碳钢与铸铁讲解
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常用来制造要求具有良好塑性的焊接结构件、压力加工 件。其中Q195、Q215、Q235塑性好，焊接性好，强度低 ，一般轧制成钢板或各种型材，主要用于工程结构和受 力较小的机械零件。Q255、Q275强度较高，可用于制作 受力中等的零件。
（三）、碳钢的牌号和用途 1.普通碳素结构钢
Q 235 — A ·F
铸铁的组织可以看成是在铁或钢的基体上夹杂着石墨，石
墨对基体产生割裂作用。
因此，石墨的存在使铸铁的力学性能下降，其性能比钢低，不 能锻造，且石墨的数量越多，越粗大，分布越不均匀，铸铁的力 学性能越差。
但石墨的存在也赋予铸铁许多钢所不及的优良性能，如铸 造性能、减振性和减摩性等。
铸铁的石墨化
1、铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化。
碳素结构钢ωc＜0.7% 按脱氧程度
碳素工具钢ωc ＞ 0.7%
沸腾钢（F） 镇静钢（Z） 半镇静钢（B）
1.普通碳素结构钢
碳素结构钢中硫、磷等杂质含量较多，质量较低，但价 格便宜，并具有一定的机械性能，常用作性能要求不高 、不需作热处理的机械零件和结构件，是碳钢中用量最 大的一类。
根据国标（GB/I700-88）规定，碳素结构钢的牌号由Q（ “屈”的汉语拼音字首）、屈服强度值、质量等级符号 （A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、Z、B）四个部分按 顺序组成。如Q235A·F表示最低屈服强度为235MPa、质量 等级为A级的沸腾钢。
一、碳钢
碳钢又称碳素钢，它是指含碳量小于2.11%，并含有少量冶 炼过程中残存下来的硅、锰、磷、硫等杂质元素所组成的铁碳 合金。
（一）.杂质元素对碳钢性能的影响
锰（Mn）脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度 硅（Si）有很强的固溶强化作用，脱氧作用 硫（S）引起钢在热加工时或高温工作下开裂( 热裂 )。 磷（P）有很强的固溶强化作用，低温韧性差 ( 冷裂 )。
可锻铸铁较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。可 锻铸铁不可锻。
1、生产方法：
球墨铸铁
在浇注前向铁水中加入一定量的球化剂而直接获得球状石墨,得到 球墨铸铁.
2、球墨铸铁的牌号
用“QT”标明，其后两组数值表示最低抗拉强度和延伸率。
如:
QT420-10、QT600-2、QT800-2
球墨铸铁
1、生产方法：
可锻铸铁
先将铸铁浇注成白口铸铁,然后进行高温石墨化退火,使渗碳 体分解得到团絮状石墨。
2、可锻铸铁的牌号
可锻铸铁以“KT”表示，黑心可锻铸铁用“KTH”表示，珠光 体可锻铸铁以“KTZ”表示。其后的两组数字表示最低抗拉强度
和延伸率。 如：KTH350-10、KTZ600-3
3、可锻铸铁的性能及应用
石墨既可以从液体和奥氏体中析出，也可以通过渗碳体分 解来获得。
灰口铸铁和球墨铸铁中的石墨主要是从液体中析出；可锻 铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间退火，由渗碳体分解 而得到。
石墨化若能充分或大部分进行，则能获得灰口铸铁， 反之将得到白口铸铁。
铸铁组织的类型取决于石墨化的程度。
2、影响石墨化的因素
其牌号用“碳”的汉语拼音字首“T”加“数字”表示， “数字”表示其平均含碳量的千分数。
如：T8钢表示平均含碳量为0.8%的优质碳素工具钢。对于高 级优质钢，还需在牌号末尾加代号“A”来表示，如T12A 钢，表示平均含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。
常用来制造低速切削刀具及对淬火变形要求不严的 一般模具和某些要求高硬度高耐磨性的零件。
2、铸铁的性能
1) 铸铁的力学性能：强度、塑性、韧性较低，不能进行锻造。 2) 铸铁的其他性能 ①铸造性能好 ②切削加工性良好 ③减摩性好 ④减震性好 ⑤低的缺口敏感性
（二）铸铁中碳的石墨化 铸铁中的碳以石墨形式析出的现象称为铸
铁的石墨化。
何为石墨？
石墨是游离状态的碳，其强度、硬度、塑性、韧性很低，硬 度仅为3—5HBS，伸长率近于零。
（二）、碳钢的分类
按含碳量 按质量 按用途
低碳钢 ωc≤0.25% 中碳钢 ωc=0.25%~0.60% 高碳钢 ωc＞0.6%
普通碳素钢 ωs≤0.055% ，ωp≤0.045% 优质碳素钢 ωs、 ωp≤0.035%~0.040% 高级优质碳素钢 ωs≤0.02%~0.03% ωp≤0.03%~0.035% 特殊质量碳钢 ωs、 ωp≤0.015%
合金元素：C和Si强烈促进，S强烈阻碍，Mn阻
碍，P微弱促进。
冷却速度：缓慢冷却有利于石墨化；
（三）铸铁分几类？
根据碳在铸铁中存在形式不同，可分三大类：
（1）白口铸铁 C的存在形式：渗碳体(Fe3C)，断口为白色。
性能硬而脆，难以切削加工。主要用作炼钢原料，高耐磨零件 （如轧辊、犁铧等）。
（2）灰口铸铁 C的存在形式：石墨，断口为灰黑色。
灰铸铁是铸造性能最好，应用最广泛的铸铁材料。
（3）麻口铸铁 C的存在形式：石墨+渗碳体，断口为黑
白色。性能：脆性大，很少使用。
4、常用铸铁 根据石墨（G）在铸铁中存在形态，可分为： 普通灰铸铁：石墨呈片状
可锻铸铁：石墨呈团絮状 球墨铸铁：石墨呈球状 蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状
（四）铸铁的性能、牌号及用途
灰铸铁
1、灰铸铁的性能与应用
由于石墨片对钢基体产生的割裂作用，破坏了钢基体的连续性、完整性， 减少了钢基体的有效面积，使其抗拉强度低于钢、而塑性和韧性近于零，属于
脆性材料。灰铸铁具有非常优良的铸造性能。
但其抗压强度与钢相近，因此普通灰铸铁广泛用于作承受压力载荷的零件
和结构，如机座、机床床身、轴承等。
3、球墨铸铁的应用
球墨
具有与钢相近的力学 性能，可代替钢和合金钢 使用。
铸铁
管道 接口
4、球墨铸铁调质和正火后的组织性能
热处理工艺
显微组织
调质: 980℃退火 后,
900℃油淬 + 580℃回火
正火: 980℃退火 后, 900℃正火
+ 580℃去应力退 火
回火索氏 体
+石墨
珠光体+ 5%铁素体
+石墨
沸腾钢 A等级 235 MPa 屈服强度
2、优质碳素结构钢
这类钢中硫、磷含量较低，质量较好，含碳量波 动小，性能较稳定，并可通过热处理进行强化， 常用来制造比较重要的机械零件。
据钢中含锰量的不同，优质碳素结构钢可分为： 普通含锰量优质碳素结构钢（Mn%＜0.7%和较高 含锰量的优质碳素结构钢（Mn%＝0.7%～1.2%） 。
二、铸 铁
铸铁是碳质量分数大于2.11%、并常含有较多的硅、锰、硫、
磷等元素的铁碳合金。 用于制造机床的床身、床头箱,发动机的汽缸体、机器的底座等
，是工程上最常用的金属材料之一。
箱体
启 动 阀
（一）铸铁的成分 1、铸铁的成分范围：
wC=2.5%～4.0%、 wSi=1.0%～3.5%、wMn=0.5%～1.5%、 wP＜0.20%、wS＜0.5%。 。
牌号表示：常用“两位数字”表示，该数字表示 钢中的平均含碳量的万分数。例如，45表示其平 均含碳量为 0.45%的优质碳素结构钢；65Mn表示 平均含碳量为0.65%、含锰量较高的优质碳素结 构钢。含锰量较高的优质碳素结构钢较普通含锰 量的优质碳钢，淬透性较好，强度也较高。
2.优质碳素结构钢
两位数字 45— 表示含碳量为0.45% 若钢中含锰量较高，将锰元素标出。 45Mn— Wc = 0.45% ;
机械制造基础 工程材料
上午12时15分
常用工程材料
教学内容
学习要求
能力要求
1.金属材料的分类
2.碳钢、合金钢分 类、牌号及应用
3.非铁金属材料的牌 号，应用
1.掌握钢、铸铁的牌 号及性能
2.理解非铁金属材料的 牌号、性能及应用
3.了解钢杂质的影 响，陶瓷、复合材 料
初步具有选材 的能力
第一节：碳钢、铸铁
叶轮
发动机飞轮
灰铸铁
2、灰铸铁的牌号 HT+三位数字，数字表示最低抗拉强度。
如：HT150，HT200，HT250
3、灰铸铁的热处理
热处理只能改变基体组织，不能改变石墨的形态和分 布，对提高性能效果不大。通常对其进行热处理的方法和 目的是：
1、消除内应力退火： 2、高温退火：消除白口组织 3、表面淬火：提高表面硬度、耐磨性和疲劳强度。
σb MPa 800～1000
700
机械性能
5
ak
ห้องสมุดไป่ตู้
%
kJ/m2
1.7～ 2.7
260～ 320
2.5
100
HB
240～ 340
317～ 321
1、生产方法：
蠕墨铸铁
在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂而炼成的，其方法与 程序与球墨铸铁基本相同。
2、蠕墨铸铁的牌号、性能和应用
蠕墨铸铁以“RuT”表示，其后的数字表示最低抗拉强度。
3.碳素工具钢
T 12 A
高级优质 Wc = 1.2% 碳素工具钢
4、铸造碳钢
铸造碳钢是冶炼后直接铸造成毛坯或零件的碳素 钢，适用于形状复杂且韧性、强度要求较高的零 件， 也常用于韧性、强度要求较高的大型零件 。
铸造碳钢的含碳量一般在0.15%～0.60%范围内， 过高则塑性差，易产生裂纹。
其牌号表示：用“铸钢”两汉字的汉语拼音字母 开头“ZG”后面加“两组数字”组成，第一组数 字代表屈服点，第二组数字代表抗拉强度，如 ZG200－400表示屈服点不小于200MPa，抗拉强度 不小于400MPa铸造碳钢。
4、铸造碳钢
ZG 200 - 400
σb ≥ 400MPa σs≥ 200MPa 铸钢
如： 牌号：RuT300、RuT420 性能：蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料。它的强度接近于球墨 铸铁，并且有一定的韧性、较高的耐磨性；同时又有和灰口铸铁 一样的良好的铸造性能和导热性。
应用： 蠕墨铸铁已成功地用于高层建筑中高压热交换器、内燃 机汽缸和缸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸件。
排
气
进
管
气
管
合金铸铁
在铸铁中加入某些合金元素，得到一些具有各种特殊性能的合 金铸铁。 1、耐磨铸铁（加铬）
弯 管
衬 板
2、耐热铸铁 （Al、Si、Cr ）
扇
形
扩
散
托
器
架
60～85钢属于高碳钢， 经淬火＋中温回火后， 具有高的弹性和一定的韧性，主要用于制造各类 弹簧。
3、碳素工具钢
这类钢的含碳量较高，一般在0.65%～1.35%之间，经适 当热处理后，具有高强度、高硬度及高的耐磨性，常用 来制造各种工具（刃具、量具和模具）。
按钢的质量不同，碳素工具钢分为优质碳素工具钢和高 级优质碳素工具钢两类。
WMn = 0.7%～1.0%
2、优质碳素结构钢
其中 08、10、15、20钢属于低碳钢，塑性好， 具有良好的冷冲压性能和焊接性能，宜于制作各 种冷冲压件、焊接件以及尺寸不大，受力较小的 渗碳件。
30～55钢属于中碳钢，这类钢经调质处理后具有 良好的综合力学性能，即既具有较高的强度、硬 度，又具有较好的塑性、韧性，是优质碳素结构 钢中应用最广的一类。
（三）、碳钢的牌号和用途 1.普通碳素结构钢
Q 235 — A ·F
铸铁的组织可以看成是在铁或钢的基体上夹杂着石墨，石
墨对基体产生割裂作用。
因此，石墨的存在使铸铁的力学性能下降，其性能比钢低，不 能锻造，且石墨的数量越多，越粗大，分布越不均匀，铸铁的力 学性能越差。
但石墨的存在也赋予铸铁许多钢所不及的优良性能，如铸 造性能、减振性和减摩性等。
铸铁的石墨化
1、铸铁中碳原子析出并形成石墨的过程称为石墨化。
碳素结构钢ωc＜0.7% 按脱氧程度
碳素工具钢ωc ＞ 0.7%
沸腾钢（F） 镇静钢（Z） 半镇静钢（B）
1.普通碳素结构钢
碳素结构钢中硫、磷等杂质含量较多，质量较低，但价 格便宜，并具有一定的机械性能，常用作性能要求不高 、不需作热处理的机械零件和结构件，是碳钢中用量最 大的一类。
根据国标（GB/I700-88）规定，碳素结构钢的牌号由Q（ “屈”的汉语拼音字首）、屈服强度值、质量等级符号 （A、B、C、D）及脱氧方法符号（F、Z、B）四个部分按 顺序组成。如Q235A·F表示最低屈服强度为235MPa、质量 等级为A级的沸腾钢。
一、碳钢
碳钢又称碳素钢，它是指含碳量小于2.11%，并含有少量冶 炼过程中残存下来的硅、锰、磷、硫等杂质元素所组成的铁碳 合金。
（一）.杂质元素对碳钢性能的影响
锰（Mn）脱氧、去硫,提高钢的强度和硬度 硅（Si）有很强的固溶强化作用，脱氧作用 硫（S）引起钢在热加工时或高温工作下开裂( 热裂 )。 磷（P）有很强的固溶强化作用，低温韧性差 ( 冷裂 )。
可锻铸铁较高的强度、塑性和冲击韧性，可以部分代替碳钢。可 锻铸铁不可锻。
1、生产方法：
球墨铸铁
在浇注前向铁水中加入一定量的球化剂而直接获得球状石墨,得到 球墨铸铁.
2、球墨铸铁的牌号
用“QT”标明，其后两组数值表示最低抗拉强度和延伸率。
如:
QT420-10、QT600-2、QT800-2
球墨铸铁
1、生产方法：
可锻铸铁
先将铸铁浇注成白口铸铁,然后进行高温石墨化退火,使渗碳 体分解得到团絮状石墨。
2、可锻铸铁的牌号
可锻铸铁以“KT”表示，黑心可锻铸铁用“KTH”表示，珠光 体可锻铸铁以“KTZ”表示。其后的两组数字表示最低抗拉强度
和延伸率。 如：KTH350-10、KTZ600-3
3、可锻铸铁的性能及应用
石墨既可以从液体和奥氏体中析出，也可以通过渗碳体分 解来获得。
灰口铸铁和球墨铸铁中的石墨主要是从液体中析出；可锻 铸铁中的石墨则完全由白口铸铁经长时间退火，由渗碳体分解 而得到。
石墨化若能充分或大部分进行，则能获得灰口铸铁， 反之将得到白口铸铁。
铸铁组织的类型取决于石墨化的程度。
2、影响石墨化的因素
其牌号用“碳”的汉语拼音字首“T”加“数字”表示， “数字”表示其平均含碳量的千分数。
如：T8钢表示平均含碳量为0.8%的优质碳素工具钢。对于高 级优质钢，还需在牌号末尾加代号“A”来表示，如T12A 钢，表示平均含碳量为1.2%的高级优质碳素工具钢。
常用来制造低速切削刀具及对淬火变形要求不严的 一般模具和某些要求高硬度高耐磨性的零件。
2、铸铁的性能
1) 铸铁的力学性能：强度、塑性、韧性较低，不能进行锻造。 2) 铸铁的其他性能 ①铸造性能好 ②切削加工性良好 ③减摩性好 ④减震性好 ⑤低的缺口敏感性
（二）铸铁中碳的石墨化 铸铁中的碳以石墨形式析出的现象称为铸
铁的石墨化。
何为石墨？
石墨是游离状态的碳，其强度、硬度、塑性、韧性很低，硬 度仅为3—5HBS，伸长率近于零。
（二）、碳钢的分类
按含碳量 按质量 按用途
低碳钢 ωc≤0.25% 中碳钢 ωc=0.25%~0.60% 高碳钢 ωc＞0.6%
普通碳素钢 ωs≤0.055% ，ωp≤0.045% 优质碳素钢 ωs、 ωp≤0.035%~0.040% 高级优质碳素钢 ωs≤0.02%~0.03% ωp≤0.03%~0.035% 特殊质量碳钢 ωs、 ωp≤0.015%
合金元素：C和Si强烈促进，S强烈阻碍，Mn阻
碍，P微弱促进。
冷却速度：缓慢冷却有利于石墨化；
（三）铸铁分几类？
根据碳在铸铁中存在形式不同，可分三大类：
（1）白口铸铁 C的存在形式：渗碳体(Fe3C)，断口为白色。
性能硬而脆，难以切削加工。主要用作炼钢原料，高耐磨零件 （如轧辊、犁铧等）。
（2）灰口铸铁 C的存在形式：石墨，断口为灰黑色。
灰铸铁是铸造性能最好，应用最广泛的铸铁材料。
（3）麻口铸铁 C的存在形式：石墨+渗碳体，断口为黑
白色。性能：脆性大，很少使用。
4、常用铸铁 根据石墨（G）在铸铁中存在形态，可分为： 普通灰铸铁：石墨呈片状
可锻铸铁：石墨呈团絮状 球墨铸铁：石墨呈球状 蠕墨铸铁：石墨呈蠕虫状
（四）铸铁的性能、牌号及用途
灰铸铁
1、灰铸铁的性能与应用
由于石墨片对钢基体产生的割裂作用，破坏了钢基体的连续性、完整性， 减少了钢基体的有效面积，使其抗拉强度低于钢、而塑性和韧性近于零，属于
脆性材料。灰铸铁具有非常优良的铸造性能。
但其抗压强度与钢相近，因此普通灰铸铁广泛用于作承受压力载荷的零件
和结构，如机座、机床床身、轴承等。
3、球墨铸铁的应用
球墨
具有与钢相近的力学 性能，可代替钢和合金钢 使用。
铸铁
管道 接口
4、球墨铸铁调质和正火后的组织性能
热处理工艺
显微组织
调质: 980℃退火 后,
900℃油淬 + 580℃回火
正火: 980℃退火 后, 900℃正火
+ 580℃去应力退 火
回火索氏 体
+石墨
珠光体+ 5%铁素体
+石墨
沸腾钢 A等级 235 MPa 屈服强度
2、优质碳素结构钢
这类钢中硫、磷含量较低，质量较好，含碳量波 动小，性能较稳定，并可通过热处理进行强化， 常用来制造比较重要的机械零件。
据钢中含锰量的不同，优质碳素结构钢可分为： 普通含锰量优质碳素结构钢（Mn%＜0.7%和较高 含锰量的优质碳素结构钢（Mn%＝0.7%～1.2%） 。
二、铸 铁
铸铁是碳质量分数大于2.11%、并常含有较多的硅、锰、硫、
磷等元素的铁碳合金。 用于制造机床的床身、床头箱,发动机的汽缸体、机器的底座等
，是工程上最常用的金属材料之一。
箱体
启 动 阀
（一）铸铁的成分 1、铸铁的成分范围：
wC=2.5%～4.0%、 wSi=1.0%～3.5%、wMn=0.5%～1.5%、 wP＜0.20%、wS＜0.5%。 。
牌号表示：常用“两位数字”表示，该数字表示 钢中的平均含碳量的万分数。例如，45表示其平 均含碳量为 0.45%的优质碳素结构钢；65Mn表示 平均含碳量为0.65%、含锰量较高的优质碳素结 构钢。含锰量较高的优质碳素结构钢较普通含锰 量的优质碳钢，淬透性较好，强度也较高。
2.优质碳素结构钢
两位数字 45— 表示含碳量为0.45% 若钢中含锰量较高，将锰元素标出。 45Mn— Wc = 0.45% ;
机械制造基础 工程材料
上午12时15分
常用工程材料
教学内容
学习要求
能力要求
1.金属材料的分类
2.碳钢、合金钢分 类、牌号及应用
3.非铁金属材料的牌 号，应用
1.掌握钢、铸铁的牌 号及性能
2.理解非铁金属材料的 牌号、性能及应用
3.了解钢杂质的影 响，陶瓷、复合材 料
初步具有选材 的能力
第一节：碳钢、铸铁
叶轮
发动机飞轮
灰铸铁
2、灰铸铁的牌号 HT+三位数字，数字表示最低抗拉强度。
如：HT150，HT200，HT250
3、灰铸铁的热处理
热处理只能改变基体组织，不能改变石墨的形态和分 布，对提高性能效果不大。通常对其进行热处理的方法和 目的是：
1、消除内应力退火： 2、高温退火：消除白口组织 3、表面淬火：提高表面硬度、耐磨性和疲劳强度。
σb MPa 800～1000
700
机械性能
5
ak
ห้องสมุดไป่ตู้
%
kJ/m2
1.7～ 2.7
260～ 320
2.5
100
HB
240～ 340
317～ 321
1、生产方法：
蠕墨铸铁
在一定成分的铁水中加入适量的蠕化剂而炼成的，其方法与 程序与球墨铸铁基本相同。
2、蠕墨铸铁的牌号、性能和应用
蠕墨铸铁以“RuT”表示，其后的数字表示最低抗拉强度。
3.碳素工具钢
T 12 A
高级优质 Wc = 1.2% 碳素工具钢
4、铸造碳钢
铸造碳钢是冶炼后直接铸造成毛坯或零件的碳素 钢，适用于形状复杂且韧性、强度要求较高的零 件， 也常用于韧性、强度要求较高的大型零件 。
铸造碳钢的含碳量一般在0.15%～0.60%范围内， 过高则塑性差，易产生裂纹。
其牌号表示：用“铸钢”两汉字的汉语拼音字母 开头“ZG”后面加“两组数字”组成，第一组数 字代表屈服点，第二组数字代表抗拉强度，如 ZG200－400表示屈服点不小于200MPa，抗拉强度 不小于400MPa铸造碳钢。
4、铸造碳钢
ZG 200 - 400
σb ≥ 400MPa σs≥ 200MPa 铸钢
如： 牌号：RuT300、RuT420 性能：蠕墨铸铁是一种新型高强铸铁材料。它的强度接近于球墨 铸铁，并且有一定的韧性、较高的耐磨性；同时又有和灰口铸铁 一样的良好的铸造性能和导热性。
应用： 蠕墨铸铁已成功地用于高层建筑中高压热交换器、内燃 机汽缸和缸盖、汽缸套、钢锭模、液压阀等铸件。
排
气
进
管
气
管
合金铸铁
在铸铁中加入某些合金元素，得到一些具有各种特殊性能的合 金铸铁。 1、耐磨铸铁（加铬）
弯 管
衬 板
2、耐热铸铁 （Al、Si、Cr ）
扇
形
扩
散
托
器
架
60～85钢属于高碳钢， 经淬火＋中温回火后， 具有高的弹性和一定的韧性，主要用于制造各类 弹簧。
3、碳素工具钢
这类钢的含碳量较高，一般在0.65%～1.35%之间，经适 当热处理后，具有高强度、高硬度及高的耐磨性，常用 来制造各种工具（刃具、量具和模具）。
按钢的质量不同，碳素工具钢分为优质碳素工具钢和高 级优质碳素工具钢两类。
WMn = 0.7%～1.0%
2、优质碳素结构钢
其中 08、10、15、20钢属于低碳钢，塑性好， 具有良好的冷冲压性能和焊接性能，宜于制作各 种冷冲压件、焊接件以及尺寸不大，受力较小的 渗碳件。
30～55钢属于中碳钢，这类钢经调质处理后具有 良好的综合力学性能，即既具有较高的强度、硬 度，又具有较好的塑性、韧性，是优质碳素结构 钢中应用最广的一类。