化工設(shè)備機(jī)械基礎(chǔ)2碳鋼和鑄鐵課件

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1、晶體與非晶體2、晶格、晶胞

晶格常數(shù)a、b、c；棱邊夾角α、β、γ純金屬的晶體結(jié)構(gòu)1、常見金屬晶體結(jié)構(gòu)（1）體心立方晶格

晶格常數(shù)a=b=c；棱邊夾角α=β=γ=900α-Fe（910℃以下），Cr，W，Mo，V（2）面心立方晶格

晶格常數(shù)a=b=c；棱邊夾角α=β=γ=900γ-Fe（910℃<t<1390℃），Al，Cu，Ag，Au（3）密排六方晶格

晶格常數(shù)c/a=1.663Mg，Zn，Cd，Be致密度：體心立方晶格0.68面心立方、密排六方0.74純金屬的晶體結(jié)構(gòu)2、金屬的同素異晶轉(zhuǎn)變（同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變）晶體缺陷：點(diǎn)缺陷（空位、間隙原子）、線缺陷（刃形位錯(cuò)、螺形位錯(cuò)）、面缺陷（晶界、亞晶界）體心立方體心立方面心立方3、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)螺形位錯(cuò)刃形位錯(cuò)合金的組織結(jié)構(gòu)1、合金

兩種或兩種以上的金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特征的物質(zhì)。2、固溶體：置換固溶體、間隙固溶體分類：二元合金、三元合金；單相合金、多相合金鋼、鑄鐵：鐵碳合金黃銅：Cu-Zn合金硬鋁：Al-Cu-Mg合金固態(tài)合金相結(jié)構(gòu)：固溶體、金屬化合物固溶強(qiáng)化3、金屬化合物：

合金中各組元發(fā)生相互作用而形成的具有金屬特征的新相，如Fe3C

金屬化合物熔點(diǎn)高、性能硬而脆

第二相強(qiáng)化金屬的結(jié)晶1、金屬的結(jié)晶過(guò)程2、晶粒大小與控制措施晶核生成晶核生長(zhǎng)晶粒生成晶粒交叉多晶粒結(jié)構(gòu)細(xì)晶強(qiáng)化如下方法可細(xì)化晶粒：（1）增加過(guò)冷度（2）變質(zhì)處理（3）附加振動(dòng)7.2碳鋼和鑄鐵7.2.1碳鋼與鑄鐵的化學(xué)成分和結(jié)構(gòu)

一、鐵

純鐵塑性極好，強(qiáng)度硬度很低t<910℃,α-Fe體心立方晶格t>910℃,γ-Fe面心立方晶格由95％以上的鐵、0.05～5%碳、1％的其它雜質(zhì)組成一般含C0.02～2.11%為鋼含C<0.02%為純鐵含2.11%<C<4.33%為鑄鐵

二、碳

碳在鐵中有三種存在形式

（1）碳溶解在鐵的晶格中形成固溶體

a、鐵素體（F）：C溶于α-Fe中，C≤0.02%力學(xué)性能與純鐵相當(dāng)，塑性韌性好、強(qiáng)度硬度低

σb=180-280MPab、奧氏體（A）：（723~1147℃）C溶于γ-Fe中，C≤2.11%

塑性韌性好、強(qiáng)度硬度高

σb=400MPa

（2）碳與鐵形成化合物

滲碳體：Fe3C硬度極高，塑性幾乎為零，脆性大

珠光體（P）：C=0.77%

鐵素體、Fe3C的機(jī)械混合物強(qiáng)度較高、硬度適中，塑性韌性較好

σb=770MPa，δ=20-35%形態(tài)——鐵素體、滲碳體交替呈片狀組織

萊氏體（Ld）：C=4.33%（723~1147℃）

奧氏體、Fe3C的機(jī)械混合物硬度高、塑性差、脆性大

低溫萊氏體（L’d）：

（723℃以下）

珠光體、Fe3C的機(jī)械混合物

（3）碳以石墨狀態(tài)存在

7.2.2Fe—Fe3C合金平衡相圖亞共析鋼過(guò)共析鋼過(guò)共晶白口鐵亞共晶白口鐵工業(yè)純鐵共析鋼共晶白口鐵Fe—Fe3C合金平衡相圖縱坐標(biāo)：合金溫度橫坐標(biāo)：鐵碳合金中的含碳量G點(diǎn)：純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變點(diǎn)A點(diǎn)：鐵的熔點(diǎn)共析鋼：C=0.77%，珠光體（Fe3C為12%，鐵素體為88%）亞共析鋼：C<0.77%，鐵素體+珠光體過(guò)共析鋼：C>0.77%，珠光體+Fe3C共晶白口鐵：C=4.33%，萊氏體亞共晶白口鐵：C<4.33%，珠光體+Fe3C+萊氏體過(guò)共晶白口鐵：C>4.33%，F(xiàn)e3C+萊氏體純鐵亞共析鋼：15鐵素體+珠光體亞共析鋼：45鐵素體+珠光體亞共析鋼：65鐵素體+珠光體共析鋼珠光體過(guò)共析鋼珠光體+Fe3C（白網(wǎng)）過(guò)共析鋼珠光體+Fe3C（黑網(wǎng)）亞共晶白口鐵珠光體+Fe3C+低溫萊氏體共晶白口鐵萊氏體過(guò)共晶白口鐵低溫萊氏體+

Fe3C鐵碳平衡狀態(tài)圖的應(yīng)用（1）選材方面的應(yīng)用建筑型鋼：良好塑性、韌性，選用C<0.25%的低碳鋼軸、齒輪：兼有高的強(qiáng)度、塑性和韌性，選用C=0.30~0.55%的中碳鋼

工具鋼：高強(qiáng)度，耐磨，選用選用C=0.70~1.2%的高碳鋼a、鑄造方面的應(yīng)用多選用共晶成分的鑄鐵，澆注溫度液相線以上50~100℃b、壓力加工方面的應(yīng)用鍛造、熱軋應(yīng)選在單相奧氏體的高溫范圍內(nèi)進(jìn)行鍛：1150~1250℃；軋：750~850℃c、熱處理方面的應(yīng)用（2）在制定熱加工工藝方面的應(yīng)用7.2.3碳素鋼按化學(xué)成分的不同，鋼可分為碳素鋼和合金鋼，碳素鋼在實(shí)際使用中占90%，合金鋼僅占10%。

常用碳鋼中，一般含碳量約為0.05~1.4%一、碳及其常存雜質(zhì)對(duì)鋼材性能的影響C：鋼中主要元素，含量↑，鋼的強(qiáng)度和硬度↑，塑性和韌性↓；C>0.9%時(shí)，強(qiáng)度反而降低；S：有害元素，煉鋼礦石、燃料帶入，與鐵形成FeS（熔點(diǎn)985℃），熱脆；P：有害元素，煉鋼礦石帶入，P使強(qiáng)度硬度增加但塑性沖擊韌性降低，冷脆；Mn：有益元素，脫氧劑，提高Si、Al脫氧效果，脫氧除硫，Mn和S生成高熔點(diǎn)（1600℃）的MnS，消除S的有害作用,降低鋼的脆性；Mn能溶入鐵素體引起固溶強(qiáng)化，提高鋼材的強(qiáng)度和硬度；Mn=0.25~0.8%；Si：脫氧劑，提高鋼材的強(qiáng)度和硬度，增大鋼液流動(dòng)性；Si≤0.4%；O:有害元素,以FeO,SiO2等形式存在，降低鋼的強(qiáng)度和塑性。二、碳鋼1、分類按冶煉方式：沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼（壓力容器用）、半鎮(zhèn)靜鋼；按質(zhì)量等級(jí)：普通鋼（S≤0.050%，P≤0.085%）優(yōu)質(zhì)鋼（S≤0.035%，P≤0.04%）高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼（S≤0.025%，P≤0.025%）按用途分：建筑鋼、結(jié)構(gòu)鋼、彈簧鋼、軸承鋼、工具鋼、特殊性能鋼

（如不銹鋼、耐熱鋼等）合金鋼碳素鋼低碳鋼（含碳量<0.25％）中碳鋼（含碳量＝0.30～0.55％）高碳鋼（含碳量>0.6％）低合金鋼（合金元素含量<5%)中合金鋼（合金元素含量5～10%)高合金鋼（合金元素含量>10%)按化學(xué)成分沸騰鋼只加入弱脫氧劑Mn，鋼中含氧量為0.03～0.07%，在澆注時(shí)發(fā)生FeO+C=Fe+CO↑反應(yīng)，產(chǎn)生類似沸騰的現(xiàn)象。2.碳鋼的編號(hào)（1）普通碳素鋼：含S≤0.050％，P≤0.085%普通碳素結(jié)構(gòu)鋼按GB700－88規(guī)定：鋼的牌號(hào)由代表屈服點(diǎn)的字母Q、屈服強(qiáng)度值、質(zhì)量等級(jí)符號(hào)、脫氧方法符號(hào)等四部分組成。共有5個(gè)鋼號(hào)：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275。Q235-A·F脫氧方法：沸騰鋼F，半鎮(zhèn)靜鋼b，鎮(zhèn)靜鋼Z和特殊鎮(zhèn)靜鋼TZ；Z和TZ可省略質(zhì)量等級(jí)：A、B、C、D，D級(jí)最高，A級(jí)最低屈服極限σs，MPa屈服極限“屈”的漢語(yǔ)拼音首位字母（2）優(yōu)質(zhì)碳素鋼：含S、P均≤0.035％

按GB/T699-1999規(guī)定：采用阿拉伯?dāng)?shù)字表示（含碳量的萬(wàn)分之幾），共31個(gè)鋼號(hào)。分為兩類：普通含錳量（含Mn0.35~0.65%)，較高含錳量（含Mn0.7~1.0%）。

類號(hào)鋼號(hào)沸騰鋼08F 10F 15F普通含錳08 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85較高含錳

15Mn20Mn25Mn30Mn35Mn40Mn 45Mn50Mn60Mn65Mn70Mn專門用途的鋼材：鍋爐用鋼：“g”容器用鋼：“R”Q235-AR，20g，22g，16MnR，20R（3）高級(jí)優(yōu)質(zhì)碳鋼：硫、磷含量均≤0.03％。其表示方法是在優(yōu)質(zhì)鋼鋼號(hào)后面加“A”，如20A。鑄鋼：ZG200-400

σs

σ

b

3.碳鋼的性能制造工藝性能：可鑄造、鍛壓、焊接及切削等冷、熱加工；耐蝕性：較差。耐濃硫酸、濃度<30％的稀堿。4.品種鋼板：專用鋼板20R、20g，非專用鋼板Q215（A、B）、Q235（A、B、C、D），10，15，20等；鋼管：有縫鋼管：

Q195、Q215、Q235，用于輸送水、煤氣、空氣及較低壓力（p<0.6MPa)的流體；無(wú)縫鋼管：10、20軋制，用于各種化工設(shè)備上及輸送壓力較高的流體。鍛件：法蘭、平板封頭、補(bǔ)強(qiáng)管、緊固件等，需焊接的采用20、不需焊接的采用35和45。其它：型鋼（Q235－A）、圓鋼（Q235－A、20、35）、螺栓和螺母等。機(jī)械性能：具有適中的強(qiáng)度和硬度、良好的塑性。普通碳鋼使用

溫度范圍：-20~400℃，優(yōu)質(zhì)碳鋼：-40~450℃；三、鑄鐵鑄鐵的化學(xué)組成：碳2.5～4.0％，硅0.5～1.5％，磷0.1～1.5％，

硫不大于0.15，其中的碳大部分以石墨狀態(tài)存在。鑄鐵：布滿裂紋或空洞的鋼鑄鐵中石墨作用：（1）良好的鑄造性；

（2）良好的減震性；

（3）良好的耐磨性能；

（4）良好的切削加工性能；

（5）低的缺口敏感性1、灰口鑄鐵：石墨以片狀形式存在，斷口呈灰色。

牌號(hào)：HTXXX（數(shù)字代表最低抗拉強(qiáng)度）HT100和HT150：用于制造強(qiáng)度不高的機(jī)械零件，如蓋、手輪、支架、

工作臺(tái)、閥體、管路附件、齒輪箱等；HT200和HT250：用于制造較重要的機(jī)械零件，如機(jī)座、氣缸、閥體、

齒輪、泵殼等；HT300和HT350：用于制造重要的機(jī)械零件，如機(jī)座、氣缸體、泵體、