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第四章 钢铁材料教案课 程机械工程基础专业电机与电器 课 时2班 级12电机订单、唯真教师孙敏课 型授新课课 题钢铁材料 概述 工业用钢教 法多媒体讲授教 具投影仪，PPT教 学 目 标学习目标： 1、掌握碳素钢、合金工具钢的种类、牌号、性能特点及应用 ； 2、掌握常用特殊性能钢的种类、牌号、性能特点及应用； 3、能够识别我国合金工具钢及常用特殊性能钢的牌号 4.了解铸铁的分类； 5.了解灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁的组织和性能； 6.掌握灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁的的牌号及其主要用途；教 学 重 点碳素钢、合金工具钢的种类、牌号、性能特点及应用灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁的的牌号及其主要用途；教 学 难 点碳素钢、合金工具钢的种类、牌号、性能特点及应用灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、蠕墨铸铁的组织和性能教 学 过 程主要教学环节、内容及组织备注复习：金属材料的分类 新授： 钢铁材料 第一节 概述工业上常用的金属材料分为黑色金属和有色金属两大类。黑色金属是指钢和铸铁，有色金属则括除钢铁以外的金属及其合金。一钢中杂质对其性能的影响 钢中的杂质元素对钢材的性能影响很大，下面简述四种主要元素对钢的影响。1）硅的影响硅在钢中也是一种有益元素。它一般是用硅铁脱氧而残留在钢中的，与锰一样，能溶于铁素体，使钢的强度、硬度、强性均提高，使塑性、韧性均降低。当硅在钢中作为杂质元素，它的含量控制在0.5%以下。2）锰的影响 锰在钢中是有益元素。碳钢中含锰量通常要在0.250.8%间，在含锰合金钢中，一般控制在1.01.2%。锰除了脱氧，清除钢中的FeO产生的影响外，锰大部分溶于铁素体中，形成置换固溶体，使铁素体强化。锰能增加珠光体相对量并细化它，使钢的强度提高；锰也能与硫化合生成高熔点的硫化锰（MnS），以减轻硫的有害作用。3）硫的影响 硫在钢中是有害杂质。硫不溶于铁，而以化合物FeS形式存在，FeS与Fe形成低熔点（985）的共晶物，分布在晶界上，当钢材在10001200 下进行压力加工时，使共晶体溶化，变脆开裂，这种现象称为热脆。所以钢中的硫必须严格控制。钢中加锰，可消除硫的有害作用，因Mn与S能形成MnS，熔点达1620，高温下塑性好的MnS呈点状分布，避免热脆的影响。 4）磷的影响 磷也是一种有害杂质，它部分溶于铁素体中，部分形成脆性很大的化合物Fe3P，使室温下钢的塑性、韧性急剧下降，脆性转变温度升高，使钢变脆，这种现象称为冷脆性。磷也使钢的焊接性能变坏。虽然磷在改善切削性及抗腐蚀性方面对钢有好处，但相对于明显的不利方面，一般钢中都需严格控制磷的含量。另外，氧、氢等对钢的性能带来不利影响，是有害杂质。二、合金元素在钢中的主要作用一）对钢基本相的影响1、强化铁素体2、形成合金化合物二）对相图的影响三）对钢热处理的影响2. 碳素钢的分类及牌号 碳素钢的种类很多，常按以下方法分类。 （1）按钢的化学成分分类 碳素钢： 低碳钢（0.0218%wC0.25%）； 中碳钢（0.25%wC0.60%）； 高碳钢（0.60%wC2.11%。 合金钢：低合金钢 中合金钢 高合金钢（2）按钢的主要质量等级分类 普通质量碳素钢（wS0.050%,wP0.045%）； 优质碳素钢（wS0.035%，wP0.035%） 高级优质钢； 特殊质量碳素钢（wS0.020%，wP0.020%） (3) 按钢的用途分类 碳素结构钢：主要用于制作机械零件和工程构件，一般属于低、中碳钢；碳素工具钢：主要用于制作量具、刃具和模具，一般属于高碳钢。特殊性能钢：工程中常用的特殊性能钢有耐磨钢、耐热钢、不锈钢等。此外，钢按冶炼方法不同，可分为转炉钢和电炉钢；按冶炼时脱氧程度的不同，可分为沸腾钢、镇静钢、半镇静和特殊镇静钢等。一、碳素钢：含碳量大于0.0218小于2.11，且不含特意加入合金元素的铁碳合金，称为碳素钢或非合金钢，简称碳钢。碳素钢具有良好的力学性能和工艺性能，且冶炼方便，价格便宜，故在机械制造、建筑、交通运输等许多工业部门中得到广泛的应用 1.碳素结构钢 碳素结构钢的杂质和非金属夹杂物较多，但冶炼容易，工艺性好，价格便宜，产量大，在性能上能满足一般工程结构及普通零件的要求，因而应用普遍。碳素结构钢通常轧制成钢板和各种型材（圆钢、方钢、扁钢、角钢、槽钢、工字钢、钢筋等），用于厂房、桥梁、船舶等建筑结构或一些受力不大的机械零件（如铆钉、螺钉、螺母等）。碳素结构钢的牌号表示方法:例：Q 235 A F碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能和用途见p154表4-1所示。2、优质碳素结构钢 优质碳素结构钢是按化学成分和力学性能供应的，钢中所含硫、磷及非金属夹杂物量较少，常用来制造重要的机械零件，使用前一般都要经过热处理来改善力学性能。优质碳素结构钢的牌号表示方法两位数字表示平均含碳量为万分之这个数字：（）.普通含锰（Mn=0.）08、10、15、20、35、40、45、65、80等； 如：45 - 表示Wc =.45%的优质碳素结构钢。 （）.较高锰质量分数的（Mn=0.）15、20、35、40、45、65、等如：45Mn -表示Wc =.45%较高含锰量的优质碳素结构钢。 优质碳素结构钢的牌号、化学成分、力学性能和用途见p155表4-2所示。3、碳素工具钢 碳素工具钢是用于制造刀具、模具和量具的钢。由于大多数工具都要求高硬度和高耐磨性，故碳素工具钢含碳量均在0.70以上，都是优质钢和高级优质钢。碳素工具钢的牌号表示方法：例：T 12 A碳素工具钢的牌号、化学成分、力学性能和用途见p155表4-3所示。各种牌号的碳素工具钢经淬火后的硬度相差不大，但是随着含碳量的增加，未溶的二次渗碳体增多，钢的耐磨性增加，韧性降低。因此，不同牌号的工具钢用于制造不同使用要求的各类工具。4.铸造碳钢 铸造碳钢一般用于制造形状复杂、力学性能要求较高的机械零件。这些零件形状复杂，很难用锻造或机械加工的方法制造，又由于力学性能要求较高，不能用铸铁来铸造。铸造碳钢广泛应用于制造重型机械的某些零件，如轧钢机机架、水压机横梁、锻锤和砧座等。 铸造碳钢的牌号、化学成分和力学性能如p155表4-4。铸造碳钢的牌号表示方法：例：ZG 200 400铸铁 铸铁是wC2.11%的铁碳合金，工业用铸铁的含碳量一般为2.54%。除铁、硅、碳、锰以外，还含有较高的硫、磷等杂质元素，在合金铸铁中，还加入一定含量的其他合金元素。铸铁在工业中应用量较大，按重量百分比，一般机械中，铸铁件占约40%70%，在机床和重型机械中达60%90%。 铸铁铸铁中碳除极少量固溶于铁素体外，一般均以游离状态的石墨或化合状态的渗碳体存在。根据碳在铸铁中存在的形式不同，可分为以下几种： 一、铸铁的分类及石墨化： 1、铸铁的分类 铸铁中碳除极少量固溶于铁素体外，一般均以游离状态的石墨或化合状态的渗碳体存在。根据碳在铸铁中存在的形式不同，可分为以下几种：1）白口铸铁 碳主要以渗碳体形式存在的铸铁。断口呈银白色。由于大量硬而脆 的渗碳体存在。白口铸铁硬度高、脆性大，难以切削加工。2）麻口铸铁 碳以渗碳体+石墨形式存在，断口灰、白色相间。此类铸铁硬脆性 较大，故工业上很少使用。3）灰口铸铁 碳主要以片状石墨形式出现的铸铁；断口呈暗灰色，是工程中应用 最多的铸铁4）。 可锻铸铁 碳主要以团絮状石墨形式出现的铸铁；5）. 球墨铸铁 碳主要以球状石墨形式出现的铸铁；6）. 蠕墨铸铁 碳主要以蠕虫状石墨形式出现的铸铁。 7）. 合金铸铁 含有合金元素（钼、铬、钒、铜、铝等）的铸铁2、影响石墨化的因素 铸铁组织中石墨的形成叫“石墨化”过程，铸铁石墨化过程的比较复杂，与许多因素有关，其中化学成分和冷却速度是影响石墨化的主要因素。影响铸铁石墨化的主要因素。 1化学成分 影响石墨化进程的本质因素 碳和硅都是强烈促进石锰又可显著减小硫在石墨化过程中的有害作用墨化的元素；磷也是促进石墨化的元素，但其作用较弱；硫是强烈阻碍石墨化的元素，。 2冷却速度影响石墨化进程的工艺因素 冷却速度愈快，铸铁愈容易产生白口铸铁组织；冷却速度慢，碳原子扩散充分，有利于石墨化过程充分进行，铸铁容易获得灰口铸铁组织。 3.加热温度和保温时间影响石墨化进程的工艺因素 温度升高，保温时间延长，有利于石墨化进程，但需高温长时间保温，冷却速度极慢。二、灰口铸铁1化学成分、组织和性能 （1）化学成分灰铸铁的化学成分一般为：wC=2.5% 40%，wSi=1.0% 25%，wMn=O5% 1.4%，wSO.15%，wP0.3%。 (2) 组织 由于石墨化程度的不同，灰铸铁的组织有三种类型：铁素体(F)+片状石墨(G)；铁素体(F)珠光体(P)+片状石墨(G)；珠光体(P)+片状石墨(G)。 3） .性能 取决于基体的性能和石墨的数量、 形状、大小及分布状态。灰铸铁的强度、塑性、韧性远低于钢，但却也有钢所不及的优良性能。 良好的铸造性能 良好的减震性 较低的缺口敏感性 良好的切削加工性 良好的减摩性 良好的抗压性能2、 灰铸铁的孕育处理3、灰铸铁的热处理 灰铸铁可以通过热处理改变基体组织，但不能改变石墨的形态和分布，因而对提高灰铸铁的力学性能作用不大。 常用的热处理工艺有以下几种： 1）、去应力退火 由于铸件形状复杂，壁厚不均匀，在铸件冷却过程中，铸件各个部位冷却不一致而产生较大的内应力。所以一些形状复杂的铸件或精度要求高的铸件，如机床床身、机架等均要去应力退火。 2）、表面淬火 有些铸件如机床导轨、缸体内壁，要进行表面淬火。淬火后表面的硬度可达5055HRC。表面淬火方法有感应加热表面淬火、火焰加热表面淬火和电接触加热表面淬火等。 3）、消除铸铁白口、降低硬度的退火 铸件上的薄壁处或表层，由于冷却速度快，常出现白口组织，给切削加工带来困难，常用高温退火（石墨化退火）来降低其硬度。3、 灰铸铁的牌号及用途举例灰铸铁的牌号是由“HT”（“灰铁”二字汉语拼音字母）和其后一组数字组成，数字表示30mm试棒的最小抗拉强度值（MPa）。灰铸铁的牌号、性能及用途见表4-133、 球墨铸铁球墨铸铁是20世纪50年代发展起来的一种新型铸铁，它是经过球化处理后得到的。球化处理的方法是在铁液出炉后、浇注前加入一定量的球化剂(稀土镁合金等)和孕育剂，使石墨呈球状析出。 1化学成分、组织和性能 （1）化学成分：w C=3.6%3.9%，wSi=2.0%2.8%，wMn=0.6%0.8%，wS0.04%，wP0.1%, wMg=0.03%0.05% （2）组织 球墨铸铁的组织可分为四种类型： 铁素体(F)+球状石墨(G)， 铁索体(F)-珠光体(P)+球状石墨(G)， 珠光体(P)+球状石墨(G)， 下贝氏体(B下)+球状石墨(G)。（3）性能 与灰铸铁相比，球墨铸铁有高的强度和良好的塑性与韧性。它的某些性能可以与钢相媲美，如屈服点比碳素结构钢高，疲劳强度接近中碳钢。同时，它还具有灰铸铁的减震性、减磨性和小的缺口敏感性等优良性能。 球墨铸铁中的石墨球的圆整度越好，球径越小，分布越均匀，则球墨铸铁的力学性能就越好。 2.主要用途： 球墨铸铁可以代替碳素铸钢、合金铸钢和可锻铸铁，制造一些受力复杂，强度、硬度、韧性和耐磨性要求较高的零件，如内燃机曲轴、凸轮轴、连杆、减速箱齿轮及轧钢机轧辊等。3、球墨铸铁的热处理 由于球状石墨对基体的割裂作用小，所以通过热 处理改变球墨铸铁的基体组织，对提高其力学性能有重要作用。常用的热处理工艺有以下几种： 1、退火 主要目的是为了得到铁素体基体的球墨铸铁，以提高它的塑性和韧性，改善切削加工性能，消除内应力。 2、正火 目的是为了得到珠光体基体的球墨铸铁，从而提高其强度和耐磨性。 3、调质 目的是为了得到回火索氏体基体的球墨铸铁，从而获得良好的综合力学性能。 4、等温淬火 为了得到下贝氏体基体的球墨铸铁，从而获得高强度、高硬度、高韧性的综合性能。一般用于要求综合力学性能较好，而外形又较复杂，热处理容易变形和开裂的零件，如凸轮轴。齿轮、滚动轴承等。4、球墨铸铁的牌号及用途举例 球墨铸铁的牌号由“QT”（“球铁”两字汉语拼音字首）和其后的两组数字组成，两组数字分别表示最低抗拉强度和最低伸长率。例如QT6003表示b600Mpa、3%的球墨铸铁。球墨铸铁的牌号、性能及用途见表4-14。5、 可锻铸铁俗称玛钢、马铁。是将白口铸铁经石墨化退火或氧化脱碳处理后而获得团絮状形态石墨的铸件。可锻铸铁的生产过程是：首先浇注成白口铸铁件，然后经可锻化退火（可锻化退火使渗碳体分解为团絮状石墨）而获得可锻铸铁件。1化学成分、组织和性能 （1）可锻铸铁的化学成分是: w C=2.2%2.8%， wSi=1.0%1.8%，w Mn=0.3%0.8%，w S0.2%，wP0.1%。 （2）可锻铸铁的组织类型： 铁素体(F)+团絮状状石墨(G)；珠光体(P)+团絮状石墨(G)。 （3）可锻铸铁的性能 由于可锻铸铁中的石墨呈团絮状，对基体的割裂作用较小，因此它的力学性能比灰铸铁高，塑性和韧性好，但并不能进行锻压加工。可锻铸铁的基体组织不同，其性能也不一样，其中黑心可锻铸铁具有较高的塑性和韧性，而珠光体可锻铸铁则具有较高的强度、硬度和耐磨性。 2.主要用途：制造形状复杂、承受冲击载荷的薄壁、中小型零件。 3.可锻铸铁的牌号及用途举例可锻铸铁的牌号、性能及用途见表4-15。牌号中“KT”是“可铁”二字的汉语拼音字首，后面的“H”表示“黑心”、“Z”表示“珠光体”，两组数字分别表示最低抗拉强度和最低伸长率。因可锻铸铁，生产周期长、工艺复杂、成本高，目前的生产中已逐步被球墨铸铁代替。6、 蠕墨铸铁1化学成分、组织和性能 （1）蠕墨铸铁的化学成分是: w C=3.5%3.9%， wSi=2.1%2.8%，w Mn=0.4%0.8%，w S0.1%，wP0.1%。 （2）蠕墨铸铁的组织类型： 铁素体(F)+蠕虫状石墨(G) ； 铁素体(F) 珠光体(P)+蠕虫状石墨(G) ； 珠光体(P)+蠕虫状石墨(G) 。 （3）蠕墨铸铁的性能: 力学性能介于普通灰铸铁和球墨铸铁之间，热疲劳性能好。具有接近灰铸铁的优良的铸造性能。 2.主要用途： 主要应用于承受循环载荷、要求组织致密、强度较高、形状复杂的零件，如气缸盖、进排气管、液压件和钢锭模等。 3.蠕墨铸铁的牌号及用途举例蠕墨铸铁的牌号由“RuT”（“蠕铁”二字的汉语拼音字首）和其后一组数字组成，数字表示最低抗拉强度。例如牌号RuT260表示最低抗拉强度为260MPa的蠕墨铸铁。 蠕墨铸铁的牌号、性能和用途见表4-16。七 、合金铸铁1耐磨铸铁 耐磨铸铁是指不易磨损的铸铁。根据工作条件的不同，分