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1、工程材料及热加工碳钢和铸铁第1页，本讲稿共29页 钢铁材料通常包括钢和铸铁，即指所有FeC基合金。其中钢又分为碳(素)钢和合金钢。FeC基合金自身的结构特性和其成分的可调性使得钢铁材料的性能具有多样性，是目前各行各业尤其是机械工业中不可缺少的基础材料。而钢材由于冶炼质量高，综合性能更好，价格便宜，应用面广。其中又以碳(素)钢应用最为广泛，它是各种机器零件和结构的主要材料。为了在生产上合理选择、正确使用各种钢铁材料，必须简要的了解我国钢铁材料的分类、编号和用途，以及一些杂质元素对钢铁材料的影响。第2页，本讲稿共29页一、碳钢1、钢中常存杂质元素的影响 常用的钢材中除Fe、C元素外，还含有极少量的
2、由原料，冶炼及加工过程中遗留下来的Mn、Si、P、S等杂质元素，这些元素对钢的性能有一定的影响。1.1 Mn的影响（一般认为有益）来源：生铁、脱氧剂作用：固溶强化F；形成合金渗碳体；形成MnS。1.2 Si的影响（一般认为有益）来源：生铁、脱氧剂作用：固溶强化F，使钢的强度、硬度、弹性均提高，塑性、韧性均下降。1.3 S的影响（认为有害，严加控制）来源：生铁、燃料作用：热脆（FeS Fe 共晶体，晶界，985）对策：加Mn好处：易切削钢（断屑、润滑）第3页，本讲稿共29页1.4 P的影响（认为有害，严加控制）来源：生铁作用：冷脆（使室温下钢的塑性、韧性急剧下降，并使脆性转变温度有所升高，使钢变
3、脆）好处：炮弹用钢，改善切削性1.5 H的影响（认为有害，严加控制）来源：炉料、空气潮湿、浇注系统带有水分作用：氢脆（塑性下降、脆性提高）白点（引起大量的裂纹，使断面收缩率、冲击韧性下降）1.6 O的影响（认为有害，严加控制）作用：形成非金属夹杂物1.7非金属夹杂物的影响（认为有害，严加控制）来源：炉渣、耐火材料、反应产物作用：降低钢的力学性能（塑性、韧性、疲劳极限）使材料各向异性第4页，本讲稿共29页2、钢的分类2.1按冶炼方法分：平炉钢、转炉钢、电炉钢2.2按脱氧方法分：沸腾钢F、半镇静钢Z、镇静钢b、特殊镇静钢TZ2.3按冶金质量分：主要是以钢中的有害杂质硫、磷的含量不同进行区分：普通质
4、量钢 wP(0.045%）,wS(0.045%）优质钢 wP(0.035%），wS(0.035%）高级优质钢 wP(0.025%），wS(0.030%）特级优质钢 wP(0.015%），wS(0.025%）2.4按含碳量分：低碳钢（含碳量小于0.25%）中碳钢（含碳量为0.250.6%）高碳钢（含碳量大于0.6%）。第5页，本讲稿共29页2.5 按用途分：结构钢：用于制作工程结构和制造机器零件。1)工程结构用钢也叫工程构件用钢，又可分为建筑用钢,桥梁用钢,船舶用钢及车辆和压力容器用钢等,。2)机器零件用钢一般用优质或高级优质钢制作，主要包括渗碳钢、调质钢、弹簧钢和轴承钢等。工具钢：用于制造各种
5、加工和测量工具，按用途可分为刃具钢、模具钢和量具钢。特殊性能钢：具有特殊的物理化学性能，可分为不锈钢、耐热钢、耐磨钢和耐寒钢等。2.6 按供货态分：退火态、正火态第6页，本讲稿共29页3、碳素结构钢这类钢杂质和非金属夹杂物多，但冶炼容易，工艺性好，价格低廉，故普遍使用。碳素结构钢主要用于一般结构和构件，产品有热轧钢板、钢带、型钢、棒钢，可供焊接、铆接、拴结构用。一般在供货状态下使用。（非热处理钢）该类钢牌号表示方法是由代表屈服点的字母（Q），屈服强度数值（MPa值），质量等级符号（A，B，C，D）及脱氧方法符号（F，b，Z，TZ）等四部分按顺序组成。质量等级符号表示普碳钢中杂质硫磷含量的高低，
6、A，B，C，D质量依次提高。如Q235-A.F，表示屈服强度数值为235MPa的A级沸腾钢。第7页，本讲稿共29页第8页，本讲稿共29页第9页，本讲稿共29页4、优质碳素结构钢这类钢与碳素结构钢相比，有害杂质和非金属夹杂物含量较少，塑性韧性较高多用于制造重要零件。这类钢出厂时既要保证化学成分又要保证力学性能，是一种热处理钢。该类钢的牌号用钢中平均含碳量的两位数字表示，单位为万分之一。如钢号45，表示平均含碳量为0.45%的钢，这是正常含锰量（按杂质含量）的优质碳素结构钢的钢号表示方法。对含锰量较高的钢，须将锰元素标出。所谓较高含锰量是指含碳量大于0.6%、含锰量在(0.91.2)%者及含碳量小
7、于0.6%、含锰量(0.71.0)%者，数字后面附加化学元素符号“Mn”。例如钢号25Mn，表示平均含碳量为0.25%而含锰量为(0.71.0)%的钢。用途第10页，本讲稿共29页5、碳素工具钢这类钢是含碳量为0.651.35 碳素钢，主要用于制造各种小型工具，可进行淬火、低温回火获得高硬度和高耐磨性。分为优质级和高级优质级(A)两类。碳素工具钢是在钢号前加“T”表示，其后跟以表示钢中平均含碳量的千分之几的数字。如平均含碳量为0.8%的工具钢，其钢号记为“T8”。含锰量较高者须在钢号后标以“Mn”。若为高级优质碳素工具钢则在钢号末端加“A”，如T10A。随含碳量的增大，硬度耐磨性增大，韧性下降
8、。第11页，本讲稿共29页第12页，本讲稿共29页6、铸造碳素钢用铸造方法浇注成型铸件所用的钢称为铸造碳素钢，其含碳量一般在0.150.60 之间。主要用于制造形状复杂，难以锻造，而且要求具有高强度韧性的零件。铸造工艺性差，易出现浇不足，缩孔，晶粒粗大等缺陷。铸造碳素钢是在钢号前加“ZG”表示，其后跟的第一组数字表示屈服强度(Mpa)，第二组数字表示抗拉强度(Mpa)。如：ZG200400第13页，本讲稿共29页二、铸铁1、概述成分：铸铁是含碳量大于2.11%的铁碳合金，其主要组成元素为铁、碳、硅和一定量的锰，而硫磷等杂质的含量也比普通碳钢要高。工业上常用铸铁的成份范围大致为：C(2.54.0
9、)%、Si(1.03.0)%、Mn(0.51.4)%、P(0.010.5)%、S(0.020.20)%等，还可以加入一定量的合金元素以改善和提高铸铁的力学及物理化学性能。性能：铸铁是人类社会最早使用的金属材料之一，但由于铸铁成本低廉，生产工艺简单并具有优良的铸造性能和切削加工性能，有很高的耐磨减摩性和消震性以及低的缺口敏感性等，使其目前仍然是机械制造业中最重要的材料之一。例如，机床的床身、床头箱、尾架、内燃机的气缸体、缸套、活塞环以及凸轮轴、曲轴等都是铸铁制造的。在农用机械、汽车、拖拉机、机床等行业中，铸铁件约占总重量的(4090)%。但其强度、韧性、塑性较差，不易进行锻造。第14页，本讲稿共
10、29页2、铸铁的石墨化第15页，本讲稿共29页3、铸铁的分类根据铸铁石墨化程度的不同分：白口铸铁：碳完全以碳化物的形式存在。性能硬脆，断口白亮，工业上很少应用，主要作炼钢原料。麻口铸铁：碳部分以碳化物的形式存在，部分以石墨的形式存在。性能硬脆，断口黑白相间，工业上很少应用。灰口铸铁：碳完全以石墨的形式存在。断口暗灰色，应用广泛。根据石墨结晶形态的不同分：灰口铸铁：石墨呈片状球墨铸铁：石墨呈球状蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状可锻铸铁：石墨呈团絮状根据化学成分的不同分：普通铸铁、合金铸铁第16页，本讲稿共29页4、灰口铸铁4.1灰口铸铁的成分、组织、性能和用途灰铸铁的成分大致范围为：(2.54.0)%C，
11、(1.03.0)%Si，(0.251.0)%Mn，(0.020.20)%S，(0.050.50)%P。具有上述成分范围的铸铁水当缓慢冷却结晶时，将发生石墨化，且析出片状石墨。其断口的外貌呈浅灰色，故称为灰口铸铁（灰铁）。组织特征：普通灰铸铁的组织是有片状石墨和钢的基体组成，其片状石墨形态或直或弯且不连续。钢的基体根据石墨化进程不同可以是F、F+P或P三种，其显微组织如图所示。第17页，本讲稿共29页与普通钢材相比，灰铸铁具有如下性能特征：机械性能低：灰铸铁的抗拉强度低，这是由灰铸铁的组织特征决定的，其组织中的低性能石墨,实际上就相当于布满于材料内的孔洞或裂纹，在受载时其对钢基体有很强的分割和应
12、力集中效应，大大降低了材料的强度和塑性。优异的耐磨性和消震性：铸铁中的石墨因其层状结构而有润滑作用，而当低强度的石墨磨损后留下的空隙有利于贮油，从而使灰铁的耐磨性好；同样石墨的存在使灰铁的有较好的消震性。工艺性能好：铸造性：灰铸铁的成分接近于相图中的共晶成分点，熔点较低，使材料在铸造时流动性好，分散缩孔少，能制造复杂形状的零件；切削性：而石墨的润滑效应和断屑作用有利于材料的切削加工。牌号：“HT”表示“灰铁”二字的汉语拼音大写字首，“HT”后的数字表示铸铁的最低抗拉强度值。如HT200表示最低抗拉强度为200MPa的灰铸铁。第18页，本讲稿共29页第19页，本讲稿共29页4.2灰口铸铁的热处理
13、 灰口铸铁的热处理只能改变其基体组织，不能改变石墨的形态和分布，即热处理不能显著改善灰铸铁的力学性能。热处理主要用来消除铸件的内应力，稳定尺寸，消除白口组织和提高铸铁的表面性能。去应力退火：铸件在铸造冷却过程中由于形状尺寸不均容易造成内应力，可能会导致铸件的翘曲开裂，因此为保证尺寸稳定和防止变形开裂，对一些形状复杂的铸件如机床床身，柴油机汽缸等，常常要进行去应力退火（又称人工时效）。工艺规范一般为：随炉缓慢加热至(500550)，保温一段时间（每10mm的有效厚度保温2h）后，随炉缓冷至(150200)出炉空冷。消除白口退火：灰铸铁表面及一些薄截面处，在冷却时易产生白口，增加了表面硬度和切削加
14、工困难，需要退火消除之。其工艺规范为：厚壁铸件：缓慢加热至(850950)(C保温(23)h 薄壁铸件：缓慢加热至(800900)(C保温(25)h第20页，本讲稿共29页 冷却方式要根据材料的使用性能要求而定，如果主要是为了减低硬度改善切削加工性能，可采用炉冷至400500 出炉空冷；若要保持铸件表面的耐磨性，则可采用直接空冷得到珠光体基的灰口铁表面淬火：为了提高某些铸件的表面硬度，可对铸铁进行表面淬火。常用的方法有高（中）频感应加热表面淬火，还可用火焰加热，激光加热，等离子加热和电接触加热等新型表面淬火方法。例如，机床导轨用高（中）频淬火时，表面基体淬硬层深度约为1.12.5（34）mm，
15、硬度为HRC50。第21页，本讲稿共29页5、球墨铸铁（球铁）5.1球墨铸铁的成分、组织、性能和用途 石墨呈球状的铸铁即为球墨铁铸，简称球铁。它比普通灰铸铁具有高得多的强度、塑性和韧性，同时较好地保留了普通灰铸铁具有耐磨、消震、减磨、易切削、好的铸造性能和对缺口不敏感等特性。它比可锻铸铁的力学性能也更高，且产生工艺简单，周期短，不受铸件尺寸限制。此外，球铁与钢相同，可进行各种热处理改变金属基体的组织，能使力学性能大大提高。所以球铁是最重要的铸造金属材料。球铁是液体铁水经球化处理及孕育处理后结晶而获得。常用球化剂有镁、稀土或稀土镁；孕育剂常用的是硅铁和硅钙。球铁的大致化学成分如下：(3.84.0
16、)%C，(2.02.8)%Si，(0.60.8)%Mn，S0.04%，P0.1%，(0.030.08)%Mg。牌号：“QT”代表球铁二字的汉语拼音字头，后面的第一组数字代表该铸铁的最低抗拉强度值，第二组数字代表其最低延伸率值。例如：QT40018 第22页，本讲稿共29页球墨铸铁的组织特征：球铁的显微组织由球形石墨和金属基体两部分组成。随着成分和冷速的不同，球铁在铸态下的金属基体可分为铁素体，铁素体+珠光体和珠光体三种。在光学显微镜下观察，石墨的外观接近于球形，但在电子显微镜下观察到球形石墨实际上是由许多倒锥形的石墨晶体所组成的一个多面体。第23页，本讲稿共29页球墨铸铁的性能特点：与灰铸铁相
17、比，球墨铸铁具有较高的抗拉强度和弯曲疲劳极限，也具有相当良好的塑性、韧性及耐磨性，球铁是力学性能最好的铸铁。这是由于球形石墨对金属基体截面削弱作用较小，使得基体比较连续，且在拉伸时引起应力集中的效应明显减弱，从而使基体的作用可以从灰铸铁的(3050)%提高到(7090)%；另外，球铁的刚性也较灰铸铁好，但球铁的消震能力比灰铸铁低很多。优异的力学性能使球铁可用于制造承载较大，受力复杂的机器零件。如铁素体球铁常用于制造受压阀门、机器底座、减速器壳等；珠光体球铁常用于制作汽车、拖拉机的曲轴、连杆、凸轮轴及机床主轴、蜗轮蜗杆、轧钢机辊、缸套、活塞等重要零件；下贝氏体球铁可制造汽车拖拉机的蜗轮、伞齿轮等
18、。第24页，本讲稿共29页第25页，本讲稿共29页5.2球墨铸铁的热处理 球铁中金属基体是决定球铁机械性能的主要因素，所以像钢一样，球铁可通过合金化和热处理强化的办法进一步提高它的机械性能。球铁的热处理方法主要有退火、正火、淬火及回火、等温淬火和表面热处理。第26页，本讲稿共29页6、可锻铸铁可锻铸铁是由一定成分的白口铁经过可锻化（石墨化）退火而获得的具有团絮状石墨的铸铁。其大致成分范围为：(2.42.7)%C，(1.41.8)%Si，(0.50.7)%Mn，0.008%P，0.025%S；同时为缩短石墨化退火周期，还往往向铸铁中加入B、Al、Bi等孕育剂（可缩短一半多时间）。牌号：“KTH”
19、和“KTZ”分别表示铁素体基体可锻铸铁和珠光体基体可锻铸铁的代号，代号后的第一组数字表示铸铁的最低抗拉强度，第二组数字表示其最低延伸率。如KTZ700-02表示珠光体可锻铸铁，其最低抗拉强度为700MPa，最低延伸率为2%。第27页，本讲稿共29页7、蠕墨铸铁蠕墨铸铁是近几十年来迅速发展起来的新型铸铁材料，它是在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂，凝固结晶后铸铁中的石墨形态介于片状与球状之间，形似蠕虫状。一般成分范围是：(3.53.9)%C，(2.12.8)%Si，(0.40.8)%Mn，P和S均应小于0.1%。牌号：“RuT”表示蠕墨铸铁的代号，代号后的第一组数字表示铸铁的最低抗拉强度。如Ru
20、T420表示蠕墨铸铁，其最低抗拉强度为420MPa。第28页，本讲稿共29页8、特殊性能铸铁8.1耐热铸铁 普通灰铸铁的耐热性较差，只能在小于400(C左右的温度下工作。研究表明，铸铁在高温下的损坏形式，主要是在反复加热冷却过程中相变和氧化引起铸铁的生长和微裂纹形成扩展以致失效；其中铸铁的生长是指其在反复加热冷却时产生的不可逆体积长大现象，其主要原因是由于氧化性气体沿石墨边界或裂纹渗入内部产生内氧化，或铸铁中的渗碳体高温分解为密度小体积大的石墨和铸铁基体的其它组织转变引起的。(1)合金化：表面形成一层致密的稳定性很高的氧化膜 合金化获得单相铁素体或奥氏体基体(2)球化处理或变质处理8.2 耐蚀铸铁8.3耐磨铸铁第29页，本讲稿共29页