航空工程材料课件 12 铁碳合金及其相图的认识-碳素钢和铸铁

3-3碳素钢和铸铁知识目标1.掌握碳素钢的分类、牌号；2.熟悉各类碳素钢的性能及用途；3.了解铸铁的分类及性能特点。能力目标能根据零部件的受力情况和用途选择合适的铁碳合金材料。教学目标素质目标1.提升“四个自信”；2.具有科学意识。课前回顾1.铁碳合金相图的点线面的含义是什么？2.铁碳合金是如何分类的？结晶过程中组织的变化又有何不同？3.铁碳合金的成分、组织和性能之间有什么关系？4.铁碳合金相图在选材和工艺等方面有什么应用？铁碳合金相图任务选择适当的制造材料导入新课受力情况：工作时齿表面承受较大的压力和摩擦，齿部还承受较大的交变应力和冲击力性能要求：较高强度，硬度，优良的综合力学性能材料选择：？采用一定碳含量的碳素钢（1）齿轮受力情况：承受较小的冲击载荷和磨擦力性能要求：要求一般的强度，硬度材料选择：？采用一定碳含量的碳素钢（2）叶片受力情况：承受较大的磨擦力性能要求：要求高的硬度，耐磨性材料选择：？采用一定碳含量的碳素钢（3）锉刀四个自信一、碳素钢1.定义

简称碳钢，是最基本的铁碳合金。它是指在冶炼时没有特意加入合金元素，且含碳量大于0.0218%而小于1.5%的铁碳合金。一、碳素钢1.定义含碳量对碳钢性能的影响随着碳质量分数的增加，碳钢的室温组织中不仅渗碳体的数量增加，其形态、分布也有变化，因此，碳素钢的力学性能也相应发生变化。C↑，硬度↑，塑性↓、韧性↓，强度↗↘。一、碳素钢2.合金元素对碳素钢性能的影响（1）有害元素硫：

在固态下不溶于铁，以FeS（熔点1190℃）的形式存在。FeS常与Fe形成低熔点（985℃）共晶体分布在晶界上，当钢加热到1000-1200℃进行压力加工时，由于分布在晶界上的低熔点共晶体熔化，使钢沿晶界处开裂。这种现象称为热脆。磷：

在常温固态下能全部溶入铁素体中，使钢的塑性、韧性显著降低，在低温时表现尤为突出。这种在低温时由磷导致钢严重脆化的现象称为冷脆。一、碳素钢（2）有益元素当WMn<1.2%、WSi<0.4%时，能溶入铁素体使之强化，提高钢的强度、硬度，并且不降低钢的塑性、韧性。另外，锰还可与硫形成MnS（熔点是1620℃），消除硫的有害作用，并能起断屑作用，可改善钢的切削加工性。因此，锰和硅在钢中是有益元素。2.合金元素对碳素钢性能的影响一、碳素钢2.合金元素对碳素钢性能的影响二、碳素钢的分类碳素钢的分类方法很多，下面只介绍几种常用的分类方法：1.按碳的质量分数分类：

a、低碳钢：C≤0.25%b、中碳钢：C=0.25%～0.60%c、高碳钢：C＞0.60%2.按钢中有害杂质硫、磷含量分为：a、普通钢：WS=0.035%～0.050%WP=0.035%～0.045%b、优质钢：WS、WP均≤0.035%c、高级优质钢：WS=0.020%～0.030%WP=0.025%~0.030%d、特级优质钢：WS≤0.020%WP≤0.025%二、碳素钢的分类3.按钢的用途分类：a、碳素结构钢：这类钢主要用于制造各类工程构件及各种机器零件。它多属于低碳钢和中碳钢。b、碳素工具钢：这类钢主要用于制造各种刃具、量具和模具。这类钢碳质量分数较高，一般属于高碳钢。二、碳素钢的分类a、碳素结构钢：这类钢主要用于制造各类工程构件及各种机器零件。它多属于低碳钢和中碳钢。二、碳素钢的分类b、碳素工具钢：这类钢主要用于制造各种刃具、量具和模具。这类钢碳质量分数较高，一般属于高碳钢。二、碳素钢的分类（1）碳素结构钢a.普通碳素结构钢b.优质碳素结构钢二、碳素钢的分类（1）碳素结构钢1）普通碳素结构钢A、成分及性能特点成分特点：

杂质和非金属夹杂物较多。性能特点：

强度、硬度一般，但塑性、韧性较好，焊接性能好，热轧供应状态下使用。二、碳素钢的分类（1）碳素结构钢1）普通碳素结构钢B、牌号普通碳素结构钢牌号由代表屈服点的拼音字母“Q”、屈服点数值（单位为MPa）和规定的质量等级符号、脱氧方法等符号组成。如：Q235-A.F二、碳素钢的分类（1）碳素结构钢1）普通碳素结构钢B、牌号Q235-A.FQ为屈服点的拼音首字母，235为屈服点强度数值，单位为MPa；质量等级分：A、B、C、D、E，表示硫、磷含量不同，其中A级质量最低，E级质量最高；脱氧方法用：F（沸腾钢）、B（半镇静钢）、Z（镇静钢）、TZ（特殊镇静钢）表示，牌号中的“Z”和“TZ”可以省略。（根据钢中的含氧量和凝固时放出的一氧化碳的程度。）二、碳素钢的分类（1）碳素结构钢1）普通碳素结构钢C、常用牌号的应用举例牌号等级性能特点用途举例Q195

塑性好，有一定的强度用于载荷较小的钢丝、垫圈、铆钉、拉杆、地脚螺栓、冲压件、焊接件等Q215A塑性好、焊接性好用于钢丝、垫圈、铆钉、拉杆、短轴、金属结构件、渗碳件、焊接件等BQ235A有一定的强度、塑性、韧性、焊接性好，易于冲压、可满足钢结构的要求，应用广泛

用于连杆、拉杆、轴、螺栓、螺母、齿轮等机械零件及角钢、槽钢、圆钢、工字钢等型材。

C级、D级用于较重要的焊接件BCDQ255A强度较高，塑性、焊接性尚好，应用不如Q235广泛用于轴、拉杆、吊钩、螺栓、键等机械零件，各种型钢BQ275

较高的强度，塑性、焊接性差较高的强度，塑性、焊接性差二、碳素钢的分类（1）碳素结构钢1）普通碳素结构钢C、常用牌号的应用举例二、碳素钢的分类（1）碳素结构钢2）优质碳素结构钢A、成分及性能特点成分特点：含硫，磷及非金属夹杂物量较少。性能特点：低碳钢：强度，硬度较低，塑性，韧性及焊接性良好；中碳钢：良好的综合力学性能；高碳钢：较高的强度，硬度和弹性，但焊接性不好。二、碳素钢的分类（1）碳素结构钢2）优质碳素结构钢B、牌号：08F、55、60Mn优质碳素结构钢牌号由二位阿拉伯数字或阿拉伯数字与特征符号组成。以二位阿拉伯数字表示碳的平均质量分数（以万分之几表示）。沸腾钢和半镇静钢在牌号尾部分别加符号“F”和“B”，镇静钢一般不标符号。优质碳素结构钢主要用来制造各种机械零件，一般须经热处理后使用，以充分发挥其性能潜力。二、碳素钢的分类（1）碳素结构钢2）优质碳素结构钢C、常用牌号的应用举例低碳钢中碳钢高碳钢牌号性能特点用途举例08F、08、10塑性、韧性好，强度不高冷轧薄板、钢带、钢丝、钢板,冲压制品,如外壳、容器、罩子、子弹壳、仪表板、垫片、垫圈等。15、20、25、15Mn、20Mn塑性、韧性好，有一定的强度不需热处理的低负荷零件，如螺栓、螺母、拉杆、法兰盘、渗碳后可制作齿轮、轴、凸轮等零件30、35、40、45、50、55、30Mn、40Mn、50Mn强度、塑性、韧性都较好

主要制作齿轮、连杆、轴类等零件，其中40钢、45钢应用广泛。60、65、70、60Mn、65Mn高的弹性和屈服强度常制作弹性零件和易磨损零件，如弹簧、弹簧垫圈、轧辊、犁等二、碳素钢的分类（1）碳素结构钢2）优质碳素结构钢螺旋弹簧二、碳素钢的分类（2）碳素工具钢A、成分及性能特点成分特点：含碳量高（0.65%-1.35%），硫、磷及非金属夹杂物量较少；

性能特点：强度、硬度高，淬透性低，耐磨性和加工性良好，价格低廉。二、碳素钢的分类（2）碳素工具钢B、牌号：T8、T10A、T12钢号以碳的平均质量的千分数表示，并在最前面冠以“T”，表示“碳”的拼音首字母；碳素工具钢均为优质钢，若含S、P更低，则为高级优质钢，在钢号后标注“A”字；T8表示平均含碳量0.8%的碳素工具钢。

T10A表示平均含碳量1.0%的高级优质碳素工具钢。

二、碳素钢的分类（2）碳素工具钢C、常用牌号的应用举例牌号性能特点用途举例T7、T7A、T8、T8A、T8Mn韧性较好，一定的硬度

木工工具、钳工工具，如锤子、錾子、模具、剪刀等，T8Mn可用于制造截面较大的工具T9、T9A、T10、T10A、T11、T11A较高硬度、一定韧性

低速刀具，如刨刀、丝锥、板牙、锯条、卡尺、冲模、拉丝模T12、T12A、T13、T13A硬度高、韧性差不受振动的低速刀具、如锉刀、刮刀、外科用刀具和钻头等二、碳素钢的分类（3）铸造碳钢A、成分及性能特点成分特点：以碳为主要合金元素（含碳量0.15%---0.60%），并含有少量其他元素；

性能特点：较高的强度、塑性和韧性，成本较低。B、常用牌号：ZG200-400是由铸钢代号“ZG”与表示力学性能的两组数字组成。

第一组数字：代表最低屈服强度值，单位为MPa；第二组数字：代表最低抗拉强度值，单位为MPa。二、碳素钢的分类（3）铸造碳钢C、常用牌号的应用举例牌号性能特点用途举例ZG200-400有良好的塑性，韧性和焊接性，焊补不需预热用于受力不大，要求韧性好的各种机械零件，如机座、变速箱体等ZG230-450有一定的强度和较好的塑性、韧性，良好的焊接性，焊补可不预热，切削性尚好用于受力不大，要求韧性好的各种机械零件,如钻座轴承盖、外壳、底板、阀体等ZG270-500有较好的强度、塑性，焊接性能尚好用于轧钢机架、模具、箱体、缸体、连杆、曲轴等ZG310-570强度和切削性较好，焊接性差，焊补要预热用于载荷较大的耐磨件，如辊子、缸体、齿轮、制动轮、联轴器、机架等ZG340-640有较高的强度、硬度和耐磨性,切削性能中等，焊接性差，焊补需预热用于齿轮、棘轮、叉头、车轮等二、碳素钢的分类（3）铸造碳钢二、碳素钢的分类小结类别常用牌号成分性能用途普通碳素结构钢Q235中、低碳塑韧较高、强度较低一般工程结构普通机械零件，如小轴、连杆、螺栓、螺母、法兰等优质碳素结构钢08F/45/60Mn低、中、高碳性能优化08F：冷冲压件；45：尺寸小、受力小的各结构零件，如齿轮、连杆、曲轴等60Mn：弹性零件或易磨损零件，如弹簧、弹簧垫圈等碳素工具钢T10/T12A高碳硬度耐磨性好，热硬性差低速、小进给量、手动工具，如钻头、冲模、丝锥、锯条、刮刀、外科用刀、锉刀铸造碳钢ZG200-400低、中碳力学性能较高形状复杂、力学性能要求高零件，如机座、变速箱体等二、碳素钢的分类任务选择适当的制造材料齿轮选材：中碳优质碳素结构钢，如55钢叶片选材：普通碳素结构钢，如Q195

锉刀选材：碳素工具钢，如T12任务实施课堂练习任务实施解释下列牌号并各举一例说明主要用途。

Q215–A.F3560MnT12ZG200-400为下列构件选择合适的制造材料构件名称材料牌号齿轮35机座ZG200-400锉刀T12叶片Q215–A.F弹簧60Mn课堂练习任务实施解释下列牌号并各举一例说明主要用途。

Q215–A.F3560MnT12ZG200-400为下列构件选择合适的制造材料构件名称材料牌号齿轮35机座ZG200-400锉刀T12叶片Q215–A.F弹簧60Mn钻研精神任务实施三、铸铁三、铸铁1.碳在铸铁中存在两种形态渗碳体（Fe3C）和石墨（Cg，单质碳）其中Fe3C是亚稳相，Cg是稳定相。Fe3CCg（石墨）结构复杂简单六方，层片状C%6.69100结合键金属键为主分子键为主性能硬、脆强度、硬度和塑性都很低注：C以Fe3C形式存在——白口铸铁；C以Cg形式存在——灰口铸铁。（1）碳在铸铁中存在两种形态三、铸铁1.碳在铸铁中存在两种形态（2）石墨的影响石墨的硬度仅为30～50HBS；σb约为200MPa；塑性和韧性极低，伸长率δ接近于零；导致铸铁的力学性能如抗拉强度、塑性、韧性等均不如钢；石墨数量越多，尺寸越大，分布越不均匀，对力学性能的削弱就越严重。三、铸铁1.碳在铸铁中存在两种形态（2）石墨的影响石墨的存在，使铸铁具有优异的切削加工性能和良好的铸造性能；石墨有良好的润滑作用，并能储存润滑油，使铸铁有很好的耐磨性能；石墨对振动的传递起削弱作用，使铸铁有很好的抗振性能；大量石墨的割裂作用，使铸铁对缺口不敏感。三、铸铁2.铸铁的性能特点及分类方法（1）铸铁的性能特点对同一类铸铁来说，在其它条件相同的情况下，铁素体相的数量越多，塑性越好；珠光体的数量越多，则抗拉强度和硬度越高。相或组织简称介绍最大含碳量奥氏体A碳溶于γ-Fe2.11%铁素体F碳溶于α-Fe0.0218%渗碳体Fe3C复杂晶格的间隙化合物6.69%珠光体PF+Fe3C0.77%莱氏体Ld(高温)A+Fe3C4.3%Ld’（低温）P+Fe3C三、铸铁2.铸铁的性能特点及分类方法（