第4章_钢铁材料及其用途

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1、,,,,,,,单击此处编辑母版标题样式,,单击此处编辑母版文本样式,,第二级,,第三级,,第四级,,第五级,,,,*,第,4,章 钢铁材料及其用途,分类,：,铁碳合金,工业纯铁,W,c,＜,0.02%,；,碳钢,白口铁,过共析钢,共析钢,亚共析钢,亚共晶铁,共晶铁,过共晶铁,0.02≤w,c,<0.77%,W,c,＝,0.77%,0.77≤w,c,<2.11%,2.11≤w,c,<4.3%,w,c,＝,4.3%,4.3≤w,c,<6.69%,4.1,碳钢与合金钢,,,,4.1.1,碳钢,,碳的质量分数在,0.0218%,～,2.11%,范围内的铁碳合金。,,,,1,、常存杂质对碳钢性能影响,,

2、,（,1,）锰的影响,,,Mn,有较强的,脱氧,能力，消除,FeO,可改善钢的品质，,降低钢的脆性,。锰与钢中的硫形成,MnS,，,降低,S,对钢的危害,。碳素钢中把锰控制在,0.25,％～,0.80,％范围内。,第,4,章 钢铁材料及其用途,1,、常存,杂质对碳钢性能影响,,（,2,）硅的影响,,,硅来自生铁和脱氧剂硅铁中，硅能使钢液中的,FeO,变成炉渣脱离钢液．提高钢的品质。,,硅能溶于,F,，,提高钢的强度、硬度，降低钢的塑性和韧性,。,,硅能使,Fe,3,C,的稳定性下降．促进,Fe,3,C,分解生成石墨。钢中出现石墨使钢的韧性严重下降，产生,“,黑脆,”,。,4.1.1,碳钢,1,

3、、常存杂质对碳钢性能影响,,,（,3,）硫的影响,,杂质,S,几乎不溶于铁素体，而与,Fe,形成,FeS,存在于钢中或与,Fe,形成共晶体。,FeS,及其共晶体溶点均低于热形变加工温度（,1150,～,1250℃,），使钢在热形变加工中产生,“,热脆性,”,。,Mn,使硫形成,MnS,，其熔点高达,1620℃,，从而消除,S,引起的热脆性。,4.1.1,碳钢,1,、常存杂质,对碳钢性能影响,,,（,4,）磷的影响,,,,P,可以固溶到,F,中，提高钢在室温时的强度。但,P,也易与,Fe,形成极脆的化合物,Fe,3,P,使钢的塑性和韧性显著下降。温度愈低脆性越大，故称为,“,冷脆,”,。钢中要严

4、格把,P,的含量控制在,0.045%,以下。,,,4.1.1,碳钢,2,、碳钢的,分类,按冶炼,,方法分类,平炉钢,转炉钢,电炉钢,4.1.1,碳钢,按脱碳,,方法分类,沸腾钢,F,镇静钢,Z,半镇静钢,b,2,、碳钢的,分类,按钢中含,,碳量分类,低碳钢,中碳钢,高碳钢,Wc≤0.25,％,Wc,在,0.25,％～,0.6,％之间,Wc≥0.6,％,4.1.1,碳钢,2,、碳,钢的分类,按钢的,,质量分类,普通,,碳素钢,优质,,碳素钢,高级优质,,碳素钢,Ws≤0.055,％,,Wp≤0.045,％,,Ws≤0.040,％,,Wp≤0.040,％,Ws≤0.030,％,,Wp≤0.035,

5、％,4.1.1,碳钢,2,、碳,钢的分类,按钢的,,用途分类,碳素,,结构钢,碳素,,工具钢,制造各种构件和机器零件,,制造各种刀具、量具、模具,4.1.1,碳钢,二、 钢的牌号及其应用,1,、碳素结构钢：,牌号,：,Q+,屈服点数值。 例如：,Q195,，,Q 235,等。,用途,：薄板，铁丝，钉，小轴，螺栓等。,2,、优质碳素结构钢：,牌号,：用两位数字表示，该数字表示钢中平均含碳量的,,万倍。 例如：,08F,，,20,，,45,，,60, 65Mn,等。,用途,：用作各种较重要的机器零件 如：齿轮、主轴等。,,3,、碳素工具钢,,牌号,：用,“,T,”,加数字表示，数字表示

6、钢中平均含碳量的千倍如：,T8,，,T9,等。,T8,：表示碳的平均含碳量为,0.8%,的碳素工具钢。,,用途,：用来制作各种刀具、量具和模具。,,4.1.2,合金钢,,为了改善钢的组织与性能，有意识地在钢中加入某些合金元素所获得的钢种。,,4.1,碳钢与合金钢,,碳钢的特点,,（１）淬透性低，整个截面性能分布不均；,,（２）力学性能比合金钢低。存在硬度、强度与塑性、韧性之间的矛盾；,,（３）不能具备耐高温、耐腐蚀、高耐磨等特殊性能。,4.1.2,合金钢,1,、合金,元素在钢中的作用,,,（１）固溶强化,,,合金元素固溶于,F,、,A,、,M,中引起晶格畸变，增加位错运动阻力，产生固溶强化。,

7、4.1.2,合金钢,1,、合金,元素在钢中的作用,,（２）第二相强化,,,某些合金元素,可以固溶于,Fe,3,C,中，形成合金,Fe,3,C,或特殊碳化物，提高钢的强度和硬度。,,4.1.2,合金钢,（３）细晶强化,,使,A,、,F,晶粒及,M,针条细化，增加位错运动阻力，达到强化的目的。,1,、合金,元素在钢中的作用,,,（４）提高淬透性,,,合金元素固溶于,A,中，增加,A,的稳定性，减慢过冷,A,的分解速度，使,C,曲线右移，降低钢淬火时的临界冷却速度，提高淬透性。,4.1.2,合金钢,1,、合金,元素在钢中的作用,,,（５）提高回火稳定性,,,回火稳定性,：淬火钢在回火过程中抵抗硬度下

8、降的能力。,,合金元素固溶于,M,中减缓,C,的扩散，阻碍碳化物的析出，推迟,M,的分解，抵抗硬度下降。,,4.1.2,合金钢,1,、合金,元素在钢中的作用,,,（６）使钢获得特殊性能,,*,,形成稳定的单相组织：使,A,3,线降至室温，得到具备耐腐蚀、耐高温、抗磨损的,A,钢。,,**,形成致密氧化膜和金属化合物，提高钢的耐腐蚀性和高温抗氧化性；金属化合物阻碍位错在高温下运动，提高钢的蠕变抗力，提高钢的高温强度。,4.1.2,合金钢,2,、合金钢的分类,,１）按合金元素的含量分,,,低合金钢,：合金元素总的质量分数＜５％；,,,中合金钢,：合金元素总的质量分数为５～１０％；,,,高合金钢,：

9、合金元素总的质量分数＞１０％。,,,4.1.2,合金钢,,２）按用途分,合金钢,合金结构钢,合金工具钢,特殊性能钢：,机器合金结构钢,,：,工程合金结构钢,,：,普通低合金结构钢,,不锈钢 、耐热钢、耐磨钢,合金刃具钢：,,合金弹簧钢、合金渗碳钢,,合金调质钢、合金轴承钢,合金模具钢,,：,,合金量具钢：,,低合金刃具钢、高合金刃具钢、高速钢,冷作模具钢、热作模具钢,,没有专用钢种,.,,,,,3.,合金钢,牌号的表示方法,我国合金钢的编号,字母,+,数字,+,元素符号,+,数字,+,字母,,表示某些专门用途钢。如,G,为滚动轴承钢，,Y,为易切削钢。,,表示含碳量。合金结构钢为

10、两位数字，表示万分之一。合金工具钢为一位数字表示千分之一，如含碳量大于,1%,可省略。,,表示所含合金元素及其含量。数字表示百分之一，小于,1.5%,可省略。,,表示冶金质量。,A,为高级优质钢，,E,为特级优质钢。,4.1.2,合金钢,3,、合金钢的牌号,(1),合金结构钢的牌号,(2),合金工具钢的牌号,两位数字,+,合金元素符号,+,数字,,前两位数字表示平均含碳量的万倍，后面数字表示合金元素的百倍。如,60,Si2Mn,40Cr,等。,Wc=0.60%,,其牌号表示方法与合金结构钢类似，但其平均,Wc>1%,时不标出；当,Wc<1%,前面数字表示含碳量的千倍。,,如：,9,SiCr,

11、Cr12,5CrMnMo,等。,Wc=0.9%,,,但高速钢不标含碳量，只写出合金元素符号及其含量。,如,:W18Cr4V, W6Mo5Cr4V2,,一、合金结构钢,1,、,普通低合金结构钢,,,低碳，合金含量小于,3%,。主加元素为,Mn,其强化了铁素体，提高了强度；,V,，,Ti,等元素使晶粒细化，使韧性提高。,,在,建筑、桥梁、车辆、船舶,中应用广泛。以,16Mn,为最广。,船舶,桥梁,,2,、合金渗碳钢,,含碳量为,0.1%--0.2%,,以保障心部具有足够的韧性，合金含量,小于,3%,。,主加元素为,Cr,、,Mn,、钛、钒,，提高了淬透性，使晶粒细化，耐磨性提高。,（常用渗碳钢）,

12、,,主要用于表面要求硬而耐磨，心部具有足够强度和韧性的零件，如：汽车变速箱的齿轮等。,,,以,2,0Cr,、,20CrMnTi,为最广。,,变速齿轮,拨叉,,3,、,合金调质钢,,含碳量为,0.25%--0.5%,,主加元素为,Cr,、,Mn,、,Si,、,Ni,等以提高淬透性和强化铁素体,.,调质钢具有良好的综合力学性能,。,,合金调质钢广泛用于制造汽车、拖拉机、机床和其它机器上的各种重要零件，如,齿轮、轴类件、连杆,等。,,曲轴,,连杆,,,（常用调质钢）,,,4,、合金弹簧钢,,它具有高的,弹性、疲劳强度及冲动韧度,。,含碳量为,0.5%--0.7%,,主加元素为,Cr,、,Mn,、,S

13、i,等以提高淬透性和弹性极限。,,合金弹簧钢是一种专用结构钢，主要用于制造各种,弹簧,和弹性元件。,,拉力弹簧,,离合器弹簧,,（,常用弹簧钢,）,,,5,、滚动轴承钢,,主要用来制造滚动轴承的,滚动体,（滚珠、滚柱、滚针）、内外套圈等，属专用结构钢。,,碳质量分数一般为,0.95%--1.10%,，以保证其高硬度、高耐磨性和高强度。,铬,为基本合金元素 ，铬含量为,0.40%--1.65%,。,高碳低铬,。,如：,GCr15,(,滚珠轴承钢,),,,二、合金工具钢,,合金工具钢是制造刃具、量具和模具的钢种。不仅有更高的硬度和耐磨性,,,还具有更高的,红硬性,。,1,、合金刃具钢,,,用途：,

14、主要用于制造各种金属切削刀具，如车刀、铣刀、钻头等。,,性能：,,（,1,）高硬度，,60HRC,以上；,,（,2,）高的耐磨性；,,（,3,）高热硬性 ；,,（,4,）足够的塑性和韧性,。,铣刀,,英制模板刀,,合金工具钢的,种类及牌号,,,(1),低合金刃具钢,(2),高速钢,,,,最高工作温度不超过,300 ℃,。,,① 高碳：碳质量分数为,0.9%--1.1%,，以保证高硬度和高耐磨性。,,②,Cr,、,Mn,、,Si,主要是提高钢的淬透性，,Si,还能提高钢的回火稳定性；,,,,,,W,、,V,能提高硬度和耐磨性，并防止加热时过热，保持细小的晶粒。,,,高速钢是高合金刃具钢，具有很高

15、的热硬性，高速切削中刃部温度达,600 ℃,时，其硬度无明显下降。,,① 高碳：碳质量分数在,0.70%,以上，最高可达,1.5%,左右，,,,② 加入,Cr,、,W,、,Mo,、,V,等合金元素：,,,,Cr,提高淬透性。,,,,W,、,Mo,保证高的热硬性。,,,,V,提高耐磨性，细化晶粒。,,（,如：,9SiCr,、,9Mn2V,）,（如：,W18Cr4V,、,W6Mo5Cr4V2,,）,常用合金刃具钢和高速钢,,,2,、合金量具钢,,用途：量具用钢用于制造各种,测,量工具，如卡尺、千分尺、块规。,性能要求：,(1),高硬度（大于,56 HRC,）和高耐磨性；,,,(2),高尺寸稳定性，

16、在存放和使用过程中，尺寸不发生变化。,螺纹规,,游标卡尺,,千分尺,,,3,、合金模具钢,合金模具钢按其用途分为,冷作模具钢,和,热作模具钢,两大类。,,冷作模具钢,,用途：冷模具用于制造各种冷冲模、冷镦模、冷挤压模和拉丝模等，工作温度不超过,200 ℃,～,300 ℃,。,热,作模具钢,如：,9Mn2V,、,CrWMn,,用途：热作模具钢用于制造各种热锻模、热压模、热挤压模和压铸模等，工作时型腔表面温度可达,600 ℃,以上。,如：,5CrMnMo,、,5CrNiMo,,性能要求：,,① 高硬度，,58,～,62 HRC;,,②,高耐磨性,;,,③,足够的韧性和疲劳抗力,,量具用钢的选用举例

17、,,量 具,钢 号,平样板或卡板,10,、,20,或,50,、,55,、,60,、,60Mn,、,65Mn,一般量规与块规,T10A,、,T12A,、,9SiCr,高精度量规与块规,Cr,（刃具钢）、,CrMn,、,GCr15,高精度且形状复杂的量规与块规,CrWMn(,低变形钢,),抗蚀量具,4Cr13, 9Cr18(,不锈钢,),,三、,特殊性能钢,,特殊性能钢是指具有特殊物理和化学性能的一种高合金钢,.,它主要包括,不锈钢,,,耐磨钢,等,.,1,、不锈钢,,能抵抗大气,,,酸,,,咸或其它介质腐蚀的钢。,,不锈钢在石油化工、国防工业和一些尖端科学技术及日常生活中都得到广

18、泛应用，例如化工装置中的各种管道、阀门和泵，医疗手术器械，防锈刃具和量具等。,,,根据,不锈钢室温下组织的不同,,,常用的不锈钢可分三种,:,马氏体型不锈钢,铁素体型不锈钢,,奥氏体型,不锈钢,,,马氏体型不锈钢,,如：,1Cr13,、,2Cr13,、,3Cr13,、,4Cr13,,不锈钢船用螺旋桨,不锈钢剪刀,,含碳为,0.1%--0.4%,,含铬为,12%--13%.,主要用于力学性能要求不高,,,耐蚀性要求较低的零件,.,如,:,,铁素体型不锈钢,,,这类钢的铬质量分数为,17%,～,30%,，碳质量分数低于,0.15%.,主要用作耐蚀性要求很高而强度要求不高的构件，例如,容器和管道,等

19、。,,奥氏体型,不锈钢,,,这类不锈钢属铬镍不锈钢,,,碳含量很低（约,0.1%,），耐蚀性很好。,,,如：,1Cr17,、,1Cr17Ti,等,如：,0Cr18Ni9, 1Cr18Ni9,等,,2,、耐磨钢,,（就是高锰钢 如,:ZGMn13,）,履带,,铁轨分道叉,,,破碎机颚板,挖掘机斗齿,,4.2,铸铁,,,,4.2.1,铸铁的成分和性能,,铸铁,含碳量大于,2.11%,。力学性能较低，但因有,游离态的石墨,而具备良好的,减振性、耐磨性、铸造性、切削加工性,等优良性能。,铸铁的性能,石墨的存在，使铸铁具有铸 钢所不具备的性能。,铸铁的优点,,良好的铸造性能，如流动性好、收缩小,,,良

20、好的切削加工性能；,,,高的耐磨性；,,,,良好的吸振缓冲性能；,,,,低的缺口敏感性能。,,4.2,铸铁,4.2.2,铸铁,的石墨化及铸铁的分类,,石墨片越圆整、越细小、分布越均匀对基体割裂作用越小。,4.2,铸铁,4.2.2,铸铁,的石墨化及铸铁的分类,铸铁,的石墨化,:,碳以石墨的形式析出的过程。,,,,即铸铁中石墨形成的过程。,,通常视石墨化过程充分与否，会得到不同基体的铸铁组织。,铸铁的基体通常有：,*,铁素体灰口铸铁,,*铁素体,—,珠光体灰口铸铁,,*珠光体灰口铸铁,4.2,铸铁,何为,石墨？,,石墨是游离状态的碳，其强度、硬度、塑性、韧性很低，硬度仅为,3,—,5HBS,，伸长

21、率近于零,。,,铸铁的组织可以看成是在铁或钢的基体上夹杂着石墨，石墨对基体产生,割裂作用,。,,因此，石墨的存在使铸铁的力学性能下降，其性能比钢低，,不能锻造,，且石墨的数量越多，越粗大，分布越不均匀，铸铁的力学性能越差。,,但石墨的存在也赋予铸铁许多钢所不及的优良性能，如,铸造性能、减振性和减摩性,等。,铸铁的石墨化,铸铁,组织的类型取决于,石墨化,的程度。,（,1,）铸铁中,碳原子析出并形成石墨的过程,称为石墨化,。,石墨化若能充分或大部分进行，则能获得,灰口铸铁,，反之将得到,白口铸铁,。,石墨既可以从液体和奥氏体中析出，也可以通过渗碳体分解来获得。,,灰口铸铁和球墨铸铁中的石墨主要是从

22、液体中析出；可锻铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间退火，由渗碳体分解而得到。,,（,2,）,影响石墨化的因素,冷却速度,：,缓慢冷却有利于石墨化；,合金元素,：,C,和,Si,强烈促进，,S,强烈阻碍，,Mn,阻碍，,P,微弱促进。,,,1,、何为铸铁？,铸铁是碳质量分数大于,2.11%,、,并常含有较多的硅、锰、硫、磷等元素的铁碳合金。,,,用于制造机床的床身、床头箱,,,发动机的汽缸体、机器的底座等，是工程上最常用的金属材料之一。,,,箱体,启动阀,2,、铸铁分几类？,根据碳在铸铁中存在形,式,不同，可分三大类：,（,1,）白口铸铁,（,2,）灰口铸铁,（,3,）麻口铸铁,C,的存在形式

23、：,渗碳体,(Fe3C),，断口为白色,。,性能硬而脆，难以切削加工。主要用作炼钢原料，高耐磨零件（如轧辊、犁铧等）。,,C,的存在形式：,石墨,，断口为灰黑色。,,,C,的存在形式：,石墨,+,渗碳体,，断口为黑白色。,灰铸铁是铸造性能最好，应用最广泛的铸铁材料。,性能：脆性大，很少使用,。,,根据,石墨,（,G,）,在铸铁中存在形态，可分为：,普通灰铸铁：石墨呈,片状,可锻铸铁：石墨呈,团絮状,蠕墨铸铁：石墨呈,蠕虫状,球墨铸铁：石墨呈,球状,,,3,、灰口铸铁的种类,铸 铁,普通灰铸铁,一、灰铸铁的组织,灰铸铁有铁素体、珠光体、,(,铁素体,+,珠光体,),+,石墨三种基本组织,。,F+

24、,片状石墨,（,F+P,）,+,片状石墨,P+,片状石墨,铸 铁,,由于石墨片对钢基体产生的割裂作用，破坏了钢基体的连续性、完整性，减少了钢基体的有效面积，使其,抗拉强度低于钢、而塑性和韧性近于零，属于脆性材料。,灰铸铁具有非常优良的铸造性能。,二、灰铸铁的性能与应用,,但其抗压强度与钢相近，因此普通灰铸铁广泛用于作承受压力载荷的零件和结构，如,机座、机床床身、轴承,等。,叶轮,,发动机飞轮,,普通灰铸铁,三、灰铸铁的牌号,HT,+,三位数字,，,数字表示最低抗拉强度,。,四、灰铸铁的热处理,如：,HT150,，,HT200,，,HT250,,热处理只能改变基体组织，不能改变石墨的形态和分布，

25、对提高性能效果不大。通常对其进行热处理的方法和目的是：,1,、消除内应力退火：,,2,、高温退火：消除白口组织,,3,、表面淬火：提高表面硬度、耐磨性和疲劳强度。,普通灰铸铁,可锻铸铁,一、生产方法：,先将铸铁浇注成白口铸铁,,,然后进行,高温石墨化退火,,,使渗碳体分解得到,团絮状石墨,。,二、可锻铸铁的组织,可锻铸铁有铁素体和珠光体两种基体。,,铸 铁,三、可锻铸铁的牌号,四、可锻铸铁的性能及应用,可锻铸铁,较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。,可锻铸铁不可锻。,,铁素体可锻铸铁以,“,KT,”,表示，珠光体可锻铸铁以,“,KTZ,”,表示。其后的两组数字表示最低抗拉强度和延伸率

26、。,,如：,KT350-10,、,KTZ600-3,可锻铸铁的牌号和机械性能,,可锻铸铁,球墨铸铁,一、生产方法：,在浇注前向铁水中加入一定量的球化剂而直接获得球状石墨,,,得到球墨铸铁,.,二、球墨铸铁的组织,铸 铁,三、,球墨铸铁,的牌号,四、球墨铸铁的和机械性能,,用,“,QT,”,标明，其后两组数值表示最低抗拉强度和延伸率。,QT420-10,、,QT600-2,、,QT800-2,如,:,,,,,,,,机械性能,,,,,,牌号,基体,,b,,,MPa,,0.2,,,MPa,,5,,,%,a,k,,,kJ/m,2,HB,应 用 举 例,QT400-17,铁素体,400,2

27、50,17,600,≤,179,汽车、拖拉机床底盘零件；,16-64,大气压阀门的阀体、阀盖,QT420-10,铁素体,420,270,10,300,≤,207,,QT500-5,铁素体,+,,球光体,500,350,5,－,147,～,241,机油泵齿轮,QT600-2,球光体,600,420,2,－,2297,～,302,柴油机、汽油机曲轴；磨床、铣床、车床的主轴；空压机、冷冻机缸体、缸套,QT700-2,球光体,700,490,2,－,2297,～,302,,QT800-2,球光体,800,560,2,－,2417,～,321,,球墨铸铁,六、球墨铸铁调质和正火后的组织性能,,,机械性能

28、,,,,热处理工艺,,,显微组织,σ,b,,,MPa,,5,,,%,a,k,,,kJ/m,2,,HB,调质,: 980℃,退火后,,,,900℃,油淬,,+ 580℃,回火,回火索氏体,,+,石墨,,,,800,～,1000,,,,1.7,～,2.7,,,,260,～,320,,,,240,～,340,正火,: 980℃,退火后,,,,,900℃,正火,,+ 580℃,去应力退火,珠光体,+,,5%,铁素体,,+,石墨,,,,700,,,,2.5,,,,100,,,,317,～,321,,五、球墨铸铁的应用,具有与钢相近的力学性能，可代替钢和合金钢使用。,球墨铸铁管道接口,,球墨铸铁,蠕墨铸

29、铁,,一、生产方法：,,在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂而炼成的，其方法与程序与球墨铸铁基本相同。,,二、,蠕墨,铸铁的组织,蠕墨铸铁的石墨具有介于片状和球状之间的中间形态，其石墨片的长厚比较小，端部较钝。,呈,蠕虫状。,铸 铁,蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料。它的强度接近于球墨铸铁，并且有一定的韧性、较高的耐磨性；同时又有和灰口铸铁一样的良好的铸造性能和导热性。,,三、蠕墨铸铁的牌号、性能和应用,,蠕墨铸铁以,“,RuT,”,表示，其后的数字表示最低抗拉强度。,,RuT300,、,RuT420,,如：,蠕墨铸铁已成功地用于高层建筑中高压热交换器、内燃机汽缸和缸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸件。,,牌号,：,性能,：,应用,：,排气管,,进气管,,蠕墨铸铁,特殊性能铸铁,,在铸铁中加入某些合金元素，得到一些具有各种特殊性能的合金铸铁。,,1,、耐磨铸铁（加铬）,2,、,耐热铸铁,,（,Al,、,Si,、,Cr,,）,扇形扩散器,托架,衬板,弯管,铸 铁,石墨呈片状,特殊性能铸铁,石墨呈团絮状,石墨呈球状,特殊性能铸铁,石墨呈蠕虫状,特殊性能铸铁,