1、主講：任主講：任 云云 鵬鵬Email: 5.4第5章 工業用鋼及鑄鐵5.5鋼的綜述鋼的綜述結構鋼結構鋼工具鋼工具鋼特殊性能鋼特殊性能鋼鑄鐵鑄鐵工業用鋼按化學成分分為工業用鋼按化學成分分為碳素鋼碳素鋼和和合金鋼合金鋼兩大類。兩大類。碳素鋼是指含碳量低于碳素鋼是指含碳量低于2.11%的鐵碳合金。的鐵碳合金。合金鋼是指為了提高鋼的性能，合金鋼是指為了提高鋼的性能， 在碳鋼中加入一定量合金元素在碳鋼中加入一定量合金元素 所獲得的鐵基合金。所獲得的鐵基合金。 5.1.1、鋼材生產簡介、鋼材生產簡介5.1 鋼的綜述鋼的綜述1、鋼的制取、鋼的制取鐵的冶煉：還原鐵礦石得到生鐵生鐵（2.11

2、%）鋼的冶煉：氧化生鐵或碳鋼，使其碳含量降低到一定范圍；同時也可降低雜質（Mn、Si、S、P）含量或加入合金元素。脫氧處理程度：鎮靜鋼（脫氧完全）和沸騰鋼（脫氧不完全）2、鋼的型材加工、鋼的型材加工澆鑄、鍛造、軋制、擠壓、拉拔3、鋼的質量、鋼的質量雜質Si、Mn、S、P的影響氣體氫的影響：白點，導致材料突然斷裂。非金屬夾雜物的影響：降低材料塑性，成為裂紋源。Si硅是有益的元素： 可消除FeO對鋼的不良影響；強化鐵素體：固溶強化。作為雜質其含量應小于0.4%。Mn錳是有益的元素： 可清除鋼中的FeO，改善鋼的品質。強化鐵素體：固溶強化。 最高含量可達1.2%。u鋼中基本元素為：鋼中基本元素為：F

3、e 、C；u主要雜質元素有：主要雜質元素有：Si、Mn、S、P。雜質雜質Si、Mn、S、P對鋼性能的影響對鋼性能的影響 硫是有害元素：硫是有害元素：常以FeS形式存在。易與Fe在晶界上形成低熔點共晶產物(985)，熱加工時(11501200)，由于其熔化而導致開裂，稱熱脆性。鋼中的硫應控制在0.045%以下。Mn可消除硫的有害作用, FeS + Mn Fe + MnS， MnS熔點高(1600)。磷是有害元素：磷是有害元素：l能全部溶入鐵素體中，使鋼在常溫下硬度提高，塑性、韌性急劇下降，稱冷脆性。lP一般控制在0.045%以下。比利時阿爾伯特運河鋼橋因高磷產生冷比利時阿爾伯特運河鋼橋因高磷產生

4、冷脆性于脆性于1938年冬發生斷裂墜入河中年冬發生斷裂墜入河中 5.1.2鋼的分類、編號和成分鋼的分類、編號和成分1.1.鋼的分類鋼的分類1 1）按化學成分）按化學成分 中碳鋼 0.250.6%C高碳鋼 0.6%C低碳鋼 0.25%C低合金鋼 合金元素總量 5%中合金鋼 5% 合金元素總量 10%高合金鋼 合金元素總量 10%碳素鋼合金鋼鋼鋼 類類碳碳 素素 鋼鋼合合 金金 鋼鋼SPSP普通鋼普通鋼0.0550.0450.0450.045優優 質質 鋼鋼0.040.040.0350.035高級優質鋼高級優質鋼0.0300.0350.0250.025特級優質鋼特級優質鋼0.0200.0250.0

5、150.0252 2）按質量）按質量u鋼的質量是以磷、硫的含量來劃分的。u分為普通質量鋼、優質鋼、高級優質鋼和特級優質鋼.u根據現行標準，各質量等級鋼的磷、硫含量如下： 3 3）按用途）按用途 工程結構鋼 建筑、橋梁、船舶、車輛滲碳鋼調質鋼彈簧鋼軸承鋼鑄鋼機器結構鋼結 構 鋼刃具鋼模具鋼量具鋼工 具 鋼不銹鋼耐熱鋼耐磨鋼特 殊 性能 鋼2 2、鋼的編號、鋼的編號u編號原則：編號原則：根據編號可大致看出鋼的成分和用途。u編號方法：編號方法：漢語拼音字母、化學元素符號和阿拉伯數字相結合。采用漢語拼音字母表示鋼產品的名稱、用途、特性和工藝方法時，一般從代表鋼產品名稱的漢字的漢語拼音中選取第第一個字母

6、一個字母。碳鋼的編號方法碳鋼的編號方法1 1）碳素結構鋼）碳素結構鋼牌號：Q+最低屈服強度值+質量等級符號+脫氧方法符號Q表示“屈服強度”；屈服強度值單位是MPa；質量等級符號為A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，質量提高。脫氧程度: 沸騰鋼F；鎮靜鋼Z；半鎮靜鋼B；特殊鎮靜鋼TZ。例如：碳素結構鋼牌號表示為Q235AF、Q235BZ。2 2）優質碳素結構鋼）優質碳素結構鋼牌號：兩位數字（表示鋼平均含碳量的萬分之幾）。例如：45鋼平均含碳量為萬分之四十五萬分之四十五（即0.45%）的優質碳素結構鋼。含Mn量為0.71.0%時，在兩位數字后加元素符號“Mn”，如40Mn。高級優質

7、鋼在鋼號后加字母A，如20A。 3 3）碳素工具鋼）碳素工具鋼牌號組成：T+數字（表示平均含碳量的千分數千分數）如T8其平均含碳量為千分之八(0.8%C)。碳素工具鋼都是優質以上質量的。高級優質鋼在鋼號后加“A”或“Mn”，例如：T8Mn，T10A絲錐絲錐銼刀銼刀4 4）工程用鑄造碳鋼）工程用鑄造碳鋼牌號組成：ZG + 數字-數字ZG表示“鑄鋼”；兩位數字分別表示屈服強度和抗拉強度，單位為MPa例如：ZG200-400鑄鋼件鑄鋼件2.5噸大齒輪鑄件噸大齒輪鑄件合金鋼的編號方法合金鋼的編號方法1 1）低合金高強度鋼）低合金高強度鋼牌號：與碳素結構鋼編號一致低合金高強度結構鋼都是鎮靜鋼或特殊鎮靜鋼

8、，其牌號中沒有表示脫氧方法的符號。如Q345C。根據需要，低合金高強度結構鋼的牌號也可以采用兩位阿拉伯數字（表示平均含碳量的萬分之幾）和化學元素符號，按順序表示，如16Mn。說明：通常情況下，屈服強度值小說明：通常情況下，屈服強度值小300MPa時為碳素結構鋼，大于時為碳素結構鋼，大于300MPa時為低合金高強度鋼。時為低合金高強度鋼。2) 2) 合金結構鋼合金結構鋼牌號：兩位數字（表示平均含碳量的萬分之幾）+合金元素符號+該元素百分含量數字+當合金元素的平均含量小于1.50%時，只標元素符號，不標含量。高級優質鋼在牌號后加字母“ A”，如60Si2MnA。易切削鋼在牌號前加“ Y”, 如Y4

9、0Mn，表示平均含碳量為0.4%，平均含錳量小于1.5%的易切削鋼。滾動軸承鋼在鋼號前加“G”，鉻含量以千分之幾來表示。如“GCr15SiMn”的平均含鉻量為1.5%，Si、Mn的含量小于1.5%的滾動軸承鋼。3 3） 合金工具鋼合金工具鋼牌號：含碳量+合金元素符號+該元素百分含量+u當含碳量小于1.00%時，含碳量用一位數字標明，這一位數字表示平均含碳量的千分之幾，如8MnSi。u當含碳量大于1.00%時，不標含碳量。當合金元素的平均含量小于當合金元素的平均含量小于1.50%時，只標元素符號，時，只標元素符號，不標含量。不標含量。銑刀銑刀4 4）特殊性能鋼）特殊性能鋼牌號：數字（含碳量的千分

10、之幾）+合金元素符號+該元素百分含量+含碳量的表示方法為：含碳量的表示方法為：當平均含碳量不大于當平均含碳量不大于0.03%及及0.08%時，時，鋼號前分別冠以鋼號前分別冠以00及及0表示。表示。例如：例如：2Cr13渦輪葉片渦輪葉片3、各類鋼的成分特點、各類鋼的成分特點l簡單了解，見表簡單了解，見表5-35.1.3 碳鋼和合金鋼的特點碳鋼和合金鋼的特點1、碳鋼的特點、碳鋼的特點碳鋼是含碳量小于2.11%的鐵碳合金。常用碳鋼為含碳量都小于1.4%，并含有硅、錳、硫、磷等雜質的金屬材料。強度、硬度取決于含碳量，可通過熱處理進一步提高。l 低碳鋼： 強度、硬度低，塑性、韌性好，適于冷、熱加工與焊接

11、。l 中碳鋼：綜合性能相對較好，可制作齒輪、主軸及連桿等重要機械零件。l 高碳鋼： 耐磨性好、硬度中等，可制作刃、模、量具等易磨損的零件。 淬透性低、回火穩定性差且易開裂。高、低溫性能差、易被腐蝕成型工藝及熱處理工藝簡單，成本低、價格便宜。2 2、合金鋼的特點、合金鋼的特點為了改善鋼的某些性能，特意加入一種或幾種合金元素所煉成的鋼。合金鋼的性能特點：具有較高的強度和塑性一般都要淬火和回火。淬硬性主要取決于含碳量-具有較高的淬透性。具有較高的熱硬性及其它性能，如抗腐蝕性、磁性等。成本高，成型工藝和熱處理工藝復雜。3 3、合金元素在鋼中的作用合金元素在鋼中的作用合金元素可分為碳化物形成元素和非碳化

12、物形成元素非碳化物形成元素：Ni、Co、Al、Si等。碳化物形成元素：Mn、Cr、Mo、W、V、Nb、Zr、Ti等。1 1）強化鋼材）強化鋼材 固溶強化：非碳化物形成元素第二相強化和細晶強化：碳化物形成元素 增大鋼的淬透性： Mn、Ni、Cr、Mo、B 提高鋼的回火穩定性：Si、 Mo、W、V2 2）使鋼具備特殊性能）使鋼具備特殊性能 耐蝕鋼、奧氏體不銹鋼、熱穩定鋼、熱強鋼3 3）合金元素對鋼的工藝性能的影響）合金元素對鋼的工藝性能的影響合金元素使鋼的鑄造性能下降（熔點較高的合金元素使液態金屬黏度增加）。合金元素使鋼的鍛造性能下降。合金元素對焊接性能的影響通過碳當量碳當量(應小于0.4%)來判

13、斷。合金元素使鋼的切削性能下降。1556CuNiVMoCrMnccwwwwwwwweq結構鋼按用途可分為： 工程結構鋼和機器結構鋼。對結構鋼的性能要求為：使用性能以強韌性為主。工藝性能以可焊性、淬透性好為主。5.2 結構鋼結構鋼1 1、普通碳素鋼、普通碳素鋼成分：2.11%，并含有較多硅、錳、硫、磷等元素的多元鐵基合金。p性能優點： 結晶溫度范圍窄，熔點低、流動性好、具有良好的鑄造性能。生產設備和工藝簡單，成本低。缺點：強度、塑性、韌性都比鋼差。應用最廣泛的材料之一。 5.5 鑄鐵鑄鐵例如，機床床身、內燃機的汽缸體、缸套、活塞環及軸瓦、曲軸等都可用鑄鐵制造。鑄鐵曲軸鑄鐵曲軸內燃機汽缸內燃機汽缸

14、鑄鐵的石墨化：u鑄鐵中碳原子析出，并形成石墨的過程稱為石墨化。uFe3C是亞穩相，在一定條件下將發生分解： Fe3C3Fe+C（石墨） 在鐵碳合金中，C是以兩種形式存在的，一種是化合形式的Fe3C，一種是游離狀態的石墨。u鑄鐵的石墨化條件：（1）長時間保溫（2）加入促進石墨化元素時。如：Si共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵F基體球墨鑄鐵基體球墨鑄鐵存在兩個鐵碳相圖： Fe-Fe3C和Fe-G雙重相圖u共晶反應生成奧氏體和石墨u奧氏體中析出石墨u共析反應析出鐵素體和石墨L+GL+Fe3C鑄鐵的分類：鑄鐵的分類：根據石墨化程度和碳在鑄鐵中的存在形式可以分為：白口鑄鐵、灰口鑄鐵。u白口鑄鐵：C絕大多數都是以

15、Fe3C的形式存在的。斷口是銀白色。有較大的硬脆性，一般不用作機器零件。u灰口鑄鐵：C的存在形式主要為石墨，斷口為灰黑色。灰鑄鐵是鑄造性能最好、應用最廣泛的鑄鐵材料。u灰口鑄鐵有根據石墨的存在形式分為：灰鑄鐵灰鑄鐵、蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵、球墨鑄鐵球墨鑄鐵和可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵。 5.5.1 灰鑄鐵灰鑄鐵基體組織有鐵素體鐵素體、珠光體珠光體和片狀石墨片狀石墨三種。性能：強度、彈性模量較低，塑性、韌性接近零。抗壓強抗壓強度大度大，具有減振和自潤滑作用自潤滑作用。制造承受壓力和震動的零件，如機床床身、各種箱體、殼體、泵體、缸體。不適于鍛造、沖壓，焊接性能差，鑄造性能好，切削性能好。灰鑄鐵的牌號和用途：表5-

16、19HT+三位數字：灰鑄鐵+最低抗拉強度 如HT100 、HT200影響鑄鐵組織和性能的因素：n化學成分：C和Si：含量越高，析出石墨越多、越粗大。Si是促進石是促進石墨化的元素墨化的元素，如含量過低，石墨難以形成。C和Si的含量越高，鑄造性能越好。Mn和S：S阻礙石墨化，增加鑄鐵的熱脆性，降低鑄造性能。Mn可與S形成MnS，降低S的有害作用。P不影響石墨化，但會增加鑄鐵的冷脆性。n冷卻速度：冷卻速度快抑制石墨析出，速度慢，石墨可順利析出。孕育鑄鐵：向低碳（2.73.3%）、低硅（12%）的鐵水中加入少量孕育劑再澆注的鑄鐵。n外來彌散質點增加石墨結晶晶核：石墨易于析出，切細小、均勻，獲得珠光體

17、組織。n冷卻速度對孕育鑄鐵的組織性能影響較小。孕育劑：n硅鐵n硅鈣鐵灰鑄鐵選用：表5-195.5.2 蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵 u鐵水加入變質劑后，石墨呈蠕蟲狀石墨呈蠕蟲狀，長寬比為210。u與灰鑄鐵相比，石墨端部變圓，應力集中小，力學性能明顯提高。u蠕墨鑄鐵常用于制造承受熱循環載荷的零件和結構復雜、強度要求高的鑄件。如鋼錠模、玻璃模具、柴油機汽缸、汽缸蓋、排氣閥、液壓閥的閥體、耐壓泵的泵體等。蠕墨鑄鐵的顯微組織蠕墨鑄鐵的顯微組織蠕墨鑄鐵中的石墨蠕墨鑄鐵中的石墨珠光體基體珠光體基體鐵素體基體鐵素體基體蠕墨鑄鐵制作的零件蠕墨鑄鐵制作的零件5.5.3. 可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵 石墨呈團絮狀石墨呈團絮狀的灰口鑄鐵，是由白口鑄鐵經石墨化退火獲得的。u具有比灰鑄鐵更好的韌性、塑性及強度。u可鍛鑄鐵不可鍛可鍛鑄鐵不可鍛黑心可鍛鑄鐵黑心可鍛鑄鐵 用途：用于制造形狀復雜且承受振動載荷的薄壁小型件，如汽車、拖拉機的前后輪殼、管接頭、低壓閥門等。但成但成本太高。本太高。5.5.4.球墨鑄鐵球墨鑄鐵 u灰口鑄鐵加入球化劑后，石墨呈球形石墨呈球形的灰口