1、第四讲 工业材料的脊梁钢铁,钢铁材料的特征,钢铁材料的分类,铸铁,常用工业用钢,品种繁多、性能多样 矿藏丰富，冶炼加工相对容易，价格较低 应用广泛，是最重要的工程材料,钢铁生产及使用的数量和质量是 一个国家经济发展水平及实力大小的评价标准,一、钢铁材料的特征,工业纯铁,钢,铸铁,2.11%,6.69%,0.02%,二、钢铁材料的分类,0,wc (%),定义：铁碳合金的总称,（C、Si、Mn、P、S）,“热脆”,S 有害元素,其他作用：降低焊接性能、形成硫化物夹杂恶化耐蚀性、偏析最严重元素； 易切削钢：S=0.08%-0.20%。,钢中常存元素及其作用,P 有害元素,“冷脆”,其他作用： 降低焊
2、接性能、降低冷弯性能提高钢的强度、提高耐腐蚀性,三、常用工业用钢,Mn 有益元素,“固溶强化”,（C、Si、Mn、P、S）,钢中常存元素及其作用,其他作用：降低或消除热脆倾向形成条状MnS夹杂使横向性能下降,Si 有益元素,“固溶强化”,其他作用：增加钢的电阻和导磁性形成硅酸盐夹杂使横向性能下降,钢的分类,三、常用工业用钢,碳钢与合金钢的比较,碳钢的特点冶炼加工容易成本低,应用广可热处理强化回火稳定性差淬透性差基本相强度低,韧性差不能满足特殊性能要求,合金钢的特点冶炼加工困难成本高回火稳定性高淬透性高基本相强度高,韧性好能满足特殊性能要求,按化学成分分类,碳素钢 （非合金钢）,合金钢,低碳钢
3、wc0.25%,中碳钢 wc0.25%0.60%,高碳钢 wc0.60%,低合金钢 wMe5%,中合金钢 wMe 510%,高合金钢 wMe 10%,钢 ： 0.02wc2.11%,按质量分类,普通钢,碳素结构钢,低合金结构钢,优质钢,高级优质钢（A）,D级碳素结构钢,优质碳素结构钢,合金结构钢,碳素工具钢,高级优质碳素工具钢,高级优质合金工具钢,高级优质合金结构钢,(按 S、P 含量分),按用途分类,使用性能： 以强韧性为主 工艺性能： 以可焊性、淬透性为主 常用钢种：碳素结构钢、优质碳素结构钢、合金结构钢,工程用钢：建筑、桥梁、船舶、车辆,渗碳钢 调质钢 弹簧钢 滚动轴承钢 耐磨钢,机器用
4、钢,结构钢,结构钢,(普通)碳素结构钢,牌号： Q195 Q215 Q235 Q255 Q275A、B A、B、C、D A、B 成分特点：低C，高S、P，高非金属夹杂 性能特点：冶炼容易 、冶金质量差、机械性能低可焊性、塑性好、工艺性好 用途：工程结构件（钢板、钢筋、型钢等）普通机械零件（少） Wc 低时可用作焊接、铆接件等；重要零件用Q235C、Q235D,(普通)碳素结构钢,牌号： 08、10、15、20、 、75、80、85（F） 成分特点： Wc：0.08% 0.85%C， S、P 0.04% 性能特点：冶金质量较好、塑性韧性高、淬透性及回火稳定性差 用途：比较重要的零件，如齿轮、轴、
5、连杆、弹簧等,优质碳素结构钢,低合金结构钢,牌号： 或： 16Mn、09MnV、 09MnNb、 15MnTi、 14MnVTiRe 成分特点： 性能特点： (s)高、s/b高 （减重20%30%） 具有良好的塑性和足够的韧性 具有较高的冷加工成形性 具有良好的可焊性、耐蚀性 低的韧脆转变温度,Q295 Q345 Q390 Q420 Q460 A、B AE AE AE C、D、E,低合金(WMe 3% ),低C(Wc 0.2% ),低合金结构钢,用途：强度较高的工程结构件,调质钢,性能特点：调质处理后具有 S回 综合性能 加工性能 成分特点： 中碳 （0.25%0.50%） 低合金（3.5 %
6、 ）,分类及用途： 低淬透性(D0油60mm, 40CrNiMo、38CrMoAlA)大截面重载零件，如汽轮机主轴和叶轮,螺杆,柴油机连杆,汽轮机主轴,弹簧钢,成分特点,中高碳：碳素弹簧钢为0.60.9%C 合金弹簧钢为0.450.7%C,主加元素：Si、Mn、Cr、V,用于制造利用弹性变形储存能量或缓和冲击的零件,性能特点 ： 高的s，s/b；高的-1； 足够的韧性，耐震动、抗冲击 高的淬透性,热处理特点： 热轧弹簧(10mm大截面弹簧)：热成型淬火+中温回火喷丸 冷轧弹簧(10mm弹簧）：淬火+中温回火冷成型去应力喷丸,弹簧钢,大型热卷弹簧,弹簧的表面质量 防止表面脱碳； 避免表面缺陷；
7、进行喷丸处理，使表面产生压应力,弹簧钢,65Mn、60Si2Mn：较大截面弹簧(汽车、拖拉机、机车板簧和螺旋弹簧) 50CrV：大截面、大载荷、耐热的弹簧,用途,冷成形弹簧的生产过程,高而均匀的硬度和耐磨性 高的b和接触疲劳强度 足够的韧性、淬透性和耐蚀性 高的纯净度,工作条件 承受高接触应力(达30003500MPa) 周期性交变载荷(频率达数万次/分)和摩擦,滚动轴承钢,用于制造轴承套和滚动体的专用钢种,向心 球轴承,滚针轴承,圆柱滚子轴承,性能要求,滚动轴承钢,成分特点 : 高碳：0.951.10 %C 主加元素Cr，提高淬透性、耐磨性和耐蚀性 辅加元素Mn、Si，提高淬透性,应用： G
8、Cr15：中小型轴承，冷冲模，量具，丝锥 GCr15SiMn：大型、特大型轴承,渗碳钢,表面：高的硬度、耐磨性和接触疲劳强度 心部：应有较高的韧性和塑性、足够的强度 在高的渗碳温度下奥氏体晶粒不易长大，并有良好的淬透性,工作条件 承受冲击载荷及交变应力作用 表面受强烈磨损,用于制造渗碳零件的专用钢种,性能要求,成分特点 : 低碳：0.10 0.25%C 加入提高淬透性元素Cr、Ni、Mn、B 加入阻碍奥氏体晶粒长大的元素Ti、V、W、Mo,渗碳钢,分类及应用： 低淬透性合金渗碳钢 15Cr、20Cr、20Mn2 用于受力小的耐磨件，如柴油机的活塞销、凸轮轴 中淬透性合金渗碳钢 20 CrMn、
9、20CrMnTi、20Mn2TiB 用于中等载荷的耐磨件，如变速箱齿轮。 高淬透性合金渗碳钢 18Cr2NiWA、20Cr2Ni4A用于大载荷的耐磨件，如柴油机曲轴。,活塞销( 20Cr ),柴油机曲轴,变速箱齿轮,性能特点: 硬度高 耐磨性好,工具钢,成分特点：高C (0.65%1.35%)、 低S、P 性能特点：高H，工作温度低时有较好的耐磨性；工艺性好，淬透性低，热硬性差,牌号 ： T7、 T8、T9 、 、T12 T13 （A）,碳素工具钢,应用：尺寸小、形状简单、低速低温硬度高的工具 T7、T8 ：冲头、凿子、锤子等承受冲击的工具 T9、T10、T11：钻头、刨刀、丝锥等低速切削工具
10、及冷作模具 T12、T13 ：锉刀、手锯条、刮刀、量规、样套等耐磨工具及量具,低合金工具钢,成分特点：,性能要求:,HRC60，使用温度200 300 ，有一定的强度和韧性。,高C（ 0.9 1.5 %）， 低合金（Cr、Mn、Si、 W、V 5 %）,各种薄刃刀具；截面较大、形状复杂、变形小的模具。,应用：,9SiCr,CrWMn,高速钢,制造高速切削刃具用钢,成分特点：,典型钢种： W18Cr4V、W6Mo5Cr4V2,高C（wC = 0.65 1.65 %）高合金（ 10%）,性能特点：,高硬度和耐磨性 “锋钢” 高热硬性 “高速钢” 高淬透性 “风钢” 较高的强度、韧性,应用 高速切削
11、刃具：车刀、钻头、铣刀等,齿轮滚刀,插齿刀,圆锯片,高速钢,冷作模具钢, 常温下使金属或非金属变形的模具 （冷冲、冷镦、冷挤压模、拉丝模、搓丝板等）,冷镦模具,工作温度：T工作200300 受力特点：压力、弯曲应力、冲击力、摩擦力。 失效形式：磨损、崩刃、断裂、变形等。,性能要求： 高硬度、高耐磨性 高淬透性 足够的强度、韧性和疲劳抗力 热处理变形小、良好的工艺性能,冷作模具钢,汽车冲压模具,常用钢种及应用： T10、9Mn2V、9SiCr、CrWMn小型、轻载模具 Cr12、Cr12MoV大型、复杂、重载、高精度、高耐磨模具 高速钢热硬性要求高的模具,热锻,压铸,热挤压,热作模具钢,使加热的
12、固态或液态金属在压力下成形的模具用钢,工作温度：T工作= 400600 受力特点：高冲击、强摩擦、大而不均匀的热应变和热压力 失效形式：高温氧化、崩裂、塌陷、磨损、龟裂等,性能要求： 高的热硬性和高温耐磨性； 高的抗氧化性能； 高的热强性和足够的韧性； 高的热疲劳抗力； 高的淬透性和导热性。,常用钢种及应用： 5CrMnMo、5CrNiMo、5CrMnSiMoV：韧性高、热硬性不太高的热锻模 3Cr2W8V、4Cr5MoVSi ：热强性更好的大型锻压模或压铸模,热作模具钢,汽车四缸压铸模,在腐蚀介质中具有很高的抗腐蚀能力的钢,金属腐蚀的概念（1）化学腐蚀金属与化学介质直接产生化学反应。（2）电
13、化学腐蚀金属在腐蚀介质中形成原电池，阳极失去电子被腐蚀。,电化学腐蚀过程示意图,(c),不锈钢,金属的防腐措施:,不锈钢,加入Cr 、Al等形成钝化模（致密而牢固的氧化膜，如Cr2O3）； 减少原电池形成的可能性，使金属具有均匀的单相组织； 形成原电池时：加入Cr，减少电极电位差，提高阳极电极电位； 覆盖层保护: 涂漆、电镀、发蓝、磷化等工艺。,不锈钢的成分特点:,低碳(0.1%0.2%） 主加元素Cr、Cr-Ni，辅加元素为 Ti、Nb、Mo、Cu、Mn、N,常用不锈钢,合成氨生产装置（F）,大型化工储罐(304，A),医用手术刀等（M）,铸铁的概念：含碳量大于2.11%(一般为2.5%4.
14、0%) 铁碳合金 铸铁的特点： 历史上使用较早； 最便宜的金属材料之一； 铸造性能极好，且只能用铸造成形； 生产成本低，工艺简单，减震性、耐磨性好，切削加工性好； 应用广主要用于制造各种机器零件；,四、铸铁,其中碳主要以片状石墨形状存在，断口为暗灰色， 常见的铸铁件多数是灰口铸铁。,铸铁的分类:,碳全部以渗碳体(Fe3C)形式存在，断口呈银白色。,灰口铸铁：,白口铸铁：,断口形貌介于白口铸铁和灰口铸铁之间。,麻口铸铁：,灰铸铁 片状 可锻铸铁团絮状 球墨铸铁珠状（球状） 蠕墨铸铁蠕虫状,灰口铸铁类型与石墨形态,铸铁的分类:,牌号：HT,灰铸铁,最低b,铁素体+片状石墨,铁素体+珠光体+片状石墨
15、,珠光体+片状石墨,灰铸铁,石墨成片状分布,主要成分范围： WC=2.5%4.0%，WSi=1.0%3.0%。 普通（灰）铸铁性能：,b 、（）、力学性能差, 但抗压强度接近钢； 缺口敏感性低，对疲劳极限影响不明显； 消震性好（是钢的十倍）； 铸造性好； 切削加工性好。,灰铸铁,石墨成片状分布,热处理特点 去应力退火 (低温退火、又称人工时效) ： 500550，防止机加工、使用时变形或开裂 高温退火（消除白口组织退火 ）： 850900, 使表面、薄壁等处Fe3C G, 硬度, 切削加工性 表面淬火：提高导轨表面、汽缸体内壁等的耐磨性,只改变基体组织，不能改变石墨的形态,灰铸铁,石墨成片状分
16、布,应用制造承受压力和震动的零件如：机床床身、各种箱体、壳体、泵体、缸体等,灰铸铁,石墨成片状分布,铁素体球墨铸铁,珠光体+铁素体球墨铸铁,珠光体球墨铸铁,球墨铸铁,石墨成球状分布,牌号 ： QT -,球墨铸铁,最低b,最低,热处理特点 退火 去应力退火，500 600。低温退火，720760， PG + F ，塑韧性、切削加工性高温退火，900950， P, CmG + F ，塑韧性、切削加工性 正火 P% ，细化组织，强度、耐磨性低温正火，840860， P + F + G ，塑韧性较好。高温正火，880920， P + G + 少量F ，强度较高。 调质 850900油淬 + 55060
17、0回火回火S + G 等温淬火 840900 + 300等温下B+G,球墨铸铁,石墨成球状分布,下B+G,球墨铸铁,石墨成球状分布,性能特点： 强、塑、韧、弯曲、疲劳明显优于灰铸铁 其综合机械性能接近于钢 缺点：消振性能低,应用：受力复杂、负荷较大、要求耐磨的铸件（替代部分铸钢、锻钢件） P 球墨铸铁：内燃机曲轴、凸轮轴、连杆、轧辊等 F 球墨铸铁：阀门、汽车后桥、犁铧、收割机导架等,管道接口,铸铁曲轴,轧辊与轧环,球墨铸铁中的石墨球,球墨铸铁,石墨成球状分布,牌号 ： KT -,铁素体可锻铸铁,珠光体可锻铸铁,可锻铸铁（玛钢、马铁）,石墨成团絮状分布,可锻铸铁,最低b,最低,性能特点： 强度
18、、塑韧性优于HT，低于QT 铁素体可锻铸铁：有一定的强度，塑性、韧性较好 珠光体可锻铸铁：强度、硬度、耐磨性好，有一定的塑性、韧性,有一定的塑性变形能力（12%），但不能锻造,可锻铸铁,石墨成团絮状分布,可锻铸铁,石墨成团絮状分布,应用：形状复杂、承受冲击和振动载荷的零件（汽车拖拉机的后桥外壳、管接头、低压阀门等）,蠕墨铸铁,石墨成蠕虫状分布,牌号 ： RuT ,蠕墨铸铁,最低b,性能特点：强度、塑性和抗疲劳性能优于灰铸铁，其力学性能介于灰铸铁与球墨铸铁之间。,应用：制造承受热循环载荷的零件和结构复杂、强度要求高的铸件（钢锭模、玻璃模具、汽缸盖、液压阀、耐压泵、高压热交换器等）,蠕墨铸铁,石墨成蠕虫状分布,蠕墨铸铁,石墨成蠕虫状分布,合金铸铁,钢铁的特性,
