第五章 金属材料

4、铸钢：
ZG200-400 σs=200MPa σb=400MPa
铸造性能：流动性差 晶粒粗大 组织缺陷：魏氏组织 粗大针状F 消除方法：完全退火
第二节 铸铁
含碳量在2.11～6.69％的铁碳合金称为铸铁。
铸铁具有优良的铸造性能、切削加工性能以 及减震性、耐磨性，铸铁生产工艺简单、成本低， 应用广泛。特别是球墨铸铁和合金铸铁的应用， 提高了铸铁的机械性能，形成了以铁代钢的趋势。
3、硫（S）：
硫在钢中常以FeS的形式存在，而FeS与Fe形成熔点 较低（985℃）的共晶体，当钢加热到1000℃～1200℃进 行热加工时FeS共晶体已经熔化，这将造成钢材在热加工 过程中开裂，使钢材变得极脆，这种现象称为热脆性。
硫对钢的焊接有不良影响，会导致焊缝的热裂现象； 在焊接过程中，硫易于氧化而形成SO2气体，使焊缝中产 生气孔。因此，须严格控制硫的含量。
2、灰口铸铁 灰口铸铁中的碳绝大部分 以片状石墨形式存在，其断口呈暗灰色而称 之为灰口铸铁。它是工业中应用最广泛的一 种铸铁，有一定的机械性能和良好的切削加 工性能。
3、可锻铸铁 可锻铸铁是经白口铸铁长 时间的退火处理而成的。其碳以团絮状石墨 形式存在。其塑性和韧度比灰口铸铁好，主 要用于要求韧度较好的薄壁类零件。
⑵、化学成分及力学性能：
⑶、应用举例：
2、优质碳素结构钢：
优质碳素结构钢中所含的有害杂质元素（S、P等）和 非金属夹杂物较少，机械性能和钢材的表面质量较好，其 组织也较均匀。
此类钢主要应用于经过热处理且技术性能要求较高的 零件。
根据其化学成分不同，优质碳素结构钢又分为普通含 锰量钢和较高含锰量钢两类。
成分：含碳2.8％～3.6％、含硅1.1％～2.5％、 含锰0.6％～1.2％、含硫小于或等于0.15％、含磷 小于或等于0.5％。
牌号：由HT和一组数字组成。其中HT为灰铸铁的 代号，代号后面的数字表示其抗拉强度值σb（MPa） 。 如HT150表示抗拉强度为150MPa的灰铸铁。
应用举例：
牌号
HT150 HT200 HT250
⑴耐热铸铁：为了提高铸铁的耐热性，可在球墨铸 铁中加入铝、硅、铬等元素，使铸铁表层形成一层致密 的氧化保护膜（如Al2O3、SiO2、CrO3），这类铸铁叫 耐热铸铁，用于制造进、排气门及排气管密封环等。
⑵耐磨铸铁：把灰口铸铁的含磷量提高到0.4％～0.6％， 再加入Cr、W、Cu、Ti等合金元素构成合金高磷铸铁。它 的强度、韧度和耐磨性都较高。这类铸铁叫那么铸铁。现 代汽车的气缸套和活塞环一般用耐磨合金铸铁制造。
⑶耐蚀铸铁：在灰口铸铁中加入Si、Al、Cr、Ni等元 素可得到耐蚀铸铁。加入合金元素的目的是提高铸铁基体 的电位，并使表面形成一层致密的保护性氧化膜。耐蚀铸 铁分高硅耐蚀铸铁、高铝耐蚀铸铁及高铬耐蚀铸铁等。其 中广泛应用的是高硅耐蚀铸铁，它的含硅量为14％～18％。 这种铸铁在酸性介质中的耐蚀性很好。为了提高其在碱性 介质中的耐蚀性，可加入6.5％～8.5％的Cu；为了提高它 的机械性能，可加入微量的硼元素和进行球化处理。
牌号：由RuT和一组数字组成。其中RuT为蠕墨铸铁 的代号，代号后面的数字表示其抗拉强度σb（MPa）。 如RuT300表示抗拉强度为300MPa的蠕墨铸铁。
应用举例：
牌号
RuT260 RuT340
零件名称 活塞环、气缸套、制动盘、制动鼓等
排气管、变速器壳、气缸盖等
5、合金铸铁：
在灰口铸铁和球墨铸铁中加入一定量的合金元素后 的铸铁称为合金铸铁。加入合金后可使铸铁具有耐热、 耐酸或耐磨的特殊性能。
4、磷（P）:
室温下，钢中的磷全部溶于铁素体中，能使钢的强度、 硬度增加，但也使其室温特别是低温时塑性和韧度大大下 降，这种现象称为冷脆性（易产生脆裂）。因此，应严格 控制磷的含量。
但磷的冷脆性也可利用，如在炮弹钢中加入较多的磷， 可使炮弹爆炸时的碎片增多，提高杀伤力。
二、碳钢的分类：
1、按含碳量分： ⑴低碳钢（含碳量小于或等于0.25％）； ⑵中碳钢（含碳量为0.25％～0.60％）； ⑶高碳钢（含碳量大于0.60％）。
4、球墨铸铁 碳以球状石墨形态存在，故称 为球墨铸铁。它的强度、韧度比灰口铸铁、 可锻铸铁高，可替代钢材制造某些重要的机械 零件。
5、蠕墨铸铁 蠕墨铸铁是在灰铸铁的铁水中 加入蠕化剂（镁钛合金等）和孕育剂（硅铁） 进行蠕化－孕育处理后，得到具有蠕虫状石墨 的铸铁。
四、铸铁的成分、牌号及应用：
1、灰铸铁：
在汽车上，约50％～70％的金属材料为铸铁。 如气缸体、气缸盖、活塞环、变速箱外壳、后桥 壳等等。
一、铸铁的石墨化
影响铸铁组织和性能的关键是碳在铸铁中存在的形 式、形态、大小和分布。铸铁中碳的存在形式有两种：
1、化合状态的渗碳体（Fe3C） 如果铸铁中碳几乎 全部以渗碳体形式存在，其断口呈银白色，则称为白口 铸铁。其性能硬而脆，（硬度达HB800，塑性和韧度几 乎等于零）很难进行切削加工，因此，工业上很少用它 来制造机械零件，主要用作可锻铸铁的毛坯。
车型
EQ1092 EQ1092 CA1093
零件名称 进排气歧管、变速器壳体等 气缸体、气缸盖、飞轮壳、正时齿轮、前后制动鼓等 气缸体、飞轮、曲轴皮带轮等
2、球墨铸铁：
成分：成分：含碳3.8％～4.0％、含硅2.0％～2.8％、 含锰0.6％～0.8％、含硫小于或等于0.04％、含磷小于或 等于0.1％含镁0.03％～0.05％、含稀土小于或等于0.05％。
第一节 碳钢
碳素钢又称碳钢，通常指含碳量小于2.11％的铁碳合金。 实际使用的碳钢，其含碳量一般不超过1.4％。
一、碳钢的成分及其影响：
在实际生产中使用的碳钢不单纯是铁碳合金，还包含有 一些杂质元素，（硅、锰、硫、磷等），它们对碳钢的性能 有一定的影响。
1、硅（Si）： 在碳钢中，硅的含量一般小于0.4％。硅能溶于铁素体，
2、按质量（主要根据硫、磷的含量）分：
⑴普通钢（含硫小于0.050％、含磷小于0.045％）； ⑵优质钢（含硫小于0.035％、含磷小于0.035％）； ⑶高级优质钢（含硫小于0.020％、含磷小于0.030％）； ⑷特级优质钢（含硫小于0.015％、含磷小于0.025％）。
3、按用途分：
⑴碳素结构钢：用于制造各种机器零件和工程结构件。 多为低碳钢和中碳钢； ⑵碳素工具钢：用于制造各种刀具、量具和模具。多为 高碳钢。
应用举例：
牌号 车型
零件名称
EQ1092
后桥壳、差速器壳、减震器壳、后轮毂等
KTH350－10
CA1093 后桥壳、差速器壳、减震器壳、轮毂、制动蹄片等
4、蠕墨铸铁：
成分：含碳3.7％～3.9％、含硅2.0％～2.8％、含锰 0.3％～0.6％、含硫小于或等于0.025％、含磷小于或等 于0.06％、含钛0.08％～0.20％、含镁0.015％～0.03％、 含稀土小于或等于0.01％
2、游离状态的石墨（常用G来表示） 石墨很软强度 极低，如果铸铁中碳主要以石墨形式存在，则其断口呈暗 灰色，俗称灰口铸铁。它是机械制造中应用最多的一种铸 铁。分为灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁和蠕墨铸铁等。
二、影响石墨化的因素：
影响铸铁石墨化的因素主要是铸铁的化 学成分和冷却速度。
1、化学成分的影响主要是碳、硅、硫、 磷、锰等元素含量多少的影响。
具有强化作用（可使钢致密，提高强度和硬度）。同时也会 降低钢的韧度和塑性。当含量较小时，其影响并不明显。
2、锰（Mn）：
在碳钢中，锰的含量一般为0.25％～0.8％。锰大部 分溶于铁素体形成置换固溶体。因此具有固溶强化作用； 锰与硫结合可形成高熔点（1620℃）的MnS，从而消除 硫的有害作用（热脆性）。锰还能提高钢的强度。但当 锰的含量较小时，其作用并不明显。
⑴牌号：普通含锰量优质碳素结构钢的牌号用两位数字表 示。两位数字代表钢中平均含碳量的百分数。例如：45表 示平均含碳量为0.45％的普通含锰量的优质碳素结构钢。
较高含锰量优质碳素结构钢的牌号为两位数字后 面附以Mn（锰元素符号）。例如：45Mn表示平均含碳量 为0.45％的较高含锰量优质碳素结构钢。
⑵、化学成分及力学性能：
（3）、应用举例：
3、碳素工具钢：
⑴用途： 碳素工具钢主要用来制造各种刃具、量具和模具
⑵要求： 硬度高、强度大、耐磨性好。
⑶含碳量： 碳素工具钢的含碳量为0.65％～1.3％（高碳钢）
⑷牌号： 碳素工具钢的牌号由T＋数字组成。数字表示含碳量的千
分数。 如：T8－表示含碳量为0.8％的碳素工具钢。 T8Mn－表示含碳量为0.8％的较高含锰量碳素工具钢。 T10A－表示含碳量为1.0％的高级优质碳素工具钢。
4、按冶炼方法分为平炉钢、转炉钢和电炉钢。
5、按炼钢的脱氧程度分为沸腾钢、镇静钢和半镇静钢。
三、碳钢的编号、性能及用途：
1、普通碳素结构钢：
根据国家标准（GB700－88），碳素结构钢的牌号和 化学成分如下表所示。这类钢主要保证机械性能，一般用 于制造要求不高的零部件，故其牌号性能体现机械性能。
⑴牌号：用Q＋数字表示。其中“Q”屈服点“屈”字的汉语拼音 字首，数字表示屈服强度值。例如：Q275表示屈服强度为 275MPa。若牌号后面标注字母A、B、C、D，则表示钢材 质量等级不同，即磷、硫含量不同。其中A级钢硫、磷含量 最高，D级硫、磷含量最低。若牌号后面标注字母“F”则为沸 腾钢，标注“b”为半镇静钢，不标注“F”或“b”者则为镇静钢。 例如Q235－A·F表示屈服强度为235MPa的A级沸腾钢。 Q235－C表示屈服强度为235MPa的C级镇静钢
3、可锻铸铁：
成分：含碳2.2％～2.8％、含硅1.2％～2.0％、含锰 0.6％～1.2％、含硫小于或等于0.2％、含磷小于或等于0.1％。
牌号：由KTH（或KTZ、KTB）和两组数字组成。其中KT 为可锻铸铁的代号，H表示黑心可锻铸铁，Z表示珠光体可锻 铸铁，B表示白心可锻铸铁，代号后面的两组数字分别表示其 抗拉强度σb（MPa）和伸长率δ（％）。如KTH370－12表示 抗拉强度为370MPa、伸长率为12％的黑心可锻铸铁。