第六章常用金屬材料

金屬材料在工程中占有重要地位，本章主要介紹碳鋼、鑄鐵合金鋼的分類、成分特性、性能、熱處理與應(yīng)用。第6章常用金屬材料碳素鋼是指含碳量低于2.11%的鐵碳合金。§6.1

碳鋼及其牌號(hào)一、常存雜質(zhì)元素對(duì)碳鋼性能的影響鋼中的雜質(zhì)一般是指Mn、Si、P、S和氣體元素H、O等。1．錳——有益（0.25--0.80%）a.脫氧劑：

降低FeO→↓脆性，b.脫硫劑：Mn+S→MnSMn能與S親合力大，形成MnS，

，其熔點(diǎn)高（1620Co），常呈粒狀分布在晶內(nèi)，且具有一定的塑性，可降低FeS的有害作用。熱加工性能↑c(diǎn).固溶強(qiáng)化：使性能更優(yōu)。Mn可以溶于F中，強(qiáng)化鋼；Mn可以增加P相對(duì)含量，并使P細(xì)化，鋼強(qiáng)度提高2．硅

——有益

a.脫氧→↓脆性b.固溶強(qiáng)化Si溶于F中，提高鋼的強(qiáng)度硬度和彈性；但硅使鋼的塑性韌性降低，一般控制鋼中含量小于0.35%。3．磷——有害

P能部分溶入鐵素體中，部分形成脆性很大的化合物Fe3P，使鋼在常溫下塑性、韌性急劇下降，脆性轉(zhuǎn)化溫度提高，冷脆4．硫——有害

硫在鋼中與Fe形成FeS，F(xiàn)eS又與Fe形成低熔點(diǎn)985Co的共晶體，并常分布在晶界，當(dāng)鋼在1000Co以上熱加工時(shí)，低熔點(diǎn)的共晶熔化，導(dǎo)致鋼沿晶界開裂，使鋼產(chǎn)生“熱脆”性。加入Mn→Mn與S形成高熔點(diǎn)的MnS(1620℃)，可消除硫的有害作用（除硫）脫氧用硅鐵5．氣體元素O、N、HO

——鋼中的氧化物易成為疲勞裂紋源，↓機(jī)械性能，強(qiáng)度、塑性降低，有害元素N

——鋼中過飽和N在常溫放置過程中會(huì)發(fā)生時(shí)效脆化。加Ti、V、Al等元素可消除時(shí)效傾向;

N是鋼產(chǎn)生蘭脆的主要原因，有害元素鋼中白點(diǎn)H

——原子態(tài)的過飽和氫時(shí)將降低韌性,引起氫脆；當(dāng)氫在缺陷處以分子態(tài)析出時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很高內(nèi)壓，形成微裂紋，其內(nèi)壁為白色，稱白點(diǎn)或發(fā)裂。有害元素1、按冶煉方法分轉(zhuǎn)爐煉鋼平爐煉鋼平爐鋼轉(zhuǎn)爐鋼電爐鋼按爐別分生沸騰。這種鋼成材率高，但不致密。沸騰鋼：脫氧不充分，澆注時(shí)C與O反應(yīng)發(fā)鎮(zhèn)靜鋼：脫氧充分，組織致密，成材率低。半鎮(zhèn)靜鋼：介于前兩者之間。按脫氧程度分特殊鎮(zhèn)靜鋼二、碳鋼的分類電弧爐煉鋼鋼類碳素鋼合金鋼P(yáng)SPS普通質(zhì)量鋼≤0.045≤0.050≤0.045≤0.045優(yōu)質(zhì)鋼≤0.035≤0.035≤0.035≤0.035高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼≤0.030≤0.020≤0.025≤0.025特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼≤0.025≤0.015≤0.025≤0.0152、按質(zhì)量分鋼的質(zhì)量是以磷、硫的含量來劃分的。分為普通質(zhì)量鋼、優(yōu)質(zhì)鋼、高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼和特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼。根據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，各質(zhì)量等級(jí)鋼的磷、硫含量如下：3、按用途分

工程構(gòu)件用鋼建筑、橋梁、船舶、車輛機(jī)器零件用鋼齒輪、軸、螺母、彈簧碳素結(jié)構(gòu)鋼刃具鋼模具鋼量具鋼碳素工具鋼鑄鋼4、按化學(xué)成分分中碳鋼0.25~0.6%C高碳鋼

0.6%C低碳鋼

0.25%C碳素鋼齒輪刀具三、碳鋼的編號(hào)方法齒輪刀具我國鋼材的編號(hào)是采用漢語拼音字母、化學(xué)元素符號(hào)和阿拉伯?dāng)?shù)字相結(jié)合的方法。采用漢語拼音字母表示鋼產(chǎn)品的名稱、用途、特性和工藝方法時(shí)，一般從代表鋼產(chǎn)品名稱的漢字的漢語拼音中選取第一個(gè)字母。常用鋼產(chǎn)品的名稱、用途、特性和工藝方法表示符號(hào)（GB/T221—2000）名稱符號(hào)位置名稱符號(hào)位置碳素結(jié)構(gòu)鋼Q頭橋梁用鋼q尾低合金高強(qiáng)度鋼Q頭鍋爐用鋼g尾易切削鋼Y頭焊接氣瓶用鋼HP尾碳素工具鋼T頭車輛車軸用鋼LZ頭(滾珠)軸承鋼G頭機(jī)車車軸用鋼JZ頭焊接用鋼H頭沸騰鋼F尾鉚螺鋼ML頭半鎮(zhèn)靜鋼b尾船用鋼國際符號(hào)鎮(zhèn)靜鋼Z尾汽車大梁用鋼L尾特殊鎮(zhèn)靜鋼TZ尾壓力容器用鋼R尾質(zhì)量等級(jí)A.B.C.D.E尾1、碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)表示方法Q+最低屈服強(qiáng)度值+質(zhì)量等級(jí)符號(hào)+脫氧方法符號(hào)共5類牌號(hào)：Q195、Q215、Q235、Q255、Q275，Q表示“屈服強(qiáng)度”；屈服強(qiáng)度值單位是MPa；.質(zhì)量等級(jí)符號(hào)為A、B、C、D、E。由A到E，其P、S含量依次下降，質(zhì)量提高。脫氧方法符號(hào)：沸騰鋼—F；鎮(zhèn)靜鋼—Z；半鎮(zhèn)靜鋼—b；特殊鎮(zhèn)靜鋼—TZ。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)度例Q235-AF表示屈服強(qiáng)度為235MPa的A級(jí)沸騰鋼。1）成分：<0.4%C，P、S量較多。2）性能：可焊性、塑性好。3）熱處理：熱軋空冷態(tài)下使用。4）使用狀態(tài)下組織：F+P熱軋鋼板5）用途：常以熱軋型材使用，約占鋼材總量的70%。用于建筑結(jié)構(gòu)，適合焊接、鉚接、栓接等。Q195、Q215主要用于薄板、焊接鋼管、鐵絲等。Q235主要用于中板、鋼管、鋼筋、小軸、螺栓。Q255、Q275主要用于連桿、鍵、軸等。2、優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼：牌號(hào)為兩位數(shù)字（或加字母Mn）這兩位數(shù)字表示鋼平均含碳量的萬分之幾如45—其平均含碳量為萬分之四十五（即0.45%C）制作各種機(jī)器零件，一般進(jìn)行熱處理。08F

塑性好，冷沖壓件10，20

冷沖壓件，焊接件，滲碳處理。35，45，40，50

齒輪、軸類60，65

彈簧*說明：①優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼含Mn量為0.7~1.2%時(shí)，在含碳量數(shù)字后加元素符號(hào)“Mn”，如40Mn。②優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的沸騰鋼和半鎮(zhèn)靜鋼，在鋼號(hào)后分別加字母F和b，如08F、10b。3、碳素工具鋼

牌號(hào)為T+數(shù)字“T”表示---“碳素工具鋼”數(shù)字表示鋼平均含碳量的千分之幾如T8—其平均含碳量為千分之八（0.8%C）4、鑄鋼在牌號(hào)前加“ZG”,后兩數(shù)字分別為最低屈服強(qiáng)度和最低抗拉強(qiáng)度。碳素工具鋼都是優(yōu)質(zhì)以上質(zhì)量的;

高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼在鋼號(hào)后加字母A，如20A、T8A。形狀復(fù)雜，需要一定強(qiáng)度、塑性和韌性的零件。碳素工具鋼共有七個(gè)牌號(hào)：T7~T131、成分特點(diǎn)：高碳（0.65~1.35%C）隨含碳量提高，碳化物量增加，耐磨性提高，但韌性下降。

銼刀手錘T12鋼正常淬火組織球狀珠光體2、熱處理及組織⑴熱處理：正火+球化退火+淬火+低溫回火球化退火目的：①降低硬度，便于加工；②為淬火作組織準(zhǔn)備。⑵使用狀態(tài)下的組織：

M回+顆粒狀碳化物+A’(少量)

木工鑿手錘圓沖3、用途由于碳素鋼熱硬性、淬透性差，只用于制造小尺寸的手工工具和低速刃具。T7~T9：制造承受沖擊的工具，如木工工具：沖子、鑿子、錘子等。T10~T11：制造低速切削工具，如鉆頭、絲錐、車刀等。T12~T13：制造耐磨工具，如銼刀、鋸條等。絲錐銼刀手鋸條鉆頭鑄鐵是含碳量大于2.11%并含有較多硅、錳、硫、磷等元素的多元鐵基合金?！?/p>

鑄鐵一、鑄鐵的成分和性能⑴力學(xué)性能低。由于石墨相當(dāng)于鋼基體中的裂紋或空洞，破壞了基體的連續(xù)性，且易導(dǎo)致應(yīng)力集中，強(qiáng)度、塑性、韌性較差，不易鍛造。⑵耐磨性能好。由于石墨本身有潤滑作用。

⑶消振性能好。由于石墨可以吸收振動(dòng)能量。

⑷鑄造性能好。C含量接近共晶成分，流動(dòng)性好，鑄造性能好；⑸切削性能好。由于石墨使車屑容易脆斷，不粘刀。

⑹生產(chǎn)簡便、成本低廉。例如，機(jī)床床身、內(nèi)燃機(jī)的汽缸體、缸套、活塞環(huán)及軸瓦、曲軸等都是由鑄鐵制造的。鑄鐵曲軸1、Fe-Fe3C和Fe-G（石墨）雙重相圖鑄鐵中的碳除少量固溶于基體中外，主要以化合態(tài)的滲碳體（Fe3C）和游離態(tài)的石墨（G）兩種形式存在。二、鑄鐵的石墨化Fe3C是亞穩(wěn)相，在一定條件下將發(fā)生分解：

Fe3C→3Fe+C（石墨）共晶白口鑄鐵F基體球墨鑄鐵石墨是碳的單質(zhì)之一，其強(qiáng)度、塑性、韌性幾乎為零。存在兩個(gè)鐵碳相圖：

Fe-Fe3C和Fe-G雙重相圖L+GL+Fe3C2、鑄鐵的石墨化過程鑄鐵中的碳原子析出形成石墨的過程稱為石墨化。鑄鐵中的石墨可以在結(jié)晶過程中直接析出，也可以由滲碳體加熱時(shí)分解得到。臺(tái)車式石墨化退火爐石墨化分三個(gè)階段：第一階段石墨化：從過共晶熔液中直接結(jié)晶出一次石墨和1154℃時(shí)共晶轉(zhuǎn)變形成的共晶石墨。第二階段石墨化:1154℃-738℃的冷卻過程中自奧氏體中析出的二次石墨。第三階段石墨化：738℃共析轉(zhuǎn)變形成共析石墨。石墨化程度不同，所得到的鑄鐵類型和組織也不同。鑄鐵的石墨化程度與其組織之間的關(guān)系

（以共晶鑄鐵為例）

石墨化進(jìn)行程度鑄鐵的顯微組織鑄鐵類型第一,第二階段石墨化第三階段石墨化

完全進(jìn)行完全進(jìn)行F+G

灰口鑄鐵部分進(jìn)行F+P+G未進(jìn)行P+G部分進(jìn)行未進(jìn)行Ld’+P+G

麻口鑄鐵未進(jìn)行未進(jìn)行Ld’白口鑄鐵3、影響石墨化的因素⑴化學(xué)成分的影響

Fe-C合金的五大元素：C,Si,P,Mn,SC是G的形成元素，C%，G化；原Si能抑制Fe3C的形成，促進(jìn)Fe3C分解Si:

是強(qiáng)烈促進(jìn)G化的元素，Si%,G化。

S:是阻礙G化的元素，S%,G化Mn：Mn<0.2~0.4%時(shí)，Mn+SMnS可起除S作用，G化；Mn>0.2~0.4%時(shí)，形成合金滲碳體(Fe,Mn)3C,G化。合金元素Cr、W、Mo、V與C親合力強(qiáng)，阻礙石墨化合金元素Al、Cu、Ni、Co增加Fe自擴(kuò)散能力，促進(jìn)石墨化。P促進(jìn)石墨化不明顯，但提高鐵水流動(dòng)性，改善其鑄造性能。若其含量高時(shí)易在晶界上形成硬而脆的磷共晶，降低鑄鐵的強(qiáng)度，只有耐磨鑄鐵中磷含量偏高（達(dá)0.3%以上）。鑄鐵中的磷共晶⑵冷卻速度的影響鑄件冷卻緩慢，有利于碳原子的充分?jǐn)U散，結(jié)晶將按Fe-G相圖進(jìn)行，因而促進(jìn)石墨化。而快冷時(shí)由于過冷度大，結(jié)晶將按Fe-Fe3C相圖進(jìn)行，不利于石墨化。鑄件壁厚和碳硅含量對(duì)鑄鐵組織的影響

w(c+si)%V冷

，G化

，F(xiàn)e3C量

，G片細(xì)小、量少。V冷

，G化停止，無石墨形成，CFe3C，即形成白口鑄鐵。G化是靠原子擴(kuò)散進(jìn)行的，需要溫度、時(shí)間三、鑄鐵的分類根據(jù)鑄鐵結(jié)晶過程中的石墨化程度，鑄鐵可分為：灰口鑄鐵、白口鑄鐵、麻口鑄鐵（工業(yè)上使用的鑄鐵主要是灰口鑄鐵）根據(jù)石墨形態(tài)，灰口鑄鐵又可分為：灰鑄鐵、可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵等?；诣T鐵

片狀石墨b.球墨鑄鐵球狀c.可鍛鑄鐵

團(tuán)絮狀d.蠕墨鑄鐵

蠕蟲狀鑄鐵的分類與牌號(hào)表示方法

鑄鐵名稱石墨形態(tài)基體組織編號(hào)方法牌號(hào)實(shí)例灰鑄鐵片狀FHT+一組數(shù)字?jǐn)?shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度值，單位MPa?！癏T”表示灰鑄鐵代號(hào)。

HT100F+PHT150PHT200可鍛鑄鐵團(tuán)絮狀FKTH+兩組數(shù)字KTB+兩組數(shù)字KTZ+兩組數(shù)字KTH300-06表F心PKTB350-04PKTZ450-06KTH、KTB、KTZ分別為黑心、白心、珠光體可鍛鑄鐵代號(hào)；第一組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度值，MPa；第二組數(shù)字表示最低伸長率值，%

灰鑄鐵是指石墨呈片狀分布的灰口鑄鐵。其產(chǎn)量約占鑄鐵總產(chǎn)量的80%以上。1、組織灰鑄鐵的組織是由液態(tài)鐵水緩慢冷卻時(shí)通過石墨化過程形成的，其基體組織有鐵素體、珠光體和鐵素體加珠光體三種。四、灰鑄鐵灰鑄鐵的顯微組織

鐵素體灰鑄鐵珠光體灰鑄鐵鐵素體加珠光體灰鑄鐵珠光體基體+片狀石墨X500常對(duì)灰鑄鐵進(jìn)行孕育處理，以細(xì)化片狀石墨。常用的孕育劑有硅鐵和硅鈣合金。

經(jīng)孕育處理的灰鑄鐵稱為孕育鑄鐵。

孕育處理前孕育處理后硅鐵硅鈣2、用途

制造承受壓力和震動(dòng)的零件，如機(jī)床床身、各種箱體、殼體、泵體、缸體。大型船用柴油機(jī)汽缸體(HT-300)重型機(jī)床床身(HT-250)變速箱體可鍛鑄鐵石墨化退火工藝曲線

又稱馬鐵，石墨呈團(tuán)絮狀的灰口鑄鐵，是由白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火獲得的。1、組織：基體（F、P）＋團(tuán)絮狀G鐵素體基體可鍛鑄鐵又稱黑心可鍛鑄鐵。2、性能：強(qiáng)度為碳鋼的４0~７0%，接近于鑄鋼。名為可鍛，實(shí)不可鍛五、可鍛鑄鐵

可鍛鑄鐵的顯微組織

黑心可鍛鑄鐵

珠光體可鍛鑄鐵

3、用途用于制造形狀復(fù)雜且承受振動(dòng)載荷的薄壁小型件，如汽車、拖拉機(jī)的前后輪殼、管接頭、低壓閥門等可鍛鑄鐵管件鑄鐵的分類與牌號(hào)表示方法（續(xù)）鑄鐵名稱石墨形態(tài)基體組織編號(hào)方法牌號(hào)實(shí)例球墨鑄鐵球狀FQT+兩組數(shù)字

第一組數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度值，MPa；第二組數(shù)字表示最低伸長率值，%。

“QT”表示球墨鑄鐵代號(hào)QT400-15F+PQT600-3PQT700-2蠕墨鑄鐵蠕蟲狀FRuT+一組數(shù)字?jǐn)?shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度值,MPa?！癛uT”表示蠕墨鑄鐵代號(hào)

RuT260F+PRuT300PRuT420石墨呈球形的灰口鑄鐵。1、組織：基體（F、F+P、P）+球狀G球狀石墨是液態(tài)鐵水經(jīng)球化處理得到的。球化劑