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第四章 鋼鐵材料教案課 程機(jī)械工程基礎(chǔ)專業(yè)電機(jī)與電器 課 時2班 級12電機(jī)訂單、唯真教師孫敏課 型授新課課 題鋼鐵材料 概述 工業(yè)用鋼教 法多媒體講授教 具投影儀，PPT教 學(xué) 目 標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)： 1、掌握碳素鋼、合金工具鋼的種類、牌號、性能特點(diǎn)及應(yīng)用 ； 2、掌握常用特殊性能鋼的種類、牌號、性能特點(diǎn)及應(yīng)用； 3、能夠識別我國合金工具鋼及常用特殊性能鋼的牌號 4.了解鑄鐵的分類； 5.了解灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵的組織和性能； 6.掌握灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵的的牌號及其主要用途；教 學(xué) 重 點(diǎn)碳素鋼、合金工具鋼的種類、牌號、性能特點(diǎn)及應(yīng)用灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵的的牌號及其主要用途；教 學(xué) 難 點(diǎn)碳素鋼、合金工具鋼的種類、牌號、性能特點(diǎn)及應(yīng)用灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵的組織和性能教 學(xué) 過 程主要教學(xué)環(huán)節(jié)、內(nèi)容及組織備注復(fù)習(xí)：金屬材料的分類 新授： 鋼鐵材料 第一節(jié) 概述工業(yè)上常用的金屬材料分為黑色金屬和有色金屬兩大類。黑色金屬是指鋼和鑄鐵，有色金屬則括除鋼鐵以外的金屬及其合金。一鋼中雜質(zhì)對其性能的影響 鋼中的雜質(zhì)元素對鋼材的性能影響很大，下面簡述四種主要元素對鋼的影響。1）硅的影響硅在鋼中也是一種有益元素。它一般是用硅鐵脫氧而殘留在鋼中的，與錳一樣，能溶于鐵素體，使鋼的強(qiáng)度、硬度、強(qiáng)性均提高，使塑性、韌性均降低。當(dāng)硅在鋼中作為雜質(zhì)元素，它的含量控制在0.5%以下。2）錳的影響 錳在鋼中是有益元素。碳鋼中含錳量通常要在0.250.8%間，在含錳合金鋼中，一般控制在1.01.2%。錳除了脫氧，清除鋼中的FeO產(chǎn)生的影響外，錳大部分溶于鐵素體中，形成置換固溶體，使鐵素體強(qiáng)化。錳能增加珠光體相對量并細(xì)化它，使鋼的強(qiáng)度提高；錳也能與硫化合生成高熔點(diǎn)的硫化錳（MnS），以減輕硫的有害作用。3）硫的影響 硫在鋼中是有害雜質(zhì)。硫不溶于鐵，而以化合物FeS形式存在，F(xiàn)eS與Fe形成低熔點(diǎn)（985）的共晶物，分布在晶界上，當(dāng)鋼材在10001200 下進(jìn)行壓力加工時，使共晶體溶化，變脆開裂，這種現(xiàn)象稱為熱脆。所以鋼中的硫必須嚴(yán)格控制。鋼中加錳，可消除硫的有害作用，因Mn與S能形成MnS，熔點(diǎn)達(dá)1620，高溫下塑性好的MnS呈點(diǎn)狀分布，避免熱脆的影響。 4）磷的影響 磷也是一種有害雜質(zhì)，它部分溶于鐵素體中，部分形成脆性很大的化合物Fe3P，使室溫下鋼的塑性、韌性急劇下降，脆性轉(zhuǎn)變溫度升高，使鋼變脆，這種現(xiàn)象稱為冷脆性。磷也使鋼的焊接性能變壞。雖然磷在改善切削性及抗腐蝕性方面對鋼有好處，但相對于明顯的不利方面，一般鋼中都需嚴(yán)格控制磷的含量。另外，氧、氫等對鋼的性能帶來不利影響，是有害雜質(zhì)。二、合金元素在鋼中的主要作用一）對鋼基本相的影響1、強(qiáng)化鐵素體2、形成合金化合物二）對相圖的影響三）對鋼熱處理的影響2. 碳素鋼的分類及牌號 碳素鋼的種類很多，常按以下方法分類。 （1）按鋼的化學(xué)成分分類 碳素鋼： 低碳鋼（0.0218%wC0.25%）； 中碳鋼（0.25%wC0.60%）； 高碳鋼（0.60%wC2.11%。 合金鋼：低合金鋼 中合金鋼 高合金鋼（2）按鋼的主要質(zhì)量等級分類 普通質(zhì)量碳素鋼（wS0.050%,wP0.045%）； 優(yōu)質(zhì)碳素鋼（wS0.035%，wP0.035%） 高級優(yōu)質(zhì)鋼； 特殊質(zhì)量碳素鋼（wS0.020%，wP0.020%） (3) 按鋼的用途分類 碳素結(jié)構(gòu)鋼：主要用于制作機(jī)械零件和工程構(gòu)件，一般屬于低、中碳鋼；碳素工具鋼：主要用于制作量具、刃具和模具，一般屬于高碳鋼。特殊性能鋼：工程中常用的特殊性能鋼有耐磨鋼、耐熱鋼、不銹鋼等。此外，鋼按冶煉方法不同，可分為轉(zhuǎn)爐鋼和電爐鋼；按冶煉時脫氧程度的不同，可分為沸騰鋼、鎮(zhèn)靜鋼、半鎮(zhèn)靜和特殊鎮(zhèn)靜鋼等。一、碳素鋼：含碳量大于0.0218小于2.11，且不含特意加入合金元素的鐵碳合金，稱為碳素鋼或非合金鋼，簡稱碳鋼。碳素鋼具有良好的力學(xué)性能和工藝性能，且冶煉方便，價格便宜，故在機(jī)械制造、建筑、交通運(yùn)輸?shù)仍S多工業(yè)部門中得到廣泛的應(yīng)用 1.碳素結(jié)構(gòu)鋼 碳素結(jié)構(gòu)鋼的雜質(zhì)和非金屬夾雜物較多，但冶煉容易，工藝性好，價格便宜，產(chǎn)量大，在性能上能滿足一般工程結(jié)構(gòu)及普通零件的要求，因而應(yīng)用普遍。碳素結(jié)構(gòu)鋼通常軋制成鋼板和各種型材（圓鋼、方鋼、扁鋼、角鋼、槽鋼、工字鋼、鋼筋等），用于廠房、橋梁、船舶等建筑結(jié)構(gòu)或一些受力不大的機(jī)械零件（如鉚釘、螺釘、螺母等）。碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示方法:例：Q 235 A F碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、化學(xué)成分、力學(xué)性能和用途見p154表4-1所示。2、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼是按化學(xué)成分和力學(xué)性能供應(yīng)的，鋼中所含硫、磷及非金屬夾雜物量較少，常用來制造重要的機(jī)械零件，使用前一般都要經(jīng)過熱處理來改善力學(xué)性能。優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號表示方法兩位數(shù)字表示平均含碳量為萬分之這個數(shù)字：（）.普通含錳（Mn=0.）08、10、15、20、35、40、45、65、80等； 如：45 - 表示W(wǎng)c =.45%的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。 （）.較高錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的（Mn=0.）15、20、35、40、45、65、等如：45Mn -表示W(wǎng)c =.45%較高含錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。 優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號、化學(xué)成分、力學(xué)性能和用途見p155表4-2所示。3、碳素工具鋼 碳素工具鋼是用于制造刀具、模具和量具的鋼。由于大多數(shù)工具都要求高硬度和高耐磨性，故碳素工具鋼含碳量均在0.70以上，都是優(yōu)質(zhì)鋼和高級優(yōu)質(zhì)鋼。碳素工具鋼的牌號表示方法：例：T 12 A碳素工具鋼的牌號、化學(xué)成分、力學(xué)性能和用途見p155表4-3所示。各種牌號的碳素工具鋼經(jīng)淬火后的硬度相差不大，但是隨著含碳量的增加，未溶的二次滲碳體增多，鋼的耐磨性增加，韌性降低。因此，不同牌號的工具鋼用于制造不同使用要求的各類工具。4.鑄造碳鋼 鑄造碳鋼一般用于制造形狀復(fù)雜、力學(xué)性能要求較高的機(jī)械零件。這些零件形狀復(fù)雜，很難用鍛造或機(jī)械加工的方法制造，又由于力學(xué)性能要求較高，不能用鑄鐵來鑄造。鑄造碳鋼廣泛應(yīng)用于制造重型機(jī)械的某些零件，如軋鋼機(jī)機(jī)架、水壓機(jī)橫梁、鍛錘和砧座等。 鑄造碳鋼的牌號、化學(xué)成分和力學(xué)性能如p155表4-4。鑄造碳鋼的牌號表示方法：例：ZG 200 400鑄鐵 鑄鐵是wC2.11%的鐵碳合金，工業(yè)用鑄鐵的含碳量一般為2.54%。除鐵、硅、碳、錳以外，還含有較高的硫、磷等雜質(zhì)元素，在合金鑄鐵中，還加入一定含量的其他合金元素。鑄鐵在工業(yè)中應(yīng)用量較大，按重量百分比，一般機(jī)械中，鑄鐵件占約40%70%，在機(jī)床和重型機(jī)械中達(dá)60%90%。 鑄鐵鑄鐵中碳除極少量固溶于鐵素體外，一般均以游離狀態(tài)的石墨或化合狀態(tài)的滲碳體存在。根據(jù)碳在鑄鐵中存在的形式不同，可分為以下幾種： 一、鑄鐵的分類及石墨化： 1、鑄鐵的分類 鑄鐵中碳除極少量固溶于鐵素體外，一般均以游離狀態(tài)的石墨或化合狀態(tài)的滲碳體存在。根據(jù)碳在鑄鐵中存在的形式不同，可分為以下幾種：1）白口鑄鐵 碳主要以滲碳體形式存在的鑄鐵。斷口呈銀白色。由于大量硬而脆 的滲碳體存在。白口鑄鐵硬度高、脆性大，難以切削加工。2）麻口鑄鐵 碳以滲碳體+石墨形式存在，斷口灰、白色相間。此類鑄鐵硬脆性 較大，故工業(yè)上很少使用。3）灰口鑄鐵 碳主要以片狀石墨形式出現(xiàn)的鑄鐵；斷口呈暗灰色，是工程中應(yīng)用 最多的鑄鐵4）。 可鍛鑄鐵 碳主要以團(tuán)絮狀石墨形式出現(xiàn)的鑄鐵；5）. 球墨鑄鐵 碳主要以球狀石墨形式出現(xiàn)的鑄鐵；6）. 蠕墨鑄鐵 碳主要以蠕蟲狀石墨形式出現(xiàn)的鑄鐵。 7）. 合金鑄鐵 含有合金元素（鉬、鉻、釩、銅、鋁等）的鑄鐵2、影響石墨化的因素 鑄鐵組織中石墨的形成叫“石墨化”過程，鑄鐵石墨化過程的比較復(fù)雜，與許多因素有關(guān)，其中化學(xué)成分和冷卻速度是影響石墨化的主要因素。影響鑄鐵石墨化的主要因素。 1化學(xué)成分 影響石墨化進(jìn)程的本質(zhì)因素 碳和硅都是強(qiáng)烈促進(jìn)石錳又可顯著減小硫在石墨化過程中的有害作用墨化的元素；磷也是促進(jìn)石墨化的元素，但其作用較弱；硫是強(qiáng)烈阻礙石墨化的元素，。 2冷卻速度影響石墨化進(jìn)程的工藝因素 冷卻速度愈快，鑄鐵愈容易產(chǎn)生白口鑄鐵組織；冷卻速度慢，碳原子擴(kuò)散充分，有利于石墨化過程充分進(jìn)行，鑄鐵容易獲得灰口鑄鐵組織。 3.加熱溫度和保溫時間影響石墨化進(jìn)程的工藝因素 溫度升高，保溫時間延長，有利于石墨化進(jìn)程，但需高溫長時間保溫，冷卻速度極慢。二、灰口鑄鐵1化學(xué)成分、組織和性能 （1）化學(xué)成分灰鑄鐵的化學(xué)成分一般為：wC=2.5% 40%，wSi=1.0% 25%，wMn=O5% 1.4%，wSO.15%，wP0.3%。 (2) 組織 由于石墨化程度的不同，灰鑄鐵的組織有三種類型：鐵素體(F)+片狀石墨(G)；鐵素體(F)珠光體(P)+片狀石墨(G)；珠光體(P)+片狀石墨(G)。 3） .性能 取決于基體的性能和石墨的數(shù)量、 形狀、大小及分布狀態(tài)?；诣T鐵的強(qiáng)度、塑性、韌性遠(yuǎn)低于鋼，但卻也有鋼所不及的優(yōu)良性能。 良好的鑄造性能 良好的減震性 較低的缺口敏感性 良好的切削加工性 良好的減摩性 良好的抗壓性能2、 灰鑄鐵的孕育處理3、灰鑄鐵的熱處理 灰鑄鐵可以通過熱處理改變基體組織，但不能改變石墨的形態(tài)和分布，因而對提高灰鑄鐵的力學(xué)性能作用不大。 常用的熱處理工藝有以下幾種： 1）、去應(yīng)力退火 由于鑄件形狀復(fù)雜，壁厚不均勻，在鑄件冷卻過程中，鑄件各個部位冷卻不一致而產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力。所以一些形狀復(fù)雜的鑄件或精度要求高的鑄件，如機(jī)床床身、機(jī)架等均要去應(yīng)力退火。 2）、表面淬火 有些鑄件如機(jī)床導(dǎo)軌、缸體內(nèi)壁，要進(jìn)行表面淬火。淬火后表面的硬度可達(dá)5055HRC。表面淬火方法有感應(yīng)加熱表面淬火、火焰加熱表面淬火和電接觸加熱表面淬火等。 3）、消除鑄鐵白口、降低硬度的退火 鑄件上的薄壁處或表層，由于冷卻速度快，常出現(xiàn)白口組織，給切削加工帶來困難，常用高溫退火（石墨化退火）來降低其硬度。3、 灰鑄鐵的牌號及用途舉例灰鑄鐵的牌號是由“HT”（“灰鐵”二字漢語拼音字母）和其后一組數(shù)字組成，數(shù)字表示30mm試棒的最小抗拉強(qiáng)度值（MPa）。灰鑄鐵的牌號、性能及用途見表4-133、 球墨鑄鐵球墨鑄鐵是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種新型鑄鐵，它是經(jīng)過球化處理后得到的。球化處理的方法是在鐵液出爐后、澆注前加入一定量的球化劑(稀土鎂合金等)和孕育劑，使石墨呈球狀析出。 1化學(xué)成分、組織和性能 （1）化學(xué)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）組織 球墨鑄鐵的組織可分為四種類型： 鐵素體(F)+球狀石墨(G)， 鐵索體(F)-珠光體(P)+球狀石墨(G)， 珠光體(P)+球狀石墨(G)， 下貝氏體(B下)+球狀石墨(G)。（3）性能 與灰鑄鐵相比，球墨鑄鐵有高的強(qiáng)度和良好的塑性與韌性。它的某些性能可以與鋼相媲美，如屈服點(diǎn)比碳素結(jié)構(gòu)鋼高，疲勞強(qiáng)度接近中碳鋼。同時，它還具有灰鑄鐵的減震性、減磨性和小的缺口敏感性等優(yōu)良性能。 球墨鑄鐵中的石墨球的圓整度越好，球徑越小，分布越均勻，則球墨鑄鐵的力學(xué)性能就越好。 2.主要用途： 球墨鑄鐵可以代替碳素鑄鋼、合金鑄鋼和可鍛鑄鐵，制造一些受力復(fù)雜，強(qiáng)度、硬度、韌性和耐磨性要求較高的零件，如內(nèi)燃機(jī)曲軸、凸輪軸、連桿、減速箱齒輪及軋鋼機(jī)軋輥等。3、球墨鑄鐵的熱處理 由于球狀石墨對基體的割裂作用小，所以通過熱 處理改變球墨鑄鐵的基體組織，對提高其力學(xué)性能有重要作用。常用的熱處理工藝有以下幾種： 1、退火 主要目的是為了得到鐵素體基體的球墨鑄鐵，以提高它的塑性和韌性，改善切削加工性能，消除內(nèi)應(yīng)力。 2、正火 目的是為了得到珠光體基體的球墨鑄鐵，從而提高其強(qiáng)度和耐磨性。 3、調(diào)質(zhì) 目的是為了得到回火索氏體基體的球墨鑄鐵，從而獲得良好的綜合力學(xué)性能。 4、等溫淬火 為了得到下貝氏體基體的球墨鑄鐵，從而獲得高強(qiáng)度、高硬度、高韌性的綜合性能。一般用于要求綜合力學(xué)性能較好，而外形又較復(fù)雜，熱處理容易變形和開裂的零件，如凸輪軸。齒輪、滾動軸承等。4、球墨鑄鐵的牌號及用途舉例 球墨鑄鐵的牌號由“QT”（“球鐵”兩字漢語拼音字首）和其后的兩組數(shù)字組成，兩組數(shù)字分別表示最低抗拉強(qiáng)度和最低伸長率。例如QT6003表示b600Mpa、3%的球墨鑄鐵。球墨鑄鐵的牌號、性能及用途見表4-14。5、 可鍛鑄鐵俗稱瑪鋼、馬鐵。是將白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火或氧化脫碳處理后而獲得團(tuán)絮狀形態(tài)石墨的鑄件。可鍛鑄鐵的生產(chǎn)過程是：首先澆注成白口鑄鐵件，然后經(jīng)可鍛化退火（可鍛化退火使?jié)B碳體分解為團(tuán)絮狀石墨）而獲得可鍛鑄鐵件。1化學(xué)成分、組織和性能 （1）可鍛鑄鐵的化學(xué)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）可鍛鑄鐵的組織類型： 鐵素體(F)+團(tuán)絮狀狀石墨(G)；珠光體(P)+團(tuán)絮狀石墨(G)。 （3）可鍛鑄鐵的性能 由于可鍛鑄鐵中的石墨呈團(tuán)絮狀，對基體的割裂作用較小，因此它的力學(xué)性能比灰鑄鐵高，塑性和韌性好，但并不能進(jìn)行鍛壓加工?？慑戣T鐵的基體組織不同，其性能也不一樣，其中黑心可鍛鑄鐵具有較高的塑性和韌性，而珠光體可鍛鑄鐵則具有較高的強(qiáng)度、硬度和耐磨性。 2.主要用途：制造形狀復(fù)雜、承受沖擊載荷的薄壁、中小型零件。 3.可鍛鑄鐵的牌號及用途舉例可鍛鑄鐵的牌號、性能及用途見表4-15。牌號中“KT”是“可鐵”二字的漢語拼音字首，后面的“H”表示“黑心”、“Z”表示“珠光體”，兩組數(shù)字分別表示最低抗拉強(qiáng)度和最低伸長率。因可鍛鑄鐵，生產(chǎn)周期長、工藝復(fù)雜、成本高，目前的生產(chǎn)中已逐步被球墨鑄鐵代替。6、 蠕墨鑄鐵1化學(xué)成分、組織和性能 （1）蠕墨鑄鐵的化學(xué)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）蠕墨鑄鐵的組織類型： 鐵素體(F)+蠕蟲狀石墨(G) ； 鐵素體(F) 珠光體(P)+蠕蟲狀石墨(G) ； 珠光體(P)+蠕蟲狀石墨(G) 。 （3）蠕墨鑄鐵的性能: 力學(xué)性能介于普通灰鑄鐵和球墨鑄鐵之間，熱疲勞性能好。具有接近灰鑄鐵的優(yōu)良的鑄造性能。 2.主要用途： 主要應(yīng)用于承受循環(huán)載荷、要求組織致密、強(qiáng)度較高、形狀復(fù)雜的零件，如氣缸蓋、進(jìn)排氣管、液壓件和鋼錠模等。 3.蠕墨鑄鐵的牌號及用途舉例蠕墨鑄鐵的牌號由“RuT”（“蠕鐵”二字的漢語拼音字首）和其后一組數(shù)字組成，數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度。例如牌號RuT260表示最低抗拉強(qiáng)度為260MPa的蠕墨鑄鐵。 蠕墨鑄鐵的牌號、性能和用途見表4-16。七 、合金鑄鐵1耐磨鑄鐵 耐磨鑄鐵是指不易磨損的鑄鐵。根據(jù)工作條件的不同，分