1、工程材料及熱加工碳鋼和鑄鐵第1頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三 鋼鐵材料通常包括鋼和鑄鐵，即指所有FeC基合金。其中鋼又分為碳(素) 鋼和合金鋼。FeC基合金自身的結構特性和其成分的可調性使得鋼鐵材料的性能具有多樣性，是目前各行各業尤其是機械工業中不可缺少的基礎材料。而鋼材由于冶煉質量高，綜合性能更好，價格便宜，應用面廣。其中又以碳(素) 鋼應用最為廣泛，它是各種機器零件和結構的主要材料。 為了在生產上合理選擇、正確使用各種鋼鐵材料，必須簡要的了解我國鋼鐵材料的分類、編號和用途，以及一些雜質元素對鋼鐵材料的影響。第2頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期

2、三一、碳鋼1、鋼中常存雜質元素的影響 常用的鋼材中除Fe、C元素外，還含有極少量的由原料，冶煉及加工過程中遺留下來的Mn、Si、P、S等雜質元素，這些元素對鋼的性能有一定的影響。1.1 Mn的影響（一般認為有益）來源：生鐵、脫氧劑作用：固溶強化F；形成合金滲碳體；形成MnS。1.2 Si的影響（一般認為有益）來源：生鐵、脫氧劑作用：固溶強化F，使鋼的強度、硬度、彈性均提高，塑性、韌性均下降。1.3 S的影響（認為有害，嚴加控制）來源：生鐵、燃料作用：熱脆（FeS Fe 共晶體，晶界，985）對策：加Mn好處：易切削鋼（斷屑、潤滑）第3頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三1.

3、4 P的影響（認為有害，嚴加控制）來源：生鐵作用：冷脆（使室溫下鋼的塑性、韌性急劇下降，并使脆性轉變溫度有所升高，使鋼變脆）好處：炮彈用鋼，改善切削性1.5 H的影響（認為有害，嚴加控制）來源：爐料、空氣潮濕、澆注系統帶有水分作用：氫脆（塑性下降、脆性提高） 白點（引起大量的裂紋，使斷面收縮率、沖擊韌性下降）1.6 O的影響（認為有害，嚴加控制）作用：形成非金屬夾雜物1.7非金屬夾雜物的影響（認為有害，嚴加控制）來源：爐渣、耐火材料、反應產物作用：降低鋼的力學性能（塑性、韌性、疲勞極限） 使材料各向異性第4頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三2、鋼的分類2.1按冶煉方法分：

4、平爐鋼、轉爐鋼、電爐鋼2.2按脫氧方法分：沸騰鋼F、半鎮靜鋼Z、鎮靜鋼b、特殊鎮靜鋼TZ2.3按冶金質量分：主要是以鋼中的有害雜質硫、磷的含量不同進行區分：普通質量鋼 wP(0.045%）,wS(0.045%）優質鋼 wP(0.035%），wS(0.035%）高級優質鋼 wP(0.025%），wS(0.030%）特級優質鋼 wP(0.015%），wS(0.025%）2.4按含碳量分：低碳鋼（含碳量小于0.25%）中碳鋼（含碳量為0.250.6%）高碳鋼（含碳量大于0.6%）。第5頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三2.5 按用途分：結構鋼：用于制作工程結構和制造機器零件。

5、工程結構用鋼也叫工程構件用鋼，又可分為建筑用鋼, 橋梁用鋼, 船舶用鋼及車輛和壓力容器用鋼等, 。機器零件用鋼一般用優質或高級優質鋼制作，主要包括滲碳鋼、 調質鋼、 彈簧鋼和軸承鋼等。工具鋼：用于制造各種加工和測量工具，按用途可分為刃具鋼、模具鋼和量具鋼。特殊性能鋼：具有特殊的物理化學性能，可分為不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼和耐寒鋼等。2.6 按供貨態分：退火態、正火態第6頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三3、碳素結構鋼這類鋼雜質和非金屬夾雜物多，但冶煉容易，工藝性好，價格低廉，故普遍使用。碳素結構鋼主要用于一般結構和構件，產品有熱軋鋼板、鋼帶、型鋼、棒鋼，可供焊接、鉚接、拴結

6、構用。一般在供貨狀態下使用。（非熱處理鋼）該類鋼牌號表示方法是由代表屈服點的字母（Q），屈服強度數值（MPa值），質量等級符號（A，B，C，D）及脫氧方法符號（F，b，Z，TZ）等四部分按順序組成。質量等級符號表示普碳鋼中雜質硫磷含量的高低， A，B，C，D質量依次提高。 如Q235-A.F，表示屈服強度數值為235MPa的A級沸騰鋼。第7頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三第8頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三第9頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三4、優質碳素結構鋼這類鋼與碳素結構鋼相比，有害雜質和非金屬夾雜物含量較少，塑性韌性

7、較高多用于制造重要零件。這類鋼出廠時既要保證化學成分又要保證力學性能，是一種熱處理鋼。該類鋼的牌號用鋼中平均含碳量的兩位數字表示，單位為萬分之一。如鋼號45，表示平均含碳量為0.45%的鋼，這是正常含錳量（按雜質含量）的優質碳素結構鋼的鋼號表示方法。 對含錳量較高的鋼，須將錳元素標出。所謂較高含錳量是指含碳量大于0.6%、含錳量在(0.91.2)%者及含碳量小于0.6%、含錳量(0.71.0)%者，數字后面附加化學元素符號“Mn”。例如鋼號25Mn，表示平均含碳量為0.25%而含錳量為(0.71.0)%的鋼。用途第10頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三5、碳素工具鋼這類鋼

8、是含碳量為0.651.35 碳素鋼，主要用于制造各種小型工具，可進行淬火、低溫回火獲得高硬度和高耐磨性。分為優質級和高級優質級(A) 兩類。碳素工具鋼是在鋼號前加“T”表示，其后跟以表示鋼中平均含碳量的千分之幾的數字。 如平均含碳量為0.8%的工具鋼，其鋼號記為“T8”。含錳量較高者須在鋼號后標以“Mn”。若為高級優質碳素工具鋼則在鋼號末端加“A”，如T10A。隨含碳量的增大，硬度耐磨性增大，韌性下降。第11頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三第12頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三6、鑄造碳素鋼用鑄造方法澆注成型鑄件所用的鋼稱為鑄造碳素鋼，其含碳量一

9、般在0.150.60 之間。主要用于制造形狀復雜，難以鍛造，而且要求具有高強度韌性的零件。鑄造工藝性差，易出現澆不足，縮孔，晶粒粗大等缺陷。鑄造碳素鋼是在鋼號前加“ZG”表示，其后跟的第一組數字表示屈服強度(Mpa) ，第二組數字表示抗拉強度(Mpa) 。如：ZG200400第13頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三二、鑄鐵1、概述成分：鑄鐵是含碳量大于2.11%的鐵碳合金，其主要組成元素為鐵、碳、硅和一定量的錳，而硫磷等雜質的含量也比普通碳鋼要高。工業上常用鑄鐵的成份范圍大致為：C(2.54.0)%、Si(1.03.0)%、Mn(0.51.4)%、P(0.010.5)%、

10、S(0.020.20)%等，還可以加入一定量的合金元素以改善和提高鑄鐵的力學及物理化學性能。性能：鑄鐵是人類社會最早使用的金屬材料之一，但由于鑄鐵成本低廉，生產工藝簡單并具有優良的鑄造性能和切削加工性能，有很高的耐磨減摩性和消震性以及低的缺口敏感性等，使其目前仍然是機械制造業中最重要的材料之一。例如，機床的床身、床頭箱、尾架、內燃機的氣缸體、缸套、活塞環以及凸輪軸、曲軸等都是鑄鐵制造的。在農用機械、汽車、拖拉機、機床等行業中，鑄鐵件約占總重量的(4090)%。但其強度、韌性、塑性較差，不易進行鍛造。第14頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三2、鑄鐵的石墨化第15頁，共29頁

11、，2022年，5月20日，20點5分，星期三3、鑄鐵的分類根據鑄鐵石墨化程度的不同分：白口鑄鐵：碳完全以碳化物的形式存在。 性能硬脆，斷口白亮，工業上很少應用，主要作煉鋼原料。麻口鑄鐵：碳部分以碳化物的形式存在，部分以石墨的形式存在。 性能硬脆，斷口黑白相間，工業上很少應用。灰口鑄鐵：碳完全以石墨的形式存在。 斷口暗灰色，應用廣泛。根據石墨結晶形態的不同分：灰口鑄鐵：石墨呈片狀球墨鑄鐵：石墨呈球狀蠕墨鑄鐵：石墨呈蠕蟲狀可鍛鑄鐵：石墨呈團絮狀根據化學成分的不同分：普通鑄鐵、合金鑄鐵第16頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三4、灰口鑄鐵4.1灰口鑄鐵的成分、組織、性能和用途灰鑄

12、鐵的成分大致范圍為：(2.54.0)%C，(1.03.0)%Si，(0.251.0)%Mn，(0.020.20)%S，(0.050.50)%P。具有上述成分范圍的鑄鐵水當緩慢冷卻結晶時，將發生石墨化，且析出片狀石墨。其斷口的外貌呈淺灰色，故稱為灰口鑄鐵（灰鐵）。組織特征：普通灰鑄鐵的組織是有片狀石墨和鋼的基體組成，其片狀石墨形態或直或彎且不連續。鋼的基體根據石墨化進程不同可以是F、F+P或P三種，其顯微組織如圖所示。第17頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三與普通鋼材相比，灰鑄鐵具有如下性能特征： 機械性能低：灰鑄鐵的抗拉強度低，這是由灰鑄鐵的組織特征決定的，其組織中的低性

13、能石墨, 實際上就相當于布滿于材料內的孔洞或裂紋，在受載時其對鋼基體有很強的分割和應力集中效應，大大降低了材料的強度和塑性。 優異的耐磨性和消震性：鑄鐵中的石墨因其層狀結構而有潤滑作用，而當低強度的石墨磨損后留下的空隙有利于貯油，從而使灰鐵的耐磨性好；同樣石墨的存在使灰鐵的有較好的消震性。 工藝性能好： 鑄造性：灰鑄鐵的成分接近于相圖中的共晶成分點，熔點較低，使材料在鑄造時流動性好，分散縮孔少，能制造復雜形狀的零件；切削性：而石墨的潤滑效應和斷屑作用有利于材料的切削加工。牌號：“HT”表示“灰鐵”二字的漢語拼音大寫字首，“HT”后的數字表示鑄鐵的最低抗拉強度值。如HT200表示最低抗拉強度為2

14、00MPa的灰鑄鐵。第18頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三第19頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三4.2灰口鑄鐵的熱處理 灰口鑄鐵的熱處理只能改變其基體組織，不能改變石墨的形態和分布，即熱處理不能顯著改善灰鑄鐵的力學性能。熱處理主要用來消除鑄件的內應力，穩定尺寸，消除白口組織和提高鑄鐵的表面性能。去應力退火：鑄件在鑄造冷卻過程中由于形狀尺寸不均容易造成內應力，可能會導致鑄件的翹曲開裂，因此為保證尺寸穩定和防止變形開裂，對一些形狀復雜的鑄件如機床床身，柴油機汽缸等，常常要進行去應力退火（又稱人工時效）。工藝規范一般為：隨爐緩慢加熱至(500550)

15、，保溫一段時間（每10mm的有效厚度保溫2h）后，隨爐緩冷至(150200) 出爐空冷。消除白口退火：灰鑄鐵表面及一些薄截面處，在冷卻時易產生白口，增加了表面硬度和切削加工困難，需要退火消除之。其工藝規范為： 厚壁鑄件：緩慢加熱至(850950)(C保溫(23)h 薄壁鑄件：緩慢加熱至(800900)(C保溫(25)h第20頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三 冷卻方式要根據材料的使用性能要求而定，如果主要是為了減低硬度改善切削加工性能，可采用爐冷至400500 出爐空冷；若要保持鑄件表面的耐磨性，則可采用直接空冷得到珠光體基的灰口鐵表面淬火：為了提高某些鑄件的表面硬度，可

16、對鑄鐵進行表面淬火。常用的方法有高（中）頻感應加熱表面淬火，還可用火焰加熱，激光加熱，等離子加熱和電接觸加熱等新型表面淬火方法。例如，機床導軌用高（中）頻淬火時，表面基體淬硬層深度約為1.12.5（34）mm，硬度為HRC50。第21頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三5、球墨鑄鐵（球鐵）5.1球墨鑄鐵的成分、組織、性能和用途 石墨呈球狀的鑄鐵即為球墨鐵鑄，簡稱球鐵。它比普通灰鑄鐵具有高得多的強度、塑性和韌性，同時較好地保留了普通灰鑄鐵具有耐磨、消震、減磨、易切削、好的鑄造性能和對缺口不敏感等特性。它比可鍛鑄鐵的力學性能也更高，且產生工藝簡單，周期短，不受鑄件尺寸限制。此外

17、，球鐵與鋼相同，可進行各種熱處理改變金屬基體的組織，能使力學性能大大提高。所以球鐵是最重要的鑄造金屬材料。球鐵是液體鐵水經球化處理及孕育處理后結晶而獲得。常用球化劑有鎂、稀土或稀土鎂；孕育劑常用的是硅鐵和硅鈣。球鐵的大致化學成分如下：(3.84.0)%C， (2.02.8)%Si，(0.60.8)%Mn，S0.04%，P0.1%， (0.030.08)% Mg。 牌號：“QT”代表球鐵二字的漢語拼音字頭，后面的第一組數字代表該鑄鐵的最低抗拉強度值，第二組數字代表其最低延伸率值。 例如：QT40018 第22頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三球墨鑄鐵的組織特征：球鐵的顯微組

18、織由球形石墨和金屬基體兩部分組成。隨著成分和冷速的不同，球鐵在鑄態下的金屬基體可分為鐵素體，鐵素體+珠光體和珠光體三種。在光學顯微鏡下觀察，石墨的外觀接近于球形，但在電子顯微鏡下觀察到球形石墨實際上是由許多倒錐形的石墨晶體所組成的一個多面體。第23頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三球墨鑄鐵的性能特點：與灰鑄鐵相比，球墨鑄鐵具有較高的抗拉強度和彎曲疲勞極限，也具有相當良好的塑性、韌性及耐磨性，球鐵是力學性能最好的鑄鐵。這是由于球形石墨對金屬基體截面削弱作用較小，使得基體比較連續，且在拉伸時引起應力集中的效應明顯減弱，從而使基體的作用可以從灰鑄鐵的(3050)%提高到(709

19、0)%；另外，球鐵的剛性也較灰鑄鐵好，但球鐵的消震能力比灰鑄鐵低很多。優異的力學性能使球鐵可用于制造承載較大，受力復雜的機器零件。如鐵素體球鐵常用于制造受壓閥門、機器底座、減速器殼等；珠光體球鐵常用于制作汽車、拖拉機的曲軸、連桿、凸輪軸及機床主軸、蝸輪蝸桿、軋鋼機輥、缸套、活塞等重要零件；下貝氏體球鐵可制造汽車拖拉機的蝸輪、傘齒輪等。第24頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三第25頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三5.2球墨鑄鐵的熱處理 球鐵中金屬基體是決定球鐵機械性能的主要因素，所以像鋼一樣，球鐵可通過合金化和熱處理強化的辦法進一步提高它的機械性能。球鐵的熱處理方法主要有退火、正火、淬火及回火、等溫淬火和表面熱處理。第26頁，共29頁，2022年，5月20日，20點5分，星期三6、可鍛鑄鐵可鍛鑄鐵是由一定成分的白口鐵經過可鍛化（石墨化）退火而獲得的具有團絮狀石墨的鑄鐵。其大致成分范圍為：(2.42.7)%C，(1.41.8)%Si，(0.50.7)%Mn，0.008%P， 0.025%S；同時為縮短石墨化退火周期，還往往向鑄鐵中加入B、Al、Bi等孕育劑（可縮短一半多時間）。牌號：“KTH”和“KTZ”分別表示鐵素體基體可