钢铁材料及其用途

1、第四章 钢铁材料及其用途,4.1 碳钢与合金钢,按化学成分： 碳素钢 主要成分为Fe、C。含碳量小于2.11%的铁碳合金。 合金钢 除Fe、C以外，为了某种需要，特意加入一定量的合金元素(Si, Mn, Cr, Ni, Mo, W, V, B)，使其具有一定的特殊性能。,4.1.1 碳钢,1.碳素结构钢 牌号：“Q+数字+字母+字母” 用途： 一般在钢厂供应状态下（即热轧状态）直接使用，出厂时保证机械性能 工程结构（薄钢板，钢筋，钢管，各种型材）； 要求不高的机器零件（螺钉，螺栓，手柄，小轴）； 特点：塑韧性优良。,碳素结构钢,Q215-AF Q235-B,2 优质碳素结构钢,牌号：采用两位数

2、字表示钢中平均碳质量分数的万倍 用途： 出厂时保证成分，用来制造较重要的机器零件，一般都经过热处理以提高力学性能。 0825：强度低，但塑性、韧性好，并具有良好的焊接性能。常做冲压件、焊接件、渗碳件。用来制造螺钉、螺母、垫圈等 3050：调质后有良好的综合机械性能。用作轴、连杆、丝杠、键。 5585：热处理后有良好的弹性。用作弹簧、轧辊、钢丝绳。,优质碳素结构钢 08, 10, 1575, 80, 85,3.碳素工具钢,都是高碳钢（0.7% 1.35%）。都是优质钢。 牌号：“T+数字+字母”。T7，T7A 用途：各种刀具、刃具、量具。 T7, T8：中等硬度，高韧性工具。冲头、凿子、锻造工具

3、、錾子、锤子。 T9T11：高硬度、中等韧性工具。钻头、车刀、丝锥、钢锯条、小冲模。 T12T13：高硬度、耐磨性而韧性要求不高的工具。精车刀、量具、锉刀、刮刀。,碳素工具钢：T7，T7AT13,T13A,4.1.2 合金钢,碳钢的缺点： 淬透性低，回火抗力差，综合性能差； 不能满足一些特殊的性能要求 在合金钢中，经常加入的合金元素有Mn、Si、Cr、Ni、Mo、W、V、Ti、Nb、Zr等。 1.合金元素在钢中的作用 （1）可提高钢的力学性能 （2）可改善钢的热处理性能,（1）可提高钢的力学性能,固溶强化铁素体,（1）可提高钢的力学性能,第二相强化弥散强化 合金钢中的碳化物有 合金渗碳体：如(

4、Fe，Mn)3C、(Fe，Cr)3C等 合金碳化物：如Mn3C、Cr7C、Fe3W3C等 特殊碳化物：如WC、MoC、VC、TiC等 随着这些碳化物数量的增多能显著提高钢的强度、硬度、热硬性和耐磨性。,（1）可提高钢的力学性能,细晶强化 几乎所有的合金元素(除锰以外)都阻止奥氏体晶粒长大、细化晶粒。尤其是强碳化物形成元素Ni、Ti、V；强氮化物形成元素Al等。这些微粒在加热时很难熔解，能强烈地阻碍奥氏体晶粒的长大，所以合金钢在热处理加热时不易过热，这既有利于热处理操作，又能提高钢的强度和韧性指标。,（2）可改善钢的热处理性能,能提高钢的淬透性 碳素钢水淬可淬透的最大直径1015mm； 大多数合

5、金元素(除Co以外)，使C曲线位置右移，临界冷却速度减小，从而提高钢的淬透性。 提高钢的回火稳定性 回火过程是马氏体分解，碳化物形成、析出和聚集的过程。由于合金元素阻碍M分解和碳化物聚集长大过程，使回火的硬度降低过程变缓，从而提高钢的回火稳定性。 使钢获得特殊的性能,2. 工程结构用合金结构钢低合金高强度钢,牌号：与普通碳素结构钢相同 Q295、Q345、Q390、Q420、Q460。 工程用钢主要是用于各种工程结构。这类钢冶炼简便、成本低，适用于工程用钢批量大的特点，这类钢使用时一般不进行热处理。多数是在热轧、正火状态下使用。,合金结构钢工程结构用,3.合金结构钢,编号:两位数字+元素符号+

6、数字+（+A） 前两位数字表示平均碳质量分数的万倍（wC10000） 元素符号后面的数字为该元素平均质量分数的百倍（wE100） 若S、P含量达到高级优质钢时，则在钢号后加“A” 18Cr2Ni4W；38CrMoAlA 易切削钢在钢号前加“Y”字（“易”字声母）， 如Y12、Y40Mn，Y40CrSCa 滚动轴承钢的编号是在钢号前加“G”（“滚”字声母），其后数字为平均含Cr量，以千倍（wCr1000）表示，平均碳的质量分数wC1.0%时不标出， 如GCr15、GCr9等钢中含铬的质量分数wCr分别为1.5%和0.9%,合金结构钢机器零件用,合金结构钢机器零件用,1）合金渗碳钢 20CrMnT

7、i,指经渗碳淬火、低温回火后使用的合金钢。 渗碳钢常用在受冲击和磨损条件下工作的一些机械零件，如齿轮、凸轮、活塞销等，要求表面硬、耐磨，而零件心部则要求有较高的韧性和强度以承受冲击。 WC=0.15%0.25%,2）合金调质钢40Cr, 35CrMo, 40CrNiMn,合金调质钢指调质处理后使用的合金结构钢，其具有良好的综合力学性能。 合金调质钢广泛用于制造一些重要零件，如机床的主轴、汽车底盘的半轴、柴油机连杆螺栓等。 WC=0.30.6% 碳的质量分数过低不易淬硬，回火后达不到所需要的强度；如果碳的质量分数过高，则零件韧性较差。,3）合金弹簧钢 65Mn, 60Si2Mn,弹簧是各种机器和

8、仪表中的重要零件。要求制造弹簧的材料具有高的弹性极限（即具有高的屈服点或屈服强比）、高的疲劳极限与足够的塑性和韧性。 WC=0.5%0.85% 典型热处理为淬火中温回火，获得回火索氏体,4）滚动轴承钢GCr15、GCr9,滚动轴承钢是制造各种滚动轴承的滚珠、滚柱、滚针的专用钢 也可做其它用途，如形状复杂的工具、冷冲模具、精密量具以及要求硬度高、耐磨性高的结构零件。 滚动轴承钢具有高而均匀的硬度、高的弹性极限和接触疲劳强度、足够的韧性和淬透性、一定的耐腐蚀能力。,4.合金工具钢,多用于形状复杂、尺寸大、精度高的工具。按用途分为： 合金刃具钢 合金模具钢 合金量具钢 编号：与合金结构钢类似，只前一

9、位表示含C量的千分之几。（1.0%不标，但高速钢例外，1.0也不标）,（1）合金刃具钢,1）低合金刃具钢 9SiCr 为了克服碳素工具钢淬透性差、易变形和开裂、及热硬性差等缺点。在碳素工具钢的基础上加入少量的合金元素，一般不超过3%5%（质量分数），就形成了低合金工具钢。9SiCr 2）高速钢 W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2 高速钢是一种红硬性、耐磨性较高的高合金工具钢，它的红硬性高达600，可以进行高速切削，故称为高速钢。高速钢具有高的强度、硬度、耐磨性及淬透性。 通常适于制造一般高速切削刀具，如车刀、铣刀、绞刀、丝锥、齿轮铣刀、插齿刀等 。,（1）合金刃具钢,合金模具钢 合金量具钢,

10、5 特殊性能钢,特殊性能钢是指具有特殊的物理、化学性能的钢。其种类较多，常用的特殊性能钢有不锈钢、耐热钢和耐磨钢。 编号与合金工具钢相同。 含碳0.03%标“00”，0.08%标“0”。,(1) 不锈钢（又称为不锈耐酸钢）,是指能抵抗大气或酸等化学介质腐蚀的钢 1Cr13, 1Cr17, 1Cr18Ni9Ti、0Cr19Ni9、00Cr17Ni14Mo2 汽轮机叶片、各种阀、机泵等、医疗手术工具、量具、弹簧、轴承、用于硝酸和氮肥制造设备中,(2) 耐热钢,钢的耐热性包括高温抗氧化性和高温强度两方面的综合性能 25Cr2MoVA、4Cr9Si2、4Cr10Si2Mo、15CrMo 1Cr13、0

11、Cr18Ni11Ti钢既是不锈钢又是良好的热强钢。 如汽车发动机、柴油机的排气阀、高压锅炉的过热器、化工高压反应器等。,(3) 耐磨钢,耐磨钢主要指在巨大压力和冲击载荷作用下才能发生硬化现象的高锰钢，常见的钢号是：ZGMn13。 在建筑、矿山、冶金业中，长期使用高锰钢制造的挖掘机铲斗，各种碎石机颚板、衬板、磨板。高锰钢还大量用于挖掘机、拖拉机、坦克车履带板、主动轮和支承滚轮等。,特殊性能钢,坦克、拖拉机履带,铁轨分道叉,破碎机颚板,挖掘机斗齿,耐磨钢,碳素钢与合金钢的优缺点比较及选用原则,(1)碳素钢淬透性差 碳素钢选用水淬后，其临界淬透直径为1520 mm，对于直径大于20一25mm的零件，

12、即使用水淬也不可能淬透，不能保证整个截面得到一致的综合力学性能。所以，对于要求高的大型零件，碳素钢肯定是不适用的。而合金钢具有高的淬透性，可用于大截面、形状复杂的零件。 (2)碳素钢的高温强度低，热硬性差 碳素钢在200一250以上温度使用时，其强度和硬度会很快降低。而合金钢的回火稳定件好、热硬性好，可在较高的温度下工作。,碳素钢与合金钢的优缺点比较及选用原则,(3)碳素钢不能获得良好的综合性能。 例如，采用调质处理来试图获得良好的综合性能时，若保证较高的强度，则韧度较低；告保证较好的韧度，则强度又偏低。这是因为碳素钢回火稳定性差。所以，碳素钢所得到的综合性能远较合金钢差，即合金钢具有很好的强

13、韧度。 (4)碳素钢不具有特殊的性能。 如要求高温硬度或强度，抗氧化、耐腐蚀性能，特殊电、磁性能等，碳素钢就无法满足，只能选用合金钢才能满足上述要求。,碳素钢与合金钢的优缺点比较及选用原则,碳素钢也具有一些优点： 如通过改变它的C的质量分数和进行适当的热处理，可获得许多工业生产上所要求的性能。 碳素钢价格低廉、生产容易、加工性能好，至今仍然是工业上应用最广泛的钢铁材料，占钢材总用量的80以上。 合金钢也存在不少缺点： 由于合金元素的加入，使钢的冶炼以及加工工艺性能比碳素钢差； 价格较为昂贵。 按照合理选材的原则，当碳素钢能够满足使用要求时，应尽量选用碳素钢。,思考题：,1.填表： 2.仓库中混

14、存了相同规格的20钢、45钢和T10钢，请提出一种最为简便的区分方法。 3.现拟制造如下产品，请从碳素钢中选出适用的钢号： 六角螺钉 车床主轴 钳工錾子 液化石油气罐 活搬手 脸盆 自行车弹簧 钢锉 门窗合页,4.2 铸铁,4.2.1 铸铁的成分和性能 4.2.2 铸铁的石墨化 4.2.3 铸铁的分类及用途,含碳量Wc 2.11%的铁碳合金。含有较多Si、Mn、S、P。 性能（与钢相比） 强度低，塑性、韧性差 优良的耐磨、减震性 优良的铸造和切削加工性能 不能锻造，难以焊接,4.2.1 铸铁的成分和性能,4.2.2 铸铁的石墨化及分类,按铸铁实验断口色泽不同： 白口铸铁 绝大部分碳以渗碳体的形

15、式存在。硬且脆，主要用作炼钢的原料，故通常称它为生铁 。 灰口铸铁 碳主要以游离石墨形式存在。主要应用 麻口铸铁 介于二者之间 灰口铸铁又分为： 灰铸铁 球墨铸铁 可锻铸铁 蠕墨铸铁,1.铸铁的石墨化过程及其组织,在铁碳合金中，碳可能以两种形式存在，即化合状态的渗碳体和游离状态的石墨。 铸铁组织中石墨的形成过程叫做“石墨化”过程。 石墨的晶格形式为简单六方。因其面间距较大，结合力弱，故其结晶形态易发展成片状，且强度、塑性和韧性极低，接近于零。,铁碳合金中，渗碳体并不是一种稳定的相，而石墨是一种稳定的相。在铁碳合金结晶的过程中，因为渗碳体的含碳量较石墨的含碳量更接近合金成分的含碳量，故易形成渗碳

16、体晶核。但在极其缓慢冷却条件下，或在合金中含有促进石墨化的元素时，在铁碳合金的结晶过程中，便会直接自液体或奥氏体中析出石墨相。因此，对铁碳合金的结晶过程来说，实际存在两种相图，即亚稳定状态的Fe-Fe3C相图和稳定的Fe-G相图,铁碳合金按照Fe-G相图进行结晶，则铸铁的石墨化过程可分为如下三个阶段： 第一阶段：即在1153时通过共晶反应而形成石墨； 第二阶段：自奥氏体中不断析出二次石墨； 第三阶段：通过共析反应而形成石墨。 一般，铸铁在高温冷却过程中，由于具有较高的原子扩散能力，故其第一和第二阶段的石墨化是较容易进行的，而在较低温度下的第三阶段的石墨化，则常因铸铁的成分及冷却速度等条件的不同

17、，石墨化被部分或全部抑制，从而得到三种不同的组织，即：F+G，F+P+G，P+G,2.影响石墨化过程的因素,（1）化学成分的影响 铸铁中的碳、硅、锰、硫、磷等元素对石墨化有不同影响。其中碳、硅、磷是促进石墨化的元素，锰和硫是阻碍石墨化的元素 较高的含碳量是石墨化的必要条件，而一定的含硅量是石墨化的充分条件，碳与硅含量越高越易石墨化； 若碳、硅含量过低则易出现白口； 如果碳、硅含量过高，将导致石墨数量多且粗大，基体内铁素体量多，铸铁的力学性能下降。,冷却愈慢，愈有利于扩散，对石墨化便愈有利，而快冷则阻止石墨化,（2）温度及冷却速度的影响,4.2.3 铸铁的分类及用途,按照石墨的形态和组织性能分为

18、: 灰铸铁 球墨铸铁 蠕墨铸铁 可锻铸铁 合金铸铁,1. 灰铸铁,（1）灰铸铁的化学和组织特征 （2）灰铸铁的牌号、性能及用途 （3）灰铸铁的孕育处理,（1）灰铸铁的化学和组织特征,在生产中，为使铸铁浇注后得到灰口，且不至含有过多和粗大的片状石墨，通常把铸铁的成分控制在：wC=2.5%4.0%，wSi=1.0%3.0%，wMn=0.25%1.0%，wS=0.02%0.2%，wP=0.05%0.5%。 普通灰口铸铁的组织是由片状石墨和钢的基体两部分组成的。根据不同阶段石墨化程度的不同，灰口铸铁有三种不同的基体组织,在同一牌号中，随铸件壁厚的增加，其抗拉强度降低。因此，根据零件的性能要求选择铸铁牌

19、号时，必须同时注意到零件的壁厚尺寸。,（3）灰铸铁的孕育处理,HT250、HT300、HT350属于较高强度的孕育铸铁（也称变质铸铁），这是普通铸铁通过孕育处理而得到的。由于在铸造之前向铁液中加入了孕育剂（或称变质剂），因此结晶时石墨晶核数目增多，石墨片尺寸变小，更为均匀地分布在基体中。所以其显微组织是在细珠光体基体上分布着细小片状石墨。铸铁变质剂或孕育剂一般为硅铁合金或硅钙合金小颗粒或粉，加入量为铁水总量的0.4%，当变质剂加入铸铁液内后立即形成SiO2的固体小质点，铸铁中的碳以这些小质点为核心形成细小的片状石墨。 铸铁经孕育处理后不仅强度有较大提高，而且塑性和韧性也有所改善。同时，由于孕育

20、剂的加入，还可使铸铁对冷却速度的敏感性显著减少，使各部位都能得到均匀一致的组织。因而孕育铸铁常用来制造力学性能要求较高、截面尺寸变化较大的铸件,（1）力学性能低 其抗拉强度和塑性、韧性都远远低于钢。这是由于灰口铸铁中片状石墨的存在，不仅在其尖端处引起应力集中，而且破坏了基体的连续性。石墨片的量愈多，尺寸愈大其影响也愈大。但是，石墨的存在对抗压强度影响不大，其抗压强度是抗拉强度的2.54倍。所以常用灰口铸铁制造机床床身、底座等耐压零部件。 （2）耐磨性与减振性好 由于铸铁中石墨有利于润滑及贮油，所以耐磨性好。同样，由于石墨的存在，灰铸铁的减振性优于钢。 （3）工艺性能好 由于灰铸铁含碳量高，接近

21、于共晶成分，故熔点比较低，流动性良好，收缩率小，因此适宜于铸造结构复杂或薄壁铸件。另外，由于石墨使切削加工时易断屑。所以灰铸铁的可切削加工性优于钢,灰铸铁的性能与碳钢相比，具有如下特点：,2.可锻铸铁,可锻铸铁中是由白口铸铁在固态下经长时间石墨化退火而获得的一种具有团絮状石墨的高强度铸铁，又叫马铁。由于可锻铸铁中石墨呈团絮状，所以明显减轻了石墨对基体金属的割裂。与灰铸铁相比，可锻铸铁的强度和韧性有明显提高。,铁素体基体+团絮状石墨的可锻铸铁断口呈黑灰色，俗称黑心可锻铸铁，这种铸铁件的强度与延性均较灰铸铁的高，非常适合铸造薄壁零件，是最为常用的一种可锻铸铁。 珠光体基体或珠光体与少量铁素体共存的

22、基体+团絮状石墨的可锻铸铁件断口呈白色俗称白心可锻铸铁，这种可锻铸铁应用不多,可锻铸铁的石墨化退火是将白口铸铁件加热到900980温度，一般保温6080h。炉冷使其中渗碳体分解，让“第一阶段石墨化”充分进行，形成团絮状石墨。待炉冷至770650，再长时间保温，让“第二阶段石墨化”充分进行，这样处理后获得“黑心可锻铸铁”。若取消第二阶段的770650长时间保温，只让第一阶段石墨化充分进行，炉冷后便获得珠光体基体或珠光体与少量铁素体共存的基体+团絮状石墨的“白心可锻铸铁”,可锻铸铁的牌号、性能特点及用途,牌号中的“KT”是“可铁”二字汉语拼音的大写字头，为可锻铸铁代号，“H”表示“黑心”，“Z”表

23、示珠光体基体；后面的两组数字分别表示最低抗拉强度和最低延伸率,可锻铸铁的力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间，有较好的耐蚀性，但由于退火时间长，生产效率极低，使用受到限制，故一般用于制造形状复杂、承受冲击，并且壁厚25mm的铸件（如汽车、拖拉机的后桥壳、轮彀等） 可锻铸铁亦适用于制造在潮湿空气、炉气和水等介质中工作的零件，如管接头、阀门等,3.球墨铸铁,在浇注前向铁液中加入一定量的球化剂（如镁、稀土或稀土镁）和少量的孕育剂（硅铁和硅钙）进行球化处理和孕育处理，在浇注后可获得具有球状石墨结晶铸铁，称为球墨铸铁，简称“球铁”,（1）球墨铸铁的化学成分和组织特征,球墨铸铁的大致化学成分范围是： C=3.6%3.9%，Si=2.0%3.0%，Mn=0.3%0.8%，P0.1%，S0.07%，Mg=0.03%0.08% 球墨铸铁的成分特点是：碳当量较高（一般在4.34.6%），含硫量较低。 球墨铸铁的显微组织由球形石墨和金属基体两部分组成。随着成分和冷却速度的不同球墨铸铁在铸态下的金属基体可分为铁素体、铁素体+珠光体、珠光体三种.,（2）球墨铸铁的牌号、性能特点及用途,具有远远超过灰口铸铁的机械性能， 同样具有灰口铸铁的一系列优点，如良好的铸造性，减摩性，切削加工性及低的缺口敏感