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工程材料工艺学-钢铁1第四章工业用钢与铸铁工程材料工艺学-钢铁2教学基本要求1.熟练掌握工业用钢的分类与编号表示方法；2.熟悉钢铁中合金元素的含量与作用与相应组织。3.了解铸铁的石墨化过程特点与影响；4.熟悉铸铁的分类、牌号、性能特点并基本会选。5.了解工程材料新发展简介工程材料工艺学-钢铁3§1工业用钢简介一、钢：以铁为主元素，含C％＜2％以下，并含有其它元素的材料。可形变加工的铁碳合金。1.工业用钢(按成分)包括非合金钢、低合金钢、合金钢三类。(必须掌握的内容-考试啊!)⑴按碳质量分数高低划分为低碳钢(wc0.25％)中碳钢(wc在0.25％～0.60％间)高碳钢(wc0.60％)等均为非合金钢。工程材料工艺学-钢铁4非合金钢加入少量合金元素形成低合金钢。⑵按质量分按钢的质量等级分,分为普通质量钢、优质钢、高级优质钢、特殊优质钢,其中的磷和硫质量分数如表4-1所示。⑶按钢的主要性能及使用特性分分工程结构用钢,机械结构用钢,工具钢,不锈钢,耐蚀,耐热钢,轴承钢,特殊物理性能等钢。工程材料工艺学-钢铁52.钢铁产品牌号表示方法钢材牌号采用“数字加字母”表示。力学性能和元素含量用数字表示，化学元素采用国际化学元素符号表示。产品名称、用途、冶炼和浇注方法等用汉语拼音字母表示。表4-2(p57)不同类型钢及牌号表示方法。工程材料工艺学-钢铁63.钢铁及合金统一数字代号体系GB/T17616-1998对钢铁及合金产品牌号规定了统一数字代号，与现行的GB/T221-2000钢铁产品牌号表示方法等同时并用。统一数字代号有利于现代化数据处理设备进行存储和检索，便于生产和使用。数字代号由固定6位符号组成,左边第1位大写拉丁字母作前缀(“I”和“0”除外),后接5位阿数字。工程材料工艺学-钢铁7每个统一数字只适用于一个产品牌号。例如：U20202，表示20(非合金钢)优质碳结钢钢；A73402表示合金调质钢中的40MnVB。非合金钢，(俗说：碳素结构钢)简称：碳钢由于价格低廉、易于获取，通过碳含量的控制和热处理可使其性能得到改善，能满足生产的基本需求，因而应用广泛。二、常存元素对碳钢性能的影响(了解)工程材料工艺学-钢铁81.碳(C)作用碳对碳钢的组织和性能影响很大。如图示总趋势是：状态图中自左向右,含碳量增加,Fe3C增加,硬度直线上升,塑韧性急速下降,强度先升后降。2.锰(Mn)作用脱氧,FeO还原Fe;与S作用→MnS降低热脆性;提高强度、硬度。属有益元素。3.硅(Si)作用工程材料工艺学-钢铁9与钢液中FeO生成炉渣,提高钢质量;溶于F中，固溶强化。有益元素。4.硫S作用：形成FeS(熔点1190℃）,在晶界处，在1100℃—1200℃时,压力加工,产生脆裂,“热脆”。有害元素。5.磷P作用：全部溶于F中,固溶强化；Rm、HB↑↑,在低温下引起脆断—“冷脆”。有害元素。工程材料工艺学-钢铁10三、非合金钢(碳)钢分类1.碳素结构钢GB700-1988牌号由代表屈服点的字母Q、屈服点数值、质量等级符号、脱氧方法四部分组成。其中质量等级分别用A、B、C、D表示。A的S、P量高,D的S、P量最低,且质量最好。如：Q235-A.FQ-“屈”字汉语拼音字首，读“屈”。工程材料工艺学-钢铁11235-Rm(σb)≥235MPaA-质量等级A级F-脱氧方法，指“沸腾钢”，一般不标。牌号：Q195；Q215；Q235；Q255；Q275五类.用途：用于制作螺钉、螺栓、螺母、角钢、垫圈、焊接钢管等,详见参考书P63表4－4。2.优质碳素结构钢S、P含量较低，用于重要零件工程材料工艺学-钢铁12GB：牌号用两位数字表示，表示含碳量万分之几（十）。如：08F、10、15、20、25，为低碳钢，塑性好，耐冲、好焊；30、35、40、45、50、55，中碳钢含P多，强硬适中，多做重要件；60、65、70、75，高碳钢。多需淬火＋回火，制作弹性耐磨件。20Mn、65Mn等称含锰量较高的优质碳素结构钢。（详见教参P68表4-13）工程材料工艺学-钢铁133.碳素工具钢。牌号用“碳”字汉语拼音字首“T”+数字表示Wc的千分之几。如：T7、T8、T9、T10、T10A、T12等。如T10钢WC=1%；T10A中的“A”表示为高级优质碳素工具钢(适用各类高级优质钢）。其中：T7钢（WC=0.7%）主要用于制造手钳、剪刀、凿子、手锤等；工程材料工艺学-钢铁14T10钢（WC=1%）用于制作手用钢锯条、简单冷作模具、（手工钻头）等；T12钢用于制作铰刀、锉刀、量具等。（详见教参P83表4-25）四、合金钢为提高钢的力学,工艺,物理,化学性能、淬透性等,在碳钢的基础上加入某些合金元素,称为合金钢。按用途分合金结构钢、合金工具钢和特殊性能钢。工程材料工艺学-钢铁151.合金结构钢钢号:数字＋元素符号＋数字(平均百分数)如20CrMnTi、40Cr、60Si2Mn、38CrMoAlA等；用于制造机械零件和工程构件。常说的16Mn应归类于(低合金)高强度结构钢,新号:Q345(GB/T1591-94)低合金高强度结构钢在碳钢基础上加少量锰、硅等合元制成。通常在热轧、正火状态下使用。工程材料工艺学-钢铁16牌号表达同碳素结构钢Q295、Q345、Q390、Q420、Q460.低合金高强度结构钢成本与碳素结构钢相近，但性能有较大的提高,在工程结构中应用极为广泛。(旧牌号:16Mn、09MnV2等)2.合金工具钢用于制造刃具、模具、量具等工具.如9SiCr、Cr12、CrMn、GCr15等；GCr15有专用名称“滚动轴承钢”,实为“名专用途广”。工程材料工艺学-钢铁17高速钢又称：锋钢、白钢。特点是高热硬性、耐磨性、淬透性，常用牌号：W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2等，制造形状复杂的高速切削工具，如：麻花钻、铣刀、拉刀、齿轮刀具和其他成形刀具。3.特殊性能钢不锈钢（不锈钢又多为耐热钢！）1)铬不锈钢马氏体型不锈钢,其牌号有：12Cr13、20Cr13、30Cr13工程材料工艺学-钢铁182)铬镍不锈钢：奥氏体型不锈钢，其牌号：12Cr18Ni9（Ti）、06Cr18Ni93)铁素体不锈钢：10Cr17-容器,日用品。耐磨钢GB5680-98又称“高锰钢”,强烈冲击力作用下发生硬化现象如牌号：ZGMn13-1、ZGMn13-2等，应用铁道叉、履带板、颚板、铲斗、保险箱等。磁钢（略）工程材料工艺学-钢铁19§2铸铁铸铁是在凝固过程中经历共晶转变，用于生产铸件的铁基合金的总称。生产上应用的铸铁碳的质量分数常在2.5%～4%之间。铸铁抗拉强度较低,塑性和韧性差,不能进行锻造,但有一系列优点,而在工业上应用广泛。工程材料工艺学-钢铁201.铸铁石墨化石墨化就是铸铁中的碳原子析出并形成石墨的过程。在铸铁中的碳能以渗碳体和游离状态的石墨形式存在。一般的石墨可以从液体中结晶出来，也能从A中析出，也可以由渗碳体分解得到。实践证明，成分相同的合金在冷却时，冷却速度愈快，析出的渗碳体的可能性愈大；工程材料工艺学-钢铁21冷却速度愈慢，析出石墨的可能性愈大。故,在铁碳合金结晶过程中存在两种相图,即Fe-Fe3C相图(它说明了析出Fe3C的规律)和Fe-G(石墨)相图(它说明了析出石墨的规律),为便于比较和应用,将上述两种相图重叠在一起称为铁碳双重相图，如图4-9所示。按Fe-G(石墨)相图分析过共晶成分的铁液由高温到室温的冷却过程，可将铸铁的石墨化过程分为几个阶段：工程材料工艺学-钢铁22第一阶段：液相至共晶阶段。包括从过共晶成分的液相中直接结晶出一次石墨和共晶石墨。中间阶段：共晶至共析转变的阶段。此时从奥氏体中直接析出二次石墨。第二阶段：共析转变阶段。包括共析转变时奥氏体转变为铁素体+石墨。当然，也可按Fe-Fe3C相图进行上述三个阶段的石墨化过程。不同的是，先析出Fe3C，然后Fe3C在高温下分解出石墨。工程材料工艺学-钢铁23石墨是碳的一种结晶体，具有六方晶格,见图4-10.原子呈层状排列,同一晶面上的碳原子间距为0.142×10-10m,相互间呈共价键结合,结合力强。层与层之间的距离为0.304×10-10m,原子间呈分子键结合，结合力较弱。因此，石墨结晶形态常易发展为片状，强度Rm、塑性A极低，硬度为3HBW;低的力学性能,及其数量、形状、大小和分布使灰铁基体上布满了裂纹和孔洞.工程材料工艺学-钢铁24由于G的存在①减少了基体承载的有效面积；②G的尖角割裂基体,造成严重的应力集中.且G片越是粗大、分布不匀,其力学性能越差.但是,灰铸铁的抗压强度受G影响小。灰铁不能锻造,不能冲压;但是有如下优点：①良好的铸造性(流动性好，收缩小)；②易切削;(？)③抗压强度高；工程材料工艺学-钢铁25④减震和减摩性能好；⑤切口不敏感性；⑥制造容易、价格便宜。2.铸铁的组织及影响因素灰铸铁按基体不同可分为;P灰铸铁P+F灰铸铁F灰铸铁要控制铸铁组织与成分，必须控制其石墨化程度，而影响石墨化的主要因素为：1)化学成分成分：Wc=2.5%~4%；Wsi=1~2.5%；WMn=0.6~1.2%;Wp≤0.3%；Ws≤0.15%.工程材料工艺学-钢铁26随C、Si增多，G核增多，析出G多而粗大；反之，G少；S、Mn阻碍G，增加白口化，应严控，P增加冷脆性。2)冷却速度(V)冷却快，原子来不及急扩散，G化难以进行；易白口。冷却的慢，可得灰口。显然，欲求灰口件合理选择铸件壁厚。工程材料工艺学-钢铁27冷却速度与铸型材料也直接关联,如:金属型比砂型的冷却速度快，铸件易白口.3.灰铸铁的孕育处理直接向已熔炼出炉的低碳、硅含量铁水中加入孕育剂（经过破碎又预热的75＃硅铁）.灰铁经孕育处理后G片细小均匀力学性能有明显提高，故称高强度铸铁4.灰铸铁的牌号、用途工程材料工艺学-钢铁28牌号:HT×××Rm≥×××MPa读作:“灰铁”,汉语拼音字母首有:HT100、HT150、HT200、HT250、HT300、HT350(见P100表4-33)主用于床身、箱体、重锤、暖气片等。5.灰铸铁的生产特点6.灰铸铁的热处理1)消除应力退火；工程材料工艺学-钢铁292)消除白口组织改善切削性能退火3)表面淬火如机床导轨二、可锻铸铁又称:马铁、韧性铸铁、展性铸铁、玛钢。1.成分：Wc=2.2~2.8%,Wsi=1~1.8;碳、硅量低。2.生产过程：首先浇注成白口铸铁件，然后再经过可锻化(石墨化)退火而得到团絮状石墨的可锻铸铁。因退火方法不同分：工程材料工艺学-钢铁30白心(B)可锻铸铁；黑心(H)可锻铸铁；珠光体(Z)可锻铸铁等三种。3.性能Rm、A、ak比灰铸铁好,但不能锻造.4.牌号GB9440-88KTH(或Z)×××－××－A＝××%Rm≥×××Mpa黑心或P可锻铸铁工程材料工艺学-钢铁31如：KTH300-06；建筑脚手架扣件、三通管件、阀门。KTZ550-04；用于载荷较高的耐磨损、凸轮轴，齿轮等。详见P101表4－34。三、球墨铸铁1.制取:在金属液中加入球化剂稀土镁合金-球化处理使G变为球状。2.组织:基体是(F，F+P，P)+球状石墨G工程材料工艺学-钢铁323.性能较高的Rm、σ-1(旧疲劳强度),但A、ak比钢差.4.牌号、用途GB1348-88见49表2－5牌号：QT×××-××—A=××%Rm≥×××Mpa球墨铸铁(球铁)5.球铁的生产特点1)铁水含碳硅量要高;S、P要低;温度1400℃。工程材料工艺学-钢铁33工程材料工艺学-钢铁34工程材料工艺学-钢铁35工程材料工艺学-钢铁36工程材料工艺学-钢铁37工程材料工艺学-钢铁38