铸造 认知讲课第一讲 工程材料.doc

上讲堂课程安排1、 工程材料介绍（一课时）2015年5月2、 铸造材料介绍（一课时）2015年6月3、 铸造工艺介绍（两课时）2015年7-8月4、 铸件质量检验（一课时）2015年9月5、 铸造缺陷分析及修补（一课时）2015年10月第一讲工程材料介绍（一课时）工程材料一、工程材料主要性能 使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。我们经常使用到的主要是材料的硬度、强度、刚度、韧性、弹性、塑性、疲劳等性能。工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。 目前工程中主要使用的材料可划分为黑色金属和有色金属。二、黑色金属、和有色金属 （一）黑色金属、钢材钢与有色金属的基本概念。 黑色金属是指铁和铁的合金。如钢、生铁、铁合金、铸铁等。钢和生铁都是以铁钢材为基础，以碳为主要添加元素的合金，统称为铁碳合金。 生铁是指把铁矿石放到高炉中冶炼而成的产品，主要用来炼钢和钢材制造铸件。 把铸造生铁放在熔铁炉中熔炼，即得到铸铁（液状），把液状铸铁浇铸成铸件钢材，这种铸铁叫铸铁件。 铁合金是由铁与硅、锰、铬、钛等元素组成的合金，铁合金是炼钢的原料之一，在钢材炼钢时做钢的脱氧剂和合金元素添加剂用。 把炼钢用生铁放到炼钢炉内按一定工艺熔炼，即得到钢。钢的产品有钢锭、连铸坯和直钢材接铸成各种钢铸件等。通常所讲的钢，一般是指轧制成各种钢材的钢。钢材钢属于黑色金属但钢不完全等于黑色金属。有色金属又称非铁金属，指除黑色金属外的金属和合金，如铜、锡、铅、锌、铝以及黄铜、青铜、铝合金和轴承合金等。另外在工业上还采用铬、镍、锰、钼、钴钢材、钒、钨、钛等，这些金属主要用作合金附加物，以改善金属的性能，其中钨、钢材钛、钼等多用以生产刀具用的硬质合金。以上这些有色金属都称为工业用金属，钢材此外还有贵重金属：铂、金、银等和稀有金属，包括放射性的铀、镭等钢材。三、钢材（一）钢材的概念： 钢材是钢锭、钢坯或钢材通过压力加工制成我们所需要的各种形状、尺寸和性能的材料。 钢材是国家建设和实现四化必不可少的重要物资，应用广泛、品种繁多，根据断面形状的不同、钢材一般分为型材、板材、管材和金属制品四大类、为了便于组织钢材的生产、订货供应和搞好经营管理工作，又分为重轨、轻轨、大型型钢、中型型钢、小型型钢、钢材冷弯型钢，优质型钢、线材、中厚钢板、薄钢板、电工用硅钢片、带钢、无缝钢管钢材、焊接钢管、金属制品等品种。 （二）钢材的生产方法 大部分钢材加工都是钢材通过压力加工，使被加工的钢（坯、锭等）产生塑性变形。根据钢材加工温度不钢材同以分冷加工和热加工两种。钢材的主要加工方法有： 轧制：将钢材金属坯料通过一对旋转轧辊的间隙（各种形状），因受轧辊的压缩使材料截面减小，长度增加的压力加工方法，这是生产钢材最常用的生产方式，主要用来生产钢材型材、板材、管材。分冷轧、热轧。 锻造钢材：利用锻锤的往复冲击力或压力机的压力使坯料改变成我们所需的形状和尺寸的一种压力加工方法。一般分为自由锻和模锻，常用作生产大型材、开坯等截面尺钢材寸较大的材料。 拉拨钢材：是将已经轧制的金属坯料（型、管、制品等）通过模孔拉拨成截面减小长度增加的加工方法大多用作冷加工。 挤压：是钢材将金属放在密闭的挤压简内，一端施加压力，使金属从规定的模孔中挤出而得到有同形状和尺寸的成品的加工方法，多用于生产有色金属材钢材 （三）钢材的分类 钢是钢材含碳量在0.04%-2.11%之间的铁碳合金。为了保证其韧性和塑性，含碳量一般不超过1.7%。钢的主要元素除铁、碳外，还有硅、锰、硫、磷等。钢的分类方法多种钢材多样，其主要方法有如下七种： 1、钢材按品质分类 (1) 普通钢（P0.045%，S0.050%） (2) 优钢材质钢（P、S均0.035%） (3) 高级优质钢（P0.035%，S0.030%） 2.、按化学成份分类 (1) 碳素钢：钢材a.低碳钢（C0.25%）；b.中碳钢（C0.250.60%）；c.高碳钢（C0.60%）。 (2) 合金钢：a.低合金钢（合金元素总含量5%）；b.中合金钢（合金元素总含量510%）；c.高合金钢（合金元素总含量10%）。 3、钢材按成形方法分类：(1) 锻钢；(2) 铸钢；(3) 热轧钢；(4) 冷拉钢。 4、钢材按金相组织分类 (1) 退火状态的：a.亚共析钢（铁素体+珠光体）；b.共析钢（珠光体）；c.过共钢材析钢（珠光体+渗碳体）；d.莱氏体钢（珠光体+渗碳体）。 (2) 正火状态的：a.珠光体钢；b.贝氏体钢；c.马氏体钢；d.奥氏体钢。 (3) 钢材无相变或部分发生相变的 5、 按用途分类 (1) 建筑及工程用钢：a. 普通碳素结构钢；b.低合金结构钢；c.钢筋钢。 (2) 钢材结构钢 a.机械制造用钢：(a)调质结构钢；(b)表面硬化结构钢：包括渗碳钢、渗氨钢、表面淬火用钢；(c)易切结构钢；(d)冷塑性成形用钢：包括冷冲压用钢、冷镦用钢。 b.弹簧钢 c.轴承钢 (3) 工具钢：a.碳素工具钢；b.合金工具钢；c.高速工具钢。 (4) 特殊性能钢：a.不锈耐酸钢；b.耐热钢：包括抗氧化钢、热强钢、气阀钢；c.电热合金钢；d.耐磨钢；e.低温用钢；f.电工用钢。 (5) 专业用钢如桥梁用钢、船舶用钢、锅炉用钢、压力容器用钢、农机用钢等。 6、综合分类 (1)普通钢 a.碳素结构钢：(a) Q195；(b) Q215(A、B)；(c) Q235(A、B、C)；(d) Q255(A、B)；(e) Q275。 b.低合金结构钢 c.特定用途的普通结构钢 (2)优质钢（包括高级优质钢） a.钢材结构钢：(a)优质碳素结构钢；(b)合金结构钢；(c)弹簧钢；(d)易切钢；(e)轴承钢；(f)特定用途优质结构钢。 b.工具钢：(a)碳素工具钢；(b)合金工具钢；(c)高速工具钢。 c.特殊性能钢：(a)不锈耐酸钢；(b)耐热钢；(c)电热合金钢；(d)电工用钢；(e)高锰耐磨钢。 7、按冶炼方法分类 (1) 按炉种分 a.平炉钢：(a)酸性平炉钢；(b)碱性平炉钢。 b.转炉钢：(a)酸性转炉钢；(b)碱性转炉钢。或 (a)底吹转炉钢；(b)侧吹转炉钢；(c)顶吹转炉钢。 c. 电炉钢：(a)电弧炉钢；(b)电渣炉钢；(c)感应炉钢；(d)真空自耗炉钢；(e)电子束炉钢。 (2)钢材按脱氧程度和浇注制度分 a.沸腾钢；b.半镇静钢；c.镇静钢；d.特殊镇静钢。 （四）、钢的编号 我国钢材的编号是采用汉语拼音字母、化学元素符号和阿拉伯数字相结合的方法。 采用汉语拼音字母表示钢产品的名称、用途、特性和工艺方法时，一般从代表钢产品名称的汉字的汉语拼音中选取第一个字母.常用钢产品的名称、用途、特性和工艺方法表示符号（GB/T 2212000）名称符号位置名称符号位置碳素结构钢Q头桥梁用钢q尾低合金高强度钢Q头锅炉用钢g尾易切削钢Y头焊接气瓶用钢HP尾碳素工具钢T头车辆车轴用钢LZ头(滚珠)轴承钢G头机车车轴用钢JZ头焊接用钢H头沸腾钢F尾铆螺钢ML头半镇静钢b尾船用钢国际符号镇静钢Z尾汽车大梁用钢L尾特殊镇静钢TZ尾压力容器用钢R尾质量等级A.B.C.D.E尾1、碳素结构钢和低合金高强度钢Q+最低屈服强度值+质量等级符号+脱氧方法符号Q表示“屈服强度”；屈服强度值单位是MPa；质量等级符号为A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，质量提高。脱氧方法符号: 沸腾钢F；镇静钢Z；半镇静钢b；特殊镇静钢TZ。如碳素结构钢牌号表示为Q235AF、Q235BZ。低合金高强度结构钢都是镇静钢或特殊镇静钢，其牌号中没有表示脱氧方法的符号。如Q345C。根据需要，低合金高强度结构钢的牌号也可以采用两位阿拉伯数字 (表示平均含碳量的万分之几) 和化学元素符号，按顺序表示，如16Mn。* 说明: 通常情况下, 屈服强度值小于300MPa时为碳素结构钢，大于300MPa时为低合金高强度钢。2、优质碳素结构钢牌号用两位数字表示。这两位数字表示钢平均含碳量的万分之几。如45钢平均含碳量为万分之四十五(即0.45%) 的优质碳素结构钢。* 说明： 含Mn量为0.71.0%时，在两位数字后加元素符号“Mn”，如40Mn。 对于沸腾钢和半镇静钢, 在钢号后分别加字母F和b，如08F、10b。 高级优质钢在钢号后加字母A，如20A。3、合金结构钢和合金弹簧钢两位数字（表示平均含碳量的万分之几）+合金元素符号+该元素百分含量数字+当合金元素的平均含量小于1.50%时，只标元素符号，不标含量；当合金元素的平均含量为1.502.49%、2.50 3.49%、3.504.49%、4.505.49%、时，在相应的合金元素符号后标2、3、4、5 等数字。如20CrNi3。高级优质钢在牌号后加字母A，如60Si2MnA。特级优质钢在牌号后加字母E，如30CrMnSiE。 所有合金钢的合金元素量标法相同4、工具钢 碳素工具钢T + 数字T表示“碳素工具钢” ；数字表示平均含碳量的千分之几。如T8其平均含碳量为千分之八(0.8%C)。* 说明：碳素工具钢都是优质以上质量的。高级优质钢在钢号后加“A”，如T8A。 合金工具钢含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+当含碳量小于1.00%时，含碳量用一位数字标明，这一位数字表示平均含碳量的千分之几，如8MnSi.当含碳量大于1.00%时，不标含碳量。* 高速钢不标含碳量，如W6Mo5Cr4V2(含0.85%C).* 含铬量小于1%时，在含铬量(以千分之一为单位)前加数字“0”，如Cr06。5、轴承钢G+Cr +铬含量(不标含碳量)“G”表示“滚动轴承钢”。* 铬含量以千分之一为单位.如“GCr15”的平均含铬量为1.5%。渗碳轴承钢牌号的表示方法与合金结构钢相同，仅在牌号头部加字母“G”，如“G20CrNiMo”。 6、不锈钢和耐热钢含碳量+合金元素符号+该元素百分含量+含碳量以千分之一为单位。含碳量的表示方法为：当平均含碳量1.00%时，用两位数字表示，如11Cr17(平均含碳量为1.10%)； 当1.0%平均含碳量0.1%时, 用一位数字表示,如2Cr13（平均含碳量为0.20%） 当0.1%含碳量上限 0.03%时, 以“0”表示，如0Cr18Ni9（含碳量上限为0.08%） 当0.03%含碳量上限0.01%时（超低碳）, 以“03”表示，如03Cr19Ni10(含碳量上限为0.03%） 当含碳量上限0. 01%时(极低碳)，以“01”表示，如01Cr19Ni11（含碳量上限为0.01%）。* 珠光体耐热钢含碳量的标注同结构钢。如15CrMo注：旧标准含碳量表示方法为：当含碳量0.08%时，以“0”表示，如0Cr18。当含碳量0.03%时，以“00”表示，如00Cr18Ni10。7、铸钢1.我国及世界上大多数国家除对硫磷有要求外，一般不规定化学成分，通常用机械性能（强度等级）表示牌号。A.我国的牌号：GB/T11352-1989中规定了五个牌号，如： ZG 200-400 ZG： 表示铸钢 200：表示屈服强度等级，单位:MPa(兆帕） 400：表示抗拉强度等级，单位:MPa(兆帕） 屈服强度：材料受力情况下开始产生永久（塑性）变 形，但不破断的强度； 抗拉强度：材料受力情况下破断时的强度兆帕-1106帕 帕-1牛顿/ 1MPa= 1106帕 = 1106牛顿/=1牛顿/m 牛顿和公斤 牛顿：力的单位 公斤：质量单位 在地球上：1公斤力=9.81牛顿 2.一般工程与结构用高强度铸钢是经过热处理强化的碳钢及低合金钢。 我国的高强度铸钢与低合金钢归为一类，在JB/T6402和GB/T14408中用含碳量和合金元素含量表示，如 ZG 35 CrMo ZG:铸钢 35：表示含碳量 单位0.01%；Cr含量，1%左右；Mo含量：0.2%-0.3% 钢 号钢 种合金元素的主要作用Q345低合金高强度结构钢Mn: 强化F，增加P量，降低冷脆转变温度65Mn弹簧钢Mn: 提高淬透性, 强化FZGMn13耐磨钢Mn: 获得单相A组织20Cr渗碳钢Cr: 提高淬透性, 强化F40Cr调质钢Cr: 提高淬透性, 强化F9SiCr低合金工具钢Cr: 提高淬透性GCr15滚动轴承钢Cr: 提高淬透性，耐磨性，耐蚀性1Cr13马氏体不锈钢Cr: 提高耐蚀性5CrNiMo热作模具钢Cr、Ni: 提高淬透性, 强化FMo: 防止高温回火脆性Cr12MoV冷作模具钢Mo: 细化晶粒，提高耐磨性W18Cr4V高速钢V: 提高耐磨性、热硬性1Cr18Ni9Ti不锈钢Ti: 防止晶间腐蚀4、 铸铁铸铁主要由铁、碳和硅组成的合金的总称。在这些合金中，含碳量超过在共晶温度时能保留在奥氏体固溶体中的量。含碳量在2%以上的铁碳合金。工业用铸铁一般含碳量为2.5%3.5%。碳在铸铁中多以石墨形态存在，有时也以渗碳体形态存在。除碳外，铸铁中还含有1%3%的硅，以及锰、磷、硫等元素。合金铸铁还含有镍、铬、钼、铝、铜、硼、钒等元素。碳、硅是影响铸铁显微组织和性能的主要元素。铸铁可分为：灰口铸铁。含碳量较高（2.7%4.0%），碳主要以片状石墨形态存在，断口呈灰色，简称灰铁。熔点低（11451250），凝固时收缩量小，抗压强度和硬度接近碳素钢，减震性好。由于片状石墨存在，故耐磨性好。铸造性能和切削加工较好。用于制造机床床身、汽缸、箱体等结构件。其牌号以“HT”后面附数字。例如：HT200（数字表示最低抗拉强度）。白口铸铁。碳、硅含量较低，碳主要以渗碳体形态存在，断口呈银白色。凝固时收缩大，易产生缩孔、裂纹。硬度高，脆性大，不能承受冲击载荷。多用作可锻铸铁的坯件和制作耐磨损的零部件。可锻铸铁。由白口铸铁退火处理后获得，石墨呈团絮状分布，简称韧铁。其组织性能均匀，耐磨损，有良好的塑性和韧性。用于制造形状复杂、能承受强动载荷的零件。球墨铸铁。将灰口铸铁铁水经球化处理后获得，析出的石墨呈球状，简称球铁。碳全部或大部分以自由状态的球状石墨存在，断口成银灰色。比普通灰口铸铁有较高强度、较好韧性和塑性。其牌号以“QT”后面附两组数字表示，例如：QT400-17（第一组数字表示最低抗拉强度，第二组数字表示最低延伸率）。用于制造内燃机、汽车零部件及农机具等。蠕墨铸铁。将灰口铸铁铁水经蠕化处理后获得，析出的石墨呈蠕虫状。力学性能与球墨铸铁相近，铸造性能介于灰口铸铁与球墨铸铁之间。用于制造汽车的零部件。合金铸铁件。普通铸铁加入适量合金元素（如硅、锰、磷、镍、铬、钼、铜、铝、硼、钒、锡等）获得。合金元素使铸铁的基体组织发生变化，从而具有相应的耐热、耐磨、耐蚀、耐低温或无磁等特性。用于制造矿山、化工机械和仪器、仪表等的零部件。分类方法分类名称说明按断口颜色灰铸铁该铸铁中的碳大部分或全部以自由状态的