第5章金屬材料

第五章金屬材料（Fe—C合金）

5.1碳鋼

工業(yè)上使用的鋼鐵材料中，碳鋼占有很重要的地位，它是各種機(jī)器零件和結(jié)構(gòu)的主要材料。5.1.1碳鋼的成分及其影響

實(shí)際使用的碳鋼,除了鐵和碳以外，由于冶煉方法和條件等因素的影響，不可避免地存在有其他元素如

Mn、Si、P、S、H、O等，這些元素對(duì)鋼的性能有一定影響。Mn，Si被稱為有益元素，它們對(duì)鋼具有強(qiáng)化作用。Mn還能與S形成MnS(熔點(diǎn)1620度)，減輕S的有害作用。。

Mn—脫氧、去硫,提高鋼的強(qiáng)度和硬度。有益元素Si—有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用,能脫氧。有害元素P

—有很強(qiáng)的固溶強(qiáng)化作用,低溫韌性差(冷脆

)。

S

—能引起鋼在熱加工時(shí)或高溫工作下開裂(熱裂

)。

5.1.2鋼的分類1．按冶煉方法分婁

按冶煉爐的不同有平爐鋼、轉(zhuǎn)爐鋼和電爐鋼；按脫氧方法又和分為沸騰鋼（F）、鎮(zhèn)靜鋼(Z）、半鎮(zhèn)靜鋼（B）和特殊鎮(zhèn)靜鋼(TZ)。2.按質(zhì)量分類普通質(zhì)量鋼(S<

0.05%，P<0.045%)；優(yōu)質(zhì)鋼（S<0.035%，P<0.035%）

;

高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼（S<0.020%，

P<0.030%

）；

特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼（S<0.015%，P<0.025%

）。

3.按用途分類結(jié)構(gòu)鋼：工程結(jié)構(gòu)鋼(如梁梁、船舶、建筑構(gòu)件等)和機(jī)器零件用鋼(如齒輪、軸、螺母、彈簧、滾動(dòng)軸承等)，工具鋼：主要用于制造工具，如刀具、模具、量具等。特殊性能鋼：主要有不銹鋼、耐熱鋼、耐磨鋼、磁鋼等。

4．按含碳量分類碳素鋼分為低碳鋼(C

<

0．25％)；中碳鋼(含碳量>0.25％

~0.6％

）；高碳鋼（含碳量>0.6％）。

5．1．3碳鋼的編號(hào)方法（表5-1）碳素鋼的編號(hào)(普通碳素結(jié)構(gòu)鋼):

碳素結(jié)構(gòu)鋼:

Q

235—A·F沸騰鋼A等級(jí)235MPa屈服強(qiáng)度優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼*

45---Wc=0.45%*

較高錳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

45Mn---Wc=0.45%;WMn=0.7%～1.0%碳素工具鋼T

12

A高級(jí)優(yōu)質(zhì)Wc=1.2%碳素工具鋼

5.1.4碳素結(jié)構(gòu)鋼

碳素結(jié)構(gòu)鋼主要用于一般結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，產(chǎn)品有熱軋鋼板、鋼帶、型鋼、棒鋼，一般在供應(yīng)狀態(tài)下使用(即不進(jìn)行熱處理而直接使用)。

Q235，Q215-A，Q215一B含碳量較低，塑性好，強(qiáng)度較低。一般用于螺釘、螺母、墊片、鋼窗等強(qiáng)度要求不高的工件。

Q235-A，Q255--A可用于農(nóng)機(jī)具中不太重要的工件，如拉桿、小軸、鏈等，也可用于建筑鋼筋、鋼板、型鋼等。

Q235—B，Q255—B作為建筑工程中質(zhì)量要求較高的焊接構(gòu)件。在機(jī)械中可用作—‘般的轉(zhuǎn)動(dòng)鈾、吊鉤、白行車架等。

Q235—C，Q235—D質(zhì)量較好，可用作一些較重要的焊接構(gòu)件及機(jī)件。

Q255—A，Q255—B，Q275強(qiáng)度較高，可用作摩擦離合器、剎車鋼帶等。

5.1.5優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼

與普通結(jié)構(gòu)鋼相比，有害雜質(zhì)及非金屬夾雜物含量較少，塑性和韌性較高，多用于制造重要零件。根據(jù)化學(xué)成分的不同，這類鋼又分為普通含錳量鋼和較高含錳量鋼兩類。

l.正常合錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼指對(duì)于含碳量小于0.25％的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其含錳量為0.35％~0.65％，而對(duì)于含碳量大于0.25％的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其含錳量為0.50％~0.80％，如表5-3有20種。牌號(hào)用兩位數(shù)字表示

2.較高合錳量的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼指對(duì)于含碳量為0.15％~0.60％的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其含錳量為0.7％~1.0％，而對(duì)于含碳量大于0.60％的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，其含錳量為0.90％~1.20％。如20Mn

表5--3有11種。此類鋼仍屬于優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼，而非合金鋼。

08F鋼塑性好、強(qiáng)度較低，可用于各種冷變形加工成形件。

10~25等低碳鋼焊接性能和冷沖壓工藝性好，可用來(lái)制造各種標(biāo)準(zhǔn)件、軸套、容器等。也可以通過(guò)適當(dāng)熱處理(滲碳、淬火、回火)制成表面高硬度、心部有較高韌性和強(qiáng)度的耐磨損、耐沖擊的零件如齒輪、凸輪、銷軸、摩擦片、水泥釘?shù)取?/p>

中碳鋼通過(guò)適當(dāng)熱處理(調(diào)質(zhì)、表面淬火等)可制作具有良好綜合力學(xué)性能要求的機(jī)件及表面耐磨、心部韌性好的零件，如傳動(dòng)軸、發(fā)動(dòng)機(jī)連桿、機(jī)床齒輪等。高碳碳素結(jié)構(gòu)鋼經(jīng)適當(dāng)熱處理后可獲得高彈性極限和屈強(qiáng)比，以及足夠的韌性和耐磨性，可制造小直徑的彈簧、重鋼軌、鋼絲繩等。5.1.6碳素工具鋼

含碳量為0.65%--1.35%的碳素鋼。5.1.7鑄造碳素鋼（鑄鋼）

鑄鋼的鑄造工藝性差，易出現(xiàn)澆不足、縮孔和晶粒粗大等缺陷，為了提高鋼液的流動(dòng)性，澆注溫度可能很高，這樣容易使鑄鋼件中出現(xiàn)過(guò)熱的魏氏組織。所謂魏氏組織是指在原來(lái)粗大的奧氏體晶粒內(nèi)隨溫度下降由相變產(chǎn)生的粗大針狀鐵素體，使鋼的塑性、韌性下降，魏氏組織可通過(guò)完全退火加以消除，

5.2鑄鐵

鑄鐵是含碳量大于2.11％，含雜質(zhì)比鋼多的鐵碳合金。常用鑄鐵的化學(xué)成分有：含碳量為2.5~4.0％，含硅量為1.0％~3.5％，含錳量為0.5％~1.5％，含磷量＜0.2％．含硫量＜0.15％，有時(shí)尚含有一定量的合金元素．如Cr．Mo，V，Cu，A1等。鑄鐵的強(qiáng)度、塑性和韌性較差，不易進(jìn)行鍛造．其含碳量接近于共晶成分、所以熔點(diǎn)低，流動(dòng)性好。具有優(yōu)良的鑄造性能；此外，它的合碳量和含硅量較高，碳大部分不再以化合狀態(tài)而以游離的石墨狀態(tài)存在。5.2.2鑄鐵的石墨化

1.石墨化過(guò)程鑄鐵組織中石墨的形成過(guò)程叫做石墨化。在極其緩慢的冷卻（即提供足夠的擴(kuò)散時(shí)間）條件下，或在合金中含有可促進(jìn)石墨形成的元素（Si)在鐵碳合金的結(jié)晶中，便會(huì)直接從液體或A中析出穩(wěn)定的石墨相。在這種條件下，石墨化過(guò)程可分為3個(gè)階段：第1階段，1154℃時(shí)，通過(guò)共晶反應(yīng)Lc---AE+G

第2階段，1154—738

℃從A中析出二次石墨G

第3階段，738℃共析反應(yīng)形成石墨。AS—F+G

因鑄鐵的成分和冷卻速度等條件的不同，鑄鐵的基體組織不同，F(xiàn)+P，F(xiàn)+P+G，P+G。

2.影響石墨化的因素

——化學(xué)成分和冷卻速度，（1）化學(xué)成分的影響：各種元素對(duì)石墨化過(guò)程的影響互有差別。（2）冷卻速度的影響：冷卻速度對(duì)鑄鐵石墨化的影響也很大。冷卻越慢，越有利于石墨化的進(jìn)行。

5.2.3鑄鐵的分類

根據(jù)鑄鐵在結(jié)晶過(guò)程中的石墨化程度不同，鑄鐵可分為3類。

(1)灰口鑄鐵：即在第一和第二階段石墨化的過(guò)程中都得到了充分石墨化的鑄鐵，其斷口為暗灰色。工業(yè)上所用的鑄鐵幾乎都屬于這類。

(2)白口鑄鐵：即在3個(gè)階段的石墨化全部都被抑制，完全按照Fe—F3C相圖進(jìn)行結(jié)晶而得到的鑄鐵。這類鑄鐵組織中的碳全部呈化合碳的狀態(tài)，形成滲碳體，并具有萊氏體組織，其斷口白亮，性能硬脆，在工業(yè)上很少應(yīng)用。主要用作煉鋼原料。

(3)麻口鑄鐵：即在第—階段的石墨化過(guò)程中末得到充分石墨化的鑄鐵，其組織介于白口與灰口之間。含有不同程度的萊氏體，具有較大的硬脆性，工業(yè)—上也很少應(yīng)用。根據(jù)鑄鐵中石墨形態(tài)的不同，灰口鑄鐵又分為灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵和特殊性能鑄鐵等。

5.2.4灰鑄鐵

灰鑄鐵的牌號(hào)以HT及3位數(shù)的最小抗拉強(qiáng)度值來(lái)表示。例如HT200表示該灰鑄鐵澆鑄出的?30mm的單鑄試棒測(cè)得的抗拉強(qiáng)度值不小于200MPa?；诣T鐵的牌號(hào)及應(yīng)用如表5-6所示。

(1)灰鑄鐵的組織及性能特點(diǎn)：灰鑄鐵的顯微組織是由金屬基體與片狀石墨（C以片狀石墨形式存在）所組成，這相當(dāng)于在鋼的基體上嵌入了大量石墨片。灰鑄鐵按金屬基體不同分為鐵素體灰鑄鐵、鐵素體—珠光體灰鑄鐵和珠光體灰鑄鐵(圖5-3)。

石墨的強(qiáng)度、塑性和韌性極低，接近于零。灰鑄鐵的組織相當(dāng)于鋼的基體上存在很多裂紋。這決定了灰鑄鐵的力學(xué)性能較差。

※抗拉強(qiáng)度很低(100~400MPa)，塑性幾乎為零，但抗壓強(qiáng)度與鋼相近，并且具有良好的鑄造性能(流動(dòng)性好、收縮小)、減振性、耐磨性和低的缺口敏感性。成本低廉，應(yīng)用廣泛。鑄鐵的性能與鑄件壁厚尺寸有關(guān)。在根據(jù)零件的性能要求選擇鑄鐵牌號(hào)時(shí)，必須同時(shí)注意到零件的壁厚尺寸。

（2）灰鑄鐵的孕育處理：為了改善鑄鐵的組織，提高灰鑄鐵的強(qiáng)度和其它性能。生產(chǎn)中常進(jìn)行孕育處理。

孕育處理即是在澆注的鑄鐵液中加入孕育劑，使石墨細(xì)化，基體組織細(xì)密(珠光體基體)工藝過(guò)程。常用的孕育劑是含硅量為75％的硅鐵，加入量為鐵水質(zhì)量的0.25~0.6%。孕育鑄鐵的強(qiáng)度、硬度比普通灰鑄鐵顯著提高。

5.2.5球墨鑄鐵球墨鑄鐵是經(jīng)球化、孕育處理后得到的石墨呈球狀的鑄鐵。球墨鑄鐵的牌號(hào)用QT及兩組分別代表其最低抗拉強(qiáng)度和延伸率的數(shù)字組成。

常用球墨鑄鐵的牌號(hào)、力學(xué)性能和用途如表5-7所示。圖為球墨鑄鐵石墨形態(tài)和分布情況。

生產(chǎn)中常采用退火、正火、調(diào)質(zhì)處理、等溫淬火等處理工藝，改變球墨鑄鐵基體組織，以改善球墨鑄鐵的性能，從而滿足不同的使用要求。退火目的是為了去除鑄態(tài)組織中的自由滲碳體及獲得鐵素體球墨鑄鐵，主要用于QT400—18和QT450一10的生產(chǎn)。正火的目的在于增加金屬基體中珠光體的含量，并使其細(xì)化，提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性，主要用于QT600一3，QT700—2和QT800一2。正火后須進(jìn)行回火，以消除應(yīng)力。對(duì)于承受交變載荷的球鐵件，須進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理來(lái)提高其綜合力學(xué)性能。QT900一2等更高強(qiáng)度級(jí)別的球鐵則是通過(guò)等溫淬火獲得的，適用于要求更高的工件。

5.2.6可鍛鑄鐵

可鍛鑄鐵是將白口鑄鐵通過(guò)退火或氧化脫碳可鍛化處理，改變其金相組織而獲得的具有較高韌