工程材料與制造技術(shù)基礎(chǔ)-任云鵬-第5章

1、主講：任主講：任 云云 鵬鵬Email: 5.4第5章 工業(yè)用鋼及鑄鐵5.5鋼的綜述鋼的綜述結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)鋼工具鋼工具鋼特殊性能鋼特殊性能鋼鑄鐵鑄鐵工業(yè)用鋼按化學(xué)成分分為工業(yè)用鋼按化學(xué)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(chǎn)簡介、鋼材生產(chǎn)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(shí)也可降低雜質(zhì)（Mn、Si、S、P）含量或加入合金元素。脫氧處理程度：鎮(zhèn)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(zhì)量、鋼的質(zhì)量雜質(zhì)Si、Mn、S、P的影響氣體氫的影響：白點(diǎn)，導(dǎo)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(duì)鋼的不良影響；強(qiáng)化鐵素體：固溶強(qiáng)化。作為雜質(zhì)其含量應(yīng)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(zhì)。強(qiáng)化鐵素體：固溶強(qiáng)化。 最高含量可達(dá)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(zhì)元素有：主要雜質(zhì)元素有：Si、Mn、S、P。雜質(zhì)雜質(zhì)Si、Mn、S、P對(duì)鋼性能的影響對(duì)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(diǎn)共晶產(chǎn)物(985)，熱加工時(shí)(11501200)，由于其熔化而導(dǎo)致開裂，稱熱脆性。鋼中的硫應(yīng)控制在0.045%以下。Mn可消除硫的有害作用, FeS + Mn Fe + MnS， MnS熔點(diǎn)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(shí)阿爾伯特運(yùn)河鋼橋因高磷產(chǎn)生冷比利時(shí)阿爾伯特運(yùn)河鋼橋因高磷產(chǎn)生

4、冷脆性于脆性于1938年冬發(fā)生斷裂墜入河中年冬發(fā)生斷裂墜入河中 5.1.2鋼的分類、編號(hào)和成分鋼的分類、編號(hào)和成分1.1.鋼的分類鋼的分類1 1）按化學(xué)成分）按化學(xué)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(yōu)優(yōu) 質(zhì)質(zhì) 鋼鋼0.040.040.0350.035高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼0.0300.0350.0250.025特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼0.0200.0250.0

5、150.0252 2）按質(zhì)量）按質(zhì)量u鋼的質(zhì)量是以磷、硫的含量來劃分的。u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.u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 3）按用途）按用途 工程結(jié)構(gòu)鋼 建筑、橋梁、船舶、車輛滲碳鋼調(diào)質(zhì)鋼彈簧鋼軸承鋼鑄鋼機(jī)器結(jié)構(gòu)鋼結(jié) 構(gòu) 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(hào)、鋼的編號(hào)u編號(hào)原則：編號(hào)原則：根據(jù)編號(hào)可大致看出鋼的成分和用途。u編號(hào)方法：編號(hào)方法：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。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第一個(gè)字母

6、一個(gè)字母。碳鋼的編號(hào)方法碳鋼的編號(hào)方法1 1）碳素結(jié)構(gòu)鋼）碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)：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)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。脫氧程度: 沸騰鋼F；鎮(zhèn)靜鋼Z；半鎮(zhèn)靜鋼B；特殊鎮(zhèn)靜鋼TZ。例如：碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)表示為Q235AF、Q235BZ。2 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)：兩位數(shù)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(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。含Mn量為0.71.0%時(shí)，在兩位數(shù)字后加元素符號(hào)“Mn”，如40Mn。高級(jí)優(yōu)質(zhì)

7、鋼在鋼號(hào)后加字母A，如20A。 3 3）碳素工具鋼）碳素工具鋼牌號(hào)組成：T+數(shù)字（表示平均含碳量的千分?jǐn)?shù)千分?jǐn)?shù)）如T8其平均含碳量為千分之八(0.8%C)。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“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(hào)組成：ZG + 數(shù)字-數(shù)字ZG表示“鑄鋼”；兩位數(shù)字分別表示屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)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(hào)方法合金鋼的編號(hào)方法1 1）低合金高強(qiáng)度鋼）低合金高強(qiáng)度鋼牌號(hào)：與碳素結(jié)構(gòu)鋼編號(hào)一致低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼都是鎮(zhèn)靜鋼或特殊鎮(zhèn)靜鋼

8、，其牌號(hào)中沒有表示脫氧方法的符號(hào)。如Q345C。根據(jù)需要，低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)也可以采用兩位阿拉伯?dāng)?shù)字（表示平均含碳量的萬分之幾）和化學(xué)元素符號(hào)，按順序表示，如16Mn。說明：通常情況下，屈服強(qiáng)度值小說明：通常情況下，屈服強(qiáng)度值小300MPa時(shí)為碳素結(jié)構(gòu)鋼，大于時(shí)為碳素結(jié)構(gòu)鋼，大于300MPa時(shí)為低合金高強(qiáng)度鋼。時(shí)為低合金高強(qiáng)度鋼。2) 2) 合金結(jié)構(gòu)鋼合金結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)：兩位數(shù)字（表示平均含碳量的萬分之幾）+合金元素符號(hào)+該元素百分含量數(shù)字+當(dāng)合金元素的平均含量小于1.50%時(shí)，只標(biāo)元素符號(hào)，不標(biāo)含量。高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼在牌號(hào)后加字母“ A”，如60Si2MnA。易切削鋼在牌號(hào)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(dòng)軸承鋼在鋼號(hào)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(dòng)軸承鋼。3 3） 合金工具鋼合金工具鋼牌號(hào)：含碳量+合金元素符號(hào)+該元素百分含量+u當(dāng)含碳量小于1.00%時(shí)，含碳量用一位數(shù)字標(biāo)明，這一位數(shù)字表示平均含碳量的千分之幾，如8MnSi。u當(dāng)含碳量大于1.00%時(shí)，不標(biāo)含碳量。當(dāng)合金元素的平均含量小于當(dāng)合金元素的平均含量小于1.50%時(shí)，只標(biāo)元素符號(hào)，時(shí)，只標(biāo)元素符號(hào)，不標(biāo)含量。不標(biāo)含量。銑刀銑刀4 4）特殊性能鋼）特殊性能鋼牌號(hào)：數(shù)字（含碳量的千分

10、之幾）+合金元素符號(hào)+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(dāng)平均含碳量不大于當(dāng)平均含碳量不大于0.03%及及0.08%時(shí)，時(shí)，鋼號(hào)前分別冠以鋼號(hào)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(diǎn)、各類鋼的成分特點(diǎn)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(diǎn)碳鋼和合金鋼的特點(diǎn)1、碳鋼的特點(diǎn)、碳鋼的特點(diǎn)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(zhì)的金屬材料。強(qiáng)度、硬度取決于含碳量，可通過熱處理進(jìn)一步提高。l 低碳鋼： 強(qiáng)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(duì)較好，可制作齒輪、主軸及連桿等重要機(jī)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(wěn)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(jià)格便宜。2 2、合金鋼的特點(diǎn)、合金鋼的特點(diǎn)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(diǎn)：具有較高的強(qiáng)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(fù)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(qiáng)化鋼材）強(qiáng)化鋼材 固溶強(qiáng)化：非碳化物形成元素第二相強(qiáng)化和細(xì)晶強(qiáng)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(wěn)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(wěn)定鋼、熱強(qiáng)鋼3 3）合金元素對(duì)鋼的工藝性能的影響）合金元素對(duì)鋼的工藝性能的影響合金元素使鋼的鑄造性能下降（熔點(diǎn)較高的合金元素使液態(tài)金屬黏度增加）。合金元素使鋼的鍛造性能下降。合金元素對(duì)焊接性能的影響通過碳當(dāng)量碳當(dāng)量(應(yīng)小于0.4%)來判

13、斷。合金元素使鋼的切削性能下降。1556CuNiVMoCrMnccwwwwwwwweq結(jié)構(gòu)鋼按用途可分為： 工程結(jié)構(gòu)鋼和機(jī)器結(jié)構(gòu)鋼。對(duì)結(jié)構(gòu)鋼的性能要求為：使用性能以強(qiáng)韌性為主。工藝性能以可焊性、淬透性好為主。5.2 結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)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(yōu)點(diǎn)： 結(jié)晶溫度范圍窄，熔點(diǎn)低、流動(dòng)性好、具有良好的鑄造性能。生產(chǎn)設(shè)備和工藝簡單，成本低。缺點(diǎn)：強(qiáng)度、塑性、韌性都比鋼差。應(yīng)用最廣泛的材料之一。 5.5 鑄鐵鑄鐵例如，機(jī)床床身、內(nèi)燃機(jī)的汽缸體、缸套、活塞環(huán)及軸瓦、曲軸等都可用鑄鐵制造。鑄鐵曲軸鑄鐵曲軸內(nèi)燃機(jī)汽缸內(nèi)燃機(jī)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(wěn)相，在一定條件下將發(fā)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(tài)的石墨。u鑄鐵的石墨化條件：（1）長時(shí)間保溫（2）加入促進(jìn)石墨化元素時(shí)。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(gè)鐵碳相圖： Fe-Fe3C和Fe-G雙重相圖u共晶反應(yīng)生成奧氏體和石墨u奧氏體中析出石墨u共析反應(yīng)析出鐵素體和石墨L+GL+Fe3C鑄鐵的分類：鑄鐵的分類：根據(jù)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(shù)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(jī)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?；诣T鐵是鑄造性能最好、應(yīng)用最廣泛的鑄鐵材料。u灰口鑄鐵有根據(jù)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(qiáng)度、彈性模量較低，塑性、韌性接近零?？箟簭?qiáng)抗壓強(qiáng)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(dòng)的零件，如機(jī)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?；诣T鐵的牌號(hào)和用途：表5-

16、19HT+三位數(shù)字：灰鑄鐵+最低抗拉強(qiáng)度 如HT100 、HT200影響鑄鐵組織和性能的因素：n化學(xué)成分：C和Si：含量越高，析出石墨越多、越粗大。Si是促進(jìn)石是促進(jìn)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(huì)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(zhì)點(diǎn)增加石墨結(jié)晶晶核：石墨易于析出，切細(xì)小、均勻，獲得珠光體

17、組織。n冷卻速度對(duì)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(zhì)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(yīng)力集中小，力學(xué)性能明顯提高。u蠕墨鑄鐵常用于制造承受熱循環(huán)載荷的零件和結(jié)構(gòu)復(fù)雜、強(qiáng)度要求高的鑄件。如鋼錠模、玻璃模具、柴油機(jī)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(tuán)絮狀石墨呈團(tuán)絮狀的灰口鑄鐵，是由白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火獲得的。u具有比灰鑄鐵更好的韌性、塑性及強(qiáng)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(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。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