第4章 鋼鐵材料及其用途

第4章鋼鐵材料及其用途4.1碳鋼與合金鋼4.2鑄鐵4.1碳鋼與合金鋼4.1.1碳鋼碳素鋼是指含碳量在0.0218%~2.11%的鐵碳合金。合金鋼是指為了提高鋼的性能，在碳鋼基礎(chǔ)上有意加入一定量合金元素所獲得的鐵基合金。1.碳鋼的分類

（1）按冶煉方法分類平爐煉鋼平爐鋼轉(zhuǎn)爐鋼電爐鋼

按冶煉爐分沸騰鋼鎮(zhèn)靜鋼半鎮(zhèn)靜鋼特殊鎮(zhèn)靜鋼

按脫氧方法分（2）按化學(xué)成分分類

中碳鋼0.25~0.6%C高碳鋼

0.6%C低碳鋼

0.25%C低合金鋼合金元素總量5%中合金鋼合金元素總量5~10%高合金鋼合金元素總量10%碳素鋼合金鋼鋼類碳素鋼合金鋼P(yáng)SPS普通鋼≤0.045≤0.045≤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≤0.030≤0.025≤0.025特級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼≤0.025≤0.020≤0.025≤0.015（3）按質(zhì)量分類鋼的質(zhì)量是以磷、硫的含量來(lái)劃分的。分為普通鋼、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：（4）按用途分類

工程用鋼建筑、橋梁、船舶、車輛滲碳鋼調(diào)質(zhì)鋼彈簧鋼滾動(dòng)軸承鋼耐磨鋼機(jī)器用鋼結(jié)構(gòu)鋼刃具鋼模具鋼量具鋼工具鋼不銹鋼耐熱鋼特殊性能鋼擠壓模具珠光體鋼貝氏體鋼馬氏體鋼鐵素體鋼奧氏體鋼萊氏體鋼按正火組織分亞共析鋼共析鋼過(guò)共析鋼

按退火組織分（5）按金相組織分類齒輪刀具2.鋼的牌號(hào)我國(guó)鋼材的編號(hào)是采用漢語(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)拼音中選取第一個(gè)字母.（1）普通碳素結(jié)構(gòu)鋼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。如碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)表示為Q235AF、Q235BZ。其他牌號(hào)見P43表4-1鋼板齒輪加工方鋼（2）優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼牌號(hào)用兩位數(shù)字表示。這兩位數(shù)字表示鋼平均含碳量的萬(wàn)分之幾。如45鋼—平均含碳量為萬(wàn)分之四十五（即0.45%）的優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼。其他優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、性能和用途見P43表4-2（3）碳素工具鋼T+數(shù)字T表示“碳素工具鋼”；數(shù)字表示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)。*說(shuō)明：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”，如T8A。其他碳素工具鋼的牌號(hào)、性能和用途見P44表4-3絲錐銼刀4.1.2合金鋼合金鋼的主要合金元素有硅、錳、鉻、鎳、鉬、鎢、釩、鈦、鈮、鋯、鈷、鋁、銅、硼、稀土等。這些合金元素能夠改善鋼的力學(xué)性能、淬透性、熱穩(wěn)定性和耐腐蝕性等性能，使合金鋼獲得高強(qiáng)度、高韌性、耐磨、耐腐蝕、耐低溫、耐高溫、無(wú)磁性等特殊性能。1.合金元素在鋼中的作用⑴合金元素能提高鋼的力學(xué)性能1）固溶強(qiáng)化鐵素體；2）第二相強(qiáng)化；復(fù)相合金與單相合金相比，除基體相以外，還有第二相得存在。當(dāng)?shù)诙嘁约?xì)小彌散的微粒均勻分布于基體相中時(shí)，將會(huì)產(chǎn)生顯著的強(qiáng)化作用。這種強(qiáng)化作用稱為第二相強(qiáng)化。

3）細(xì)晶強(qiáng)化。⑵合金元素能改善鋼的熱處理工藝性能1）能提高鋼的淬透性；2）能提高鋼的回火穩(wěn)定性；3）能使鋼獲得特殊性能;2.合金結(jié)構(gòu)鋼該類鋼的牌號(hào)由“兩位數(shù)字+元素符號(hào)+數(shù)字”三部分組成。前兩位數(shù)字表示平均碳含量的萬(wàn)分之幾合金元素以漢字或化學(xué)元素符號(hào)表示合金元素后面的數(shù)字表示該元素的近似含量，單位是百分之幾如18Cr2Ni4WA:表示高級(jí)優(yōu)質(zhì)合金結(jié)構(gòu)鋼，其平均碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.18%，平均鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%，鎳為4%，鎢小于1%。常用合金結(jié)構(gòu)鋼的牌號(hào)、性能和用途見P46表4-4機(jī)械制造用的合金結(jié)構(gòu)鋼按組織和性能特點(diǎn)可分為：⑴合金調(diào)質(zhì)鋼（0.3%~0.6%C）要求有較高的強(qiáng)度和良好的塑性及韌性.40Cr、35CrMo、40CrNiMo⑵表面硬化鋼除要求有較高的強(qiáng)度和良好的塑性及韌性外，還要求表面硬度高、耐磨性好。按表面硬化方式可分：合金滲碳鋼（0.15%~0.25%C）:20Cr、20CrMnTi合金滲氮鋼（0.3%~0.25%C）:38CrMoAl、30CrMnSi⑶合金彈簧鋼（0.5%~0.85%C）要求有高的彈性極限和疲勞強(qiáng)度:65Mn、50CrV3.合金工具鋼和特殊性能鋼按用途分為:刃具鋼模具鋼量具鋼模具刃具量具合金工具鋼要求具有高的硬度和耐磨性，以及足夠的強(qiáng)度和韌性，主要用于制造刀具、模具和量具等工具。合金工具鋼的牌號(hào)（與合金結(jié)構(gòu)鋼相似）：含碳量+合金元素符號(hào)+該元素百分含量+……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.當(dāng)含碳量大于1.00%時(shí)，不標(biāo)含碳量?；瘜W(xué)成分特點(diǎn)：

高碳：0.9~1.5%C

合金元素作用①提高淬透性:Cr、Mn、Si②

提高耐回火性：Si③提高耐磨性、細(xì)化晶粒：W、V應(yīng)用最多的是9SiCr。

按合金質(zhì)量元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，合金工具鋼分為兩種：1）低合金工具鋼由碳素工具鋼基礎(chǔ)上加入少量合金元素制成。

低合金工具鋼制品2）高合金工具鋼①高速鋼制造高速切削刃具用鋼。高碳:0.70~1.5%C600度高溫下保持高硬性，又稱“鋒鋼”②高鉻模具鋼Cr12、Cr12MoV（2）特殊性能鋼特殊性能鋼具有特殊物理或化學(xué)性能，用來(lái)制造除要求具有一定的機(jī)械性能外，還要求具有特殊性能的零件。其種類很多，機(jī)械制造中主要使用不銹耐酸鋼、耐熱鋼、耐磨鋼。不銹耐酸鋼包括不銹鋼與耐酸鋼。能抵抗大氣腐蝕的鋼稱為不銹鋼。而在一些化學(xué)介質(zhì)（如酸類等）中能抵抗腐蝕的鋼稱為耐酸鋼。1）不銹耐酸鋼

通常也將這兩類鋼統(tǒng)稱為不銹鋼。一般不銹鋼不一定耐酸，而耐酸鋼則一般都具有良好的耐蝕性能。不銹鋼的牌號(hào)前的數(shù)字表示平均含碳量的千分之幾，合金元素仍以百分?jǐn)?shù)表示。不銹鋼3Cr13的平均含碳量為0.3％、鉻≈13％；0Cr13鋼的平均含碳量≤0.08％、鉻≈13％；00Cr18Ni10鋼的平均含碳量≤0.03％、鉻≈18％、鎳≈10％不銹鋼常用分類：馬氏體不銹鋼

常用馬氏體不銹鋼含碳量為0.1--0.45％,含鉻量為12--14％，屬鉻不銹鋼。隨著鋼中含碳量的增加，鋼的強(qiáng)度、硬度、耐磨性提高，但耐蝕性則下降。這類鋼多用于機(jī)械性能要求較高，而耐蝕性要求較低的零件。如汽輪機(jī)葉片、各種泵的零件、彈簧、滾動(dòng)軸承及一些醫(yī)療器械。

鐵素體不銹鋼

常用含碳量低于0.15％,含鉻量為12--30％,也屬于鉻不銹鋼。其塑性、焊接性均較馬氏體鋼好。這類鋼廣泛用于硝酸、氮肥、磷酸等化學(xué)工業(yè)中。

奧氏體不銹鋼

這是應(yīng)用最廣泛的不銹鋼，屬鎳鉻鋼。

2）耐熱鋼

在高溫下具有較高的抗氧化性和強(qiáng)度的鋼?？寡趸摚ú黄鹌や摚釓?qiáng)鋼氣閥鋼3）耐磨鋼

耐磨鋼是指在強(qiáng)烈沖擊載荷作用下才能發(fā)生硬化的高錳鋼。

它只有在強(qiáng)烈沖擊與摩擦的作用下，才具有耐磨性，在一般機(jī)器工作條件下，它并不耐磨。主要用于制造坦克、拖拉機(jī)的履帶，挖掘機(jī)鏟斗的斗齒以及防彈鋼板、保險(xiǎn)箱鋼板、鐵路道岔等。由于高錳鋼極易加工硬化，使切削加工困難，故大多數(shù)高錳鋼零件是采用鑄造成型的。4.2.1鑄鐵的成分和性能鑄鐵是含碳量大于2.11%并含有較多硅、錳、硫、磷等元素的多元鐵基合金。鑄鐵的抗拉強(qiáng)度、塑性和韌性雖然比鋼差，又不能進(jìn)行鍛造，但是它卻具有良好的鑄造性、耐磨性、減振性等一系列優(yōu)良性能，而且生產(chǎn)簡(jiǎn)便，價(jià)格低廉，所以在機(jī)械制造中得到廣泛應(yīng)用。4.2鑄鐵1、根據(jù)碳在鑄鐵中存在的形式分類灰口鑄鐵碳大部分以游離態(tài)的石墨形式存在，其斷口呈現(xiàn)暗灰色。是目前應(yīng)用最廣泛的一類鑄鐵。白口鑄鐵碳大部分以Fe3C的形式存在，斷口呈銀白色。麻口鑄鐵

碳一部分以石墨形式存在，另一部分以Fe3C的形式存在，斷口夾雜著白亮的滲碳體和暗灰色的石墨。4.2.2鑄鐵的石墨化及鑄鐵的分類

根據(jù)碳在鑄鐵中存在的形式分類灰口鑄鐵

碳大部分以游離態(tài)的石墨形式存在，其斷口呈現(xiàn)暗灰色。是目前應(yīng)用最廣泛的一類鑄鐵。白口鑄鐵

碳大部分以Fe3C的形式存在，斷口呈銀白色。麻口鑄鐵

碳一部分以石墨形式存在，另一部分以Fe3C的形式存在，斷口夾雜著白亮的滲碳體和暗灰色的石墨。根據(jù)鑄鐵組織中石墨存在形態(tài)的差異，灰口鑄鐵又劃分為灰鑄鐵、球墨鑄鐵、可鍛鑄鐵和蠕墨鑄鐵等。1.白口鑄鐵碳絕大部分以滲碳體的形式存在，斷口呈銀白色。性能硬而脆，很難切削加工，一般不用作機(jī)械零件，僅可用于要求耐磨而不受沖擊的制件，如軋輥、磨球，主要用途是煉鋼的原料。2.灰鑄鐵碳大部分或全部以片狀石墨形式存在，斷口呈暗灰色。是應(yīng)用最廣泛的一種鑄鐵，占80%以上。⑴鑄鐵的石墨化過(guò)程鑄鐵中的碳原子析出形成石墨的過(guò)程稱為石墨化。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。

Fe3C是亞穩(wěn)相，在一定條件下將發(fā)生分解：Fe3C→3Fe+C（石墨）鑄鐵中的石墨可以在結(jié)晶過(guò)程中直接析出,也可以由滲碳體加熱時(shí)分解得到。影響鑄鐵石墨化的因素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，因而促進(jìn)石墨化。快冷時(shí)由于過(guò)冷度大，不利于石墨化?；瘜W(xué)成分的影響碳和硅是強(qiáng)烈促進(jìn)石墨化的元素。碳、硅含量過(guò)低，易出現(xiàn)白口組織，力學(xué)性能和鑄造性能變差.碳、硅含量過(guò)高,會(huì)使石墨數(shù)量多且粗大，基體內(nèi)鐵素體量增多，降低鑄件的性能.碳、硅量控制范圍：2.5~4.0%C，1.0~3.0%Si。⑵ 灰鑄鐵的組織與性能灰鑄鐵的基體組織有鐵素體、珠光體和鐵素體加珠光體三種。(1)珠光體灰鑄鐵：是在珠光體基體上分布著細(xì)小均勻的石墨。其力學(xué)性能較高，用于制造較為重要的零件。(2)珠光體－鐵素體灰鑄鐵：是在珠光體與鐵素體的混合基體上分布著較粗大的石墨片，此種鑄鐵強(qiáng)度較低，但能滿足一般零部件的要求，且鑄造性能及切削加工性能較好，用途最廣。(3)鐵素體灰鑄鐵：是在鐵素體基體上分布著粗大而且較多的石墨片，力學(xué)性能較差，很少應(yīng)用。三種灰鑄鐵微觀組織如圖4-1所示。這種基體微觀組織的差異取決于石墨化過(guò)程。⑶灰鑄鐵的牌號(hào)和用途牌號(hào)：HT+數(shù)字，數(shù)字表示最低抗拉強(qiáng)度值。常用的灰鑄鐵的牌號(hào)、性能和用途見P50表4-63.可鍛鑄鐵用碳、硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的鐵液澆注成白口鑄鐵件，再經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的高溫退火，使?jié)B碳體分解成團(tuán)絮狀的石墨而制成?？慑戣T鐵比灰鑄鐵有較高的強(qiáng)度、塑性和韌性，但可鍛鑄鐵退火工藝較復(fù)雜，生產(chǎn)周期長(zhǎng)，成本較高。目前，主要用于制造形狀復(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?？慑戣T鐵管件石墨呈團(tuán)絮狀的灰口鑄鐵，是由白口鑄鐵經(jīng)石墨化退火獲得的。牌號(hào)：KT+數(shù)字+數(shù)字，后面的兩組數(shù)字分別表示最低抗拉強(qiáng)度和最低伸長(zhǎng)率組織：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。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4.球墨鑄鐵在澆注前向鐵液中加入適量的球化劑和孕育劑，使碳呈球狀析出而制成。球化劑為鎂、稀土和稀土鎂。常用孕育劑為硅鐵和硅鈣合金。硅鐵硅鈣稀土鎂球墨鑄鐵的性能與熱處理強(qiáng)度是碳鋼的70~90%。球墨鑄鐵的突出特點(diǎn)是屈強(qiáng)比(0.2/b)高,約為0.7~0.8,而鋼一般只有0.3~0.5。球墨鑄鐵的強(qiáng)度、塑性、韌性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)灰鑄鐵，甚至優(yōu)于可鍛鑄鐵，同時(shí)還具有良好的鑄造性能、耐磨性和切削加工性。球墨鑄鐵可進(jìn)行各種熱處理來(lái)提高力學(xué)性能,如退火、正火、淬火加回火、等溫淬火等。用途：承受震動(dòng)、載荷大的零件，如曲軸、傳動(dòng)齒輪等。常用牌號(hào)見P50表4-65.蠕墨鑄鐵是20世紀(jì)60年代發(fā)展起來(lái)的一種新型高強(qiáng)度鑄鐵，石墨形