化工设备机械基础精品2碳钢和铸铁幻灯片PPT
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铸铁的抗拉强度，MPa QT400－18、QT400 －15：用于制造气轮机壳、16～64大气压阀体、 支架、齿轮箱、一定温度的压缩机气缸等；
QT500－7、QT600 －3：用于制造机座架、齿轮、飞轮、泵的曲柄、缸体 缸套等。
3. 耐蚀铸铁：加入大量的硅（一般为14.5％），可以提高铸铁在氧化
性介质中耐蚀能力。但在还原性酸和强碱中，由于SiO2保护膜遭到破坏而
（2）碳与铁形成化合物
渗碳体： Fe3C 硬度极高，塑性几乎为零，脆性大
珠光体（P）：C=0.77% 铁素体、Fe3C的机械混合物 强度较高、硬度适中，塑性韧性较好 σb=770MPa，δ=20-35%
形态——铁素体、渗碳体交替呈片状组织 莱氏体（Ld）： C=4.33% （723~1147℃）
奥氏体、Fe3C的机械混合物 硬度高、塑性差、脆性大
工作台、阀体、管路附件、齿轮箱等； HT200和HT250 ：用于制造较重要的机械零件，如机座、气缸、阀体、
齿轮、泵壳等； HT300和HT350 ：用于制造重要的机械零件，如机座、气缸体、泵体、
大型发动机曲轴等。
2、球墨铸铁：石墨呈球状，使铸铁的强度和韧性大大提高。
QT400-18
铸铁的延伸率，％
阻止氧的渗入。RTCr2、 RTCr16、 RTSi5、 RQTSi4、 RQTAl4Si4
5、可锻铸铁：石墨以团絮状存在
KTH350-04
延伸率，％
抗拉强度，MPa 铁素体
KTZ450-06
延伸率，％
抗拉强度，MPa 珠光体
共析钢：C=0.77%，珠光体（Fe3C为12%，铁素体为88% ）
亚共析钢： C<0.77%，铁素体+珠光体 过共析钢： C>0.77%，珠光体+ Fe3C 共晶白口铁：C=4.33%，莱氏体 亚共晶白口铁： C<4.33%，珠光体+Fe3C+莱氏体 过共晶白口铁： C>4.33%，Fe3C+莱氏体
b、压力加工方面的应用
锻造、热轧应选在单相奥氏体的高温范围内进行 锻：1150~1250℃；轧：750~850℃
c、热处理方面的应用
7.2.3 碳素钢
按化学成分的不同，钢可分为碳素钢和合金钢，碳素钢在实际使用中占90%， 合金钢仅占10%。
常用碳钢中，一般含碳量约为0.05~1.4%
一、碳及其常存杂质对钢材性能的影响
锻件：法兰、平板封头、补强管、紧固件等，需焊接的采用20、 不需焊接的 采用35和45。
其它：型钢（ Q235－A）、圆钢（ Q235－A、20、35）、螺栓和螺母等。
三、铸铁
铸铁的化学组成：碳2.5～4.0％，硅0.5～1.5％， 磷0.1～1.5％， 硫不大于0.15，其中的碳大部分以石墨状态存在。
C：钢中主要元素，含量↑，钢的强度和硬度↑ ，塑性和韧性↓；C>0.9%时，强度 反而降低； S：有害元素，炼钢矿石、燃料带入，与铁形成FeS（熔点985℃），热脆； P：有害元素，炼钢矿石带入，P使强度硬度增加但塑性冲击韧性降低，冷脆； Mn：有益元素，脱氧剂，提高Si、Al脱氧效果，脱氧除硫，Mn和S生成高熔点 （1600℃）的MnS，消除S的有害作用,降低钢的脆性；Mn能溶入铁素体引起固 溶强化，提高钢材的强度和硬度；Mn=0.25~0.8%； Si：脱氧剂，提高钢材的强度和硬度，增大钢液流动性；Si≤0.4%； O:有害元素,以FeO, SiO2等形式存在，降低钢的强度和塑性。
铸铁：布满裂纹或空洞的钢 铸铁中石墨作用：（1）良好的铸造性；
（2）良好的减震性； （3）良好的耐磨性能； （4）良好的切削加工性能； （5）低的缺口敏感性
1、灰口铸铁：石墨以片状形式存在，断口呈灰色。
牌号： HTXXX（数字代表最低抗拉强度） HT100和HT150 ：用于制造强度不高的机械零件，如盖、手轮、支架、
化工设备机械基础精品2碳 钢和铸铁幻灯片PPT
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7.2 碳钢和铸铁
金属的晶体结构
纯铁
亚共析钢：15 铁素体+珠光体
亚共析钢：45 铁素体+珠光体
亚共析钢：65 铁素体+珠光体
共析钢 珠光体
过共析钢 珠光体+Fe3C（白网）
过共析钢 珠光体+Fe3C（黑网）
亚共晶白口铁 珠光体+Fe3C+低温莱氏体
共晶白口铁 莱氏体
过共晶白口铁 低温莱氏体+ Fe3C
铁碳平衡状态图的应用
（3）密排六方晶格
晶格常数c/a=1.663
Mg，Zn，Cd，Be
致密度：
体心立方晶格0.68 面心立方、密排六方0.74
纯金属的晶体结构
2、金属的同素异晶转变（同素异构转变）
液 1 态 5 3 F 8 1 e 铁 3 9 F 0 9 e 1 0 Fe
体心立方
面心立方
体心立方
3、实际金属）、线缺陷（刃形位错、 螺形位错）、面缺陷（晶界、亚晶界）
螺形位错
刃形位错
1、合金
合金的组织结构
两种或两种以上的金属元素与非金属元素组成的具有金 属特征的物质。
分类：二元合金、三元合金；单相合金、多相合金 钢、铸铁：铁碳合金 黄铜：Cu-Zn合金 硬铝：Al-Cu-Mg合金
7.2 碳钢和铸铁
7.2.1 碳钢与铸铁的化学成分和结构
由95％以上的铁、0.05～5%碳、1％的其它杂质组成
一般含C 0.02～2.11%为钢
含C <0.02%为纯铁
含2.11% < C <4.33%为铸铁
一、铁 纯铁塑性极好，强度硬度很低 t<910℃,α-Fe 体心立方晶格 t>910℃,γ-Fe 面心立方晶格
高合金钢（合金元素含量>10%)
按质量等级：普通钢（S≤0.050%，P≤0.085%）
优质钢（S≤0.035%，P≤0.04%）
高级优质钢（S≤0.025%，P≤0.025%） 按用途分：建筑钢、结构钢、弹簧钢、轴承钢、工具钢、特殊性能钢
（如不锈钢、耐热钢等）
2.碳钢的编号
（1）普通碳素钢：含S≤0.050％，P≤0.085%
1、晶体与非晶体 2、晶格、晶胞
晶格常数a、b、c；棱边夹角α、β、γ
纯金属的晶体结构
1、常见金属晶体结构 （1）体心立方晶格
晶格常数a=b=c； 棱边夹角α=β=γ=900
α-Fe（910℃以下），Cr，W，Mo，V
（2）面心立方晶格
晶格常数a=b=c； 棱边夹角α=β=γ=900
γ-Fe（910℃<t<1390℃），Al，Cu，Ag，Au
铸钢： ZG200-400
σs σ b
（3）高级优质碳钢：硫、磷含量均≤0.03％。其表示方
法是在优质钢钢号后面加“A”，如20A。
3. 碳钢的性能
机械性能：具有适中的强度和硬度、良好的塑性。普通碳钢使用 温度范围：-20~400℃，优质碳钢：-40~450℃；
制造工艺性能：可铸造、锻压、焊接及切削等冷、热加工；
不耐蚀。
STSi15R和STSi17R在各种温度
STSi15Mo4R
和浓度的硫酸、硝酸、铬酸，各种有 机酸，一系列盐溶液中耐蚀性能良好， 混合稀土元素符号 但在卤素的酸、盐和强碱中不耐腐蚀。
硅的名义百分含量，％
STSi15Mo3R可耐各种浓度和温
度的硫酸、盐酸、硝酸、碱水和盐水。
4、耐热铸铁：在铸铁中加入Si、Al、Cr等元素，形成致密的氧化膜，
二、碳
碳在铁中有三种存在形式
（1）碳溶解在铁的晶格中形成固溶体
a、铁素体（F）： C溶于α-Fe中，C≤0.02% 力学性能与纯铁相当，塑性韧性好、强度硬度低 σb=180-280MPa
b、奥氏体（A）：（723~1147℃） C溶于γ-Fe中，C≤2.11% 塑性韧性好、强度硬度高 σb=400MPa
普通碳素结构钢按GB700－88规定：钢的牌号由代表屈服点的字母Q、 屈服强度值、质量等级符号、脱氧方法符号等四部分组成。共有5个钢 号： Q 195、 Q215、 Q 235、 Q255 、Q275。
Q 235- A ·F
脱氧方法：沸腾钢F，半镇静钢b，镇静钢Z和特 殊镇静钢TZ；Z和TZ可省略 质量等级：A、B、C、D，D级最高，A级最低 屈服极限σs，MPa
固态合金相结构：固溶体、金属化合物
2、固溶体：置换固溶体、间隙固溶体
固溶强化
3、金属化合物：
合金中各组元发生相互作用而形成的具有金属特征的新相，如Fe3C
金属化合物熔点高、性能硬而脆 第二相强化
金属的结晶
1、金属的结晶过程
晶核生成晶核生长晶粒生成晶粒交叉多晶粒结构
2、晶粒大小与控制措施
细晶强化 如下方法可细化晶粒： （1）增加过冷度 （2）变质处理 （3）附加振动
10 15 20 25
30 35 40 45 50 55
60 65 70 75 80 85
较高含锰
15Mn 20Mn 25Mn 30Mn 35Mn 40Mn 45Mn 50Mn 60Mn 65Mn 70Mn
专门用途的钢材： 锅炉用钢：“g” 容器用钢：“R” Q235-AR，20g，22g，16MnR，20R
低温莱氏体（L’d）： （723℃以下） 珠光体、Fe3C的机械混合物
（3）碳以石墨状态存在
7.2.2 Fe—Fe3C合金平衡相图
工
业
纯
铁
亚共析钢
共 析 钢
过共析钢
共 晶 白 口 铁
亚共晶白口铁
过共晶白口铁
Fe—Fe3C合金平衡相图
纵坐标：合金温度 横坐标：铁碳合金中的含碳量
G点：纯铁的同素异构转变点 A点：铁的熔点
（1）选材方面的应用
建筑型钢：良好塑性、韧性，选用C<0.25%的低碳钢 轴、齿轮：兼有高的强度、塑性和韧性，选用C=0.30~0.55%的中 碳钢
（2）在工制具定钢：热高加强工度工，艺耐磨方，面选的用应选用用C=0.70~1.2%的高碳钢
a、铸造方面的应用
多选用共晶成分的铸铁，浇注温度液相线以上50~100℃
屈服极限“屈”的汉语拼音首位字母
（2）优质碳素钢：含S、P均≤0.035％
按GB/T699-1999规定：采用阿拉伯数字表示（含碳 量的万分之几），共31个钢号。分为两类：普通含锰量 （含Mn 0.35~0.65%)，较高含锰量（含Mn 0.7~1.0%）。
类号
钢
号
沸腾钢
08F 10F 15F
普通含锰 08
耐蚀性：较差。耐浓硫酸、浓度<30％的稀碱。
4. 品种
钢板：专用钢板20R、20g，非专用钢板Q215（A、B）、Q235（A、B、C、 D），10，15，20等；
钢管：
有缝钢管： Q195 、Q215、 Q235，用于输送水、煤气、空气 及较低压力（p<0.6MPa)的流体；
无缝钢管：10、20轧制，用于各种化工设备上及输送压力较 高的流体。
二、碳钢
1、分类
沸腾钢只加入弱脱氧剂Mn，钢中含氧量为 0.03～0.07%，在浇注时发生 FeO+C=Fe+CO↑反应，产生类似沸腾的现象。
按冶炼方式：沸腾钢、镇静钢（压力容器用）、半镇静钢；
低碳钢（含碳量<0.25％）
按化学成分
碳素钢 合金钢
中碳钢（含碳量＝0.30～0.55％） 高碳钢（含碳量>0.6％） 低合金钢（合金元素含量<5%) 中合金钢（合金元素含量5～10%)
QT500－7、QT600 －3：用于制造机座架、齿轮、飞轮、泵的曲柄、缸体 缸套等。
3. 耐蚀铸铁：加入大量的硅（一般为14.5％），可以提高铸铁在氧化
性介质中耐蚀能力。但在还原性酸和强碱中，由于SiO2保护膜遭到破坏而
（2）碳与铁形成化合物
渗碳体： Fe3C 硬度极高，塑性几乎为零，脆性大
珠光体（P）：C=0.77% 铁素体、Fe3C的机械混合物 强度较高、硬度适中，塑性韧性较好 σb=770MPa，δ=20-35%
形态——铁素体、渗碳体交替呈片状组织 莱氏体（Ld）： C=4.33% （723~1147℃）
奥氏体、Fe3C的机械混合物 硬度高、塑性差、脆性大
工作台、阀体、管路附件、齿轮箱等； HT200和HT250 ：用于制造较重要的机械零件，如机座、气缸、阀体、
齿轮、泵壳等； HT300和HT350 ：用于制造重要的机械零件，如机座、气缸体、泵体、
大型发动机曲轴等。
2、球墨铸铁：石墨呈球状，使铸铁的强度和韧性大大提高。
QT400-18
铸铁的延伸率，％
阻止氧的渗入。RTCr2、 RTCr16、 RTSi5、 RQTSi4、 RQTAl4Si4
5、可锻铸铁：石墨以团絮状存在
KTH350-04
延伸率，％
抗拉强度，MPa 铁素体
KTZ450-06
延伸率，％
抗拉强度，MPa 珠光体
共析钢：C=0.77%，珠光体（Fe3C为12%，铁素体为88% ）
亚共析钢： C<0.77%，铁素体+珠光体 过共析钢： C>0.77%，珠光体+ Fe3C 共晶白口铁：C=4.33%，莱氏体 亚共晶白口铁： C<4.33%，珠光体+Fe3C+莱氏体 过共晶白口铁： C>4.33%，Fe3C+莱氏体
b、压力加工方面的应用
锻造、热轧应选在单相奥氏体的高温范围内进行 锻：1150~1250℃；轧：750~850℃
c、热处理方面的应用
7.2.3 碳素钢
按化学成分的不同，钢可分为碳素钢和合金钢，碳素钢在实际使用中占90%， 合金钢仅占10%。
常用碳钢中，一般含碳量约为0.05~1.4%
一、碳及其常存杂质对钢材性能的影响
锻件：法兰、平板封头、补强管、紧固件等，需焊接的采用20、 不需焊接的 采用35和45。
其它：型钢（ Q235－A）、圆钢（ Q235－A、20、35）、螺栓和螺母等。
三、铸铁
铸铁的化学组成：碳2.5～4.0％，硅0.5～1.5％， 磷0.1～1.5％， 硫不大于0.15，其中的碳大部分以石墨状态存在。
C：钢中主要元素，含量↑，钢的强度和硬度↑ ，塑性和韧性↓；C>0.9%时，强度 反而降低； S：有害元素，炼钢矿石、燃料带入，与铁形成FeS（熔点985℃），热脆； P：有害元素，炼钢矿石带入，P使强度硬度增加但塑性冲击韧性降低，冷脆； Mn：有益元素，脱氧剂，提高Si、Al脱氧效果，脱氧除硫，Mn和S生成高熔点 （1600℃）的MnS，消除S的有害作用,降低钢的脆性；Mn能溶入铁素体引起固 溶强化，提高钢材的强度和硬度；Mn=0.25~0.8%； Si：脱氧剂，提高钢材的强度和硬度，增大钢液流动性；Si≤0.4%； O:有害元素,以FeO, SiO2等形式存在，降低钢的强度和塑性。
铸铁：布满裂纹或空洞的钢 铸铁中石墨作用：（1）良好的铸造性；
（2）良好的减震性； （3）良好的耐磨性能； （4）良好的切削加工性能； （5）低的缺口敏感性
1、灰口铸铁：石墨以片状形式存在，断口呈灰色。
牌号： HTXXX（数字代表最低抗拉强度） HT100和HT150 ：用于制造强度不高的机械零件，如盖、手轮、支架、
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7.2 碳钢和铸铁
金属的晶体结构
纯铁
亚共析钢：15 铁素体+珠光体
亚共析钢：45 铁素体+珠光体
亚共析钢：65 铁素体+珠光体
共析钢 珠光体
过共析钢 珠光体+Fe3C（白网）
过共析钢 珠光体+Fe3C（黑网）
亚共晶白口铁 珠光体+Fe3C+低温莱氏体
共晶白口铁 莱氏体
过共晶白口铁 低温莱氏体+ Fe3C
铁碳平衡状态图的应用
（3）密排六方晶格
晶格常数c/a=1.663
Mg，Zn，Cd，Be
致密度：
体心立方晶格0.68 面心立方、密排六方0.74
纯金属的晶体结构
2、金属的同素异晶转变（同素异构转变）
液 1 态 5 3 F 8 1 e 铁 3 9 F 0 9 e 1 0 Fe
体心立方
面心立方
体心立方
3、实际金属）、线缺陷（刃形位错、 螺形位错）、面缺陷（晶界、亚晶界）
螺形位错
刃形位错
1、合金
合金的组织结构
两种或两种以上的金属元素与非金属元素组成的具有金 属特征的物质。
分类：二元合金、三元合金；单相合金、多相合金 钢、铸铁：铁碳合金 黄铜：Cu-Zn合金 硬铝：Al-Cu-Mg合金
7.2 碳钢和铸铁
7.2.1 碳钢与铸铁的化学成分和结构
由95％以上的铁、0.05～5%碳、1％的其它杂质组成
一般含C 0.02～2.11%为钢
含C <0.02%为纯铁
含2.11% < C <4.33%为铸铁
一、铁 纯铁塑性极好，强度硬度很低 t<910℃,α-Fe 体心立方晶格 t>910℃,γ-Fe 面心立方晶格
高合金钢（合金元素含量>10%)
按质量等级：普通钢（S≤0.050%，P≤0.085%）
优质钢（S≤0.035%，P≤0.04%）
高级优质钢（S≤0.025%，P≤0.025%） 按用途分：建筑钢、结构钢、弹簧钢、轴承钢、工具钢、特殊性能钢
（如不锈钢、耐热钢等）
2.碳钢的编号
（1）普通碳素钢：含S≤0.050％，P≤0.085%
1、晶体与非晶体 2、晶格、晶胞
晶格常数a、b、c；棱边夹角α、β、γ
纯金属的晶体结构
1、常见金属晶体结构 （1）体心立方晶格
晶格常数a=b=c； 棱边夹角α=β=γ=900
α-Fe（910℃以下），Cr，W，Mo，V
（2）面心立方晶格
晶格常数a=b=c； 棱边夹角α=β=γ=900
γ-Fe（910℃<t<1390℃），Al，Cu，Ag，Au
铸钢： ZG200-400
σs σ b
（3）高级优质碳钢：硫、磷含量均≤0.03％。其表示方
法是在优质钢钢号后面加“A”，如20A。
3. 碳钢的性能
机械性能：具有适中的强度和硬度、良好的塑性。普通碳钢使用 温度范围：-20~400℃，优质碳钢：-40~450℃；
制造工艺性能：可铸造、锻压、焊接及切削等冷、热加工；
不耐蚀。
STSi15R和STSi17R在各种温度
STSi15Mo4R
和浓度的硫酸、硝酸、铬酸，各种有 机酸，一系列盐溶液中耐蚀性能良好， 混合稀土元素符号 但在卤素的酸、盐和强碱中不耐腐蚀。
硅的名义百分含量，％
STSi15Mo3R可耐各种浓度和温
度的硫酸、盐酸、硝酸、碱水和盐水。
4、耐热铸铁：在铸铁中加入Si、Al、Cr等元素，形成致密的氧化膜，
二、碳
碳在铁中有三种存在形式
（1）碳溶解在铁的晶格中形成固溶体
a、铁素体（F）： C溶于α-Fe中，C≤0.02% 力学性能与纯铁相当，塑性韧性好、强度硬度低 σb=180-280MPa
b、奥氏体（A）：（723~1147℃） C溶于γ-Fe中，C≤2.11% 塑性韧性好、强度硬度高 σb=400MPa
普通碳素结构钢按GB700－88规定：钢的牌号由代表屈服点的字母Q、 屈服强度值、质量等级符号、脱氧方法符号等四部分组成。共有5个钢 号： Q 195、 Q215、 Q 235、 Q255 、Q275。
Q 235- A ·F
脱氧方法：沸腾钢F，半镇静钢b，镇静钢Z和特 殊镇静钢TZ；Z和TZ可省略 质量等级：A、B、C、D，D级最高，A级最低 屈服极限σs，MPa
固态合金相结构：固溶体、金属化合物
2、固溶体：置换固溶体、间隙固溶体
固溶强化
3、金属化合物：
合金中各组元发生相互作用而形成的具有金属特征的新相，如Fe3C
金属化合物熔点高、性能硬而脆 第二相强化
金属的结晶
1、金属的结晶过程
晶核生成晶核生长晶粒生成晶粒交叉多晶粒结构
2、晶粒大小与控制措施
细晶强化 如下方法可细化晶粒： （1）增加过冷度 （2）变质处理 （3）附加振动
10 15 20 25
30 35 40 45 50 55
60 65 70 75 80 85
较高含锰
15Mn 20Mn 25Mn 30Mn 35Mn 40Mn 45Mn 50Mn 60Mn 65Mn 70Mn
专门用途的钢材： 锅炉用钢：“g” 容器用钢：“R” Q235-AR，20g，22g，16MnR，20R
低温莱氏体（L’d）： （723℃以下） 珠光体、Fe3C的机械混合物
（3）碳以石墨状态存在
7.2.2 Fe—Fe3C合金平衡相图
工
业
纯
铁
亚共析钢
共 析 钢
过共析钢
共 晶 白 口 铁
亚共晶白口铁
过共晶白口铁
Fe—Fe3C合金平衡相图
纵坐标：合金温度 横坐标：铁碳合金中的含碳量
G点：纯铁的同素异构转变点 A点：铁的熔点
（1）选材方面的应用
建筑型钢：良好塑性、韧性，选用C<0.25%的低碳钢 轴、齿轮：兼有高的强度、塑性和韧性，选用C=0.30~0.55%的中 碳钢
（2）在工制具定钢：热高加强工度工，艺耐磨方，面选的用应选用用C=0.70~1.2%的高碳钢
a、铸造方面的应用
多选用共晶成分的铸铁，浇注温度液相线以上50~100℃
屈服极限“屈”的汉语拼音首位字母
（2）优质碳素钢：含S、P均≤0.035％
按GB/T699-1999规定：采用阿拉伯数字表示（含碳 量的万分之几），共31个钢号。分为两类：普通含锰量 （含Mn 0.35~0.65%)，较高含锰量（含Mn 0.7~1.0%）。
类号
钢
号
沸腾钢
08F 10F 15F
普通含锰 08
耐蚀性：较差。耐浓硫酸、浓度<30％的稀碱。
4. 品种
钢板：专用钢板20R、20g，非专用钢板Q215（A、B）、Q235（A、B、C、 D），10，15，20等；
钢管：
有缝钢管： Q195 、Q215、 Q235，用于输送水、煤气、空气 及较低压力（p<0.6MPa)的流体；
无缝钢管：10、20轧制，用于各种化工设备上及输送压力较 高的流体。
二、碳钢
1、分类
沸腾钢只加入弱脱氧剂Mn，钢中含氧量为 0.03～0.07%，在浇注时发生 FeO+C=Fe+CO↑反应，产生类似沸腾的现象。
按冶炼方式：沸腾钢、镇静钢（压力容器用）、半镇静钢；
低碳钢（含碳量<0.25％）
按化学成分
碳素钢 合金钢
中碳钢（含碳量＝0.30～0.55％） 高碳钢（含碳量>0.6％） 低合金钢（合金元素含量<5%) 中合金钢（合金元素含量5～10%)