工程材料及熱加工碳鋼和鑄鐵

工程材料及熱加工碳鋼和鑄鐵第1頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一鋼鐵材料通常包括鋼和鑄鐵，即指所有Fe—C基合金。其中鋼又分為碳(素)鋼和合金鋼。Fe—C基合金自身的結(jié)構(gòu)特性和其成分的可調(diào)性使得鋼鐵材料的性能具有多樣性，是目前各行各業(yè)尤其是機(jī)械工業(yè)中不可缺少的基礎(chǔ)材料。而鋼材由于冶煉質(zhì)量高，綜合性能更好，價格便宜，應(yīng)用面廣。其中又以碳(素)鋼應(yīng)用最為廣泛，它是各種機(jī)器零件和結(jié)構(gòu)的主要材料。為了在生產(chǎn)上合理選擇、正確使用各種鋼鐵材料，必須簡要的了解我國鋼鐵材料的分類、編號和用途，以及一些雜質(zhì)元素對鋼鐵材料的影響。第2頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一一、碳鋼1、鋼中常存雜質(zhì)元素的影響

常用的鋼材中除Fe、C元素外，還含有極少量的由原料，冶煉及加工過程中遺留下來的Mn、Si、P、S等雜質(zhì)元素，這些元素對鋼的性能有一定的影響。1.1Mn的影響（一般認(rèn)為有益）來源：生鐵、脫氧劑作用：固溶強(qiáng)化F；形成合金滲碳體；形成MnS。1.2Si的影響（一般認(rèn)為有益）來源：生鐵、脫氧劑作用：固溶強(qiáng)化F，使鋼的強(qiáng)度、硬度、彈性均提高，塑性、韌性均下降。1.3S的影響（認(rèn)為有害，嚴(yán)加控制）來源：生鐵、燃料作用：熱脆（FeS—Fe共晶體，晶界，985℃）對策：加Mn好處：易切削鋼（斷屑、潤滑）第3頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一1.4P的影響（認(rèn)為有害，嚴(yán)加控制）來源：生鐵作用：冷脆（使室溫下鋼的塑性、韌性急劇下降，并使脆性轉(zhuǎn)變溫度有所升高，使鋼變脆）好處：炮彈用鋼，改善切削性1.5H的影響（認(rèn)為有害，嚴(yán)加控制）來源：爐料、空氣潮濕、澆注系統(tǒng)帶有水分作用：氫脆（塑性下降、脆性提高）

白點（引起大量的裂紋，使斷面收縮率、沖擊韌性下降）1.6O的影響（認(rèn)為有害，嚴(yán)加控制）作用：形成非金屬夾雜物1.7非金屬夾雜物的影響（認(rèn)為有害，嚴(yán)加控制）來源：爐渣、耐火材料、反應(yīng)產(chǎn)物作用：降低鋼的力學(xué)性能（塑性、韌性、疲勞極限）使材料各向異性第4頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一2、鋼的分類2.1按冶煉方法分：平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼、電爐鋼2.2按脫氧方法分：沸騰鋼F、半鎮(zhèn)靜鋼Z、鎮(zhèn)靜鋼b、特殊鎮(zhèn)靜鋼TZ2.3按冶金質(zhì)量分：主要是以鋼中的有害雜質(zhì)硫、磷的含量不同進(jìn)行區(qū)分：普通質(zhì)量鋼wP(0.045%）,wS(0.045%）優(yōu)質(zhì)鋼wP(0.035%），wS(0.035%）高級優(yōu)質(zhì)鋼wP(0.025%），wS(0.030%）特級優(yōu)質(zhì)鋼wP(0.015%），wS(0.025%）2.4按含碳量分：低碳鋼（含碳量小于0.25%）中碳鋼（含碳量為0.25~0.6%）高碳鋼（含碳量大于0.6%）。第5頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一2.5按用途分：結(jié)構(gòu)鋼：用于制作工程結(jié)構(gòu)和制造機(jī)器零件。工程結(jié)構(gòu)用鋼也叫工程構(gòu)件用鋼，又可分為建筑用鋼,橋梁用鋼,船舶用鋼及車輛和壓力容器用鋼等,。機(jī)器零件用鋼一般用優(yōu)質(zhì)或高級優(yōu)質(zhì)鋼制作，主要包括滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、彈簧鋼和軸承鋼等。工具鋼：用于制造各種加工和測量工具，按用途可分為刃具鋼、模具鋼和量具鋼。特殊性能鋼：具有特殊的物理化學(xué)性能，可分為不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼和耐寒鋼等。2.6按供貨態(tài)分：退火態(tài)、正火態(tài)第6頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一3、碳素結(jié)構(gòu)鋼這類鋼雜質(zhì)和非金屬夾雜物多，但冶煉容易，工藝性好，價格低廉，故普遍使用。碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用于一般結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，產(chǎn)品有熱軋鋼板、鋼帶、型鋼、棒鋼，可供焊接、鉚接、拴結(jié)構(gòu)用。一般在供貨狀態(tài)下使用。（非熱處理鋼）該類鋼牌號表示方法是由代表屈服點的字母（Q），屈服強(qiáng)度數(shù)值（MPa值），質(zhì)量等級符號（A，B，C，D）及脫氧方法符號（F，b，Z，TZ）等四部分按順序組成。質(zhì)量等級符號表示普碳鋼中雜質(zhì)硫磷含量的高低，A，B，C，D質(zhì)量依次提高。如Q235-A.F，表示屈服強(qiáng)度數(shù)值為235MPa的A級沸騰鋼。第7頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第8頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第9頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一4、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼這類鋼與碳素結(jié)構(gòu)鋼相比，有害雜質(zhì)和非金屬夾雜物含量較少，塑性韌性較高多用于制造重要零件。這類鋼出廠時既要保證化學(xué)成分又要保證力學(xué)性能，是一種熱處理鋼。該類鋼的牌號用鋼中平均含碳量的兩位數(shù)字表示，單位為萬分之一。如鋼號45，表示平均含碳量為0.45%的鋼，這是正常含錳量（按雜質(zhì)含量）的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的鋼號表示方法。對含錳量較高的鋼，須將錳元素標(biāo)出。所謂較高含錳量是指含碳量大于0.6%、含錳量在(0.9~1.2)%者及含碳量小于0.6%、含錳量(0.7~1.0)%者，數(shù)字后面附加化學(xué)元素符號“Mn”。例如鋼號25Mn，表示平均含碳量為0.25%而含錳量為(0.7~1.0)%的鋼。用途第10頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一5、碳素工具鋼這類鋼是含碳量為0.65﹪～1.35﹪碳素鋼，主要用于制造各種小型工具，可進(jìn)行淬火、低溫回火獲得高硬度和高耐磨性。分為優(yōu)質(zhì)級和高級優(yōu)質(zhì)級(A)兩類。碳素工具鋼是在鋼號前加“T”表示，其后跟以表示鋼中平均含碳量的千分之幾的數(shù)字。如平均含碳量為0.8%的工具鋼，其鋼號記為“T8”。含錳量較高者須在鋼號后標(biāo)以“Mn”。若為高級優(yōu)質(zhì)碳素工具鋼則在鋼號末端加“A”，如T10A。隨含碳量的增大，硬度耐磨性增大，韌性下降。第11頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第12頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一6、鑄造碳素鋼用鑄造方法澆注成型鑄件所用的鋼稱為鑄造碳素鋼，其含碳量一般在0.15﹪～0.60﹪之間。主要用于制造形狀復(fù)雜，難以鍛造，而且要求具有高強(qiáng)度韌性的零件。鑄造工藝性差，易出現(xiàn)澆不足，縮孔，晶粒粗大等缺陷。鑄造碳素鋼是在鋼號前加“ZG”表示，其后跟的第一組數(shù)字表示屈服強(qiáng)度(Mpa)，第二組數(shù)字表示抗拉強(qiáng)度(Mpa)。如：ZG200—400第13頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一二、鑄鐵1、概述成分：鑄鐵是含碳量大于2.11%的鐵碳合金，其主要組成元素為鐵、碳、硅和一定量的錳，而硫磷等雜質(zhì)的含量也比普通碳鋼要高。工業(yè)上常用鑄鐵的成份范圍大致為：C(2.5~4.0)%、Si(1.0~3.0)%、Mn(0.5~1.4)%、P(0.01~0.5)%、S(0.02~0.20)%等，還可以加入一定量的合金元素以改善和提高鑄鐵的力學(xué)及物理化學(xué)性能。性能：鑄鐵是人類社會最早使用的金屬材料之一，但由于鑄鐵成本低廉，生產(chǎn)工藝簡單并具有優(yōu)良的鑄造性能和切削加工性能，有很高的耐磨減摩性和消震性以及低的缺口敏感性等，使其目前仍然是機(jī)械制造業(yè)中最重要的材料之一。例如，機(jī)床的床身、床頭箱、尾架、內(nèi)燃機(jī)的氣缸體、缸套、活塞環(huán)以及凸輪軸、曲軸等都是鑄鐵制造的。在農(nóng)用機(jī)械、汽車、拖拉機(jī)、機(jī)床等行業(yè)中，鑄鐵件約占總重量的(40~90)%。但其強(qiáng)度、韌性、塑性較差，不易進(jìn)行鍛造。第14頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一2、鑄鐵的石墨化第15頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一3、鑄鐵的分類根據(jù)鑄鐵石墨化程度的不同分：白口鑄鐵：碳完全以碳化物的形式存在。性能硬脆，斷口白亮，工業(yè)上很少應(yīng)用，主要作煉鋼原料。麻口鑄鐵：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，斷口黑白相間，工業(yè)上很少應(yīng)用。灰口鑄鐵：碳完全以石墨的形式存在。斷口暗灰色，應(yīng)用廣泛。根據(jù)石墨結(jié)晶形態(tài)的不同分：灰口鑄鐵：石墨呈片狀球墨鑄鐵：石墨呈球狀蠕墨鑄鐵：石墨呈蠕蟲狀可鍛鑄鐵：石墨呈團(tuán)絮狀根據(jù)化學(xué)成分的不同分：普通鑄鐵、合金鑄鐵第16頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一4、灰口鑄鐵4.1灰口鑄鐵的成分、組織、性能和用途灰鑄鐵的成分大致范圍為：(2.5~4.0)%C，(1.0~3.0)%Si，(0.25~1.0)%Mn，(0.02~0.20)%S，(0.05~0.50)%P。具有上述成分范圍的鑄鐵水當(dāng)緩慢冷卻結(jié)晶時，將發(fā)生石墨化，且析出片狀石墨。其斷口的外貌呈淺灰色，故稱為灰口鑄鐵（灰鐵）。組織特征：普通灰鑄鐵的組織是有片狀石墨和鋼的基體組成，其片狀石墨形態(tài)或直或彎且不連續(xù)。鋼的基體根據(jù)石墨化進(jìn)程不同可以是F、F+P或P三種，其顯微組織如圖所示。第17頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一與普通鋼材相比，灰鑄鐵具有如下性能特征：①機(jī)械性能低：灰鑄鐵的抗拉強(qiáng)度低，這是由灰鑄鐵的組織特征決定的，其組織中的低性能石墨,實際上就相當(dāng)于布滿于材料內(nèi)的孔洞或裂紋，在受載時其對鋼基體有很強(qiáng)的分割和應(yīng)力集中效應(yīng)，大大降低了材料的強(qiáng)度和塑性。②優(yōu)異的耐磨性和消震性：鑄鐵中的石墨因其層狀結(jié)構(gòu)而有潤滑作用，而當(dāng)?shù)蛷?qiáng)度的石墨磨損后留下的空隙有利于貯油，從而使灰鐵的耐磨性好；同樣石墨的存在使灰鐵的有較好的消震性。③工藝性能好：

鑄造性：灰鑄鐵的成分接近于相圖中的共晶成分點，熔點較低，使材料在鑄造時流動性好，分散縮孔少，能制造復(fù)雜形狀的零件；切削性：而石墨的潤滑效應(yīng)和斷屑作用有利于材料的切削加工。牌號：“HT”表示“灰鐵”二字的漢語拼音大寫字首，“HT”后的數(shù)字表示鑄鐵的最低抗拉強(qiáng)度值。如HT200表示最低抗拉強(qiáng)度為200MPa的灰鑄鐵。第18頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第19頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一4.2灰口鑄鐵的熱處理灰口鑄鐵的熱處理只能改變其基體組織，不能改變石墨的形態(tài)和分布，即熱處理不能顯著改善灰鑄鐵的力學(xué)性能。熱處理主要用來消除鑄件的內(nèi)應(yīng)力，穩(wěn)定尺寸，消除白口組織和提高鑄鐵的表面性能。①去應(yīng)力退火：鑄件在鑄造冷卻過程中由于形狀尺寸不均容易造成內(nèi)應(yīng)力，可能會導(dǎo)致鑄件的翹曲開裂，因此為保證尺寸穩(wěn)定和防止變形開裂，對一些形狀復(fù)雜的鑄件如機(jī)床床身，柴油機(jī)汽缸等，常常要進(jìn)行去應(yīng)力退火（又稱人工時效）。工藝規(guī)范一般為：隨爐緩慢加熱至(500~550)℃，保溫一段時間（每10mm的有效厚度保溫2h）后，隨爐緩冷至(150~200)℃出爐空冷。②消除白口退火：灰鑄鐵表面及一些薄截面處，在冷卻時易產(chǎn)生白口，增加了表面硬度和切削加工困難，需要退火消除之。其工藝規(guī)范為：厚壁鑄件：緩慢加熱至(850~950)(C保溫(2~3)h薄壁鑄件：緩慢加熱至(800~900)(C保溫(2~5)h第20頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一冷卻方式要根據(jù)材料的使用性能要求而定，如果主要是為了減低硬度改善切削加工性能，可采用爐冷至400~500℃出爐空冷；若要保持鑄件表面的耐磨性，則可采用直接空冷得到珠光體基的灰口鐵③表面淬火：為了提高某些鑄件的表面硬度，可對鑄鐵進(jìn)行表面淬火。常用的方法有高（中）頻感應(yīng)加熱表面淬火，還可用火焰加熱，激光加熱，等離子加熱和電接觸加熱等新型表面淬火方法。例如，機(jī)床導(dǎo)軌用高（中）頻淬火時，表面基體淬硬層深度約為1.1~2.5（3~4）mm，硬度為HRC50。第21頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一5、球墨鑄鐵（球鐵）5.1球墨鑄鐵的成分、組織、性能和用途石墨呈球狀的鑄鐵即為球墨鐵鑄，簡稱球鐵。它比普通灰鑄鐵具有高得多的強(qiáng)度、塑性和韌性，同時較好地保留了普通灰鑄鐵具有耐磨、消震、減磨、易切削、好的鑄造性能和對缺口不敏感等特性。它比可鍛鑄鐵的力學(xué)性能也更高，且產(chǎn)生工藝簡單，周期短，不受鑄件尺寸限制。此外，球鐵與鋼相同，可進(jìn)行各種熱處理改變金屬基體的組織，能使力學(xué)性能大大提高。所以球鐵是最重要的鑄造金屬材料。球鐵是液體鐵水經(jīng)球化處理及孕育處理后結(jié)晶而獲得。常用球化劑有鎂、稀土或稀土鎂；孕育劑常用的是硅鐵和硅鈣。球鐵的大致化學(xué)成分如下：(3.8~4.0)%C，(2.0~2.8)%Si，(0.6~0.8)%Mn，S<0.04%，P<0.1%，(0.03~0.08)%Mg。牌號：“QT”代表球鐵二字的漢語拼音字頭，后面的第一組數(shù)字代表該鑄鐵的最低抗拉強(qiáng)度值，第二組數(shù)字代表其最低延伸率值。例如：QT400－18

第22頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一球墨鑄鐵的組織特征：球鐵的顯微組織由球形石墨和金屬基體兩部分組成。隨著成分和冷速的不同，球鐵在鑄態(tài)下的金屬基體可分為鐵素體，鐵素體+珠光體和珠光體三種。在光學(xué)顯微鏡下觀察，石墨的外觀接近于球形，但在電子顯微鏡下觀察到球形石墨實際上是由許多倒錐形的石墨晶體所組成的一個多面體。第23頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一球墨鑄鐵的性能特點：與灰鑄鐵相比，球墨鑄鐵具有較高的抗拉強(qiáng)度和彎曲疲勞極限，也具有相當(dāng)良好的塑性、韌性及耐磨性，球鐵是力學(xué)性能最好的鑄鐵。這是由于球形石墨對金屬基體截面削弱作用較小，使得基體比較連續(xù)，且在拉伸時引起應(yīng)力集中的效應(yīng)明顯減弱，從而使基體的作用可以從灰鑄鐵的(30~50)%提高到(70~90)%；另外，球鐵的剛性也較灰鑄鐵好，但球鐵的消震能力比灰鑄鐵低很多。優(yōu)異的力學(xué)性能使球鐵可用于制造承載較大，受力復(fù)雜的機(jī)器零件。如鐵素體球鐵常用于制造受壓閥門、機(jī)器底座、減速器殼等；珠光體球鐵常用于制作汽車、拖拉機(jī)的曲軸、連桿、凸輪軸及機(jī)床主軸、蝸輪蝸桿、軋鋼機(jī)輥、缸套、活塞等重要零件；下貝氏體球鐵可制造汽車拖拉機(jī)的蝸輪、傘齒輪等。第24頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一第25頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一5.2球墨鑄鐵的熱處理球鐵中金屬基體是決定球鐵機(jī)械性能的主要因素，所以像鋼一樣，球鐵可通過合金化和熱處理強(qiáng)化的辦法進(jìn)一步提高它的機(jī)械性能。球鐵的熱處理方法主要有退火、正火、淬火及回火、等溫淬火和表面熱處理。第26頁，共29頁，2023年，2月20日，星期一6、可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵是由一定成分的白口鐵經(jīng)過可鍛化（石墨化）退火而獲得的具有團(tuán)絮狀石墨的鑄鐵。其大致成分范圍為：(2.4~2.7)%C，(1.4~1.8)%Si，(0.5~0.7)%Mn，＜0.008%P，＜0.025%S；同時為縮短石墨化退火周期，還往往向鑄鐵中加入B、Al、Bi等孕育劑（可縮短一半多時間）。牌號：“KTH”和“KT