工程材料学第五章 金属材料

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。
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。
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，
铁碳合金相图（Fe～Fe3C）
碳在γ－Fe中 的最大溶解度 （1148℃）
纯铁的同素异晶 转变点（912℃）
纯铁熔点 （1538℃）
A
共晶点（1148℃）
碳在α－Fe中
G
的最大溶解度
（727℃）
共析点
（727 ℃ ）
Fe3C
渗碳体熔点 （1227℃）
共析线
渗碳体（含 碳6.69％）
纯铁（含碳0～0.0218 ％ ） 碳钢（含碳0.0218～2.11％） 铸铁（含碳2.11～6.69％）
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。
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：
第五章：金属材料
金属材料是最重要的工程材料，工业上将金属及其 合金分为两大类型：
黑色金属—铁和铁为基的合金（钢、铸铁和铁合金）； 占工业用材的95％。
有色金属—除黑色金属以外的所有金属及其合金； 仅占工业用材的5％。
碳钢和铸铁是现代汽车工业生产中使用最广泛的金属 材料，它主要由铁和碳两种元素组成的合金。因此，要掌 握碳钢和铸铁的性能及用途，首先要了解铁碳合金相图。
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。
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。
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
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。
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％）。
⑴牌号：普通含锰量优质碳素结构钢的牌号用两位数字பைடு நூலகம்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。