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工 程 材 料 工 艺 学 -钢 铁 1 工 程 材 料 工 艺 学 -钢 铁 2 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 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 !) 按 碳 质 量 分 数 高 低 划 分 为 低 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 。 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 。 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 5 2. 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 6 3.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 8 1.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 . F Q-“ 屈 ” 字 汉 语 拼 音 字 首 ， 读 “ 屈 ” 。 工 程 材 料 工 艺 学 -钢 铁 11 235-Rm( b) 235MPa A-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 12 GB： 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 13 3.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 14 T10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 15 1.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) 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. 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 18 2)铬 镍 不 锈 钢 ： 奥 氏 体 型 不 锈 钢 ， 其 牌 号 ： 12Cr18Ni9（ Ti） 、 06Cr18Ni9 3)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 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 20 1.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Fe 3C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 0.14210-10m,相 互 间 呈 共 价 键 结 合 ,结 合 力强 。 层 与 层 之 间 的 距 离 为 0.30410-10m,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 减 少 了 基 体 承 载 的 有 效 面 积 ； G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 ： 良 好 的 铸 造 性 (流 动 性 好 ， 收 缩 小 )； 易 切 削 ;(？ ) 抗 压 强 度 高 ； 工 程 材 料 工 艺 学 -钢 铁 25 减 震 和 减 摩 性 能 好 ； 切 口 不 敏 感 性 ； 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 ; 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 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 : H T 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 29 2)消 除 白 口 组 织 改 善 切 削 性 能 退 火 3)表 面 淬 火 如 机 床 导 轨 又 称 :马 铁 、 韧 性 铸 铁 、 展 性 铸 铁 、 玛 钢 。 1.成 分 ： Wc=2.22.8%,Wsi=11.8; 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 GB9440-88 K T H(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 32 3.性 能 较 高 的 Rm、 -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 ： Q T -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