵水冷卻到液相線溫度以下開始結晶，生成初生石墨。冷卻到共晶溫度以下，發生共晶轉變，形成（A+G）。見圖，形成過共晶組織。見圖。

6.2.3灰鑄鐵的二次結晶固態向固態的轉變稱為二次結晶。灰鑄鐵的二次結晶包括奧氏體中碳的脫溶和共析轉變兩個階段。1．奧氏體中碳的脫溶共晶轉變後，冷卻時奧氏體中碳的溶解度降低，多餘的碳析出。析出的石墨稱為二次石墨，二次石墨依附在共晶石墨上，因此不會改變共石墨的形貌。2．共析轉變冷卻到共析溫度以下，奧氏體發生共析轉變。（1）緩慢冷卻時，A向（F＋G）轉變。析出的G沉積在原有的G上，而F則在A晶界上形核長大。（2）冷卻速度較快時，A轉變為P。大多數情況下，鑄鐵的共析轉變是A轉變為P。鐵素體基體灰鑄鐵珠光體灰鑄鐵

6.3鑄鐵的石墨化石墨化：石墨的形成過程。影響鑄鐵石墨化的因素：化學成分、冷卻速度。6.3.1影響鑄鐵石墨化的因素1.化學成分的影響（1）促進石墨化的元素

1）碳：G來源於C，C含量的增加，有利於石墨的形核和長大，C是強烈促進石墨化。

2）矽：Si提高碳的活度，因此增加Si量，促進石墨析出。

3）磷：P是促進石墨化的元素，但鑄鐵中含P量較多時，會出現P化合物，降低鑄鐵的強度，P0.2％。（2）阻礙石墨化的元素

1）Mn：Mn阻礙石墨化，細化珠光體，提高鑄鐵強度，0.5％～1.4％Mn。

2）S：S阻礙石墨化，降低鐵水的流動性，S0.15％。

（3）其他元素的影響見127頁圖。Nb是中性元素，左側是促進石墨化的元素，右側是阻礙石墨化元素。距離Nb越遠，其作用越強烈。2.冷卻速度的影響鑄件冷卻速度越慢，越有利於石墨的形成。澆注溫度越高、鑄件壁越厚、鑄型冷卻能力越強，鑄件的冷卻速度越慢。6.3.2鑄鐵的碳當量因為Si、P是促進G析出的元素，加入Si、P之後，鑄鐵的共晶點的會發生變化。為了研究多元鑄鐵的組織，提出了碳當量的概念。碳當量的定義：CE＝C＋0.3Si＋0.3P例題：確定含3.5%C、2.5%Si、0.2%P多元鑄鐵的組織。計算碳當量：CE＝3.5%＋0.3×2.5%＋0.3×0.2%

＝4.31%鐵-碳二元合金的共晶點為4.26％C，由於CE大於共晶點含碳量，因此是過共晶組織。即：CE4.26%，亞共晶；CE=4.26%，共晶；CE4.26%，過共晶。6.4灰鑄鐵應用最廣泛的鑄鐵，產量占鑄鐵總產量的80％以上。6.4.1灰鑄鐵的牌號、成分及組織1.牌號：HT×××，

HT—灰鐵，數字—抗拉強度（MPa）。表6-2，分為6級。2.化學成分：表6-3。2.9～3.8％C；

l.6～2.6％Si；0.4～1.0％Mn；P、S是雜質元素要盡可能低。3.組織：見圖6-5，

（F＋P）基體上分佈片狀石墨。圖6.5灰口鑄鐵的顯微組織2006.4.2灰鑄鐵的性能和用途1.良好的耐磨性和減振性良好的耐磨性能：石墨是固體潤滑劑，石墨脫落後的凹坑儲油。良好的減振性：石墨可以阻止振動的傳播，鑄鐵減振能力比鋼好。2.低的缺口敏感性和良好的切削加工性能低的缺口敏感性：石墨相當於缺口，對表面的缺陷幾乎沒有敏感性。良好的切削加工性能：石墨可以起斷屑、潤滑作用。3．灰鑄鐵的力學性能6-4表。比碳鋼的強度、伸長率、衝擊韌性、彈性模量低，伸長率幾乎為0。4．鑄造性能（1）良好的流動性：接近共晶成分，結晶範圍小，流動性好。（2）收縮特性及伴生的現象見圖6-6。圖6-6線收縮曲線（1.碳素鑄鋼；2.白口鑄鐵；3.灰口鑄鐵）1）鑄鋼、白口鐵凝固及冷卻過程中，先收縮；共析轉變時膨脹，A→（F+Fe3C），A的緻密度大；隨後冷卻過程中繼續收縮。2）灰鐵凝固時產生膨脹，石墨析出造成的，因為石墨的密度比金屬液小；隨後冷卻過程中收縮；共析轉變膨脹量大，有G析出；繼續冷卻過程中收縮。灰鑄鐵總的收縮量小。3）凝固收縮小，通常中小鑄件不設置冒口；收縮小，鑄件受到的機械阻礙產生的應力小，冷裂、熱裂的可能性小。5.灰鑄鐵的用途製造力學要求不高、形狀較複雜的鑄件，如機床床身、齒輪箱，汽缸缸體、缸蓋等。6.4.3灰鑄鐵的孕育處理主要用於生產高強度灰鐵件。1.孕育處理的目的降低白口傾向；改善石墨形態和分佈；消除壁厚敏感性。2.原鐵液的化學成分和溫度原鐵液：孕育處理之前的鐵液；成分：2.6～3.2％C、l.0～2.0％Si；溫度：1450℃以上。3.孕育劑的成分、加入量和粒度成分：75矽鐵，75%Si、微量Ca、Ce、

Al、Zr等，其餘Fe。加入量：占鐵水重的0.2～0.4％。粒度：直徑l～3mm。4.孕育機理及孕育衰退（1）孕育機理

1）孕育劑含有的Ca、Ce能鐵液中有S

形成以CaS、CeS質點；

2）隨後，形成核以CaS、CeS為核心，以SiO2為外殼的晶核；

3）G與SiO2的晶格類型相似、晶格常數相近，G依附於SiO2表面生長；

4）鐵液中富Si區的Si矽提高了C的活度，促使C從鐵液中析出；

5）大量晶核均勻分佈，形成多而細小的G。圖6-7（b）抗拉強度。（2）孕育衰退

1）孕育衰退：孕育處理效果隨鐵液存放時間的推移而逐漸消失的現象。圖6-7（b），抗拉強度。2）衰退原因：己形成的晶核上浮；富矽區消失；鐵液中SiO2與FeO、MnO形成FeSiO3、MnSiO3，晶核失去作用。5.孕育劑的選擇孕育效果好，孕育衰退緩慢。（1）傳統孕育劑：75矽鐵，孕育效果較好，但衰退較快15～20min；（2）新型孕育劑：矽鐵中加Sr、Zr、Ba等元素，延長孕育衰退時間，價格較貴。（科研課題）6.孕育處理工藝（1）沖澆法孕育劑放在澆包底部，鐵液將孕育劑沖熔，然後澆注鑄件。

（2）矽鐵捧法見圖6-8，孕育劑製成矽鐵棒，置於澆包口，鐵液將其熔化後隨金屬液一起進入鑄件。圖6-8矽鐵棒孕育法示意圖（3）澆口杯法見圖6-9，操作簡便，但孕育劑的分佈不均勻。（4）型內孕育孕育劑放在澆注系統中，鐵液將孕育劑熔化並帶入型腔。圖6-9澆口杯孕育法示意圖

1.澆包，2.孕育劑，3.塞杆，4.澆口杯，5.小勺6.5球墨鑄鐵6.5.1球鐵的生產球墨鑄鐵：石墨呈球狀的鑄鐵。澆注前，向鐵水中加入孕育劑的同時，加入球化劑，然後進行澆注。球化劑：稀土矽鐵鎂合金：8～12％RE、44％Si、8～10％Mg，其餘Fe。6.5.2球鐵的組織和力學性能1.組織：基體十石墨。基體：F、P、（F＋P）；石墨：球狀，孤立分佈。見圖6-10。

圖6-10球墨鑄鐵的金相組織×300

2.力學性能：石墨呈球狀，對基體破壞作用小，有良好的力學性能，有時可代替碳素鋼。6.5.3球鐵的牌號、成分和用途1.牌號：QT×××-××，表示球鐵、抗拉強度（MPa），伸長率（%）。見表6-6。2.成分：3.6～3.9％C、2.0～3.2％Si，0.25～0.6％Mn；雜質S<0.1、P<0.03。Mg、ER是球化處理帶進鐵液中的。3.用途：負荷較大、受力複雜的零件。珠光體球鐵強度高，用於汽車和拖拉機的曲軸、連杆，凸輪；鐵素體球鐵韌性好，用於閥門、汽車後橋殼。6.5.4球墨鑄鐵的球化處理1.球化機理（1）介面能理論

1）晶體生長理論認為，介面能越小其垂直方向的生長速度越快；

2）石墨是密排六方結構，見圖。球化處理前，S吸附在棱面上，棱面的介面能低，沿[1010]方向生長快，石墨長成片狀；3）球化處理後，Mg、RE與S化合，消除了S的作用，基面的介面能低，石墨沿［0001］方向生長，成為球狀。這一學說，沒能說明石墨成球的機制。（2）位錯理論

1）石墨的基面上有大量螺旋位錯。球化前，硫吸附在螺旋位錯上，封閉了生長臺階，石墨沿[1010]晶向生長快，成片狀。

2）球化處理後，球化元素消除了硫的影響，螺旋位錯起作用，石墨沿［0001］晶向生長。多個石墨源於同一個核心，呈放射狀排列，基面與鐵液接觸，以螺旋位錯方式生長，成為球狀。2.球化處理工藝包底沖入法：見圖6-12，底部修堤壩，球化劑和孕育劑上面覆蓋鐵屑，加入量1.2～1.8％。圖6-12包底沖入法球化處理示意圖1－球化劑；2－孕育劑；3－鐵屑；4－鑄鐵片；5－鐵液型內球化法：見圖6-13，球化劑和孕育劑放在澆注系統內的反應室中，在流經鐵水的作用下球化劑熔化，進入鑄型，加入量0.8％。圖6-13型內球化處理示意圖6.5.5球鐵的鑄造性能及常見缺陷1.球鐵的凝固特性

1）糊狀方式凝固：石墨球生長到一定程度時奧氏體包圍石墨球，共晶團基本不再生長了，進一步降溫，產生新的共晶團，凝固繼續，共晶轉變在一個較大的溫度區間進行，液固兩相區寬。

2）易形成縮孔、縮松缺陷：共晶凝固時間長，鑄件外殼長期處於低強度狀態；石墨析出體積增大2倍，膨脹力作用在鑄型上，砂型退讓，鑄件尺寸脹大，易形成縮孔、縮松缺陷。2.球鐵的鑄造性能

1）流動性較灰鑄鐵差。球化、孕育處理溫度降低較多；鐵液中含鎂，表面張力大。2）收縮特性。圖6-16，球鐵凝固後期的膨脹比灰鐵大。圖6-16球墨鑄鐵和灰鑄鐵的自由線收縮曲線

圖6-17，鑄型剛度較小時，石墨化膨脹使鑄件脹大，易形成縮孔和縮松缺陷。

圖6-17鑄型剛度對鑄件緻密性的影響

3）內應力大。導熱率低，熱應力大，變形及開裂傾向大。3.常見的鑄造缺陷及防止

1）縮孔及編松。形成縮孔及縮松的傾向大。防止措施：加大鑄型剛度；適當降低澆注溫度以減少液態收縮量。

2）夾渣。球化產生的氧化物硫氧化物澆注前未清除乾淨，隨鐵液澆入鑄型。防止措施：儘量降低原鐵液的含流量；澆注前清除乾淨熔渣。3）石墨漂浮。鑄件上部出現較多、尺寸較大的石墨。防止措施：控制碳當量；適當增加冷卻速度。

4）皮下氣孔：出現在鑄件表皮下0.5～2mm處，圓形孔洞，直徑1-2mm。形成原因：鑄型中水分與鐵液中Mg、S反應，形成H2、H2S氣體侵入鑄件內，即形成氣孔。防止措施：嚴格控制鐵液的殘留鎂量、型砂中的水分。5）球化衰退：球化處理過的鐵水停留一定時間後，球化效果下降的現象。防止措施：鐵液中應有足夠的球化元素量；降低原鐵液中的含硫量；縮短鐵液球化處理後的停留時間；用覆蓋劑覆蓋鐵液。6.6蠕墨鑄鐵6.6.1蠕鐵的生產生產方法：鐵水出爐後加入蠕化劑然後進行澆注。常用蠕化劑：稀土鎂、稀土鎂鈦、稀土矽鐵、稀土矽鈣。6.6.2.蠕鐵的成分、

牌號、組織、性能及用途蠕鐵的成分：3.5～3.9％C；2.1～2.8％Si；

0.4～0.8％Mn；

S、P均小於0.1%。蠕鐵的牌號：RuT×××；

RuT—蠕鐵，

×××—抗拉強度（MPa）。例：RuT340

表示抗拉強度為340MPa的蠕鐵見表6-8，5種牌號蠕鐵。蠕鐵的性能：力學性能比灰鐵好，鑄造性能、減振能力、導熱性能接近於灰鐵。蠕鐵的用途：用於要求導熱性能、力學性能好的部件，如缸蓋、氣缸套、鋼錠模。蠕鐵的組織：基體F、P、F＋P，石墨蠕蟲狀，見圖6-18。圖6-18蠕墨鑄鐵中的石墨形態

6.6.3蠕墨鑄鐵的鑄造性能及常見缺陷有良好的流動性：蠕墨鑄鐵和灰鑄鐵流動 性相近。常見的缺陷：夾渣。防止夾渣的方法：嚴格控制鐵液含硫量；鐵液溫度不低於1350℃；澆注系統有檔渣措施。6.7可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵：具有團絮狀石墨的鑄鐵。6.7.1可鍛鑄鐵的分類與組織、牌號、性能與用途1.分類與組織黑心可鍛鑄鐵：F+G，圖6-20（a）。珠光體可鍛鑄鐵：P+G，圖6-20（b）。（a）鐵素體基體可鍛鑄鐵（x100）（b）珠光體基體可鍛鑄鐵（x500）

圖6-20可鍛鑄鐵的微觀組織

白心可鍛鑄鐵：鑄件表層1.5～2mm為F，心部為P十G。2.牌號KTH×××-××，KTZ×××-××，KTB×××-××。KT—可鐵；H—黑心、Z—珠光體、B—白心；×××—抗拉強度；××—伸長率；例：KTH350-10

黑心可鍛鐵，抗拉強度≥350MPa

伸長率≥10%見表6-9。3.性能與用途

G為團絮狀，對基體割裂作用較小，強度和塑性遠高於灰鑄鐵；

F可鍛鐵有較高的塑性和韌性，製造汽車的後橋殼、轉向機構等；

P可鍛鑄鐵的強度和耐磨性好，製造曲軸、連杆、齒輪等；白心可鍛鑄鐵很少使用。6.7.2可鍛鑄鐵的生產、成分、孕育處理1.生產過程：

熔煉出低碳、低矽鐵液；鑄出白口鑄件，組織為P+Fe3C；退火處理F+G、P+G。2.化學成分：

鑄態為白口組織，低C、Si含量，2.4％～2.8％C，l.0％～1.8％Si。3.孕育處理：

加入孕育劑，含Al、B、Bi等元素，阻止凝固石墨化，促進退火石墨化。6.7.3退火中可鍛鑄鐵的組織變化1.珠光體可鍛鐵的退火工藝和組織加熱至共晶溫度以下P→A；保溫Fe3C→A+G；冷A→GⅡ；空冷A→P。最終組織為P+G，得珠光體可鍛鐵。2.黑心可鍛鐵的退火工藝和組織加熱至共晶溫度以下P→A；保溫Fe3C→A+G；爐冷A→GⅡ；快冷A→P，保溫P→F+G，最終組織F+G，得鐵素體可鍛鐵。或，爐冷後緩慢冷卻A→F+G，最終組織F+G，得鐵素體可鍛鐵。6.7.4加速可鍛鐵退火過程的途徑

石墨化退火一般為70～80小時，甚至上百小時。加速退火措施：（1）適當提高碳、矽含量；（2）適當提高退火溫度；（3）對鐵水進行孕育處理，細化一次結晶組織。6.7.5可鍛鑄鐵的鑄造性能

（1）白口鑄鐵的碳含量低，凝固溫度間隔大，鐵液流動性較差，易生成縮孔、縮松缺陷；（2）白口鑄鐵的強度低、脆性大，易產生裂紋。6.7.6可鍛鐵常見缺陷

（1）石墨粗大。退火溫度過高，或C、Si高；（2）出現片狀石墨。是鑄態形成的，C、Si含量過高，或鑄件冷卻緩慢；（3）退火後有白口組織。退火溫度低、時間不夠、含有阻礙滲碳體分解元素Cr、V等。6.8特種鑄鐵6.8.1耐磨鑄鐵1.抗磨鑄鐵在沒有潤滑的條件下工作，如軋輥、犁鏵。要求硬度高，通常為白口鐵。常用抗磨鑄鐵成分、用途見表6-10。

具有特殊使用性能的鑄鐵，包括三類：耐磨、耐熱、耐蝕鑄鐵。2.減摩鑄鐵在有潤滑的條件下工作，如機床導軌，要求摩擦係數小。在普通灰鐵中加P、Cu、Mo、Cr等，構成減摩鑄鐵。常用減摩鑄鐵的成分、用途見表6-11。6.8.2耐熱鑄鐵

長期高溫條件下工作，衡量鑄鐵耐熱性的指標是抗氧化、抗生長能力。氧化：形成鐵的氧化物，減少鑄件尺寸，降低承載能力。生長：高溫下，P（F＋G），鑄件尺寸膨脹；A（F＋G），相變應力導致變形、開裂。提高鑄鐵耐熱性的途徑：（1）改善石墨形態片狀石墨，氧容易沿G片擴散，加速鑄鐵氧化；球狀石墨，提高了基體連續性，減少了氧擴散，有利於防止鑄鐵氧化。（2）加Si、Al、Cr，形成氧化膜，防止鑄鐵氧化。常用耐熱鑄鐵成分、用途見表6-12。6.8.3耐蝕鑄鐵1.鑄鐵發生腐蝕的原因鑄鐵有多相組織，在電解質溶液中各相的電極電位不同，形成原電池，石墨的電位高，基體的電位低，基體不斷被腐蝕掉。2.提高鑄鐵耐蝕性的途徑（1）加入Si、Al、Cr，形成保護膜；（2）加入Mo、Cu、Ni等，提高基體的電極電位，降低電位差；（3）改善石墨形狀、大小，減少原電池數量。常用耐蝕鑄鐵的成分、用途見表6-13。6.9鑄鐵的焊接性能

鑄鐵的焊接僅用於補焊，主要討論灰口鑄鐵的焊接性能。6.9.1灰口鑄鐵的焊接性能1.焊接接頭的組織和切削性能（1）焊接接頭的組織

1）焊縫區：完全熔化。

L→A+(A+G)→P+G。2）半熔化區：（L+A+G）→→M+G+。冷卻快，A轉變成M。

3）奧氏體區：A+G。快速冷卻，A轉變為M，室溫為M+G。

4）重結晶區：F+A+G。快速冷卻，A轉變為M，室溫為F+M+G。其餘區域的加熱溫度低，焊後組織變化不明顯。

（2）焊接接頭的切削性能

1)通常灰口鑄鐵為（P＋G），具有良好的切削性能。

2)焊接後通常需要切削加工。焊接接頭是碳化物、馬氏體，硬度高加工困難。容易打刀、讓刀。2.易產生裂紋缺陷同質焊接與異質焊接：焊接材料與母材相同稱為同質焊接，不同為異質焊接。灰鐵同質焊接可能產生冷裂紋，異質焊接可能產生熱裂紋。（1）冷裂紋

1）焊縫上的冷裂紋：焊縫冷卻速度快，形成白口組織，凝固收縮、脆性大，焊縫出現裂紋。

2）熱影響區的冷裂紋：熱影響區形成M，脆性大、強度低，應力超過抗拉強度時，產生裂紋。

（2）熱裂紋以鎳基焊條為例。鑄鐵中的S、P與Ni生成共晶體，Ni-Ni9S2

共晶溫度為644℃，Ni-Ni3P共晶溫度為880℃，焊縫有較大的熱裂傾向。6.9.2球墨鑄鐵的焊接性能球鐵的強度、塑性高，對焊縫的力學性能要求也高。應採取合適的焊條和焊接工藝達到性能要求。6.10鑄鐵的熱處理6.10.1鑄鐵的金相學特點（1）共析轉變是一個溫度範圍。鑄鐵是多元合金。（2）Si提高共折溫度。增加1％Si提高28℃。（3）Si降低共晶點含碳量。Fe-C共晶點4.26％C，含2.4％Si共晶點3.45％C。6.10.2熱處理對鑄鐵性能的作用

（1）熱處理只能改變基體，不能改變石墨的形態和分佈。（2）熱處理對灰鐵力學性能強化不明顯。片狀石墨較少承載面積，引起的應力集中。（3）熱處理能明顯提高球鐵的力學性能。球狀石墨對基體的損害小。6.10.3鑄鐵的熱處理工藝1.消除白口組織的退火白口組織硬而脆，難加工。通過高溫退火使碳化物分解為G＋A。2.消除應力的退火鑄件冷卻中產生應力，必須消除，以防止變形、開裂。低溫退火消除應力。3.球鐵的正火正火處理，以獲得珠光體基體組織，提高力學性能。4.球鐵的等溫淬火通過等溫淬火得到下貝氏體，得到高強度、良好韌性的球鐵。5.球鐵的淬火及回火得回火組織，球鐵硬度高、耐磨性好。

鋁及鋁合金7.1鋁及鋁合金的特性和分類7.1.1純鋁的特性

（1）力學性能：抗拉強度為80～100MPa，硬度為25～30HB，伸長率為30～50%，有很高的比強度。（2）物理、化學性能：面心立方晶格，熔點660℃，熔化潛熱大，導電性好，再結晶溫度200～300℃，密度2.7g/cm3，易氧化。7.1.2鋁及鋁合金的分類和牌號1.純鋁的三類、性能和牌號（1）高純鋁：純度99.996～99.93％，用於科研及電容器等，牌號有L01、L02、L03、L04四種。（2）工業高純鋁：純度99.9～99.8%，用於製造鋁箔、包鋁及鋁合金，牌號有L0、L00。（3）工業純鋁：純度99.0～98.00%，可制管、棒、線和型材及配製合金用，牌號有L1、L2、L3、L4、L5五種。2.鋁合金的分類和牌號（1）變形鋁合分為四類：防銹鋁、硬鋁、超硬鋁和鍛鋁合金。牌號：LF、LY、LC、LD分別表示防鏽、硬鋁、超硬鋁、鍛鋁合金，其後的數字表示順序號。如：LF11為11號防銹鋁合金；

LC10為10號超硬鋁合金。

（2）鑄造鋁合金分為四類：鋁矽、鋁銅、鋁鎂和鋁鋅合金。牌號：ZL表示鑄造鋁合金；其後，1為鋁矽系，2為鋁銅系，3為鋁鎂系，4為鋁鋅系；後跟順序號。如：ZL101，為鋁矽系1號鑄造鋁合金；

ZL203為鋁銅系3號鑄造鋁合金；

ZL302為鋁鎂系2號鑄造鋁合金，

ZL401為鋁鋅系1號鑄造鋁合金。7.2變形鋁合金及其鍛造性能7.2.1變形鋁合金1.防銹鋁合金包括Al-Mn和Al-Mg兩個合金系。（1）鋁錳系防銹鋁合金錳含量小於1.6％，鐵含量0.4％～0.7％，矽量小於0.6％。具有優良的耐蝕性能。（2）鋁鎂系防銹鋁合金見圖7-1圖。Mg含量低於5%的合金通常為單相合金，耐蝕性較好；Mg含量高於5％，出現脆性β相，合金的耐蝕性惡化。通常鋁鎂合金是含2.0%～3.8%Mg，鋁鎂合金在大氣、海洋中的耐蝕性優於鋁錳合金。圖7-1Al-Mg合金相圖

鋁鎂合金中加少量錳能改善耐蝕性能；少量鈦、釩起細化晶粒的作用；少量矽能改善流動性，減少焊接裂紋傾向；鐵、銅、鋅使合金的耐蝕性與工藝性惡化。2.硬鋁合金硬鋁合金屬於Al-Cu-Mn系合金，具有強烈的時效強化作用，經時效處理後具有很高的硬度、強度，故稱為硬鋁合金。這類合金具有優良的耐熱性，但塑性、韌性低，耐蝕性差，常用來製作飛機大樑、空氣螺旋槳、鉚釘及飛機蒙皮等。含銅、鎂量低的硬鋁合金強度較低而塑性高；含銅、鎂量高的硬鋁合金則強度高而塑性較低。加入一定量的錳有固溶強化作用和抑制再結晶作用。3.超硬鋁合金超硬鋁合金屬於Al-Zn-Cu-Mg系合金。強度最高的一類鋁合金，故稱超硬鋁合金。這類合金除了強度高外，韌性也很高，又具有良好的工藝性能，是飛機工業中重要的結構材料。超硬鋁合金中，鋅和鎂是合金的主要強化元素，銅的加入主要是為了改善超硬鋁合金的應力腐蝕傾向，同時銅還能提高合金的強度。7.2.2鋁合金的鍛造性能1.鋁合金的可鍛性大多數變形鋁合金都有較好的可鍛性，可用來生產各種形狀和類別的鍛件。鋁合金鍛件可用現有的各種鍛造方法來生產，包括自由鍛、模鍛、頂鍛、輥鍛、輾壓、旋壓、心軸型鍛、環軋與擠壓等。圖7-2中對比了一些常用鋁合金與25鋼在各自鍛造溫度下的流動應力。圖7-3表明了在鋁合金鍛造生產中具有代表性的10種鋁合金的可鍛性對比情況。圖7-2部分鋁合金和25鋼的流動應力比較

圖7-3幾種變形鋁合金的可鍛性比較

2.鍛造溫度範圍確定鋁合金的鍛造溫度範圍主要依據的是塑性圖、變形抗力圖等。圖7-4、7-5、7-6分別為LF21、LD5、LC4三種不同鋁合金的塑性圖，圖7-7為LD5合金的變形抗力圖。圖7-7表示了溫度對變形抗力的作用，LD5合金的鍛造溫度從450℃下降到300℃時，其變形抗力增加1倍。圖7-4鋁合金LF21的塑性圖

圖7-5鋁合金LD5的塑性圖圖7-6鋁合金LC4的塑性圖圖7-7LD5合金的應力-應變曲線（應變速率：1—10-2s-1；2—1s-1；3—10s-1；4—100s-1；5－200s-1）7.3鑄造鋁合金及其鑄造性能7.3.1鑄造鋁矽合金及其鑄造性能1.鑄造鋁矽合金（1）鑄造鋁-矽二元合金鋁矽二元合金具有簡單的共晶相圖（圖7-8）。ZL102合金的含矽量為10%～13%，屬鑄造鋁-矽二元共晶合金，如圖7-8所示。變質處理後，改變了共晶點的位置，共晶溫度由578℃降為564℃，共晶點矽量由11.7％增加到14％，如圖7-8中虛線所示。圖7-8鋁-矽二元合金相圖鋁